JP6242004B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の出力を有するスイッチング電源装置に関し、特に、複数の出力のうちの全部ではない幾つかを外部信号に基づいてオン状態とオフ状態とに切り替え可能なスイッチング電源装置に関する。

図５に、従来のスイッチング電源装置１０を示す。スイッチング電源装置１０は、交流電源２から入力された交流電圧に基づいて生成した直流出力電圧をＯＵＴ１端子およびＯＵＴ２端子から出力する。また、ＯＵＴ２端子からの直流出力電圧の出力は、ＣＮＴ端子に入力される外部信号に基づいてオン状態とオフ状態とに切り替え可能となっている。

同図に示すように、スイッチング電源装置１０の一次側には、交流電源２からの交流電圧を整流するダイオードブリッジＤ_１と、整流後の電圧を平滑するコンデンサＣ_１と、整流・平滑後の電圧が印加されるトランスＴの一次巻線Ｔ_１と、一次巻線Ｔ_１に直列接続されたスイッチング素子Ｑ_１と、スイッチング素子Ｑ_１のスイッチングを制御する制御部３と、スイッチング素子Ｑ_１に直列接続された電流検出用抵抗Ｒ_２と、起動抵抗Ｒ_１とが備えられている。

また、スイッチング電源装置１０の一次側には、トランスＴの補助巻線Ｔ_３と、補助巻線Ｔ_３に誘起された電圧を整流するダイオードＤ_３と、整流後の電圧を平滑するコンデンサＣ_３とを含む補助電源部４も備えられている。補助電源部４が出力する直流電圧は、制御部３の電源電圧として使用される。

スイッチング電源装置１０の二次側には、トランスＴの二次巻線Ｔ_２と、二次巻線Ｔ_２に誘起された電圧を整流するダイオードＤ_２と、整流後の電圧を平滑するコンデンサＣ_２と、整流・平滑により得られた直流出力電圧を出力する第１出力ラインＬ_１と、第１出力ラインＬ_１に接続された第２出力ラインＬ_２と、第２出力ラインＬ_２に介装されたＰ型のＭＯＳトランジスタＱ_２と、ＭＯＳトランジスタＱ_２に制御電圧を与える制御用抵抗Ｒ_３と、制御用抵抗Ｒ_３に並列接続されたコンデンサＣ_４と、ＣＮＴ端子に入力される外部信号に基づいて制御用抵抗Ｒ_３に電流を通流させることでＭＯＳトランジスタＱ_２を導通状態にする導通制御部５とが備えられている。ＯＵＴ１端子は第１出力ラインＬ_１に設けられ、ＯＵＴ２端子は第２出力ラインＬ_２に設けられている。

導通制御部５は、ＮＰＮトランジスタＱ_３と、３つの抵抗Ｒ_４、Ｒ_５、Ｒ_６とを含む。ＣＮＴ端子に入力される外部信号がＬレベルからＨレベルになると、ＮＰＮトランジスタＱ_３がオンする。そして、制御用抵抗Ｒ_３→抵抗Ｒ_４→ＮＰＮトランジスタＱ_３の経路で電流が流れ、制御用抵抗Ｒ_３の両端に制御電圧が発生し、ＭＯＳトランジスタＱ_２が導通状態となることで、ＯＵＴ１端子からだけでなくＯＵＴ２端子からも直流出力電圧が出力されるようになる。

制御部３は、二次側からフィードバックされた直流出力電圧をモニターしながら（図示せず）、当該直流出力電圧が目標電圧Ｖ_Ｔに一致するようにスイッチング素子Ｑ_１を制御する。また、制御部３は、過電流保護機能を有している。過電流保護機能は、（１）電流検出用抵抗Ｒ_２による電圧降下、すなわち一次巻線Ｔ_１を流れる電流が過大となったときに、直流出力電圧を目標電圧Ｖ_Ｔよりも十分低く設定された閾値電圧Ｖ_ＴＨにまで低下させる第１保護動作と、（２）直流出力電圧が閾値電圧Ｖ_ＴＨに一致したまま所定の時間が経過するとスイッチング素子Ｑ_１のスイッチングを停止させる第２保護動作とからなる。

なお、スイッチング電源装置１０の二次側の回路構成は、例えば、特許文献１（特に図６）に開示されている。

特許第４８８８０２８号公報

しかしながら、上記従来のスイッチング電源装置１０は、ＯＵＴ２端子が短絡したときに過電流保護機能が十分に働かないという問題があった。この問題について、図６を参照しながら説明する。なお、Ｖ_ＯＵＴ１はＯＵＴ１端子の電圧、Ｖ_ＯＵＴ２はＯＵＴ２端子の電圧、Ｖ_ＧはＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート電圧、Ｖ_ＤＳはＭＯＳトランジスタＱ_２のドレイン−ソース間電圧、Ｉ_ＤはＭＯＳトランジスタＱ_２のドレイン電流である。また、ＣＮＴ端子には、Ｈレベルの外部信号が入力されているものとする。

短絡が発生していない時間ｔ_０において、電圧Ｖ_ＯＵＴ１は目標電圧Ｖ_Ｔに維持され、電圧Ｖ_ＯＵＴ２は目標電圧Ｖ_ＴよりもＭＯＳトランジスタＱ_２が介装されている分だけ低いＶ_Ｔ’に維持されている。また、ＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート電圧Ｖ_Ｇは、ＭＯＳトランジスタＱ_２を導通状態とするのに必要な閾値電圧Ｖ_ＧＴＨよりも十分に高いＶ_Ｇ１となっている。ここで、導通状態とは、線形領域ではなく飽和領域で動作している状態を意味する。

時間ｔ_１においてＯＵＴ２端子が短絡すると、過電流保護機能の第１保護動作により、制御部３が電圧Ｖ_ＯＵＴ１（＝直流出力電圧）を閾値電圧Ｖ_ＴＨに向かって低下させる。

電圧Ｖ_ＯＵＴ１が低下すると、ＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート電圧Ｖ_Ｇも低下する。そして、時間ｔ_２においてゲート電圧Ｖ_Ｇが閾値電圧Ｖ_ＧＴＨを下回ると、ＭＯＳトランジスタＱ_２は線形領域で動作し始める。言い換えると、ＭＯＳトランジスタＱ_２は、導通状態と非導通状態の間の、中途半端に導通したような状態となる。ＭＯＳトランジスタＱ_２がこのような状態になると、電流検出用抵抗Ｒ_２に流れる電流は減少する。そして、制御部３の過電流保護機能は、第１保護動作が終了する前、すなわち、電圧Ｖ_ＯＵＴ１が閾値電圧Ｖ_ＴＨに到達する前に終了し、制御部３は、スイッチング素子Ｑ_１をスイッチングさせ続ける。

以上のように、従来のスイッチング電源装置１０では、ＯＵＴ２端子が短絡したときにスイッチング素子Ｑ_１のスイッチングが停止されないので、ＭＯＳトランジスタＱ_２において過大な損失Ｐ’＝Ｖ_ＤＳ２×Ｉ_Ｄ２が発生してしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、オン状態とオフ状態とに切り替え可能な出力が短絡したときに発生する損失を、従来のものよりも低減することができるスイッチング電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、トランスの二次巻線に誘起された電圧から生成した直流出力電圧を出力する第１出力ラインと、第１出力ラインに接続された第２出力ラインと、第２出力ラインに介装された電圧制御型のスイッチ素子と、スイッチ素子に制御電圧を与える制御用抵抗と、制御用抵抗に電流を通流させることでスイッチ素子を導通状態にして直流出力電圧を第２出力ラインからも出力させる導通制御部と、直流出力電圧が目標電圧となるようにトランスの一次巻線に与えられた電圧をスイッチングするスイッチング部とを備えたスイッチング電源装置であって、
通常時に充電され、第２出力ラインによって電力供給されていた負荷が短絡したときに放電するコンデンサと、コンデンサの放電電流が制御用抵抗に向かうように、放電電流の流れを規制するダイオードとを備え、
スイッチング部は、一次巻線に流れる電流が過電流になると直流出力電圧を目標電圧よりも低下させ、直流出力電圧が低下したまま所定の時間が経過するとスイッチングを停止させる過電流保護機能を有し、上記所定の時間が経過するまでの間、制御電圧が、スイッチ素子を導通状態とすることができる電圧となるように制御用抵抗にコンデンサの放電電流が流れることを特徴とする。

この構成によれば、負荷が短絡した時に放電するコンデンサを備え、しかもコンデンサの放電電流が過電流保護機能の第２保護動作が開始されるまで制御用抵抗に流れ続けてスイッチ素子の導通状態が維持されるので、過電流保護機能の第２保護動作によりスイッチングを停止させてその後の損失の発生を防ぐことができる。

また、この構成によれば、スイッチングが停止させられるまでスイッチ素子の導通状態が維持される、すなわち、スイッチ素子が線形領域ではなく飽和領域で動作し続けるので、スイッチングが継続している間に発生する損失を低減することもできる。

また、この構成によれば、コンデンサの放電電流の流れを規制するダイオードをさらに備えることにより、放電電流を制御用抵抗に向かわせることができる。

上記スイッチング電源装置の具体的な構成としては、例えば、スイッチ素子が、Ｐ型のＭＯＳトランジスタであり、制御用抵抗が、ＭＯＳトランジスタのソース−ゲート間に接続され、導通制御部が、コレクタがＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、エミッタがダイオードのアノードに接続され、かつベースに外部信号が入力されるＮＰＮトランジスタを含み、コンデンサの一端がＭＯＳトランジスタのソースに接続され、他端がＮＰＮトランジスタのエミッタに接続され、ダイオードのカソードが第１および第２出力ラインと組をなす基準ラインに接続された構成がある。

本発明によれば、オン状態とオフ状態とに切り替え可能な出力が短絡したときに発生する損失を、従来のものよりも低減することができるスイッチング電源装置を提供することができる。

本発明の一実施例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 実施例に係るスイッチング電源装置における、コンデンサの放電電流の経路を示す図である。 実施例に係るスイッチング電源装置における、ダイオードにより規制されるコンデンサの放電電流の経路を示す図である。 実施例に係るスイッチング電源装置の動作波形図である。 従来のスイッチング電源装置の回路図である。 従来のスイッチング電源装置の動作波形図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るスイッチング電源装置の実施例について説明する。

［構成］
図１に、本発明の一実施例に係るスイッチング電源装置を示す。同図に示すように、スイッチング電源装置１の一次側には、交流電源２からの交流電圧を整流するダイオードブリッジＤ_１と、整流後の電圧を平滑するコンデンサＣ_１と、整流・平滑後の電圧が印加されるトランスＴの一次巻線Ｔ_１と、一次巻線Ｔ_１に直列接続されたスイッチング素子Ｑ_１と、スイッチング素子Ｑ_１のスイッチングを制御する制御部３と、スイッチング素子Ｑ_１に直列接続された電流検出用抵抗Ｒ_２と、起動抵抗Ｒ_１とが備えられている。

また、スイッチング電源装置１の一次側には、トランスＴの補助巻線Ｔ_３と、補助巻線Ｔ_３に誘起された電圧を整流するダイオードＤ_３と、整流後の電圧を平滑するコンデンサＣ_３とを含む補助電源部４も備えられている。補助電源部４が出力する直流電圧は、制御部３の電源電圧として使用される。

スイッチング電源装置１の二次側には、トランスＴの二次巻線Ｔ_２と、二次巻線Ｔ_２に誘起された電圧を整流するダイオードＤ_２と、整流後の電圧を平滑するコンデンサＣ_２と、整流・平滑により得られた直流出力電圧を出力する第１出力ラインＬ_１と、第１出力ラインＬ_１に接続された第２出力ラインＬ_２と、第２出力ラインＬ_２に介装されたＰ型のＭＯＳトランジスタＱ_２と、ＭＯＳトランジスタＱ_２に制御電圧を与える制御用抵抗Ｒ_３と、ＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート電圧を緩やかに上昇または下降させるためのコンデンサＣ_４と、ＣＮＴ端子に入力される外部信号に基づいて制御用抵抗Ｒ_３に電流を通流させることでＭＯＳトランジスタＱ_２を導通状態にする導通制御部５と、二次巻線Ｔ_２のダイオードＤ_２が接続されていない方の端部に接続された基準ラインＬ_３とが備えられている。第１出力ラインＬ_１にはＯＵＴ１端子が設けられ、第２出力ラインＬ_２にはＯＵＴ２端子が設けられている。また、基準ラインＬ_３にはＧＮＤ端子が設けられている。

制御用抵抗Ｒ_３およびコンデンサＣ_４は、ＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート−ソース間に設けられている。なお、図１において、第２出力ラインＬ_２は第１出力ラインＬ_１から分岐しているように描かれているが、第２出力ラインＬ_２はダイオードＤ_２のカソードに直接接続されていてもよい。

導通制御部５は、ＮＰＮトランジスタＱ_３と、３つの抵抗Ｒ_４、Ｒ_５、Ｒ_６とを含む。ＣＮＴ端子に入力される外部信号がＬレベルからＨレベルになると、ＮＰＮトランジスタＱ_３がオンする。そして、制御用抵抗Ｒ_３→抵抗Ｒ_４→ＮＰＮトランジスタＱ_３の経路で電流が流れ、制御用抵抗Ｒ_３の両端に制御電圧が発生し、ＭＯＳトランジスタＱ_２が導通状態となることで、ＯＵＴ１端子からだけでなくＯＵＴ２端子からも直流出力電圧が出力されるようになる。

抵抗Ｒ_４は、ＮＰＮトランジスタＱ_３のコレクタとＭＯＳトランジスタＱ_２のゲートとの間に設けられている。抵抗Ｒ_５は、ＮＰＮトランジスタＱ_３のベースとＣＮＴ端子との間に設けられている。また、抵抗Ｒ_６は、ＮＰＮトランジスタＱ_３のベース−エミッタ間に設けられている。

図１では図示を省略しているが、ＯＵＴ１端子とＧＮＤ端子の間には負荷６が接続され、ＯＵＴ２端子とＧＮＤ端子の間には負荷７が接続されている（図２参照）。ＣＮＴ端子にＨレベルの外部信号が入力されると、負荷６だけでなく負荷７にも直流出力電圧が供給される。

スイッチング電源装置１の二次側には、さらに、コンデンサＣ_５、ダイオードＤ_４および抵抗Ｒ_７が備えられている。コンデンサＣ_５および抵抗Ｒ_７は、ＭＯＳトランジスタＱ_２のソースとＮＰＮトランジスタＱ_３のエミッタとの間に設けられている。また、ダイオードＤ_４のアノードはＮＰＮトランジスタＱ_３のエミッタに接続され、カソードは基準ラインＬ_３に接続されている。

制御部３は、二次側からフィードバックされた直流出力電圧をモニターしながら（図示せず）、当該直流出力電圧が目標電圧Ｖ_Ｔに一致するようにスイッチング素子Ｑ_１を制御する。また、制御部３は、過電流保護機能を有している。過電流保護機能は、（１）電流検出用抵抗Ｒ_２による電圧降下、すなわち一次巻線Ｔ_１を流れる電流が過大となったときに、直流出力電圧を目標電圧Ｖ_Ｔよりも十分低く設定された閾値電圧Ｖ_ＴＨにまで低下させる第１保護動作と、（２）直流出力電圧が閾値電圧Ｖ_ＴＨに一致した状態で所定の時間Ｔ_ＷＡＩＴが経過するとスイッチング素子Ｑ_１のスイッチングを停止させる第２保護動作とからなる。この過電流保護機能は、従来のスイッチング電源装置１０における過電流保護機能と同じものである。

なお、上記スイッチング電源装置１の構成要素のうち、スイッチング素子Ｑ_１および制御部３は本発明の「スイッチング部」の一例である。また、ＭＯＳトランジスタＱ_２は本発明の「電圧制御型のスイッチ素子」の一例である。

［動作］
続いて、スイッチング電源装置１の動作について説明する。スイッチング電源装置１が起動し、制御部３がスイッチング素子Ｑ_１のスイッチングを制御し始めると、トランスＴの二次巻線Ｔ_２に電圧が誘起され、ＯＵＴ１端子の電圧Ｖ_ＯＵＴ１が上昇を始める。この上昇の過程で、コンデンサＣ_５→ダイオードＤ_４の経路で流れる電流によりコンデンサＣ_５は充電される。なお、スイッチング電源装置１が起動するとき、通常、ＣＮＴ端子に入力される外部信号はＬレベルとされる。このため、スイッチング電源装置１が起動したとき、ＭＯＳトランジスタＱ_２は非導通状態となっている。

スイッチング電源装置１が起動した後、外部信号がＬレベルからＨレベルになると、ＮＰＮトランジスタＱ_３がオンし、制御用抵抗Ｒ_３に電流が流れ、ＭＯＳトランジスタＱ_２が導通状態となる。

この状態でＯＵＴ２端子とＧＮＤ端子の間に接続された負荷７が短絡すると、図２に示すように、コンデンサＣ_５の放電電流が制御用抵抗Ｒ_３→抵抗Ｒ_４→ＮＰＮトランジスタＱ_３の経路で流れる。これにより、本実施例に係るスイッチング電源装置１では、負荷７が短絡した後においても、コンデンサＣ_５の容量に応じた時間だけＭＯＳトランジスタＱ_２の導通状態を維持することができる。

なお、ダイオードＤ_４が存在しているので、図３に示す負荷７を通る経路でコンデンサＣ_５の放電電流が流れることはない。ダイオードＤ_４は、コンデンサＣ_５の放電電流が制御用抵抗Ｒ_３に向かうように、放電電流の流れを規制していると言える。

図４に、スイッチング電源装置１の動作波形を示す。図６と同様、Ｖ_ＯＵＴ１はＯＵＴ１端子の電圧、Ｖ_ＯＵＴ２はＯＵＴ２端子の電圧、Ｖ_ＧはＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート電圧、Ｖ_ＤＳはＭＯＳトランジスタＱ_２のドレイン−ソース間電圧、Ｉ_ＤはＭＯＳトランジスタＱ_２のドレイン電流である。また、ＣＮＴ端子には、Ｈレベルの外部信号が入力されているものとする。

短絡が発生していない時間ｔ_０において、電圧Ｖ_ＯＵＴ１は目標電圧Ｖ_Ｔに維持され、電圧Ｖ_ＯＵＴ２は目標電圧Ｖ_ＴよりもＭＯＳトランジスタＱ_２が介装されている分だけ低いＶ_Ｔ’に維持されている。また、ＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート電圧Ｖ_Ｇは、ＭＯＳトランジスタＱ_２を導通状態とするのに必要な閾値電圧Ｖ_ＧＴＨよりも十分に高いＶ_Ｇ１となっている。

時間ｔ_１においてＯＵＴ２端子に接続された負荷７が短絡すると、過電流保護機能の第１保護動作により、制御部３が電圧Ｖ_ＯＵＴ１（＝直流出力電圧）を閾値電圧Ｖ_ＴＨに向かって低下させる。電圧Ｖ_ＯＵＴ１が低下すると、ＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート電圧Ｖ_Ｇもそれに追従して低下しそうになる。しかしながら、上記の通り、本実施例に係るスイッチング電源装置１では、負荷７が短絡したときにコンデンサＣ_５の放電電流が制御用抵抗Ｒ_３に流れるので、制御電圧（＝ＭＯＳトランジスタＱ_２のゲート電圧Ｖ_Ｇ）は従来よりも非常に緩やかに低下する。そして、その結果、電圧Ｖ_ＯＵＴ１が閾値電圧Ｖ_ＴＨに到達する時間ｔ_２においても、制御電圧は閾値電圧Ｖ_ＧＴＨよりも高い電圧に保たれる。

時間ｔ_２において過電流保護機能の第１保護動作が終了すると、第２保護動作が開始される。そして、電圧Ｖ_ＯＵＴ１が閾値電圧Ｖ_ＴＨに一致した状態（ＭＯＳトランジスタＱ_２のドレイン−ソース間電圧Ｖ_ＤＳが電圧Ｖ_ＯＵＴ１として出力された状態）で所定の時間Ｔ_ＷＡＩＴが経過すると（時間ｔ_３）、制御部３はスイッチング素子Ｑ_１のスイッチングを停止させる。これにより、スイッチング電源装置１は、時間ｔ_４において完全に停止する。

コンデンサＣ_５は、所定の時間Ｔ_ＷＡＩＴが経過するまでの間、制御電圧が閾値電圧Ｖ_ＧＴＨを下回ることがないように容量が設定されている。このため、本実施例に係るスイッチング電源装置１では、負荷７が短絡した場合に過電流保護機能の第１保護動作および第２保護動作を確実に作動させることができる。また、本実施例に係るスイッチング電源装置１では、短絡後もＭＯＳトランジスタＱ_２の導通状態が維持されるので、ＭＯＳトランジスタＱ_２のドレイン−ソース間電圧Ｖ_ＤＳが短絡の前後において変動せず、時間ｔ_２以降に発生する損失Ｐ＝Ｖ_ＤＳ１×Ｉ_Ｄ２が従来のスイッチング電源装置１０における損失Ｐ’＝Ｖ_ＤＳ２×Ｉ_Ｄ２よりも随分と小さいものとなる。

以上、本発明に係るスイッチング電源装置の実施例について説明したが、本発明は実施例の構成に限定されるものではない。

例えば、実施例に係るスイッチング電源装置１は、一次側に起動抵抗Ｒ_１および補助電源部４を備えているが、これらは適宜省略することができる。また、スイッチング電源装置１は、二次側に抵抗Ｒ_７およびコンデンサＣ_４を備えているが、これらも適宜省略することができる。

また、導通制御部５は、外部信号に応じて制御用抵抗Ｒ_３に電流を流し得る任意の回路に置き換えることができる。

また、オン状態とオフ状態とに切り替え可能な出力の数、および切り替え不能な出力の数は、駆動すべき負荷の数等に応じてそれぞれ２以上にすることができる。

１ スイッチング電源装置
２ 交流電源
３ 制御部
４ 補助電源部
５ 導通制御部
６ 負荷
７ 負荷

Claims (2)

1. トランスの二次巻線に誘起された電圧から生成した直流出力電圧を出力する第１出力ラインと、前記第１出力ラインに接続された第２出力ラインと、前記第２出力ラインに介装された電圧制御型のスイッチ素子と、前記スイッチ素子に制御電圧を与える制御用抵抗と、前記制御用抵抗に電流を通流させることで前記スイッチ素子を導通状態にして前記直流出力電圧を前記第２出力ラインからも出力させる導通制御部と、前記直流出力電圧が目標電圧となるように前記トランスの一次巻線に与えられた電圧をスイッチングするスイッチング部とを備えたスイッチング電源装置であって、
   通常時に充電され、前記第２出力ラインによって電力供給されていた負荷が短絡したときに放電するコンデンサと、
   前記コンデンサの放電電流が前記制御用抵抗に向かうように、前記放電電流の流れを規制するダイオードと、
   を備え、
   前記スイッチング部は、前記一次巻線に流れる電流が過電流になると前記直流出力電圧を前記目標電圧よりも低下させ、前記直流出力電圧が低下したまま所定の時間が経過すると前記スイッチングを停止させる過電流保護機能を有し、
   前記所定の時間が経過するまでの間、前記制御電圧が、前記スイッチ素子を導通状態とすることができる電圧となるように前記制御用抵抗に前記コンデンサの前記放電電流が流れる
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記スイッチ素子は、Ｐ型のＭＯＳトランジスタであり、
   前記制御用抵抗は、前記ＭＯＳトランジスタのソース−ゲート間に接続され、
   前記導通制御部は、コレクタが前記ＭＯＳトランジスタのゲートに接続され、エミッタが前記ダイオードのアノードに接続され、かつベースに外部信号が入力されるＮＰＮトランジスタを含み、
   前記コンデンサは、一端が前記ＭＯＳトランジスタのソースに接続され、他端が前記ＮＰＮトランジスタのエミッタに接続され、
   前記ダイオードは、カソードが前記第１および第２出力ラインと組をなす基準ラインに接続されている
   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。

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