JP6040647B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って発生するＧＮＤバウンスノイズを低減したスイッチング電源装置に関する。

スイッチング電源装置は、概略的には、例えば図５(ａ)および図６(ａ)にそれぞれ示すようにスイッチング素子Ｑによって入力電圧Ｖinをスイッチングし、絶縁トランスＴを介して所定の出力電圧Ｖoutを得るスイッチング電源装置本体ＳＷと、前記スイッチング素子Ｑを所定の周波数でオン・オフ駆動する制御回路（制御ＩＣ）ＣＯＮＴとを備えて構成される。尚、図５(ａ)はプラス検出方式でスイッチング電流を検出する回路構成例を示しており、図６(ａ)はマイナス検出方式でスイッチング電流を検出する回路構成例を示している。

ここで前記スイッチング素子Ｑは、前記絶縁トランスＴの一次巻線Ｐ１と直列に接続されて入力電圧Ｖinをスイッチングするように構成される。また前記スイッチング素子Ｑのスイッチングに伴って前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｓに生起される交番電圧は、ダイオードＤを介して整流された後、出力コンデンサＣoutにて平滑されて出力電圧Ｖoutとして出力される。尚、図中、Ｃinは入力コンデンサである。

また前記制御回路ＣＯＮＴは、前記絶縁トランスＴの補助巻線Ｐ２に生起される巻線電圧を駆動源として動作し、例えば出力電圧Ｖoutを検出する出力電圧検出回路（図示せず）からフィードバックされる帰還情報に応じて前記スイッチング素子Ｑのスイッチングを制御するように構成される。このスイッチング制御は、例えば所定の周波数（周期）でオン・オフ駆動する前記スイッチング素子Ｑのオン幅を、前記帰還情報に従って可変するＰＷＭ制御からなる。また前記制御回路ＣＯＮＴは、前記スイッチング素子Ｑに直列に接続されたシャント抵抗ＲＳを介して前記スイッチング素子Ｑに流れる過電流を検出し、前記スイッチング素子Ｑを過電流から保護動作する保護回路（図示せず）等も備える。

ところで上述した如く構成されるスイッチング電源装置においては、前記スイッチング電源装置本体ＳＷの接地点Ｅ１と前記制御回路ＣＯＮＴの接地点Ｅ２との間の、回路パターン等に由来するインピーダンス成分に起因して、前記スイッチング素子Ｑのスイッチングに同期したＧＮＤバウンスノイズが発生することが否めない。ちなみに前記接地点Ｅ１,Ｅ２の間のインピーダンス成分は、図５(ｂ)および図６(ｂ)にその等価回路をそれぞれ示すように、前記シャント抵抗ＲＳを介するスイッチング電流の検出方式（プラス検出／マイナス検出）の違いによって異なる。尚、Ｌpcbは配線パターン等に由来するインピーダンスであり、Ｒs,Ｌsは前記シャント抵抗ＲＳのインピーダンスを示している。

この為、例えば図７(ａ)(ｂ)にプラス検出方式およびマイナス検出方式においてそれぞれ発生するＧＮＤバウンスノイズを対比して示すように、前記接地点Ｅ１,Ｅ２間のインピーダンス成分の違いによって前記ＧＮＤバウンスノイズの大きさが大きく異なる。具体的には前記スイッチング素子Ｑのスイッチング周波数（６０ｋＨz前後）に同期したノイズレベルに着目すると、プラス検出方式に比較してマイナス検出方式の場合には、ピークレベルで略３.５倍の大きさのＧＮＤバウンス波形が発生する。またここでは特に図示しないがＧＮＤバウンスノイズのスペクトラムを比較した場合、その最大値の差が約１０ｄＢにも及ぶ。

またスイッチング電源装置に外部から侵入ノイズ（例えば−１５ｋＶの気中放電）が加わると、例えば図８(ａ)(ｂ)にスイッチング電源装置の出力電圧Ｖoutの変化を示すように、前記マイナス検出方式の回路構成の場合には、例えばその出力電圧Ｖoutが定格出力電圧［１９Ｖ］から［５Ｖ］程度まで大きくバウンスする。このような出力電圧Ｖoutの変動を生じさせる前記外部侵入ノイズが、前記スイッチング動作に伴う前記ＧＮＤバウンスノイズに重畳すると、前記制御回路ＣＯＮＴの誤動作を引き起こす原因となる可能性がある。

ちなみに接地ラインに生じるノイズを除去する技術として、例えば特許文献１には、ＬＳＩの出力段にノイズキャンセル回路を設け、上記出力段がＨレベルからＬレベルになるときに該ＬＳＩの接地ラインにキャンセル電流を流すことが開示されている。また特許文献２には、三相モータを駆動するインバータ装置の入力電流からコモンモード電流を検出し、このコモンモード電流に応じて生成したキャンセル電流を、前記インバータ装置の接地ラインに流すことが開示されている。

特開平１０−１２６２３７号公報 特開２００６−３３３６４７号公報

しかしながら特許文献１に開示されるノイズキャンセル技術は、ノイズキャンセル回路において、出力段（スイッチング素子）を駆動する制御信号に基づいて該出力段に流れる電流と逆位相のキャンセル電流を生成するものである。この為、前記ノイズキャンセル回路に、前記出力段と同等な特性を有するスイッチング素子を組み込むことが必要であり、スイッチング電源装置における前述したＧＮＤバウンスノイズをキャンセルするには無理がある。

また特許文献２に開示されるノイズキャンセル技術は、インバータ装置の入力電流からコモンモード電流を検出してキャンセル電流を生成し、三相モータ（負荷側）の地絡電流から前記キャンセル電流を得るものである。この為、インバータ装置と三相モータ（負荷側）の外郭とを接続する必要があり、その全体構成が複雑化することが否めない。しかもインバータ装置の入力端に、コモンモード電流検出用のカレントトランスやインダクタを介装することが必要であり、この点でもその構成が複雑化する。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、スイッチング素子のスイッチング動作に伴って発生するＧＮＤバウンスノイズを簡易に低減し、スイッチング電源装置本体のスイッチング動作を制御する制御回路の耐ノイズ性を高めることのできるスイッチング電源装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係るスイッチング電源装置は、スイッチング素子を介して入力電圧をスイッチングして所定の出力電圧を得るスイッチング電源装置本体と、前記スイッチング素子を所定の周波数でオン・オフ駆動する制御回路とを備え、
特に前記スイッチング素子のスイッチングに伴って前記制御回路の接地ラインに生じるＧＮＤバウンスノイズを検出するノイズ検出回路と、
このノイズ検出回路が前記ＧＮＤバウンスノイズを検出したとき、該ＧＮＤバウンスノイズに相当する逆相のキャンセル信号を生成して前記接地ラインに加えるキャンセル信号生成回路とを備えたことを特徴としている。

好ましくは前記ノイズ検出回路および前記キャンセル信号生成回路は、前記制御回路に組み込まれる。また前記ノイズ検出回路は、前記制御回路の接地ラインに介装したカレントトランスの出力電圧が、前記スイッチング素子のスイッチング周期に同期して一定回数に亘って連続して予め設定したノイズ検出判定レベルを超えたとき、ＧＮＤバウンスノイズが発生したとして検出するように構成される。

ちなみに前記キャンセル信号生成回路は、例えば前記スイッチング素子に流れる電流に基づいて前記キャンセル信号を生成するように構成される。或いは前記キャンセル信号生成回路は、前記ノイズ検出回路における前記ＧＮＤバウンスノイズの検出判定レベルを波高値とするパルス信号を前記キャンセル信号として生成するように構成される。

上記構成のスイッチング電源装置によれば、制御回路の接地ラインからＧＮＤバウンスノイズを検出したとき、例えばスイッチング素子に流れる電流に基づいて生成したキャンセル信号、或いは前記ＧＮＤバウンスノイズの検出判定レベルを波高値として生成したパルス信号をキャンセル信号として、前記接地ラインに加えるので、前記ＧＮＤバウンスノイズを簡易にして確実にキャンセルし、若しくは低減することができる。従って外部から侵入ノイズが加わった場合であっても、制御回路における前記ＧＮＤバウンスノイズ自体を低減しているので、該制御回路における誤動作の可能性を十分に低く抑えることができる。

特にスイッチング電流をマイナス方式で検出する回路構成の場合であっても、ＧＮＤバウンスノイズの影響を十分に低く抑えることができる。従って前記制御回路（制御ＩＣ）の小型化・低消費電力化に伴って配線パターン等が微細化され、これによってスイッチング電源装置本体の接地点と制御回路ＣＯＮＴの接地点との間のインピーダンスが高くなる場合でも、前述した如くＧＮＤバウンスノイズを大きく軽減することができる。従って簡易にして効果的に制御回路のＳ／Ｎ（耐ノイズ性）を高め、ＧＮＤバウンスノイズに起因する誤動作を防止することが可能となるので、その実用的利点が多大である。

本発明に係るスイッチング電源装置の要部概略構成図。 図１に示すスイッチング電源装置におけるＧＮＤバウンスノイズのキャンセル動作を示す信号波形図。 図１に示すスイッチング電源装置におけるキャンセル信号生成回路の構成例を示す図。 本発明の別の実施形態に係るＧＮＤバウンスノイズのキャンセル動作を示す信号波形図。 プラス検出方式でスイッチング電流を検出するスイッチング電源装置の要部概略構成図。 マイナス検出方式でスイッチング電流を検出するスイッチング電源装置の要部概略構成図。 プラス検出方式およびマイナス検出方式のスイッチング電源装置においてそれぞれ発生するＧＮＤバウンスノイズを対比して示す図。 プラス検出方式およびマイナス検出方式のスイッチング電源装置において、外部侵入ノイズが加わったときの出力電圧Ｖoutの変化を対比して示す図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置について説明する。

図１は実施形態に係るスイッチング電源装置の要部概略構成図である。このスイッチング電源装置は、全体的には図５(ａ)または図６(ａ)にそれぞれ示すように構成される。従って図１においては、図５および図６に示したスイッチング電源装置と同一部分には同一符号を付して示し、その繰り返し説明については省略する。

このスイッチング電源装置は、スイッチング素子Ｑをスイッチング制御する前記制御回路（制御ＩＣ）ＣＯＮＴに、該制御回路ＣＯＮＴの接地ラインＧＮＤに生じるＧＮＤバウンスノイズを検出するノイズ検出回路１０と、キャンセル信号を生成して前記接地ラインＧＮＤに加えるキャンセル信号生成回路２０とを設けたことを特徴としている。

前記ノイズ検出回路１０は、前記スイッチング素子Ｑのスイッチングに伴って生じるＧＮＤバウンスノイズを、例えば前記制御回路ＣＯＮＴの接地ラインＧＮＤに介装したカレントトランス１１に生じる電圧から検出するものである。具体的には前記ノイズ検出回路１０は、例えば前記カレントトランス１１の出力電圧と、予め設定したノイズ検出判定レベルと比較する比較器（図示せず）と、この比較器の出力の反転回数を計数するカウンタ（図示せず）とを備えて構成される。

そして前記ノイズ検出回路１０は、図２にその動作タイミングを示すように前記カレントトランス１１の出力電圧が前記ノイズ検出判定レベルを超える回数が、前記スイッチング素子Ｑのスイッチング周期に同期して一定回数に亘って連続したとき、これを前記カウンタの出力からＧＮＤバウンスノイズの発生として検出するものとなっている［図２(ａ)を参照］。

また前記キャンセル信号生成回路２０は、前記ノイズ検出回路１０がＧＮＤバウンスノイズを検出したときに起動される。そして前記キャンセル信号生成回路２０は、例えば前記スイッチング素子Ｑに直列に介装された前記シャント抵抗ＲＳに生起され、入力抵抗Ｒcｓを介して前記制御回路ＣＯＮＴの電流検出端子ＣＳに入力される電圧に基づいて前記キャンセル信号を生成する。

即ち、前記シャント抵抗ＲＳに生起される電圧は、前記スイッチング素子Ｑを介して接地ラインＧＮＤに流れる電流に相当したものである。そこで前記キャンセル信号生成回路２０は、前記スイッチング素子Ｑのスイッチング周期に同期して前記電流検出端子ＣＳの入力電圧Ｖcsを検出し、図２(ｂ)に示すように該入力電圧とは逆相の出力電圧Ｖcanを生成する。このようにして前記キャンセル信号生成回路２０が生成する出力電圧Ｖcanは、その出力レベルを調整することで前記ＧＮＤバウンスノイズに相当する、該ＧＮＤバウンスノイズとは逆相のキャンセル信号となる。

そして前記キャンセル信号生成回路２０は、上記出力電圧（キャンセル信号）Ｖcanを前記制御回路ＣＯＮＴにおける前記接地ラインＧＮＤに加えることで、図２(ｃ)に示すように該接地ラインＧＮＤに生じたＧＮＤバウンスノイズを相殺（キャンセル）する。即ち、前記スイッチング電源装置本体ＳＷの接地点Ｅ１と前記制御回路ＣＯＮＴの接地点Ｅ２との間の、回路パターン等に由来するインピーダンス成分Ｌgに起因して前記接地点Ｅ２に発生するＧＮＤバウンスノイズΔＶgndが前記出力電圧（キャンセル信号）Ｖcanによって相殺される。

尚、上述したように前記前記電流検出端子ＣＳの入力電圧Ｖcsに基づいて前記キャンセル信号（出力電圧Ｖcan）を生成するキャンセル信号生成回路２０は、具体的には、例えば図３に示すように構成される。即ち、このキャンセル信号生成回路２０は、前記入力電圧Ｖcsを増幅する非反転増幅回路２１と、この非反転増幅回路２１の出力をレベル調整して前記出力電圧Ｖcanを得る反転増幅回路２２とにより構成される。

これらの非反転増幅回路２１および反転増幅回路２２は、演算増幅器（ＯＰアンプ）を用いた公知の回路として実現される。前記非反転増幅回路２１は、その入力抵抗をＲ１、帰還抵抗をＲ２としたとき、
Ｖop１＝{（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１}×Ｖcs
として出力電圧Ｖop1を求める。尚、Ｒ１＝Ｒ２のときには、前記出力電圧Ｖop1は、
Ｖop１＝２×Ｖcs
として求められる。

そして前記反転増幅回路２２は、その入力抵抗をＲ３、帰還抵抗をＲ４としたとき、
Ｖop２＝−（Ｒ４／Ｒ３）×Ｖop１＝Ｖcan
として前記出力電圧（キャンセル信号）Ｖcanを求める。尚、Ｒ１＝Ｒ２で，且つ、前記入力抵抗Ｒ３と帰還抵抗Ｒ４の比が［３：２］のとき、前記反転増幅回路２２の出力電圧Ｖop２（＝Ｖcan）は、
Ｖop２＝−（１／３）×Ｖcs
として求められる。

具体的には前記キャンセル信号生成回路２０は、前述したプラス検出方式およびマイナス検出方式によりそれぞれ検出されるスイッチング電流の差異を考慮した前記ＧＮＤバウンスノイズの検出実績値に基づいて、例えば前記入力電圧Ｖcsの［１／３］のレベルの出力電圧Ｖcanを、前記ＧＮＤバウンスノイズΔＶgndに相当する前記キャンセル信号として求めるように構成される。この場合、上述したように前記各抵抗Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３,Ｒ４の値を定めれば良い。

かくして上述した如く構成されたスイッチング電源装置によれば、スイッチング素子Ｑのスイッチングに伴って発生するＧＮＤバウンスノイズを、前記制御回路ＣＯＮＴに設けた前記ノイズ検出回路１０および前記キャンセル信号生成回路２０を用いて、簡易に、しかも効果的にキャンセルすることができる。特に前述した特許文献１,２にそれぞれ開示されるような複雑な構成を採用することなく、前記制御回路（制御ＩＣ）ＣＯＮＴが備える機能として前記ＧＮＤバウンスノイズを効果的にキャンセルすることができる。

また前述したように外部侵入ノイズが加わった場合でも、前記制御回路ＣＯＮＴ内におけるＧＮＤバウンスノイズがキャンセルされているので、前記外部侵入ノイズに起因するバウンスによって該制御回路ＣＯＮＴが誤動作する可能性を十分に小さくすることができる。従って前記制御回路（制御ＩＣ）ＣＯＮＴの小型化・低消費電力化を図るに際しても、該制御回路ＣＯＮＴのＳ／Ｎ（耐ノイズ性）を高め、ＧＮＤバウンスノイズに起因する誤動作を効果的に防止することが可能となるので、その実用的利点が多大である。

ちなみにＧＮＤバウンスノイズの周波数は、一般的には１００ｋＨz以下であり、これに対して外部侵入ノイズの周波数は３ＧＨz以下と、前記ＧＮＤバウンスノイズの周波数に比較して十分に高い。従って外部侵入ノイズに対しては、従来と同様に外付けフィルタを用いて対処することが必要である。しかし前述したように前記制御回路（制御ＩＣ）ＣＯＮＴでのＧＮＤバウンスノイズをキャンセルすれば、前記外付けフィルタ自体の負担を軽減することができ、その構成の簡略化を図ることができる等の効果も奏せられる。

ところで前述した実施形態は、ＧＮＤバウンスノイズに相当する逆相のキャンセル信号を生成して該ＧＮＤバウンスノイズを相殺するものであるが、簡略的にはＧＮＤバウンスノイズのレベルを低減することも可能である。具体的には、例えば図４に動作波形図を示すように、前記ノイズ検出回路１０にてＧＮＤバウンスノイズが検出されたとき、前記キャンセル信号生成回路２０において、前記ノイズ検出回路１０における前記ＧＮＤバウンスノイズの検出判定レベルを波高値とするパルス信号を前記キャンセル信号として生成するようにしても良い［図４(ｂ)を参照］。

そしてこのキャンセル信号（パルス信号の波高値）を前記ＧＮＤバウンスノイズに加えて該ＧＮＤバウンスノイズのレベルを前記検出判定レベルの分だけ低減すれば、図４(ｃ)に示すように前記制御回路ＣＯＮＴにおける接地ラインＧＮＤでのＧＮＤバウンスノイズのレベルを低く抑えることができる。換言すればＧＮＤバウンスノイズを部分的にキャンセルし、その全体的なレベルを低減することが可能となる。従ってこのような部分キャンセルであっても、前記制御回路ＣＯＮＴのＳ／Ｎ（耐ノイズ性）を高める上で十分に効果があり、その実用的利点が高い。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばＧＮＤバウンスノイズに対するノイズ検出判定レベルや、該ＧＮＤバウンスノイズが前記ノイズ検出判定レベルを超える回数の検出については、スイッチング電源装置の仕様、ひいては制御回路ＣＯＮＴの動作仕様等に応じて定めれば良いものである。またスイッチング電源装置本体ＳＷの構成についても、図５(ａ)および図６(ａ)にそれぞれ例示した回路構成に特定されないことも言うまでもない。更にはキャンセル信号の生成の手法についても、前述した実施の形態に特定されない。要は、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

ＳＷ スイッチング電源装置本体
Ｑ スイッチング素子
Ｔ トランス
Ｄ ダイオード
Ｃout 出力コンデンサ
ＣＯＮＴ 制御回路（制御ＩＣ）
１０ ノイズ検出回路
２０ キャンセル信号生成回路
２１ 非反転増幅器
２２ 反転増幅器

Claims (5)

1. スイッチング素子を介して入力電圧をスイッチングして所定の出力電圧を得るスイッチング電源装置本体と、
   前記スイッチング素子を所定の周波数でオン・オフ駆動する制御回路と、
   前記制御回路の接地ラインに介装したカレントトランスの出力電圧が、前記スイッチング素子のスイッチング周期に同期して一定回数に亘って連続して予め設定したノイズ検出判定レベルを超えたとき、ＧＮＤバウンスノイズが発生したとして検出するノイズ検出回路と、
   このノイズ検出回路が前記ＧＮＤバウンスノイズを検出したとき、該ＧＮＤバウンスノイズに相当する逆相のキャンセル信号を生成して前記接地ラインに加えるキャンセル信号生成回路と
   を具備したことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記ノイズ検出回路および前記キャンセル信号生成回路は、それぞれ前記制御回路に組み込まれるものである請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記ノイズ検出回路は、前記カレントトランスの出力電圧と前記ノイズ検出判定レベルとを比較する比較器と、該比較器の出力の反転回数を計数するカウンタとを備え、
   当該カウンタの出力をもとに前記ＧＮＤバウンスノイズを検出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。
4. 前記キャンセル信号生成回路は、前記スイッチング素子に流れる電流に基づいて前記キャンセル信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
5. 前記キャンセル信号生成回路は、前記ノイズ検出回路における前記ＧＮＤバウンスノイズの検出判定レベルを波高値とするパルス信号を前記キャンセル信号として生成することを特徴とする請求項１乃至３に記載のスイッチング電源装置。