JP5234771B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に、交流ライン上に発生するノイズを抑制するコイルおよびコンデンサと、交流電源停止時に該コンデンサに充電された電荷を放電させる放電抵抗とを有するノイズフィルタ回路を備えたスイッチング電源装置に関する。

従来のスイッチング電源装置として、例えば、図２に示すように、交流ライン上に発生するノイズを抑制するノイズフィルタ回路を備え、さらに交流電源投入時に交流ライン上に流れる突入電流を抑制する保護抵抗を備えたスイッチング電源装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
図２を参照して、このスイッチング電源装置８は、一対の交流ライン上に、交流電源２と、ノイズフィルタ回路３と、整流平滑回路５と、サーミスタＴＨ１（保護抵抗）と、スイッチング回路６とを備える。
交流電源２は、一対の交流ラインに交流電圧を供給する。
整流平滑回路５は、交流電源２から供給された交流電圧を整流するダイオードＤ１と、ダイオードＤ１によって整流された電圧を平滑して直流電圧に変換する平滑コンデンサＣ１０５からなる。
スイッチング回路６は、トランスＴと、トランスＴの一次側主巻線Ｔ１に接続されたＦＥＴＱ１からなる。ＦＥＴＱ１のスイッチングによって、整流平滑回路５によって変換された直流電圧が、トランスＴの二次側巻線Ｔ２に交流電圧として誘起される。二次側巻線Ｔ２に誘起された交流電圧は、二次側巻線Ｔ２に接続されたダイオードＤ２０１および平滑コンデンサＣ２０１によって整流および平滑されて直流電圧に変換され、二次側に接続される負荷回路に対する出力電圧として出力される。この出力電圧が分圧抵抗Ｒ２０１、Ｒ２０２、およびＲ２０３で検出され、フォトカプラＰＣ１を介して一次側の制御用ＩＣ１の２番ピンに信号が加えられることにより、ＦＥＴＱ１のスイッチングのデューティ比が制御用ＩＣ１によって制御され、二次側の負荷回路（図示しない）に安定した出力電圧が出力される。

一方、ノイズフィルタ回路３は、交流ライン上に発生するノイズを抑制するために、交流ライン間に接続されたコンデンサＣ１０１、Ｃ１０２と、交流ラインおよびＦＧ(筐体接地）ライン間に接続されたコンデンサＣ１０３、Ｃ１０４と、交流ラインに対して直列に接続されたコイルで構成されるチョークコイルＬと、放電抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２とからなり、交流電源２と整流平滑回路５の間に接続されている。
ここで、放電抵抗Ｒ１０１・Ｒ１０２は、一対の交流ライン間に接続されている。放電抵抗Ｒ１０１・Ｒ１０２は、交流電源２をオフした時に、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２に充電されている電荷を放電させることによって、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２の端子間電圧を、１秒以内に放電して安全な電圧にするためのものであって、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２の容量によってその抵抗値、およびその抵抗で消費される電力が決定される。

さらに、サーミスタＴＨ１（保護抵抗）は、交流電源投入時に平滑コンデンサＣ１０５に流れる突入電流を抑制するために、ダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１０５の間の一方の交流ラインに直列に接続されている。
製品カタログ"富士スイッチング電源制御用ＩＣ ＦＡ３６４１／４７ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ"の応用回路例（３１ページ）、富士電機株式会社、インターネット、＜http://www.fujielectric.co.jp/fdt/scd/pdf/IC/AJ_FA3641-47.pdf＞

ところで、ノイズフィルタ回路３のチョークコイルＬは、スイッチング電源装置８が定格負荷で動作している場合に一次側に流れる入力電流に耐えうる必要があり、この定格負荷が大きくなるほど、その入力電流に耐えうるだけの大電流化、すなわちチョークコイルＬの大型化が必要となる。
一方、スイッチング電源装置８においてはノイズフィルタ回路３全体の大きさを考慮すると、その大きさは一定の大きさに制限される。このため、チョークコイルＬの大電流化のため、チョークコイルＬのインダクタンス値を減少させて、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、およびＣ１０４の容量を増加させる必要があった。また、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、およびＣ１０４の容量増加に対応して、放電抵抗Ｒ１０１およびＲ１０２の抵抗値を減少させる必要があった。その結果、放電抵抗Ｒ１０１およびＲ１０２で消費される電力が増加することにより、スイッチング電源装置の待機電力が大きくなっていた。

さらに、このスイッチング電源装置は、交流電源投入時の突入電流を抑制するための保護抵抗を備える必要があり、これが部品点数の増加およびコストアップに繋がっていた。

本発明の課題は、待機時にノイズフィルタ回路で消費される電力を低減することができるスイッチング電源装置を提供することにある。また、本発明の別の課題は、突入電流を抑制しながらも、保護抵抗を不要にすることができるスイッチング電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、一対の交流ラインに交流電圧を供給する交流電源と、前記交流電源から供給された前記交流電圧を整流および平滑して直流電圧に変換する整流平滑回路と、前記整流平滑回路の後段に接続され、前記整流平滑回路によって変換された直流電圧をスイッチングして負荷回路に所定の出力電圧を出力するスイッチング回路とを備えたスイッチング電源装置であって、前記交流電源と前記整流平滑回路の間に選択的に配置される、第１および第２のノイズフィルタ回路と、外部信号に基づいて、前記第１のノイズフィルタ回路を介して前記交流電源と前記整流平滑回路とが接続される第１の接続モード、および前記第２のノイズフィルタ回路を介して前記交流電源と前記整流平滑回路とが接続される第２の接続モードのいずれかに切り替える切り替え手段とをさらに備え、前記第１のノイズフィルタ回路は、前記一対の交流ラインに対して直列に接続された第１のコイルと、前記一対の交流ライン間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサと並列に接続され前記交流電源からの前記交流電圧の供給停止時に前記第１のコンデンサに充電された電荷を放電させる第１の放電抵抗とを有し、前記第２のノイズフィルタ回路は、前記一対の交流ラインに対して直列に接続され、前記第１のコイルよりもインダクタンス値が大きな第２のコイルと、前記一対の交流ライン間に接続され、前記第１のコンデンサよりも静電容量値が小さな第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサと並列に接続され前記交流電源からの前記交流電圧の供給停止時に前記第２のコンデンサに充電された電荷を放電させる、前記第１の放電抵抗よりも抵抗値が大きな第２の放電抵抗とを有し、前記切り替え手段は、前記負荷回路への電圧出力時に前記第１の接続モードに切り替える一方、前記負荷回路への出力待機時に前記第２の接続モードに切り替えることを特徴とするスイッチング電源装置を提供する。
上記構成によれば、交流電源と整流平滑回路との間に第１および第２のノイズフィルタ回路が選択的に配置される。より具体的には、負荷回路への電圧出力時に第１のノイズフィルタ回路を介して交流電源と整流平滑回路とが接続され（第１の接続モードに切り替えられ）、負荷回路への出力待機時に第２のノイズフィルタ回路を介して交流電源と整流平滑回路とが接続される（第２の接続モードに切り替えられる）。ここで、第１のノイズフィルタ回路は、一対の交流ラインに対して直列に接続された第１のコイルと、一対の交流ライン間に接続された第１のコンデンサと、第１のコンデンサと並列に接続され交流電源からの交流電圧の供給停止時に第１のコンデンサに充電された電荷を放電させる第１の放電抵抗とを有し、第２のノイズフィルタ回路は、一対の交流ラインに対して直列に接続され、第１のコイルよりもインダクタンス値が大きな第２のコイルと、一対の交流ライン間に接続された、第１のコンデンサよりも静電容量値が小さな第２のコンデンサと、第２のコンデンサと並列に接続され交流電源からの交流電圧の供給停止時に第２のコンデンサに充電された電荷を放電させる、第１の放電抵抗よりも抵抗値が大きな第２の放電抵抗とを有するように構成されている。すなわち、負荷回路への出力待機時には、負荷回路への電圧出力時に比べて負荷回路への出力電流が大きく減少するため、ノイズフィルタ回路(第２のノイズフィルタ回路）に流れる電流も減少する。このため、比較的小型サイズのコイルで第１のコイルよりも大きなインダクタンス値を有する第２のコイルを構成することができ、その結果、第２のコンデンサは第１のコンデンサよりも静電容量値を小さくすることができる。これにより、第２の放電抵抗の抵抗値を第１の放電抵抗の抵抗値よりも大きくすることができ、待機時におけるノイズフィルタ回路で消費される電力を低減することができる。

好ましい実施例によれば、前記スイッチング電源装置は、前記スイッチング回路の後段に設けられ、前記外部信号を検出する信号検出手段をさらに備え、前記切り替え手段は、制御コイルと、前記制御コイルによって電磁的に切り替え制御されるリレー接点とを有し、前記リレー接点は、前記第１のノイズフィルタ回路の入力側と出力側、および前記第２のノイズフィルタ回路の入力側と出力側とに設けられ、前記信号検出手段で検出された前記外部信号の大きさに応じて前記制御コイルに励磁電流が流れて前記リレー接点が連動して切り替わることにより、前記第１の接続モードと前記第２の接続モードとの間で接続モードが切り替えられる。

この実施例において、さらに好ましくは、前記外部信号は、前記負荷回路から前記信号検出手段に入力される。

また別の好ましい実施例によれば、前記切り替え手段は、前記交流電圧の受電を開始した直後、または前記負荷回路が待機状態であることを示す待機信号が前記信号検出手段に入力されると、前記第２の接続モードに切り替え、前記負荷回路が通常動作状態であることを示す通常信号が前記信号検出手段に入力されると、前記第１の接続モードに切り替える。
この構成によれば、上記と同様の効果が得られる上に、交流電源投入時においては、第１の接続モードと第２の接続モードのうち、インピーダンスの大きいノイズフィルタ回路が交流電源と整流平滑回路との間に接続される第２の接続モードに切り替えられる。これにより、突入電流を抑制できるので、スイッチング電源装置の保護抵抗を不要にすることができる。

本発明によれば、待機時にノイズフィルタ回路で消費される電力を低減することができるスイッチング電源装置を提供することができる。また、突入電流を抑制しながらも、保護抵抗を不要にすることができるスイッチング電源装置を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施例によるスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。ここで、図２を参照して説明した従来のスイッチング電源装置との対応関係が明確となるように、図２に示す各構成要素と共通する構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
図１を参照して、このスイッチング電源装置１は、交流電源２と、第１のノイズフィルタ回路（大電力用ノイズフィルタ回路）３’と、第２のノイズフィルタ回路（小電力用ノイズフィルタ回路）４と、整流平滑回路５と、スイッチング回路６’と、信号検出手段７と、本発明の「切り替え手段」として機能するリレー１１（リレー接点Ｓ１〜Ｓ４、制御コイルＲＬ１）とを備える。第１および第２のノイズフィルタ回路３’、４は、交流電源２と整流平滑回路５の間に選択的に配置され、交流ライン上に発生するノイズを抑制する。

第１のノイズフィルタ回路３’は、一対の交流ラインに対して直列に接続されたチョークコイルＬ１（本願の「第１のコイル」に相当）と、一対の交流ライン間に接続されたコンデンサＣ１０１、Ｃ１０２（本願の「第１のコンデンサ」に相当）と、交流ラインとＦＧラインとの間に接続されたコンデンサＣ１０３、Ｃ１０４と、交流電源２からの交流電圧の供給停止時にコンデンサＣ１０１、Ｃ１０２に充電された電荷を放電させる放電抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２（本願の「第１の放電抵抗」に相当）とを有する。
第２のノイズフィルタ回路４は、一対の交流ラインに対して直列に接続され、チョークコイルＬ１よりもインダクタンス値が大きなチョークコイルＬ２（本願の「第２のコイル」に相当）と、一対の交流ライン間に接続された、Ｃ１０１、Ｃ１０２よりも静電容量値が小さなコンデンサＣ１１１（本願の「第２のコンデンサ」に相当）と、交流電源２からの交流電圧の供給停止時にコンデンサＣ１１１に充電された電荷を放電させる、放電抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２よりも抵抗値が大きな放電抵抗Ｒ１０３、Ｒ１０４（本願の「第２の放電抵抗」に相当）とを有する。

第１の放電抵抗は、放電抵抗Ｒ１０１およびＲ１０２を直列接続したものからなり、交流ラインに対してコンデンサＣ１０１、Ｃ１０２と並列接続されている。放電抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２は、交流電源をオフした時に、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２に充電されている電荷を１秒以内に放電してＣ１０１、Ｃ１０２の端子間電圧を安全な電圧にするためのものであって、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２の容量によってその抵抗値、およびその抵抗で消費される電力が決定される。
第２の放電抵抗は、放電抵抗Ｒ１０３およびＲ１０４を直列接続したものからなり、交流ラインに対してコンデンサＣ１１１と並列接続されている。放電抵抗Ｒ１０３、Ｒ１０４は、交流電源をオフした時に、コンデンサＣ１１１に充電されている電荷を１秒以内に放電してＣ１１１の端子間電圧を安全な電圧にするためのものであって、コンデンサＣ１１１の容量によってその抵抗値、およびその抵抗で消費される電力が決定される。

ここで、この実施例では、図１に示すように、例えばコンデンサＣ１０１、Ｃ１０２の静電容量値を０．２２μＦ、放電抵抗Ｒ１０１、Ｒ１０２の抵抗値をそれぞれ、５１０ｋΩ、４３０ｋΩとしている。また、コンデンサＣ１１１の静電容量値を０．１μＦ、放電抵抗Ｒ１０３、Ｒ１０４の抵抗値をそれぞれ、２．２ＭΩとしている。上記のような構成によれば、第２のノイズフィルタ回路４のインピーダンスは、第１のノイズフィルタ回路３’のインピーダンスよりも大きくなる。

スイッチング回路６’は、図２に示したスイッチング回路６と等価な回路であり、図１においては、その回路構成の一部を省略した形で記載されている。

信号検出手段７は、スイッチング回路６’の後段に設けられ、図１における、信号端子に接続されたベース電流制限抵抗Ｒ２０４、およびトランジスタＱ２を介して負荷回路からの外部信号を検出する。外部信号としては、負荷回路が待機状態（スイッチング電源装置１からみれば、負荷回路への電圧出力を待機している状態）であることを示す待機信号（ローレベル信号）、および負荷回路が通常動作状態（スイッチング電源装置１からみれば、負荷回路へ所定の出力電圧を出力している状態）であることを示す通常信号（ハイレベル信号）がある。
切り替え手段は、制御コイルＲＬ１と、制御コイルＲＬ１によって電磁的に切り替え制御されるリレー接点Ｓ１〜Ｓ４とを含むリレー１１からなる。リレー接点Ｓ１〜Ｓ４はそれぞれ、第１のノイズフィルタ回路３’の入力側と出力側、および第２のノイズフィルタ回路４の入力側と出力側とに設けられる。リレー１１は、上記の外部信号の大きさに応じて制御コイルＲＬ１に励磁電流が流れてリレー接点Ｓ１〜Ｓ４が連動して切り替わる。リレー１１は、具体的には、外部信号のレベルに応じて第１のノイズフィルタ回路３’を介して交流電源２と整流平滑回路５とが接続される第１の接続モード、および第２のノイズフィルタ回路４を介して交流電源２と整流平滑回路５とが接続される第２の接続モードのいずれかに選択的に切り替える。

次に、本実施例のスイッチング電源装置１の動作について、以下に簡単に説明する。

スイッチング電源装置１のリレー１１は、交流電源２からの交流電圧の受電を開始した直後（交流電源投入直後）、あるいは待機信号が信号検出手段７に入力されると、信号検出手段７でローレベル信号が検出され、トランジスタＱ２はオフ状態となり、制御コイルＲＬ１に励磁電流が流れないため、リレー接点Ｓ１〜Ｓ４を連動させて、第２の接続モードに切り替える。
また、このリレー１１は、通常信号が信号検出手段７に入力されると、信号検出手段７でハイレベルの信号が検出され、トランジスタＱ２のベースに電流が流れてトランジスタＱ２はオン状態となり、制御コイルＲＬ１には励磁電流が流れ、リレー接点Ｓ１〜Ｓ４を連動させて、第１の接続モードに切り替える。
故に、交流電源投入時にはインピーダンスの大きな第２のノイズフィルタ回路４に通電がなされるため、突入電流が抑制され、結果として保護抵抗を不要にすることができる。

また、負荷回路が待機状態においては、チョークコイルＬ２を流れる電流は大幅に減少するので、コイルの大電流化を図ることなく、小型形状のコイルでインダクタンス値を大幅に増加することができる。これにより、コンデンサＣ１１１の容量の削減が可能となる。その上、スイッチング回路６’から発生する交流ライン上のノイズも減少し、チョークコイルＬ２の後段のコンデンサ（Ｃ１０２に相当）が不要となる。これにより、一対の交流ライン間のコンデンサはＣ１１１のみとなるため、放電抵抗Ｒ１０３およびＲ１０４の抵抗値を増加することができ、この抵抗での消費電力を低減することができる。これにより、待機時における消費電力（待機電力）を低減することができる。なお、待機状態において、制御コイルＲＬ１に励磁電流が流れないので、リレー１１（切り替え手段）での消費電力により待機電力を増加させることもない。

ここで、スイッチング電源装置１が定格負荷で動作している通常動作状態においては、一次側に流れる入力電流に耐えうる必要があり、チョークコイルＬ１のインダクタンス値を維持したまま大電流化すると、チョークコイルＬ１の大型化が必要となる。ここで、ノイズフィルタ回路３’のサイズを適切なサイズに収めるため、チョークコイルＬ１のインダクタンス値と、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、およびＣ１０４の静電容量値とでバランスを図る必要がある。定格負荷が大きくなるほど、ノイズフィルタ回路３’のサイズを考慮した、チョークコイルＬ１のインダクタンス値の減少による大電流化が必要となる。このため、チョークコイルＬ１のインダクタンス値の減少を補うために、コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、およびＣ１０４の静電容量値を増加させることが必要となる。コンデンサＣ１０１、Ｃ１０２の容量増加に伴い、放電抵抗Ｒ１０１およびＲ１０２の抵抗値を減少させる必要があり、放電抵抗Ｒ１０１およびＲ１０２で消費される電力が増加するが、通常動作状態のみ第１の接続モードに切り替わり、待機状態では消費電力を低減できる第２の接続モードに切り替わるので、スイッチング電源装置全体としての消費電力を低減することが可能となる。

（待機時の消費電力の比較）
図１に示す本実施例に係るスイッチング電源装置１、および図２に示す従来例に係るスイッチング電源装置８の放電抵抗で消費される消費電力を、交流電源電圧として１００Ｖと２４０Ｖを印加して測定した結果を表１に示す。

表１から明らかなように、交流電圧１００Ｖおよび２４０Ｖのいずれの場合においても、スイッチング電源装置１の消費電力を大幅に低減することができた。

本発明の一実施例によるスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１ スイッチング電源装置
２ 交流電源
３ ノイズフィルタ回路
３’ 第１のノイズフィルタ回路
４ 第２のノイズフィルタ回路
５ 整流平滑回路
６ スイッチング回路
６’ スイッチング回路
７ 信号検出手段
８ スイッチング電源装置
１１ リレー（切り替え手段）
Ｃ１０１〜１０４ コンデンサ
Ｃ１１１〜１１３ コンデンサ
Ｃ１０５ 平滑コンデンサ
Ｃ２０１ コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｄ２０１ ダイオード
ＩＣ１ 制御用ＩＣ
Ｌ チョークコイル
Ｌ１ 第１のチョークコイル
Ｌ２ 第２のチョークコイル
ＰＣ１ フォトカプラ
Ｒ１０１〜１０４ 放電抵抗
Ｒ２０１〜２０３ 分圧抵抗
Ｒ２０４ ベース電流制限抵抗
ＲＬ１ 制御コイル
Ｓ１〜Ｓ４ リレー接点
Ｔ トランス
Ｔ１ 一次側主巻線トランス
Ｔ２ 二次側巻線トランス
ＴＨ１ サーミスタ

Claims (4)

1. 一対の交流ラインに交流電圧を供給する交流電源と、前記交流電源から供給された前記交流電圧を整流および平滑して直流電圧に変換する整流平滑回路と、前記整流平滑回路の後段に接続され、前記整流平滑回路によって変換された直流電圧をスイッチングして負荷回路に所定の出力電圧を出力するスイッチング回路とを備えたスイッチング電源装置であって、
   前記交流電源と前記整流平滑回路の間に選択的に配置される、第１および第２のノイズフィルタ回路と、
   外部信号に基づいて、前記第１のノイズフィルタ回路を介して前記交流電源と前記整流平滑回路とが接続される第１の接続モード、および前記第２のノイズフィルタ回路を介して前記交流電源と前記整流平滑回路とが接続される第２の接続モードのいずれかに切り替える切り替え手段と、
   をさらに備え、
   前記第１のノイズフィルタ回路は、前記一対の交流ラインに対して直列に接続された第１のコイルと、前記一対の交流ライン間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサと並列に接続され前記交流電源からの前記交流電圧の供給停止時に前記第１のコンデンサに充電された電荷を放電させる第１の放電抵抗とを有し、
   前記第２のノイズフィルタ回路は、前記一対の交流ラインに対して直列に接続され、前記第１のコイルよりもインダクタンス値が大きな第２のコイルと、前記一対の交流ライン間に接続され、前記第１のコンデンサよりも静電容量値が小さな第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサと並列に接続され前記交流電源からの前記交流電圧の供給停止時に前記第２のコンデンサに充電された電荷を放電させる、前記第１の放電抵抗よりも抵抗値が大きな第２の放電抵抗とを有し、
   前記切り替え手段は、前記負荷回路への電圧出力時に前記第１の接続モードに切り替える一方、前記負荷回路への出力待機時に前記第２の接続モードに切り替えることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記スイッチング回路の後段に設けられ、前記外部信号を検出する信号検出手段をさらに備え、
   前記切り替え手段は、制御コイルと、前記制御コイルによって電磁的に切り替え制御されるリレー接点とを有し、
   前記リレー接点は、前記第１のノイズフィルタ回路の入力側と出力側、および前記第２のノイズフィルタ回路の入力側と出力側とに設けられ、前記信号検出手段で検出された前記外部信号の大きさに応じて前記制御コイルに励磁電流が流れて前記リレー接点が連動して切り替わることにより、前記第１の接続モードと前記第２の接続モードとの間で接続モードが切り替えられることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記外部信号は、前記負荷回路から前記信号検出手段に入力されることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記切り替え手段は、前記交流電圧の受電を開始した直後、または前記負荷回路が待機状態であることを示す待機信号が前記信号検出手段に入力されると、前記第２の接続モードに切り替え、前記負荷回路が通常動作状態であることを示す通常信号が前記信号検出手段に入力されると、前記第１の接続モードに切り替えることを特徴とする請求項２または３に記載のスイッチング電源装置。

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