JP5417898B2 - Switching power supply - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチング回路および整流回路を備えたスイッチング電源装置に関する。   The present invention relates to a switching power supply device including a switching circuit and a rectifier circuit.

従来より、スイッチング電源装置として種々のDC−DCコンバータが提案され、実用に供されている。その多くは、電力変換トランス(変圧素子)の1次側巻線に接続されたスイッチング回路のスイッチング動作により直流入力電圧をスイッチングし、スイッチング出力を電力変換トランスの2次側巻線に取り出す方式である。スイッチング回路のスイッチング動作に伴い、2次側巻線に現れる電圧は、整流回路によって整流された後、平滑回路によって直流に変換されて出力される。   Conventionally, various DC-DC converters have been proposed as switching power supply devices and put into practical use. Most of them use a switching circuit connected to the primary winding of the power conversion transformer (transformer element) to switch the DC input voltage and extract the switching output to the secondary winding of the power conversion transformer. is there. With the switching operation of the switching circuit, the voltage appearing in the secondary winding is rectified by the rectifier circuit, then converted to direct current by the smoothing circuit and output.

この種のスイッチング電源装置では、一般に、整流回路の導通損失等による効率低下を低減するため、整流回路においていわゆる同期整流動作を行うようになっている。この同期整流動作とは、FET(Field Effect Transistor)からなる整流素子における整流動作時に、FETがオン状態となるように制御する動作のことである。   In this type of switching power supply device, in general, so-called synchronous rectification operation is performed in the rectifier circuit in order to reduce efficiency reduction due to conduction loss of the rectifier circuit. This synchronous rectification operation is an operation for controlling the FET to be in an ON state during the rectification operation in the rectification element made of FET (Field Effect Transistor).

また、例えば特許文献1には、出力側の負荷の大きさに応じて、整流素子のみによる整流動作と上記同期整流動作とを切り換える(整流モードの切り換えを行う)ようにしたスイッチング電源装置が提案されている。   Further, for example, Patent Document 1 proposes a switching power supply device that switches between a rectifying operation using only a rectifying element and the synchronous rectifying operation (switching a rectifying mode) according to the size of a load on the output side. Has been.

特開2002−252971号公報JP 2002-252971 A

ここで、上記特許文献1では、電源装置内の入力電流または出力電流を検出すると共に、その検出信号を用いて整流モードの切り換えを行うようになっている。ところが、入力電圧が変動した場合、検出対象の入力電流や出力電流における電流波形のピーク値やデューティも変動する。このため、整流モードの切り換えの判定を行うコンパレータの基準電位(一定)に対してこれら電流検出値が大きく変動することになり、整流モードの切換点も大きく変動してしまうことになる。   Here, in Patent Document 1, an input current or an output current in the power supply device is detected, and the rectification mode is switched using the detection signal. However, when the input voltage varies, the peak value and duty of the current waveform in the input current and output current to be detected also vary. For this reason, these current detection values greatly fluctuate with respect to the reference potential (constant) of the comparator that determines whether to switch the rectifying mode, and the switching point of the rectifying mode also fluctuates greatly.

すなわち、従来のスイッチング電源装置では、入力電圧が変動する場合に、整流モードの切換点が大きく変動してしまうため、入力電圧の変動範囲において、切換点を十分には軽負荷側に設定することができなかった。これは、軽負荷時において同期整流動作を行う場合、出力電流が整流回路側へ逆流したときに電力損失が生じて効率が低下してしまうことがあるため、切換点が大きく変動する場合にはあまり軽負荷側まで同期整流動作を利用できないからである。したがって、従来は、整流素子のみによる整流動作と比べてより高効率である同期整流動作を、十分に軽負荷側まで使用することができなかったため、軽負荷時の効率の更なる向上が望まれていた。   That is, in the conventional switching power supply device, when the input voltage fluctuates, the switching point of the rectification mode fluctuates greatly. Therefore, the switching point should be set sufficiently on the light load side in the fluctuation range of the input voltage. I could not. This is because when synchronous rectification operation is performed at light load, power loss may occur when the output current flows backward to the rectifier circuit side, resulting in reduced efficiency. This is because the synchronous rectification operation cannot be used up to the light load side. Therefore, in the past, the synchronous rectification operation, which is more efficient than the rectification operation using only the rectifier element, could not be used sufficiently to the light load side, so further improvement in the efficiency at the light load is desired. It was.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、従来と比べて特に軽負荷時の効率を向上させることが可能なスイッチング電源装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a switching power supply device capable of improving the efficiency particularly at a light load as compared with the conventional art.

本発明の第1のスイッチング電源装置は、入力端子対から入力される入力電圧に基づいて電圧変換を行うことにより出力電圧を生成し、出力端子対から出力すると共に、出力電圧が入力電圧よりも低くなるように設定された降圧型のスイッチング電源装置であって、入力端子対側に配置されたスイッチング回路と、このスイッチング回路と出力端子対との間に配置されると共に、複数の整流素子とこれら複数の整流素子にそれぞれ並列接続されたスイッチング素子とを有する整流回路と、スイッチング回路と整流回路との間に配置されたトランスと、入力端子対側を流れる、高圧側に対応する入力電流を検出する電流検出部と、高圧側に対応する入力電圧を検出する電圧検出部と、出力端子対側の負荷が小さい軽負荷時には、整流素子のみを用いて整流動作を行う第1の整流モードとなると共に、軽負荷時よりも負荷が大きい重負荷時には、整流素子とスイッチング素子とを用いて同期整流動作を行う第2の整流モードとなるように、整流回路における整流モードを切り換える切換部とを備えたものである。また、この切換部は、電流検出部により検出された電流検出信号と電圧検出部により検出された電圧検出信号との合成信号に基づいてスイッチング素子のオン・オフ状態を制御することにより、入力電圧の変動に起因した整流モードの切換点の変動を抑制しつつ整流モードの切り換えを行うようになっている。 The first switching power supply device of the present invention generates an output voltage by performing voltage conversion based on an input voltage input from the input terminal pair, outputs the output voltage from the output terminal pair , and the output voltage is higher than the input voltage. A step-down switching power supply device that is set to be low, a switching circuit disposed on the input terminal pair side, and disposed between the switching circuit and the output terminal pair, and a plurality of rectifying elements A rectifier circuit having a switching element connected in parallel to each of the plurality of rectifier elements, a transformer disposed between the switching circuit and the rectifier circuit, and an input current corresponding to the high voltage side flowing through the input terminal pair side. a current detection unit that detects a voltage detection unit for detecting an input voltage corresponding to the high pressure side, at the time of light load the output terminal pair side is small load, only the rectifying elements And the first rectification mode for performing the rectification operation, and the second rectification mode for performing the synchronous rectification operation using the rectification element and the switching element at the time of heavy load where the load is larger than that at the time of light load. And a switching unit that switches a rectification mode in the rectifier circuit. Further, the switching unit, by controlling the on and off states of the switching elements on the basis of the composite signal with the voltage detection signal detected by the current detection signal and the voltage detection unit detected by the current detection unit, the input voltage The switching of the rectification mode is performed while suppressing the fluctuation of the switching point of the rectification mode due to the fluctuation of the current.

本発明の第1のスイッチング電源装置では、入力端子対から入力した入力電圧がスイッチング回路においてスイッチングされ、交流電圧が生成される。また、この交流電圧(入力交流電圧)がトランスにより変圧され、出力交流電圧が生成される。そして、この出力交流電圧が整流回路によって整流され、出力端子対から出力電圧が出力される。このとき、高圧側に対応する入力電流が検出されて電流検出信号が得られると共に、高圧側に対応する入力電圧が検出されて電圧検出信号が得られる。また、上記軽負荷時には、整流素子のみを用いて整流動作を行う第1の整流モードとなると共に、上記重負荷時には、整流素子とスイッチング素子とを用いて同期整流動作を行う第2の整流モードとなるように、整流回路における整流モードが切り換えられる。ここで、上記電流検出信号と上記電圧検出信号との合成信号に基づいて整流回路内のスイッチング素子のオン・オフ状態が制御されることにより、入力電圧の変動に起因した整流モードの切換点の変動が抑制されつつ、整流モードの切り換えが行われる。このため、入力電圧が変動する場合に、整流モードの切換点の変動が従来よりも抑えられる(好ましくは、切換点が常に一定となる)。したがって、従来と比べて切換点をより軽負荷側に設定することができ、上記第1の整流モードよりも高効率である上記第2の整流モードを、より軽負荷側まで使用することができるようになる。また、高圧側で入力電流および入力電圧を検出しているため、低圧側で検出する場合と比べて電力損失が抑えられ、効率がさらに向上する。 In the first switching power supply device of the present invention, the input voltage input from the input terminal pair is switched in the switching circuit, and an alternating voltage is generated. Further, this AC voltage (input AC voltage) is transformed by a transformer to generate an output AC voltage. The output AC voltage is rectified by a rectifier circuit, and an output voltage is output from the output terminal pair. At this time, an input current corresponding to the high voltage side is detected to obtain a current detection signal, and an input voltage corresponding to the high voltage side is detected to obtain a voltage detection signal. In the light load, the first rectification mode in which the rectification operation is performed using only the rectification element is set, and in the heavy load, the second rectification mode in which the synchronous rectification operation is performed using the rectification element and the switching element. Thus, the rectification mode in the rectifier circuit is switched. Here, the ON / OFF state of the switching element in the rectifier circuit is controlled based on the combined signal of the current detection signal and the voltage detection signal, so that the switching point of the rectification mode due to the fluctuation of the input voltage is controlled . Switching of the rectification mode is performed while the fluctuation is suppressed . For this reason, when the input voltage fluctuates, fluctuation of the switching point of the rectification mode is suppressed more than before (preferably, the switching point is always constant). Therefore, the switching point can be set on the light load side as compared with the conventional case, and the second rectification mode having higher efficiency than the first rectification mode can be used up to the light load side. It becomes like this. Further, since the input current and the input voltage are detected on the high voltage side, the power loss is suppressed as compared with the case of detecting on the low voltage side, and the efficiency is further improved.

本発明の第1のスイッチング電源装置では、上記切換部が、合成信号を生成する際の電流検出信号と電圧検出信号との重み付けを調整するための抵抗器を有するようにするのが好ましい。このように構成した場合、そのような重み付けの調整により、整流モードの切換点の調整が容易となる。したがって、設計も容易となるため、設計の自由度が向上する。   In the first switching power supply device of the present invention, it is preferable that the switching unit includes a resistor for adjusting the weighting of the current detection signal and the voltage detection signal when generating the composite signal. In such a configuration, adjustment of the switching point of the rectification mode is facilitated by such weighting adjustment. Accordingly, the design is facilitated, and the degree of freedom in design is improved.

本発明の第1のスイッチング電源装置では、上記切換部が、電流検出信号および電圧検出信号に含まれる脈流を平滑化する平滑回路を有すると共に、この平滑回路が、整流ダイオードと平滑コンデンサとを含むピークホールド回路を用いて構成されているようにするのが好ましい。このように構成した場合、負荷の変動に応じた合成信号の変動が低減されるため、整流モードの切換点の変動がさらに抑えられ、切換点をさらに軽負荷側に設定することができる。   In the first switching power supply device of the present invention, the switching unit includes a smoothing circuit that smoothes the pulsating current included in the current detection signal and the voltage detection signal, and the smoothing circuit includes a rectifier diode and a smoothing capacitor. It is preferable to use a peak hold circuit including this. When configured in this way, fluctuations in the composite signal according to fluctuations in the load are reduced, so that fluctuations in the switching point of the rectification mode can be further suppressed, and the switching point can be set to the light load side.

本発明の第1のスイッチング電源装置では、整流モードの切り換えの際の閾値が、負荷の増加傾向時と減少傾向時とで互いに異なる値となっているようにするのが好ましい。このように構成した場合、切換点付近において整流モードが頻繁に切り換わってしまうのが回避されるため、それに起因したスイッチングノイズの発生が抑えられる。   In the first switching power supply device of the present invention, it is preferable that the threshold value at the time of switching the rectification mode is a value different between when the load tends to increase and when the load tends to decrease. When configured in this way, frequent switching of the rectification mode in the vicinity of the switching point is avoided, and the occurrence of switching noise due to the switching is suppressed.

本発明の第1のスイッチング電源装置では、直流入力電圧に基づいて直流出力電圧を生成するDC/DCコンバータとして機能するように構成することが可能である。   The first switching power supply device of the present invention can be configured to function as a DC / DC converter that generates a DC output voltage based on a DC input voltage.

本発明の第2のスイッチング電源装置は、第1および第2の入出力端子対のうちの一方の入出力端子対から入力される入力電圧に基づいて電圧変換を行うことにより出力電圧を生成し、他方の入出力端子対から出力するものであって、第1の入出力端子対側に配置されると共に、複数の第1の整流素子と、これら複数の第1の整流素子にそれぞれ並列接続された第1のスイッチング素子とを有する第1の回路と、この第1の回路と第2の入出力端子対との間に配置されると共に、複数の第2の整流素子とこれら複数の第2の整流素子にそれぞれ並列接続された第2のスイッチング素子とを有する第2の回路と、一方の入出力端子対側を流れる入力電流または他方の入出力端子対側を流れる出力電流を検出する電流検出部と、入力電圧または出力電圧を検出する電圧検出部と、他方の入出力端子対側の負荷が小さい軽負荷時には、第1または第2の整流素子のみを用いて整流動作を行う第1の整流モードとなると共に、軽負荷時よりも負荷が大きい重負荷時には、第1または第2の整流素子と第1または第2のスイッチング素子とを用いて同期整流動作を行う第2の整流モードとなるように、第1または第2の回路における整流モードを切り換える切換部とを備えたものである。また、この切換部は、電流検出部により検出された電流検出信号と電圧検出部により検出された電圧検出信号との合成信号に基づいて第1または第2のスイッチング素子のオン・オフ状態を制御することにより、整流モードの切り換えを行うようになっている。なお、この場合において、上記切換部が、第1の入出力端子対から入力される入力電圧に基づいて第2の入出力端子対から出力電圧を出力する動作時と、第2の入出力端子対から入力される入力電圧に基づいて第1の入出力端子対から出力電圧を出力する動作時と、のうちの一方の動作時のみにおいて、整流モードの切換を行うようにしてもよい。   The second switching power supply of the present invention generates an output voltage by performing voltage conversion based on an input voltage input from one of the first and second input / output terminal pairs. Output from the other input / output terminal pair, arranged on the first input / output terminal pair side, and connected in parallel to the plurality of first rectifier elements and the plurality of first rectifier elements, respectively. A first circuit having a first switching element formed between the first circuit and the second input / output terminal pair, and a plurality of second rectifying elements and the plurality of second switching elements. A second circuit having a second switching element connected in parallel to each of the two rectifier elements, and an input current flowing through one input / output terminal pair side or an output current flowing through the other input / output terminal pair side is detected. Current detector and input voltage or output When the load on the other input / output terminal pair side is light and the load is small, the first rectification mode in which the rectification operation is performed using only the first or second rectifier element is set, and the light detection is performed. In a heavy load where the load is larger than the load, the first or second rectification mode is performed using the first or second rectifying element and the first or second switching element, so that the first or second rectification mode is performed. And a switching unit that switches the rectification mode in the second circuit. The switching unit controls the on / off state of the first or second switching element based on a combined signal of the current detection signal detected by the current detection unit and the voltage detection signal detected by the voltage detection unit. By doing so, the rectification mode is switched. In this case, the switching unit operates when the output voltage is output from the second input / output terminal pair based on the input voltage input from the first input / output terminal pair, and the second input / output terminal. The rectification mode may be switched only during the operation of outputting the output voltage from the first input / output terminal pair based on the input voltage input from the pair and during one of the operations.

本発明の第2のスイッチング電源装置では、順方向動作時には、第1の入出力端子対から入力電圧が入力され、インバータ回路として機能する第1の回路内の第1のスイッチング素子によって、交流電圧が生成される。そして、この交流電圧に基づく交流電圧が、整流回路として機能する第2の回路において整流され、第2の入出力端子対から出力電圧が出力される。一方、逆方向動作時には、第2の入出力端子対から入力電圧が入力され、インバータ回路として機能する第2の回路内の第2のスイッチング素子によって、交流電圧が生成される。そして、この交流電圧に基づく交流電圧が、整流回路として機能する第1の回路において整流され、第1の入出力端子対から出力電圧が出力される。このとき、上記入力電流または上記出力電流が検出されて電流検出信号が得られると共に、上記入力電圧または上記出力電圧が検出されて電圧検出信号が得られる。また、上記軽負荷時には、第1または第2の整流素子のみを用いて整流動作を行う第1の整流モードとなると共に、上記重負荷時には、第1または第2の整流素子と第1または第2のスイッチング素子とを用いて同期整流動作を行う第2の整流モードとなるように、整流回路として機能する第1または第2の回路における整流モードが切り換えられる。ここで、上記電流検出信号と上記電圧検出信号との合成信号に基づいて第1または第2のスイッチング素子のオン・オフ状態が制御されることにより、上記整流モードの切り換えが行われるため、入力電圧や出力電圧が変動する場合に、整流モードの切換点の変動が従来よりも抑えられる(好ましくは、切換点が常に一定となる)。したがって、従来と比べて切換点をより軽負荷側に設定することができ、上記第1の整流モードよりも高効率である上記第2の整流モードを、より軽負荷側まで使用することができるようになる。   In the second switching power supply device of the present invention, during forward operation, an input voltage is input from the first input / output terminal pair, and the first switching element in the first circuit functioning as an inverter circuit causes an AC voltage to be input. Is generated. Then, the AC voltage based on the AC voltage is rectified in the second circuit functioning as a rectifier circuit, and an output voltage is output from the second input / output terminal pair. On the other hand, during reverse operation, an input voltage is input from the second input / output terminal pair, and an alternating voltage is generated by the second switching element in the second circuit that functions as an inverter circuit. Then, the AC voltage based on the AC voltage is rectified in the first circuit functioning as a rectifier circuit, and an output voltage is output from the first input / output terminal pair. At this time, the input current or the output current is detected to obtain a current detection signal, and the input voltage or the output voltage is detected to obtain a voltage detection signal. At the time of the light load, the first rectification mode in which the rectification operation is performed using only the first or second rectification element is set, and at the time of the heavy load, the first or second rectification element and the first or second rectification element are set. The rectification mode in the first or second circuit functioning as a rectifier circuit is switched so that the second rectification mode in which the synchronous rectification operation is performed using the two switching elements. Here, since the on / off state of the first or second switching element is controlled based on the combined signal of the current detection signal and the voltage detection signal, the rectification mode is switched. When the voltage or the output voltage fluctuates, the fluctuation of the switching point of the rectification mode is suppressed as compared with the conventional case (preferably, the switching point is always constant). Therefore, the switching point can be set on the light load side as compared with the conventional case, and the second rectification mode having higher efficiency than the first rectification mode can be used up to the light load side. It becomes like this.

本発明のスイッチング電源装置によれば、電流検出信号と電圧検出信号との合成信号に基づいて整流回路(第1または第2の回路)内のスイッチング素子のオン・オフ状態を制御することによって、整流モードの切り換えを行うようにしたので、従来と比べて整流モードの切換点を、より軽負荷側に設定することができる。よって、高効率である上記第2の整流モードをより軽負荷側まで使用することができ、従来と比べて特に軽負荷時の効率を向上させることが可能となる。   According to the switching power supply device of the present invention, by controlling the on / off state of the switching element in the rectifier circuit (first or second circuit) based on the combined signal of the current detection signal and the voltage detection signal, Since switching of the rectification mode is performed, the switching point of the rectification mode can be set on the light load side as compared with the conventional case. Therefore, the second rectification mode having high efficiency can be used up to the light load side, and the efficiency at the time of light load can be improved as compared with the conventional case.

本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。It is a circuit diagram showing the structure of the switching power supply device which concerns on one embodiment of this invention. 図1に示したスイッチング電源装置における軽負荷時の基本動作について説明するための回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a basic operation at a light load in the switching power supply device shown in FIG. 1. 図1に示したスイッチング電源装置における軽負荷時の基本動作について説明するための回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a basic operation at a light load in the switching power supply device shown in FIG. 1. 図1に示したスイッチング電源装置における重負荷時の基本動作について説明するための回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a basic operation at a heavy load in the switching power supply device shown in FIG. 1. 図1に示したスイッチング電源装置における重負荷時の基本動作について説明するための回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram for explaining a basic operation at a heavy load in the switching power supply device shown in FIG. 1. 比較例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。It is a circuit diagram showing the structure of the switching power supply device which concerns on a comparative example. 図6に示したスイッチング電源装置における出力電流と効率との関係の一例を表す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram illustrating an example of a relationship between output current and efficiency in the switching power supply device illustrated in FIG. 6. 図1に示した切換部による入力電流および入力電圧の検出信号の合成処理の一例について説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating an example of the synthetic | combination process of the detection signal of the input current and input voltage by the switching part shown in FIG. 図1に示したスイッチング電源装置における出力電流と効率との関係の一例を表す特性図である。It is a characteristic view showing an example of the relationship between the output current and efficiency in the switching power supply device shown in FIG. 比較例および実施の形態に係る軽負荷時の効率の一例を対比して表す特性図である。It is a characteristic view which compares and shows an example of the efficiency at the time of the light load which concerns on a comparative example and embodiment. 本発明の変形例1に係る平滑回路の構成を表す回路図である。It is a circuit diagram showing the structure of the smoothing circuit which concerns on the modification 1 of this invention. 図11に示した平滑回路を用いた場合の入力電流および入力電圧の検出信号の合成処理の一例について説明するための特性図である。FIG. 12 is a characteristic diagram for explaining an example of a synthesis process of detection signals of input current and input voltage when the smoothing circuit shown in FIG. 11 is used. 本発明の変形例2に係る整流モードの切換動作について説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating switching operation | movement of the rectification mode which concerns on the modification 2 of this invention. 図13に示した切換動作を行う切換部の構成例を表す回路図である。It is a circuit diagram showing the structural example of the switching part which performs the switching operation | movement shown in FIG. 本発明の変形例3に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。It is a circuit diagram showing the structure of the switching power supply device which concerns on the modification 3 of this invention. 図15に示したスイッチング電源装置における逆方向動作について説明するための回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram for explaining a reverse operation in the switching power supply device shown in FIG. 15. 図15に示したスイッチング電源装置における逆方向動作について説明するための回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram for explaining a reverse operation in the switching power supply device shown in FIG. 15. 図15に示したスイッチング電源装置における逆方向動作について説明するための回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram for explaining a reverse operation in the switching power supply device shown in FIG. 15.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(スイッチング電源装置の全体構成例)
図1は、本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置1)の回路構成を表すものである。スイッチング電源装置1は、例えば自動車などに適用される降圧型のDC/DCコンバータとして機能するものであり、高圧バッテリ10側の入力端子T1,T2から入力される直流の入力電圧Vinを電圧変換する(降圧する)ことにより、直流の出力電圧Voutを生成すると共に、この出力電圧Voutを出力端子T3,T4を介して低圧バッテリ90へ供給するようになっている。このスイッチング電源装置1は、入力平滑コンデンサCinと、電圧検出回路21と、電流検出回路22と、スイッチング回路3と、共振用インダクタLrと、トランス4と、整流回路5と、平滑回路6と、制御部71と、トランス72と、SW駆動部73と、切換部8とを備えている。
(Example of overall configuration of switching power supply)
FIG. 1 shows a circuit configuration of a switching power supply device (switching power supply device 1) according to an embodiment of the present invention. The switching power supply device 1 functions as a step-down DC / DC converter applied to, for example, an automobile, and converts the DC input voltage Vin input from the input terminals T1 and T2 on the high voltage battery 10 side. (Step-down) generates a DC output voltage Vout, and supplies the output voltage Vout to the low-voltage battery 90 via the output terminals T3 and T4. The switching power supply device 1 includes an input smoothing capacitor Cin, a voltage detection circuit 21, a current detection circuit 22, a switching circuit 3, a resonance inductor Lr, a transformer 4, a rectifier circuit 5, a smoothing circuit 6, A control unit 71, a transformer 72, a SW drive unit 73, and a switching unit 8 are provided.

なお、高圧バッテリ10は、100Vから500V程度の電圧を蓄電するバッテリである。一方、低圧バッテリ90は、12V程度の電圧を蓄電するバッテリである。   The high voltage battery 10 is a battery that stores a voltage of about 100V to 500V. On the other hand, the low voltage battery 90 is a battery that stores a voltage of about 12V.

入力平滑コンデンサCinは、入力端子T1,T2から入力された直流の入力電圧Vinを平滑化するためのものである。   The input smoothing capacitor Cin is for smoothing the DC input voltage Vin input from the input terminals T1 and T2.

電圧検出回路21は、入力端子T1,T2に接続された1次側高圧ラインL1Hと1次側低圧ラインL1Lとの間に配置されており、両端間の入力電圧Vinを検出すると共に、この検出した入力電圧Vinに対応する検出信号S(Vin1)を切換部8内へ出力するものである。このような電圧検出回路21の具体的な回路構成としては、例えば、1次側高圧ラインL1Hと1次側低圧ラインL1Lとの間に配置された分圧抵抗(図示せず)によって電圧を検出し、これに応じた電圧を生成するものなどが挙げられる。   The voltage detection circuit 21 is disposed between the primary high-voltage line L1H and the primary low-voltage line L1L connected to the input terminals T1 and T2, and detects the input voltage Vin between both ends and detects this. The detection signal S (Vin1) corresponding to the input voltage Vin is output to the switching unit 8. As a specific circuit configuration of such a voltage detection circuit 21, for example, a voltage is detected by a voltage dividing resistor (not shown) disposed between the primary high-voltage line L1H and the primary low-voltage line L1L. In addition, a device that generates a voltage corresponding to this can be used.

電流検出回路22は、1次側高圧ラインL1H上において、電圧検出回路21とスイッチング回路3との間に配置されており、この1次側高圧ラインL1H上を流れる入力電流Iinを検出すると共に、この検出した入力電流Iinに対応する検出信号S(Iin1)を切換部8内へ出力するものである。このような電流検出回路22の具体的な回路構成としては、例えばカレントトランスを含んだものが挙げられる。   The current detection circuit 22 is disposed between the voltage detection circuit 21 and the switching circuit 3 on the primary side high voltage line L1H, and detects the input current Iin flowing on the primary side high voltage line L1H. A detection signal S (Iin1) corresponding to the detected input current Iin is output into the switching unit 8. A specific circuit configuration of such a current detection circuit 22 includes, for example, a circuit including a current transformer.

スイッチング回路3は、スイッチング素子SW1〜SW4を有しており、フルブリッジ型のインバータ回路を構成している。これらスイッチング素子SW1〜SW4はそれぞれ、例えば電界効果型トランジスタ(MOS−FET;Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor)や、バイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などにより構成される。ここでは、スイッチング素子SW1〜SW4はそれぞれ、NチャネルのMOS−FETにより構成されている。ここで、スイッチング素子SW1のゲートはSW制御信号S1の信号ラインに接続され、ソースがスイッチング素子SW2のドレインに接続され、ドレインが1次側高圧ラインL1Hに接続されている。また、スイッチング素子SW2のゲートはSW制御信号S2の信号ラインに接続され、ソースが1次側低圧ラインL1Lに接続され、ドレインがスイッチング素子SW1のソースに接続されている。また、スイッチング素子SW3のゲートはSW制御信号S3の信号ラインに接続され、ソースがスイッチング素子SW4のドレインに接続され、ドレインが1次側高圧ラインL1Hに接続されている。また、スイッチング素子SW4のゲートはSW制御信号S4の信号ラインに接続され、ソースが1次側低圧ラインL1Lに接続され、ドレインがスイッチング素子SW3のソースに接続されている。また、スイッチング素子SW3のソースは、後述する共振用インダクタLrを介して後述するトランス4内の1次側巻線41の一端に接続されている。また、スイッチング素子SW1のソースは、この1次側巻線41の他端に接続されている。スイッチング回路3はこのような構成により、後述するSW駆動部73から供給されるSW制御信号S1〜S4に応じて、直流の入力電圧Vinを入力交流電圧に変換するようになっている。なお、これらのSW制御信号S1〜S4はそれぞれ、パルス幅変調(PWM;Pulse Width Modulation)によるスイッチング駆動を行うための制御信号である。   The switching circuit 3 includes switching elements SW1 to SW4 and constitutes a full bridge type inverter circuit. Each of the switching elements SW1 to SW4 is configured by, for example, a field effect transistor (MOS-FET), a bipolar transistor, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), or the like. Here, each of the switching elements SW1 to SW4 is configured by an N-channel MOS-FET. Here, the gate of the switching element SW1 is connected to the signal line of the SW control signal S1, the source is connected to the drain of the switching element SW2, and the drain is connected to the primary high voltage line L1H. The gate of the switching element SW2 is connected to the signal line of the SW control signal S2, the source is connected to the primary side low-voltage line L1L, and the drain is connected to the source of the switching element SW1. The gate of the switching element SW3 is connected to the signal line of the SW control signal S3, the source is connected to the drain of the switching element SW4, and the drain is connected to the primary high-voltage line L1H. The gate of the switching element SW4 is connected to the signal line of the SW control signal S4, the source is connected to the primary side low-voltage line L1L, and the drain is connected to the source of the switching element SW3. The source of the switching element SW3 is connected to one end of a primary winding 41 in the transformer 4 described later via a resonance inductor Lr described later. The source of the switching element SW1 is connected to the other end of the primary winding 41. With such a configuration, the switching circuit 3 converts the DC input voltage Vin into an input AC voltage in accordance with SW control signals S1 to S4 supplied from the SW drive unit 73 described later. Each of the SW control signals S1 to S4 is a control signal for performing switching driving by pulse width modulation (PWM).

共振用インダクタLrは、スイッチング素子SW1のソースと上記した1次側巻線41との間に配置されており、スイッチング素子SW1〜SW4内の寄生容量素子と共に所定のLC共振回路を構成するためのものである。   The resonance inductor Lr is disposed between the source of the switching element SW1 and the primary winding 41 described above, and constitutes a predetermined LC resonance circuit together with the parasitic capacitance elements in the switching elements SW1 to SW4. Is.

トランス4は、磁芯40と、互いに絶縁された1次側巻線41および2次側巻線421,422を有している。このうち、一対の2次側巻線421,422の一端同士はセンタタップCTで互いに接続され、このセンタタップCTからの配線が出力ラインLOに導かれている。このトランス4は、スイッチング回路3によって生成された入力交流電圧を変圧し、一対の2次側巻線421,422の各端部(センタタップCTとは反対側の端部)から、互いに180度位相が異なる出力交流電圧を出力するようになっている。なお、この場合の変圧の度合いは、1次側巻線41と2次側巻線421,422との巻数比によって定まる。   The transformer 4 has a magnetic core 40, and a primary side winding 41 and secondary side windings 421 and 422 that are insulated from each other. Among these, one ends of the pair of secondary windings 421 and 422 are connected to each other by a center tap CT, and wiring from the center tap CT is led to the output line LO. The transformer 4 transforms an input AC voltage generated by the switching circuit 3 and is 180 degrees from each end (end opposite to the center tap CT) of the pair of secondary windings 421 and 422. Output AC voltages with different phases are output. Note that the degree of transformation in this case is determined by the turn ratio between the primary winding 41 and the secondary windings 421 and 422.

整流回路5は、一対の整流ダイオードD51,D52(例えば、スイッチング素子S51,S52の寄生ダイオード)と、これら整流ダイオードD51,D52に並列接続されたスイッチング素子SW51,SW52からなる単相全波整流型のものである。スイッチング素子SW51,SW52はそれぞれ、例えばMOS−FETや、バイポーラトランジスタ、IGBTなどにより構成される。ここでは、スイッチング素子SW51,SW52はそれぞれ、NチャネルのMOS−FETにより構成されている。スイッチング素子SW51のゲートはSW制御信号S51の信号ラインに接続され、ソースは接地ラインLGに接続され、ドレインが2次側巻線421の他端に接続されている。スイッチング素子SW52のゲートはSW制御信号S52の信号ラインに接続され、ソースは接地ラインLGに接続され、ドレインが2次側巻線422の他端に接続されている。なお、これらのSW制御信号S51,S52はそれぞれ、PWMによるスイッチング駆動を行うための制御信号である。一方、整流ダイオードD51のカソードは2次側巻線421の他端に接続され、整流ダイオードD52のカソードは2次側巻線422の他端に接続されている。また、これら整流ダイオードD51,D52のアノード同士は互いに接続され、接地ラインLGに導かれている。つまり、この整流回路5はセンタタップ型のアノードコモン接続の構成となっており、トランス4からの出力交流電圧の各半波期間を、それぞれ整流ダイオードD51,D52によって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。   The rectifier circuit 5 includes a pair of rectifier diodes D51 and D52 (for example, parasitic diodes of the switching elements S51 and S52) and switching elements SW51 and SW52 connected in parallel to the rectifier diodes D51 and D52. belongs to. Each of the switching elements SW51 and SW52 is configured by, for example, a MOS-FET, a bipolar transistor, an IGBT, or the like. Here, each of the switching elements SW51 and SW52 is configured by an N-channel MOS-FET. The gate of the switching element SW51 is connected to the signal line of the SW control signal S51, the source is connected to the ground line LG, and the drain is connected to the other end of the secondary winding 421. The gate of the switching element SW52 is connected to the signal line of the SW control signal S52, the source is connected to the ground line LG, and the drain is connected to the other end of the secondary winding 422. The SW control signals S51 and S52 are control signals for performing switching driving by PWM. On the other hand, the cathode of the rectifier diode D51 is connected to the other end of the secondary winding 421, and the cathode of the rectifier diode D52 is connected to the other end of the secondary winding 422. The anodes of the rectifier diodes D51 and D52 are connected to each other and led to the ground line LG. In other words, the rectifier circuit 5 has a center tap type anode common connection configuration, and each half-wave period of the output AC voltage from the transformer 4 is individually rectified by the rectifier diodes D51 and D52 to generate a DC voltage. To get.

平滑回路6は、チョークコイル61と出力平滑コンデンサ62とを有している。チョークコイル61は出力ラインLOに挿入配置されており、一端はセンタタップCTに接続され、他端は出力ラインLOの出力端子T3に接続されている。出力平滑コンデンサ62は、出力ラインLOと接地ラインLGとの間に接続されている。接地ラインLGの端部には、出力端子T4が設けられている。このような構成により平滑回路6では、整流回路5で整流された直流電圧を平滑化して直流の出力電圧Voutを生成し、これを出力端子T3,T4から低圧バッテリ90に給電するようになっている。   The smoothing circuit 6 has a choke coil 61 and an output smoothing capacitor 62. The choke coil 61 is inserted into the output line LO, one end is connected to the center tap CT, and the other end is connected to the output terminal T3 of the output line LO. The output smoothing capacitor 62 is connected between the output line LO and the ground line LG. An output terminal T4 is provided at the end of the ground line LG. With such a configuration, the smoothing circuit 6 smoothes the DC voltage rectified by the rectifier circuit 5 to generate a DC output voltage Vout, and supplies this to the low voltage battery 90 from the output terminals T3 and T4. Yes.

制御部71は、出力電圧Voutに対応する検出信号S(Vout)に基づいて、この出力電圧Voutが一定値を保つこととなるように、SW制御信号S1〜S4の基となるSW制御信号S0を、トランス72を介してSW駆動部73へ供給すると共に、SW制御信号S51,S52の基となるSW制御信号S50を後述する切換部8内のSW駆動部86へ供給するものである。   Based on the detection signal S (Vout) corresponding to the output voltage Vout, the controller 71 controls the SW control signal S0 that is the basis of the SW control signals S1 to S4 so that the output voltage Vout maintains a constant value. Is supplied to the SW drive unit 73 via the transformer 72, and the SW control signal S50 that is the basis of the SW control signals S51 and S52 is supplied to the SW drive unit 86 in the switching unit 8 described later.

SW駆動部73は、トランス72を介して入力されたSW制御信号S0に基づいて、前述したSW制御信号S1〜S4を生成し、スイッチング素子SW1〜SW4へ供給するものである。   The SW drive unit 73 generates the aforementioned SW control signals S1 to S4 based on the SW control signal S0 input via the transformer 72, and supplies the generated SW control signals S1 to S4 to the switching elements SW1 to SW4.

切換部8は、トランス811,812と、平滑回路821,822と、バッファ831,832と、抵抗器R81,R82と、リファレンス電源84と、比較器(コンパレータ)85と、SW駆動部86とを有している。この切換部8は、電流検出回路22により検出された検出信号S(Iin1)と、電圧検出回路21により検出された検出信号S(Vin1)とに基づいて、整流回路5における整流モードの切換動作を行うものである。具体的には、出力端子T3,T4の負荷(図示せず)が小さい軽負荷時には、整流ダイオードD51,D52のみを用いて整流動作を行う第1の整流モードとなると共に、上記軽負荷時よりも負荷が大きい重負荷時には、整流ダイオードD51,D52とスイッチング素子SW51,SW52とを用いて同期整流動作を行う第2の整流モードとなるように、整流回路5における整流モードを切り換えるようになっている。なお、このような整流モードの切換動作の詳細については、後述する。   The switching unit 8 includes transformers 811 and 812, smoothing circuits 821 and 822, buffers 831 and 832, resistors R81 and R82, a reference power supply 84, a comparator (comparator) 85, and a SW drive unit 86. Have. The switching unit 8 switches the rectification mode in the rectifier circuit 5 based on the detection signal S (Iin1) detected by the current detection circuit 22 and the detection signal S (Vin1) detected by the voltage detection circuit 21. Is to do. Specifically, when the load (not shown) of the output terminals T3 and T4 is small, the first rectification mode in which the rectification operation is performed using only the rectification diodes D51 and D52 is set, and the above-described light load is achieved. When the load is heavy and heavy, the rectification mode in the rectifier circuit 5 is switched so that the second rectification mode in which the synchronous rectification operation is performed using the rectifier diodes D51 and D52 and the switching elements SW51 and SW52. Yes. Details of the switching operation of the rectification mode will be described later.

トランス811は、電流検出回路22から供給される電流の検出信号S(Iin1)を低圧の信号に変圧して、平滑回路821へ出力するものである。また、トランス812は、電圧検出回路21から供給される電圧の検出信号S(Vin1)を低圧の信号に変圧して、平滑回路822へ出力するものである。   The transformer 811 transforms the current detection signal S (Iin1) supplied from the current detection circuit 22 into a low-voltage signal and outputs it to the smoothing circuit 821. The transformer 812 transforms the voltage detection signal S (Vin1) supplied from the voltage detection circuit 21 into a low-voltage signal and outputs it to the smoothing circuit 822.

平滑回路821は、トランス811を介して供給された検出信号S(Iin1)に含まれる脈流を平滑化するための回路である。また、平滑回路822は、トランス812を介して供給された検出信号S(Vin1)に含まれる脈流を平滑化するための回路である。これらの平滑回路821,822は、例えば、抵抗器とコンデンサとを含むLPF(ローパス・フィルタ)などにより構成される。   The smoothing circuit 821 is a circuit for smoothing the pulsating flow included in the detection signal S (Iin1) supplied via the transformer 811. The smoothing circuit 822 is a circuit for smoothing the pulsating flow included in the detection signal S (Vin1) supplied via the transformer 812. These smoothing circuits 821 and 822 are configured by, for example, an LPF (low-pass filter) including resistors and capacitors.

バッファ831は、平滑回路821から出力される検出信号S(Iin1)に対してインピーダンス変換を行うことにより、電流の検出信号S(Iin2)を出力するものである。また、バッファ832は、平滑回路822から出力される検出信号S(Vin1)に対してインピーダンス変換を行うことにより、電圧の検出信号S(Vin2)を出力するものである。   The buffer 831 outputs the current detection signal S (Iin2) by performing impedance conversion on the detection signal S (Iin1) output from the smoothing circuit 821. The buffer 832 outputs a voltage detection signal S (Vin2) by performing impedance conversion on the detection signal S (Vin1) output from the smoothing circuit 822.

抵抗器R81,R82は、バッファ831から出力される電流の検出信号S(Iin2)と、バッファ832から出力される電圧の検出信号S(Vin2)とを合成(合算)することにより、これら検出信号S(Iin2)と検出信号S(Vin2)との合成信号(合算信号)S(Iin+Vin)を生成するものである。また、これら抵抗器R81,R82の抵抗値に応じて、そのような合成信号S(Iin+Vin)を生成する際の重み付けが調整できるようになっている。すなわち、抵抗器R81の抵抗値が検出信号S(Iin2)の重み付け係数を構成すると共に、抵抗器R82の抵抗値が検出信号S(Vin2)の重み付け係数を構成するようになっている。   Resistors R81 and R82 synthesize (add) the current detection signal S (Iin2) output from the buffer 831 and the voltage detection signal S (Vin2) output from the buffer 832 to thereby detect these detection signals. A synthesized signal (summed signal) S (Iin + Vin) of S (Iin2) and detection signal S (Vin2) is generated. Further, the weighting when generating such a combined signal S (Iin + Vin) can be adjusted according to the resistance values of the resistors R81 and R82. That is, the resistance value of the resistor R81 constitutes a weighting coefficient of the detection signal S (Iin2), and the resistance value of the resistor R82 constitutes a weighting coefficient of the detection signal S (Vin2).

比較器85は、反転入力端子に対して上記合成信号S(Iin+Vin)が入力されると共に、非反転入力端子に対して、リファレンス電源(基準電源)84から供給されるリファレンス電圧(基準電圧)Vrefが供給されている。これにより、この比較器85では、リファレンス電圧Vrefと合成信号S(Iin+Vin)との電位が比較され、その比較結果に応じた値を示す出力信号Soutが出力端子から出力されるようになっている。   In the comparator 85, the combined signal S (Iin + Vin) is input to the inverting input terminal, and the reference voltage (reference voltage) Vref supplied from the reference power supply (reference power supply) 84 to the non-inverting input terminal. Is supplied. As a result, the comparator 85 compares the potentials of the reference voltage Vref and the combined signal S (Iin + Vin), and an output signal Sout indicating a value corresponding to the comparison result is output from the output terminal. .

SW駆動部86は、制御部71から供給されるSW制御信号S50と、比較器85から供給される出力信号Soutとに基づいて、SW制御信号S51,S52を生成すると共に、スイッチング素子SW51,SW52へ供給するものである。   The SW drive unit 86 generates SW control signals S51 and S52 based on the SW control signal S50 supplied from the control unit 71 and the output signal Sout supplied from the comparator 85, and the switching elements SW51 and SW52. To supply.

ここで、整流ダイオードD51,D52が、本発明における「複数の整流素子」の一具体例に対応し、スイッチング素子SW51,SW52が本発明における「スイッチング素子」の一具体例に対応する。また、電流検出回路22が本発明における「電流検出部」の一具体例に対応し、電圧検出回路21が本発明における「電圧検出部」の一具体例に対応する。また、抵抗器R81,R82が本発明における「抵抗器」の一具体例に対応し、平滑回路821,822が本発明における「平滑回路」の一具体例に対応する。   Here, the rectifier diodes D51 and D52 correspond to a specific example of “a plurality of rectifier elements” in the present invention, and the switching elements SW51 and SW52 correspond to a specific example of the “switching element” in the present invention. Further, the current detection circuit 22 corresponds to a specific example of “current detection unit” in the present invention, and the voltage detection circuit 21 corresponds to a specific example of “voltage detection unit” in the present invention. The resistors R81 and R82 correspond to a specific example of “resistor” in the present invention, and the smoothing circuits 821 and 822 correspond to a specific example of “smoothing circuit” in the present invention.

次に、本実施の形態のスイッチング電源装置1の作用および効果について説明する。   Next, the operation and effect of the switching power supply device 1 of the present embodiment will be described.

(スイッチング電源装置の基本動作例)
最初に、図2〜図5を参照して、スイッチング電源装置1の基本動作について説明する。図2〜図5は、このスイッチング電源装置1の基本動作の状態を、回路図を用いて表したものである。このうち、図2,図3は軽負荷時の動作を、図4,図5は重負荷時の動作を、それぞれ表している。なお、これらの図2〜図5では、説明の容易化のため、スイッチング素子SW1〜SW4,SW51,SW52をそれぞれ、スイッチの形状で示している。
(Example of basic operation of switching power supply)
First, the basic operation of the switching power supply device 1 will be described with reference to FIGS. 2 to 5 show the state of the basic operation of the switching power supply device 1 using circuit diagrams. Of these, FIGS. 2 and 3 show the operation at a light load, and FIGS. 4 and 5 show the operation at a heavy load, respectively. In these FIGS. 2 to 5, the switching elements SW1 to SW4, SW51, and SW52 are shown in the form of switches for easy explanation.

このスイッチング電源装置では、スイッチング回路3において、高圧バッテリ10から入力端子T1,T2を介して供給される直流の入力電圧Vinがスイッチングされることにより入力交流電圧が生成され、この入力交流電圧がトランス4の1次側巻線41へ供給される。そしてトランス4では入力交流電圧が変圧され、2次側巻線421,422から、変圧された出力交流電圧が出力される。   In this switching power supply device, in the switching circuit 3, a DC input voltage Vin supplied from the high voltage battery 10 via the input terminals T1 and T2 is switched to generate an input AC voltage. 4 to the primary side winding 41. The transformer 4 transforms the input AC voltage, and the transformed output AC voltage is output from the secondary windings 421 and 422.

整流回路5では、トランス4から出力された出力交流電圧が、整流ダイオードD51,D52、あるいは、これら整流ダイオードD51,D52およびスイッチング素子SW51,SW52によって整流される。これにより、センタタップCTと整流ダイオードD51,D52同士の接続点(アノード側)との間に、整流出力が発生する。   In the rectifier circuit 5, the output AC voltage output from the transformer 4 is rectified by the rectifier diodes D51 and D52, or the rectifier diodes D51 and D52 and the switching elements SW51 and SW52. As a result, a rectified output is generated between the center tap CT and the connection point (anode side) between the rectifier diodes D51 and D52.

平滑回路6では、この整流回路5において発生する整流出力が、チョークコイル61と出力平滑コンデンサ62とによって平滑化され、出力端子T3,T4から直流の出力電圧Voutとして出力される。そしてこの出力電圧Voutは、低圧バッテリ90に給電されてその充電に供されると共に、図示しない負荷が駆動される。   In the smoothing circuit 6, the rectified output generated in the rectifying circuit 5 is smoothed by the choke coil 61 and the output smoothing capacitor 62, and is output from the output terminals T3 and T4 as a DC output voltage Vout. The output voltage Vout is supplied to the low voltage battery 90 for charging, and a load (not shown) is driven.

このとき、図2,図3に示した軽負荷時には、図2に示した動作状態と図3に示した動作状態とが、交互に繰り返される。   At this time, at the time of the light load shown in FIGS. 2 and 3, the operation state shown in FIG. 2 and the operation state shown in FIG. 3 are alternately repeated.

具体的には、まず、図2に示したように、スイッチング回路3のスイッチング素子SW1,SW4がそれぞれオン状態になると、スイッチング素子SW1からスイッチング素子SW4の方向に、1次側ループ電流Ia1が流れる。すると、トランス4の2次側巻線421,422にそれぞれ現れる電圧は、整流ダイオードD52に対して逆方向となる一方、整流ダイオードD51に対して順方向となる。このため、整流ダイオードD51から2次側巻線421、チョークコイル61および出力平滑コンデンサ62を順に通る2次側ループ電流Ia2が流れる。そしてこの2次側ループ電流Ia2により、直流の出力電圧Voutが低圧バッテリ90に給電されると共に、図示しない負荷が駆動される。   Specifically, first, as shown in FIG. 2, when the switching elements SW1 and SW4 of the switching circuit 3 are turned on, the primary loop current Ia1 flows in the direction from the switching element SW1 to the switching element SW4. . Then, the voltages appearing in the secondary windings 421 and 422 of the transformer 4 are in the reverse direction with respect to the rectifier diode D52, while in the forward direction with respect to the rectifier diode D51. For this reason, a secondary loop current Ia2 that flows from the rectifier diode D51 through the secondary winding 421, the choke coil 61, and the output smoothing capacitor 62 in this order flows. The secondary loop current Ia2 feeds the DC output voltage Vout to the low voltage battery 90 and drives a load (not shown).

一方、図3に示したように、スイッチング回路3のスイッチング素子SW1,SW4がそれぞれオフ状態になると共に、スイッチング回路3のスイッチング素子SW2,SW3がそれぞれオン状態になると、スイッチング素子SW3からスイッチング素子SW2の方向に、1次側ループ電流Ib1が流れる。すると、トランス4の2次側巻線421,422にそれぞれ現れる電圧は、整流ダイオードD51に対して逆方向となる一方、整流ダイオードD52に対して順方向となる。このため、整流ダイオードD52から2次側巻線422、チョークコイル61および出力平滑コンデンサ62を順に通る2次側ループ電流Ib2が流れる。そしてこの2次側ループ電流Ib2により、直流の出力電圧Voutが低圧バッテリ90に給電されると共に、図示しない負荷が駆動される。   On the other hand, as shown in FIG. 3, when the switching elements SW1 and SW4 of the switching circuit 3 are turned off and the switching elements SW2 and SW3 of the switching circuit 3 are turned on, the switching elements SW3 to SW2 are switched. The primary loop current Ib1 flows in the direction of. Then, the voltages appearing on the secondary windings 421 and 422 of the transformer 4 are in the reverse direction with respect to the rectifier diode D51, while in the forward direction with respect to the rectifier diode D52. For this reason, the secondary loop current Ib2 that flows from the rectifier diode D52 through the secondary winding 422, the choke coil 61, and the output smoothing capacitor 62 in this order flows. The secondary loop current Ib2 feeds the DC output voltage Vout to the low voltage battery 90 and drives a load (not shown).

このようにして、図2および図3に示した軽負荷時には、スイッチング素子SW51,SW52がいずれもオフ状態となるように切換部8内のSW駆動部86からSW制御信号S51,S52が供給されることにより、整流回路5における整流モードは、整流ダイオードD51,D52のみを用いて整流動作を行う第1の整流モードとなる。   Thus, at the time of the light load shown in FIGS. 2 and 3, the SW control signals S51 and S52 are supplied from the SW drive unit 86 in the switching unit 8 so that both the switching elements SW51 and SW52 are turned off. Thus, the rectification mode in the rectifier circuit 5 becomes the first rectification mode in which the rectification operation is performed using only the rectification diodes D51 and D52.

また、図4,図5に示した重負荷時には、図4に示した動作状態と図5に示した動作状態とが、交互に繰り返される。具体的には、これら図4および図5に示した動作状態では、図2および図3に示した軽負荷時における動作に加え、スイッチング素子SW51,SW52が同期整流動作を行う。すなわち、ダイオードD51の整流動作時(図4)にはスイッチング素子SW51がオン状態となると共に、ダイオードD52の整流動作時(図5)にはスイッチング素子SW52がオン状態となるように、切換部8内のSW駆動部86からSW制御信号S51,S52が供給される。これにより、この重負荷時には、整流ダイオードD51,D52とスイッチング素子SW51,SW52とを用いて同期整流動作を行う第2の整流モードとなり、図中に示した2次側ループ電流Ia3,Ib3が流れることになる。   4 and FIG. 5, the operation state shown in FIG. 4 and the operation state shown in FIG. 5 are alternately repeated. Specifically, in the operation states shown in FIGS. 4 and 5, the switching elements SW51 and SW52 perform the synchronous rectification operation in addition to the operation at the light load shown in FIGS. That is, the switching unit 8 is set so that the switching element SW51 is turned on during the rectification operation of the diode D51 (FIG. 4) and the switching element SW52 is turned on during the rectification operation of the diode D52 (FIG. 5). SW control signals S51 and S52 are supplied from the SW drive unit 86. Thereby, at the time of this heavy load, the second rectification mode in which the synchronous rectification operation is performed using the rectification diodes D51 and D52 and the switching elements SW51 and SW52, and the secondary loop currents Ia3 and Ib3 shown in the figure flow. It will be.

ここで、このような軽負荷時および重負荷時のいずれにおいても、制御部71は、出力電圧Voutに対応する検出信号S(Vout)に基づいて、この出力電圧Voutが一定値を保つこととなるように、SW制御信号S0をトランス72を介してSW駆動部73へ供給すると共に、SW制御信号S50をSW駆動部86へ供給する。また、電流検出回路22において、入力電流Iinに対応する電流の検出信号S(Iin1)が検出されると共に、電圧検出回路21において、入力電圧Vinに対応する電圧の検出信号S(Vin1)が検出され、それぞれ切換部8へ入力される。   Here, in both the light load and the heavy load, the control unit 71 maintains the output voltage Vout at a constant value based on the detection signal S (Vout) corresponding to the output voltage Vout. As described above, the SW control signal S0 is supplied to the SW drive unit 73 via the transformer 72, and the SW control signal S50 is supplied to the SW drive unit 86. The current detection circuit 22 detects a current detection signal S (Iin1) corresponding to the input current Iin, and the voltage detection circuit 21 detects a voltage detection signal S (Vin1) corresponding to the input voltage Vin. And input to the switching unit 8.

(切換部による整流モードの切換動作例)
次に、図1に加えて図6〜図10を参照して、本発明の特徴的部分の1つである、切換部8による整流回路5の整流モードの切換動作について、比較例と比較しつつ詳細に説明する。ここで、図6は、比較例に係る従来のスイッチング電源装置(スイッチング電源装置101)の回路構成を表したものであり、図7は、このスイッチング電源装置101における出力電流Iout(定格電流に対しての負荷率)と装置全体の効率との関係の一例を表したものである。
(Example of switching operation in rectification mode by switching unit)
Next, referring to FIGS. 6 to 10 in addition to FIG. 1, the switching operation of the rectification mode of the rectifier circuit 5 by the switching unit 8 which is one of the characteristic parts of the present invention is compared with the comparative example. The details will be described. Here, FIG. 6 shows a circuit configuration of a conventional switching power supply device (switching power supply device 101) according to a comparative example, and FIG. 7 shows an output current Iout (with respect to a rated current) in the switching power supply device 101. This shows an example of the relationship between the overall load factor) and the efficiency of the entire apparatus.

まず、図6に示した比較例に係るスイッチング電源装置101では、本実施の形態における電圧検出回路21が設けられていないと共に、本実施の形態の切換部8の代わりに切換部108が設けられている。具体的には、この切換部108では、入力電流Iinに対応する電流の検出信号S(Iin1)のみに基づいてSW制御信号S51,S52を生成することにより、整流回路5における整流モードの切り換えを行うようになっている。すなわち、電流の検出信号S(Iin1)に基づいて、トランス811、平滑回路821およびバッファ831により電流の検出信号S(Iin2)を生成すると共に、比較器85においてこの検出信号S(Iin2)とリファレンス電圧Vrefとの比較結果に応じた出力信号Soutを出力し、SW駆動部86がこの出力信号Soutに基づいてSW制御信号S51,S52を生成している。   First, in the switching power supply device 101 according to the comparative example shown in FIG. 6, the voltage detection circuit 21 in the present embodiment is not provided, and the switching unit 108 is provided instead of the switching unit 8 in the present embodiment. ing. Specifically, the switching unit 108 generates the SW control signals S51 and S52 based only on the current detection signal S (Iin1) corresponding to the input current Iin, thereby switching the rectification mode in the rectifier circuit 5. To do. That is, based on the current detection signal S (Iin1), the transformer 811, the smoothing circuit 821, and the buffer 831 generate the current detection signal S (Iin2), and the comparator 85 uses the detection signal S (Iin2) and the reference. An output signal Sout corresponding to the comparison result with the voltage Vref is output, and the SW drive unit 86 generates SW control signals S51 and S52 based on the output signal Sout.

ところが、入力電圧Vinが変動した場合、検出対象の入力電流Iinにおける電流波形のピーク値やデューティも変動する。このため、整流モードの切り換えの判定を行う比較器85のリファレンス電圧Vref(一定)に対して、電流の検出信号S(Iin2)が大きく変動することになる。これにより、この比較例では、例えば図7中の符号P101,P102で示したように、ダイオード整流(第1の整流モード)と同期整流(第2の整流モード)との整流モードの切換点も、入力電圧Vinの大きさ(ここでは、定格入力電圧が260V,入力電圧範囲が100V〜420V)に応じて大きく変動してしまうことになる(負荷の大きさに対応する出力電流Ioutにおける変動幅が大きい)。なお、図7に示した効率特性線は、図中の上側から、入力電圧Vin=100V〜420Vの順に並んだものとなっている。   However, when the input voltage Vin changes, the peak value and duty of the current waveform in the input current Iin to be detected also change. For this reason, the current detection signal S (Iin2) largely fluctuates with respect to the reference voltage Vref (constant) of the comparator 85 that determines whether to switch the rectification mode. Thereby, in this comparative example, as indicated by reference numerals P101 and P102 in FIG. 7, for example, the switching point of the rectification mode between the diode rectification (first rectification mode) and the synchronous rectification (second rectification mode) is also provided. The input voltage Vin varies greatly according to the magnitude of the input voltage Vin (here, the rated input voltage is 260 V and the input voltage range is 100 V to 420 V) (the fluctuation range in the output current Iout corresponding to the size of the load). Is great). Note that the efficiency characteristic lines shown in FIG. 7 are arranged in the order of the input voltage Vin = 100V to 420V from the upper side in the drawing.

すなわち、この比較例に係るスイッチング電源装置101では、入力電圧Vinが変動する場合に、整流モードの切換点が大きく変動し、入力電圧Vinが大きくなるのに従って切換点も高負荷側へ変位してしまうため、入力電圧Vinの変動範囲において、切換点を十分には軽負荷側に設定することができない(例えば、図7中に示した目標の出力電流範囲ΔIout内に、切換点を設定することができない)。これは、以下の理由によるものである。すなわち、まず、軽負荷時において同期整流動作を行う場合、図6中に示した電流I101のように、出力電流が低圧バッテリ90から整流回路5側へ逆流したときに電力損失が生じ、効率が低下してしまうことがある。また、この逆流した電流I101によってチョークコイル61に蓄えられたエネルギーに基づいて、スイッチング素子SW51,SW52の両方がオフ状態となったときにサージ電圧が発生し、これによりスイッチング素子SW51,SW52が破壊されてしまうおそれがある。したがって、これらのことを考慮すると、切換点が大きく変動する場合には、あまり軽負荷側まで同期整流動作を利用できないからである。以上のことから、この比較例では、ダイオード整流(第1の整流モード)と比べてより高効率である同期整流(第2の整流モード)を十分に軽負荷側まで使用することができず、軽負荷時の効率が低くなってしまう。   That is, in the switching power supply device 101 according to this comparative example, when the input voltage Vin fluctuates, the switching point of the rectification mode fluctuates greatly, and as the input voltage Vin increases, the switching point is also displaced toward the high load side. Therefore, the switching point cannot be set to the light load side sufficiently in the fluctuation range of the input voltage Vin (for example, the switching point is set within the target output current range ΔIout shown in FIG. 7). Can not). This is due to the following reason. That is, first, when performing a synchronous rectification operation at a light load, a power loss occurs when the output current flows backward from the low voltage battery 90 to the rectifier circuit 5 side as in the current I101 shown in FIG. May fall. Further, based on the energy stored in the choke coil 61 by the backflow current I101, a surge voltage is generated when both of the switching elements SW51 and SW52 are turned off, whereby the switching elements SW51 and SW52 are destroyed. There is a risk of being. Therefore, in consideration of these matters, when the switching point fluctuates greatly, the synchronous rectification operation cannot be used up to the light load side. From the above, in this comparative example, synchronous rectification (second rectification mode), which is more efficient than diode rectification (first rectification mode), cannot be used sufficiently to the light load side, Efficiency at light load will be low.

これに対して、本実施の形態では、図1に示したように、切換部8において、電流検出回路22により検出された電流の検出信号S(Iin1)と、電圧検出回路21により検出された電圧の検出信号S(Vin1)とに基づく合成信号S(Iin+Vin)に基づいて、整流回路5内のスイッチング素子SW51,SW52のオン・オフ状態を制御することにより、整流モードの切り換えを行っている。具体的には、比較器85において、例えば、上記合成信号S(Iin+Vin)が所定のリファレンス電圧Vrefよりも小さいときには、ダイオード整流(第1の整流モード)が行われるように、すなわち、スイッチング素子SW51,SW52がオフ状態となるように、スイッチング素子SW51,SW52のオン・オフ状態を制御する。一方、例えば、上記合成信号S(Iin+Vin)が所定のリファレンス電圧Vrefよりも大きいときには、同期整流(第2の整流モード)が行われるように、すなわち、整流時にスイッチング素子SW51,SW52がオン状態となるように、スイッチング素子SW51,SW52のオン・オフ状態を制御する。   In contrast, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the switching unit 8 detects the current detection signal S (Iin1) detected by the current detection circuit 22 and the voltage detection circuit 21. The rectification mode is switched by controlling the on / off state of the switching elements SW51 and SW52 in the rectifier circuit 5 based on the combined signal S (Iin + Vin) based on the voltage detection signal S (Vin1). . Specifically, in the comparator 85, for example, when the combined signal S (Iin + Vin) is smaller than a predetermined reference voltage Vref, diode rectification (first rectification mode) is performed, that is, the switching element SW51. , SW52 are controlled to turn on / off the switching elements SW51, SW52. On the other hand, for example, when the composite signal S (Iin + Vin) is larger than the predetermined reference voltage Vref, the synchronous rectification (second rectification mode) is performed, that is, the switching elements SW51 and SW52 are turned on during rectification. Thus, the on / off states of the switching elements SW51 and SW52 are controlled.

ここで、例えば図8に示したように、同じ出力電圧Voutおよび出力電流Ioutの下では、入力電流Iinの検出信号S(Iin1)は、入力電圧Vinが低いほど検出値が高くなると共に、入力電圧Vinが高いほど検出値が低くなる(ここでは、入力電圧Vinに対して反比例関係となっている)。また、平滑回路821,822がLPFなどにより構成されているため、ダイオードによるピーク検出とは異なり、温度による変動をほとんど受けない。一方、入力電圧Vinの検出信号S(Vin1)の検出値は、入力電圧Vinに対して比例関係となる。したがって、これらの検出信号S(Iin1)と検出信号S(Vin1)とに基づく合成信号S(Iin+Vin)では、図に示したように、ある出力電流Ioutにおいて入力電圧Vinが変動しても、ほぼ一定に保たれることになる。   Here, for example, as shown in FIG. 8, under the same output voltage Vout and output current Iout, the detection signal S (Iin1) of the input current Iin has a higher detection value and a lower input voltage Vin. The higher the voltage Vin, the lower the detected value (here, the detected value is inversely proportional to the input voltage Vin). Further, since the smoothing circuits 821 and 822 are configured by LPF or the like, unlike the peak detection by the diode, the smoothing circuits 821 and 822 are hardly affected by temperature. On the other hand, the detection value of the detection signal S (Vin1) of the input voltage Vin is proportional to the input voltage Vin. Therefore, in the combined signal S (Iin + Vin) based on the detection signal S (Iin1) and the detection signal S (Vin1), even if the input voltage Vin fluctuates at a certain output current Iout, as shown in FIG. It will be kept constant.

これにより、例えば図9に示したように、入力電圧Vinが変動する場合に、ダイオード整流(第1の整流モード)と同期整流(第2の整流モード)との整流モードの切換点(出力電流Ioutの閾値電流Ith)の変動が、比較例と比べて抑えられる(好ましくは、切換点が常に一定となる)。したがって、従来と比べて切換点(閾値電流Ith)をより軽負荷側に設定することができ(例えば、図9中に示した目標の出力電流範囲ΔIout内に、閾値電流Ithを設定することが可能となり)、ダイオード整流(第1の整流モード)と比べてより高効率である同期整流(第2の整流モード)を、より軽負荷側まで使用することができるようになる。なお、図9に示した効率特性線においても、図中の上側から、入力電圧Vin=100V〜420Vの順に並んだものとなっている。   Thus, for example, as shown in FIG. 9, when the input voltage Vin fluctuates, the switching point (output current) of the rectification mode between the diode rectification (first rectification mode) and the synchronous rectification (second rectification mode). The fluctuation of the threshold current Ith of Iout is suppressed as compared with the comparative example (preferably, the switching point is always constant). Therefore, the switching point (threshold current Ith) can be set to a lighter load side compared to the conventional case (for example, the threshold current Ith can be set within the target output current range ΔIout shown in FIG. 9). As a result, synchronous rectification (second rectification mode), which is more efficient than diode rectification (first rectification mode), can be used up to a lighter load side. Note that the efficiency characteristic lines shown in FIG. 9 are also arranged in the order of the input voltage Vin = 100V to 420V from the upper side in the figure.

以上のように本実施の形態では、切換部8において、電流検出回路22により検出された電流の検出信号S(Iin1)と、電圧検出回路21により検出された電圧の検出信号S(Vin1)とに基づく合成信号S(Iin+Vin)に基づいて、整流回路5内のスイッチング素子SW51,SW52のオン・オフ状態を制御することによって、整流モードの切り換えを行うようにしたので、従来と比べて整流モードの切換点(閾値電流Ith)を、入力電圧Vinの変動範囲においてより軽負荷側に設定することができる。よって、高効率である同期整流(第2の整流モード)をより軽負荷側まで使用することができ、従来と比べて特に軽負荷時の効率を向上させることが可能となる。   As described above, in the present embodiment, the switching unit 8 uses the current detection signal S (Iin1) detected by the current detection circuit 22 and the voltage detection signal S (Vin1) detected by the voltage detection circuit 21. Since the switching of the rectification mode is performed by controlling the on / off state of the switching elements SW51 and SW52 in the rectifier circuit 5 based on the combined signal S (Iin + Vin) based on the rectification mode, The switching point (threshold current Ith) can be set to a lighter load side in the fluctuation range of the input voltage Vin. Therefore, high efficiency synchronous rectification (second rectification mode) can be used up to the light load side, and it becomes possible to improve the efficiency especially at the light load as compared with the conventional case.

ここで、図10は、上記比較例および本実施の形態に係る軽負荷時の効率の一例を対比して表したものであり、図中の符号G101で示した特性は比較例のものを、図中の符号G1で示した特性は本実施の形態のものを、それぞれ表している。図中の矢印P1に示したように、本実施の形態(G1)では、比較例(G101)と比べ、軽負荷時の効率が向上していることが分かる。   Here, FIG. 10 is a comparison between the comparative example and an example of the efficiency at light load according to the present embodiment, and the characteristic indicated by reference sign G101 in the drawing is that of the comparative example. The characteristics indicated by reference numeral G1 in the figure represent those of the present embodiment. As indicated by the arrow P1 in the figure, it can be seen that the efficiency at light load is improved in the present embodiment (G1) as compared with the comparative example (G101).

また、切換部8内に、合成信号S(Iin+Vin)を生成する際の電流の検出信号S(Iin2)と電圧の検出信号S(Vin2)との重み付けを調整するための抵抗器R81,R82を設けるようにしたので、そのような重み付けの調整により、整流モードの切換点(閾値電流Ith)の調整が容易となる。したがって、設計も容易となるため、設計の自由度を向上させることが可能となる。また、これらの抵抗R81,R82によって、電流の検出信号S(Iin2)と電圧の検出信号S(Vin2)とを合成しているため、例えばオペアンプを使用した加算器と比較して安価な構成とすることが可能となる。   The switching unit 8 includes resistors R81 and R82 for adjusting the weighting of the current detection signal S (Iin2) and the voltage detection signal S (Vin2) when the composite signal S (Iin + Vin) is generated. Since it is provided, adjustment of the switching point (threshold current Ith) of the rectification mode is facilitated by such weighting adjustment. Therefore, the design is facilitated, and the degree of freedom in design can be improved. Further, since the current detection signal S (Iin2) and the voltage detection signal S (Vin2) are synthesized by the resistors R81 and R82, for example, an inexpensive configuration compared with an adder using an operational amplifier. It becomes possible to do.

さらに、降圧型のスイッチング電源装置1において、電流検出回路22および電圧検出回路21が、高圧側に対応する入力電流Iinおよび入力電圧Vinを検出するようにしたので、低圧側に対応する出力電流Ioutや出力電流Voutを検出して整流モードの切換動作を行う場合と比べて電力損失を抑えることができ、効率をさらに向上させることが可能となる。   Furthermore, in the step-down switching power supply device 1, the current detection circuit 22 and the voltage detection circuit 21 detect the input current Iin and the input voltage Vin corresponding to the high voltage side, so that the output current Iout corresponding to the low voltage side. Compared with the case where the output current Vout is detected and the switching operation of the rectification mode is performed, the power loss can be suppressed and the efficiency can be further improved.

なお、前述したように、軽負荷時において同期整流動作を行った場合に、逆流した電流I101に起因してチョークコイル61に蓄えられたエネルギーに基づいてサージ電圧が発生するおそれがあること等を考慮すると、本実施の形態で説明した整流モードの切り換え動作は、出力側にチョークコイルが設けられたスイッチング電源装置において特に有効であると言える。   As described above, when performing a synchronous rectification operation at a light load, a surge voltage may be generated based on the energy stored in the choke coil 61 due to the reverse current I101. Considering this, it can be said that the switching operation of the rectification mode described in the present embodiment is particularly effective in the switching power supply device in which the choke coil is provided on the output side.

[変形例]
次に、本発明の変形例をいくつか挙げて説明する。なお、上記実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
[Modification]
Next, some modifications of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the component similar to the said embodiment, and description is abbreviate | omitted suitably.

(変形例1)
図11は、本発明の変形例1に係る平滑回路(平滑回路821A,822A)の回路構成を表すものである。これらの平滑回路821A,822Aは、整流ダイオードD82と平滑コンデンサC82とを有するピークホールド回路を用いて構成されている。具体的には、整流ダイオードD82のアノードがトランス811,812側からの入力信号線に接続され、カソードが平滑コンデンサC82の一端および出力信号線に接続され、平滑コンデンサC82の他端は接地されている。すなわち、上記実施の形態の平滑回路821,822では、LPFを用いた構成を挙げて説明したが、本変形例の平滑回路821A,822Aでは、ピークホールド回路を用いた構成となっている。
(Modification 1)
FIG. 11 shows a circuit configuration of a smoothing circuit (smoothing circuits 821A and 822A) according to Modification 1 of the present invention. These smoothing circuits 821A and 822A are configured using a peak hold circuit having a rectifier diode D82 and a smoothing capacitor C82. Specifically, the anode of the rectifier diode D82 is connected to the input signal line from the transformers 811 and 812, the cathode is connected to one end of the smoothing capacitor C82 and the output signal line, and the other end of the smoothing capacitor C82 is grounded. Yes. That is, although the smoothing circuits 821 and 822 of the above embodiment have been described with reference to the configuration using the LPF, the smoothing circuits 821A and 822A of the present modification have a configuration using the peak hold circuit.

このような構成の平滑回路821,822では、例えば図12中の矢印P2,P3で示したように、負荷(出力電流Iout)の変動に応じた合成信号S(Iin+Vin)の変動が低減されるため、整流モードの切換点(閾値電流Ith)の変動をさらに抑えることができ、切換点をさらに軽負荷側に設定することができる。   In the smoothing circuits 821 and 822 having such a configuration, for example, as indicated by arrows P2 and P3 in FIG. 12, the fluctuation of the combined signal S (Iin + Vin) corresponding to the fluctuation of the load (output current Iout) is reduced. Therefore, the fluctuation of the switching point (threshold current Ith) in the rectification mode can be further suppressed, and the switching point can be set to the light load side.

(変形例2)
図13(A)は、本発明の変形例2に係る整流モードの切換動作を表すものである。本変形例では、整流モードの切り換えの際の出力電流の閾値(閾値電流)が、出力電流Ioutの増加傾向時と減少傾向時とで、互いに異なる値(閾値電流IthL,IthH))となっている。すなわち、上記実施の形態では、図13(B)に示したように、閾値電流Ithが、出力電流Ioutの増加傾向時と減少傾向時とで互いに一致しているのに対し、本変形例では、ヒステリシスを示すようになっている。
(Modification 2)
FIG. 13A shows a rectification mode switching operation according to the second modification of the present invention. In this modification, the threshold value (threshold current) of the output current when switching the rectification mode is a different value (threshold current IthL, IthH) when the output current Iout is increasing or decreasing. Yes. That is, in the above embodiment, as shown in FIG. 13B, the threshold current Ith is the same when the output current Iout is increasing and decreasing, whereas in this modification, Hysteresis is shown.

具体的には、本変形例では、図13(A)に示したように、出力電流Ioutの増加傾向時には、閾値電流IthH(>IthL)において整流モードが切り換わる。一方、出力電流Ioutの減少傾向時には、閾値電流IthL(<IthH)において接続状態が切り換わる。   Specifically, in this modification, as shown in FIG. 13A, when the output current Iout is increasing, the rectification mode is switched at the threshold current IthH (> IthL). On the other hand, when the output current Iout is decreasing, the connection state is switched at the threshold current IthL (<IthH).

また、このような切換動作を実現するため、本変形例の切換部(切換部8A)では、例えば図14に示したようなヒステリシスコンパレータが設けられている。すなわち、上記実施の形態で説明した比較器85において、出力端子と非反転入力端子との間に抵抗器R85が設けられている。これにより、合成信号S(Iin+Vin)に基づいて、出力電流Ioutの増加傾向時と減少傾向時とで、互いに異なるリファレンス電圧Vrefとの比較結果に応じた出力信号Soutが出力される。そして、この抵抗器R85の抵抗値に応じて、閾値電流IthL,IthHの値を任意に調整することができるようになっている。   Further, in order to realize such a switching operation, the switching unit (switching unit 8A) of this modification is provided with a hysteresis comparator as shown in FIG. 14, for example. That is, in the comparator 85 described in the above embodiment, the resistor R85 is provided between the output terminal and the non-inverting input terminal. Thus, based on the combined signal S (Iin + Vin), the output signal Sout corresponding to the comparison result with the different reference voltages Vref is output when the output current Iout is increasing and decreasing. The values of the threshold currents IthL and IthH can be arbitrarily adjusted according to the resistance value of the resistor R85.

このような構成により本変形例では、閾値電流付近において整流モードが頻繁に切り換わってしまうのが回避されるため、それに起因したスイッチングノイズの発生を抑えることが可能となる。   With such a configuration, in this modification, it is possible to avoid frequent switching of the rectification mode in the vicinity of the threshold current, and thus it is possible to suppress the occurrence of switching noise caused by the switching.

(変形例3)
図15は、本発明の変形例3に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置1A)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置1Aは、双方向のスイッチング電源装置(DC/DCコンバータ)として機能するものである。具体的には、このスイッチング回路1Aでは、スイッチング回路(整流回路)3Aにおけるスイッチング素子S1〜S4に対し、整流ダイオードD31〜D32(例えば、スイッチング素子S1〜S4の寄生ダイオード)が並列接続されている。これにより、上記実施の形態で説明したような、入力端子T1,T2から入力される直流の入力電圧Vinを降圧して直流の出力電圧Voutを出力端子T3,T4から出力する降圧動作に加え、以下説明するような、出力端子T3,T4から入力される直流の入力電圧Vinを昇圧して直流の出力電圧Voutを入力端子T1,T2から出力する昇圧動作も行うことが可能となる(双方向動作が可能となる)。その場合、降圧動作時(順方向動作時)には、スイッチング回路3Aがインバータ回路として機能すると共にスイッチング回路(整流回路)5が整流回路として機能し、昇圧動作時(逆方向動作時)には、スイッチング回路5がインバータ回路として機能すると共にスイッチング回路3Aが整流回路として機能することになる。
(Modification 3)
FIG. 15 illustrates a circuit configuration of a switching power supply device (switching power supply device 1A) according to Modification 3 of the present invention. The switching power supply device 1A of the present modification functions as a bidirectional switching power supply device (DC / DC converter). Specifically, in the switching circuit 1A, rectifier diodes D31 to D32 (for example, parasitic diodes of the switching elements S1 to S4) are connected in parallel to the switching elements S1 to S4 in the switching circuit (rectifier circuit) 3A. . Thus, in addition to the step-down operation of stepping down the DC input voltage Vin input from the input terminals T1 and T2 and outputting the DC output voltage Vout from the output terminals T3 and T4 as described in the above embodiment, As will be described below, it is also possible to perform a boosting operation of boosting the DC input voltage Vin input from the output terminals T3 and T4 and outputting the DC output voltage Vout from the input terminals T1 and T2 (bidirectional). Operation is possible). In that case, during the step-down operation (forward operation), the switching circuit 3A functions as an inverter circuit and the switching circuit (rectifier circuit) 5 functions as a rectifier circuit, and during the step-up operation (reverse operation). The switching circuit 5 functions as an inverter circuit and the switching circuit 3A functions as a rectifier circuit.

また、このスイッチング電源装置1Aでは、切換部8内の比較器85から出力される、合成信号S(Iin+Vin)に基づく出力信号Soutが、SW駆動部86に加えてSW駆動部73へ入力されるようになっている。これにより、上記逆方向動作時には、整流回路として機能するスイッチング回路3A内のスイッチング素子SW1〜SW4のオン・オフ状態が制御され、このスイッチング回路3Aにおける整流モードの切り換えが行われる。   In the switching power supply apparatus 1A, the output signal Sout based on the combined signal S (Iin + Vin) output from the comparator 85 in the switching unit 8 is input to the SW drive unit 73 in addition to the SW drive unit 86. It is like that. Thus, during the reverse operation, the on / off states of the switching elements SW1 to SW4 in the switching circuit 3A functioning as a rectifier circuit are controlled, and the rectification mode is switched in the switching circuit 3A.

なお、この場合、入力端子T1,T2が本発明における「第1の入出力端子」の一具体例に対応し、出力端子T3,T4が本発明における「第2の入出力端子」の一具体例に対応する。また、スイッチング回路(整流回路)3Aが本発明における「第1の回路」の一具体例に対応し、スイッチング回路(整流回路)5が本発明における「第2の回路」の一具体例に対応する。また、スイッチング素子SW1〜SW4が本発明における「第1のスイッチング素子」の一具体例に対応し、整流ダイオードD31〜D34が本発明における「複数の第1の整流素子」の一具体例に対応する。また、スイッチング素子SW51,SW52が本発明における「第2のスイッチング素子」の一具体例に対応し、整流ダイオードD51,D52が本発明における「複数の第2の整流素子」の一具体例に対応する。   In this case, the input terminals T1 and T2 correspond to a specific example of “first input / output terminal” in the present invention, and the output terminals T3 and T4 correspond to one specific example of “second input / output terminal” in the present invention. Corresponds to the example. Further, the switching circuit (rectifier circuit) 3A corresponds to a specific example of “first circuit” in the present invention, and the switching circuit (rectifier circuit) 5 corresponds to a specific example of “second circuit” in the present invention. To do. The switching elements SW1 to SW4 correspond to a specific example of “first switching element” in the present invention, and the rectifier diodes D31 to D34 correspond to a specific example of “a plurality of first rectifying elements” in the present invention. To do. Further, the switching elements SW51 and SW52 correspond to a specific example of “second switching element” in the present invention, and the rectifier diodes D51 and D52 correspond to a specific example of “a plurality of second rectifying elements” in the present invention. To do.

このスイッチング電源装置1Aでは、順方向動作時には、上記実施の形態と同様の基本動作および整流モードの切換動作がなされることにより、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。   In the switching power supply device 1A, during the forward operation, the same basic operation and rectification mode switching operation as in the above embodiment are performed, and thus the same effect as in the above embodiment can be obtained.

一方、逆方向動作時には、図16〜図18に示した動作状態が、交互に繰り返される。なお、図17および図18では、軽負荷時の電流ループが実線で示されていると共に、重負荷時の電流ループは実線および破線で示されている。   On the other hand, during reverse operation, the operation states shown in FIGS. 16 to 18 are repeated alternately. In FIGS. 17 and 18, the current loop at the time of light load is indicated by a solid line, and the current loop at the time of heavy load is indicated by a solid line and a broken line.

まず、図16に示したように、スイッチング素子SW51,SW52とも、オン状態となる。したがって、スイッチング回路5を含む低圧側には、図中に示したようなループ電流Ic11,Ic12が低圧バッテリ70から流れ、インダクタ61が励磁される。また、トランス4の巻線421,422は互いに巻回し方向が逆であると共に巻数が等しいため、これら巻線421,422に流れる電流によって発生する磁束が互いに打ち消し合うこととなり、巻線421,422の両端間の電圧はいずれも0Vとなる。よって、この期間では、低圧側から高圧側への電力伝送はなされない。ただし、高圧側では、図中に示したような出力電流Ioutが、入力平滑コンデンサCinから高圧バッテリ10Lへと流れている。   First, as shown in FIG. 16, the switching elements SW51 and SW52 are both turned on. Therefore, on the low voltage side including the switching circuit 5, loop currents Ic11 and Ic12 as shown in the figure flow from the low voltage battery 70, and the inductor 61 is excited. In addition, since the windings 421 and 422 of the transformer 4 have the opposite winding directions and the same number of turns, the magnetic fluxes generated by the currents flowing through these windings 421 and 422 cancel each other, and the windings 421 and 422 The voltage between both ends is 0V. Therefore, power transmission from the low voltage side to the high voltage side is not performed during this period. However, on the high voltage side, an output current Iout as shown in the figure flows from the input smoothing capacitor Cin to the high voltage battery 10L.

次に、図17に示したように、スイッチング素子SW52がオフ状態となる。よって、低圧側には、図中に示したようなループ電流Ic11のみが流れ、インダクタ61に蓄積されたエネルギーに基づいて、低圧側から高圧側への電力伝送がなされる。また、スイッチング回路3Aを含む高圧側では、図中に示したような2次側ループ電流Ic21および出力電流Ioutが流れる。なお、この図17に示した動作状態の期間の後は、再び、図16に示した動作状態となる。   Next, as shown in FIG. 17, the switching element SW52 is turned off. Therefore, only the loop current Ic11 as shown in the figure flows on the low voltage side, and electric power is transmitted from the low voltage side to the high voltage side based on the energy accumulated in the inductor 61. On the high voltage side including the switching circuit 3A, the secondary loop current Ic21 and the output current Iout as shown in the figure flow. Note that after the period of the operation state shown in FIG. 17, the operation state shown in FIG. 16 is obtained again.

次に、そのような再度の図16に示した状態の後は、図18に示したように、スイッチング素子SW51がオフ状態となる。よって、低圧側には、図中に示したようなループ電流Ic12のみが流れ、インダクタ61に蓄積されたエネルギーに基づいて、低圧側から高圧側への電力伝送がなされる。また、スイッチング回路3Aを含む高圧側では、図中に示したような2次側ループ電流Ic22および出力電流Ioutが流れる。   Next, after the state shown in FIG. 16 again, the switching element SW51 is turned off as shown in FIG. Therefore, only the loop current Ic12 as shown in the figure flows on the low voltage side, and electric power is transmitted from the low voltage side to the high voltage side based on the energy accumulated in the inductor 61. On the high voltage side including the switching circuit 3A, the secondary loop current Ic22 and the output current Iout as shown in the drawing flow.

ここで、このような逆方向動作時では、切換部8が、合成信号S(Iin+Vin)に基づく出力信号SoutをSW駆動部73へ供給することにより、整流回路として機能するスイッチング回路3A内のスイッチング素子SW1〜SW4のオン・オフ状態を制御し、このスイッチング回路3Aにおける整流モードの切り換えを行う。これにより、上記実施の形態で説明した順方向動作時と同様の作用により、従来と比べて特に軽負荷時の効率を向上させることが可能となる。ただし、本変形例のような双方向のスイッチング電源装置(DC/DCコンバータ)において、このような整流モードの切換動作を、順方向動作時または順方向動作時の一方のみにおいて行うようにしてもよく、あるいは、上記したように順方向動作時および逆方向動作時の双方において行うようにしてもよい。   Here, during such reverse operation, the switching unit 8 supplies the output signal Sout based on the combined signal S (Iin + Vin) to the SW drive unit 73, thereby switching the switching circuit 3A functioning as a rectifier circuit. The on / off states of the elements SW1 to SW4 are controlled to switch the rectification mode in the switching circuit 3A. Thereby, it becomes possible to improve the efficiency especially at the time of light load compared with the past by the effect | action similar to the time of the forward operation demonstrated in the said embodiment. However, in the bidirectional switching power supply device (DC / DC converter) as in this modification, such a switching operation of the rectification mode may be performed only in one of the forward operation and the forward operation. Alternatively, as described above, it may be performed in both the forward operation and the reverse operation.

なお、本変形例のような双方向のスイッチング電源装置においても、上記した整流モードの切り換え動作は、出力側にチョークコイルが設けられたスイッチング電源装置において特に有効である。すなわち、例えば図15に示したスイッチング電源装置1Aでは、出力側にチョークコイルが設けられることになる順方向動作時において特に有効である。   Note that the rectifying mode switching operation described above is also particularly effective in a switching power supply device in which a choke coil is provided on the output side even in a bidirectional switching power supply device as in this modification. That is, for example, the switching power supply device 1A shown in FIG. 15 is particularly effective during forward operation in which a choke coil is provided on the output side.

以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。   Although the present invention has been described with reference to the embodiment and the modification examples, the present invention is not limited to the embodiment and the like, and various modifications can be made.

例えば、上記実施の形態等で説明したスイッチング回路、トランス、整流回路、平滑回路および制御部等の構成は、これらには限られず、他の構成であってもよい。具体的には、例えば上記実施の形態等では、スイッチング回路がフルブリッジ型の回路である場合について説明したが、例えばハーフブリッジ型等の他の回路構成のスイッチング回路を用いるようにしてもよい。また、例えば上記実施の形態等で説明した比較器85の機能(ハードウェアによる構成)を、ソフトウェアによって構成するようにしてもよい。   For example, the configurations of the switching circuit, the transformer, the rectifier circuit, the smoothing circuit, the control unit, and the like described in the above embodiments are not limited to these, and may be other configurations. Specifically, for example, in the above-described embodiment and the like, the case where the switching circuit is a full bridge type circuit has been described, but a switching circuit having another circuit configuration such as a half bridge type may be used. Further, for example, the function (configuration by hardware) of the comparator 85 described in the above embodiment may be configured by software.

また、上記実施の形態等では、電流検出回路22および電圧検出回路21が、高圧側に対応する電流または電圧を検出する場合について説明したが、場合によっては、低圧側に対応する電流または電圧を検出するようにしてもよい。   In the above-described embodiment and the like, the case where the current detection circuit 22 and the voltage detection circuit 21 detect a current or voltage corresponding to the high voltage side has been described. However, in some cases, the current or voltage corresponding to the low voltage side is detected. You may make it detect.

更に、これまでは、トランスを用いた絶縁型のスイッチング電源装置を例に挙げて説明したが、本発明は、例えば非絶縁のチョッパ型のスイッチング電源装置等の、トランスを有しないスイッチング電源装置にも適用することが可能である。   Further, although an example has been described so far with an insulating switching power supply device using a transformer as an example, the present invention is applicable to a switching power supply device that does not have a transformer, such as a non-isolated chopper type switching power supply device. Can also be applied.

加えて、これまでは、スイッチング電源装置がDC/DCコンバータとして機能する場合について説明したが、本発明のスイッチング電源装置は、例えば、AC/DCコンバータやDC/ACインバータとして機能するものなどにも適用することが可能である。   In addition, the case where the switching power supply device functions as a DC / DC converter has been described so far, but the switching power supply device of the present invention can be applied to, for example, an AC / DC converter or a DC / AC inverter. It is possible to apply.

加えてまた、これまでは、スイッチング電源装置が降圧型のスイッチング電源装置(DC/DCコンバータ)である場合について説明したが、本発明のスイッチング電源装置は、例えば、昇圧型のスイッチング電源装置にも適用することが可能である。   In addition, the case where the switching power supply device is a step-down switching power supply device (DC / DC converter) has been described so far. However, the switching power supply device of the present invention can be applied to, for example, a step-up switching power supply device. It is possible to apply.

加えて更に、これまでは、スイッチング電源装置全体を、バッテリ等に対する充電・放電装置として用いる場合について説明したが、本発明のスイッチング電源装置は、そのような充電・放電装置以外にも、例えば家電等の電源装置など、他の用途にも適用することが可能である。   In addition, the case where the entire switching power supply device is used as a charging / discharging device for a battery or the like has been described so far. However, the switching power supply device according to the present invention is not limited to such a charging / discharging device. It can be applied to other uses such as a power supply device.

1,1A…スイッチング電源装置、10…高圧バッテリ、21…電圧検出回路、22…電流検出回路、3,3A…スイッチング回路(整流回路)、4…トランス、40…磁芯、41…1次側巻線(高圧側巻線)、421,422…2次側巻線(低圧側巻線)、5…整流回路(スイッチング回路)、6…平滑回路、61…チョークコイル、62…出力平滑コンデンサ、71…制御部、72…トランス、73…SW駆動部、8,8A…切換部、811,812…トランス、821,822,821A,822A…平滑回路、831,832…バッファ、84…リファレンス電源、85…比較器、86…SW駆動部、90…低圧バッテリ、T1,T2…入力端子(入出力端子)、T3,T4…出力端子(入出力端子)、Vin…入力電圧、Iin…入力電流、Vout…出力電圧、Iout…出力電流、L1H…1次側高圧ライン、L1L…1次側低圧ライン、LO…出力ライン、LG…接地ライン、Cin…入力平滑コンデンサ、SW1〜SW4,SW51,SW52…スイッチング素子(FET)、S0,S1〜S4,S50,S51,S52…SW制御信号、S(Vin1),S(Vin2),S(Iin1),S(Iin2),S(Vout)…検出信号、S(Iin+Vin)…合成信号(合算信号)、Sout…出力信号、Lr…共振用インダクタ、CT…センタタップ、D51,D52…整流ダイオード、R81,R82…抵抗器、Vref…リファレンス電圧、D82…整流ダイオード、C82…平滑コンデンサ、R85…抵抗器、Ia1,Ib1,Ic11,Ic12…電流(1次側電流ループ)、Ia2,Ia3,Ib2,Ib3,Ic21,Ic22…電流(2次側電流ループ)、ΔIout…出力電流範囲、Ith,IthL,IthH…閾値電流。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A ... Switching power supply device, 10 ... High voltage battery, 21 ... Voltage detection circuit, 22 ... Current detection circuit, 3, 3A ... Switching circuit (rectifier circuit), 4 ... Transformer, 40 ... Magnetic core, 41 ... Primary side Winding (high voltage side winding), 421, 422 ... Secondary side winding (low voltage side winding), 5 ... Rectifier circuit (switching circuit), 6 ... Smoothing circuit, 61 ... Choke coil, 62 ... Output smoothing capacitor, 71 ... Control unit, 72 ... Transformer, 73 ... SW drive unit, 8,8A ... Switching unit, 811,812 ... Transformer, 821,822,821A, 822A ... Smoothing circuit, 831,832 ... Buffer, 84 ... Reference power supply, 85 ... Comparator, 86 ... SW drive unit, 90 ... Low voltage battery, T1, T2 ... Input terminal (input / output terminal), T3, T4 ... Output terminal (input / output terminal), Vin ... Input voltage, Iin ... Input power Current, Vout ... Output voltage, Iout ... Output current, L1H ... Primary side high voltage line, L1L ... Primary side low voltage line, LO ... Output line, LG ... Ground line, Cin ... Input smoothing capacitor, SW1 to SW4, SW51, SW52... Switching element (FET), S0, S1 to S4, S50, S51, S52... SW control signal, S (Vin1), S (Vin2), S (Iin1), S (Iin2), S (Vout). Signal, S (Iin + Vin) ... Composite signal (summation signal), Sout ... Output signal, Lr ... Resonance inductor, CT ... Center tap, D51, D52 ... Rectifier diode, R81, R82 ... Resistor, Vref ... Reference voltage, D82 ... Rectifier diode, C82 ... Smoothing capacitor, R85 ... Resistor, Ia1, Ib1, Ic11, Ic12 ... Current (primary current loop), Ia2, Ia3, Ib2 Ib3, Ic21, Ic22 ... current (secondary current loop), ΔIout ... output current range, Ith, IthL, IthH ... threshold current.

Claims (5)

入力端子対から入力される入力電圧に基づいて電圧変換を行うことにより出力電圧を生成し、出力端子対から出力すると共に、前記出力電圧が前記入力電圧よりも低くなるように設定された降圧型のスイッチング電源装置であって、
前記入力端子対側に配置されたスイッチング回路と、
前記スイッチング回路と前記出力端子対との間に配置されると共に、複数の整流素子と、これら複数の整流素子にそれぞれ並列接続されたスイッチング素子とを有する整流回路と、
前記スイッチング回路と前記整流回路との間に配置されたトランスと、
前記入力端子対側を流れる、高圧側に対応する入力電流を検出する電流検出部と、
高圧側に対応する前記入力電圧を検出する電圧検出部と、
前記出力端子対側の負荷が小さい軽負荷時には、前記整流素子のみを用いて整流動作を行う第1の整流モードとなると共に、前記軽負荷時よりも負荷が大きい重負荷時には、前記整流素子と前記スイッチング素子とを用いて同期整流動作を行う第2の整流モードとなるように、前記整流回路における整流モードを切り換える切換部と
を備え、
前記切換部は、前記電流検出部により検出された電流検出信号と前記電圧検出部により検出された電圧検出信号との合成信号に基づいて、前記スイッチング素子のオン・オフ状態を制御することにより、前記入力電圧の変動に起因した前記整流モードの切換点の変動を抑制しつつ前記整流モードの切り換えを行う
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
The output voltage is generated by performing voltage conversion based on the input voltage input from the input terminal pair, output from the output terminal pair, and the step-down type set so that the output voltage is lower than the input voltage a switching power supply unit,
A switching circuit disposed on the input terminal pair side;
A rectifier circuit disposed between the switching circuit and the output terminal pair, and having a plurality of rectifier elements and switching elements respectively connected in parallel to the plurality of rectifier elements;
A transformer disposed between the switching circuit and the rectifier circuit;
A current detection unit for detecting an input current corresponding to the high voltage side flowing through the input terminal pair side;
A voltage detector for detecting the input voltage corresponding to the high voltage side ;
When the load on the output terminal pair side is small and light load, the first rectification mode for performing rectification operation using only the rectifier element is set, and at the time of heavy load where the load is larger than that at the light load, the rectifier element and A switching unit that switches a rectification mode in the rectifier circuit so as to be in a second rectification mode in which a synchronous rectification operation is performed using the switching element,
The switching unit controls the on / off state of the switching element based on a combined signal of the current detection signal detected by the current detection unit and the voltage detection signal detected by the voltage detection unit, The switching power supply device is characterized in that the switching of the rectification mode is performed while suppressing the fluctuation of the switching point of the rectification mode due to the fluctuation of the input voltage .
前記切換部は、前記合成信号を生成する際の前記電流検出信号と前記電圧検出信号との重み付けを調整するための抵抗器を有する
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。
The switching power supply according to claim 1, wherein the switching unit includes a resistor for adjusting a weight of the current detection signal and the voltage detection signal when the combined signal is generated.
前記切換部は、前記電流検出信号および前記電圧検出信号に含まれる脈流を平滑化する平滑回路を有し、
前記平滑回路が、整流ダイオードと平滑コンデンサとを含むピークホールド回路を用いて構成されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスイッチング電源装置。
The switching unit includes a smoothing circuit that smoothes a pulsating current included in the current detection signal and the voltage detection signal,
The switching power supply according to claim 1 or 2, wherein the smoothing circuit is configured using a peak hold circuit including a rectifier diode and a smoothing capacitor.
前記整流モードの切り換えの際の閾値が、負荷の増加傾向時と減少傾向時とで、互いに異なる値となっている
ことを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
Threshold during switching of the rectifier mode, in a time of decreasing the time of increase of the load, according to any one of claims 1 to 3, characterized in that has a value different from each other Switching power supply.
直流入力電圧に基づいて直流出力電圧を生成するDC/DCコンバータとして機能する
ことを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
The switching power supply device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the switching power supply device functions as a DC / DC converter that generates a DC output voltage based on a DC input voltage.
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