JP5971227B2 - スイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明はスイッチング電源に関し、特に間欠動作と通常動作の制御に関する。

低消費電力が求められるスイッチング電源には、スイッチ素子をスイッチングするスイッチング期間と、スイッチ素子のスイッチングを一時停止させるスイッチング休止期間とを設ける間欠動作モードが実装されているものがある。

下記の特許文献１には、負荷の動作状態、待機状態、非動作状態において、スイッチングレギュレータを安価に電源変換効率良く制御することを目的として、動作状態においてオン時間制御手段からの信号に応じてスイッチング手段を連続的にオンオフし、待機状態においてスイッチング手段を間欠的にオンオフするためにトランスの２次側の出力電圧を監視し、出力電圧に応じてスイッチング手段をオフすることが開示されている。

特許第５０２０４７９号公報

間欠動作モードは消費電力の低減に有効であるが、スイッチング休止期間では出力電圧が低下する一方、スイッチング期間の開始時には大きな電流が流れるため、出力電圧に大きなノイズが混入する問題がある。そして、スイッチング電源の後段にアンプ回路が接続されている場合、通常動作時にこのノイズによってアンプ回路の歪みがさらに増大してしまう。

本発明の目的は、待機状態（スタンバイ状態）においては間欠動作モードを維持して消費電力の低減を図るとともに、通常動作状態においては速やかに連続動作モードに切り替える、特に、通常動作状態において負荷の消費電流が小さくても速やかに連続動作モードに切り替えることができるスイッチング電源を提供することにある。

本発明は、交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、前記整流器に接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子に一次側が接続され、二次側に負荷が接続されるトランスと、前記スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、待機状態と通常動作状態との切替に応じて切替信号を前記制御部に出力する切替信号生成部とを備え、前記制御部は、前記トランスの二次側電力に応じて変動するモード切替電圧を閾値と大小比較し、その比較結果に応じて前記スイッチング素子を間欠動作モードと連続動作モードとの間で切り替えて制御するものであり、かつ、前記切替信号に応じて前記モード切替電圧と閾値のいずれかを変更することで、前記通常動作状態において前記連続動作モードに切り替えることを特徴とする。

本発明において、制御部は、トランスの二次側電力に応じて変動するモード切替電圧を用いて間欠動作モードと連続動作モードとの間で切り替える。すなわち、モード切替電圧を閾値と大小比較し、その比較結果に応じてスイッチング素子を間欠動作モードと連続動作モードとの間で切り替えて制御する。待機状態から通常動作状態に切り替わった場合、これに連動して切替信号が切替信号生成部から生成され、この切替信号によりモード切替電圧と閾値のいずれかが変更されるため、間欠動作モードから連続動作モードへの切替が容易化される。例えば、モード切替電圧が閾値未満の場合に間欠動作モードに移行する場合、切替信号によりモード切替電圧を上昇させるように変更することで、結果としてモード切替電圧は閾値未満とならず、通常動作モードへの移行が容易化される。

本発明の１つの実施形態では、前記制御部は、前記モード切替電圧が前記閾値未満の場合に前記間欠動作モードで制御するものであり、かつ、前記切替信号が前記通常動作状態を示す信号である場合に前記モード切替電圧を上昇させ、あるいは前記閾値を小さく変更することを特徴とする。

本発明の他の実施形態では、さらに、前記トランスの二次側電圧を検出し、前記二次側電圧が上昇するとこれに応じて低下するように前記モード切替電圧を生成する定電圧制御部と、前記トランスの一次側電流を検出する電流検出手段と、前記切替信号が前記通常動作状態を示す信号である場合に前記電流検出手段の出力電圧にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段とを備え、前記制御部は、前記電流検出手段の出力電圧と前記モード切替電圧に比例する基準電圧とを比較し、前記電流検出手段の出力電圧が前記基準電圧以上の場合に前記スイッチング素子をオンからオフに制御し、かつ、前記切替信号が前記通常動作状態を示す信号である場合に前記バイアス印加手段で前記バイアス電圧が印加された前記電流検出手段の出力電圧を前記基準電圧と比較することを特徴とする。

本発明によれば、待機状態においては間欠動作モードを維持して消費電力の低減を図るとともに、通常動作状態においては速やかに連続動作モードに切り替えることができる。

実施形態の回路構成図である。 間欠動作モード及び連続動作モードにおけるタイミングチャートである。 スイッチング部出力及び切替信号のタイミングチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態におけるスイッチング電源の回路構成を示す。本実施形態のスイッチング電源は、例えばオーディオ装置の電源として用いられる。

スイッチング電源は、ＡＣ電源に接続されるプラグ１０と、スイッチング部１６および電源ＩＣ１８を含むスイッチング回路部と、トランス２０と、整流部２４と、負荷２６と、定電圧制御部２８と、切替信号生成部３２を含んで構成される。

ＡＣ電源に接続されたプラグ１０からの交流電圧は、フィルタ１２を介して全波整流器１４で整流されてスイッチング部に供給される。

スイッチング回路部は、スイッチング部１６及び電源ＩＣ１８を含む。スイッチング部１６は、２つのスイッチ素子から構成され、１つはハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈであり、他の１つはローサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｌである。ハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈ及びローサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｌは互いに直列に接続され、ハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈは全波整流器１４の正極側に接続され、ローサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｌは全波整流器１４の負極側に接続される。

電源ＩＣ１８はドライバ回路を含み、制御端子はハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈ及びローサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｌのゲート端子に接続される。電源ＩＣ１８のドライバ回路は、制御端子から出力するスイッチング制御信号によりハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈ及びローサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｌをオンオフ制御する。ローサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｌと全波整流器１４の負極側との間には電流検出抵抗２２が接続され、電流検出抵抗２２の一端は、抵抗を介して電源ＩＣ１８のＩＳＥＮ端子に接続される。従って、電流検出抵抗２２に電流が流れることで、その電流値に応じた電圧がＩＳＥＮ端子に印加され、電源ＩＣで検出される。ハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈ及びローサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｌの接続節点はトランス２０の一次側コイルの一端に接続され、ローサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｌの他端はトランス２０の一次側コイルの他端に接続される。

トランス２０の一次側コイルは上記のようにスイッチング部１６に接続され、トランス２０の二次側コイルは整流部２４に接続されて整流され、直流電圧に変換されて負荷２６に供給される。電源ＩＣ１８によるスイッチング部１６の出力であるスイッチング信号によりトランス２０の一次側電圧が変化し、これによりトランス２０の二次側に出力され負荷２６に供給される出力電圧も変化する。

定電圧制御部２８は、整流部２４の出力電圧を監視し、出力電圧に応じてフォトカプラ３０の発光ダイオードに流れる電流を調整する。すなわち、定電圧制御部２８は、出力電圧が高ければ発光ダイオードに流れる電流を増大させ、出力電圧が低ければフォトカプラ３０の発光ダイオードに流れる電流を減少させる。フォトカプラ３０の受光素子は電源ＩＣ１８のＣＯＭＰ端子に接続される。出力電圧が高ければ発光ダイオードに流れる電流が増大するため、ＣＯＭＰ端子のＣＯＭＰ電圧は低下する。また、出力電圧が低ければ発光ダイオードに流れる電流は減少するためＣＯＭＰ端子のＣＯＭＰ電圧は高くなる。

切替信号生成部３２は、待機状態（スタンバイ状態）と通常動作状態の切り替えに連動して信号を生成する回路であり、待機状態ではロー（Ｌｏｗ）、通常動作状態ではハイ（Ｈｉ）となる切替信号を生成してフォトカプラ３４に出力する。フォトカプラ３４の受光側は、バイアス抵抗３６を介して電源ＩＣ１８の＋５Ｖ端子及びＩＳＥＮ端子に接続される。従って、電源ＩＣ１８のＩＳＥＮ端子には、フォトカプラ３４がオンすることでバイアス抵抗３６を介してバイアス電圧が印加される。

このような回路構成において、次に、本実施形態の動作について説明する。

＜全体動作＞
まず、全体動作について説明する。

電源ＩＣ１８に含まれるドライバ回路が制御端子からスイッチング制御信号を出力することでスイッチング部１６をオンオフ制御する。スイッチング部１６のオンオフによる電圧変動がトランス２０を介し、整流部２４で整流されて直流電圧として負荷２６に供給される。

スイッチング部１６のハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈがオンしたときに電流検出抵抗２２に電流が流れ、電源ＩＣ１８のＩＳＥＮ端子に三角波状の電圧が印加される。電源ＩＣ１８は、比較回路を有し、ＣＯＭＰ端子の電圧（ＣＯＭＰ電圧）に比例する電圧を基準電圧として、ＩＳＥＮ端子の電圧（ＩＳＥＮ電圧）と基準電圧とを大小比較する。

電源ＩＣ１８は、比較回路での比較の結果、ＩＳＥＮ電圧が基準電圧未満であればハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈをオンのまま維持するが、ＩＳＥＮ電圧が基準電圧以上となると、ハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈをオンからオフに制御する。

＜間欠動作モード＞
次に、間欠動作モードについて説明する。

間欠動作モードは、二次側の負荷２６が小さいときの動作であり、待機状態（スタンバイ状態）の動作である。二次側に供給する電力が二次側で消費される電力よりも大きいため、スイッチングを繰り返していると、二次側電圧が上昇していく。

定電圧制御部２８は、二次側電圧である整流部２４の出力電圧を監視しており、出力電圧が高くなるとフォトカプラ３０の発光ダイオードに流れる電流を増大させるため、ＣＯＭＰ電圧が低下する。

電源ＩＣ１８は、トランス２０の二次側電力に応じて変動するモード切替電圧として機能するＣＯＭＰ電圧を監視し、ＣＯＭＰ電圧が第１閾値、例えば１．７５Ｖ未満であるか否かを判定する。ＣＯＭＰ電圧が１．７５Ｖ未満となると、電源ＩＣ１８のドライバ回路はスイッチング制御信号の出力を停止してスイッチング部１６のスイッチングを停止する。電源ＩＣ１８は、ＣＯＭＰ電圧が第２閾値、例えば１．８２Ｖに達するまでスイッチングの停止状態を維持する。これにより、スイッチング期間とスイッチング休止期間が生成され、間欠動作モードとなる。

なお、二次側の負荷２６が増加し、フォトカプラ３０の発光ダイオードに流れる電流が減少してＣＯＰＭ電圧が上昇し、ＣＯＭＰ電圧が第１閾値、すなわち１．７５Ｖ未満とならなくなると、スイッチング休止期間には入らなくなり、連続動作モードとなる。

＜連続動作モード＞
本実施形態において、待機状態（スタンバイ状態）から通常動作状態に移行すると、切替信号生成回路３２からハイ信号が出力される。これにより、フォトカプラ３４がオンとなり、バイアス抵抗３６を介してバイアス電圧がＩＳＥＮ端子に印加される。バイアス電圧が印加されるため、ＩＳＥＮ電圧は上昇する。

全体動作において説明したように、電源ＩＣ１８は、ＩＳＥＮ電圧と基準電圧とを比較し、ＩＳＥＮ電圧が基準電圧未満であればハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈをオンとし、ＩＳＥＮ電圧が基準電圧以上であればハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈをオフするため、バイアス電圧によりＩＳＥＮ電圧が上昇すると、ＩＳＥＮ電圧が基準電圧以上となりやすくなり、ハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈはオフしやすくなる。すなわち、ハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈのオン時間は短くなる。これにより、１回のスイッチングで二次側に供給される電力が減る。二次側に供給される電力が減少すると、定電圧制御部２８によりＣＯＭＰ電圧が上昇し、ＣＯＭＰ電圧が第１閾値、すなわち１．７５以上となって連続動作モードに移行する。

本実施形態では、従って、たとえ間欠動作している程度の負荷電流であったとしても、通常動作状態に切り替わり切替信号生成部３２からハイ信号が出力されたことをトリガとして連続動作モードに自動的に移行する点に留意されたい。

図２に、本実施形態におけるタイミングチャートを示す。図２（ａ）は間欠動作時のタイミングチャート、図２（ｂ）は切替信号生成部３２、フォトカプラ３４、及びバイアス抵抗３６が存在しない場合の連続動作モードのタイミングチャート、図２（ｃ）は本実施形態の連続動作モードのタイミングチャートである。

図２（ａ）において、上から順に、スイッチング部１６のオンオフ状態、モード切替電圧としてのＣＯＭＰ電圧、ＣＯＭＰ電圧に比例した基準電圧（図ではＣＯＭＰ電圧を示す）及びＩＳＥＮ電圧の時間変化を示す。電源ＩＣ１８の比較回路は、ＩＳＥＮ電圧を基準電圧と比較し、その大小関係に応じてハイサイドＭＯＳＦＥＴ１６Ｈのスイッチングをオンオフ制御する。ＣＯＭＰ電圧が１．７５Ｖ以上であればこのスイッチング制御を実行し、ＣＯＭＰ電圧が１．７５Ｖ未満になるとスイッチング制御を停止してスイッチング休止期間となる。ＣＯＭＰ電圧が上昇して１．８２Ｖに達すると、電源ＩＣ１８は再びスイッチング制御を実行する。

図２（ｂ）において、二次側の負荷２６の負荷電流が増大して、ＣＯＭＰ電圧が１．７５Ｖ未満にならなくなると、電源ＩＣ１８はスイッチング制御を実行し続けるので連続動作となる。待機状態から通常動作状態に切り替わっても、切替信号生成部３２、フォトカプラ３４及びバイアス抵抗３６が存在しないため、ＩＳＥＮ端子にはバイアス電圧は印加されず、ＩＳＥＮ電圧は電流検出抵抗２２による三角波状の電圧のみである。

図２（ｃ）において、通常動作状態に切り替わると、切替信号生成部３２、フォトカプラ３４及びバイアス抵抗３６によりＩＳＥＮ端子にはバイアス電圧が印加されるから、ＩＳＥＮ電圧は図２（ｂ）の場合よりもバイアス電圧分だけ上昇する。

図３に、待機状態（スタンバイ状態）から通常動作状態に切り替わり、通常動作状態から再び待機状態（スタンバイ状態）に戻る場合のタイミングチャートを示す。図３（ａ）は、切替信号生成部３２、フォトカプラ３４及びバイアス抵抗３６が存在しない場合のスイッチング部１６のタイミングチャート、図３（ｂ）は本実施形態のスイッチング部１６のタイミングチャート、図３（ｃ）は本実施形態の切替信号生成部３２から出力される切替信号のタイミングチャートである。

図３（ａ）において、待機状態（スタンバイ状態）では間欠動作モードで動作し、スイッチング期間とスイッチング休止期間が存在する。通常動作状態においても、二次側の負荷２６の負荷電流が小さい場合にはスイッチング制御を繰り返していると二次側電圧が上昇し、定電圧制御部２８の動作によりＣＯＭＰ電圧が１．７５Ｖ未満となって間欠動作モードとなる。このような間欠動作モードから連続動作モードに移行する場合、上述したように、連続動作モードの開始時には大きな電流が流れるため、出力電圧に大きなノイズが混入し、後段にアンプ回路が接続されている場合にこのノイズによってアンプ回路の動作時に歪みが増大してしまう。

他方、図３（ｂ）において、待機状態から通常動作状態に切り替わると、図３（ｃ）に示すように切替信号がロー（Ｌｏｗ）からハイ（Ｈｉ）となり、これによりＩＳＥＮ電圧にバイアス抵抗３６を介してバイアス電圧が印加され、ＩＳＥＮ電圧が上昇する。このため、スイッチング部１６のオン時間が短くなり、二次側に供給される電力が減少する。従って、たとえ二次側の負荷２６の負荷電流が小さくてもＣＯＭＰ電圧は１．７５Ｖ未満となることはなく、あるいはたとえ１．７５Ｖ未満になったとしても迅速にＣＯＭＰ電圧が上昇して１．８２Ｖに達して間欠動作モードを脱して連続動作モードに移行する。図において、通常動作状態では間欠動作モードではなく連続動作モードでスイッチングされていることを示す。この状態で再び待機状態（スタンバイ状態）に切り替わると、図３（ｃ）に示すように切替信号がハイ（Ｈｉ）からロー（Ｌｏｗ）となり、ＩＳＥＮ端子にはバイアス電圧が印加されず、間欠動作モードに移行する。

このように、本実施形態では、ＣＯＭＰ電圧を第１閾値（１．７５Ｖ）及び第２閾値（１．８２Ｖ）と大小比較し、ＣＯＭＰ電圧が第１閾値未満となった場合にスイッチング制御を停止して間欠動作モードに移行する回路構成において、待機状態（スタンバイ状態）から通常動作状態に切り替わった場合にＩＳＥＮ電圧にバイアス電圧を印加することで二次側に供給される電力を減少させてＣＯＭＰ電圧を上昇させ、これによりＣＯＭＰ電圧が第１閾値未満とならないように制御することで間欠動作モードから容易に脱出せしめて連続動作モードで動作するようにしたので、アンプ回路の歪みを効果的に抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、切替信号生成部３２からの切替信号によりＩＳＥＮ電圧にバイアス電圧を印加することでＣＯＭＰ電圧を上昇させて第１閾値以上とし、間欠動作モードから連続動作モードに移行しているが、ＣＯＭＰ電圧を上昇させるのではなく、切替信号生成部３２からの切替信号により電源ＩＣ１８が第１閾値を減少させてもよい。これによっても、結果としてＣＯＭＰ電圧が第１閾値以上となるため、間欠動作モードから連続動作モードに移行することになる。要するに、ＣＯＭＰ電圧と第１閾値の少なくともいずれかを変更して連続動作モードに移行し易くすればよい。ＣＯＭＰ電圧は、間欠動作モードと連続動作モードとを切り替えるためのモード切替電圧として機能し、他方、ＣＯＭＰ電圧は、トランス２０の二次側電圧により増減調整される。従って、切替信号生成部３２からの切替信号によりＣＯＭＰ電圧と第１閾値のいずれかを変更することは、トランス２０の二次側電圧に応じて変動するモード切替電圧を閾値と大小比較してその比較結果に応じて間欠動作モードと連続動作モードを切り替える際に、切替信号に応じてモード切替電圧と閾値のいずれかを変更するものといえる。

また、本実施形態では、第１閾値を１．７５Ｖ、第２閾値を１．８２Ｖとしてヒステリシス特性を持たせているが、これは間欠動作モードと連続動作モードの切替をスムーズに行うためのものであり、必ずしも必須ではなく、第１閾値＝第２閾値としてもよい。

１０ プラグ、１２ フィルタ、１４ 全波整流器、１６ スイッチング部、１８ 電源ＩＣ，２０ トランス、２２ 電流検出抵抗、２４ 整流部、２６ 負荷、２８ 定電圧制御部、３０，３４ フォトカプラ、３２ 切替信号生成部、３６ バイアス抵抗。

Claims (3)

1. 交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、
   前記整流器に接続されるスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子に一次側が接続され、二次側に負荷が接続されるトランスと、
   前記スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、
   待機状態と通常動作状態との切替に応じて切替信号を前記制御部に出力する切替信号生成部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記トランスの二次側電力に応じて変動するモード切替電圧を閾値と大小比較し、その比較結果に応じて前記スイッチング素子を間欠動作モードと連続動作モードとの間で切り替えて制御するものであり、かつ、前記切替信号に応じて前記モード切替電圧と閾値のいずれかを変更することで、前記通常動作状態において前記連続動作モードに切り替える
   ことを特徴とするスイッチング電源。
2. 請求項１に記載のスイッチング電源において、
   前記制御部は、前記モード切替電圧が前記閾値未満の場合に前記間欠動作モードで制御するものであり、かつ、前記切替信号が前記通常動作状態を示す信号である場合に前記モード切替電圧を上昇させ、あるいは前記閾値を小さく変更する
   ことを特徴とするスイッチング電源。
3. 請求項２に記載のスイッチング電源において、さらに、
   前記トランスの二次側電圧を検出し、前記二次側電圧が上昇するとこれに応じて低下するように前記モード切替電圧を生成する定電圧制御部と、
   前記トランスの一次側電流を検出する電流検出手段と、
   前記切替信号が前記通常動作状態を示す信号である場合に前記電流検出手段の出力電圧にバイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、
   を備え、
   前記制御部は、前記電流検出手段の出力電圧と前記モード切替電圧に比例する基準電圧とを比較し、前記電流検出手段の出力電圧が前記基準電圧以上の場合に前記スイッチング素子をオンからオフに制御し、かつ、前記切替信号が前記通常動作状態を示す信号である場合に前記バイアス印加手段で前記バイアス電圧が印加された前記電流検出手段の出力電圧を前記基準電圧と比較する
   ことを特徴とするスイッチング電源。

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