JP4556331B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチング電源回路に係り、特にプッシュプル型スイッチング電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スイッチング電源回路において、プッシュプル型スイッチング電源回路が一般的に用いられている。
このプッシュプル型スイッチング電源回路において、他の構成のスイッチング電源回路と同様に、ラジオ等（例えばＡＭ帯）に影響を与えるノイズが発生する。したがって、プッシュプル型スイッチング電源回路では、このノイズの発生を防止するための種々の対応策が用いられてきた。
例えば、スイッチング電源回路にノイズフィルタを追加した構成にすることによりノイズの発生を防止している。また、特開平７−６７３３４号公報に開示されているようにＬＣ共振回路からなる共振型の構成にすることにより、あるいは特開平９−２２４３７５号公報に開示されているように２次整流回路及び３次整流回路を追加することによりノイズの発生を防止している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したいずれの構成のプッシュプル型スイッチング電源回路であっても、新たな部品を追加する必要があり、スイッチング電源回路はコストの高いものになってしまうという問題点がある。
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、新たな部品を追加せずにノイズ低減効果の高いスイッチング電源回路を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るスイッチング電源回路は、スイッチング周波数で交互にオン、オフするスイッチング動作を行うスイッチング素子からなる一組以上のスイッチング手段と、スイッチング手段に電流を流す電源とを備え、一組のスイッチング手段のそれぞれのスイッチング素子が、互いに異なる電流波形を描くようにアンバランスされたスイッチング動作を行うことにより、電源からスイッチング手段に流れ込むスイッチング電流のスペクトル分布において、スイッチング周波数の２倍の周波数の成分がスイッチング周波数の成分以下の大きさになるようにしてスペクトル分布全体としてのノイズレベルを低減するものである。
また、この発明に係るスイッチング電源回路は、一組のスイッチング手段のそれぞれのスイッチング素子のゲートに、抵抗値が異なる抵抗がそれぞれ接続され、これらの抵抗値の相違によりスイッチング素子が異なるスイッチング動作を行ってもよい。
さらに、この発明に係るスイッチング電源回路は、トランスを備え、このトランスの一次側巻線にスイッチング手段が接続されていてもよい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、この発明の実施の形態に係るスイッチング電源回路において、トランス１には一次側巻線２および二次側巻線３が設けられている。一次側巻線２のセンタタップ４には直流電源５の一端が接続されている。一次側巻線２の両端は、それぞれ一組のスイッチング手段を構成するスイッチング素子としてのトランジスタＱ１，Ｑ２のドレインに接続されている。また、トランジスタＱ１，Ｑ２のソースは、直流電源５の他端に接続されている。トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートは、それぞれゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端に接続されている。
ゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端は、制御回路６に接続されている。ここで、ゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値については、Ｒ１の抵抗値が３０Ωで、Ｒ２の抵抗値が１００Ωであり、Ｒ２の抵抗値がＲ１の抵抗値に比べて大きくなっている。
【０００６】
次に、実施の形態に係るスイッチング電源回路の動作の説明の便宜のため、このように構成されたスイッチング電源回路において、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値をゲート抵抗Ｒ１の抵抗値と同じにした場合の動作を説明する。
このスイッチング電源回路は、図２に示されるように、制御回路６がトランジスタＱ１，Ｑ２を交互にオン、オフさせる動作を繰り返す。トランジスタＱ１をオンしてから次にオンするまでの周期をＴ＝０．０１２５msecとして、スイッチング周波数ｆ＝１／Ｔ=８０kＨｚでトランジスタＱ１，Ｑ２が交互にオン、オフされる。この際、直流電源５からの電流Ｉ０が、センタタップ４から一次側巻線２の各端へ交互に流れるスイッチング電流として、一次側巻線２に流れる。
ゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値が同じ場合は、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作は同じになるため、トランス１の一次側巻線２に流れる電流Ｉ０の波形Ｓ０は、すべてほぼ同じになる。その波形Ｓ０は、スイッチング周波数ｆの２倍の周波数２ｆで繰り返して発生する。
図３に示されるように、この電流Ｉ０の波形Ｓ０のスペクトル分布は、スイッチング周波数ｆの２倍の周波数２ｆ及びその整数倍（４ｆ，６ｆ，…）の成分の値が大きくなっている。一方、スイッチング周波数ｆ及びその奇数倍（３ｆ，５ｆ，…）の成分の値が非常に小さくなっている。スイッチング周波数ｆの２倍の周波数２ｆの成分の値が大きいため、これに連動してその整数倍（４ｆ，６ｆ，…）の成分の値も大きく、電流Ｉ０は全体としてノイズレベルが大きく、ＡＭラジオ等に影響を与えるようなノイズが発生する。
【０００７】
次に、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値がゲート抵抗Ｒ１の抵抗値に比べて大きくなっている実施の形態に係るスイッチング電源回路の動作を説明する。
このスイッチング電源回路は、図４に示されるように、制御回路６がスイッチング周波数ｆでトランジスタＱ１，Ｑ２を交互にオン、オフさせる動作を繰り返す。
トランジスタＱ１がオンされた場合、一次側巻線２に流れる電流Ｉの波形Ｓ１は、ほぼ垂直な立ち上がり波形ＳＳ１を描く。一方、トランジスタＱ２がオンされた場合、一次側巻線２に流れる電流Ｉの波形Ｓ２は、垂直に対して傾斜した立ち上がり波形ＳＳ２を描く。このように、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値がゲート抵抗Ｒ１の抵抗値に比べて大きくなっているので、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作が互いに異なったものになり、波形Ｓ１と波形Ｓ２とは異なった波形になる。その波形Ｓ１，Ｓ２は、スイッチング周波数ｆでそれぞれ繰り返して発生する。
【０００８】
図５に示されるように、電流Ｉの波形Ｓ１，Ｓ２のスペクトル分布は、スイッチング周波数の２倍の周波数２ｆの成分の値がスイッチング周波数ｆの成分の値以下になっている。また、スイッチング周波数ｆの２倍の周波数２ｆの整数倍（４ｆ，６ｆ，…）の成分の値が図３に比べて小さくなっていて電流Ｉのスペクトル分布全体としてのノイズレベルが下がっている。したがって、この実施の形態に係るスイッチング電源回路を車載した場合、ラジオ等に影響を与えるようなノイズがゲート抵抗Ｒ１の抵抗値とゲート抵抗Ｒ２の抵抗値とが同じ場合に比べ小さくなる。
【０００９】
このように、トランス１の一次側巻線２に流れる電流Ｉの成分のうち、スイッチング周波数の２倍の周波数２ｆの成分の値がスイッチング周波数ｆの成分の値以下になるまで、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値をゲート抵抗Ｒ１の抵抗値に比べて大きくして、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作をアンバランスさせることによって、電流Ｉのスペクトル分布全体としてのノイズレベルを下げることができる。
【００１０】
なお、上述した実施の形態のように、ゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値をわずかに異なるものにするもののほか、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作をアンバランスさせる方法として、トランジスタＱ１，Ｑ２自体の特性を異なるものしてもよい。また、トランジスタＱ１，Ｑ２のドライブ回路の特性を異なるものにしてもよい。さらに、制御回路６によりトランジスタＱ１，Ｑ２のドライブ信号を異なったものにしてもよい。
さらに、図１に示すようなプッシュプル型スイッチング電源回路について説明したが、そのほか、フルブリッジ回路やハーフブリッジ回路によって、スイッチング周波数の２倍の周波数２ｆの成分の値がスイッチング周波数ｆの成分の値以下になるようにしてもよい。
【００１１】
【発明の効果】
この発明によれば、スイッチング周波数で交互にオン、オフするスイッチング動作を行うスイッチング素子からなる一組以上のスイッチング手段と、スイッチング手段に電流を流す電源とを備え、一組のスイッチング手段のそれぞれのスイッチング素子が、互いに異なる電流波形を描くようにアンバランスされたスイッチング動作を行うことにより、電源からスイッチング手段に流れ込むスイッチング電流のスペクトル分布において、スイッチング周波数の２倍の周波数の成分がスイッチング周波数の成分以下の大きさになるようにしているので、新たな部品を追加せずにノイズ低減効果の高いスイッチング電源回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態に係るスイッチング電源回路の構成を示す図である。
【図２】 図１のスイッチング電源回路において、二つのゲート抵抗値を同じにした場合の、トランジスタの動作及び１次巻線に発生する電流の波形を示すタイムチャートである。
【図３】 図１のスイッチング電源回路において、二つのゲート抵抗値を同じにした場合の、１次巻線に発生する電流のスペクトル分布を示すチャートである。
【図４】 実施の形態に係るスイッチング電源回路において、トランジスタの動作及び１次巻線に発生する電流の波形を示すタイムチャートである。
【図５】 実施の形態に係るスイッチング電源回路において、１次巻線に発生する電流のスペクトル分布を示すチャートである。
【符号の説明】
１…トランス、２…一次側巻線、５…直流電源、ｆ…スイッチング周波数、Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ、Ｒ１，Ｒ２…ゲート抵抗。
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチング電源回路に係り、特にプッシュプル型スイッチング電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スイッチング電源回路において、プッシュプル型スイッチング電源回路が一般的に用いられている。
このプッシュプル型スイッチング電源回路において、他の構成のスイッチング電源回路と同様に、ラジオ等（例えばＡＭ帯）に影響を与えるノイズが発生する。したがって、プッシュプル型スイッチング電源回路では、このノイズの発生を防止するための種々の対応策が用いられてきた。
例えば、スイッチング電源回路にノイズフィルタを追加した構成にすることによりノイズの発生を防止している。また、特開平７−６７３３４号公報に開示されているようにＬＣ共振回路からなる共振型の構成にすることにより、あるいは特開平９−２２４３７５号公報に開示されているように２次整流回路及び３次整流回路を追加することによりノイズの発生を防止している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したいずれの構成のプッシュプル型スイッチング電源回路であっても、新たな部品を追加する必要があり、スイッチング電源回路はコストの高いものになってしまうという問題点がある。
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、新たな部品を追加せずにノイズ低減効果の高いスイッチング電源回路を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るスイッチング電源回路は、スイッチング周波数で交互にオン、オフするスイッチング動作を行うスイッチング素子からなる一組以上のスイッチング手段と、スイッチング手段に電流を流す電源とを備え、一組のスイッチング手段のそれぞれのスイッチング素子が、互いに異なる電流波形を描くようにアンバランスされたスイッチング動作を行うことにより、電源からスイッチング手段に流れ込むスイッチング電流のスペクトル分布において、スイッチング周波数の２倍の周波数の成分がスイッチング周波数の成分以下の大きさになるようにしてスペクトル分布全体としてのノイズレベルを低減するものである。
また、この発明に係るスイッチング電源回路は、一組のスイッチング手段のそれぞれのスイッチング素子のゲートに、抵抗値が異なる抵抗がそれぞれ接続され、これらの抵抗値の相違によりスイッチング素子が異なるスイッチング動作を行ってもよい。
さらに、この発明に係るスイッチング電源回路は、トランスを備え、このトランスの一次側巻線にスイッチング手段が接続されていてもよい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、この発明の実施の形態に係るスイッチング電源回路において、トランス１には一次側巻線２および二次側巻線３が設けられている。一次側巻線２のセンタタップ４には直流電源５の一端が接続されている。一次側巻線２の両端は、それぞれ一組のスイッチング手段を構成するスイッチング素子としてのトランジスタＱ１，Ｑ２のドレインに接続されている。また、トランジスタＱ１，Ｑ２のソースは、直流電源５の他端に接続されている。トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートは、それぞれゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端に接続されている。
ゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端は、制御回路６に接続されている。ここで、ゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値については、Ｒ１の抵抗値が３０Ωで、Ｒ２の抵抗値が１００Ωであり、Ｒ２の抵抗値がＲ１の抵抗値に比べて大きくなっている。
【０００６】
次に、実施の形態に係るスイッチング電源回路の動作の説明の便宜のため、このように構成されたスイッチング電源回路において、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値をゲート抵抗Ｒ１の抵抗値と同じにした場合の動作を説明する。
このスイッチング電源回路は、図２に示されるように、制御回路６がトランジスタＱ１，Ｑ２を交互にオン、オフさせる動作を繰り返す。トランジスタＱ１をオンしてから次にオンするまでの周期をＴ＝０．０１２５msecとして、スイッチング周波数ｆ＝１／Ｔ=８０kＨｚでトランジスタＱ１，Ｑ２が交互にオン、オフされる。この際、直流電源５からの電流Ｉ０が、センタタップ４から一次側巻線２の各端へ交互に流れるスイッチング電流として、一次側巻線２に流れる。
ゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値が同じ場合は、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作は同じになるため、トランス１の一次側巻線２に流れる電流Ｉ０の波形Ｓ０は、すべてほぼ同じになる。その波形Ｓ０は、スイッチング周波数ｆの２倍の周波数２ｆで繰り返して発生する。
図３に示されるように、この電流Ｉ０の波形Ｓ０のスペクトル分布は、スイッチング周波数ｆの２倍の周波数２ｆ及びその整数倍（４ｆ，６ｆ，…）の成分の値が大きくなっている。一方、スイッチング周波数ｆ及びその奇数倍（３ｆ，５ｆ，…）の成分の値が非常に小さくなっている。スイッチング周波数ｆの２倍の周波数２ｆの成分の値が大きいため、これに連動してその整数倍（４ｆ，６ｆ，…）の成分の値も大きく、電流Ｉ０は全体としてノイズレベルが大きく、ＡＭラジオ等に影響を与えるようなノイズが発生する。
【０００７】
次に、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値がゲート抵抗Ｒ１の抵抗値に比べて大きくなっている実施の形態に係るスイッチング電源回路の動作を説明する。
このスイッチング電源回路は、図４に示されるように、制御回路６がスイッチング周波数ｆでトランジスタＱ１，Ｑ２を交互にオン、オフさせる動作を繰り返す。
トランジスタＱ１がオンされた場合、一次側巻線２に流れる電流Ｉの波形Ｓ１は、ほぼ垂直な立ち上がり波形ＳＳ１を描く。一方、トランジスタＱ２がオンされた場合、一次側巻線２に流れる電流Ｉの波形Ｓ２は、垂直に対して傾斜した立ち上がり波形ＳＳ２を描く。このように、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値がゲート抵抗Ｒ１の抵抗値に比べて大きくなっているので、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作が互いに異なったものになり、波形Ｓ１と波形Ｓ２とは異なった波形になる。その波形Ｓ１，Ｓ２は、スイッチング周波数ｆでそれぞれ繰り返して発生する。
【０００８】
図５に示されるように、電流Ｉの波形Ｓ１，Ｓ２のスペクトル分布は、スイッチング周波数の２倍の周波数２ｆの成分の値がスイッチング周波数ｆの成分の値以下になっている。また、スイッチング周波数ｆの２倍の周波数２ｆの整数倍（４ｆ，６ｆ，…）の成分の値が図３に比べて小さくなっていて電流Ｉのスペクトル分布全体としてのノイズレベルが下がっている。したがって、この実施の形態に係るスイッチング電源回路を車載した場合、ラジオ等に影響を与えるようなノイズがゲート抵抗Ｒ１の抵抗値とゲート抵抗Ｒ２の抵抗値とが同じ場合に比べ小さくなる。
【０００９】
このように、トランス１の一次側巻線２に流れる電流Ｉの成分のうち、スイッチング周波数の２倍の周波数２ｆの成分の値がスイッチング周波数ｆの成分の値以下になるまで、ゲート抵抗Ｒ２の抵抗値をゲート抵抗Ｒ１の抵抗値に比べて大きくして、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作をアンバランスさせることによって、電流Ｉのスペクトル分布全体としてのノイズレベルを下げることができる。
【００１０】
なお、上述した実施の形態のように、ゲート抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値をわずかに異なるものにするもののほか、トランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作をアンバランスさせる方法として、トランジスタＱ１，Ｑ２自体の特性を異なるものしてもよい。また、トランジスタＱ１，Ｑ２のドライブ回路の特性を異なるものにしてもよい。さらに、制御回路６によりトランジスタＱ１，Ｑ２のドライブ信号を異なったものにしてもよい。
さらに、図１に示すようなプッシュプル型スイッチング電源回路について説明したが、そのほか、フルブリッジ回路やハーフブリッジ回路によって、スイッチング周波数の２倍の周波数２ｆの成分の値がスイッチング周波数ｆの成分の値以下になるようにしてもよい。
【００１１】
【発明の効果】
この発明によれば、スイッチング周波数で交互にオン、オフするスイッチング動作を行うスイッチング素子からなる一組以上のスイッチング手段と、スイッチング手段に電流を流す電源とを備え、一組のスイッチング手段のそれぞれのスイッチング素子が、互いに異なる電流波形を描くようにアンバランスされたスイッチング動作を行うことにより、電源からスイッチング手段に流れ込むスイッチング電流のスペクトル分布において、スイッチング周波数の２倍の周波数の成分がスイッチング周波数の成分以下の大きさになるようにしているので、新たな部品を追加せずにノイズ低減効果の高いスイッチング電源回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態に係るスイッチング電源回路の構成を示す図である。
【図２】 図１のスイッチング電源回路において、二つのゲート抵抗値を同じにした場合の、トランジスタの動作及び１次巻線に発生する電流の波形を示すタイムチャートである。
【図３】 図１のスイッチング電源回路において、二つのゲート抵抗値を同じにした場合の、１次巻線に発生する電流のスペクトル分布を示すチャートである。
【図４】 実施の形態に係るスイッチング電源回路において、トランジスタの動作及び１次巻線に発生する電流の波形を示すタイムチャートである。
【図５】 実施の形態に係るスイッチング電源回路において、１次巻線に発生する電流のスペクトル分布を示すチャートである。
【符号の説明】
１…トランス、２…一次側巻線、５…直流電源、ｆ…スイッチング周波数、Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ、Ｒ１，Ｒ２…ゲート抵抗。
Claims (3)
- スイッチング周波数で交互にオン、オフするスイッチング動作を行うスイッチング素子からなる一組以上のスイッチング手段と、スイッチング手段に電流を流す電源とを備え、
一組のスイッチング手段のそれぞれのスイッチング素子が、互いに異なる電流波形を描くようにアンバランスされたスイッチング動作を行うことにより、電源からスイッチング手段に流れ込むスイッチング電流のスペクトル分布において、スイッチング周波数の２倍の周波数の成分がスイッチング周波数の成分以下の大きさになるようにしてスペクトル分布全体としてのノイズレベルを低減することを特徴としたスイッチング電源回路。 - 一組のスイッチング手段のそれぞれのスイッチング素子のゲートに、抵抗値が異なる抵抗がそれぞれ接続され、
これらの抵抗値の相違によりスイッチング素子が異なるスイッチング動作を行う請求項１に記載のスイッチング電源回路。 - 前記スイッチング電源回路は、トランスを備え、このトランスの一次側巻線に前記スイッチング手段が接続される請求項１または２に記載のスイッチング電源回路。
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