JP4294567B2 - 過電圧保護回路を備えたスイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、出力側の過電圧から回路を保護するのに適した過電圧保護回路を備えたスイッチング電源装置に関するものである。

近年、スイッチング電源の小型化の要求により、スイッチング素子とその制御回路を同一半導体チップ上に形成し、この制御回路にはより多くの機能を持たせ、電源としての部品点数を極力削減する技術が要求されている。

このような要望により、従来は二次側で制御していたフォトカプラ等の異常時の出力の過電圧保護の機能を一次側で制御し、二次側の部品点数を少なくする技術が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。

この技術では、トランスの一次側に過電圧検出用巻線を設け、出力に過電圧が発生した際、過電圧検出用巻線にも発生する電圧を検出して一次側で過電圧保護を行う。

以下、図２を参照しながら従来の技術について説明する。

図２において、１はトランス４の一次側に接続されたスイッチング素子、２はスイッチング素子１の制御回路、３は過電圧検出回路、４は一次巻線４ａと二次巻線４ｃと過電圧検出巻線４ｂを備えたトランス、５は軽負荷検出回路、２１はトランス４の二次巻線４ｃに接続された第二の整流用ダイオード、２２は第三の平滑用コンデンサ、２３はフォトカプラ等の一次側へのフィードバック手段を備えた定電圧回路、２４は軽負荷検出回路５に二次側出力の信号をフィードバックするフォトカプラ、２５は第一の平滑用コンデンサ、２６はトランス４の過電圧検出巻線４ｂに接続された第一の整流用ダイオード、２７は第二の平滑用コンデンサ、４１は商用電源等の入力端子、４０はダイオードブリッジ等の整流回路、４２は出力端子である。

図２に示した従来のスイッチング電源では、二次側の出力電圧を定電圧回路２３で検出し、軽負荷検出回路５と制御回路２によってＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）やＰＦＭ制御（パルス周波数制御）を行うことで二次側出力が定電圧に制御される。

具体的には、二次巻線４ｃの電圧が上昇すると、過電圧検出巻線４ｂの電圧も上昇し、この電圧が過電圧検出回路３で設定された電圧に達すると、過電圧として検出され、制御回路２からの信号によってスイッチング素子１を停止させる。

図３に、従来のスイッチング電源装置における過電圧検出巻線電圧と二次側出力電流の関係を示している。

過電圧検出巻線を使用した場合、トランスの漏れインダクタンスの影響によって、過電圧検出巻線４ｂの電圧と二次巻線４ｃの電圧との比は、出力の負荷によって変動する。

二次側出力電圧は定電圧回路２３によって一定電圧に制御されるが、二次側出力電流が大きい場合は、過電圧検出巻線４ｂの電圧は大きくなり、二次側出力電流が小さい場合は、過電圧検出巻線４ｂの電圧は小さくなる。また、軽負荷検出回路５によって、軽負荷時には間欠発振となるような制御を行った場合、間欠発振時の過電圧検出巻線４ｂの電圧は大幅に低下する。
特開昭６３−２６８４６２号公報

上記したような過電圧検出巻線４ｂの電圧を検出して過電圧保護を行う従来のスイッチング電源装置では、過電圧検出回路３の検出電圧は一定であるため、二次側出力電流の状況によって過電圧保護の電圧が変動することになり、特に軽負荷のときに間欠発振で制御する場合には、過電圧保護の電圧が大きくなるという課題があった。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、軽負荷時の間欠発振制御において、過電圧検出の検出レベルを低く変更することにより、安定した過電圧保護を可能とするスイッチング電源装置を実現する。

上記課題を解決するため、本発明のスイッチング電源装置は、一次巻線と二次巻線と過電圧検出巻線とを有するトランスと、前記一次巻線に入力される直流の入力電圧をスイッチング制御して前記二次巻線に二次側交流電圧を発生させるとともに前記過電圧検出巻線に交流電圧を発生させるスイッチング素子と、前記二次巻線の前記交流電圧を整流平滑化し出力するとともに、出力電圧を一次側へフィードバックするフィードバック信号を出力するフィードバック手段とを備えた出力回路と、前記出力回路の前記フィードバック信号に基づいて、前記スイッチング素子を間欠発振動作させる制御回路と、前記出力回路の負荷が軽負荷の場合には、前記フィードバック信号によりこれを検出して前記スイッチング素子を間欠動作させる軽負荷検出回路と、前記二次側出力電圧が異常上昇した場合に、前記過電圧検出巻線の電圧の上昇を検出して前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止するための過電圧検出回路とを備えたスイッチング電源装置において、前記過電圧検出回路が前記間欠発振動作時と、通常動作時とで、前記過電圧検出巻線の検出電圧を切り替えるようにしたことを特徴とする。

前記過電圧検出回路は、コンパレータと、前記コンパレータの一方の端子に接続された第一〜第三の抵抗と前記第三の抵抗に直列に接続されたトランジスタと、で構成され、通常動作時に、前記二次側出力電圧が異常上昇した場合、前記三の抵抗に接続されたトランジスタがオン状態であり、前記コンパレータの基準電圧と、第一〜第三の抵抗とによって抵抗分割された前記過電圧検出巻線の出力電圧を比較することによって過電圧を検出し、軽負荷時の間欠発振動作中に、前記二次側出力電圧が異常上昇した場合、前記軽負荷検出回路内の間欠発振検出用コンパレータからの信号によって前記トランジスタがオン状態となり、前記コンパレータの基準電圧と、第一及び第二の抵抗とによって抵抗分割された前記過電圧検出巻線の出力電圧を比較することによって過電圧を検出することが好ましい。

前記第一の抵抗と前記第二の抵抗は直列接続され、前記第二の抵抗と前記第三の抵抗及び前記トランジスタとは並列接続されていることが好ましい。

前記スイッチング素子と、前記制御回路と前記過電圧検出回路および前記軽負荷検出回路とを同一半導体チップ上に形成したことが好ましい。

本発明のスイッチング電源装置は、二次側出力の過電圧保護を一次側で行うことができるので、制御回路とスイッチング素子を同一半導体基板上に構成した場合に、スイッチング電源の総部品点数を削減することが可能であり、かつ、軽負荷時には過電圧検出レベルを切り替えることにより、より精度の高い過電圧保護を可能にする。

以下、本発明のスイッチング電源装置について図１を参照しながら説明する。

図１において、１はトランス４の一次側に接続されたスイッチング素子、２はスイッチング素子１の制御回路、３は過電圧検出回路、４は一次巻線４ａと二次巻線４ｃと過電圧検出巻線４ｂを備えたトランス、５は軽負荷検出回路、２１はトランス４の二次巻線４ｃに接続された第二の整流用ダイオード、２２は第三の平滑用コンデンサ、２３はフォトカプラ等の一次側へのフィードバック手段を備えた定電圧回路、２４は軽負荷検出回路５に二次側出力の信号をフィードバックするフォトカプラ、２５は第一の平滑用コンデンサ、２６はトランス４の過電圧検出巻線４ｂに接続された第一の整流用ダイオード、２７は第二の平滑用コンデンサ、４０はダイオードブリッジ等の整流回路、４１は商用電源等の入力端子、４２は出力端子である。

また、スイッチング素子１と、制御回路２、過電圧検出回路３、軽負荷検出回路５は同一の半導体チップ２０上に形成されており、半導体チップ２０は、ドレイン端子３１、過電圧検出端子３２、基準電圧端子３３、軽負荷検出端子３４、ソース端子３５を備えている。

軽負荷検出回路５は、電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路１３と、電流電圧変換回路１３の電圧信号と、あらかじめ設定された電圧Ｖｘとを比較する軽負荷検出用コンパレータ１２と、電流電圧変換回路１３の電圧信号をあらかじめ設定された電圧Ｖｙとを比較する間欠発振検出用コンパレータ１５より構成される。

ここで、電圧Ｖｙは電圧Ｖｘより若干高く設定されている。

過電圧検出回路３は、過電圧検出端子３２に直列に接続された第一の抵抗７と第二の抵抗８、第二の抵抗８に対し並列接続された第三の抵抗９と、第三の抵抗９に直列接続されたＭＯＳＦＥＴ１０と、過電圧検出用コンパレータ１１とで構成されている。

図１に示したスイッチング電源では、二次側の出力電圧を定電圧回路２３で検出し、出力端子４２に接続された負荷の状況に応じた信号を一次側のフォトカプラ２４に出力する。

負荷が小さくなると、フォトカプラ２４に流れる電流が増え、この電流が軽負荷検出回路５に出力される。この電流信号は、軽負荷検出回路５に内蔵された電流電圧変換回路１３によって電圧信号に変換され、制御回路２に出力される。

制御回路２では、電流電圧変換回路１３の信号に応じてＰＷＭ制御やＰＦＭ制御を行う。さらに負荷が小さくなると、フォトカプラ２４に流れる電流がさらに大きくなると、軽負荷検出用コンパレータ１２の＋端子に接続された抵抗の両端の電圧が上昇する。この電圧の上昇につれて、コンパレータ１２の＋端子の電位が上昇し、コンパレータ１２の−端子の電位Ｖｘより高くなると、コンパレータ１２の出力信号が反転し、制御回路２に出力される。この信号を受けて、制御回路２からスイッチング素子１の停止信号が出力され、発振が停止する。

しばらく発振が停止して、出力電圧が低下すると、フォトカプラ２４の電流は減少し、コンパレータ１２の＋端子の電位が低下し、コンパレータ１２の−端子の電位Ｖｘより低くなるため、スイッチング素子１の停止が解かれ、発振が再開するが、軽負荷検出用コンパレータ１２はヒステリシスを持つため、間欠発振を行うことになる。

まず、通常動作時に過電圧が加わった場合の動作について説明する。

二次側出力が異常上昇すると、二次側出力が上昇すると、過電圧検出巻線４ｂに加わる電圧もそれにつれて上昇する。

通常動作時は、ＭＯＳＦＥＴ１０のゲートに接続された間欠発振検出用コンパレータ１５からはＨＩＧＨレベルの信号が送られる。その結果、ＭＯＳＦＥＴ１０はオン状態であり、過電圧検出端子３２に入力された過電圧検出巻線４ｂからの電圧信号は、過電圧検出回路３に内蔵された第一の抵抗７、第二の抵抗８及び第三の抵抗９によって抵抗分割される。

この抵抗分割された電圧が所定の電圧より高くなると、過電圧検出用コンパレータ１１の出力が反転し、その信号を受けた制御回路２によってスイッチング動作は停止される。

一方、間欠制御状態に入った場合にも、二次側出力の異常上昇に伴うスイッチングの停止動作はほぼ同様であるが、この場合、間欠発振検出用コンパレータ１５が動作する点で異なる。

間欠発振検出用コンパレータ１５では、その基準電圧Ｖｙが軽負荷検出用コンパレータ１２の基準電圧Ｖｘよりも若干高く設定されているために、間欠発振時には、間欠発振検出用コンパレータ１５の出力はＬＯＷレベルになっており、この出力信号を過電圧保護回路３のＭＯＳＦＥＴ１０に入力されて、ＭＯＳＦＥＴ１０がオフになり、過電圧検出用コンパレータ１１の＋端子に入力される信号は第一の抵抗７と第二の抵抗８の分割比で決まる。

すなわち、本実施の形態によれば、間欠制御用コンパレータ１５からの信号で、過電圧検出用抵抗の抵抗分割比を切り替えることにより、過電圧検出用コンパレータ１１の出力反転レベル、つまり軽負荷時の過電圧検出電圧を任意に設定できることになる。

例えば、第３の抵抗９の抵抗値を第２の抵抗８の抵抗値と同程度にしておけば、同じ電圧が過電圧検出端子３２に印加された場合、通常動作時より間欠発振時の方が、抵抗８の両端の電圧、すなわち、過電圧検出コンパレータ１１の＋端子の電圧を高くすることができる。このことにより、間欠発振時に過電圧検出巻線電圧が低下したとしても、通常動作時と間欠発振時の過電圧保護レベルの差を小さく抑えることができ、安定した過電圧保護動作が可能となる。

本発明にかかるスイッチング電源装置は、負荷の状況によらず安全に過電圧保護を行うことができ、トランス等によって電圧変換を行う電源装置等に有用である。

本発明の実施の形態における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回路図 従来のスイッチング電源装置における過電圧検出巻線電圧と二次側出力電流の関係を示す図

符号の説明

１ スイッチング素子
２ 制御回路
３ 過電圧検出回路
４ トランス
４ａ 一次巻線
４ｂ 過電圧検出巻線
４ｃ 二次巻線
５ 軽負荷検出回路
７ 第一の抵抗
８ 第二の抵抗
９ 第三の抵抗
１０ ＭＯＳＦＥＴ
１１ 過電圧検出用コンパレータ
１２ 軽負荷検出用コンパレータ
１３ 電流電圧変換回路
１５ 間欠発振検出用コンパレータ
２０ 半導体チップ
２１ 第二の整流用ダイオード
２２ 第三の平滑用コンデンサ
２３ 定電圧回路
２４ フォトカプラ
２５ 第一の平滑用コンデンサ
２６ 第一の整流用ダイオード
２７ 第二の平滑用コンデンサ
３１ ドレイン端子
３２ 過電圧検出端子
３３ 基準電圧端子
３４ 軽負荷検出端子
３５ ソース端子
４０ ダイオードブリッジ整流回路
４１ 入力端子
４２ 出力端子

Claims (1)

1. 一次巻線と二次巻線と過電圧検出巻線とを有するトランスと、
   前記一次巻線に入力される直流の入力電圧をスイッチング制御して前記二次巻線に二次側交流電圧を発生させるとともに前記過電圧検出巻線に交流電圧を発生させるスイッチング素子と、
   前記二次巻線の前記交流電圧を整流平滑化し出力するとともに、
   出力電圧を一次側へフィードバックするフィードバック信号を出力するフィードバック手段とを備えた出力回路と、
   前記出力回路の前記フィードバック信号に基づいて、前記スイッチング素子を間欠発振動作させる制御回路と、
   前記出力回路の負荷が軽負荷の場合には、前記フィードバック信号によりこれを検出して前記スイッチング素子を間欠動作させる軽負荷検出回路と、
   前記二次側出力電圧が異常上昇した場合に、前記過電圧検出巻線の電圧の上昇を検出して前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止するための過電圧検出回路と
   を備えたスイッチング電源装置において、
   前記過電圧検出回路が前記間欠発振動作時と、通常動作時とで、前記過電圧検出巻線の検出電圧を切り替えるようにしたことを特徴とするスイッチング電源装置。

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