JP6213087B2 - 絶縁型スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、フォトカプラを用いることなく低電力待機モードを設定することのできる簡易な構成の絶縁型スイッチング電源装置に関する。

絶縁型スイッチング電源装置１は、例えば図５に示すように入力電源Ｖinに絶縁トランスＴの一次巻線Ｐ１を介して接続されたスイッチング素子ＳＷを主回路２として備える。前記スイッチング素子ＳＷは、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳ-ＦＥＴ等からなる。前記スイッチング素子ＳＷは、例えば電源ＩＣとして構築された制御回路３によりオンオフ駆動されて前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｓおよび補助巻線Ｐ２に交流電力を生起する。

そして前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｓに生起された交流電力は、ダイオードＤ１を介して整流された後、コンデンサＣ１にて平滑化されて所定の直流出力電圧Ｖoutとして図示しない負荷に出力される。前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｓに接続された前記ダイオードＤ１および前記コンデンサＣ１は、絶縁型スイッチング電源装置１の出力回路４を構成する。また前記絶縁トランスＴの補助巻線Ｐ２に生起された交流電力は、ダイオードＤ２を介して整流された後、コンデンサＣ２にて平滑化されて前記制御回路３に印加される。前記絶縁トランスＴの補助巻線Ｐ２に接続された前記ダイオードＤ２および前記コンデンサＣ２は、前記制御回路３の駆動電源電圧Ｖccを生成する内部電源回路５を構成する。

また前記出力回路４には、前記出力電圧Ｖoutを分圧して検出する出力電圧検出回路６が設けられる。この出力電圧検出回路６は、例えば直列接続して設けられて前記出力電圧Ｖoutを分圧して出力モニタ電圧として検出する抵抗Ｒ１,Ｒ２を備える。そして前記出力電圧検出回路６にて検出された出力モニタ電圧は、フォトカプラＰＣを介して前記制御回路３のＦＢ端子にフィードバックされる。

前記制御回路３は、上述した如くフィードバックされる前記出力モニタ電圧に応じて前記スイッチング素子ＳＷに対するオンオフ駆動を制御することで、前記出力電圧Ｖoutを一定化する。前記スイッチング素子ＳＷのフィードバック制御は、例えば該スイッチング素子ＳＷのオンオフ幅を変えたり、そのスイッチング周波数を変えることによって行われる。このように構成された絶縁型スイッチング電源装置１は、二次側フィードバック方式の電源装置と称される。

これに対して図６に示す絶縁型スイッチング電源装置１は、前記出力回路４において出力モニタ電圧を求めることに代えて、前記内部電源回路５に出力電圧検出回路６を設け、該内部電源回路５が生成した前記駆動電源電圧Ｖccから出力モニタ電圧を求めるようにしたものである。この場合、前記出力電圧検出回路６にて検出される出力モニタ電圧は、前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｓと補助巻線Ｐ２との巻数比［Ｎs；Ｎaux］に応じたものとなる。このように構成された絶縁型スイッチング電源装置１は、一次側フィードバック方式の電源装置と称され、例えば特許文献１等に詳しく紹介される。また前記一次側フィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置１によれば、フォトカプラＰＣを用いることなしに出力モニタ電圧を前記制御回路３にフィードバックすることができ、部品点数を削減できると言う利点がある。

ところでこの種の絶縁型スイッチング電源装置１には、出力電流が少ない軽負荷時に低電力待機モードを設定し、これによって省電力化を図る機能が設けられる。この低電力待機モードは、前記出力回路４からの出力電流が少なく、図示しない負荷に対して殆ど電力供給する必要がないときに前記出力電圧Ｖoutを低下させることで、該絶縁型スイッチング電源装置１における消費電力を小さくするものである。

このような低電力待機モードの設定は、一般的には外部から制御信号を与えて前記出力電圧検出回路６における前記出力電源電圧Ｖoutまたは前記駆動電源電圧Ｖccの分圧比を変更して行われる。具体的には図５および図６にそれぞれ示すように前記抵抗Ｒ１に対して並列にスイッチＳａを介して補助抵抗Ｒ３を設ける。そして前記制御信号によってスイッチＳａを導通させることで、前記補助抵抗Ｒ３を前記抵抗Ｒ１に並列接続し、これによって前記出力電圧検出回路６における分圧比を変更する。この分圧比の変更により前記制御回路３にフィードバックされる出力モニタ電圧のレベルが変更され、前記出力電圧Ｖoutが低電圧化される。このように動作する前記スイッチＳａおよび前記補助抵抗Ｒ３は、出力電圧制御手段７を構成する。

尚、前記低電力待機モードが設定されたとき、前記制御回路３は、例えば前記スイッチング素子ＳＷのオンオフ駆動に休止期間を設ける等して、前記絶縁トランスＴを介する平均的な出力電力、つまり実効的な出力電力を抑える。また前記制御回路３による前記スイッチング素子ＳＷの上述した間欠的な動作制御の形態は、一般的にはバースト動作モードと称される。

米国特許第２０１２／０１７０３２６号明細書

ところで一次側フィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置１に低電力待機モードを設定する場合、例えば負荷側の外部装置から前記絶縁型スイッチング電源装置１に対して前記制御信号を与えることが必要となる。この際、前記外部装置と前記制御回路３との間で前記制御信号を絶縁することが必要となる。この制御信号の絶縁は、例えばフォトカプラを用いることにより容易に達成し得る。しかしながらこの場合には新たにフォトカプラが必要となるので、前述した部品点数を削減し得ると言う前記一次側フィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置１の利点が損なわれる。

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、フォトカプラを用いることなく低電力待機モードを設定することができ、部品点数の少ない簡易な構成の絶縁型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絶縁型スイッチング電源装置は、
入力電源に絶縁トランスの一次巻線を介して接続されたスイッチング素子と、
例えば低電力待機モードを設定可能な電源ＩＣとして実現され、前記スイッチング素子をオンオフ駆動して前記絶縁トランスの二次巻線および補助巻線に交流電力を生起する制御回路と、
前記絶縁トランスの二次巻線に生起された交流電力を整流して出力する出力回路と、
前記絶縁トランスの補助巻線に生起された交流電力から前記制御回路に対する駆動電源電圧を生成する内部電源回路と、
この内部電源回路により生成された前記駆動電源電圧から求めた出力モニタ電圧を前記制御回路にフィードバックして該制御回路による前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する出力電圧検出手段と、
前記駆動電源電圧から求められる前記出力モニタ電圧のレベルを、前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化に応じて変更して通常動作モードと前記低電力待機モードとを切り替える出力電圧制御手段と
を具備したことを特徴としている。

即ち、本発明は一次側フィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置において、前記出力電圧制御手段が前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化に応じて自ら前記出力モニタ電圧のレベルを変更する。そして出力モニタ電圧のレベル変更により、前述した通常動作モードと低電力待機モードとを切り替えるように構成したことを特徴としている。

好ましくは前記出力モニタ電圧は、例えば前記駆動電源電圧を分圧して求められるものであって、前記出力電圧制御手段は、前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化に応じて前記駆動電源電圧の分圧比を変更するように構成される。尚、前記出力モニタ電圧を、前記絶縁トランスの補助巻線に生起される交流電圧を分圧して求めることも可能である。この場合においても前記出力電圧制御手段を、前記交流電圧の分圧比を変更するように構成すれば良い。

また前記出力電圧制御手段は、前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件から前記出力回路の出力電流の低下を検出し、出力電流の低下時に低電力待機モードを設定して前記出力電圧を低下させる。具体的には前記出力電圧制御手段は、前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化を、前記スイッチング素子に対するスイッチング動作の連続動作モードとバースト動作モードとの切り替え動作として検出する。或いは前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化を、前記スイッチング素子のスイッチング周波数が予め設定した周波数になったことから検出するように構成される。

上記構成の絶縁型スイッチング電源装置では、例えば電源ＩＣとして実現されてスイッチング素子をオンオフ駆動する制御回路の動作条件の変化に応じて出力モニタ電圧のレベルを切り替える。従って外部から制御信号を与えることなく通常動作モードと低電力待機モードとを簡易に切り替えることができる。これ故、外部から制御信号を絶縁して取り込む為のフォトカプラが不要であり、一次側フィードバック方式の特長を生かした部品点数の少ない簡易な構成の絶縁型スイッチング電源装置を実現することができる。

また前記通常動作モードと前記低電力待機モードとの切り替えについては、例えば軽負荷動作を識別可能な、スイッチング素子に対するスイッチング動作の連続動作モードとバースト動作モードとの切り替えポイントを検出することで容易に、且つ確実に検出することができる。或いは前記スイッチング素子に対する重負荷時のスイッチング周波数と軽負荷時のスイッチング周波数との違いを識別することでも、その切り替えポイントを容易に、且つ確実に検出することができる。従って本発明の実用的利点が多大である。

本発明の第１の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の要部概略構成図。 図１に示す絶縁型スイッチング電源装置の出力特性を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の要部概略構成図。 本発明の第３の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の出力特性を示す図。 二次側フィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置の要部概略構成図。 一次側フィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置の要部概略構成図。

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

図１は本発明の第１の実施形態に係る一次側フィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置１の要部概略構成図である。この絶縁型スイッチング電源装置１は、基本的には図６に示した絶縁型スイッチング電源装置１と同様に構成される。従って同一部分には同一符号を付し、その繰り返し説明を省略する。

この第１の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置１が特徴とするところは、前記出力電圧制御手段７を構成する前記スイッチＳａに前記制御回路３から動作制御信号を与えるように構成した点にある。そして前記スイッチＳａを導通させたとき、該スイッチＳａに直列に接続された前記補助抵抗Ｒ３を前記出力電圧検出回路６における抵抗Ｒ１に並列接続し、これによって前記出力モニタ電圧のレベルを変更することを特徴としている。

ちなみに前記制御回路３のＬＳＷ端子から前記スイッチＳａに加えられる前記動作制御信号は、前記制御回路３における前記スイッチング素子ＳＷのオンオフ駆動条件の変化に応じて生成される。

ところで前記制御回路３は、一般的に負荷の重さに応じて前記スイッチング素子ＳＷのスイッチング周波数を変更して前記絶縁トランスＴを介する出力電力を調整する機能を備える。例えば前記制御回路３は、通常の負荷動作時には前記スイッチング素子ＳＷを６５ｋＨzのスイッチング周波数でオンオフ駆動し、軽負荷時には前記スイッチング素子ＳＷを２０ｋＨzのスイッチング周波数でオンオフ駆動することで出力電力を調整するように構成される。従って本発明における前記制御回路３は、例えば前記スイッチング素子ＳＷのスイッチング周波数の切り替えポイントにて前記動作制御信号を生成し、これによって低電力待機モードを設定するように構成される。

尚、前記制御回路３が軽負荷時に前記スイッチング素子ＳＷのオンオフ駆動を間欠的に実行するバースト動作モードを備える場合、このバースト動作モードへの移行に連動して前記動作制御信号を生成して出力するようにしても良い。即ち、前記制御回路３は、通常負荷時には前記スイッチング素子ＳＷを連続的にオンオフ駆動し、負荷の重さに応じて前記スイッチング素子ＳＷのスイッチング周波数を連続的に変化させることで前記出力電圧Ｖoutを一定に保つ。そして出力電流Ｉoutの低下から軽負荷状態を検出したとき、前記制御回路３は前記スイッチング素子ＳＷのオンオフ駆動を間欠的に実行するバースト動作モードに移行する。従って前記制御回路３を、前記スイッチング素子ＳＷの連続動作モードと前記バースト動作モードとの切り替えに連動して前記動作制御信号を生成するように構成しておけば良い。

前記動作制御信号は、例えば通常負荷時にはＨレベル、軽負荷時にはＬレベルとなる信号からなる。そして通常負荷時には前記制御回路３から出力される前記Ｈレベルの動作制御信号により前記スイッチＳａを導通させ、軽負荷時にはＬレベルの動作制御信号により前記スイッチＳａを遮断する。このスイッチＳａのオンオフにより前記出力電圧検出回路６における分圧比が変更される。

ここで前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｓの巻数がＮs、補助巻線Ｐ２の巻数がＮauxであるとする。また並列に接続される前記抵抗Ｒ１と前記補助抵抗Ｒ３の合成抵抗Ｒｐを
Ｒｐ＝Ｒ１・Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ３）
とする。

この場合、前記出力電圧検出回路６により生成される出力モニタ電圧Ｖfbは、通常負荷時には
Ｖfb＝｛Ｒｐ／（Ｒｐ＋Ｒ２）｝・（Ｎaux／Ｎs）・Ｖout
となる。

また軽負荷時には、前記出力モニタ電圧Ｖfbは
Ｖfb＝｛Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）｝・（Ｎaux／Ｎs）・Ｖout
となる。

このようにして前記制御回路３による前記スイッチング素子ＳＷのオンオフ駆動条件の変化に応じて該制御回路３から出力される前記動作制御信号に従って前記スイッチＳａがオンオフされる。そして当該スイッチＳａのオンオフに応じて前記出力モニタ電圧Ｖfbのレベルが変更される。この結果、前記制御回路３は、例えば図２に絶縁型スイッチング電源装置１の出力特性を示すように、出力電流Ｉoutが少ない軽負荷時においてその出力電圧Ｖoutを低下させることになる。具体的には前記制御回路３は、通常動作時に定電圧化して出力している、例えば３２Ｖの出力電圧Ｖoutを、１２Ｖの出力電圧Ｖoutに変更して低電力待機モードを設定する。

かくして上述した如く構成された絶縁型スイッチング電源装置１によれば、負荷状態に応じて前記制御回路３が前記スイッチング素子ＳＷに対するスイッチング動作の制御形態を変更したとき、これに連動して前記制御回路３が自ら前記動作制御信号を前記出力電圧制御手段７に与えるように構成される。そして前記出力電圧検出回路６は、前記制御回路３の動作状態に応じて前記出力モニタ電圧のレベルを変更し、レベル変更された出力モニタ電圧Ｖfbを前記制御回路３に与えることで前記出力電圧Ｖoutを変更する。

従って前記制御回路３は、外部装置から制御信号を与えることなく、自らの動作状態の変化に応じて低電力待機モードを設定することができる。換言すれば前記絶縁型スイッチング電源装置１は、外部装置から絶縁して制御信号を取り込んで低電力待機モードを設定する必要がない。故に従来のように制御信号を絶縁して取り込む為のフォトカプラが不要であり、一次側フィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置１を構成する上での部品点数を削減することができ、その実用的利点が多大である。

ところで上述した第１の実施形態においては、前記補助巻線Ｐ２に生起された交流電圧から前記内部電源回路５が生成した内部電源電圧Ｖccに基づいて前記出力モニタ電圧を生成した。しかし図３に第２の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置１の要部概略構成を示すように、前記補助巻線Ｐ２に生起された交流電圧を前記出力電圧検出回路６において直接分圧して交流の出力モニタ電圧を生成するようにしても良い。即ち、ＡＣフィードバック方式の絶縁型スイッチング電源装置１に対しても本発明を同様に適用することができる。

また第３の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置１の出力特性を図４に例示するように、前述した如く低電力待機モードを設定することに代えて、軽負荷時の出力電圧Ｖoutの増加を抑えるようにしても良い。即ち、負荷の大きさに応じて前記スイッチング素子ＳＷのスイッチング周波数を制御した場合、前記スイッチング素子ＳＷのスイッチング特性に起因して出力電圧Ｖoutの一定化制御が損なわれ、これに伴って出力電圧Ｖoutが次第に大きくなる。

従ってこのような出力電圧Ｖoutの上昇が生じたとき、前述した動作制御信号を用いて出力モニタ電圧のレベルを変更し、前記出力電圧Ｖoutの制御目標値を低減する。この結果、例えば図４に示すように前記絶縁型スイッチング電源装置１の実際の出力電圧Ｖoutを、負荷の大きさに拘わることなく一定の誤差範囲ΔＶout内に収めるように制御することが可能となる。

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。例えば前記通常動作モードと低電力待機モードでの出力電圧Ｖoutが予め定まっている場合や、前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｐと補助巻線Ｓの巻数比か予め定まっている場合には、前記出力電圧制御手段７の機能を前記制御回路３に組み込むことも可能である。このように前記出力電圧制御手段７の機能を前記制御回路３に組み込めば、前記制御回路３を構築する電源ＩＣの端子数を増やす必要がなくなるので、その実用的利点が大きい。また、前記スイッチング素子ＳＷおよび前記スイッチＳａとしてＳｉＣ（シリコンカーバイド）素子を使ったスイッチング素子を用いることも勿論可能である。その他、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。

１ 絶縁型スイッチング電源装置
２ 主回路
３ 制御回路（電源ＩＣ）
４ 出力回路
５ 内部電源回路
６ 出力電圧検出回路
７ 出力電圧制御手段
Ｔ 絶縁トランス
ＳＷ スイッチング素子
Ｒ１,Ｒ２,Ｒ３ 抵抗
Ｃ１,Ｃ２ コンデンサ
Ｓａ スイッチ

Claims (4)

1. 入力電源に絶縁トランスの一次巻線を介して接続されたスイッチング素子と、
   このスイッチング素子をオンオフ駆動して前記絶縁トランスの二次巻線および補助巻線に交流電力を生起する制御回路と、
   前記絶縁トランスの二次巻線に生起された交流電力を整流して出力する出力回路と、
   前記絶縁トランスの補助巻線に生起された交流電力から前記制御回路に対する駆動電源電圧を生成する内部電源回路と、
   この内部電源回路により生成された前記駆動電源電圧から求めた出力モニタ電圧を前記制御回路にフィードバックして該制御回路による前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する出力電圧検出手段と、
   前記駆動電源電圧から求められる前記出力モニタ電圧のレベルを前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化に応じて変更する出力電圧制御手段と、
   を具備した絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記出力モニタ電圧は、前記駆動電源電圧を分圧して求められるものであって、前記出力電圧制御手段は、前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化に応じて前記駆動電源電圧の分圧比を変更することを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。
2. 入力電源に絶縁トランスの一次巻線を介して接続されたスイッチング素子と、
   このスイッチング素子をオンオフ駆動して前記絶縁トランスの二次巻線および補助巻線に交流電力を生起する制御回路と、
   前記絶縁トランスの二次巻線に生起された交流電力を整流して出力する出力回路と、
   前記絶縁トランスの補助巻線に生起された交流電力から前記制御回路に対する駆動電源電圧を生成する内部電源回路と、
   この内部電源回路により生成された前記駆動電源電圧から求めた出力モニタ電圧を前記制御回路にフィードバックして該制御回路による前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する出力電圧検出手段と、
   前記駆動電源電圧から求められる前記出力モニタ電圧のレベルを前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化に応じて変更する出力電圧制御手段と、
   を具備した絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記出力電圧制御手段は、前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件から前記出力回路の出力電流の低下を検出し、出力電流の低下時に低電力待機モードを設定して前記出力電圧を低下させることを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。
3. 入力電源に絶縁トランスの一次巻線を介して接続されたスイッチング素子と、
   このスイッチング素子をオンオフ駆動して前記絶縁トランスの二次巻線および補助巻線に交流電力を生起する制御回路と、
   前記絶縁トランスの二次巻線に生起された交流電力を整流して出力する出力回路と、
   前記絶縁トランスの補助巻線に生起された交流電力から前記制御回路に対する駆動電源電圧を生成する内部電源回路と、
   この内部電源回路により生成された前記駆動電源電圧から求めた出力モニタ電圧を前記制御回路にフィードバックして該制御回路による前記スイッチング素子のオンオフ駆動を制御する出力電圧検出手段と、
   前記駆動電源電圧から求められる前記出力モニタ電圧のレベルを前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化に応じて変更する出力電圧制御手段と、
   を具備した絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記出力電圧制御手段は、前記制御回路における前記スイッチング素子のオンオフ駆動条件の変化を、前記スイッチング素子に対するスイッチング動作の連続動作モードとバースト動作モードとの切り替え動作として、または前記スイッチング素子のスイッチング周波数が予め設定した周波数になったことから検出することを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。
4. 前記制御回路は、低電力待機モードを設定可能な電源ＩＣとして実現されるものである請求項１乃至３のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。