JP4415646B2 - スイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源に関するものである。

以下、従来のスイッチング電源について説明する。従来のスイッチング電源は、図5に示すように商用交流電源が入力される入力端子１に接続されたラインフィルタ２と、このラインフィルタ２の出力に接続された整流平滑回路３と、この整流平滑回路３の出力に接続されたスイッチング回路４と、このスイッチング回路４を制御する制御回路１２と、スイッチング回路４の出力に接続された電源トランス５の一次巻線６と、電源トランス５の二次巻線７に接続された整流平滑回路８と、この整流平滑回路８の出力に接続された出力端子９と、電源トランス５の補助巻線１０に接続された制御回路用電源１１と、整流平滑回路８の出力に接続された検出回路１４と、この検出回路１４の出力と制御回路１２の入力端子１５との間に接続されたフォトカプラ１６と、整流平滑回路３の出力と制御回路１２の電源端子１３との間に接続されたスタート抵抗１７とスタートトランジスタ１８の直列体とで構成され、前記制御回路用電源１１の出力は制御回路１２の電源端子１３に接続されていた。

以上のように構成されたスイッチング電源の動作について、以下図５、図6を参照しながら説明する。

入力端子１に商用交流電源が入力されると、３１に示すように整流平滑回路３の出力電圧２２は上昇していく。そして、この電圧２２がスタート抵抗１７を介して制御回路１２の電源端子１３に供給される。そして、３２に示すようにスタートトランジスタ１８のコレクタ端子の電圧が１３Vの点２３になった時、３３に示すように制御回路１２が動作して制御信号２５をスイッチング回路４に向けて出力する、そうすると、スイッチング回路4が働き、それにつれて３４に示すように制御回路用電源１１の電圧２６が上昇していく。また出力端子9の電圧２７も３５に示すように上昇していく。なお、図６において横軸３６は時間である。

ここで制御回路用電源１１の電圧２６があらかじめ定められた点２８の電圧になるとトランジスタ１８がオフ２９される。従ってこれ以降はスタート抵抗１７からの電源は供給されず、制御信号２５は連続して出力される。即ち、制御回路１２は制御回路用電源１１から電源の供給を受けて動作する。

また、整流平滑回路８の出力を検出回路１４であらかじめ定められた電圧と比較して、その電圧が高くなれば制御回路１２から整流平滑回路８から出力される電圧が低くなる方向に制御出力をスイッチング回路４に向けて出力する。また、整流平滑回路８の出力が低くなったことを検出回路１４が検出すれば、制御回路１２からスイッチング回路４に向けて整流平滑回路８から出力される電圧が上昇するように制御している。このようにして、常に出力端子９からは、一定の電圧が出力されるようになっている。

図７は、制御回路１２から出力される制御信号２５のタイムチャートである。一周期３７内におけるオン時間３８の割合がどれだけかによって、スイッチング回路４の制御をするものである。そして、その結果として出力端子９から出力される電圧が制御される。図７において、波形３９、４０、４１の順にオン時間３８が長くなり、出力端子９から出力される電圧は上昇する。ここで、スイッチング回路４に供給する制御信号２５には、このようにパルス幅を制御するものと、この従来例とは異なり周波数を制御するものがある。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００２−１５３０７５号公報

しかしながらこのような従来のスイッチング電源の構成では、1度、制御信号２５が出力されると、それ以降負荷に関係なく制御信号２５は連続的に出力され続けることになる。このことにより、スイッチング回路４においても電力が消費されるわけであるが、この電力の消費量は想像以上に大きなものである。例えば、スイッチング回路４でのコンデンサを１０００ＰＦとしてスイッチング周波数を１００ＫＨｚとすると、スイッチング回路だけで（式１）に示すように約１２．３Wもの待機電力を消費するものとなる。

この電力は待機時においても消費される電力であり、省エネルギー政策に逆行し、環境保全のために好ましくないことである。

本発明は、このような問題を解決したもので待機時の消費電力を少なくしたスイッチング電源を提供することを目的としたものである。

この目的を達成するために本発明のスイッチング電源は、制御回路用電源の出力と制御回路の電源端子との間に電子スイッチを設け、この電子スイッチを待機信号の入力端子から入力される待機信号でオン・オフするものであり、これにより、待機時の消費電力を少なくすることができる。

本発明の請求項１に記載の発明は、商用交流電源が入力されるラインフィルタと、前記ラインフィルタの出力に接続された第１の整流平滑回路と、前記第１の整流平滑回路の出力に接続されたスイッチング回路と、前記スイッチング回路の出力に接続された電源トランスの一次巻線と、前記スイッチング回路を制御する制御回路と、前記電源トランスの二次巻線に接続された第２の整流平滑回路と、前記第２の整流平滑回路の出力に接続された出力端子と、前記第２の整流平滑回路の出力と前記制御回路の入力との間に接続され、基準電圧と比較してその結果を前記制御回路へ出力する検出回路と、前記電源トランスの補助巻線に接続されるとともに、前記制御回路の電源端子に電源を供給する制御回路用電源と、前記第１の整流平滑回路の出力と前記制御回路の電源端子との間に接続されたスター
ト抵抗と、前記制御回路の電源端子とグランドとの間に接続された充電用コンデンサと
を備え、前記制御回路用電源の出力と前記制御回路の電源端子との間に電子スイッチを設け、前記電子スイッチを待機信号の入力端子から入力される待機信号でオン・オフし、
前記電子スイッチがオン・オフ状態に関わらず、前記第２の整流平滑回路の出力電圧を一定に保つスイッチング電源であり、このように制御回路用電源とスイッチング回路を制御する制御回路の電源端子との間に電子スイッチを挿入して、この電子スイッチを待機信号の入力端子から入力される待機信号でオフすることができるので、このオフの間は制御回路からの出力信号が間欠的にしか出力されないことになる。このことにより、スイッチング回路で消費される電力は間欠的にしか消費されず、スイッチング回路の消費電力を著しく低減させることができる。かつ、前記第２の整流平滑回路の出力と前記制御回路の入力との間に接続され、基準電圧と比較してその結果を前記制御回路へ出力する検出回路を備えることにより、前記電子スイッチがオン・オフ状態に関わらず、前記第２の整流平滑回路の出力電圧を一定に保つことができ、安定した出力電圧を供給することが出来る。

請求項２に記載の発明は、検出回路の出力と制御回路の入力との間がフォトカプラで接続された請求項１に記載のスイッチング電源であり、二次側回路と一次側回路の間にフォトカプラが挿入されているので、一次側回路と二次側回路とを電気的に分離することができ、コモンモードノイズを低減させることができる。

以上のように本発明によれば、制御回路用電源とスイッチング回路を制御する制御回路の電源端子との間に電子スイッチを挿入して、この電子スイッチを待機信号の入力端子から入力される待機信号でオフすることができるので、このオフの間は制御回路からの出力が間欠的にしか出力されないことになる。このことにより、スイッチング回路で消費される電力は間欠的にしか消費されず、スイッチング回路の消費電力を著しく低減させることができる。

（実施の形態１）
以下、本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において、５１は、交流１００Vが入力される入力端子である。この入力端子５１は、ヒューズ５２に接続され、このヒューズ５２の出力は、ラインフィルタ５３に接続されている。

ラインフィルタ５３の出力は、整流ダイオードがブリッジ接続された整流回路５４に接続され全波整流される。そして、その出力は平滑用コンデンサ５５でグランドに接続される。なお、このブリッジ回路５４と平滑用コンデンサ５５とで整流平滑回路５６を形成している。この整流平滑回路５６の出力は、電源トランス５７の一次側巻線５８の一端に接続されており、その他端はスイッチング回路５０を形成するＭＯＳ型トランジスタ５９のドレインに接続されている。また、このＭＯＳ型トランジスタ５９のソースはグランドに接続されている。そして、このＭＯＳ型トランジスタ５９のゲートは、制御回路６０の出力端子６０aに接続されている。

電源トランス５７の二次側巻線６１は、整流用ダイオード６２のアノード側に接続され、この整流ダイオード６２のカソード側は出力端子６３の一方の端子６３ａに接続されている。また、整流用ダイオード６２のカソード側は、平滑用コンデンサ６４を介して二次側巻線６１の他端に接続されるとともに、出力端子６３の他方の端子６３ｂに接続されている。この、整流用ダイオード６２と平滑用コンデンサ６４とで整流平滑回路６５を形成している。

６６は、電源トランス５７に設けられた補助巻線であり、この補助巻線６６の一端は、グランドに接続されている。また、この補助巻線６６の他端は、ダイオード６７を介して接続点８０に接続されており、この接続点８０からコンデンサ６８でグランドに接続され、制御回路用電源６９を形成している。

整流平滑回路５６の出力は、ＰＮＰ型のトランジスタ７６のエミッタに接続されている。このスタンバイ用トランジスタ７６のコレクタは、Ｄ７４を介して制御回路６０の電源端子６０ｂに接続されるとともに、充電用コンデンサ８１を介してグランドに接続されている。

また、接続点８０からは抵抗７７を介してスタンバイ用トランジスタ７６のベースに接続されるとともに、抵抗７８の一端に接続され、この抵抗７８の他端はフォトカプラ７９を形成する受光トランジスタ７９ａのコレクタ側に接続されている。また、そのエミッタ側はグランドに接続されている。

一方フォトカプラ７９を形成する発光ダイオード７９ｂのカソード側はグランドに接続されるとともにアノード側は抵抗を介して外部から入力される待機信号の入力端子８２に接続されている。

整流平滑回路６５の出力は、検出回路８３を介してフォトカプラ８４を形成する発光ダイオード８４ｂのアノード側に接続されている。また、そのカソード側はグランドに接続されている。一方フォトカプラ８４を形成する受光トランジスタ８４ａのエミッタ側はグランドに接続されるとともに、受光トランジスタ８４ａのコレクタ側は制御回路６０の入力端子６０cに接続されている。また、制御回路６０のグランド端子６０ｄは、グランドに接続されている。

以上のように構成されたスイッチング電源について以下にその動作を説明する。入力端子５１に入力されたＡＣ１００Vは、ノイズを外部に放出させないために設けられたラインフィルタ５３に入力される。

このラインフィルタ５３の出力は、ブリッジ回路５４で整流され、１０００ＰＦのコンデンサ５５で平滑される。ここでその電圧は略１４０Vになる。また、制御回路６０は略１００KHｚの周波数を発振する発振回路であり、この発振周波数でトランジスタ５９をオン・オフしている。従って一次巻線５８には脈流が発生し、その電圧は二次巻線６１側に誘起することになる。二次巻線６１は、約２０V、３Aを出力するように構成されている。

また通常の動作時において制御回路６０は、補助巻線６６から出力される電圧をダイオード６７で整流して用いている。しかしながら最初に電源を入れたときには整流平滑回路５６の出力からスタート抵抗７０を介して制御回路６０の電源端子６０ｂに供給されて制御回路６０が働きトランジスタ５９をオンする。従ってこのことにより一次巻線５８に電流が流れ、二次巻線６１や補助巻線６６に電圧を誘起する。

従って、それ以降は補助巻線６６に誘起した電圧をダイオード６７で整流して制御回路用電源６９の電圧が生成される。そして、この制御回路用電源６９の出力がスタンバイトランジスタ７６を介して制御回路６０の電源端子６０ｂに伝達され、制御回路６０が働いてスイッチング電源として動作するものである。なお、この動作の詳細については、従来例で説明したものと同じである。

次に、整流平滑回路６５の出力電圧は、検出回路８３で基準電圧と比較される。このとき、整流平滑回路６５の出力電圧が基準電圧より低ければ、制御回路６０に向かって電圧を上げる旨の信号を出力する。

また反対に、整流平滑回路６５の出力電圧が基準電圧より高ければ、制御回路６０に向かって電圧を下げる旨の信号を出力する。このようにして、例え、出力端子６３に接続された負荷が変動して出力端子６３から出力される電圧が変化しても、整流平滑回路６５の出力電圧を一定に保つようになっている。

なお、この検出回路８３の出力はフォトカプラ８４を介して制御回路６０に伝達されるので、電気的には絶縁されている。従って、一次側と二次側とを分離することができ、コモンモードノイズを減少させることができる。

次に、本発明の中心である待機信号９１が入力された場合について図３を用いて説明する。なお、図２は制御回路６０の動作特性を示したものであり、横軸８５は電圧であり、縦軸８６は制御回路６０の動作を表している。

図２において、制御回路６０の電源端子６０ｂにあらかじめ定められた電圧８７（１３V）が加わると、この制御回路６０は動作を開始し出力端子６０aから制御信号を出力するものである。また、電源端子６０ｂの電源を低くした場合には、先程の電圧８７よりも低い電圧８８（８V）を過ぎると制御回路６０の動作はしなくなるものである。即ち、制御回路６０の動作特性はヒステリシス特性を有している。

次に図３を用いて、このような制御回路６０を使用した場合の動作について説明する。まず、外部からの待機信号（スタンバイ信号）９１が入力端子８２から入力されたとする。そうすると、この待機信号９１によりスタンバイトランジスタ７６がオフされるので、制御回路６０の電源端子６０bの電圧９２は下降を始める（Ｓ１）。この電圧９２の降下は、充電用コンデンサ８１に蓄えられた電荷の放出によるものである。

この点が先程の電圧８８（８V）の電圧になると制御回路６０の出力端子６０aからの制御出力信号９３は停止する（Ｓ２）。

そうするとスイッチングトラジスタ５９には制御出力信号９３が供給されないので制御回路用電源６９の電圧９４は下降を始める（Ｓ３）。

この電圧９４が下降して、ある点９４aに達するとスタート抵抗７０を介して制御回路６０の電源端子６０bに電源が供給される。従って、先程の電圧９２は上昇を開始し（Ｓ５）、その電圧があらかじめ定められた電圧８７（１３V）になると制御回路６０は動作を開始する。

制御回路６０が動作を開始すると、制御回路６０の出力端子６０aからＭＯＳ型トランジスタ５９のゲートに向けて出力を開始する。即ち、制御回路６０から制御出力信号９３が出力される（Ｓ６）。これによって制御回路用電源６９が動作して制御回路用電源６９の電圧９４は上昇を始める（Ｓ７）。

制御回路用電源６９の電圧９４が上昇を始め、ある点９４aと同じ電圧９４ｃになると制御回路電圧９２は、また下降を始め（Ｓ９）、その電圧８８が８Ｖになると制御出力信号９３が停止する（Ｓ１０）。

制御出力信号９３の停止によって再び制御回路用電源６９は下降を始める（Ｓ１１）。以下、同様のステップ即ち、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ４を繰り返すことにより制御回路６０からの制御出力信号９３の休止期間９６と出力期間９７とが間欠的に出力されることになる。

即ち、従来の場合は連続して制御回路１２の制御出力信号９３が出力されていた。しかし、本発明においては入力端子８２から入力される待機信号９１によってスタンバイトランジスタ７６がオフされる。従って、制御回路用電源６９から制御回路６０に供給される電源はオフされることになる。このことによって、休止期間９６と出力期間９７を有する制御出力信号９３が間欠的に出力されることになる。

ここで、休止期間９６は、充電用コンデンサ８１による蓄積電荷量とその負荷としての制御回路６０の有する負荷インピーダンスで決定される。従って、この充電用コンデンサ８１で制御回路６０を１０ｍ秒の間保持させたとし、スイッチング周波数１００ＫＨｚとするとその周期は１０μ秒となるので、待機電力は従来の１０００分の１となる。

このように、休止期間９６の間はスイッチング回路５０の電力を消費しないので、従来の待機電力を１０００分の１まで大幅に低減することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２におけるスタンバイトランジスタ７６の近傍の回路図である。実施の形態２においては、図４に示すようにスタンバイトランジスタ７６のエミッタとコレクタの間に充電電流助成用抵抗９９を挿入している。

これにより、例えば充電用コンデンサ８１に充電する電流は、スタート抵抗７０を介して充電される電流１０１と、制御回路用電源６９から充電電流助成用抵抗９９を介して充電される電流１０２との和になる。即ち、双方からの電流で充電用コンデンサ８１を充電するので、充電するための電力を少なくすることができる。

例えば、電流１０２に比べて電流１０１を１０分の１にしておけば整流平滑回路５６の出力は、約１４０Vぐらいあるのに対して制御回路用電源６９の電圧は約２０Vであるので、例え電流が多くとも全体としての電力消費は少なくて良いことになり、省電力化に貢献できる。

本発明にかかるスイッチング電源は、待機時のスイッチング電源による消費電力を少なくしたものであり、待機時間を有する電子機器用のスイッチング電源として有用である。

本発明の実施の形態１におけるスイッチング電源の回路図 同、スイッチング電源の制御回路の動作特性図 同、スイッチング電源の動作説明図 同、実施の形態２におけるスイッチング電源の要部回路図 従来のスイッチング電源の回路図 同、制御回路の動作説明図 同、制御回路から出力される制御出力信号の信号図

符号の説明

５０ スイッチング回路
５３ ラインフィルタ
５６ 整流平滑回路
５７ 電源トランス
５８ 一次巻線
６０ 制御回路
６０ａ 出力端子
６０ｂ 電源端子
６０ｃ 入力端子
６１ 二次巻線
６５ 整流平滑回路
６３ 出力端子
６６ 補助巻線
６９ 制御回路用電源
７０ スタート抵抗
７６ スタンバイトランジスタ
８１ 充電用コンデンサ
８２ 待機信号の入力端子

Claims (2)

1. 商用交流電源が入力されるラインフィルタと、
   前記ラインフィルタの出力に接続された第１の整流平滑回路と、
   前記第１の整流平滑回路の出力に接続されたスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路の出力に接続された電源トランスの一次巻線と、
   前記スイッチング回路を制御する制御回路と、
   前記電源トランスの二次巻線に接続された第２の整流平滑回路と、
   前記第２の整流平滑回路の出力に接続された出力端子と、
   前記第２の整流平滑回路の出力と前記制御回路の入力との間に接続され、基準電圧と比較してその結果を前記制御回路へ出力する検出回路と、
   前記電源トランスの補助巻線に接続されるとともに、前記制御回路の電源端子に電源を供給する制御回路用電源と、
   前記第１の整流平滑回路の出力と前記制御回路の電源端子との間に接続されたスター
   ト抵抗と、
   前記制御回路の電源端子とグランドとの間に接続された充電用コンデンサと
   を備え、
   前記制御回路用電源の出力と前記制御回路の電源端子との間に電子スイッチを設け、
   前記電子スイッチを待機信号の入力端子から入力される待機信号でオン・オフし、
   前記電子スイッチがオン・オフ状態に関わらず、前記第２の整流平滑回路の出力電圧を一定に保つスイッチング電源。
2. 検出回路の出力と制御回路の入力との間がフォトカプラで接続された請求項１に記載の
   スイッチング電源。
   

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