JP5828273B2

JP5828273B2 - スイッチング電源装置

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Publication number: JP5828273B2
Application number: JP2011263318A
Authority: JP
Inventors: 賢彦櫻井; 西川　幸廣; 幸廣西川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: US20130141947A1; CN103138587A; JP2013116026A; CN103138587B; US9042128B2

Description

本発明は、第1の直流電源から半導体スイッチのスイッチング動作によりトランスで絶縁された第2の直流電圧を作り出すフライバック型のスイッチング電源装置に関し、特に補助巻線（３次巻線）を用いてトランス２次側出力電圧を検出し、出力電圧を定電圧制御する制御回路に関する。

充電器用の電源装置やノートパソコンのACアダプタの電源装置として、負荷に一定電圧を供給するためにスイッチング電源装置が利用されている。従来の手法として、図１３に示すスイッチング電源装置の2次側に出力電圧Ｖｏを絶縁して検出するためのフォトカプラーを用いた電圧検出回路を設け、出力電圧を一定に制御する手法がある。この手法は出力電圧を常時監視しているため、負荷急変が発生し出力電圧が低下した場合においても出力電圧の低下をすばやく検出し、出力電圧を一定に制御することができる。しかしながら、2次側電圧を直接検出することで安定した制御を実現することが可能であるが、フォトカプラーを用いた電圧検出回路は定常的に電力損失が発生することから、省エネ化、高効率化の妨げとなっている。

一方、出力電圧の情報をフォトカプラーを用いた電圧検出回路を用いずに得る方法として、1次側のスイッチング電圧波形から出力電圧を等価的に検出することで2次側電圧を直接検出することなく出力電圧を一定に制御する手法がある。図１０に、特許文献1や特許文献２に示されているトランスの３次巻線電圧を検出して、直流出力電圧を一定電圧に制御する従来の回路例を示す。特許文献２は特許文献1を改良したもので、電圧検出回路に違いがある。

図１０に示す回路の構成と動作は以下の通りである。交流入力を整流回路１で直流電圧に変換し、コンデンサ２で平滑された直流電圧Vｉを得る。この直流電圧Ｖｉを入力として、トランス６の１次巻線６−１を半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ７でオンオフ制御する。トランス６の２次巻線６−２はダイオード３に接続され、整流後、コンデンサ５で平滑されて直流出力Ｖｏとなる。抵抗４は無負荷時や軽負荷時の電圧上昇を抑制するためのダミー抵抗である。ＭＯＳＦＥＴ７がオンするとトランス６に励磁エネルギーが蓄積され、オフすると２次巻線６−２からダイオード３を通してコンデンサ５に励磁エネルギーが充電されるいわゆるフライバック型のスイッチング電源回路である。トランス６の３次巻線６−３の電圧はダイオード１２とコンデンサ１１で整流、平滑されて、制御回路１３の電源となる。また、出力電圧Ｖｏの定電圧制御は、トランス６の２次巻線電圧相当である３次巻線６−３の電圧Ｖｔを検出して行う。

３次巻線を用いた出力電圧の検出の原理を図１１と図１２を用いて説明する。ＭＯＳＦＥＴ７がオンするとトランス６の１次巻線には電流Ｉｐが流れ上昇する。次にＭＯＳＦＥＴ７をオフするとこの電流は２次巻線６−２からダイオード３を介して電流Ｉｓとなり、コンデンサＣｏに充電され、出力電圧Ｖｏとなる。この時の２次巻線６−２の電圧極性を正とすると、ＭＯＳＦＥＴ７がオンしている時は２次巻線６−２と３次巻線６−３の電圧はいずれも負の極性となる。ＭＯＳＦＥＴ７がオフして２次巻線６−２に接続されたダイオード３に電流Ｉｓが流れている時には、２次巻線６−２の電圧Ｖｓは出力電圧Ｖｏとダイオード３の順方向降下電圧Ｖｆの和となる。この結果、３次巻線６−３の電圧Ｖｔは２次巻線６−２と３次巻線６−３の巻数比に比例した電圧となり、２次巻線６−２の電圧Ｖｓを検出したのと等価になる。検出した出力電圧Ｖｔと１次側のＭＯＳＦＥＴ７に流れる電流Ｉｐを検出することにより、出力電圧を一定に制御する。また軽負荷時又は無負荷時にはスイッチング周波数を下げることにより待機電力を抑えるようにスイッチング制御している。

特開平７−１７０７３１号公報特開２０１０−２２１２１号公報

上述のように、フォトカプラーを用いて直流出力電圧を直接検出する出力電圧検出方式を用いずに、トランスの３次巻線電圧を検出するなどの方式により、1次側のスイッチング電圧波形から出力電圧の情報を得る方式では、半導体スイッチがスイッチングしないと出力電圧を検出することができない。そのため、軽負荷時又は無負荷時にスイッチング周波数を下げて消費電力を低減している状態で負荷急変が発生すると、負荷急変により出力電圧が低下しても次にスイッチングするまで出力電圧が低下したことを検出できない。軽負荷時又は無負荷時でスイッチング周波数が低くなっている場合では、スイッチングの間隔が長くなっているため、負荷急変発生からスイッチングまで過渡的に出力電圧が大きく低下するという問題がある。

従って、本発明の課題は３次巻線により出力電圧の情報を取得して、出力電圧を定電圧制御するフライバック型のスイッチング電源装置において、定常的な電力消費が少ない回路で、軽負荷時又は無負荷時の負荷急変時の出力電圧低下を抑制することのできるスイッチング電源装置を提供することである。

上述の課題を解決するために、第１の発明においては、１次巻線と２次巻線と３次巻線とを有するトランスと、前記１次巻線に入力される第１の直流電圧をスイッチング動作によりオンオフ制御する半導体スイッチと、前記半導体スイッチのスイッチング動作により前記２次巻線に発生する２次巻線電圧を整流、平滑化して、出力電圧として第2の直流電圧を生成する出力電圧生成部と、前記半導体スイッチのスイッチング動作により前記３次巻線に発生する３次巻線電圧を整流、平滑化して、第３の直流電圧を生成する電源部と、前記半導体スイッチのスイッチング動作を制御する制御信号を生成するスイッチング制御部と、３次巻線の電圧情報に基づき出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段とを備え、前記電流検出手段で検出した電流と出力電圧検出部により検出した電圧とにより前記半導体スイッチのオンオフを制御することにより、前記出力電圧生成部に接続される負荷に一定の出力電圧を供給するスイッチング電源装置であって、前記出力電圧生成部に負荷急変等により出力電圧が低下したことを検出する負荷急変検出回路を有し、前記負荷急変検出回路で検出した負荷急変検出信号によりスイッチング周波数を制御するための電圧を変化させることでスイッチング周波数を高くし、前記半導体スイッチをスイッチングさせることで負荷急変等による出力電圧の低下を検出すると共に出力電圧低下を抑制する。

第２の発明においては、第１の発明における負荷急変検出回路で検出した負荷急変検出信号をトリガー信号として前記半導体スイッチのゲートパルスを生成し、スイッチングさせることにより出力電圧が低下したことを検出し、出力電圧低下を抑制する。

第３の発明においては、第１又は第２の発明における負荷急変検出回路は定常状態では動作せず、負荷急変等により出力電圧が低下した時のみ動作することで定常状態での電力損失を抑える構成とする。

第４の発明においては、第１〜第３の発明における負荷急変検出回路は、コンデンサとフォトカプラーの１次側ダイオードと抵抗との直列回路を前記出力電圧生成部の正極と負極との間に接続する構成とする。

本発明では、３次巻線電圧を検出して、出力電圧を定電圧制御するフライバック型のススイッチング電源装置において、定常的には電力消費のない直流出力電圧の過渡変動のみを検出する微分回路を用いて負荷急変を検出し、無負荷時や軽負荷時に１次側の半導体スイッチがオフしている状態でも半導体スイッチをスイッチング開始させて、３次巻線で直流出力電圧を検出可能とし、直流出力電圧の低下を抑制する制御としている。
この結果、消費電力の低減と負荷急変時の直流出力電圧の低下の抑制が可能となる。

本発明の実施例を示す全体回路図である。図１のスイッチング制御部の詳細回路図である。本発明の第１の実施例である。本発明の第１の実施例の動作波形図である。本発明の第２の実施例である。本発明の第２の実施例の動作波形図である。帰還電圧とスイッチング周波数の関係を示す図である。従来の負荷急変時の動作図である。本発明の負荷急変時の動作図である。従来の３次巻線電圧帰還型の回路図である。フライバック型スイッチング電源の動作説明用回路図である。図１１の各部の動作波形図である。直流出力電圧を帰還させる場合の回路図である。

本発明の要点は、３次巻線電圧を検出して、出力電圧を定電圧制御するフライバック型のスイッチング電源装置において、定常的には電力消費のない直流出力電圧の過渡変動のみを検出する負荷急変検出回路を備え、無負荷時や軽負荷時に１次側の半導体スイッチがオフしている状態でも半導体スイッチをスイッチング開始させて、３次巻線で直流出力電圧を検出可能とし、直流出力電圧の低下を抑制する点である。

図１に、本発明の実施例の全体回路を、図２にスイッチング制御部９の詳細回路を、図３に本発明の第１の実施例を、図４に動作波形を、各々示す。
図1は本発明におけるスイッチング電源の主回路構成の全体回路例である。図中において、トランス6は直流入力電圧Ｖｉｎを入力する1次巻線６−１と出力電圧Ｖｏを出力するための２次巻線６−２と2次巻線６−２に発生する電圧を検出すると同時に制御回路１３の電源電圧Ｖｃｃを生成するための3次巻線６−３を有している。1次巻線６−１と2次巻線６−２の極性は逆になっており、本発明のスイッチング電源装置はフライバック型となっている。２次巻線６−２にはダイオード3とコンデンサ5からなる整流平滑及び軽負荷時或いは無負荷時に出力電圧が上昇するのを抑えるためにダミー抵抗4が接続されており、この整流平滑化回路が本発明のスイッチング電源装置の出力電圧生成部となる。

出力電圧生成部はスイッチング素子7のスイッチングにより2次側に発生するフライバック電圧を整流平滑化した出力電圧Ｖｏを負荷に供給する構成である。同様に3次巻線６−３にはダイオード１２とコンデンサ１１からなる整流平滑化回路が接続されており、この整流平滑化回路の出力が制御回路１３の電源電圧Ｖｃｃとなる。７は半導体スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴであり、ドレイン端子Ｄ、ゲート端子Ｇ、ソース端子Ｓの3端子から構成され、ゲート端子Ｇにおいて受信した制御信号に応じて、スイッチをオンオフ動作する。
そしてこのオンオフ動作によりトランス6の1次巻線６−１に流れる電流をスイッチング制御する。スイッチング制御用の制御回路１３はＭＯＳＦＥＴ7をオンオフ制御するための回路であり、３次巻線の電圧Ｖｔを出力電圧検出部１０で検出してスイッチング制御部９でスイッチング信号を生成して、ＭＯＳＦＥＴ７をオンオフ制御する。スイッチング制御部９は、出力電圧検出部１０からのフィードバック（帰還）電圧Ｖｆｂとシャント抵抗８で検出されるトランス６の１次巻線電流Ｉｓから、ゲート信号のオン幅及びスイッチング周波数を制御し、ＯＵＴ端子からＭＯＳＦＥＴ７のゲートにオンオフ信号を出力する。3次巻線６−３は2次巻線６−２と同じ極性であり、出力電圧検出部１０では３次巻線６−３の電圧Ｖｔを入力とし、出力電圧Ｖｏに応じたフィードバック電圧Ｖｆｂを生成し、スイッチング制御部9へ送る。

スイッチング制御部９の回路構成を図２に示す。名部は、可変周波数発振器ＯＳＣ、フィードバック信号の大きさに応じて発振器の出力信号を制御するコンパレータＣＰ１、フィードバック信号の大きさとトランス６の１次巻線電流Ｉｓとを比較して出力パルスをオフさせるための信号を生成するコンパレータＣＰ２、ワンショット回路1shot、フリップフロップＦＦ１などで構成され、１次巻線電流Ｉｓとフィードバック電圧Ｖｆｂとから負荷量に応じて周波数が可変し、幅制御されたパルスを端子ＯＵＴに出力する。ここで、ＢＵＦはインピーダンス変換用のバッファゲート、Ｇ１は増幅器である。

出力電圧生成部の出力端子ＰｏとＮｏ間に接続されるコンデンサ１４と抵抗１５とフォトカプラー１７の１次側ダイオードとの直列回路と、フォトカプラー１７の１次側ダイオードと逆並列接続されたダイオード１６とで構成される回路は、直流出力電圧の急変を検出するための負荷急変検出回路である。この回路は定常的にはコンデンサ１４が充電された状態であり、電力の消費はコンデンサの漏れ電流のよる僅かな量であり、損失は殆ど発生しない。直流出力電圧が負荷急変等により低下すると、コンデンサ１４の電荷が負荷を通してコンデンサ１４→負荷→フォトカプラー１７の１次側ダイオード→抵抗１５→コンデンサ１４の経路で放電し、フォトカプラー１７の１次側ダイオードに電流が流れる。この電流は微分波形であり、この損失も僅かである。ダイオード１６は負荷急変検出後、コンデンサ１４を充電するためのもので、次回の電圧低下時までにコンデンサ１４を充電させれば良いので、高インピーダンスの抵抗でも代用可能である。

負荷急変検出回路は出力電圧の微分回路として働く回路で、定常状態では出力電圧が一定のため動作しない。そのため、出力電圧が一定の場合には損失を抑えることができる。軽負荷時又は無負荷時において、待機電力を抑えるために周波数を下げている状態で負荷急変が発生し、出力電圧が低下するとフォトカプラーの発光ダイオード部に電流が流れ、負荷急変検出信号が１次側に伝送される。

図３に、負荷急変検出回路の信号を検出して、ＭＯＳＦＥＴ７のスイッチングを開始する実施例を示す。フォトカプラー１７のフォトトランジスタと抵抗１８の直列回路が制御電源電圧Ｖｃｃに接続され、出力電圧が低下してフォトカプラー１７の発光ダイオード部に電流が流れフォトトランジスタがオンすると、これをコンパレータＣＰ３で検出し、フリップフロップＦＦ２でトリガー信号を出力して、論理和ゲートＯＲを介してＭＯＳＦＥＴ７のゲート駆動信号を発生させる。図4に動作波形を示す。直流出力電圧Ｖｏに電圧低下が発生すると、負荷急変検出回路のフォトカプラー１７のフォトトランジスタに微分電流が流れ、フリップフロップＦＦ２の出力にトリガー電圧ｔｒｉｇが発生し、半導体スイッチ７がオンオフする。その結果、図１１及び図１２で説明したように、３次巻線６−３で2次巻線の電圧検出が可能となるので、通常の出力電圧制御により、出力電圧の低下を抑制することが可能となる。

図５に、本発明の第２の実施例を、図６に動作波形を、各々示す。第1の発明は、負荷急変検出回路からの信号で、半導体スイッチ用のトリガー信号を作成する構成であるが、第２の発明は、フォトトランジスタと抵抗１８との直列回路で検出した負荷急変信号をフィードバック信号としてスイッチング制御部９に入力し、半導体スイッチ７用のゲート信号のスイッチング周波数を高くする構成である。フィードバック電圧Ｖｆｂとスイッチング周波数Ｆｓｗとの関係を図７に示す。フィードバック電圧Ｖｆｂを大きくするとスイッチング周波数Ｆｓｗが高くなることが判る。スイッチング周波数を高くすると、軽負荷時や無負荷時に周波数が低いために半導体スイッチ７がオフ状態であっても、スイッチングを即座に開始することになる。その結果、図１１及び図１２で説明したように、３次巻線６−３で2次巻線の電圧検出が可能となるので、通常の出力電圧制御により、出力電圧の低下を抑制することが可能となる。

図８に従来の制御での出力電圧とスイッチング動作の関係を、図9に本発明（第1の実施例、第２の実施例）を適用した場合の出力電圧とスイッチング動作の関係を、各々示す。従来の制御では負荷急変が発生した場合、次のオンオフ信号が半導体スイッチに与えられてから、出力電圧の制御が行われるが、本発明を適用すると、負荷急変検出回路で負荷急変を検出すると即座に半導体スイッチがオンオフを開始するため、出力電圧の低下は小さく抑制されることが判る。

尚、上記実施例には、スイッチング回路としてハードスイッチングのフライバック型の回路を示したが、スイッチング回路としては、半導体スイッチと並列に共振用コンデンサを接続する擬似共振型のスイッチング回路でも実現可能である。また、２次巻線に接続されるダイオードと逆並列にＭＯＳＦＥＴを接続する同期整流型の整流回路を用いた場合にも同様に実現可能である。

本発明は、３次巻線で直流出力電圧をフィードバック検出して定電圧制御する場合の直流出力電圧の負荷急変等による過渡電圧低下を抑制する制御技術であり、ＡＣアダプター、充電器、各種機器の制御電源などへの適用が可能である。

１・・・整流回路２、５、１１、１４、Ｃｉ、Ｃｏ・・・コンデンサ
３、１２、１６・・・ダイオード４・・・ダミー抵抗
６・・・トランス７・・・ＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチ）
８・・・シャント抵抗９・・・スイッチング制御部
１０・・・出力電圧検出部１３・・・制御部
１５、１８、Ｒ１・・・抵抗１７・・・フォトカプラー
ＯＳＣ・・・発振器ＣＰ１、ＣＰ２・・・コンパレータ
１ｓｈｏｔ・・・ワンショット回路ＢＵＦ・・・バッファ
Ｇ１・・・増幅器ＦＦ１、ＦＦ２・・・フリップフロップ
Ｖｒ１、Ｖｒ２、Ｖｒ３・・・基準電圧ＯＲ・・・論理和ゲート

Claims

１次巻線と２次巻線と３次巻線とを有するトランスと、前記１次巻線に入力される第１の直流電圧をスイッチング動作によりオンオフ制御する半導体スイッチと、前記半導体スイッチのスイッチング動作により前記２次巻線に発生する２次巻線電圧を整流、平滑化して、出力電圧として第2の直流電圧を生成する出力電圧生成部と、前記半導体スイッチのスイッチング動作により前記３次巻線に発生する３次巻線電圧を整流、平滑化して、第３の直流電圧を生成する電源部と、前記半導体スイッチのスイッチング動作を制御する制御信号を生成するスイッチング制御部と、３次巻線の電圧情報に基づき出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記半導体スイッチを流れる電流を検出する電流検出手段とを備え、前記電流検出手段で検出した電流と出力電圧検出部により検出した電圧とにより前記半導体スイッチのオンオフを制御することにより、前記出力電圧生成部に接続される負荷に一定の出力電圧を供給するスイッチング電源装置であって、前記出力電圧生成部に負荷急変等により出力電圧が低下したことを検出する負荷急変検出回路を有し、前記負荷急変検出回路で検出した負荷急変検出信号によりスイッチング周波数を制御するための電圧を変化させることでスイッチング周波数を高くし、前記半導体スイッチをスイッチングさせることで負荷急変等による出力電圧の低下を検出すると共に出力電圧低下を抑制することを特徴とするスイッチング電源装置。
前記負荷急変検出回路で検出した負荷急変検出信号をトリガー信号として前記半導体スイッチのゲートパルスを生成し、スイッチングさせることにより出力電圧が低下したことを検出し、出力電圧低下を抑制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。
前記負荷急変検出回路は定常状態では動作せず、負荷急変等により出力電圧が低下したときのみ動作することで定常状態での電力損失を抑える構成とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
前記負荷急変検出回路は、コンデンサとフォトカプラーの１次側ダイオードと抵抗との直列回路を前記出力電圧生成部の正極と負極との間に接続する構成とすることを特徴とする請求項1〜３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。