JP5333506B2

JP5333506B2 - 電源回路

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Publication number: JP5333506B2
Application number: JP2011093583A
Authority: JP
Inventors: 征明井上
Original assignee: Onkyo Corp
Current assignee: Onkyo Corp
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2013-11-06
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Description

本発明は、単電源である第１電源と、単電源である第２電源とを備える電源回路に関する。

オーディオ機器等において、単電源である第１電源で動作する回路と、第１電源とは電圧が異なる単電源である第２電源で動作する回路とを備えるものがある。単電源は、正側の電源電圧と、接地電位等の基準電位とを含む。第２電源は、第１電源の正側電源電圧をスイッチ素子によってスイッチング動作させることによって生成される正側電源電圧と、第１電源の正側電源電圧を分圧することによって生成される基準電位とを含む。スイッチングコントローラとスイッチ素子とは、第１電源の正側電源電圧と基準電位とによって動作する。一方、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧は、所定電圧（例えば５Ｖ）に維持されるように、スイッチングコントローラに第２の電源の正側電源電圧を帰還させる必要がある。しかし、第１電源と第２電源とは基準電位が異なるので、第２電源の正側電源電圧をそのままスイッチングコントローラに帰還させることができない。従来の電源回路では、フォトカプラを使用し、第２電源の正側電源電圧をスイッチングコントローラに帰還させている。しかし、フォトカプラは比較的コストが高いので、フォトカプラを使用せずに、第２電源の正側電源電圧をスイッチングコントローラに帰還させる電源回路が要望されている。

下記特許文献１〜３には電源回路において帰還回路を備えるものが記載されているが、単電源である第１電源と、第１電源とは電圧が異なる単電源である第２電源とを備える電源回路において、第２電源の正側電源電圧をスイッチングコントローラに帰還させる電源回路については何ら記載されていない。

特開２００９−１６９９７号公報特開２００９−１９４９７１号公報特開２００９−３０３３１３号公報

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、フォトカプラを使用せずに、第２電源の正側電源電圧をスイッチングコントローラに帰還させる電源回路を提供することにある。

本発明の好ましい実施形態による電源回路は、正側電源電圧と基準電位とを含む単電源である第１電源と、正側電源電圧と、前記第１電源の基準電位とは異なる基準電位とを含む単電源である第２電源とを備える電源回路であって、前記第１電源の正側電源電圧と基準電位とによって動作され、帰還入力端子に入力される電圧に応じて、スイッチ素子をオンオフ制御するスイッチングコントローラと、前記スイッチングコントローラによってオンオフ制御される前記スイッチ素子と、前記スイッチ素子が一次巻線に接続され、前記スイッチ素子のオンオフ動作によって二次巻線に電圧を生成するスイッチングトランスと、前記第１電源の正側電源電圧を分圧して前記第２電源の基準電位を生成する基準電位生成部と、前記スイッチングトランスの二次巻線の電圧を受けて、前記第２電源の正側電源電圧を生成する電圧生成部と、前記第２電源の基準電位に対する正側電源電圧を電流に変換して出力するカレントミラー回路と、前記カレントミラー回路からの電流を前記第１電源の基準電位に対する電圧に変換して前記スイッチングコントローラの前記帰還入力端子に供給する電流電圧変換部とを備える。

カレントミラー回路は、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧を電流に変換して、電流電圧変換部に供給する。電流電圧変換部は、カレントミラー回路からの電流を第１電源の基準電位に対する電圧に変換し、スイッチングコントローラの帰還入力端子に供給する。従って、スイッチングコントローラに供給される第１電源の基準電位と、電圧を安定化させる必要のある第２電源の基準電位とが異なっているにもかかわらず、カレントミラー回路からの電流は基準電位の影響を受けないので、フォトカプラを使用することなく、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧を第１電源の基準電位に対する電圧としてスイッチングコントローラに帰還させることができる。

好ましい実施形態においては、前記カレントミラー回路が、第１トランジスタ、第２トランジスタおよび第１抵抗を含み、前記第１トランジスタの制御端子が、前記第２トランジスタの制御端子に接続され、前記第１トランジスタの第１端子が、前記第１抵抗を介して前記電圧生成部の出力に接続され、前記第１トランジスタの第２端子が、前記電流電圧変換部に接続され、前記第２トランジスタの第１端子が、前記第２電源の基準電位に接続され、前記第２トランジスタの第２端子が、前記第１電源の基準電位に接続されている。

第１トランジスタと第２トランジスタとに同量の電流を流すことにより、第１トランジスタの第１端子−制御端子間の電圧と、第２トランジスタの第１端子−制御端子間の電圧とが等しくなる。そして、第１トランジスタの制御端子と第２トランジスタの制御端子とは相互に接続されているので、第１トランジスタの第１端子と第２トランジスタの第１端子とが同電位になる。第１トランジスタの第１端子と第２トランジスタの第１端子とが同電位であるので、第１抵抗に流れる電流が、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧を電流に変換したものに相当する。そして、第１抵抗に流れる電流が第１トランジスタの第２端子から電流電圧変換部に供給される。

好ましい実施形態においては、前記電流電圧変換部が、前記第１電源の基準電位と前記第１トランジスタの第２端子との間に接続されている第２抵抗を含み、前記第１抵抗の抵抗値をＲ１、前記第２抵抗の抵抗値をＲ２、前記第２電源の基準電位に対する正側電源電圧をＶ２とすると、Ｖ２・Ｒ２／Ｒ１の電圧が前記スイッチングコントローラの前記帰還入力端子に供給され、前記スイッチングコントローラが、前記帰還入力端子に供給される電圧が所定電圧になるように前記スイッチ素子をオンオフ制御する。

第１抵抗を流れる電流はＶ２／Ｒ１となり、この電流が抵抗Ｒ２によって電圧に変換されるので、スイッチングコントローラの帰還入力端子にはＶ２・Ｒ２／Ｒ１の電圧が供給される。Ｖ２・Ｒ２／Ｒ１の電圧が所定電圧よりも高い場合には、スイッチングコントローラが第２電源の正側電源電圧が減少するようにスイッチ素子をオンオフ制御し、Ｖ２・Ｒ２／Ｒ１の電圧が所定電圧よりも低い場合には、スイッチングコントローラが第２電源の正側電源電圧が増加するようにスイッチ素子をオンオフ制御する。

好ましい実施形態においては、前記カレントミラー回路が、前記第１抵抗と前記第１トランジスタの第１端子との間に接続された定電圧素子をさらに含む。

この場合、第２電源の正側電源電圧の変動の感度を高くすることができる。

フォトカプラを使用せずに、第２電源の正側電源電圧をスイッチングコントローラに帰還させる電源回路を提供することができる。

本発明の好ましい実施形態による電源回路１００を示す回路ブロック図である。本発明の別の好ましい実施形態による電源回路２００を示す回路ブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して具体的に説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。図１は、本発明の好ましい実施形態による電源回路１００を示す回路ブロック図である。電源回路１００は、第１電源１と、スイッチングコントローラ２と、スイッチ素子３と、スイッチングトランス４と、基準電位生成部５と、第２電源生成部６と、カレントミラー回路７と、電流電圧変換部８とを概略備える。

基準電位生成部５と第２電源生成部６とは、第２電源を構成する。スイッチングコントローラ２とスイッチ素子３とスイッチングトランス４とは、スイッチング電源を構成する。カレントミラー回路７と電流電圧変換部８とは、帰還回路を構成する。

第１電源１は、第１負荷（例えばアンプ回路等）１０１に電源電圧を供給する。第１電源１は単電源であり、正側電源電圧Ｖ１と、基準電位である接地電位ＧＮＤとを含む。第１電源１は、一般的なＡＣアダプター等が採用され、入力される交流電源電圧を直流電源電圧である正側電源電圧Ｖ１と、接地電位ＧＮＤとに変換して、後段の各回路に出力する。

スイッチングコントローラ２は、第１電源１の正側電源ラインＶ１と接地電位ＧＮＤとに接続され、第１電源によって動作する。つまり、スイッチングコントローラ２の基準電位は、第１電源１の接地電位ＧＮＤとなっている。スイッチングコントローラ２は、制御信号出力端子２ａと、帰還入力端子２ｂとを含む。スイッチングコントローラ２は、帰還入力端子２ｂに入力される電圧に応じて、制御信号出力端子２ａからスイッチ素子３に対して制御信号を出力し、スイッチ素子３をオンオフ制御する。

スイッチ素子３は、スイッチングコントローラ２からの制御信号によってオンオフ制御される。スイッチ素子３は、特に限定されないが、例えばｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱ１が採用され得る。ＭＯＳＦＥＴＱ１は、ゲートがスイッチングコントローラ２の制御信号出力端子２ａに接続され、ソースが第１電源１の接地電位ＧＮＤに接続され、ドレインがスイッチングトランス４の一次側巻線の一端（図示下側の端）に接続されている。

スイッチングトランス４は、一次巻線の他端（図示上側の端）が第１電源１の正側電源電圧ラインＶ１に接続され、二次巻線の一端（図示下側の端）が第２電源生成部６のコンデンサＣ１に接続され、二次巻線の他端（図示上側の端）が第２電源生成部６のダイオードＤ１のアノードに接続されている。すなわち、スイッチングトランス４の二次巻線の一端は第２電源の基準電位ラインに接続され、スイッチングトランス４の二次巻線の他端は第２電源の正側電源電圧ラインに接続されている。

スイッチ素子３は、スイッチングコントローラ２からの制御信号が一方のレベル（例えばハイレベル）のときにオン状態となり、第１電源１の正側電源電圧ラインＶ１から、スイッチングトランス４の一次巻線、スイッチ素子３、第１電源１の接地電位ＧＮＤへと電流が流れ、スイッチングトランス４の一次巻線に電気エネルギーが蓄積される。一方、スイッチ素子３は、スイッチングコントローラ２からの制御信号が他方レベル（例えばローレベル）のときにオフ状態になり、スイッチ素子３がオン状態のときにスイッチングトランス４の一次巻線に蓄積された電気エネルギーに基づいて、スイッチングトランス４の二次巻線から第２電源電圧の正側電源電圧となる電圧が出力される。

従って、スイッチングコントローラ２が、制御信号によってスイッチ素子３のオンオフ期間（デューティ比）を制御することによって、スイッチングトランス４の二次巻線から出力される電圧の大きさを調整することができる。

基準電位生成部５は、第１電源１の正側電源電圧Ｖ１を分圧することによって、第２電源の基準電位を生成する回路である。基準電位生成部５は、例えば、抵抗Ｒ１、Ｒ２を含む。抵抗Ｒ１は、一端が第１電源１の正側電源電圧ラインＶ１に接続され、他端が抵抗Ｒ２の一端と、第２電源の基準電位ラインとに接続されている。抵抗Ｒ２の他端は、第１電源１の接地電位ラインＧＮＤに接続されている。従って、第２電源の基準電位は、Ｒ２・Ｖ１／（Ｒ１＋Ｒ２）となる。当該式において、Ｒ１は抵抗Ｒ１の抵抗値、Ｒ２は抵抗Ｒ２の抵抗値である。抵抗Ｒ１とＲ２との抵抗値の関係は、必要とされる基準電位に応じて適宜設定され得るが、一例として同じ抵抗値に設定されるとよい。

第２電源生成部６は、第２電源の正側電源電圧Ｖ２を生成する回路である。第２電源生成部６は、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１とを含む。ダイオードＤ１のアノードはスイッチングトランス４の二次巻線の他端に接続され、カソードはコンデンサＣ１の一端に接続されている。コンデンサＣ１の他端は第２電源の基準電位ラインに接続されている。第２電源生成部６は、スイッチ素子３がオフ状態の期間にスイッチングトランス４の二次巻線から出力される電圧を受け、コンデンサＣ１が充電され、コンデンサＣ１の充電電圧が第２電源の基準電位に対する正側電源電圧Ｖ２となる。

カレントミラー回路７は、第２電源生成部６によって生成された電圧（つまり、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧Ｖ２）を電流に変換し、スイッチングコントローラ２（詳細には電流電圧変換部８）に帰還させる回路である。つまり、カレントミラー回路７は、第２電源の正側電源電圧Ｖ２を第１所定電圧（例えば基準電位に対して５Ｖ）に維持および安定化させるために、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧Ｖ２をスイッチングコントローラ２に通知する。

カレントミラー回路７は、抵抗Ｒ３、Ｒ４と、トランジスタ（特に限定されないが例えばｐｎｐ型バイポーラトランジスタ）Ｑ２、Ｑ３とを含む。抵抗Ｒ３は、一端が第２電源の正側電源ラインＶ２に接続され、他端がトランジスタＱ２のエミッタ（第１端子）に接続されている。トランジスタＱ２は、ベース（制御端子）がトランジスタＱ３のベースに接続され、コレクタ（第２端子）がスイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂと、電流電圧変換部８の抵抗Ｒ５とに接続されている。トランジスタＱ３は、エミッタが第２電源の基準電位ラインに接続され、コレクタが抵抗Ｒ４を介して第１電源１の接地電位ラインＧＮＤに接続されている。また、トランジスタＱ３のベースとコレクタとが接続されている。

カレントミラー回路７においては、トランジスタＱ２とＱ３とのベース同士が接続されており、トランジスタＱ３のコレクタ電圧（抵抗Ｒ４の電圧）が、トランジスタＱ２、Ｑ３のベースに供給されている。トランジスタＱ２、Ｑ３を流れる電流を同じにすることにより、トランジスタＱ２のベース−エミッタ間電圧と、トランジスタＱ３のベース−エミッタ間電圧とが等しくなる。従って、トランジスタＱ２とＱ３とのベース同士が接続されているので、トランジスタＱ２のエミッタ電位と、トランジスタＱ３のエミッタ電位とが同じになる。従って、抵抗Ｒ３に流れる電流であるトランジスタＱ２のコレクタ電流は、第２電源の正側電源ラインＶ２から、第２電源の基準電位ラインへと流れる電流に相当し、Ｖ２／Ｒ３で表される。当該式において、Ｒ３は抵抗Ｒ３の抵抗値であり、Ｖ２は第２電源の基準電位に対する正側電源電圧の電圧値である。つまり、トランジスタＱ２のコレクタ電流は、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧を電流に変換したものに相当する。

電流電圧変換部８は、カレントミラー回路７から供給される電流を第１電源１の接地電位ＧＮＤに対する電圧に変換し、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂに供給する。つまり、電流電圧変換部８により、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧は、第１電源の基準電位に対する電圧に変換される（基準電位の変換が行われる）。電流電圧変換部８は、抵抗Ｒ５を含む。抵抗Ｒ５は、一端が第１電源１の接地電位ラインＧＮＤに接続され、他端がトランジスタＱ２のコレクタと、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂとに接続されている。従って、電流電圧変換部８は、Ｖ２・Ｒ５／Ｒ３の電圧を生成し、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂに供給する。当該式においてＲ５は抵抗Ｒ５の抵抗値である。

スイッチングコントローラ２は、帰還入力端子２ｂに供給される電圧に応じて、スイッチ素子３のオン期間（つまりデューティ比）を制御する。スイッチングコントローラ２は、第１電源１の接地電位ＧＮＤに対して、帰還入力端子２ｂに入力される電圧が第２所定電圧（例えば１．２Ｖ）となるように、スイッチ素子３に出力する制御信号を調整する。つまり、帰還入力端子２ｂに入力される電圧が第２所定電圧よりも低い場合、スイッチングコントローラ２は、第２電源の正側電源電圧が第１所定電圧よりも低いと判断し、第２電源の正側電源電圧を増加させるために、スイッチ素子３のオン期間を長くするように制御信号を調整する。一方、帰還入力端子２ｂに入力される電圧が第２所定電圧よりも高い場合、スイッチングコントローラ２は、第２電源の正側電源電圧が第１所定電圧よりも高いと判断し、第２電源の正側電源電圧を減少させるために、スイッチ素子３のオン期間が短くなるように制御信号を調整する。

以下、実際の数値を用いて説明する。抵抗Ｒ３の抵抗値を５ｋΩ、抵抗Ｒ５の抵抗値を１．２ｋΩ、第２電源の基準電位に対する正側電源電圧Ｖ２の第１所定電圧を５Ｖと設定する。第１所定電圧が正常な電圧である５Ｖのとき、カレントミラー回路７から出力される電流の値は、５Ｖ／５ｋΩ＝１ｍＡであり、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂに供給される電圧は、１ｍＡ×１．２ｋΩ＝１．２Ｖであり、第２所定電圧になっている。

ここで、第２電源の正側電源電圧が６Ｖに上昇すると、カレントミラー回路７から出力される電流の値は、６Ｖ／５ｋΩ＝１．２ｍＡであり、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂに供給される電圧は、１．２ｍＡ×１．２ｋΩ＝１．４４Ｖであり、第２所定電圧である１．２Ｖよりも高くなる。従って、スイッチングコントローラ２は、スイッチ素子３のオン期間を短くすることにより、第２電源の正側電源電圧を第１所定電圧である５Ｖに近づけるように動作する。

一方、第２電源の正側電源電圧が４Ｖに低下すると、カレントミラー回路７から出力される電流の値は、４Ｖ／５ｋΩ＝０．８ｍＡであり、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂに供給される電圧は、０．８ｍＡ×１．２ｋΩ＝０．９６Ｖであり、第２所定電圧である１．２Ｖよりも低くなる。従って、スイッチングコントローラ２は、スイッチ素子３のオン期間を長くすることにより、第２電源の正側電源電圧を第１所定電圧である５Ｖに近づけるように動作する。

以上のように、本実施形態によると、第２電源の基準電位と、スイッチングコントローラ２に供給される第１電源の基準電位とが異なっているにもかかわらず、フォトカプラを使用することなく、第２電源の正側電源電圧をスイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂに帰還させ、第２電源の正側電源電圧を第１所定電圧に維持および安定化させることができる。これは、カレントミラー回路７によって、第２電源の正側電源電圧を一旦電流に変換することで基準電位の影響を無くし、電流電圧変換部８によって再度、第１電源電圧の基準電位に対する電圧に変換して、スイッチングコントローラ２に供給しているからである。

図２は、本発明の別の好ましい実施形態による電源回路２００を示す回路ブロック図である。電源回路２００によると、カレントミラー回路７’は、抵抗Ｒ３とトランジスタＱ２のエミッタとの間に定電圧素子であるツェナーダイオードＤ２をさらに含む。ツェナーダイオードＤ２を有することによって、第２電源の正側電源電圧をスイッチングコントローラ２に帰還させる際の感度を上昇させることができる。

例えば、ツェナーダイオードＤ２のツェナー電圧が４．９Ｖであり、抵抗Ｒ３の抵抗値が１００Ωであるとする。第２電源の正側電源電圧が５Ｖから５．１Ｖに増加すると、カレントミラー回路７’からの電流の値は、（５．１Ｖ−４．９Ｖ）／１００Ω＝２ｍＡとなるので、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂに供給される電圧は、２ｍＡ×１．２ｋΩ＝２．４Ｖとなる。このように、第２電源の正側電源電圧の微少な変動に対して、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂには大きな電圧の変化を与えることができる。一方、図１の電源回路では、第２電源の正側電源電圧が５Ｖから５．１Ｖに増加すると、カレントミラー回路７からの電流の値は、５．１Ｖ／５ｋΩ＝１．０２ｍＡとなるので、スイッチングコントローラ２の帰還入力端子２ｂに供給される電圧は１．０２ｍＡ×１．２ｋΩ＝２．０４Ｖとなる。以上のように、図２の電源回路２００の方が、第２電源の正側電源電圧の微少な変動に応じて、スイッチングコントローラ２が即座にスイッチ素子のオン期間を制御することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。

本発明は、例えばオーディオ用の電源回路に好適に採用され得る。

１第１電源
２スイッチングコントローラ
３スイッチ素子
４スイッチングトランス
５基準電位生成部
６第２電源生成部
７カレントミラー回路
８電流電圧変換部

Claims

正側電源電圧と基準電位とを含む単電源である第１電源と、正側電源電圧と、前記第１電源の基準電位とは異なる基準電位とを含む単電源である第２電源とを備える電源回路であって、
前記第１電源の正側電源電圧と基準電位とによって動作され、帰還入力端子に入力される電圧に応じて、スイッチ素子をオンオフ制御するスイッチングコントローラと、
前記スイッチングコントローラによってオンオフ制御される前記スイッチ素子と、
前記スイッチ素子が一次巻線に接続され、前記スイッチ素子のオンオフ動作によって二次巻線に電圧を生成するスイッチングトランスと、
前記第１電源の正側電源電圧を分圧して前記第２電源の基準電位を生成する基準電位生成部と、
前記スイッチングトランスの二次巻線の電圧を受けて、前記第２電源の正側電源電圧を生成する電圧生成部と、
前記第２電源の基準電位に対する正側電源電圧を電流に変換して出力するカレントミラー回路と、
前記カレントミラー回路からの電流を前記第１電源の基準電位に対する電圧に変換して前記スイッチングコントローラの前記帰還入力端子に供給する電流電圧変換部とを備える、電源回路。
前記カレントミラー回路が、第１トランジスタ、第２トランジスタおよび第１抵抗を含み、
前記第１トランジスタの制御端子が、前記第２トランジスタの制御端子に接続され、
前記第１トランジスタの第１端子が、前記第１抵抗を介して前記電圧生成部の出力に接続され、
前記第１トランジスタの第２端子が、前記電流電圧変換部に接続され、
前記第２トランジスタの第１端子が、前記第２電源の基準電位に接続され、
前記第２トランジスタの第２端子が、前記第１電源の基準電位に接続されている、請求項１に記載の電源回路。
前記電流電圧変換部が、前記第１電源の基準電位と前記第１トランジスタの第２端子との間に接続されている第２抵抗を含み、
前記第１抵抗の抵抗値をＲ１、前記第２抵抗の抵抗値をＲ２、前記第２電源の基準電位に対する正側電源電圧をＶ２とすると、Ｖ２・Ｒ２／Ｒ１の電圧が前記スイッチングコントローラの前記帰還入力端子に供給され、
前記スイッチングコントローラが、前記帰還入力端子に供給される電圧が所定電圧になるように前記スイッチ素子をオンオフ制御する、請求項２に記載の電源回路。
前記カレントミラー回路が、前記第１抵抗と前記第１トランジスタの第１端子との間に接続された定電圧素子をさらに含む、請求項２に記載の電源回路。