JP4398196B2 - 効率的な線形レギュレータを備える低雑音多重出力電源回路及びその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に効率的な線形レギュレータを備える低雑音多重出力電源回路及び該低雑音多重出力電源回路の設計方法に関する。この電源回路及び方法は、多重出力電源の選択されたＡＣ出力巻線に対して直列に置かれた小型の可飽和リアクトル鉄心を設けて、選択された巻線の各々から少量の平均電圧（Ｖ−秒）を差し引く。このことが、別個の二次巻線が同一巻き数（殆どの場合、単一巻き）をもつにも拘わらず、該別個の二次巻線から異なる整流ＤＣ電圧を得ることを可能にする。

多数の線形レギュレータを使用する、多重出力の低雑音電源において高い効率を達成するためには、各線形調整要素の両端における低下した電圧はできる限り小さいことが望ましい。必要とされる高周波及び低出力電圧のために、通常は単一巻きのみ（又は、場合によっては２巻き）の二次巻線が必要とされる。このことは、僅かに異なる出力電圧を得ることができないような高きな「精度粗さ」を生じる。例えば、二次巻き数が１巻きから２巻きに増大されると、出力電圧は２倍になり、多くの場合、線形レギュレータ両端における電圧低下を極めて大きくすることが必要になり、従って、線形レギュレータの電力損失を極めて大きく増大させる。

他方、各線形レギュレータ両端における電圧低下は少なくとも数百ミリボルト程度にして、レギュレータがその役目を果たすことができるようにすることが必要である。或る電源二次出力電圧が従来型のフィードバック方式（線形レギュレータを使用しない）で調整される場合に、その他の出力電圧（それらが同じレベルに調整されることが必要な場合）は、適切に動作する上で十分な「オーバヘッド」電圧を有しないことになる。変圧器の巻き数を変更することなく、僅かに異なる変圧器二次出力電圧を得ることは望ましいと言える。このことは、線形レギュレータの全てが最低限度のオーバヘッド電圧を使用して動作することを可能にし、従って高い効率で動作することを可能にすることになる。

多重出力電圧の低雑音電源は、一般的に各異なる出力電圧電源に対し、個々の一次回路と変圧器とを１つ宛使用してきた。それに代わるものとしては、多数の二次巻線を有する１つの変圧器が使用され、この方法につきものの高いオーバヘッド電圧及び大きな効率の悪さと共にその精度の粗さ（granularity）が受容されてきた。これらの方法の両方が、複雑さ及び費用の増大をもたらしている。変圧器二次間の密接な磁気結合と出力フィルタ・インダクタ巻線の結合とを、一般的に多重高出力に対する電圧調整の要求を満たすのに必要な程度にまでは達成することができない。
米国特許第４，８６４，４７９号

低雑音多重出力電源回路及びその設計方法は、効率的な線形レギュレータを備え、多重出力電源の選択されたＡＣ出力巻線に対して直列に置かれた小型の可飽和リアクトル鉄心を設けて、選択された巻線の各々から少量の平均電圧（Ｖ−秒）を差し引く。このことは、たとえ別個の二次巻線が同一の巻き数（殆どの場合、単一巻きである）をもっていたとしても、該別個の二次巻線から異なる整流ＤＣ電圧を得ることを可能にする。これは、二次巻線における巻き数が少ないと言う「精度粗さ」の問題（例えば、巻き数を１巻きから２巻きにすると出力電圧が２倍になる）を克服し、低雑音低電圧出力において使用される各線形レギュレータの直列制御要素の両端における電圧低下を減少させ、それによって線形レギュレータの効率を増大させる。異なる断面積のリアクトル鉄心は、それらが該リアクトル鉄心の飽和時間に異なる遅延量を導入し、従って出力回路に対して異なる電圧「ホールドオフ」量を導入するので、異なる電圧量を差し引く。この技術を使用することによって、単一の一次電源回路を使用して、二次巻線における少ない巻き数が有する精度粗さの問題によって制約されることがない最低限度のオーバヘッド電圧を多数の線形レギュレータに供給して、安価、効率的、多重出力、低雑音、かつ比較的低電圧の電源を提供することができる。

低雑音多重出力電源回路及びその設計方法は、効率的な線形レギュレータを備え、全ての線形レギュレータに対して最低限度のオーバヘッド電圧を与える（結果として高い効率になる）単一の一次回路を使用する。他の個別の制御用巻線を必要としない可飽和リアクトルは、適当な断面積の鉄心を使用してその各々が設定されたレギュレータに供給される平均電圧を低下させて、可飽和鉄心を使用して効率的な変圧器巻き数の分数的変化を形成し、低い二次巻き数を有する多数の二次巻きにおいて通常直面する精度の粗さの制約を減少させる。

効率的な線形レギュレータを備える低雑音多重出力電源回路及びその設計方法に対する本発明の前述の目的及び利点は、図面に示す本発明の様々な実施形態についての以下の詳細説明を参照することで当業者には一層容易に理解できるであろう。

図１は、変圧器１２を介して複数の二次回路８に接続された一次回路６を有する、本発明の１つの実施形態である第１の例示的設計を示す。一次側移相（位相シフト）フルブリッジ回路１０は、電源変圧器１２の二次側における１つの出力電圧Ｖ３を調整するために必要なパルス幅変調を与える。図示の場合においては、二次巻線Ｎ３の整流出力電圧Ｖｒｅｃは、一次側制御回路に対する電圧フィードバック信号１４によって調整される。一次側移相（位相シフト）フルブリッジ１０は、Ｓｔｅｉｇｅｒｗａｌｄ他による米国特許第４，８６４，４７９号に説明されているが、よく知られた他のあらゆるＰＷＭ一次回路を使用することができる。

低電圧出力変換器において、巻線Ｎ３は、一般的に一巻きである。図１においては、Ｎ３の出力は、電流２倍整流回路１６に供給される。よく知られているように、この型の整流器は、平均整流巻線電圧を半分し、平均整流電流を２倍にする。コンデンサＣの両端でとられた整流電圧Ｖｒｅｃは、負荷に対して直接的に供給されることができ、或いは、図１に示されるように、インダクタ２２を通過してコンデンサ２４へ至り、十分に調整された最終出力電圧Ｖ３をコンデンサ２４の両端に発生する線形レギュレータ１８によって更に調整されることができる。整流を行うダイオード２０は、電源が遮断された場合又は線形レギュレータ１８が止められた場合に、インダクタ電流に対する通路を形成する。

二次巻線Ｎ２、Ｎ５ａ及びＮ５ｂ用の二次回路の設計と動作とは、上で説明したような二次巻線Ｎ３用の二次回路と類似している。

その他の二次巻線Ｎ２、Ｎ４、Ｎ５ａ、Ｎ５ｂ、Ｎ６ａ及びＮ６ｂ全てにおけるその他の出力電圧全ては、二次巻線Ｎ３の電圧に緊密に追随することが望ましい。しかし実際問題として、磁気結合はとても完全なものとは言い難く、その他の線形出力の全ては、図示するように線形レギュレータを用いて調整されることになる。

各線形レギュレータは、該レギュレータを効率的に動作させるようにする場合には、所望の出力電圧よりも僅かに高いが高過ぎない入力電圧を必要とする。１つの巻線における高電流は、別の巻線の出力電圧を引き下げる可能性がある。

例として、変圧器は、１巻きあたり１２ボルトが二次巻線の各々に発生されるように巻かれていると仮定する。Ｖｒｅｃが所望出力Ｖ３よりも僅かに高く（例えば、Ｖｒｅｃ＝５．５Ｖｄｃ＞５Ｖｄｃ）く、かつＶ４を＋１２Ｖｄｃに等しくすることが望まれる場合、Ｖ４の線形レギュレータに対する入力は、＋１２ボルトを超える（例えば１２．５ボルト）ことが必要である。しかし、Ｎ４が１巻きである場合には、該Ｎ４は約１１ボルトを発生するのみである。Ｎ４は、整流出力電圧が該巻線Ｎ４の整流出力電圧に等しくなるように、従来型のダイオード・ブリッジ２６に送られることに注目されたい。

従来技術においては、１２ボルトより高い電圧を得るために、通常はもう１つ巻きが追加されることになる。これにより、線形レギュレータへ２２ボルトの電圧が与えられることになる。その場合、レギュレータ両端の高いオーバヘッド電圧Ｖｏｈ（２２−１２＝１０Ｖｄｃ）に起因して高い損失が生じることになる。これは、損失が、Ｐｌｏｓｓ＝Ｖｏｈ＊Ｉｌｏａｄ＝（Ｖｉｎ−Ｖｌｏａｄ）＊Ｉｌｏａｄ（ここで、Ｖｉｎ＝線形レギュレータに対する入力電圧、Ｖｌｏａｄ＝出力負荷電圧、ＩＬｏａｄ＝負荷電流）であるので、線形レギュレータの高い損失を生じることになる。

電圧Ｖｒｅｃ４を、線形レギュレータの効率を大きく増大させることになる１１ボルトから１２．５ボルトに引き上げることが望まれる。＋１２ボルトのレギュレータに対するこの電圧は、以下のように、巻き数比を変えることなく若干量上昇させることができる。小型の可飽和リアクトル鉄心Ｌｓａｔ３が、図示するように、Ｎ３巻線に対して直列に置かれる。鉄心は、スイッチング・サイクルの小区画部分の間、出力Ｖｒｅｃに対する電圧の印加を遅延させる（このことは平均出力電圧を減少させる）「無損失」スイッチとして働く。従って、出力電圧を所望の調整された値に上昇させるために、一次側ＰＷＭ変調器２８のパルス幅は、フィードバック信号１４に応答して増大されて等価的な「通電時間」を増大させる。

Ｎ３巻線回路のこの調整は、巻線Ｎ４を通る電圧パルス幅を増大させる作用を有し、このことが次に、平均整流電圧Ｖｒｅｃ４を１２ボルトより上に上昇させ、まさしく所望の作用を行う。従って、出力巻線Ｎ３の出力を減少させることにより、パルス幅を増大させ、出力巻線Ｎ４の出力電圧を増大させる。

出力巻線Ｎ４は、必ずしも直列の可飽和インダクタＬｓａｔ４を必要としないが、適当な断面積を有する可飽和インダクタを使用して、調整されたＶ４出力電圧を微調整することができる。巻線二次の全てにおいて可変断面を有するリアクトル・インダクタを使用することによって、出力の全てを微調整して、線形レギュレータ１８の全てに対する入力に対してそれらを効率的に動作させるのに十分な（しかし、大きい過ぎない）オーバヘッドを有する出力電圧を発生させることができる。一部の巻線は、可飽和リアクトル・インダクタを必要としないが、残りの巻線は、変化する断面積の可飽和リアクトル・インダクタを（様々な電圧ホールドオフ時間を得るために）使用してもよいことに注目されたい。

二次巻線Ｎ６ａ及びＮ６ｂ用の二次回路は、設計と動作とが、上で説明したような二次巻線Ｎ４用の二次回路に類似している。

本発明の重要な特徴は、単一の一次側回路１０、２８、Ｎ１が、高い効率を生じる最低限度のオーバヘッド電圧を多数の二次線形レギュレータ１８に供給することである。この方法は、多重出力低電圧供給に通常つきものの「精度粗さ」の問題を克服する。低雑音多重出力は、二次回路に対する分数的巻き数に等価なものを提供する。巻線の二次の一部又は全てに可変断面積を有する可飽和リアクトル・インダクタＬｓａｔｓを使用することによって、出力を微調整して、線形レギュレータ１８の全ての入力に対してそれらを効率的に作動させるのに十分な（しかし、大き過ぎない）オーバヘッドを有する出力電圧を与えることができる。一部の巻線は、可飽和インダクタを必要としないが、残りの巻線は、変化する断面積の可飽和インダクタを（様々な電圧ホールドオフ時間を得るために）使用してもよい。

本発明は、少ない巻き数の二次巻線が有する精度の問題によって制約されることがない最低限度のオーバヘッド電圧を、多数の線形レギュレータ１８に供給する単一の一次電源回路１０、２８、Ｎ１を提供し、また比較的低電圧の電源を形成することができる、安価な低雑音で効率的な解決方法を提供する。

図１の実施形態は、二次回路の各々内に１巻きの二次巻線を有するように設計されており、全整流電圧又は半整流電圧（電流を２倍にしながら）を生成するための種々のダイオード・ブリッジ配列を示しており、また次に、選択された出力巻線に対して可飽和リアクトル鉄心を直列に置き、選択された出力巻線の出力電圧から少量の平均電圧（Ｖ−秒）を差し引いて、同一巻き数を有する別個の出力巻線から異なる整流ＤＣ電圧を得ることを可能にする。

更に、選択された出力巻線に対して可飽和リアクトル鉄心を直列に置くこの技術的方法は、例えば一部の二次巻線が単一巻きをもち他の二次巻線が２巻きをもつような、別個の二次回路が異なる巻き数の二次巻線を有するような回路に対して適用することもできる。様々なダイオード・ブリッジ配列を使用することによって、付加的な設計自由度が得られる。

本明細書には、効率的な線形レギュレータを備える本発明の低雑音多重出力電源回路及びその設計方法についての幾つかの実施形態と変更形態を詳細に説明してきたが、本発明の開示及び教唆は、当業者に対して多くの代替的設計を示唆するものであることに留意されたい。

一次側移相フルブリッジ回路が電源変圧器の二次側出力電圧を調整するために必要とされるパルス幅変調を与える、電源回路の１つの実施形態についての第１の例示的な設計を示す図。

符号の説明

６ 一次回路
８ 二次回路
１０ 移相フルブリッジ回路
１２ 変圧器
１４ 電圧フィードバック信号
１６ 電流２倍整流回路
１８ 線形レギュレータ
２６ ダイオード・ブリッジ
２８ ＰＷＭ変調器
Ｌｓａｔ 可飽和リアクトル鉄心
Ｎ１ 一次側回路
Ｎ２〜Ｎ６ 二次巻線

Claims (10)

1. 複数の線形レギュレータ（１８）を備える多重出力電源回路であって、
   一次変圧器入力巻線（Ｎ１）を有する一次回路（６）と、各々が二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線（Ｎ２〜Ｎ６）を有する複数の二次回路（８）とを有する変圧器（１２）を含み、
   選択された二次回路の出力電圧が、前記一次回路の動作を制御するための電圧フィードバック信号（１４）を形成し、
   可飽和リアクトル鉄心（Ｌｓａｔ）が、前記選択された二次回路の二次巻線の出力巻線に対して直列に置かれ、該二次巻線の出力電圧から少量の電圧を差し引いて、別個の二次変圧器出力巻線の整流ＤＣ電圧を上昇させる、
   ことを特徴とする電源回路。
2. 前記二次回路（８）の各々が、同一巻き数の二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線を有することを特徴とする、請求項１に記載の電源回路。
3. 別個の出力巻線が、異なる断面積の可飽和リアクトル鉄心（Ｌｓａｔ）を有し、該可飽和リアクトル鉄心の飽和時間に異なる遅延量を導入することによって異なる電圧量を差し引くことを特徴とする、請求項１に記載の電源回路。
4. 前記一次回路（６）が、パルス幅変調（２８）を与えて二次フィードバック回路の出力電圧を調整する位相シフトフルブリッジ回路（１０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電源回路。
5. 前記選択された二次回路の出力電圧から、前記一次回路の動作を制御するための電圧フィードバック信号（１４）が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電源回路。
6. 前記二次回路（８）の各々が、コンデンサ（２４）を充電して整流二次出力電圧を生成する整流電圧を生成するためのダイオード整流回路（２０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電源回路。
7. 前記二次回路（８）の各々が、各整流二次出力電圧を更に調整する線形レギュレータ（１８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電源回路。
8. 前記出力巻線の各々が、巻き数が１の巻線であることを特徴とする、請求項１に記載の電源回路。
9. 複数の線形レギュレータ（１８）と、一次変圧器入力巻線（Ｎ１）を有する一次回路（６）及び複数の二次回路（８）を有する変圧器（１２）とを備える多重出力電源回路を設計する方法であって、該方法が、
   前記二次回路の各々が二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線（Ｎ２〜Ｎ６）を設ける段階と、
   選択された二次回路の出力電圧から、前記一次回路の動作を制御するための電圧フィードバック信号（１４）を形成し、
   前記選択された二次回路の二次巻線の出力巻線に対して可飽和リアクトル鉄心（Ｌｓａｔ）を直列に置いて、該二次巻線の出力電圧から電圧を差し引くことによって、別個の二次変圧器出力巻線の整流ＤＣ電圧を上昇させる段階とを含むことを特徴とする方法。
10. 更に、異なる断面積の可飽和リアクトル鉄心を有する別個の出力巻線を設け、該可飽和リアクトル鉄心の飽和時間に異なる遅延量を導入することによって異なる電圧量を差し引くようにする段階を含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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