JP5844432B1 - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の削減が可能であり、種々の異常に対応できる電源回路を提供する。【解決手段】本発明の電源回路１０は、電源Ｓの電力を負荷Ｌｏに供給するための回路である。電源回路１０は、トランス１２、トランス１２の一次巻線１４に流れる電流をスイッチングによって制御するスイッチング制御回路２０、二次巻線１６の電圧を検知するフィードバック検知回路２２、スイッチング制御回路２０にスイッチングの指令ＳＷを送るマイコン２４を備え、負荷Ｌｏに電力供給をおこなう。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング制御をおこなう電源回路に関するものである。

従来、種々の電源回路が開発されている。たとえば、特許文献１は、トランスの３次巻線を制御回路（マイコン）の電源にした回路を開示している。３次巻線に接続されたコンデンサが電源電圧で充電される。コンデンサが制御回路の起動電圧に達すると、制御回路はスイッチングを開始する。スイッチングによって、３次巻線に電圧が発生し、コンデンサの電圧が制御回路を駆動させるのに十分な電圧になる。過負荷になると、起動回路を切り替え、制御回路の停止時の消費電力を低くしている。

近年、種々の電気製品で消費電力の削減が求められている。しかし、特許文献１は、制御回路の起動後の消費電力削減を開示していない。また、特許文献１は、過負荷時の対応を記載しているが、過負荷以外にも過電圧などの種々の異常があり、特許文献１の回路では種々の異常に対応できない。

特許文献２は、起動回路と電源供給停止回路を備えた電源回路である。起動回路が、制御ＩＣに起動時の電力を供給し、所定時間経過後に電力供給を停止する。瞬時停電などのときに電力供給が断たれないように、時定数回路を組み込んでいる。そのため、電源供給停止回路の部品点数が多くなる。

特開２００７−１１６７８９号 特開２０１４−９６９２１号

本発明の目的は、消費電力を削減でき、種々の異常に対応できる電源回路を提供することにある。

本発明は、電源と負荷の間の電源回路である。電源回路は、電源からの電圧が上昇するとオンになる起動回路と、一次巻線、二次巻線および補助巻線を有するトランスと、前記一次巻線に流れる電流をスイッチングによって制御するスイッチング制御回路と、前記二次巻線の電圧を検知するフィードバック検知回路と、前記スイッチング制御回路にスイッチングの信号を送るマイコンと、前記補助巻線の電圧を検知し、マイコンで監視する補助巻線電圧監視回路と、前記マイコンに電力を供給するために、電源または起動回路の使用を切り替える起動電源切替回路とを備える。

マイコンが、起動回路からの電圧によって駆動し、起動回路からの電圧が一定値以上になると、スイッチング制御回路にスイッチングの信号を送り、スイッチング指令がスイッチングを開始し、スイッチング制御回路がスイッチングを開始後、補助巻線の電圧が所定値以上であり、かつ、フィードバック検知回路が検知する電圧が所定値以上の場合に、起動電源切替回路がマイコンへの電力供給を起動回路から補助巻線に切り替え、負荷への定電圧供給をおこなう。

本発明によると、マイコンの電源を電源電圧から補助巻線に切り替えることにより、マイコンの起動とその後の継続的な駆動をおこなうことができる。電源電圧を常時使用しないので消費電力が削減される。

本発明の電源回路の回路図である。 起動ステートにおけるタイミングチャートである。 異電圧保護のためのタイミングチャートである。 定常ステートの定電圧制御におけるタイミングチャートである。 ドレイン電圧とドレイン電流の関係を示すタイミングチャートであり、（ａ）はトランスのエネルギーが放出しきる前にターンオンし、（ｂ）はトランスのエネルギーが放出するタイミングでターンオンする。 定常ステートのターンオン・ターンオフ制御におけるタイミングチャートである。 ドレイン電流のピーク値を変化させるタイミングチャートである。 ドレイン電流のピーク値を徐々に変化させる図である。 待機ステートにおけるタイミングチャートである。 過電圧保護のためのタイミングチャートである。 過電流保護のためのタイミングチャートである。 過負荷保護のためのタイミングチャートである。 バイアスアシストのためのタイミングチャートである。

本発明の電源回路について図面を使用して説明する。説明する電源回路はフライバック式のディジタル電源回路である。先ず、電源回路の基本構成について説明する。なお、図２以降に示す各タイミングチャートは、一部を除いて縦軸を電圧、横軸を時間にしており、異なる場合はその都度説明する。説明の便宜上、タイミングチャートごとに時間軸等のスケールが異なる場合がある。

図１に示す本発明の電源回路１０は、電源Ｓの電力を負荷Ｌｏに供給するための回路である。電源回路１０は、トランス１２、トランス１２の一次巻線１４に流れる電流をスイッチングによって制御するスイッチング制御回路２０、二次巻線１６の電圧を検知するフィードバック検知回路２２、スイッチング制御回路２０にスイッチングの指令（パルス）ＳＷを送るマイコン２４を備える。

電源Ｓは交流電源であり、電源Ｓの出力は整流回路ＤＢ１とコンデンサＣ１によって整流平滑される。整流回路ＤＢ１はダイオードブリッジの全波整流回路を使用する。コンデンサＣ１は、コンデンサを使用する。

トランス１２は、一次巻線１４、二次巻線１６および補助巻線１８を備える。一次巻線１４は、整流回路ＤＢ１およびスイッチング制御回路２０に接続されている。一次巻線１４に流れる電流はスイッチング制御回路２０によってスイッチングされる。

ダイオードＤ２、コンデンサＣ１２、Ｃ１３およびコイルＬ１が、二次巻線１６に接続されている。一次巻線１４に電流が流れ、トランス１２のコアに電気エネルギーが蓄積され、二次巻線１６からダイオードＤ２を介して電流が流れる。二次巻線１６の電圧は、ダイオードＤ２、コンデンサＣ１２、Ｃ１３およびコイルＬ１によって整流平滑される。整流平滑された電圧ＶＣＣ３が負荷Ｌｏに供給される。

ダイオードＤ３とコンデンサＣ１５が補助巻線１８に接続されている。二次巻線１６と同様に、一次巻線１４に電流が流れ、トランス１２のコアに電気エネルギーが蓄積され、補助巻線１８からダイオードＤ３を介して電流が流れる。ダイオードＤ３とコンデンサＣ１５によって、補助巻線１８の電圧は整流平滑され、マイコン２４の電源として使用できる。

二次巻線１６および補助巻線１８の電圧ＶＣＣ１、ＶＣＣ３は、一次巻線１４に流れる電流がスイッチングされることにより上昇し、スイッチング停止によって降下する。

スイッチング制御回路２０は、ＩＣ２６とＦＥＴ１（スイッチング用ＦＥＴ）を備える。ＦＥＴ１は、内蔵ダイオードを備えたＦＥＴであっても良い。ＩＣ２６とＦＥＴ１は１つのチップに内蔵されたものであっても良い。ＩＣ２６が無く、ＦＥＴ１のみであってもよい。

ＩＣ２６はマイコン２４からのスイッチングの指令ＳＷによって、ＦＥＴ１のゲートに信号を入力または停止し、ＦＥＴ１をオンまたはオフさせる。ＦＥＴ１のドレインが一次巻線１４に接続されており、ソースが抵抗Ｒ２６を介してグランドレベルに接続されている。ＦＥＴ１がオン・オフされることにより、一次巻線１４に流れる電流がスイッチングされる。ＩＣ２６は、マイコン２４から信号ＳＷが入力されると、電圧ＶＣＣ１をＦＥＴ１のゲートに印加する。マイコン２４からの信号ＳＷはハイ（Ｈｉ）またはロー（Ｌｏｗ）であり、その信号ＳＷを判断するために電圧ＶＣＣ２を使用する。

フィードバック検知回路２２は、電圧ＶＣＣ３を分圧する分圧抵抗Ｒ１２、Ｒ２０、シャントレギュレータ２８、フォトカプラ３０を備える。分圧抵抗Ｒ１２、Ｒ２０は、シャントレギュレータ２８のリファレンス端子への電圧を調節している。シャントレギュレータ２８のアノード端子とリファレンス端子の間に、コンデンサＣ７と抵抗Ｒ１９を直列接続した負帰還回路が接続されている。フォトカプラ３０への電圧は、シャントレギュレータ２８のアノードに接続された抵抗Ｒ１１、Ｒ１８によって調整される。２つの抵抗Ｒ１１、Ｒ１８が直接接続されており、その１つの抵抗Ｒ１８とフォトカプラ３０が並列接続されている。

電圧ＶＣＣ３が上昇し、規定電圧になると、シャントレギュレータ２８のリファレンス端子に印加される電圧が、シャントレギュレータ２８のオン電圧になる。シャントレギュレータ２８がオンになり、フォトカプラ３０がオンになる。フォトカプラ３０がオンになると、電圧ＶＣＣ２を分圧抵抗Ｒ１６、Ｒ１７で分圧した信号がマイコン２４に入力される。

マイコン２４の端子ＦＢがフィードバック検知回路２２に接続されている。端子ＦＢへの入力は、ハイ（Ｈｉ）またはロー（Ｌｏｗ）の２種類の電圧であり、電圧ＶＣＣ３が規定電圧になると、ハイの電圧が端子ＦＢに印加される。フィードバック検知回路２２からのハイの信号がマイコン２４に入力されると、マイコン２４は電圧ＶＣＣ３の電圧が規定値を越えていることを検出できる。

マイコン２４は、電源回路１０を制御するものである。電源回路１０はフライバック式の電源回路であり、フィードバック検知回路２２からの信号に応じてスイッチング制御回路２０にスイッチングの指令ＳＷを送る。スイッチングの指令ＳＷはパルスであり、パルスが入力されるとＦＥＴ１がオンになる。

以上の構成によって、マイコン２４からスイッチング制御回路２０にスイッチングの指令ＳＷを送ると、ＦＥＴ１がスイッチングされ、一次巻線１４に流れる電流がスイッチングされる。このスイッチングによって、二次巻線１６および補助巻線１８の電圧ＶＣＣ３、ＶＣＣ１が上昇する。二次巻線１６の電圧ＶＣＣ３が規定電圧以上になると、フィードバック検知回路２２からマイコン２４に信号が入力される。マイコン２４は、スイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを停止する。一次巻線１４の電流が停止し、二次巻線１６の電圧ＶＣＣ３が降下する。二次巻線１６の電圧ＶＣＣ３が一定電圧を下回ると、フィードバック検知回路２２からマイコン２４への信号が停止され（ローになり）、マイコン２４は再びスイッチング制御回路２０にスイッチングの指令ＳＷを送る。これらの動作は、後述する定常ステートの一部である。

また、電源回路１０は、（Ａ）電源電圧ＰＶが電源回路１０に初めて供給された時の起動ステート、（Ｂ）起動が成功し、負荷Ｌｏへ通常の電力供給をおこなう定常ステート、（Ｃ）負荷Ｌｏを停止させたときの待機ステート、（Ｄ）埃などの付着や電子部品の劣化などによって、過電流などの異常が発生したときの異常ステートの４つのステートを有する。先ず、起動ステートのための構成について説明する。

（Ａ１）起動ステート
起動ステートは、電源電圧ＰＶが電源回路１０に初めて供給され、負荷Ｌｏに定電圧供給をおこなうまでの状態である。起動ステートのために、電源回路１０は、上記の回路構成以外に、下記に示す回路構成を有する。

電源回路１０は、電源電圧ＰＶの上昇によってオンになる起動回路３２、補助巻線１８の電圧を監視する補助巻線電圧監視回路３４、マイコン２４の電源を切り替える起動電源切替回路３６、および電源電圧監視回路３８を備える。

起動回路３２は、ＦＥＴ２、ＦＥＴ２のドレインとソースに接続された抵抗Ｒ５、Ｒ２７を備える。電圧ＰＶがＦＥＴ２のゲートをオンにする電圧を超えると、ＦＥＴ２がオンになる。ＦＥＴ２のゲートに印加される電圧は、抵抗Ｒ３、Ｒ４およびツェナーダイオードＺＤ１によって設定する。ツェナーダイオードオＺＤ１によって、ゲートに一定電圧以上の電圧が印加されないようにし、ＦＥＴ２を保護する。ツェナーダイオードＺＤ１のアノードに逆流防止用のダイオードＤ１を接続する。起動回路３２の出力は、電圧ＶＣＣ１に印加される。

電圧ＶＣＣ１は補助巻線電圧監視回路３４によりマイコン２４で監視される。補助巻線電圧監視回路３４は、ダイオードＤ３を介して補助巻線１８に接続されている。補助巻線電圧監視回路３４は、分圧抵抗Ｒ７、Ｒ８を用いる。分圧抵抗Ｒ７、Ｒ８によって、電圧ＶＣＣ１を分圧した電圧をマイコン２４で監視する。電圧ＶＣＣ１は、補助巻線１８や起動回路３２の出力電圧である。

電圧ＶＣＣ１を電圧ＶＣＣ２にするためのレギュレータ４０が補助巻線電圧監視回路３４に接続されている。レギュレータ４０へ入力する電圧の値はツェナーダイオードＺＤ２で決定される値より大きくならない。レギュレータ４０には、入力と出力にコンデンサＣ５、Ｃ６が接続されており、レギュレータ４０の発振を抑制している。出力に接続されたコンデンサＣ１４は、電圧サージやリプルを取り除いている。レギュレータ４０の出力電圧ＶＣＣ２がマイコン２４やスイッチング制御回路２６の電源となる。電圧ＶＣＣ１が一定電圧以上になれば、レギュレータ４０によって電圧ＶＣＣ２が生成され、マイコン２４を駆動させる電源になる。

補助巻線１８にダイオードＤ３とコンデンサＣ１５が接続されている。ダイオードＤ３とコンデンサＣ１５によって補助巻線１８の電圧ＶＣＣ１が整流平滑される。

起動電源切替回路３６は、トランジスタＱ１を備える。トランジスタＱ１のベースがマイコン２４に接続されており、マイコン２４からの電圧によってトランジスタＱ１がオン・オフする。ベースに印加する電圧の値は、抵抗Ｒ１、Ｒ２によって調節される。トランジスタＱ１のコレクタは起動回路３２のＦＥＴ２のゲートに抵抗Ｒ４を介して接続され、エミッタはグランドレベル（０Ｖ）である。トランジスタＱ１がオンになると、起動回路３２のＦＥＴ２のゲート電圧が低下する。ＦＥＴ２がオフになり、起動回路３２がオフになる。

電源電圧監視回路３８は、整流平滑された電源電圧ＰＶをマイコン２４に入力するものである。電源電圧監視回路３８は、分圧抵抗Ｒ２８、Ｒ２９を利用し、マイコン２４に電圧ＰＶを分圧した電圧を入力している。マイコン２４は、電圧ＰＶに応じて定常ステート時に起動回路３２のＦＥＴ２をオフにし、トランス１２のエネルギーが放出するタイミングを決定する。

起動ステートにおけるタイムチャートは図２のようになる。以下、起動ステートの回路動作について説明する。

（１）電源回路１０に電源Ｓが入力され、整流回路ＤＢ１とコンデンサＣ１によって整流平滑される。その整流平滑された電源電圧ＰＶが上昇し、起動回路３２のＦＥＴ２のゲートに一定以上の電圧が印加されると、ＦＥＴ２がオンになる。

（２）ＦＥＴ２がオンになったことで、抵抗Ｒ５、Ｒ２７とＦＥＴ２を通じて補助巻線電圧監視回路３４に電力が供給される。抵抗Ｒ５、Ｒ２７とＦＥＴ２を通じるため、電圧ＶＣＣ１が徐々に上昇する。

（３）レギュレータ４０を通して電圧ＶＣＣ１から電圧ＶＣＣ２を生成する。電圧ＶＣＣ２が一定電圧になると、マイコン２４が起動する。

（４）マイコン２４の起動後、補助巻線電圧監視回路３４が電圧ＶＣＣ１の値を監視する。電圧ＶＣＣ１は徐々に上昇する。電圧ＶＣＣ１が所定値のスイッチングスタート電圧ＰＷＭ＿ＳＴＡＲＴまで到達すると、マイコン２４からスイッチング制御回路２０にスイッチングの指令ＳＷを送る。スイッチング制御回路２０は、スイッチングの指令ＳＷが入力されたとき、ＦＥＴ１のゲートにオン信号を入力し、ＦＥＴ１をオンにする。ＦＥＴ１がオンになるとトランス１２の一次巻線１４に電流が流れる。ＦＥＴ１のオンとオフを繰り返すことによって、ＦＥＴ１がスイッチングされる。

（５）ＦＥＴ１のスイッチングが開始されると電圧ＶＣＣ１および電圧ＶＣＣ３の電圧が上昇する。電圧ＶＣＣ１は、一端上昇した後、下降し、再び上昇する。これは、スイッチング制御回路２０などでの電力消費が影響するためである。

（６）フィードバック検知回路２２が電圧ＶＣＣ３の電圧を監視する。電圧ＶＣＣ３が規定値まで到達するとシャントレギュレータ２８がオンになり、電流が流れる。このとき、フォトカプラ３０がオンになる。電圧ＶＣＣ２を抵抗Ｒ１６、Ｒ１７で分圧した信号がマイコン２４に入力され、マイコン２４は電圧ＶＣＣ３が規定値に到達していることを認識できる。

（７）電圧ＶＣＣ１の電圧が所定値の起動電圧ＫＩＤＯＵ＿ＣＨＧ以上であり、かつ上記（６）のフィードバック検知回路２２からの信号がマイコン２４に入力されていれば、マイコン２４の電源を切り替える。マイコン２４が起動電源切替回路３６のトランジスタＱ１のベースに電圧を印加し、トランジスタＱ１をオンにする。起動回路３２のＦＥＴ２のゲート電圧が下がり、起動回路３２のＦＥＴ２がオフになる。

起動回路３２のＦＥＴ２がオフになることにより、電源電圧ＰＶがＦＥＴ２を介して補助巻線電圧監視回路３４に供給されなくなる。補助巻線１８の電圧がダイオードＤ３とコンデンサＣ１５で整流平滑され、電圧ＶＣＣ１となる。電圧ＶＣＣ１はレギュレータ４０によって電圧ＶＣＣ２になり、マイコン２４に供給され、マイコン２４の駆動が継続される。マイコン２４の電源として電源電圧ＰＶを使用しないため、消費電力を抑えることができる。起動回路３２のＦＥＴ２をオフにするタイミングをマイコン２４で決定しているため、マイコン２４が起動・再起動する前に電源供給が断たれることはない。起動電源切替回路３６に時定数回路を組み込んでいないため、起動電源切替回路３６の部品点数を少なくでき、部品点数が少なくなるため不具合を減らすことができる。

起動電圧ＫＩＤＯＵ＿ＣＨＧは、電源を切り替えた後、後述する定常ステートにおいて、定電圧制御をおこなえる値である。

なお、上記（４）〜（７）が所定時間内にできない場合、マイコン２４は異常ステートに移行し、スイッチングをおこなわない。

以上の工程が終了すると、マイコン２４は定常ステートに移行する。定常ステートでは、電圧ＶＣＣ３が負荷Ｌｏに供給される。

起動ステートにおけるスイッチングは、ソフトスタートを利用する。電源電圧ＰＶの投入直後はトランス１２が飽和しやすく、ドレイン電流がいきなり大きくなると、回路部品などを破壊するためである。ソフトスタートによってドレイン電流を徐々に大きくする。

ソフトスタートするために、ＦＥＴ１のゲートに入力する信号はＰＷＭ（パルス幅変調）を利用する。たとえば、１ミリ秒ごとにＦＥＴ１のゲートに入力する信号のパルス幅を広くする。起動ステート中に一定のパルス幅になれば、以降はそのパルス幅を維持する。

ソフトスタートは起動ステートで利用する。定常ステートに移行すれば、ソフトスタートは利用しない。また、起動ステート中は、電圧ＶＣＣ３を利用したフィードバック制御はおこなわない。

（Ａ２）起動ステートにおける異電圧保護機能
規格外の電源に接続されたとき、特に規格以上の高電圧電源に接続されたときに、起動回路３２のＲ５に大電流が流れ発熱・破損する恐れがあり、発熱・破損を防止する必要がある。起動回路３２は、トランジスタＱ１２を備えており、トランジスタＱ１２のベースとＦＥＴ２のソースが接続されている。また、トランジスタＱ１２のコレクタとＦＥＴ２のゲートが接続されている。この接続によって、以下に説明するように、ＦＥＴ２とトランジスタＱ１２が交互にオンすることができる。抵抗Ｒ２７はシャント抵抗である。

（１）起動ステートにおいて、電源電圧監視回路３８からマイコン２４に電源電圧ＰＶを入力する。電源電圧ＰＶが規格にあっているかを確認する。

（２）図３のように、電源電圧ＰＶが規格よりも高い場合であれば、マイコン２４は異常ステートに移行する。マイコン２４からスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令を停止し、ＦＥＴ１が発振しないようにする。

（３）規格以上の電圧の場合、起動回路３２のＦＥＴ２がオンになり、抵抗Ｒ２７の電圧がトランジスタＱ１２をオンにする電圧を超える。

（４）トランジスタＱ１２がオンになると、ＦＥＴ２のゲート電圧が低下し、ＦＥＴ２がオフになる。

ＦＥＴ２がオフになった後、抵抗Ｒ２７の電圧が下がるため、トランジスタＱ１２がオフになり、再びＦＥＴ２がオンになる。すなわち、（３）と（４）が交互に繰り返される。この繰り返しによって、起動回路３２に大電流が流れず、起動回路３２の保護が可能になる。起動回路３２に流れる電流をシャント抵抗Ｒ２７で検知しトランジスタＱ１２でＦＥＴ２を制御する事で電流を制限する機能（電流制限回路）を備えることになり、起動回路３２に大電流が流れることを防げるため、部品の破損を防ぐことが出来き、異なる電源電圧ＰＶに対応できるマルチ電源入力に対応することができる。

また、電源電圧ＰＶが規格よりも低い場合であれば、マイコン２４が起動できず、スイッチングはおこなわれない。電源回路１０が駆動せず、使用者が異常であることを認識できる。

（Ｂ１）定常ステート：定電圧制御
定常ステートは、起動ステートが異常なく終了した後に、負荷Ｌｏに電力を供給する状態である。定常ステートの定電圧制御は、起動ステート後に電圧ＶＣＣ３を監視し、電圧ＶＣＣ３を一定電圧に維持する。電圧ＶＣＣ３が負荷Ｌｏに印加される。定常ステートにおいて、マイコン２４は以下のように電源回路１０を制御する。定電圧制御のタイムチャートは、図４のようになる。

（１）上述したように、スイッチングによって電圧ＶＣＣ３が所定の電圧規定値を超えるとフォトカプラ３０がオンになる。フィードバック検知回路２２からマイコン２４に信号が入力される。

（２）フィードバック検知回路２２からマイコン２４に信号が入力されると、マイコン２４はスイッチング制御回路２０への信号ＳＷを停止する。スイッチング制御回路２０がスイッチングを停止する。スイッチングが停止されることにより、電圧規定値より大きくならないようにする。また、消費電力が低減される。

（３）スイッチングが停止されることにより、二次巻線１６の電圧ＶＣＣ３が下がる。電圧ＶＣＣ３が定電圧規定値を下回るとシャントレギュレータ２８がオフになり、フォトカプラ３０もオフになる。フィードバック検知回路２２からマイコン２４への信号が停止する。

（４）フィードバック検知回路２２からマイコン２４への信号が停止されると、マイコン２４はスイッチング制御回路２０にスイッチングの信号ＳＷを入力し、スイッチング制御回路２０は再びＦＥＴ１のスイッチングをおこなう。二次巻線１６の電圧ＶＣＣ３が再び上昇する。電圧ＶＣＣ３が規定値を超えると、上記（１）の工程に戻る。（１）〜（４）の工程を繰り返すことにより、定電圧制御を行う。

なお、ＦＥＴ１のオンとオフを繰り替えし、スイッチングをおこなっている期間を発振期間とする。また、スイッチングをおこなっていない期間を停止期間とする。発振期間と停止期間が交互に現れ、ほぼ一定の電圧（定電圧規定値）を負荷Ｌｏに供給できる。定電圧規定値は、負荷Ｌｏに対する設計において適宜変更しても良い。

定常ステートの定電圧制御は、上記（１）〜（４）が繰り返され、発振期間と停止期間が交互に現れる間欠発振である。電圧ＶＣＣ３が規定値付近でほぼ一定になる。停止期間があるため、ＦＥＴ１がオンになる回数が少なくなり、スイッチング損失が低減される。図４では、発振期間に３回の信号ＳＷが有るが、他の回数であっても良い。

定常ステートは、定電圧制御に対して、後述する（Ｂ２）〜（Ｂ４）の制御が組み合わされても良い。定電圧制御で消費電力を低減させながら、トランス１２のエネルギー利用効率を高めたりすることができる。

（Ｂ２）定常ステート：ターンオン・ターンオフタイミング制御
図５（ａ）のように、トランス１２に蓄えられたエネルギーが放出しきる前にＦＥＴ１をオンにして、ターンオンになると、ドレイン電流が高い状態から流れる。スイッチング損失が増え、スイッチング効率が低下する。そのため、図５（ｂ）のように、トランス１２に蓄えられたエネルギーが放出するタイミングでターンオンすることが好ましい。

電源回路１０は、補助巻線１８に接続した擬似ドレイン電圧検知回路４２と、ＦＥＴ１のソースに接続されたドレイン電流検知回路４２を備える。

擬似ドレイン・ソース電圧検知回路４２は、ＦＥＴ１のドレイン・ソース電圧と同じタイミングでドレイン・ソース電圧と同様の電圧を出力する回路である。擬似ドレイン・ソース電圧検知回路４２は、ダイオードＤ５、抵抗Ｒ９および抵抗Ｒ１０が直列接続され、ダイオードＤ６が抵抗Ｒ１０に並列接続されている。

ダイオードＤ６のアノードがマイコン２４の擬似ドレイン・ソース電圧検知端子４４に接続されている。端子４４にドレイン・ソース電圧と同じタイミングで同じ波形の電圧が入力される。抵抗Ｒ９と抵抗Ｒ１０による分圧によって、入力される電圧は、実際のＦＥＴ１のドレイン・ソース電圧よりも低くなっており、抵抗Ｒ９、Ｒ１０で入力電圧を適宜調節することができる。

なお、擬似ドレイン・ソース電圧検知回路４２を使用せずに、ＦＥＴ１のドレイン・ソース電圧を直接計測することも可能である。しかし、ドレイン・ソース電圧が高圧であり、直接ドレイン・ソース電圧をマイコン２４で計測することができず、分圧抵抗を用いる必要がある。そのため、消費電力が大きくなり、好ましくない。また、擬似ドレイン・ソース電圧検知回路４２は、スイッチングが停止されれば電力消費がないが、直接ドレイン・ソース電圧を検出すると、電源電圧ＰＶと同じ電圧がかかるため、常に電力消費され、好ましくない。

ドレイン電流検知回路４６は、ＦＥＴ１のソースとマイコン２４の間に接続され、ドレイン電流を電圧に変換する抵抗Ｒ２１である。抵抗Ｒ２１を介してマイコン２４にドレイン電流に対応した電圧値が入力される。マイコン２４における抵抗Ｒ２１が接続される端子を符号４８とする。ドレイン電流検知回路４６は、抵抗Ｒ２１の代わりにオペアンプで電流電圧変換回路を構成し、ドレイン電流を電圧に変換してマイコン２４に入力しても良い。

電源回路１０は、図６に示すようにターンオン・ターンオフ制御をおこなう。なお、図５と図６の信号ＳＷの１つが図４の信号ＳＷの１つに相当する。

（１）マイコン２４からスイッチング制御回路２０にスイッチングの信号を入力すると、ＦＥＴ１にドレイン電流が流れ、ドレイン電流検知回路４６でドレイン電流を検知し、その値がマイコン２４に入力される。

（２）ＦＥＴ１のドレイン電流が上昇し、閾値ＣＭＰ２になったとき、ＦＥＴ１をオフ（ターンオフ）するために、マイコン２４からスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを停止する。

（３）ＦＥＴ１のターンオフによってドレイン電圧が発生し、擬似ドレイン・ソース電圧検知回路４２の出力電圧（端子４４の電圧）が閾値ＣＭＰ０以上になる。

（４）トランス１２に蓄えられたエネルギーが放出しきるとき、擬似ドレイン・ソース電圧検知回路４２の出力電圧が低下し、閾値ＣＭＰ０より低くなる。閾値ＣＭＰ０より低くなるタイミングでスイッチング制御回路２０にスイッチングの指令ＳＷを入力し、ターンオンする。なお、図６に示すように、閾値ＣＭＰ０になった後、端子４４の電圧は自由共振しながら低下するが、第１回目の自由共振のボトムでターンオンさせる。

（１）〜（４）を繰り返すスイッチングをおこなう。トランス１２に蓄積されたエネルギーが放出されてドレイン電圧が下がるのを待ってターンオンすることで、スイッチング損失を抑えることができる。

（Ｂ３）定常ステート：効率に応じたドレイン電流の制御
スイッチング電源の効率を考える上で、スイッチング損失とオン損失が重要になる。スイッチング損失は、ＦＥＴ１のオンとオフが切り替わるときに発生する。スイッチング周期が短いほど、単位時間当たりの損失量が大きくなる傾向がある。オン損失は、ＦＥＴ１がオンになり、その時にドレイン電流が流れることにより生じる損失である。スイッチング周期が長いほどオン損失は大きくなる傾向がある。これらの損失はスイッチング周期だけでなく、ＦＥＴ１やトランスの特性、入力電圧などによっても損失量が変化する。これらの損失をいずれも下げる必要がある。そのための構成および制御について説明する。

電源回路１０のマイコン２４内に、スイッチングをおこなう期間を測定するタイマーを備える。マイコン２４は、測定された期間に応じて、スイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを変更する。スイッチングの指令ＳＷの変更により、図７に示すように、ドレイン電流のピーク値（閾値ＣＭＰ２）を段階的に変更する。以下、ドレイン電流のピーク値の変更方法を説明する。

（１）上記のように、スイッチングによって二次巻線１６の電圧ＶＣＣ３が上昇する。二次巻線１６の電圧ＶＣＣ３が規定値以上になることにより、スイッチングを停止する。停止によって二次巻線１６の電圧ＶＣＣ３が定電圧規定値よりも下がれば、スイッチングをおこなう。一定期間Ｔ０に発振期間と停止期間が現れる。

発振期間では、ＦＥＴ１がオンになるとドレイン電流が上昇し、閾値ＣＭＰ２になったときに、ＦＥＴ１をオフにする。

スイッチングの停止期間が長く、発振期間が短くなると、スイッチングの回数が少なく、ドレイン電流のピーク値が高くなりすぎている。電力の利用効率が悪くなっており、ドレイン電流のピーク値を下げる必要がある。

発振期間が発振規定時間よりも短いと判定された期間Ｔ０が連続しており、その回数が所定回数（図７では３回）まで達した場合、ドレイン電流の閾値ＣＭＰ２を下げる。マイコン２４からスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを送るとき、オンになる時間を短くなるようにする。所定回数は適宜変更可能であり、期間の判定を所定回数おこなうことにより、ドレイン電流を最適な値にすることができる。

なお、図７の発振期間は説明のためのイメージであり、発振期間の長短は、それぞれ発振規定時間を超えるか否かで判定する。具体的には、タイマーによって発振期間を測定し、発振期間が規定時間を超えているか否かで判定する。発振規定時間は、電力の利用効率と最大出力電力を考慮して決定する。期間Ｔ０において発振期間以外は停止期間である。停止期間を短くする事でリップル電圧の低減にもつながる。発振規定時間の代わりに停止規定時間を設定し、停止規定時間を超えているか否かで停止期間を判定しても良い。

発振期間と停止期間は表裏一体であり、回路設計時に発振期間で設定するか停止期間で設定するかは、回路設計者が適宜選択する事項であり、いずれで設定しても最終的な回路動作に影響はない。停止期間を使用した場合、停止規定時間を使用することになる。このことは、他の説明においても同じである。

（２）発振期間が短くないと判定されるまで、閾値ＣＭＰ２を下げ、ドレイン電流を下げる。ドレイン電流は、段階的に下げる。図７であれば、２段階下げたときに発振期間が規定時間を超えなくなっている。閾値ＣＭＰ２は複数の段階があり、各段階の差は、一定であっても良いし、異なっていても良い。

（３）一定期間Ｔ０が発振期間ばかりになった場合、閾値ＣＭＰ２を上げ、ドレイン電流を上げる。マイコン２４からスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを送るとき、オンになる時間を長くし、ドレイン電流が高くなるようにする。

ドレイン電流が低い場合、負荷Ｌｏで必要な電力が二次巻線１６の電力を上回り、出力電圧が低下するおそれがある。そのため、発振期間が規定期間以上になった場合、ドレイン電流の値は、閾値ＣＭＰ２が最大になるまで変更する。ドレイン電流のピーク値が最大になるため、出力電圧の低下を防止し過渡応答特性を向上させ、負荷Ｌｏの駆動を継続させることができる。

ドレイン電流を最大値まで上げた結果、ドレイン電流が高すぎる場合、上記（１）と（２）の工程によって、ドレイン電流を下げる。

ドレイン電流のピーク値を変動させることで、出力電力を制御することになる。負荷Ｌｏが下がるとき、ドレイン電流のピーク値を下げることでオン損失が小さくなる。

上述したこととは異なり、ドレイン電流を高い状態から変えず、発振停止期間を設ける（間欠発振にする）ことで、出力電力を制御する。発振期間が発振規定時間よりも短いと判定された期間Ｔ０が連続しておらず、その回数が所定回数（図７では３回）まで達していない場合、ドレイン電流の閾値ＣＭＰ２を下げず、維持する。間欠発振にすることで、単位時間当たりのスイッチング回数を減らし、スイッチング損失を低減させる。ＦＥＴ１のドレイン電流の閾値ＣＭＰ２を下げないことで、発振期間を短くすることができる。

オン損失を低減させる場合とスイッチング損失を低減させる場合について説明した。どちらの制御方法が効率を良くできるかは、ＦＥＴ１やトランス１２の部品特性、スイッチング周期や入力電圧などの動作条件によって変化する。例えば、ＦＥＴ１のオン抵抗が大きい部品を使用した場合、スイッチング損失に対しての影響は少ないがオン損失は大きくなる。オン抵抗が小さいＦＥＴに比べると２つの損失の合計の中でオン損失の占める割合が大きくなり、ドレイン電流のピーク値を下げる制御を行うことによるオン損失の減少量は大きくなる。本発明の回路１０は、部品特性、動作条件などによる損失の変化に合わせて、上記いずれかの制御方法または両方の制御方法を使い分け、常に効率の良い制御方法を設定できる。

（Ｂ４）定常ステート：音鳴り対策のためのドレイン電流の制御
トランス１２のコアは磁束密度の変化によって微妙に変形する。スイッチングによって磁束密度が変化し続け、トランス１２のコアが振動する。発振と停止を繰り返す間欠発振の周期が可聴域に入ったとき、トランス１２の振動が聞こえる。磁束密度の変化量が大きいほど音も大きくなるため、ドレイン電流が大きくなれば磁束密度の変化が大きく、振動音が大きくなる。

図８に示すように、停止期間から発振期間になるとき、ドレイン電流を段階的に高めていく。また、発振期間から停止期間になるとき、段階的にドレイン電流が低くする。ドレイン電流を段階的に変化させるために、閾値ＣＭＰ２を段階的に変化させ、マイコン２４からスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを徐々に変化させる。スイッチング制御回路２０はスイッチングの期間が徐々に変化し、ドレイン電流を段階的に変化させることができる。

磁束密度の変化が段階的になり、トランス１２が振動したときに、振動音が大きくならないようにできる。

（Ｃ）待機ステート
負荷Ｌｏが停止し、ＶＣＣ３への電力供給が必要ない場合、マイコン２４への電力供給が確保されればよい。そのため、図９のように、補助巻線１８の電圧ＶＣＣ１がマイコン２４に必要な電圧に維持されるようにする。負荷Ｌｏが停止している間、負荷Ｌｏを駆動させる必要がないため、電圧ＶＣＣ３は、負荷Ｌｏが駆動しているときよりも低くする。電圧ＶＣＣ１、ＶＣＣ３を下げることで、消費電力を減らすことができる。

マイコン２４が定常ステートと待機ステートを区別するために、マイコン２４に待機信号入力の端子が設けられている。外部からマイコン２４に定常ステートと待機ステートを区別する信号が入力される。外部として、負荷Ｌｏを制御するＩＣまたは電源回路１０と負荷Ｌｏを含む製品全体を制御するＩＣが挙げられる。たとえば、負荷Ｌｏが駆動していれば定常ステートの信号、駆動していなければ待機ステートの信号が入力される。マイコン２４は、入力された信号で定常ステートと待機ステートを切り替える。以下、待機ステートになった後の動作について説明する。

（１）スイッチングによって電圧ＶＣＣ１が定電圧規定値を超えた場合、マイコン２４はスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを停止し、スイッチングを停止させる。なお、電圧ＶＣＣ１の定電圧規定値は、マイコン２４を駆動させる電圧ＶＣＣ２が生成できる最低電圧である。電圧ＶＣＣ１の定電圧既定値は、ＶＣＣ３の定電圧規定値と異なっていても良い。

（２）スイッチングの停止によって、電圧ＶＣＣ１が定電圧規定値よりも低くなれば、マイコン２４はスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令を送り、スイッチング制御回路２０はスイッチングする。

（１）と（２）を繰り返しおこなうことにより、電圧ＶＣＣ１を定電圧制御し、マイコン２４への電源を確保できる。その際出力電圧ＶＣＣ１を下げている為、消費電力を下げる事ができる。また、待機ステートも間欠発振となっており、消費電力を低減できる。

（Ｄ１）異常ステート：過電圧保護
出力電圧が大きくなりすぎたとき、種々の部品が破損しないように保護する必要がある。

補助巻線電圧監視回路３４で電圧ＶＣＣ１を監視する。定常ステートにおいて、定電圧制御されていれば、規定電圧付近で安定する。

図１０のように、電圧ＶＣＣ１が所定の過電圧検知電圧を超えれば、マイコン２４は異常ステートに移行する。異常ステートの時、スイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを停止する。スイッチング制御回路２０は、以降のスイッチングを停止するため、電圧ＶＣＣ１も低下していく。

なお、過電圧を検知したのみで、その後のスイッチングは続けても良い。スイッチングの停止または続行はマイコンの設定によって変更する。電源回路１０にディスプレイやＬＥＤを接続し、異常ステートになったことをディスプレイに表示したり、ＬＥＤを点灯させて知らせても良い。他の異常ステートにおいても、表示等をおこなうようにしても良い。

（Ｄ２）異常ステート：過電流保護
ＦＥＴ１のドレイン電流が流れすぎたとき、ＦＥＴ１などの回路部品が破損しないように保護する必要がある。

電源回路１０は、過電流回路５０を備える。過電流回路５０は、ＦＥＴ１のドレイン電流が一定値以上になるとオンになるトランジスタＱ２、トランジスタＱ２のコレクタに接続された２つのダイオードＤ７、Ｄ８を備える。

トランジスタＱ２は、ベースがＦＥＴ１のソースに接続され、エミッタはグランドレベルである。抵抗Ｒ２５、Ｒ２６によってベース電圧が調節される。ダイオードＤ７のアノードが、マイコン２４のスイッチングの指令を出力する端子５２に接続されている。ダイオードＤ８のアノードは、マイコン２４の過電流を検出する端子５４に接続されている。ダイオードＤ８のアノードは抵抗Ｒ２２を介して電圧ＶＣＣ２が印加されており、マイコン２４が検出する。ＦＥＴ１に過電流が流れなければ、端子５４は電圧ＶＣＣ２によってハイになっている。

（１）定常ステートおよび待機ステートにおいて、ＦＥＴ１に過電流が流れると、抵抗Ｒ２５の電圧が上昇し、トランジスタＱ２がオンになる。

（２）トランジスタＱ２がオンになったことにより、ダイオードＤ７を介して端子５２の電圧が低下する。後述するように、マイコン２４からスイッチングの指令ＳＷは出力されないが、マイコン２４から指令ＳＷが出されたとしても、スイッチング制御回路２０にはスイッチングの指令ＳＷが入らない。スイッチングは停止される。

（３）端子５４はハイからローに切り替わる（図１１）。マイコン２４が、過電流であることを検知し、異常ステートに移行する。異常ステートではマイコン２４からスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令ＳＷを送らないようにする。

ＦＥＴ１のスイッチングがおこなわれないため、ドレイン電流が流れない。過電流となったドレイン電流が流れないため、ＦＥＴ１などの回路部品を保護できる。

（Ｄ３）異常ステート：過負荷保護
電源回路１０の出力から異常に電流が流れたとき、種々の部品が破損しないように保護する必要がある。たとえば、発振期間ばかりで停止期間がない場合に、負荷Ｌｏへの電力供給が過剰になっているおそれがある。

（１）定常ステートにおいて、上記した閾値ＣＭＰ２が最大に変更されたとき、再びフィードバック検知回路２２からの信号を監視する。

（２）図１２のように、閾値ＣＭＰ２を最大に変更し、かつ、一定期間Ｔ０において発振期間のみで停止期間が無い場合、マイコン２４からスイッチング制御回路２０へのスイッチングの指令を停止する。ＦＥＴ１がスイッチングされず、負荷Ｌｏに大電流が流れるのを防止する。電圧ＰＶによってドレイン電流が変化するため、閾値ＣＭＰ２の最大値は、電圧ＰＶによって決定し、電圧ＰＶの変化に応じて常時変更する。

なお、図１２は図７と同様に、発振期間は説明のためのイメージであり、発振期間の長短は、発振規定時間を超えるか否かで判定する。

（Ｄ４）異常ステート：バイアスアシスト機能
マイコン２４は補助巻線１８を電源として駆動するが、補助巻線１８からの電力供給が減り、電圧ＶＣＣ１が低下した場合、マイコン２４が駆動できなくなる。マイコン２４への電源を確保する必要がある。なお、本説明におけるバイアスアシストとは、マイコン２４を駆動させるための電圧が低下したときに、駆動させるために必要な電圧にすることである。

（１）マイコン２４は、補助巻線電圧監視回路３４により、電圧ＶＣＣ１を監視する。なお、起動ステート時に、起動電源切替回路３６のトランジスタＱ１がオンになり、起動回路３２のＦＥＴ２がオフになっている。

（２）補助巻線１８の電圧ＶＣＣ１が、所定のバイアスアシスト開始電圧よりも下回ったとき、マイコン２４は異常ステートに移行する（図１３）。マイコン２４が起動電源切替回路３６への出力をハイからローに切り替える。起動電源切替回路３６のトランジスタＱ１がオフになる。バイアスアシスト開始電圧は、マイコン２４を駆動させるために電圧ＶＣＣ１から電圧ＶＣＣ２を生成するための最低電圧である。マイコン２４が駆動できなくなることを防止するためである。なお、バイアスアシスト開始電圧を最低電圧よりも少し高く設定し、回路駆動に余裕を持たせても良い。

（３）トランジスタＱ１がオフになったことにより、起動回路３２のＦＥＴ２が電源電圧ＰＶによってオンになり、電圧ＶＣＣ１が上昇する。レギュレータ４０を介して電圧ＶＣＣ２がマイコン２４に供給されるため、マイコン２４の駆動が確保される。

何らかの原因で補助巻線１８の電圧ＶＣＣ１が降下しても、マイコン２４の電源を電源電圧ＰＶから確保できる。マイコン２４の駆動が継続されるため、異常を知らせることが可能である。マイコン２４が不揮発性メモリを備え、マイコン２４に不揮発性メモリに書き込む機能があっても良い。不揮発性メモリに異常を記録する事で故障解析も容易になる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：電源回路
１２：トランス
１４：一次巻線
１６：二次巻線
１８：補助巻線（三次巻線）
２０：スイッチング制御回路
２２：フィードバック検知回路
２４：マイコン
２６：ＩＣ
２８：シャントレギュレータ
３０：フォトカプラ
３２：起動回路
３４：補助巻線電圧監視回路
３６：起動電源切替回路
３８：電源電圧監視回路
４０：レギュレータ
４２：擬似ドレイン・ソース電圧検知回路
４６：ドレイン電流検知回路
５０：過電流回路
４４、４８、５２、５４：端子

Claims (9)

1. 電源と負荷の間の電源回路であって、
   前記電源からの電圧が上昇するとオンになる起動回路と、
   一次巻線、二次巻線および補助巻線を有するトランスと、
   前記一次巻線に流れる電流をスイッチングによって制御するスイッチング制御回路と、
   前記二次巻線の電圧を検知するフィードバック検知回路と、
   前記スイッチング制御回路にスイッチングの信号を送るマイコンと、
   前記補助巻線の電圧を検知し、前記マイコンに入力する補助巻線電圧監視回路と、
   前記マイコンに電力を供給するために、前記電源または前記起動回路の使用を切り替える起動電源切替回路と、
   を備え、
   前記マイコンが、前記起動回路からの電圧によって駆動し、
   前記起動回路の電圧がスイッチングスタート電圧以上になると、前記スイッチング制御回路にスイッチングの信号を送り、スイッチング指令がスイッチングを開始し、
   前記スイッチング制御回路がスイッチングを開始後、前記補助巻線の電圧が起動電圧以上であり、かつ、前記フィードバック検知回路が検知する電圧が所定値以上の場合に、前記マイコンから前記起動電源切替回路に電圧を印加することで前記起動回路がオフになり、電源電圧が前記起動回路を介して前記補助巻線電圧監視回路に供給されなくすることで、前記マイコンへの電力供給を前記起動回路から前記補助巻線に切り替え、
   前記負荷への定電圧供給をおこなう
   電源回路。
2. 前記起動回路がＦＥＴとトランジスタとシャント抵抗で構成される電流制限回路を備え、
   前記ＦＥＴのソースが前記トランジスタのベースに接続され、該ＦＥＴのゲートが前記トランジスタのコレクタに接続され、前記トランジスタのベースエミッタ間に前記シャント抵抗が接続され、
   前記電源の電圧が所定範囲以上の場合に、前記起動回路に流れる電流を前記シャント抵抗で検知し、前記トランジスタで前記ＦＥＴを制御する事で前記起動回路に流れる電流を制限できる請求項１の電源回路。
3. 前記スイッチング制御回路がスイッチング用ＦＥＴを備え、
   前記マイコンが、
   前記スイッチング用ＦＥＴのドレイン電流が閾値になったときに該スイッチング用ＦＥＴをオフし、
   前記補助巻線に擬似的に現れる前記スイッチング用ＦＥＴのドレイン・ソース電圧が閾値以下になったときに該スイッチング用ＦＥＴをオンする
   請求項１または２の電源回路。
4. 前記スイッチングの発振期間が発振規定期間より短く、かつ、該発振規定期間より短い発振期間が所定回数連続した場合に、または停止期間が停止規定期間よりも長く、かつ、該停止規定期間より長い期間が所定回数連続した場合に、前記スイッチング用ＦＥＴのドレイン電流の閾値を下げる請求項３の電源回路。
5. 前記スイッチング用ＦＥＴのドレイン電流の閾値が複数であり、
   前記スイッチングをおこなう発振期間が規定期間になった場合に、前記スイッチング用ＦＥＴのドレイン電流の閾値を最大になるまで変更する
   請求項３または４の電源回路。
6. 前記スイッチングの発振期間が発振規定期間より短くなく、かつ、該発振規定期間より短い発振期間が所定回数連続しない場合に、または停止期間が停止規定期間より長くなく、該停止規定期間より長い停止期間が所定回数連続しない場合に、前記スイッチング用ＦＥＴのドレイン電流の閾値を下げない請求項３から５のいずれかの電源回路。
7. 前記スイッチングをおこなう際、徐々に前記スイッチング用ＦＥＴのドレイン電流の閾値を上昇させ、
   前記スイッチングを停止する際、徐々に前記スイッチング用ＦＥＴのドレイン電流の閾値を低下させる
   請求項３から６のいずれかの電源回路。
8. 前記負荷が駆動しない場合、
   前記補助巻線の電圧が該補助巻線の定電圧規定値以下の場合に、前記スイッチング制御回路がスイッチングをおこない、
   前記補助巻線の電圧が該補助巻線の定電圧規定値以上の場合に、前記スイッチング制御回路がスイッチングを停止する
   請求項１から７のいずれかの電源回路。
9. 前記補助巻線の電圧がバイアスアシスト開始電圧以下になった場合、前記起動電源切替回路が前記起動回路をオンにし、前記起動回路からの電圧で前記マイコンを駆動させる請求項１から８のいずれかの電源回路。

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