JP4281959B2

JP4281959B2 - 同期整流スイッチング電源回路

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Publication number: JP4281959B2
Application number: JP2004234818A
Authority: JP
Inventors: 俊裕飴井
Original assignee: SMK Corp
Current assignee: SMK Corp
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: TWI323549B; EP1626490B1; US20060034108A1; ATE383672T1; JP2006054961A; DE602005004207T2; US7123490B2; DE602005004207D1; EP1626490A1; CN1734913A; TW200614639A

Description

この発明は、直流入力電圧を所望の電圧に変換し、電子機器に供給するスイッチング電源であって、特に同期整流を行う同期整流スイッチング電源回路に関する。

従来のスイッチング電源装置１０として、例えば図６に示すような電源回路の装置がある。このスイッチング電源装置１０は、直流入力電源１の端子１ａ，１ｂ間に、トランス２の１次巻線２ａと主スイッチング素子３が直列に接続され、トランス２のプラス側端子が直流入力電源１のプラス側端子１ａに接続され、トランス２のマイナス側端子が主スイッチング素子３に接続されている。主スイッチング素子３は、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体素子からなる。さらに、直流入力電源１の端子１ａ，１ｂ間には、抵抗２１，２２が直列に接続され、抵抗２１，２２の中点は、主スイッチング素子３のゲートに抵抗２４を介して接続されている。

さらに、トランス２には、補助巻線２ｂが設けられ、補助巻線２ｂのプラス側の端子は、抵抗２５とコンデンサ１１の直列回路に接続され、コンデンサ１１の他方の端子が直流入力電源１のマイナス側の端子１ｂに接続されているとともに、補助巻線２ｂのマイナス側端子に接続されている。補助巻線２ｂのプラス側の端子は、コンデンサ１２と抵抗２３の直列回路に接続され、抵抗２３の他方の端子が抵抗２４を介して主スイッチング素子３のゲートに接続されている。

主スイッチング素子３のゲートには、スイッチング制御用のトランジスタ５のコレクタが抵抗２４を介して接続され、トランジスタ５のエミッタが直流入力電源１のマイナス側の端子１ｂに接続され、ベースが抵抗２５とコンデンサ１１の中点に接続されている。そして、トランジスタ５のコレクタとベース間に、後述するフォトカプラの受光素子３５ｂが接続されている。また、主スイッチング素子３のゲート−ソース間には、トランジスタ５のコレクタ側にカソードが接続され、アノードが直流入力電源１のマイナス側に接続されたダイオード６が設けられている。

他方、トランス２の２次巻線２ｃには、マイナス側の端子に整流用のダイオード４のアノードが接続され、カソードが出力コンデンサ１３の一方の端子に接続されているとともに、出力端子２０ａに繋がっている。出力コンデンサ１３の他方の端子が、２次巻線２ｃのプラス側の端子に接続されているとともに、抵抗３８を介して出力端子２０ｂに接続されている。

出力端子２０ａ，２０ｂ間には出力電圧検出用の抵抗３０，３１が直列に接続され、その中点が出力電圧検出回路３２の誤差増幅器３３ａの反転入力端子に接続されている。また、誤差増幅器３３ａの非反転入力端子には、出力電圧の基準電圧３４ａに接続されている。そして、誤差増幅器３３ａの出力が、フォトカプラの発光ダイオード３５ａのカソードに接続されている。発光ダイオード３５ａのアノードは、抵抗３６を介して出力端子２０ａに接続されている。

また、抵抗３８の一端は、出力電流検出回路３７の出力電流設定用の基準電圧３４ｂを介して、誤差増幅器３３ｂの非反転入力端子に接続され、抵抗３８の他端が誤差増幅器３３ｂの反転入力端子に接続されている。そして、誤差増幅器３３ｂ出力は発光ダイオード３５ａのカソードに接続されている。

このスイッチング電源装置１０の動作は、ＭＯＳ−ＦＥＴの主スイッチング素子３のゲートに抵抗２１，２２間の電圧が印加されており、主スイッチング素子３がこの電圧によりオンし、補助巻線２ｂ等により、抵抗２５とコンデンサ１１の積分回路が充電した電位によってトランジスタ５がオンし、主スイッチング素子３をオフさせ、これを繰り返す。そして、２次側では、主スイッチング素子３のオン期間には、出力コンデンサ１３は充電されず、主スイッチング素子３がオフすると、２次巻線２ｃに発生するフライバック電圧により、２次巻線２ｃに蓄えられたエネルギーが出力コンデンサ１３に充電される。

このスイッチング電源装置１０の出力電圧及び出力電流の制御は、２次側の出力電圧検出回路３２、出力電流検出回路３７により、フォトカプラの発光ダイオード３５ａがオン・オフ制御され、発光ダイオード３５ａがオンすると受光素子３５ｂがオンして、コンデンサ１１の充電時間が調整される。これによって、主スイッチング素子３のオン時間が、出力側に対して絶縁された状態でフィードバック制御され、主スイッチング素子３は出力電圧、出力電流が所定の値になるように制御される。
特開２０００−３５０４５４号公報

上記従来の技術の場合、出力端子２０ａ，２０ｂに接続される電子機器が要求する電圧値や電流値を安定に出力するように、スイッチング電源装置１０内で各回路定数を設定している。従って、接続される電子機器に個別に対応した固定的な電源装置となり、汎用性のないものとなって、電子機器の仕様変更や新製品毎に、それに用いる電源装置も新しいものにしなければならず、無駄の多いものであった。

この発明は、上記の従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、接続される電子機器が要求する電圧値や電流値が異なる場合にも、共通した電源装置を使用することができ、回路構成も簡単な同期整流スイッチング電源回路を提供することを目的とする。

この発明は、直流入力電源の両端子間に直列に接続されたトランスの１次巻線と主スイッチング素子と、前記トランスに設けられた第一の補助巻線及び抵抗とコンデンサが直列に接続された積分回路を含む主スイッチング素子駆動回路と、出力端子間に直列に接続された前記トランスの２次巻線と同期整流素子と、前記主スイッチング素子のオン・オフにより前記トランスの２次巻線に発生する電圧で充電される出力コンデンサと、前記トランスに設けられた第二の補助巻線を含み前記同期整流素子をオン・オフする同期整流素子駆動回路とから成るフライバック型の電源装置を備え、前記電源装置に対して着脱自在に別体に設けられ、前記電源装置が接続されて給電される電子機器を有し、前記電子機器には、前記同期整流素子の制御入力端子へオン期間を制御する制御信号を送る制御部が設けられ、前記主スイッチング素子駆動回路は、前記同期整流素子のオフによって反転する前記第一の補助巻線のプラス側電圧が、コンデンサを介して前記主スイッチング素子の制御入力端子に印加可能に構成されるとともに、前記積分回路が前記主スイッチング素子の制御端子に接続され、前記主スイッチング素子駆動回路は、前記同期整流素子のオフによって前記第一の補助巻線のプラス側電圧を前記主スイッチング素子の制御入力端子に印加して、前記主スイッチング素子をオンさせるとともに、前記第一の補助巻線のプラス側電圧を前記積分回路に印加して、前記積分回路の電位を上昇に反転させ、所定時間の経過後に前記積分回路の電位が前記トランジスタのベース電圧に達すると前記トランジスタがオンして、前記主スイッチング素子をオフさせる動作をし、前記同期整流素子駆動回路は、前記主スイッチング素子のオフによって反転する前記第二の補助巻線の電圧を前記同期整流素子の制御端子に印加して前記同期整流素子をオンさせる動作をし、前記同期整流素子のオン期間に、前記出力コンデンサの充電及び前記出力コンデンサから前記トランスを介して前記直流入力電源へ電力を回生することにより、前記制御部により設定した出力電力を前記電子機器へ供給するようにした同期整流スイッチング電源回路である。

前記出力コンデンサの両端が前記電源装置の出力端子に接続され、前記電源装置に前記電子機器が接続されることにより、前記同期整流素子の制御入力端子が、前記制御部からの制御信号を出力する制御端子に接続されるものである。

また、直流入力電源の両端子間に、トランスの１次巻線と主スイッチング素子が直列に接続されて電源装置を構成し、前記トランスの２次巻線と、この２次巻線に対して出力端子間に直列に接続された２次側の同期整流素子と、前記主スイッチング素子のオン・オフにより前記トランスの２次側の巻線に発生する電圧で充電される出力コンデンサを、前記電源装置から給電される電子機器側に設け、前記電子機器に、前記同期整流素子の制御入力端子へ制御信号を送る制御部を設け、前記同期整流素子のオン期間に、前記出力コンデンサの充電及び前記出力コンデンサから前記トランスを介して前記直流入力電源へ電力を回生することにより、前記制御部により設定した出力電力を前記電子機器へ供給するようにした同期整流スイッチング電源回路としても良い。前記電源装置と電子機器とは、前記トランスの１次側と２次側とが磁気結合によりエネルギーを伝達するものである。

この発明の同期整流スイッチング電源回路は、接続される電子機器が要求する電圧値や電流値が異なる場合にも共通した電源装置を使用することができるものである。これにより、回路構成も簡単で汎用性の高いスイッチング電源装置を提供することができ、電源装置を無駄なく効率的に使用することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の一実施形態のフライバック式の同期整流スイッチング電源回路を示すもので、図６に示す回路と同様の構成は同一の符号を付して説明する。この同期整流スイッチング電源回路の電源装置４０は、１次側回路は図６の回路と同様に、直流入力電源１の端子１ａ，１ｂ間に、トランス２の１次巻線２ａと主スイッチング素子３が直列に接続され、トランス２のプラス側端子が直流入力電源１のプラス側端子１ａに接続され、トランス２のマイナス側端子が主スイッチング素子３に接続されている。主スイッチング素子３は、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の電力制御用の半導体素子からなり、ドレインが１次巻線２ａのマイナス側端子に接続され、ソースが直流入力電源１のマイナス側端子１ｂに接続されている。さらに、直流入力電源１の端子１ａ，１ｂ間には、抵抗２１，２２が直列に接続され、抵抗２１，２２の中点は、主スイッチング素子３の制御入力端子であるゲートに抵抗２４を介して接続されている。

さらに、トランス２には、この電源装置の主スイッチング素子駆動回路として、補助巻線２ｂが設けられ、補助巻線２ｂのプラス側の端子は、抵抗２５とコンデンサ１１の直列回路の抵抗２５の端子に接続されている。コンデンサ１１の他方の端子は、直流入力電源１のマイナス側の端子１ｂに接続されているとともに、補助巻線２ｂのマイナス側端子に接続されている。補助巻線２ｂのプラス側の端子は、コンデンサ１２と抵抗２３の直列回路に接続され、抵抗２３の他方の端子が抵抗２４を介して主スイッチング素子３のゲートに接続されている。

主スイッチング素子３のゲートには、この電源装置の主スイッチング素子駆動回路を構成するトランジスタ５のコレクタが抵抗２４を介して接続され、トランジスタ５のエミッタが直流入力電源１のマイナス側の端子１ｂに接続され、ベースが抵抗２５とコンデンサ１１の中点に接続されている。また、主スイッチング素子３のゲート−ソース間にはダイオード６が接続され、トランジスタ５のコレクタ側にダイオード６のカソードが接続され、アノードが直流入力電源１のマイナス側に接続されている。

また、トランス２の２次巻線２ｃには、マイナス側の端子に出力コンデンサ１３の一方の端子と接続され、２次巻線２ｃのプラス側の端子はＭＯＳ−ＦＥＴから成る同期整流素子７のドレインに接続され、同期整流素子７のソースが出力コンデンサ１３の他方の端子と接続している。出力コンデンサ１３の両端は、この電源装置４０の出力端子５１ａ，５５ａに各々接続している。

さらに、トランス２には、同期整流素子駆動回路として、補助巻線２ｄが設けられ、補助巻線２ｄのマイナス側の端子に整流用のダイオード８のアノードが接続され、カソードが制御用電力を出力する出力コンデンサ１４の一方の端子に接続されている。補助巻線２ｄ両端には、さらに抵抗２６，２７の直列回路が接続され、抵抗２６，２７の中点は同期整流素子７の制御入力端子であるゲートに接続されている。

この電源装置４０は、出力端子５１ａ，５５ａの他に、２次巻線２ｃのプラス側の端子に接続された位相検出端子５２ａ、制御用の電力の出力端子５３ａ、同期整流素子７のゲートに接続され、同期整流素子７を駆動制御する制御端子５４ａを備える。

この電源装置４０に接続される電子機器６０は、例えば、携帯電話等の携帯用端末装置であり、電子機器６０側に、電源装置４０の出力電力を制御する制御用ＩＣ４１を備えている。電子機器６０は、電源装置４０の出力端子５１ａ，５５ａに各々対応して着脱自在に接続される端子５１ｂ，５５ｂを備え、さらに、位相検出端子５２ａ、制御用の電力の出力端子５３ａ、制御端子５４ａに各々対応して着脱自在に接続された端子５２ｂ，５３ｂ，５４ｂを備えている。端子５１ｂ，５５ｂは、電子機器６０内の回路に電力を供給する出力端子６０ａ，６０ｂに繋がるとともに、端子５１ｂは抵抗４２を介して制御用ＩＣ４１の図示しない出力電圧設定回路に接続されている。また、端子５５ｂと出力端子６０ｂ間には、抵抗３８が設けられ、抵抗３８の両端は、制御用ＩＣ４１の図示しない出力電流設定回路に接続されている。また、端子５２ｂは制御用ＩＣ４１の位相検出用回路に接続され、端子５３ｂは制御用ＩＣ４１の電源端子に接続され、端子５４ｂは、制御用ＩＣ４１による同期整流素子７のオン期間を制御する図示しない制御出力回路に接続されている。

この実施形態の同期整流スイッチング電源回路の動作は、ＭＯＳ−ＦＥＴの主スイッチング素子３のゲートに抵抗２１，２２間の電圧が印加されており、主スイッチング素子３が最初にこの電圧によりオンし、次からは補助巻線２ｂのプラス側に発生した電圧により主スイッチング素子３がオンし、補助巻線２ｂのプラス側に発生した電圧により、抵抗２５とコンデンサ１１の積分回路が充電されて、所定電位によりトランジスタ５がオンして、主スイッチング素子３をオフさせ、以降一定の周期でこれを繰り返す。そして、２次側では、主スイッチング素子３のオン期間には、出力コンデンサ１３，１４は充電されず、主スイッチング素子３がオフすると、同期整流素子７がオンして、２次巻線２ｃ及び補助巻線２ｄに発生するフライバック電圧による２次巻線２ｃ補助巻線２ｄに蓄えられたエネルギーが、各々出力コンデンサ１３，１４に充電される。

このとき、出力コンデンサ１３では、２次巻線２ｃからのエネルギーによる充電が終了した後も制御用ＩＣ４１による出力により同期整流素子７がオンしていると、出力コンデンサ１３の電力は、同期整流素子７及び２次巻線２ｃを介して１次側の直流入力電源１に一部が回生される。この実施形態では、この回生動作を利用して、電源装置４０の出力電圧及び出力電流の制御を行う。即ち、電子機器６０の制御用ＩＣ４１は、制御端子５４ｂ，５４ａを介して同期整流素子７のゲートに電圧が印加されるオン期間を制御し、出力コンデンサ１３の出力電力を、同期整流素子７を介して１次側の直流入力電源１に一部回生させ、出力端子５１ａの出力電圧が、抵抗４２により設定される電圧値になるように制御する。同様に出力電流は、抵抗３８で設定される電流値になるように制御するものである。

次に、この制御動作の例について、図２〜図４を基に説明する。先ず、電子機器６０側で比較的軽い負荷、例えば出力電圧が６Ｖ、出力電流が０．０１Ａの場合、図２（ｃ）に示す制御用ＩＣ４１からの制御信号が制御端子５４ａにかかり、同期整流素子７のゲートのオン期間を設定する。このオン期間は、出力コンデンサ１３が２次巻線２ｃからのフライバック電圧により充電した後もオンしているもので、出力コンデンサ１３の出力電圧が、抵抗４２により設定される所定値にするための期間である。これにより、２次巻線２ｃに流れる電流は、図２（ｂ）に示すように、プラス方向に流れた後、マイナス方向に回生電流が流れる。このときの電子機器６０の消費電流は僅かであるので、出力コンデンサ１３を充電した電流に近い電流が回生される。そして、１次巻線２ａに流れる電流も、図２（ａ）に示すように、主スイッチング素子３のオンとともに直流入力電源１の方に回生電流が流れた後、プラス方向に電流が流れる。そして、出力電圧は、図２（ｄ）に示すように、所定の６Ｖに維持される。

また、電子機器６０側が最大負荷状態であり、例えば出力電圧が６Ｖ、出力電流が０．６Ａの場合、図３（ｃ）に示す制御用ＩＣ４１からの制御信号が制御端子５４ａにかかり、同期整流素子７のゲートのオン期間を設定する。このオン期間も、出力コンデンサ１３が２次巻線２ｃからのフライバック電圧により充電した後もオンしているものであるが、相対的に出力コンデンサ１３の充電後のオン期間が短い。従って、２次巻線２ｃに流れる電流は、図３（ｂ）に示すようにプラス方向に多く流れ、このときの電子機器６０の消費電流は大きいので、出力コンデンサ１３を充電したのちの回生電流は少なく、所定の僅かな期間マイナス方向に回生電流が流れる。そして、１次巻線２ａに流れる電流も、図３（ａ）に示すように、主スイッチング素子３のオンとともに直流入力電源１の方に僅かに回生電流が流れた後、プラス方向に多く電流が流れる。このときも出力電圧は、図３（ｄ）に示すように、所定の６Ｖに維持される。また、出力電圧、出力電流を異なる設定値とした場合も、この回生動作により所定の電流値、電圧値に維持することができる。

また、電子機器６０が電源装置４０に接続されていない場合、補助巻線２ｄによる電圧により同期整流素子７のゲート容量が充電され、図４（ｃ）に示すように同期整流素子７がオンする電圧で安定し、主スイッチング素子３がオンするまで同期整流素子７はオンしている。そして、２次巻線２ｃに流れる電流は、図４（ｂ）に示すようにプラス・マイナスがほぼ等しく、１次巻線２ａに流れる電流も、図４（ａ）に示すように回生電流が流れ、消費エネルギーはほとんど無い。また、出力端子５１ａにかかる電圧は、トランス２の巻線の巻き数比により決定される電圧となる。

この実施形態の同期整流スイッチング電源回路によれば、電子機器６０側の制御端子５４ｂからの出力により同期整流素子７のゲートのオン期間が制御され、このオン期間に出力コンデンサ１３に充電されたエネルギーが１次側に回生されるようにして、出力電圧、出力電流を所定の値にしているので、電源装置４０側の回路を共通にして異なる電子機器に異なる電圧・電流を供給することが出来る。従って、電源装置４０に汎用性を持たせることが出来、多様な電子機器に対して一つの電源装置４０により対応することが出来る。

なお、この発明の同期整流スイッチング電源装置は、上記実施形態の他、図５に示すように、電源装置６２側と電子機器６４側とを、トランス２の１次巻線２ａと２次巻線２ｃとで分けても良い。この場合、１次側の直流電圧原１からのエネルギーは、コイルによる磁気結合回路により伝達される。その他の回路構成は、上記実施形態と同様である。また、１次巻線２ａの両端には、保護用等のコンデンサ１５が接続されている。

この実施形態によれば、接点を設けずに電子機器６４へのエネルギーの供給が可能となるとともに、上記実施形態と同様に、電流・電圧制御を電子機器６４側から行うことができ、汎用性の高い電源装置６２を提供することが出来る。

またこの発明は、上記実施形態の電源回路に限らず、回路構成は適宜変更可能なものである。

この発明の一実施形態の同期整流スイッチング電源回路の概略回路図である。この実施形態の同期整流スイッチング電源回路の動作波形を示す概略タイムチャートである。この実施形態の同期整流スイッチング電源回路の他の動作波形を示す概略タイムチャートである。この実施形態の同期整流スイッチング電源回路の他の動作波形を示す概略タイムチャートである。この発明の他の実施形態の同期整流スイッチング電源回路の概略回路図である。従来の同期整流スイッチング電源装置の概略回路図である。

符号の説明

１直流入力電源
２トランス
２ａ１次巻線
２ｂ，２ｄ補助巻線
２ｃ２次巻線
３主スイッチング素子
５トランジスタ
７同期整流素子
１３出力コンデンサ
４０電源装置
４１制御用ＩＣ
５１ａ，５５ａ出力端子
５２ａ位相検出端子
５４ａ制御端子
６０電子機器

Claims

直流入力電源の両端子間に直列に接続されたトランスの１次巻線と主スイッチング素子と、
前記トランスに設けられた第一の補助巻線と、抵抗とコンデンサが直列に接続された積分回路とを含む主スイッチング素子駆動回路と、
出力端子間に直列に接続された前記トランスの２次巻線と同期整流素子と、
前記主スイッチング素子のオン・オフにより前記トランスの２次巻線に発生する電圧で充電される出力コンデンサと、
前記トランスに設けられた第二の補助巻線を含み、前記同期整流素子をオン・オフする同期整流素子駆動回路と、
から成るフライバック型の電源装置を備え、
前記電源装置に対して着脱自在に別体に設けられ、前記電源装置が接続されて給電される電子機器を有し、前記電子機器には、前記同期整流素子の制御入力端子へオン期間を制御する制御信号を送る制御部が設けられ、
前記主スイッチング素子駆動回路は、前記同期整流素子のオフによって反転する前記第一の補助巻線のプラス側電圧が、コンデンサを介して前記主スイッチング素子の制御入力端子に印加可能に構成されるとともに、前記積分回路が前記主スイッチング素子の制御端子に接続され、
前記主スイッチング素子駆動回路は、前記同期整流素子のオフによって前記第一の補助巻線のプラス側電圧を前記主スイッチング素子の制御入力端子に印加して、前記主スイッチング素子をオンさせるとともに、前記第一の補助巻線のプラス側電圧を前記積分回路に印加して、前記積分回路の電位を上昇に反転させ、所定時間の経過後に前記積分回路の電位が前記トランジスタのベース電圧に達すると前記トランジスタがオンして、前記主スイッチング素子をオフさせる動作をし、
前記同期整流素子駆動回路は、前記主スイッチング素子のオフによって反転する前記第二の補助巻線の電圧を前記同期整流素子の制御端子に印加して前記同期整流素子をオンさせる動作をし、
前記同期整流素子のオン期間に、前記出力コンデンサの充電及び前記出力コンデンサから前記トランスを介して前記直流入力電源へ電力を回生することにより、前記制御部により設定した出力電力を前記電子機器へ供給することを特徴とした同期整流スイッチング電源回路。
前記出力コンデンサの両端が前記電源装置の出力端子に接続され、前記電源装置に前記電子機器が接続されることにより、前記同期整流素子の制御入力端子が、前記制御部からの制御信号を出力する制御端子に接続されることを特徴とした請求項１記載の同期整流スイッチング電源回路。