JP5957308B2 - スイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明は、交流電圧が入力される一対の電源ラインに重畳するコモンモードノイズやノーマルモードノイズ等を除去するフィルタ回路を備えたスイッチング電源に関するものであり、より詳細には、前記電源ラインへの交流電圧の入力が遮断された際に、前記フィルタ回路が備えるフィルタコンデンサの蓄積電荷を放電させる放電抵抗を備えたスイッチング電源に関するものである。

スイッチング電源は、一般に、所定のＥＭＩ規格の要求を満足するため、交流電源から交流電圧が入力される一対の電源ラインに重畳するコモンモードノイズやノーマルモードノイズ等を除去するためのフィルタ回路を備えている。このフィルタ回路は、前記電源ライン間に前記ノイズを除去するためのフィルタコンデンサを設けている。

かかるスイッチング電源では、該スイッチング電源に付属のＡＣコンセントが前記交流電源の電源タップから引き抜かれて、前記電源ラインへの交流電圧の入力が遮断されると、フィルタコンデンサの残存電荷を可及的速やかに放電させることが、電子機器に対しての世界標準の安全規格の１つとして、適用されるＵＬ（Ｕｎｄｅｒｗｒｉｔｅｒｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）規格（以下、単に安全規格という）上、要求されており、そのため、前記フィルタコンデンサの蓄積電荷を放電させるための放電抵抗を備える。

図５を参照して、このような放電抵抗を備えた従来のスイッチング電源の概略構成を説明すると、スイッチング電源１は、商用の交流電源の電源タップに挿抜されるＡＣコンセント２を備える。ＡＣコンセント２が電源タップに差し込まれると、交流電源の交流電圧が一対の電源ライン３，４に入力される。フィルタ回路５は、交流電圧が入力される前記電源ライン３，４に重畳するコモンモードノイズやノーマルモードノイズ等を除去する回路であり、フィルタコイルＬ１，Ｌ２とフィルタコンデンサＣ１，Ｃ２とを具備する。フィルタコイルＬ１，Ｌ２は電源ライン３，４に直列に接続され、フィルタコンデンサＣ１は、フィルタコイルＬ１，Ｌ２の前段側の電源ライン３，４間に、また、フィルタコンデンサＣ２は、フィルタコイルＬ１，Ｌ２の後段側の電源ライン３，４間にそれぞれ接続される。そして、フィルタコンデンサＣ２には並列に放電抵抗Ｒが接続されている。

放電抵抗Ｒは、電源ライン３，４上、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２に並列に接続されており、交流電源の電源タップからＡＣコンセント２が引き抜かれて、電源ライン３，４に対しての交流電圧の入力が遮断されると、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の蓄積電荷を速やかに放電する。

なお、当該スイッチング電源１は、フィルタ回路５の後段側に、他の回路として、一次側整流平滑回路６、ＤＣ／ＡＣコンバータ７および二次側整流平滑回路８を備えている。

以上の構成を備えたスイッチング電源１において、ＡＣコンセント２が交流電源の電源タップから引き抜かれたときに、放電抵抗Ｒにより、フィルタ回路５のフィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の蓄積電荷を速やかに放電させるのは、前記安全規格の要求を満たすためである。

一方、電源ライン３，４間の距離も、前記安全規格によれば、所定以上の絶縁距離を確保することが要求される。そのため、放電抵抗Ｒとして例えば２０１２（２ｍｍ×１．２ｍｍ）サイズといったサイズが比較的小さいチップ抵抗を用いる場合、複数の直列に接続したチップ抵抗で放電抵抗Ｒを構成し、電源ライン３，４間を接続して前記絶縁距離を確保することが行われる。また、チップ抵抗それ自体も、前記安全規格の認定を受けた認定部品を用いることが要求される。

特開２０１１−２１１２８３号公報

しかしながら、従来のスイッチング電源では、放電抵抗をチップ抵抗で構成すると、絶縁距離の長さによっては、チップ抵抗の必要個数が大幅に増加し、その結果、部品の購入コストが極端に嵩むこととなり、また、チップ抵抗も前記安全規格の認定を受けた部品のみを使用する必要があることから、当該装置の製造工程で、チップ抵抗が前記安全規格上の認定を受けたチップ抵抗であるかの確認を行う必要があり、チップ抵抗の製造上の管理を余分に行う必要が生じるなど、製造コストが嵩む、といった課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、前記した放電抵抗に対して交流電圧が入力される電源ライン間の絶縁距離に関する安全規格上の考慮とか、放電抵抗に対しての安全規格上の認定などを不要にすることで、上述の課題を解消したスイッチング電源を提供することを目的とする。

本発明に係るスイッチング電源は、交流電圧が入力される一対の電源ライン間に接続されたフィルタコンデンサを少なくとも含み、前記電源ラインに重畳するノイズを除去するフィルタ回路と、前記交流電圧を整流したのち平滑して直流電圧を生成する一次側整流平滑回路と、制御回路を含み、前記制御回路の制御により、前記一次側整流平滑回路からの直流電圧を交流電圧または別の直流電圧に変換する電圧変換回路と、前記電源ラインから前記電圧変換回路内の前記制御回路に起動電流を供給する起動電流供給回路と、前記フィルタコンデンサの蓄積電荷を放電する放電抵抗と、を備え、前記起動電流供給回路は、前記フィルタ回路の出力側と前記一次側整流平滑回路の入力側との間の一対の電源ラインの一方と他方にそれぞれアノードが接続されかつ互いのカソードが共通に接続された第１および第２ダイオードを少なくとも含み、前記交流電圧の入力時に前記両電源ラインから前記第１および第２ダイオードを経由して前記制御回路に起動電流を供給するように構成され、前記一対の電源ラインの一方と他方にそれぞれにカソードが接続される一方、そのアノードが共通に接続された第３および第４ダイオードとをさらに備え、前記放電抵抗は、その一端側が前記起動電流供給回路の前記第１および第２ダイオードの共通接続されたカソード側に、また、その他端側が前記第３および第４ダイオードの共通に接続されたアノードに接続され、前記交流電圧の入力遮断時に、前記第１ダイオード、前記放電抵抗および前記第４ダイオードを通る放電経路または前記第２ダイオード、前記放電抵抗および前記第３ダイオードを通る放電経路を介して前記フィルタコンデンサの蓄積電荷を放電することを特徴とする。

前記フィルタ回路は、少なくとも１つのフィルタコンデンサを具備し、当該フィルタコンデンサは前記一対の電源ライン間に接続されたフィルタ回路を含む。

前記フィルタ回路は、複数のフィルタコンデンサを具備し、これら複数のフィルタコンデンサは直列に接続されて前記一対の電源ライン間に接続されたフィルタ回路を含む。

本発明によれば、ＡＣコンセントが電源タップから引き抜かれて、電源ラインへの交流電圧の入力が遮断されると、フィルタ回路のフィルタコンデンサに電荷が蓄積された状態にある。そして、その蓄積電荷は、フィルタコンデンサの両電極のうち、その蓄積電荷によりプラス側電圧側に充電されている電極に応じて、起動電流供給回路内の第１、第２ダイオードのうちの一方、放電抵抗、および第３、第４ダイオードのうちの一方により形成される放電経路か、または第１、第２ダイオードのうちの他方、放電抵抗、および第３、第４ダイオードのうちの他方により形成される放電経路を経由して放電することができる。

好ましくは、前記一次側整流平滑回路は、前記交流電圧を全波整流する全波整流回路を含み、前記第３および第４ダイオードは、前記全波整流回路内でフルブリッジ接続された４つの整流ダイオードのうち、整流出力の接地側として接地ラインにアノードが共通に接続された２つの整流ダイオードで構成し、前記両整流ダイオードの共通に接続したアノードを前記放電抵抗の他端側に接続する。

好ましくは、前記フィルタ回路は、前記一対の電源ライン間で互いに直列接続されかつ互いの共通接続部が接地された少なくとも２つのフィルタコンデンサを含む。

好ましくは、前記フィルタ回路は、さらに、前記両電源ラインそれぞれに直列に挿入接続され、かつ、互いに磁気結合する２つのフィルタコイルを含む。

なお、前記電圧変換回路は、コンバータトランスとスイッチング素子とを備え、前記直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣコンバータであってもよいし、当該ＤＣ／ＡＣコンバータとその後段側に接続される二次側整流平滑回路とを含めて前記直流電圧を別の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。したがって前記制御回路は、前記ＤＣ／ＡＣコンバータ内の制御回路と称してもよいし、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ内の制御回路と称してもよい。

本発明によれば、放電抵抗が、交流電圧が入力される電源ライン間ではなく、その一端側が起動電流供給回路の両ダイオードの共通接続されたカソード側に、また、その他端側が第３および第４ダイオードの共通に接続されたアノードに接続されているので、放電抵抗の接続位置に対して、安全規格上要求される電源ライン間の絶縁距離を考慮する必要がなくなり、また、安全規格の認定を受ける必要もなくなり、放電抵抗を例えばチップ抵抗で構成しても、必要とするチップ抵抗の個数を削減することが可能となる。その結果、本発明によれば、放電抵抗をチップ抵抗で構成しても、そのチップ抵抗の必要個数を従来よりも大幅に削減してその購入のコストを低減できると共に、製造上の部品管理の負担も軽減されるなど、製造上のコストを格段に低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源の回路図である。 図２は、フィルタ回路の他の例を示す図である。 図３は、フィルタ回路のさらに他の例を示す図である。 図４は、本発明の他の実施形態に係るスイッチング電源の要部の回路図である。 図５は、従来例に係るスイッチング電源の回路図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るスイッチング電源を説明する。図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源の回路図である。本実施形態のスイッチング電源は、一例として、フライバック方式であるが、フォワード方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式、等の各種スイッチング電源に適用することができる。

同図を参照して、実施の形態のスイッチング電源１Ａは、図４のそれと同様に、商用電源等の交流電源の電源タップに挿抜されるＡＣコンセント２を具備する。ＡＣコンセント２から電源ライン３，４に前記交流電源からの交流電圧が入力する。この電源ライン３，４には、当該電源ライン３，４に重畳するノイズを除去するためのフィルタ回路５が設けられている。フィルタ回路５の後段側には、順次、一次側整流平滑回路６、ＤＣ／ＡＣコンバータ７、および二次側整流平滑回路８が設けられると共に、さらに、フィルタ回路５の出力側と一次側整流平滑回路６の入力側との間に、ＤＣ／ＡＣコンバータ７内の制御回路７ａに起動電流を供給する起動電流供給回路９が設けられる。

フィルタ回路５は、電源ライン３，４にそれぞれ直列に接続され互いに磁気結合するフィルタコイルＬ１，Ｌ２と、フィルタコイルＬ１，Ｌ２の前段側で電源ライン３，４間に接続されているフィルタコンデンサＣ１と、フィルタコイルＬ１，Ｌ２の後段側で電源ライン３，４間に接続されているフィルタコンデンサＣ２とを具備する。そして、実施形態では、フィルタコンデンサＣ２に対して放電抵抗Ｒが並列接続されていない。

一次側整流平滑回路６は、ダイオードＤ３−Ｄ６のフルブリッジ接続からなる全波整流回路６ａと、平滑コンデンサＣ３と、を備え、フィルタ回路５を介する電源ライン３，４間の交流電圧を整流平滑して直流電圧を生成する。

全波整流回路６ａは、４つのフルブリッジ接続した整流ダイオードＤ３−Ｄ６を含む。そして、整流ダイオードＤ３のカソードと整流ダイオードＤ５のアノードとの共通接続部は、交流電圧の入力側として一方の電源ライン３に接続される。整流ダイオードＤ４のカソードと整流ダイオードＤ６のアノードとの共通接続部もまた、交流電圧の入力側として、他方の電源ライン４に接続される。整流ダイオードＤ５のカソードと整流ダイオードＤ６のカソードとの共通接続部は整流出力の高電位側として、整流出力ライン１０に接続され、整流ダイオードＤ３のアノードと整流ダイオードＤ４のアノードとの共通接続部は、整流出力の接地側として、接地ライン１１に接続される。

ＤＣ／ＡＣコンバータ７は、一次側整流平滑回路６からの直流電圧を交流電圧に変換する電圧変換回路として、主に、コンバータトランスＴ１、制御ＩＣからなる制御回路７ａ、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ１、電源供給回路７ｂ、フィードバック回路７ｃを具備する。コンバータトランスＴ１は、一次側巻線Ｌ３、二次側巻線Ｌ４、補助巻線Ｌ５を備える。一次側巻線Ｌ３の一端側は、一次側整流平滑回路６の整流出力高電位側となる整流出力ライン１０に接続され、他端側はスイッチング素子Ｑ１のドレインに接続される。スイッチング素子Ｑ１は、そのゲートに、制御回路７ａの制御信号が周期的に印加され、周期的にオンオフ駆動される。電源供給回路７ｂは、整流ダイオードＤ８および平滑コンデンサＣ５を含み、コンバータトランスＴ１の補助巻線Ｌ５の両端に誘起された電圧を整流平滑して直流電圧とし、その直流電圧を制御回路７ａにそれの作動電圧として供給する。フィードバック回路７ｃは、二次側整流平滑回路８の出力電圧を当該スイッチング電源の出力電圧として制御回路７ａにフィードバックするものであり、制御回路７ａは、このフィードバックされた出力電圧に基づいて、スイッチング素子Ｑ１のオンオフ周期を制御し、前記出力電圧を一定の電圧に安定化制御する。

起動電流供給回路９は、ダイオードＤ１，Ｄ２と、直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２を備え、ダイオードＤ１のアノードは、一方の電源ライン３に接続され、ダイオードＤ２のアノードは、他方の電源ライン４に接続され、両ダイオードＤ１，Ｄ２のカソードは共通に接続される。そして両ダイオードＤ１，Ｄ２の共通に接続されたカソードは、直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して、ＤＣ／ＡＣコンバータ７内の制御回路７ａの起動電流流入部に接続される。これにより、起動電流供給回路９は、電源起動時に、ＤＣ／ＡＣコンバータ７内の制御回路７ａに起動電流を流し込む。制御回路７ａは起動電流供給回路９からの起動電流の流入により起動する。なお、両ダイオードＤ１，Ｄ２の共通に接続されたカソードは、前記抵抗Ｒ１，Ｒ２により制御回路７ａの起動電流流入部に接続される。

本実施形態では、起動電流供給回路９内のダイオードＤ１，Ｄ２の共通接続されたカソードに放電抵抗Ｒの一端側を接続すると共に、放電抵抗Ｒの他端側を接地ライン１１に接続したことを特徴とする。この接地ライン１１は、一次側整流平滑回路６の全波整流回路６ａにおいて、その整流出力の接地側である整流ダイオードＤ３，Ｄ４の共通に接続されたアノードに接続されている。

動作を説明すると、スイッチング電源１Ａが作動していると、フィルタ回路５のフィルタコンデンサＣ１，Ｃ２には電荷が充放電する。そして、前記作動中において、当該スイッチング電源１ＡのＡＣコンセント２が図示略の交流電源の電源タップから引き抜かれると、スイッチング電源１Ａ内の電源ライン３，４への交流電圧の入力が遮断される。前記交流電圧の入力が遮断された際、フィルタ回路５内のフィルタコンデンサＣ１，Ｃ２には電荷が蓄積された状態となっている。

そして、前記遮断時に、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の両電極のうち、一方の電源ライン３に接続されている極側がプラス電圧側となって電荷が蓄積されていると、起動電流供給回路９のダイオードＤ１が導通状態に、また、ダイオードＤ２が非導通状態となる。そして、ダイオードＤ１が導通状態で、ダイオードＤ２が非導通状態となると、矢印ａ１〜ｄ１で示す放電経路、すなわち、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤ１、放電抵抗Ｒ、全波整流回路６ａ内の整流ダイオードＤ４を経由してフィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の蓄積電荷が放電される第１放電経路が構成されて、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の蓄積電荷が放電される。

また、前記遮断時に、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の両電極のうち、他方の電源ライン４に接続されている極側がプラス電圧側となって電荷が蓄積されていると、起動電流供給回路９のダイオードＤ２が導通状態に、また、ダイオードＤ１が非導通状態となる。そして、ダイオードＤ１が非導通状態で、ダイオードＤ２が導通状態となると、矢印ａ２〜ｅ２で示す放電経路、すなわち、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤ２、放電抵抗Ｒ、全波整流回路６ａ内の整流ダイオードＤ３を経由してフィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の蓄積電荷が放電される第２放電経路が構成されて、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２の蓄積電荷が放電される。

このように、この実施形態では、ダイオードＤ１、Ｄ２、整流ダイオードＤ３およびＤ４がそれぞれ本発明の「第１ダイオード」、「第２ダイオード」、「第３ダイオード」および「第４ダイオード」に相当する。

以上により、本実施形態によれば、放電抵抗Ｒが、交流電圧が入力される電源ライン３，４間ではなく、起動電流供給回路９内のダイオードＤ１，Ｄ２の共通接続されたカソード側と接地ライン１１との間に挿入されているので、放電抵抗Ｒに対しては、安全規格上要求される電源ライン３，４間の絶縁距離を考慮する必要がなく、また、安全規格の認定を受ける必要もなくなる結果、放電抵抗Ｒを例えばチップ抵抗で構成しても、必要とするチップ抵抗の個数を従来よりも削減することが可能となり、また、安全規格の認定を受ける必要もなくなる。

結果、本実施形態によれば、放電抵抗Ｒをチップ抵抗で構成しても、そのチップ抵抗の必要個数を従来よりも大幅に削減してその購入のコストを低減できると共に、製造上の部品管理等の負担も軽減されるなど、製造上のコストを格段に低減することができる。

また、本実施形態によれば、全波整流回路の整流ダイオードＤ４、Ｄ５を介して放電経路を構成しているので、新たにダイオードを追加する必要がない。

なお、上記実施形態のフィルタ回路５は、図２で示すように、フィルタコンデンサＣ７をアクロス・ライン・コンデンサとして電源ライン３，４間に接続したのみで構成してもよく、また、図３で示すように、フィルタコンデンサＣ８をアクロス・ライン・コンデンサとして電源ライン３，４間に接続すると共に、直列に接続した２つのフィルタコンデンサＣ９，Ｃ１０をライン・バイパス・コンデンサとして電源ライン３，４間に接続し、それらフィルタコンデンサＣ９，Ｃ１０の共通接続部を接地した構成としてもよい。

なお、上記実施形態では、一次側整流平滑回路６内の全波整流回路６ａにおける整流ダイオードＤ４を前記第１放電経路を構成するダイオードに、また、整流ダイオードＤ３を前記第２放電経路を構成するダイオードに用いたが、これら整流ダイオードＤ４，Ｄ３を使用するのではなく、図４で示すように、別の２つのダイオードＤ９，Ｄ１０それぞれのアノードを共通に接続し、この共通に接続したアノードに放電抵抗Ｒの一端側を接続する。そして、ダイオードＤ９，Ｄ１０それぞれのカソードを電源ライン３，４の一方と他方にそれぞれ個別に接続した構成としてもよい。これにより、前記第１放電経路は、図中矢印ａ３−ｃ３で示すように、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤ１、放電抵抗Ｒ、ダイオードＤ１０により、前記第２放電経路は、図中矢印ａ４−ｃ４で示すように、フィルタコンデンサＣ１，Ｃ２、ダイオードＤ２、放電抵抗Ｒ、ダイオードＤ９で構成することができる。この構成によれば、一次側整流回路が全波整流回路でない場合でも適用できる。

このように、この実施形態では、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ９およびＤ１０がそれぞれ本発明の「第１ダイオード」、「第２ダイオード」、「第３ダイオード」および「第４ダイオード」に相当する。

１Ａ スイッチング電源
２ ＡＣコンセント
３，４ 電源ライン
５ フィルタ回路
６ 一次側整流平滑回路
７ ＤＣ／ＡＣコンバータ
７ａ 制御回路
７ｂ 電源供給回路
７ｃ フィードバック回路
８ 二次側整流平滑回路
９ 起動電流供給回路
１０ 整流出力ライン
１１ 接地ライン

Claims (4)

1. 交流電圧が入力される一対の電源ライン間に接続されたフィルタコンデンサを少なくとも含み、前記電源ラインに重畳するノイズを除去するフィルタ回路と、
   前記交流電圧を整流したのち平滑して直流電圧を生成する一次側整流平滑回路と、
   制御回路を含み、前記制御回路の制御により、前記一次側整流平滑回路からの直流電圧を交流電圧または別の直流電圧に変換する電圧変換回路と、
   前記電源ラインから前記電圧変換回路内の前記制御回路に起動電流を供給する起動電流供給回路と、
   前記フィルタコンデンサの蓄積電荷を放電する放電抵抗と、
   を備え、
   前記起動電流供給回路は、前記フィルタ回路の出力側と前記一次側整流平滑回路の入力側との間の一対の電源ラインの一方と他方にそれぞれアノードが接続されかつ互いのカソードが共通に接続された第１および第２ダイオードを少なくとも含み、前記交流電圧の入力時に前記両電源ラインから前記第１および第２ダイオードを経由して前記制御回路に起動電流を供給するように構成され、
   前記一対の電源ラインの一方と他方にそれぞれにカソードが接続される一方、そのアノードが共通に接続された第３および第４ダイオードとをさらに備え、
   前記放電抵抗は、その一端側が前記起動電流供給回路の前記第１および第２ダイオードの共通接続されたカソード側に、また、その他端側が前記第３および第４ダイオードの共通に接続されたアノードに接続され、
   前記交流電圧の入力遮断時に、前記第１ダイオード、前記放電抵抗および前記第４ダイオードを通る放電経路または前記第２ダイオード、前記放電抵抗および前記第３ダイオードを通る放電経路を介して前記フィルタコンデンサの蓄積電荷を放電することを特徴とするスイッチング電源。
2. 前記一次側整流平滑回路は、前記交流電圧を全波整流する全波整流回路を含み、
   前記第３および第４ダイオードは、前記全波整流回路内でフルブリッジ接続された４つの整流ダイオードのうち、整流出力の接地側として接地ラインにアノードが共通に接続された２つの整流ダイオードで構成し、前記両整流ダイオードの共通に接続したアノードを前記放電抵抗の他端側に接続した、請求項１に記載のスイッチング電源。
3. 前記フィルタ回路は、前記一対の電源ライン間で互いに直列に接続されかつ互いの共通接続部が接地された少なくとも２つのフィルタコンデンサを含む請求項１または２に記載のスイッチング電源。
4. 前記フィルタ回路は、さらに、前記両電源ラインそれぞれに直列に挿入接続され、かつ、互いに磁気結合する２つのフィルタコイルを含む請求項１ないし３のいずれかに記載のスイッチング電源。

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