JP4255487B2

JP4255487B2 - スイッチング電源装置、スイッチング周波数設定方法

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Publication number: JP4255487B2
Application number: JP2006298392A
Authority: JP
Inventors: 幸夫山▲崎▼
Original assignee: エコパワー・デザイン株式会社
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: JP2008118754A

Description

本発明は、スイッチング素子を利用して制御を行うスイッチング電源装置、及びスイッチング電源装置のスイッチング周波数の設定方法に関する。

従来のスイッチング電源装置の回路を図５に示す。このスイッチング電源装置は、交流電源ＣＮ１、交流電源ＣＮ１に接続される第１整流ブリッジＤ１、主スイッチング素子Ｑ１、第１次巻線及び第２次巻線を備えて変圧回路として機能するトランスＴ１、主スイッチング素子Ｑ１にスイッチング信号を出力するパルス発振回路ＩＣ１等を備える。

トランスＴ１の第１次巻線の一端にはスイッチング素子Ｑ１のドレインが直列接続される。第１次巻線の他端は第１整流ブリッジＤ１のプラス直流極に接続される。また第１整流ブリッジＤ１のマイナス直流極は、スイッチング素子Ｑ１のソースに接続される。第１整流ブリッジＤ１のプラス直流極・マイナス直流極間には、平滑コンデンサＣ８が接続されており、整流作用により直流電源の役割をするようになっている。

交流電源ＣＮ１側には、更に、第２整流ブリッジＤ２が接続されており、この第２の整流ブリッジＤ２の直流極間には、パルス発振回路ＩＣ１が接続される。これによりパルス発振回路ＩＣ１の起動時の電圧が、第２整流ブリッジＤ２から供給される。

パルス発振回路ＩＣ１の出力端子ＯＵＴは、スイッチング素子Ｑ１のゲートに接続されており、また、パルス発振回路ＩＣ１の電流検出端子ＩＳＮＦは、スイッチング素子Ｑ１のソースに接続される。

このスイッチング電源装置は、更に、パルス発振回路ＩＣ１から供給されるパルス信号を検出する内部検出回路１１を備える。この内部検出回路１１は、スイッチング回路ＩＣ１のスイッチング信号の周波数を制御する。この内部検出回路１１は、パルス発振回路ＩＣ１から供給されたスイッチング信号（パルス出力）を検出するパルス検出回路１２を備えており、ここでは、抵抗Ｒ１６，Ｒ１７，Ｒ１８とコンデンサＣ７がその機能を発揮する。このパルス検出回路１２は、スイッチング素子Ｑ１のゲート及びパルス発振回路ＩＣ１の出力端子ＯＵＴ間に接続されており、検出されるスイッチング信号をスイッチング素子Ｑ４のベースに出力する。

更に、この内部検出回路１１は、直流信号レベル変換回路１３を備える。この直流信号レベル変換回路１３は、スイッチング素子Ｑ４のコレクタ・エミッタ間に接続される。この直流信号レベル変換回路１３は、複数の否定回路ＩＣ４Ａ〜ＩＣ４Ｄ、ダイオードＤ７、コンデンサＣ１６、抵抗Ｒ２３、Ｒ２７を備えており、これらの構成により、パルス検出回路１２で検出されたパルス信号を直流信号レベルに変換する。パルス発振回路ＩＣ１のオン時間が比較的長い場合、コンデンサＣ１６に電荷が十分充電されるため、その間、直流信号レベルが高レベル状態となる。一方、パルス発振回路ＩＣ１のオン時間が比較的短いと、コンデンサＣ１６に十分な電荷が充電されず、直流信号レベルが低レベル状態となる。この直流信号レベル変換回路１３における否定回路ＩＣ４Ｂに低レベルとなる直流信号レベルが入力されると、低周波指示信号（ここではＯＮ信号）に変更され、反対に高レベルとなる直流信号レベルが入力されると高周波指示信号（ここではＯＦＦ信号）に変換される。

内部検出回路１１は、周波数切替回路１４を備える。この周波数切替回路１４は、スイッチング素子Ｑ３を備える。スイッチング素子Ｑ３の制御端子は、直流信号レベル変換回路１３の否定回路ＩＣ４Ｂに接続されており、この否定回路ＩＣ４Ｂから出力される低周波指示信号（ＯＮ信号）又は高周波指示信号（ＯＦＦ信号）が、このスイッチング素子Ｑ３に入力される。また、スイッチング素子Ｑ３の入力端子には、第１のコンデンサＣ２に直列接続されている。また、このスイッチング素子Ｑ３と第１のコンデンサＣ２との直列回路に対して並列となるように、第２のコンデンサＣ１７が接続されている。

従って、周波数切替回路１４に低周波指示信号（ＯＮ信号）が送信されると、スイッチング素子Ｑ３がオンとなる。スイッチング素子Ｑ３がオンすることにより、コンデンサＣ２は充電されて、パルス発振回路ＩＣ１のスイッチング周波数が低くなる。一方、周波数切替回路１４に高周波指示信号（ＯＦＦ信号）が送信されると、スイッチング素子Ｑ３がオフとなる。スイッチング素子Ｑ３がオフすることで、コンデンサＣ２が放電されて、パルス発振回路ＩＣ２のスイッチング周波数が高くなり、電力が上がる。
特開２００４−１８７４７９号公報

従来のスイッチング電源装置は、図６に示されるように、起動時において、周波数切替回路１４のコンデンサＣ２等が充電されないため、早い時定数状態となり、パルス発振回路ＩＣ１のスイッチング信号が必ず高周波Ｈから開始する。高周波Ｈにより、起動時の電圧立ち上がりは素早いが、その後、過電流（サージ電流）が抵抗Ｒ５を経てパルス発振回路ＩＣ１に流れ込み、同回路ＩＣ１が出力を抑えようとして周波数を強制的に低周波Ｌに切り替える。この結果、負荷が軽い段階でも、高周波Ｈから低周波Ｌへの切替えが発生して出力落ち込みＸ１が生じてしまうという問題があった。また、高周波Ｈからスタートするため、電力消費が増大するという問題があった。

また更に、周波数切替回路１４において、コンデンサＣ１７、Ｃ２を利用して周波数を切り替える構成である為、その充放電動作の為に応答性が悪いという問題があった。具体的に、図６に示されるように、スイッチング信号が低周波Ｌの状態において直流信号レベルが上昇し、周波数切替回路１４に高周波指示信号が入力されても、コンデンサＣ２における電荷放出に時間を要するので、実際に、パルス発振回路ＩＣ１に周波数の切替指示が伝わるタイミングが遅くなってしまう。この結果、出力電圧が十分に増大してしまった後に、スイッチング周波数が低周波Ｌから高周波Ｈに切り替わるので、その切替時に大きな出力容量落ち込みＸ２が発生し、滑らかな出力特性が得られないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、起動時等や高周波移行時における出力の落ち込みを低減すると共に、負荷が低い場合にも立ち上がり波形が安定するスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

上記目的は、以下の手段によって達成されるものである。

（１）交流電源からの交流を直流に整流する整流回路と、前記整流回路で整流された電流を、スイッチング素子を利用してスイッチングするスイッチング回路と、前記スイッチング素子に対してスイッチング信号を出力するパルス発振回路と、前記スイッチング回路でスイッチングされた電流によって、電圧を昇圧又は降圧する変圧回路と、前記変圧回路の１次側における前記スイッチング回路のパルス出力を検出し、前記パルス出力の状態に基づいて抵抗を利用して抵抗値を変化させ、前記パルス発振回路における前記スイッチング信号の周波数を切替える周波数切替手段と、を備え、前記周波数切替手段は、前記スイッチング回路の前記パルス出力を検出する出力検出回路と、前記出力検出回路で検出された前記パルス出力を直流信号レベルに変換する直流信号レベル変換回路と、前記直流信号レベル変換回路で変換された前記直流信号レベルを基準電圧と比較する比較回路と、前記パルス出力の発振開始時は、前記直流信号レベルが前記基準電圧よりも小さいことを理由に、抵抗値を変化させて前記パルス発振回路における前記スイッチング信号の周波数を低周波からスタートさせ、スタート後に前記直流信号レベルが増大して前記基準電圧に達した時は、前記抵抗値を変化させて前記パルス発振回路における前記スイッチング信号の周波数を高周波に切替える抵抗値変更回路と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。

（２）前記直流信号レベルが前記基準電圧に達した際に、前記抵抗値変更回路が抵抗の抵抗値を減少させ、前記スイッチング信号の周波数を増大させることを特徴とする上記（１）記載のスイッチング電源装置。

（３）前記抵抗値変更回路は、前記抵抗値を複数段階で変更可能となっていることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のスイッチング電源装置。

（４）前記抵抗値変更回路は、第１抵抗及び前記第１抵抗に対して選択的に並列接続可能な第２抵抗を備えており、前記直流信号レベルが前記基準電圧に達しない場合には、前記第１抵抗を独立状態にして前記スイッチング信号を低周波に設定すると共に、前記直流信号レベルが前記基準電圧に達した場合には、前記第１抵抗と前記第２抵抗を並列状態にして前記スイッチング信号を高周波に設定することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれか記載のスイッチング電源装置。

（５）前記出力検出回路は、前記パルス出力として、前記スイッチング回路に印加されるパルス電圧又は前記スイッチング回路の過電流検出用のパルス電流のいずれかを検出することを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか記載のスイッチング電源装置。

（６）前記比較回路は、比較結果に応じて前記直流信号レベルにバイアス電圧を印加するバイアス回路を備えることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれか記載のスイッチング電源装置。

（７）更に、外部信号を受けて前記周波数切替手段の前記抵抗値を強制的に変更可能な外部制御回路を備えることを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれか記載のスイッチング電源装置。

（８）スイッチング素子を備えたスイッチング電源回路における前記スイッチング素子のスイッチング周波数設定方法であって、前記スイッチング素子にスイッチング信号を出力するパルス発振回路の周波数設定端子に、抵抗を用いて抵抗値を変更可能な抵抗値変更回路を接続しておき、変圧回路の１次側におけるスイッチング回路のパルス出力を検出し、検出された前記パルス出力を直流信号レベルに変換し、変換された前記直流信号レベルを基準電圧と比較し、前記パルス発振回路による発振開始時、前記直流信号レベルが前記基準電圧よりも小さいことを理由に、前記抵抗値変更回路が抵抗値を変化させることによってスイッチング信号が低周波から開始するようにし、スタート後の出力の増加に伴い、前記直流信号レベルが増大して前記基準電圧に達したことを理由に、前記抵抗値変更回路の抵抗値変更によって前記スイッチング信号が高周波に移行することを特徴とするスイッチング周波数設定方法。

本発明によれば、周波数切替手段が、抵抗によって抵抗値を変化させているので、周波数の切替タイミングの応答性が向上し、特に起動時において円滑に高周波に移行することが可能になる。また、周波数切替手段が抵抗を用いているので、スイッチング信号を低周波から開始させることができる。その結果、起動時の安定性が向上すると共に、消費電力を低減することが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置１の回路図である。このスイッチング電源装置１は、交流電源ＣＮ１、交流電源ＣＮ１に接続されて交流を直流に整流する第１全波整流ブリッジＢ１及び第２半波整流回路Ｂ２、第１全波整流ブリッジＢ１で整流された電流をスイッチングするスイッチング回路１０、スイッチング回路１０でスイッチングされた直流電流によって電圧を昇圧又は降圧するトランスＴ１、スイッチング回路１０に対してスイッチング信号を出力するパルス発振回路ＩＣ７１、パルス発振回路ＩＣ７１のスイッチング信号の周波数を切り替える周波数切替手段１５を備える。なお図中の記号において、ＰＣはフォトカプラ、Ｃはコンデンサ、Ｄはダイオード、Ｒは抵抗である。

スイッチング回路１０は、ＥＦＴとなる主スイッチング素子Ｑ１を備えており、この主スイッチング素子Ｑ１によって第１全波整流ブリッジＢ１の直流電流をスイッチングする。また、パルス発振回路ＩＣ７１の出力端子ＯＵＴは、主スイッチング素子Ｑ１のゲートに接続されている。また、このパルス発振回路ＩＣ７１の電流検出端子ＩＳは、主スイッチング素子Ｑ１のソースに接続されている。

トランスＴ１は、第１次巻線、第２次巻線及び補助巻線を備えており、第１巻線と第２巻線間が絶縁状態となっている。トランスＴ１の第１次巻線の一端は、主スイッチング素子Ｑ１のドレインに接続され、このスイッチング素子Ｑ１のソースは、第１全波整流ブリッジＢ１のマイナス直流極ＭＴに接続される。トランスＴ１の第１次巻線の他端は、第１全波整流ブリッジＢ１のプラス直流極ＰＴに接続される。

第１全波整流ブリッジＢ１の２つの交流極Ｋ１、Ｋ２は、交流電源ＣＮ１の交流極１、３に夫々接続される。また、第１全波整流ブリッジＢ１の直流極ＰＴ−ＭＴ間には、平滑コンデンサＣ５が接続される。この結果、交流電源ＣＮ１の電流が、第１全波整流ブリッジＢ１で整流され、更に平滑化されて直流電源として機能するようになっている。

トランスＴ１の第２次巻線側のプラス極には、整流用のダイオードＤ２１及びリップルを平滑化するリアクタンスＬ２１が直列接続されている。また、第２次巻線のプラス極・マイナス極間には、コンデンサＣ２１等が配置されて、電流の蓄積・放出を繰り返すようになっている。この結果、スイッチング電源装置１はフライバック式コンバータとして機能する。

第２半波整流回路Ｂ２は、交流電源ＣＮ１に対して第１全波整流ブリッジＢ１と並列状態で配置されているが、４つのダイオードによるブリッジ構成ではなく、２個のダイオードＤ７１、Ｄ７２によって構成されている。この第２半波整流回路Ｂ２の単一の交流極Ｋ１は、直列接続されるコンデンサＣ６を介して交流電源ＣＮ１の一方の交流極１側に接続され、半波整流するようになっている。なお、コンデンサＣ６は、起動時において交流電源ＣＮ１からの交流電流を第２半波整流回路Ｂ２側に導入する機能を有する。

第２半波整流回路Ｂ２の交流極Ｋ１には、更に、コンデンサＣ６からの交流電流のみを流すように一方のダイオードＤ７１が直列接続されている。従って、このダイオードＤ７１における交流極Ｋ１の反対側端はプラス直流極ＰＴとなる。他方のダイオードＤ７２は、第２半波整流回路の上記交流極Ｋ１とマイナス直流極ＭＴの間に配置され、マイナス直流極ＭＴから交流極Ｋ１側に向かう電流を流すようになっている。このダイオードＤ７２の存在によって、コンデンサＣ６の残留電荷を交流電源ＣＮ１側に放出させることが可能になる。このように、半波整流毎にコンデンサＣ６の残留電荷を放出させることで、次の半波整流の充電に備えることができるので、出力を高めることが出来る。また更に、第２半波整流回路Ｂ２のマイナス直流極ＭＴは、第１全波整流ブリッジＢ１のマイナス直流極ＭＴに接続される。

第２半波整流回路Ｂ２の両直流極ＰＴ−ＭＴ間には、平滑コンデンサＣ７１が接続されており、第２半波整流回路Ｂ２の整流作用により直流電源の役割をするようになっている。第２半波整流回路Ｂ２の両直流極ＰＴ−ＭＴ間には更に、パルス発振回路ＩＣ７１が接続される。具体的には、第２半波整流回路Ｂ２のプラス直流極ＰＴがパルス発振回路ＩＣ７１の電源入力端子ＶＣＣに、第２半波整流回路Ｂ２のマイナス直流極ＭＴがパルス発振回路ＩＣ７１のＲＴ端子に、夫々接続される。従って、抵抗等を用いることなく、コンデンサＣ６及び第２半波整流回路Ｂ２を介して直流電圧がパルス発振回路ＩＣ７１に印加される。この第２半波整流回路Ｂ２は、コンデンサとダイオードで構成されるので、殆ど電力が消費しないように構成され、電力の立ち上がりを素早くすることができる。ブリッジ構成と比較して部品点数も少ないので、製造コストを削減できる。

周波数切替手段１５は、スイッチング回路１０のパルス出力を検出し、パルス出力の状態に基づいて抵抗値を変化させて、パルス発振回路ＩＣ７１のスイッチング信号周波数を切替制御する。具体的に周波数切替手段１５は、出力検出回路２０、直流信号レベル変換回路３０、比較回路４０、抵抗値変更回路５０、外部制御回路６０を備える。

出力検出回路２０は、抵抗Ｒ８３を備えており、入力側がパルス発振回路ＩＣ７１の出力端子ＯＵＴに接続されている。従って、この出力検出回路２０は、パルス発振回路ＩＣ７１から供給されるスイッチング信号（パルス出力）を検出することができる。一方、この出力検出回路２０の出力側は直流信号レベル変換回路３０に接続される。

直流信号レベル変換回路３０は、抵抗Ｒ８２及びコンデンサＣ７６が並列接続されて構成される。既に述べたように、この直流信号レベル変換回路３０には、出力検出回路２０で検出されたパルス出力が入力されるので、そのパルス出力を、コンデンサＣ７６及び抵抗Ｒ８２によって直流信号レベルに変換する。実際には、パルス信号に基づくコンデンサＣ７６の充放電によって、図２（Ａ）に示されるような、鋸歯形状の波形となる直流信号レベルが生成される。なお、抵抗Ｒ８２やコンデンサＣ７６の回路配置、各素子の抵抗値、容量を任意に設定することにより、直流信号レベルの検出値を任意に設定することができる。この直流信号レベルは、後述する比較回路４０に出力される。

比較回路４０は、比較器ＩＣ７２、基準抵抗Ｒ８１、バイアス回路として機能するバイアス抵抗Ｒ７９を備える。比較器ＩＣ７２は、直流信号レベル変換回路３０から入力された直流信号レベルと、基準抵抗Ｒ８１で生成された基準電圧と比較し、基準電圧よりも直流信号レベルが大きい場合にはＯＮ信号を出力する。比較回路４０の出力側は、ダイオードＤ７３を介して、抵抗値変更回路５０（詳細にはスイッチング素子Ｑ７１のベース）に接続されているので、上記ＯＮ信号がスイッチング素子Ｑ７１に出力される。一方、直流信号レベルが基準電圧よりも小さい場合は、ＯＦＦ信号（無出力）となり、抵抗値変更回路５０のスイッチング素子Ｑ５０に所定のベース電流が流れないようになっている。

バイアス回路となるバイアス抵抗Ｒ７９は、比較器ＩＣ７２の出力側と直流信号レベル入力側に両端が連結されており、比較器ＩＣ７２がＯＮ信号を出力すると、それと同時に入力側の直流信号レベルにバイアス電圧を印加して電圧レベルを高める。この結果、一端、ＯＮ信号を出力すると、図２（Ｂ）に示されるように直流信号レベルが上昇することによって基準電圧よりも大きく上回る。この結果、バイアス回路によって、鋸歯形状の直流信号レベルによる比較器ＩＣ７２のチャタリング（ＯＮ、ＯＦＦが頻繁に繰り返される状況）を回避することが可能になる。

抵抗値変更回路５０は、スイッチング素子Ｑ７１と、２つの抵抗Ｒ７４、Ｒ７６を備えている。スイッチング素子Ｑ７１のベースには、比較回路４０のＯＮ・ＯＦＦ信号が入力される。抵抗Ｒ７６とスイッチング素子Ｑ７１（コレクタ・エミッタ）は直列接続されており、この抵抗Ｒ７６とスイッチング素子Ｑ１の直列回路に対して、もう一つの抵抗Ｒ７４が並列接続されている。

従って、スイッチング素子Ｑ７１のベースにＯＦＦ信号が入力され、コレクタ・エミッタ間に電流が流れない場合、並列接続される抵抗Ｒ７６が機能しないので、抵抗Ｒ７４が独立した単体として作用する。一方、同スイッチング素子Ｑ７１のベースにＯＮ信号が入力され、コレクタ・エミッタ間に電流が流れる場合は、抵抗Ｒ７６が機能して、抵抗Ｒ７４及び抵抗Ｒ７６が並列状態になり、合成抵抗値が下がる。従って、スイッチング素子Ｑ７１のスイッチング状態に応じて、この抵抗値変更回路５０の抵抗値を抵抗によって変化させて、ＲＴ端子に印加する電圧レベルを切り替えることができる。パルス発振回路ＩＣ７１では、ＲＴ端子の電圧レベルによってスイッチング信号の周波数が一義的に決定するので、ここでは周波数が２段階で制御できることになる。

外部制御回路６０は直流信号レベル変換回路３０に対して並列接続されており、外部信号を受信して、直流信号レベル変換回路３０のコンデンサＣ７６を短絡するようになっている。具体的には、外部制御回路６０はスイッチング素子Ｑ９０を備えており、そのコレクタ・エミッタ間にコンデンサＣ７６が接続され、ゲートに外部信号が入力されるように構成される。ゲートに信号が入力されると、コレクタ・エミッタ間が導通し、コンデンサＣ７６を短絡する。これにより、強制的に直流信号レベルが零になるので、後述するようにパルス発振回路ＩＣ７１が低周波状態に移行し、省電力モード又は待機モードに移行させることができる。

本実施形態では、比較回路４０の出力がＯＦＦ信号となって、抵抗値変更回路５０のスイッチング素子Ｑ７１に電流が流れない場合、パルス発振回路ＩＣ７１のスイッチング信号が低周波に設定され、具体的には１７ｋＨｚ以上、２５ｋＨｚ以下の周波数に設定される。比較回路４０の出力がＯＮ信号となって、抵抗値変更回路５０のスイッチング素子Ｑ７１に電流が流れる場合、パルス発振回路ＩＣ７１のスイッチング信号が高周波に設定され、具体的に７０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下に設定される。以上のように、周波数切替手段１５によれば、２段階の抵抗値変化によって、２種類の周波数を固定的に利用することが可能になる。

また、抵抗値変更回路５０は、抵抗Ｒ７４、Ｒ７６の組み合わせによる抵抗値変化を利用しているので、スイッチング電源装置１の起動時において、パルス発振回路ＩＣ７１のスイッチング信号を低周波から開始させることができる。また、負荷側の電力上昇によって直流信号レベルが高まると、比較回路４０の出力と略同タイミングで抵抗値を切り替えることができ、すばやく高周波に移行可能になる。

以上のように構成されるスイッチング電源装置１は以下のように作用する。

交流電源ＣＮ１の各極に生じる交流電流は、第１全波整流ブリッジＢ１によって整流される。この整流作用により、平滑コンデンサＣ５が充電されて直流電源となる。また、この交流電流は、直列コンデンサＣ６側にも流れることにより、第２半波整流回路Ｂ２によって整流される。なお、第２半波整流回路Ｂ２は交流極Ｋ１が一つしか存在しないので、第２半波整流回路Ｂ２では半波電流のみが整流される。この整流作用により、平滑コンデンサＣ７１が充電されて直流電源となり、パルス発振回路ＩＣ７１が起動する。第２半波整流回路Ｂ２では、コンデンサＣ６によって時定数を調整して直流電源を立ち上げることができることから、パルス発振回路ＩＣ７１の立ち上がりを最適化できる。なお、第２半波整流回路Ｂ２は、パルス発振回路ＩＣ７１の起動が主な役割である。一方、起動後はトランスＴ１の補助巻線側からダイオードＤ３を介してパルス発振回路ＩＣ７１に電流が供給される。

第１全波整流ブリッジＢ１を経て平滑コンデンサＣ５に充電された直流電力は、オン・オフを繰り返す主スイッチング素子Ｑ１によって断続する一次電流となる。なお、この主スイッチング素子Ｑ１のオン・オフ動作は、パルス発振回路ＩＣ７１の出力端子ＯＵＴから出力されるスイッチング信号（駆動パルス）による。

この一次電流は、トランスＴ１の第１次巻線、主スイッチング素子Ｑ１及び一次電流検出抵抗Ｒ８の直列回路に沿って流れることになり、この一次電流によってトランスＴ１の第２次巻線が誘起される。誘起された第２次巻線は、その後、エネルギーを放出することでコンデンサＣ２１等に電荷を蓄積し、更に、コンデンサＣ２１が電荷を放出することで、負荷ＣＮ２側に直流電源を印加する。なお、トランスＴ１の第２次巻線のプラス極側には、抵抗Ｒ２１を介してフォトカプラＰＣ２１Ｂが接続されており、このフォトカプラＰＣ２１Ｂによって、出力側の過電圧状態を検出するようになっている。この検出出力は、フォトカプラＰＣ２１Ａを介してパルス発振回路ＩＣ７１の過電圧制御端子ＣＳに入力されている。同様に第２次巻線のプラス極側には、抵抗Ｒ２２を介してフォトカプラＰＣ２２Ｂが接続されており、このフォトカプラＰＣ２２Ｂによって、電圧出力状態を検出するようになっている。この電圧出力は、フォトカプラＰＣ２２Ａを介してパルス発振回路ＩＣ７１の電圧フィードバック端子ＦＢに入力されるので、スイッチング信号の導通制御によって電圧を安定させることが可能になる。

パルス発振回路ＩＣ７１の出力端子ＯＵＴから出力されるパルス出力は、周波数切替手段１５における出力検出回路２０によって検出され、この回路２０の抵抗Ｒ８３を経て、直流信号レベル変換回路３０側に出力される。直流信号レベル変換回路３９では、送信されたパルス出力を直流信号レベルに変換する。具体的には、スイッチング信号となる矩形波信号の電荷が、コンデンサＣ７６に充電される。この際、パルス発振回路ＩＣ７１のオン時間が比較的長い場合（高デューティー比の場合）は、コンデンサＣ７６に電荷が充分に充電されるため、直流信号レベルが高くなる。一方、パルス発振回路ＩＣ７１のオン時間が比較的短い場合（低デューティー比の場合）は、コンデンサＣ７６に電荷が充分充電されないので、直流信号レベルが低くなる。直流信号レベルに変換された信号は、比較回路４０に出力される。

比較回路４０の比較器ＩＣ７２では、上記直流信号レベルと基準電圧を比較し、直流信号レベルの方が大きい場合はＯＮ信号を発する。一方、直流信号レベルが基準電圧よりも小さい場合はＯＦＦ信号を発する。スイッチング電源装置１の起動時は、必ず、直流信号レベルが低い状態からスタートするので、この比較回路４０もＯＦＦ信号からスタートすることになる。

比較回路４０から出力されるＯＮ・ＯＦＦ信号は、抵抗値変更回路５０のスイッチング素子Ｑ７１のベースに入力される。ＯＮ信号の場合は、スイッチング素子Ｑ７１のコレクタ・エミッタ間が導通されることで、２つの抵抗Ｒ７４、Ｒ７６が並列状態となって抵抗値が低下する。一方、ＯＦＦ信号の場合は、スイッチング素子Ｑ７１のコレクタ・エミッタ間が非導通状態になるので、抵抗Ｒ７４のみとなって抵抗値が増大する。既に述べたように、このスイッチング電源装置１においては、起動時はＯＦＦ信号からスタートすることから、抵抗値変更回路５０は抵抗値が大きい状態から必ずスタートし、ＯＮ信号に切り替わることで抵抗値が小さくなる。

パルス発振回路ＩＣ７１のスイッチング信号の周波数は、周波数変更端子ＲＴの入力電圧に対応して設定されるが、抵抗値変更回路５０の抵抗値が高い場合は低周波となり、抵抗値が低い場合は高周波となる。従って、起動時は、スイッチング信号が低周波からスタートし、電力の上昇にともなって高周波に切り替わる。つまり、図３に示されるように、このスイッチング電源装置１では、起動時のスイッチング信号は必ず低周波Ｌからスタートし、負荷が高まってくると高周波Ｈに移行して電力を上げるようにする。この結果、出力電圧も滑らかに上昇させることができる。更に、周波数切替を抵抗で行うことから、切替タイミングの時間的な遅れが低減され、上昇途中の設定電圧に達した時点で、素早く高周波に切り替えることができる。この結果、定格電圧等の高電圧状態における周波数切替が回避され、定格電圧の落ち込みを抑制することができる。一方、その後に負荷が低くなれば、自動的に低周波に移行して電力を下げる。

図４のグラフには、このスイッチング電源装置１の出力と効率の関係が示されている。低出力時は、常に一定の低い周波数Ｌ、例えば２０ｋＨｚの周波数Ｌに維持されることから、高い効率を維持することができる。また、高出力時においても、常に一定の高い周波数Ｈ、例えば８０ｋＨｚの周波数Ｈに維持されることから、常に高い効率を維持することができる。このように、低周波Ｌ側を１７ｋＨｚ以上、且つ２５ｋＨｚ以下の所定の範囲内に設定し、且つ高周波を７０ｋＨｚ以上且つ１００ｋＨｚ以下の所定の範囲内に設定していることで、点線に示されるように出力に応じて周波数を数ｋＨｚから１００ｋＨｚ程度にまで無段階制御する場合と比較して、結果として効率を高めることが可能になる。特に、起動時や省電力モード（待機モード）等における低周波側（低出力側）の効率が大幅に高められていることから、第２半波整流回路Ｂ２が高効率であることも相乗的に作用し、装置全体としても消費電力を小さくすることができる。

また、周波数を出力に応じて無段階制御する場合は、低周波を１７ｋＨｚ未満に移行してノイズ音が発生してしまうが、本実施形態では、２段階（或いは多段階）によって、低周波側を望みの周波数で固定することができるので、ノイズ音の発生を回避することも可能になる。

更に本実施形態では、低周波側の周波数、高周波側の周波数の双方を、抵抗値変更回路５０の抵抗を適宜選択することによって、容易に設定変更できるため、負荷側の要求に応じて、低格出力時の周波数を柔軟に決定することができる。また、その切替タイミングも、比較回路４０の基準抵抗Ｒ８１や、直流信号レベル変換回路３０の抵抗Ｒ８２及びコンデンサＣ７６を設定変更することで柔軟に設定することが可能になる。従って、このスイッチング電源装置１では、負荷側の要求仕様に対応した設計変更が極めて容易となる。

なお、本実施形態では、変圧回路として、第１次巻線・第２次巻線間が絶縁されたトランスＴ１を用いているが、必ずしも絶縁型のスイッチング電源回路である必要はなく、変圧回路としてチョッパ方式等を採用した非絶縁型のスイッチング電源回路に応用することができる。

また、本実施形態では、スイッチング電源装置１がフライバック式コンバータとして機能する場合に限って示したが、本発明はそれに限定されず、フォワードコンバータに応用することも可能である。この場合は、トランスＴ１の第２次巻線側のプラス極には、整流用のダイオードＤ２１及びエネルギーを蓄積するリアクタンスＬ２１が直列接続すると共に、このリアクタンスＬ２１を挟み込むようにして、第２次巻線のプラス極・マイナス極間には、フライホイール電流を導通させるダイオード及び電流を蓄積するコンデンサを配置することが好ましい。

なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のスイッチング電源装置は、省電力化が要求される電子機器等に適用することができる。

本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置を示す回路図同スイッチング電源の直流信号レベルの状態を示すグラフ同スイッチング電源の起動時の電圧の立ち上がり及び周波数状態を示すグラフ同スイッチング電源の効率を示すグラフ従来のスイッチング電源装置の回路図従来のスイッチング電源装置の起動時の電圧の立ち上がり及び周波数状態を示すグラフ

符号の説明

Ｑ１主スイッチング素子
Ｔ１トランス
ＩＣ７１パルス発振回路
Ｂ１第１全波整流ブリッジ
Ｂ２第２半波整流回路
１５周波数切替手段
２０出力検出回路
３０直流信号レベル変換回路
４０比較回路
５０抵抗値変更回路
６０外部制御回路

Claims

交流電源からの交流を直流に整流する整流回路と、
前記整流回路で整流された電流を、スイッチング素子を利用してスイッチングするスイッチング回路と、
前記スイッチング素子に対してスイッチング信号を出力するパルス発振回路と、
前記スイッチング回路でスイッチングされた電流によって、電圧を昇圧又は降圧する変圧回路と、
前記変圧回路の１次側における前記スイッチング回路のパルス出力を検出し、前記パルス出力の状態に基づいて抵抗を利用して抵抗値を変化させ、前記パルス発振回路における前記スイッチング信号の周波数を切替える周波数切替手段と、を備え、
前記周波数切替手段は、
前記スイッチング回路の前記パルス出力を検出する出力検出回路と、
前記出力検出回路で検出された前記パルス出力を直流信号レベルに変換する直流信号レベル変換回路と、
前記直流信号レベル変換回路で変換された前記直流信号レベルを基準電圧と比較する比較回路と、
前記パルス出力の発振開始時は、前記直流信号レベルが前記基準電圧よりも小さいことを理由に、抵抗値を変化させて前記パルス発振回路における前記スイッチング信号の周波数を低周波からスタートさせ、スタート後に前記直流信号レベルが増大して前記基準電圧に達した時は、前記抵抗値を変化させて前記パルス発振回路における前記スイッチング信号の周波数を高周波に切替える抵抗値変更回路と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
前記直流信号レベルが前記基準電圧に達した際に、前記抵抗値変更回路が抵抗の抵抗値を減少させ、前記スイッチング信号の周波数を増大させることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
前記抵抗値変更回路は、前記抵抗値を複数段階で変更可能となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
前記抵抗値変更回路は、第１抵抗及び前記第１抵抗に対して選択的に並列接続可能な第２抵抗を備えており、発振開始時を含めて前記直流信号レベルが前記基準電圧に達しない場合には、前記第１抵抗を独立状態にして前記スイッチング信号を低周波に設定すると共に、前記直流信号レベルが前記基準電圧に達した場合には、前記第１抵抗と前記第２抵抗を並列状態にして前記スイッチング信号を高周波に設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のスイッチング電源装置。
前記出力検出回路は、前記パルス出力として、前記スイッチング回路に印加されるパルス電圧又は前記スイッチング回路の過電流検出用のパルス電流のいずれかを検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のスイッチング電源装置。
前記比較回路は、比較結果に応じて前記直流信号レベルにバイアス電圧を印加するバイアス回路を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のスイッチング電源装置。
更に、外部信号を受けて前記周波数切替手段の前記抵抗値を強制的に変更可能な外部制御回路を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載のスイッチング電源装置。
スイッチング素子を備えたスイッチング電源回路における前記スイッチング素子のスイッチング周波数設定方法であって、
前記スイッチング素子にスイッチング信号を出力するパルス発振回路の周波数設定端子に、抵抗を用いて抵抗値を変更可能な抵抗値変更回路を接続しておき、
変圧回路の１次側におけるスイッチング回路のパルス出力を検出し、
検出された前記パルス出力を直流信号レベルに変換し、
変換された前記直流信号レベルを基準電圧と比較し、
前記パルス発振回路による発振開始時、前記直流信号レベルが前記基準電圧よりも小さいことを理由に、前記抵抗値変更回路が抵抗値を変化させることによってスイッチング信号が低周波から開始するようにし、
スタート後の出力の増加に伴い、前記直流信号レベルが増大して前記基準電圧に達したことを理由に、前記抵抗値変更回路の抵抗値変更によって前記スイッチング信号が高周波に移行することを特徴とするスイッチング周波数設定方法。