JP6484529B2

JP6484529B2 - スイッチング電源装置

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Inventors: 一宏堀井
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Description

本発明は、直流電圧を所望の電圧に変換して電子機器に供給するためのスイッチング電源装置に関する。

従来から、入力電圧をスイッチング素子のオンオフにより断続電圧に変換し、これを整流・平滑することで直流の出力電圧を得ることができるスイッチング電源装置が広く用いられている。また、これらのスイッチング電源装置の高効率化の手段として同期整流が知られている。

（逆流電流抑制制御）
ところで、同期整流を用いたスイッチング電源装置は、スイッチング電源装置の出力電圧設定値よりも高い電圧を出力側に印加すると、出力側から入力側に逆流電流が流れてしまう。この逆流電流は、スイッチング電源装置の出力側に印加する電圧が高いほど大きくなる。逆流電流が大きいと、スイッチング素子にストレスを与え、スイッチング電源装置を故障させる原因になる。

同期整流を用いたスイッチング電源装置の逆流電流を抑制する方法として、例えば、図５に示す特許文献１に示すＤＣ−ＤＣコンバータを用いたスイッチング電源装置が知られており、図５は、後述の説明のために、一般的に知られているソフトスタート回路を追加した場合を示している。

図５に示すように、スイッチング電源装置１００は絶縁型フォワードコンバータであり、トランス１０４の一次コイル１０４ａの一端には入力電源１０２のプラス側が接続され、一次コイル１０４ａの他端はＭＯＳ−ＦＥＴから成るスイッチング素子１０６のドレイン側が接続され、スイッチング素子１０６のソース側には入力電源１０２のマイナス側が接続される。

トランス１０４の二次コイル１０４ｂの一端には、ＭＯＳ−ＦＥＴから成る整流側の同期整流素子１０８のゲート側、インバータ１１２の入力側、ＭＯＳ−ＦＥＴから成る転流側の同期整流素子１１０のドレイン側、及び平滑コンデンサ１１６の一端がそれぞれ接続されている。

また、二次コイル１０４ｂの他端側には、同期整流素子１０８のドレイン側が接続され、同期整流素子１０８のソース側は同期整流素子１１０のソース側に接続され、同期整流素子１１０のゲート側にはインバータ１１２の出力側が接続されている。

同期整流素子１０８，１１０のソース側の接続部にはチョークコイル１１４の一端が接続され、チョークコイル１１４の他端は平滑コンデンサ１１６の他端に接続される。

スイッチング制御部１２０には、絶縁型フォワードコンバータの出力電圧を安定化するためフィードバック制御回路１２２及びスイッチング素子制御回路１２４が設けられ、また逆流電流を抑制するため逆流電流検知手段１２８と逆流電流抑制手段１３０が設けられている。

フィードバック制御回路１２２は、誤差アンプ１３６と基準電圧源１３８を備え、誤差アンプ１３６は、抵抗１３２，１３４で分圧した出力比例電圧Ｖｏ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きいとデューティ制御信号電圧ＶＦＢが小さくなるように制御し、出力比例電圧Ｖｏ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さいとデューティ制御信号電圧ＶＦＢが大きくなるように制御する。

スイッチング素子制御回路１２４は、ＰＷＭコンパレータ１４０と三角波発生回路１４２を備え、三角波信号電圧Ｖｔｒｉがデューティ制御信号電圧ＶＦＢよりも小さい場合はスイッチング素子１０６をオンし、三角波信号電圧Ｖｔｒｉがデューティ制御信号電圧ＶＦＢよりも大きい場合はスイッチング素子１０６をオフする制御を行う。これによりデューティ制御信号電圧ＶＦＢが大きいときはスイッチング素子１０６のオンデューティが広くなり、デューティ制御信号電圧ＶＦＢが小さいときはスイッチング素子１０６のオンデューティが狭くなる。

入力電源１０２から供給された電圧Ｖｉｎは、スイッチング素子制御回路１２４によるスイッチング素子１０６のオンオフで断続電圧に変換されてトランス１０４の１次側から２次側に送られ、同期整流素子１０８，１１０の相補的なオンオフにより同期整流された後に、チョークコイル１１４と平滑コンデンサ１１６で整流平滑されることで安定化された出力電圧Ｖｏに変換される。

このスイッチング電源装置１００は、逆流電流検知手段１２８が逆流電流を検知すると、逆流電流抑制手段１３０がフィードバック制御回路１２２に対して、スイッチング電源装置１００の出力電圧Ｖｏを上昇させるように働きかける。即ち、逆流電流検知手段１２８が逆流電流を検知すると、フィードバック制御回路１２２に対してデューティ制御信号電圧ＶＦＢを大きくするように動作する。この動作により、スイッチング電源装置１００に逆流電流が流れた場合、スイッチング電源装置１００の出力電圧が上昇する方向に制御され、逆流電流が抑制されることになる。

特開２００１−１６９５４５号公報特開２０１４−２２０８６２号公報

ところで、図５に示したスイッチング電源装置１００にソフトスタート回路１２６を設けた場合は、スイッチング電源装置１００の出力側に電圧を印加した状態で起動動作を行うと、大きな逆流電流が流れてしまうと言う問題を持つ。以下、理由を説明する。

ソフトスタート回路１２６によるソフトスタート動作は、スイッチング電源装置１００を起動させる際に、スイッチング電源装置１００の出力電圧Ｖｏを零ボルトから定常動作中の出力電圧設定値まで徐々に上昇させる動作である。

ソフトスタート回路１２６は、スイッチング電源装置１００の起動時にＮＰＮトランジスタ１４６をオフすることで、抵抗１４８を介してコンデンサ１５０の充電を開始し、ＰＮＰトランジスタ１４４をエミッターフォロワーで用いることで、デューティ制御信号電圧ＶＦＢをコンデンサ１５０の電圧にＰＮＰトランジスタ１４４のベースエミッタ間電圧を加えた電圧でクランプし、コンデンサ１５０の電圧が徐々に上昇すると、クランプされているデューティ制御信号電圧ＶＦＢも徐々に上昇する。

この動作により、スイッチング電源装置１００の起動直後はオンデューティを狭く制御し、徐々にオンデューティを広げることで出力電圧を上昇させる動作を行うことができる。

ところで、ソフトスタート動作中に、逆流電流検知手段１２８が逆流電流を検出し、逆流電流抑制手段１３０がフィードバック制御回路１２２に対して出力電圧を上昇させるためにデューティ制御信号電圧ＶＦＢを大きくするように動作したとしても、スイッチング電源装置１００の出力電圧Ｖｏがソフトスタート回路１２６によって決定されているため、出力電圧を逆流電流に対して上昇させる動作を行うことができない。

従って、スイッチング電源装置１００の出力側に電圧を印加した状態で起動動作を行うと、大きな逆流電流が流れてしまうと言う問題が発生することになる。大きな逆流電流が流れてしまうと、スイッチング素子として用いている半導体素子に大きなストレスを与えることになり、最悪の場合、スイッチング電源装置１００を破壊させることになる。

（非安定型コンバータ）
一方、スイッチング電源装置を高効率化する手段として、図６に示すように、安定型コンバータ２１０に非安定型コンバータ２１２を組み合わせたスイッチング電源装置２００が知られている。

図６に示すように、安定型コンバータ２１０は例えば降圧チョッパーであり、スイッチング素子２２４、インダクタンス２２８、ダイオード２２６及びコンデンサ２３０を備え、降圧チョッパーのスイッチング素子２２４は、誤差アンプ２７０及び基準電圧源２７２を備えたフィードバック制御回路２５０と、ＰＷＭコンパレータ２７４及び三角波発生回路２７６を備えた安定型コンバータスイッチング素子制御回路２５２によって制御されることで、安定化された所定の電圧を出力する。

非安定型コンバータ２１２は、例えば絶縁型フルブリッジコンバータを用いており、トランス２３６の１次側となるスイッチング回路はフルブリッジ接続したスイッチング素子２３１，２３４の組み合せとスイッチング素子２３２，２３３の組み合わせを非安定型コンバータスイッチング素子制御回路２５８により相補的にオンオフしている。

トランス２３６の２次側に設けた同期整流回路の同期整流素子２４４，２４６は、一次側のスイッチング素２３１，２３４の組み合わせがオンするときには、同期整流素子２４６がオンし、スイッチング素子２３２，２３３の組み合わせがオンするときには、同期整流素子２４４がオンすることで同期整流し、コンデンサ２４８で平滑することで出力電圧Ｖｏを生成している。

非安定型コンバータ２１２はスイッチング素子２３１〜２３４のオンデューティを約５０％の固定デューティで動作させて用いる。これにより、トランス２３６の導通率をほぼ１００％とすることが可能となり、トランス２３６の利用率を高めることで高効率を実現する。また、非安定型コンバータ２１２は、それ自身に出力電圧を制御する機能を持たせず、トランス２３６の１次側巻線２３８と２次側巻線２４０，２４２の巻数比で入力電圧を出力電圧に変換する。

また、スイッチング素子２３１〜２３４のオンデューティを約５０％の固定デューティで動作させて用いることから、トランス２３６の２次側には、極わずかのオフ期間が存在するだけなので、出力側の平滑回路に平滑用のチョークコイルを設ける必要が無いため、若しくは、非常に小さなインダクタンスのチョークコイルで良いため、平滑回路の導通抵抗を低減することで高効率を実現する。

非安定型コンバータ２１２は、出力電圧を制御する機能を持たないため、スイッチング電源装置として用いる場合には、通常は、安定型コンバータ２１０と組み合わせて用いられる。

しかしながら、図６に示したスイッチング電源装置２００は、出力電圧の制御を安定型コンバータ２１０である降圧チョッパーで行うことになるため、非安定型コンバータ２１２に対しては、図５に示した逆流電流検知手段１２８と逆流電流抑制手段１３０による逆流電流抑制機能を設けることができず、出力側から電圧を印加すると、非安定型コンバータ２１２には、大きな逆流電流が流れることになる。

また、図６に示したスイッチング電源装置２００に図５に示したソフトスタート回路１２６を設けた場合、スイッチング電源装置２００が起動する際のソフトスタート動作においても、逆流電流を抑制することができないため、この場合も非安定型コンバータ２１２には、大きな逆流電流が流れることになる。

このように非安定型コンバータ２１２に大きな逆流電流が流れてしまうと、スイッチング素子として用いた半導体素子に大きなストレスを与えることになり、最悪の場合、スイッチング電源装置を破壊させることになる。

本発明は、出力側に同期整流回路を設け、出力側から電圧を印加した場合に流れる逆流電流を抑止して信頼性を高めるようにしたスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

（スイッチング電源装置：安定型コンバータと非安定型コンバータの組合せ）
本発明は、
所定の電圧を出力する入力側電源回路と、
入力側電源回路から入力された電圧を断続電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
スイッチング回路から出力された断続電圧を同期整流素子により同期整流して出力する同期整流回路と、
同期整流回路に設けた同期整流素子のオンオフを制御する同期整流素子制御回路と、
スイッチング回路に流れる電流を検出して電流情報を出力する電流検出回路と、
電流検出回路からの電流情報に基づき、スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、同期整流素子制御回路に同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させる電流方向判定回路と、
を設けた、出力側から入力側に逆流電流を流すことができるスイッチング電源装置であって、
入力側電源回路は、
出力電圧を所定電圧に安定化して出力する安定型コンバータと、
安定型コンバータに接続され、起動時に出力電圧を零電圧から所定の時定数に従って上昇させるソフトスタート回路と、
スイッチング回路と同期整流回路を組み合わせて構成され、自身の出力電圧を制御する機能を持たず、且つ出力側から入力側に逆流電流を流すことができる非安定型コンバータと、
を備え、
安定型コンバータの後段に非安定型コンバータを配置したことを特徴とする。

（ソフトスタートと同期整流許可の連携）
同期整流回路は、同期整流素子を寄生ダイオードを備えたＭＯＳ−ＦＥＴを含む素子で構成したことで、出力側から入力側に逆流電流を流すことが可能であり、
電流方向判定回路は、ソフトスタート回路による入力側電源回路の出力電圧の上昇によりスイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れ始めた初期のタイミングを判定したときに同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させることで寄生ダイオードに流れる電流を抑制し、寄生ダイオードのリカバリー動作を防止する。

（スイッチング電源装置：同期整流動作の維持による回生機能）
本発明は、
所定の電圧を出力する入力側電源回路と、
入力側電源回路から入力された電圧を断続電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
スイッチング回路から出力された断続電圧を同期整流素子により同期整流して出力する同期整流回路と、
同期整流回路に設けた同期整流素子のオンオフを制御する同期整流素子制御回路と、
スイッチング回路に流れる電流を検出して電流情報を出力する電流検出回路と、
電流検出回路からの電流情報に基づき、スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、同期整流素子制御回路に同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させる電流方向判定回路と、
を設けた、出力側から入力側に逆流電流を流すことができるスイッチング電源装置であって、
同期整流素子制御回路は、電流方向判定回路からの同期整流動作許可信号により同期整流回路の同期整流動作を開始させた場合、同期整流動作許可信号の如何にかかわらず同期整流回路の同期整流動作を継続させるラッチ機能を備えたことを特徴とする。

（ソフトスタートと同期整流許可の連携）
同期整流回路は、同期整流素子を寄生ダイオードを備えたＭＯＳ−ＦＥＴを含む素子で構成したことで、出力側から入力側に逆流電流を流すことが可能であり、
入力側電源回路は、装置を起動した場合に出力電圧を零電圧から所定の時定数に従って上昇させるソフトスタート回路を備え、
電流方向判定回路は、ソフトスタート回路による入力側電源回路の出力電圧の上昇によりスイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れ始めた初期のタイミングを判定したときに同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させることで寄生ダイオードに流れる電流を抑制し、寄生ダイオードのリカバリー動作を防止する。

（基本的な効果）
本発明は、所定の電圧を出力する入力側電源回路と、入力側電源回路から入力された電圧を断続電圧に変換して出力するスイッチング回路と、スイッチング回路から出力された断続電圧を同期整流素子により同期整流して出力する同期整流回路と、同期整流回路に設けた同期整流素子のオンオフを制御する同期整流素子制御回路とを設けたスイッチング電源装置に於いて、スイッチング回路に流れる電流を検出して電流情報を出力する電流検出回路と、電流検出回路からの電流情報に基づき、スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、同期整流素子制御回路に同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させる電流方向判定回路を設けるようにしたため、出力側に外部から電圧が印加されていても、電流方向判定回路によって同期整流動作を制御されているため、スイッチング電源装置の出力側から入力側に逆流電流が流れることが無く、逆流電流によるストレスでスイッチング電源装置が故障することを防止し、スイッチング電源装置の信頼性を向上することができる。

（ソフトスタートと同期整流許可の連携による効果）
また、同期整流回路の同期整流素子は、寄生ダイオードを備えたＭＯＳ−ＦＥＴを含む素子であり、入力側電源回路は、装置を起動した場合に出力電圧を零電圧から所定の時定数に従って上昇させるソフトスタート回路を備え、電流方向判定回路は、ソフトスタート回路による入力側電源回路の出力電圧の上昇によりスイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れ始めた初期のタイミングを判定し、同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させるようにしたため、スイッチング電源装置がソフトスタート動作をする際に、スイッチング電源装置の入力側から出力側に電流が流れ出した初期のタイミングで同期整流動作を開始するため、それまでの同期整流回路の動作を停止した状態でのスイッチング回路のオンオフ動作により、同期整流素子の寄生ダイオードにリカバリー動作を発生させることが無く、サージ電圧によるノイズの増大や半導体素子への電圧ストレスを引き起こすことを防止し、ノイズが小さく、故障の発生しない信頼性の高いスイッチング電源装置を作ることができる。

またスイッチング電源装置がソフトスタート動作をする際にも、スイッチング電源装置の出力側から入力側に逆流電流が流れることが無く、逆流電流によるストレスでスイッチング電源装置が故障することを防止し、スイッチング電源装置の信頼性を向上することができる。

（安定型コンバータと非安定型コンバータの組合せによる効果）
また、入力側電源回路は、出力電圧を所定電圧に安定化して出力する安定型コンバータを備え、スイッチング回路を非安定型コンバータで構成するようにしたため、非安定型コンバータのような出力電圧制御機能を持たないスイッチング電源装置においても、出力側から入力側に逆流電流が流れることが無く、逆流電流によるストレスでスイッチング電源装置が故障することを防止し、ノイズが小さく、故障の発生しない信頼性の高いスイッチング電源装置を作ることができる。

（同期整流動作の維持による回生機能による効果）
また、同期整流素子制御回路は、電流方向判定回路からの同期整流動作許可信号により同期整流回路の同期整流動作を開始させた場合、同期整流動作許可信号の如何にかかわらず同期整流回路の同期整流動作を継続させるラッチ機能を備えるようにしたため、逆流電流を防止する機能を備えたスイッチング電源装置に回生機能を付与することができる。

スイッチング電源装置の基本構成を示したブロック図スイッチング電源装置の具体的な実施形態を示した回路ブロック図図２の実施形態における各部の信号波形を示したタイムチャート回生機能を可能とするスイッチング電源装置の具体的な実施形態を示した回路ブロック図逆流電流抑制機能を備えた従来のスイッチング電源装置を示した回路ブロック図安定型コンバータと非安定型コンバータで構成した従来のスイッチング電源装置を示した回路ブロック図

［スイッチング電源装置の基本構成］
図１はスイッチング電源装置の基本構成を示したブロック図である。図１に示すように、本実施形態のスイッチング電源装置は、入力側電源回路１０、スイッチング回路１２、同期整流回路１４及び制御回路部２０により構成され、制御回路部２０には同期整流素子制御回路６０、電流検出回路６２及び電流方向判定回路６４を設けている。

入力側電源回路１０は所定の直流電圧Ｖ１を供給する。スイッチング回路１２は、入力側電源回路１０から供給された入力電圧Ｖ１から断続電圧を生成する。同期整流回路１４は、同期整流素子を備えており、スイッチング回路１２から供給された断続電圧を同期整流することで、出力側の負荷１６に直流電圧を供給する。

同期整流素子制御回路６０は、同期整流回路１４内の同期整流素子のオンオフを制御する。電流検出回路６２は、スイッチング電源装置内を流れる電流を検出して電流情報Ｅｉを電流方向判定回路６４に出力する。

電流方向判定回路６４は、電流検出回路６２からの電流情報Ｅｉに基づき、同期整流素子制御回路６０に対して同期整流動作許可信号Ｅ１を出力する。

即ち、電流方向判定回路６４は、電流検出回路６２からの電流情報Ｅｉに基づき、スイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、同期整流素子制御回路６０に同期整流動作許可信号Ｅ１を出力し、同期整流回路１４の同期整流動作を開始させる。

このため、スイッチング電源装置に外部電圧が印加された状態、もしくは、同期整流回路１４の出力側のコンデンサに電荷が残留した状態で、スイッチング電源装置を起動させた場合、スイッチング回路１２からの入力側電圧が同期整流回路１４側となる出力側電圧を超えるまでは、スイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れず、これにより電流方向判定回路６４は同期整流素子制御回路６０に対する同期整流動作許可信号Ｅ１の出力を禁止して同期整流回路１４の同期整流動作を停止しており、同期整流動作の停止によりスイッチング回路１２の出力側から入力側に逆流電流が流れることを阻止している。

スイッチング電源装置の起動により入力側電源回路１０から供給する電圧がソフトスタート動作等により上昇し、スイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れ始めると、これを電流方向判定回路６４が判定して同期整流素子制御回路６０に同期整流動作許可信号Ｅ１を出力し、同期整流回路１４の同期整流動作を開始させる。

このためスイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れ始めないと、同期整流回路１４の同期整流動作が開始されないため、スイッチング電源装置に外部電圧が印加された状態、もしくは、同期整流回路１４の出力側のコンデンサに電荷が残留した状態で、スイッチング電源装置を起動させても、出力側から入力側に向かって逆流電流が流れる現象が発生することが無く、半導体素子に大きなストレスを与えることを防止できる。

［スイッチング電源装置の具体的な実施形態］
図２はスイッチング電源装置の具体的な実施形態を示した回路ブロック図、図３は図２の実施形態における各部の信号波形を示したタイムチャートである。

本実施形態は、安定型コンバータと非安定型コンバータを組み合わせたスイッチング電源装置であり、入力側電源回路１０、スイッチング回路１２、同期整流回路１４及び制御回路部２０で構成され、制御回路部２０には、フィードバック制御回路５０、安定型コンバータスイッチング素子制御回路５２、ソフトスタート回路５６、非安定型コンバータスイッチング素子制御回路５８、電流検出回路６２、電流方向判定回路６４及び同期整流素子制御回路６０を設けている。ここで、入力側電源回路１０は安定型コンバータで構成し、スイッチング回路１２と同期整流回路１４は非安定型コンバータで構成している。

（入力側電源回路）
入力側電源回路１０は、入力電源２２と安定型コンバータである降圧チョッパーで構成される。降圧チョッパーは、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いたスイッチング素子２４のドレイン側を入力電源２２のプラス側に接続し、スイッチング素子２４のソース側にインダクタンス２８の一端とダイオードを用いた整流素子２６のカソード側を接続している。インダクタンス２８の他端は出力コンデンサ３０の一端に接続され、出力コンデンサ３０の他端と整流素子２６のアノード側が入力電源２２のマイナス側に接続される。

スイッチング素子２４は、安定型コンバータスイッチング素子制御回路５２およびフィードバック制御回路５０によって制御されることで、安定化された所定の電圧Ｖ１を出力する。

（安定型コンバータスイッチング素子制御回路）
安定型コンバータスイッチング素子制御回路５２は、ＰＷＭコンパレータ７４と三角波発生回路７６を持ち、ＰＷＭコンパレータ７４には、三角波発生回路７６から出力された三角波信号電圧Ｖｔｒｉとフィードバック制御回路５０から出力されたデューティ制御信号電圧ＶＦＢが入力される。

ＰＷＭコンパレータ７４は、三角波信号電圧Ｖｔｒｉがデューティ制御信号電圧ＶＦＢよりも小さい場合はスイッチング素子２４をオンにし、三角波信号電圧Ｖｔｒｉがデューティ制御信号電圧ＶＦＢよりも大きい場合はスイッチング素子２４をオフにする制御を行う。これにより、デューティ制御信号電圧ＶＦＢが大きいときはスイッチング素子２４のデューティが広くなり、デューティ制御信号電圧ＶＦＢが小さいときは、スイッチング素子２４のデューティが狭くなる。

入力電源２２から供給された電圧Ｖｉｎは、スイッチング素子２４で断続電圧に変換され、この断続電圧はインダクタンス２８と出力コンデンサ３０で整流平滑されることで電圧Ｖ１に変換される。ここで、スイッチング素子２４のオンデューティをｄｕｔｙとすると、
Ｖ１=Ｖｉｎ・ｄｕｔｙ
の関係を持つ。

（フィードバック制御回路）
フィードバック制御回路５０は、誤差アンプ７０と基準電圧源７２を持ち、誤差アンプ７０には基準電圧Ｖｒｅｆと抵抗６６，６８で分圧されたスイッチング電源装置の出力比例電圧Ｖｏ１が入力される。

誤差アンプ７０は、出力比例電圧Ｖｏ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きいとデューティ制御信号電圧ＶＦＢが小さくなるように制御し、出力比例電圧Ｖｏ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さいとデューティ制御信号電圧ＶＦＢが大きくなるように制御することで、このデューティ制御信号電圧ＶＦＢを安定型コンバータスイッチング素子制御回路５２に出力してスイッチング素子２４をオンオフ制御させることで、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏを所定の電圧に制御する。

（ソフトスタート回路）
ソフトスタート回路５６は、ＰＮＰトランジスタ７８、ＮＰＮトランジスタ８０、抵抗８２及びコンデンサ８４で構成しており、スイッチング電源装置の停止状態では起動信号Ｅ０がＨレベルにあり、ＮＰＮトランジスタ８０をオンすることによりコンデンサ８４を放電リセットしている。スイッチング電源装置を起動すると起動信号Ｅ０がＬレベルとなってＮＰＮトランジスタ８０がオフし、抵抗８２を介してコンデンサ８４の充電が開始され、コンデンサ８４の電圧が所定の時定数で上昇する。

ＰＮＰトランジスタ７８はエミッターフォロワーであり、フィードバック制御回路５０から出力されたデューティ制御信号電圧ＶＦＢを
（コンデンサ８４の電圧）＋（ＰＮＰトランジスタ７８のベースエミッタ間電圧）
でクランプする。コンデンサ８４が抵抗８２から供給される電流で充電されることで、コンデンサ８４の電圧が徐々に上昇するため、クランプされているデューティ制御信号電圧ＶＦＢが徐々に上昇する。

このデューティ制御信号電圧ＶＦＢが徐々に上昇する動作により、安定型コンバータスイッチング素子制御回路５２がスイッチング素子２４のデューティを徐々に広げる動作を行うことが可能となり、ソフトスタート動作を行うことができる。

（スイッチング回路と非安定型コンバータスイッチング素子制御回路）
スイッチング回路１２は、スイッチング素子３１〜３４をフルブリッジ接続したフルブリッジコンバータで構成された非安定型コンバータである。非安定型コンバータスイッチング素子制御回路５８は、非安定型コンバータのスイッチング素子３１，３４の組み合わせとスイッチング素子３２，３３の組み合わせを約５０％のデューティで相補的にオンオフすることで、入力側電源回路１０から入力された電圧Ｖ１を断続電圧に変換し、断続電圧をトランス３６に入力することで電圧変換を行う。

入力側電源回路１０より出力された電圧Ｖ１はトランス３６の一次巻線３８の巻数Ｎ１と二次巻線４０，４２の巻数Ｎ２の巻数比（Ｎ１：Ｎ２）で変換された電圧となる。

（同期整流回路と同期整流素子制御回路）
同期整流回路１４は、トランス３６の二次巻線４０，４２から出力された電圧をＭＯＳ−ＦＥＴを用いた同期整流素子４４，４６により整流し、平滑コンデンサ４８により平滑する回路であり、電圧Ｖｏを出力する。ここで、出力電圧Ｖｏと入力電圧Ｖ１は、
Ｖｏ＝（Ｎ２／Ｎ１）・Ｖ１
の関係を持つ。

同期整流素子制御回路６０は、スイッチング回路１２のスイッチング素子３１〜３４の組み合わせと同期整流素子４４，４６を相補的にオンオフする。スイッチング素３１，３４の組み合わせがオンするときには、同期整流素子４６がオンする。スイッチング素子３２，３３の組み合わせがオンするときには、同期整流素子４４がオンする。

（電流検出回路）
電流検出回路６２は、スイッチング回路１２に流れる電流を検出する回路であり、電流情報Ｅｉを電流方向判定回路６４へ出力する。本実施形態では、入力側電源回路１０とスイッチング回路１２の間のマイナス側ラインに低抵抗の電流検出抵抗６２ａを挿入接続し、スイッチング回路１２の入力側の電流を検出することで、低損失でスイッチング回路１２に流れる電流を検出する。

（電流方向判定回路）
電流方向判定回路６４は、例えばオペアンプ９０であり、電流検出回路６２からの電流情報Ｅｉに基づき、スイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れていないことを判定した場合、即ちスイッチング回路１２に電流が流れていないか、或いはスイッチング回路１２の出力側から入力側に逆流電流が流れて電流検出抵抗６２ａの両端電圧が零ボルト又はプラス電圧の場合は、オペアンプ９０の出力がＬレベルとなり、同期整流素子制御回路６０に対する同期整流動作許可信号Ｅ１の出力を禁止し、同期整流回路１４の同期整流動作を停止させる。

また、電流方向判定回路６４は、電流検出回路６２からの電流情報Ｅｉに基づき、スイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合、即ち電流検出抵抗６２ａの両端電圧がマイナス電圧の場合は、オペアンプ９０の出力がＨレベルとなり、同期整流素子制御回路６０に対して同期整流動作許可信号Ｅ１を出力し、同期整流回路１４の同期整流動作を開始させる。

なお、電流方向判定回路６４はオペアンプ９０を使用した場合を例にとっているが、コンパレータを使用しても良い。

［スイッチング電源装置の起動動作］
次に、図２に示したスイッチング電源装置の出力側に電圧Ｖ２を印可して、スイッチング電源装置を起動した際の動作を図３のタイムチャートに示す期間Ａ〜Ｄに分けて説明する。

ここで、出力側に印加する電圧Ｖ２は、スイッチング電源装置の定常時の出力電圧よりも低い電圧であるものとする。また、図３（Ａ）は起動信号Ｅ０を示し、図３（Ｂ）はスイッチング回路１２の入力側電圧を示し、図３（Ｃ）はＰＷＭコンパレータ７４の入力を示し、図３（Ｄ）はスイッチング素子２４のゲートソース間電圧ＶＧＳを示し、図３（Ｅ）はスイッチング素子３１およびスイッチング素子３４のゲートソース間電圧ＶＧＳを示し、図３（Ｆ）はスイッチング素子３２およびスイッチング素子３３のゲートソース間電圧ＶＧＳを示し、図３（Ｇ）は同期整流動作許可信号Ｅ１を示し、図３（Ｈ）は同期整流素子４４のゲートソース間電圧ＶＧＳを示し、図３（Ｉ）は同期整流素子４６のゲートソース間電圧を示す。

（期間Ａ）
図３の期間Ａは、スイッチング電源装置が起動する前の状態であり、スイッチング電源装置の出力側に、電圧Ｖ２が印可されている状態となっている。

また、期間Ａでは、スイッチング素子２４がオフしており、起動信号Ｅ０はＨレベルでソフトスタート回路５６のＮＰＮトランジスタ８０のオンによりコンデンサ８４が放電された状態となっている。

このとき、スイッチング電源装置の出力比例電圧Ｖｏ１が基準電圧Ｖｒｅｆよりも小さいため、フィードバック制御回路５０は、デューティ制御信号電圧ＶＦＢを大きくするように制御しようとする。

しかし、ソフトスタート回路５６によりデューティ制御信号電圧ＶＦＢは、
（コンデンサ８４の電圧）＋（ＰＮＰトランジスタ７８のベースエミッタ間電圧）
でクランプされている。以降、説明をわかりやすくするため、ＰＮＰトランジスタ７８のベースエミッタ間電圧を零ボルトとして考えることとすると、コンデンサ８４はＮＰＮトランジスタ８０のオンにより放電されて零ボルトとなっているため、デューティ制御信号電圧ＶＦＢも零ボルトにクランプされている。

また、期間Ａでは、スイッチング回路１２のスイッチング素子３１〜３４がスイッチング動作を開始している。しかし、期間Ａは、スイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れていないため、電流方向判定回路６４からの同期整流動作許可信号Ｅ１はＬレベルにあり、同期整流回路１４の同期整流動作を停止した状態となっている。このため、スイッチング電源装置の出力側に電圧Ｖ２が印加されていても、スイッチング電源装置に逆流電流が流れることが無い。

（期間Ｂ）
期間Ｂは、スイッチング電源装置の起動によるソフトスタート動作で出力電圧Ｖｏが外部から印加された電圧Ｖ２よりも低い期間となる。

まず、スイッチング電源装置を起動させるために、期間Ｂの最初となる時刻ｔ１で図３（Ａ）に示すように、起動信号Ｅ０をＬレベルとしてＮＰＮトランジスタ８０をオフする。ＮＰＮトランジスタ８０をオフすると、抵抗８２を介したコンデンサ８４の充電が開始され、コンデンサ８４の電圧が徐々に上昇する。コンデンサ８４の電圧上昇に合せてクランプされているデューティ制御信号電圧ＶＦＢも、図３（Ｃ）に示すように、徐々に上昇する。

ＰＷＭコンパレータ７４は、図３（Ｃ）に示すように、デューティ制御信号電圧ＶＦＢが三角波電圧Ｖｔｒｉよりも高いときに、図３（Ｄ）に示すように、スイッチング素子２４をオンさせる動作を行う。デューティ制御信号電圧ＶＦＢが徐々に上昇するため、スイッチング素子２４のオンパルス幅が徐々に広がる。スイッチング素子２４のオンパルスが広くなると入力側電源回路１０の出力電圧Ｖ１が上昇する。

スイッチング回路１２は、図３（Ｅ）（Ｆ）に示すように、スイッチング素子３１，３４の組み合わせとスイッチング素子３２，３３の組み合わせがデューティ約５０％で相補的にオンオフを繰り返しているため、スイッチング回路１２の入力側電圧と同期整流回路１４の出力側電圧は、トランス３６の一次巻線３８の巻数Ｎ１と二次巻線４０，４２の巻数Ｎ２に比例した関係を持つことになる。

同期整流回路１４の出力側に電圧Ｖ２を印加すると、スイッチング回路１２の入力側には、電圧｛Ｖ２×（Ｎ１/Ｎ２）｝が印加される状態となるはずであるが、期間Ｂは、同期整流回路１４の同期整流動作が停止して同期整流素子４４，４６がオンしないため、スイッチング回路１２の入力側に電圧｛Ｖ２×（Ｎ１／Ｎ２）｝が印加されることはない。

ただし、ＭＯＳ−ＦＥＴ等を用いた同期整流素子４４，４６は、ソース・ドレイン間に寄生ダイオードが存在しているため、同期整流素子４４，４６がオフの状態では、同期整流回路１４は寄生ダイオードを整流素子とした整流回路を構成している状態となり、スイッチング回路１２の入力側が電圧｛Ｖ２×（Ｎ１／Ｎ２）｝以上になれば、スイッチング回路１２の入力側から同期整流回路１４の出力側に電流を流すことができるため、スイッチング回路１２の入力側に電圧｛Ｖ２×（Ｎ１／Ｎ２）｝が印加されているのと等価な状態と考えることができる。

図３（Ｂ）の期間Ｂでは、入力側電源回路１０の出力電圧Ｖ１がスイッチング回路１２の入力側に加わる電圧｛Ｖ２×（Ｎ１／Ｎ２）｝よりも小さい状態であるので、スイッチング回路１２の入力側から出力側に向かって電流が流れることができない。

従って、電流検出回路６２からの電流情報Ｅｉに基づき電流方向判定回路６４はスイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れていないと判定し、同期整流動作許可信号Ｅ１をＬレベルとして出力を禁止し、同期整流素子制御回路６０による同期整流素子４４，４６の同期整流動作を停止した状態となっている。

このようにスイッチング電源装置は、スイッチング回路１２の入力側から出力側へ電流が流れないソフトスタートによる起動動作の初期の期間Ｂは、同期整流回路１４の同期整流動作が停止された状態となっているため、スイッチング電源装置の出力側に電圧Ｖ２が印加されていても逆流電流が流れることが無い。

（期間Ｃ）
期間Ｃは、スイッチング電源装置のソフトスタート動作により出力電圧Ｖｏが外部から印加された電圧Ｖ２よりも高くなる期間である。

期間Ｃの始まりとなる時刻ｔ２では、ソフトスタート動作により上昇している入力側電源回路１０の出力電圧Ｖ１がスイッチング回路１２の入力側電圧｛Ｖ２×（Ｎ１／Ｎ２）｝よりも大きくなる。このように入力側電源回路１０の出力電圧Ｖ１がスイッチング回路１２の入力側電圧｛Ｖ２×（Ｎ１／Ｎ２）｝よりも大きくなるのは、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが外部印加された電圧Ｖ２よりも高くなった時であるため、スイッチング回路１２の入力側から出力側に向かって電流が流れる。

電流方向判定回路６４は、電流検出回路６２からの電流情報Ｅｉに基づき、スイッチング回路１２の入力側から出力側に向かって電流が流れたことを判定すると、同期整流動作許可信号Ｅ１をＨレベルとして出力し、同期整流素子制御回路６０が動作して同期整流回路１４の同期整流素子４４，４６の同期整流動作が開始される。

このような同期整流回路１４の同期整流動作は、スイッチング回路１２の入力側から出力側に向かって電流が流れ出した直後の電流が小さいときに開始される。

ここで、同期整流素子４４，４６にＭＯＳ−ＦＥＴ等の寄生ダイオードを備えた素子を使用している場合、スイッチング回路１２の入力側から出力側に向かって流れる電流が大きくなっても同期整流動作を開始していないと、同期整流素子４４，４６にサージ電圧が発生し、ノイズが増大し、また、同期整流素子４４，４６に過大なストレスを与え、最悪の場合は同期整流素子４４，４６が故障する等の不具合が発生する。

更に、詳しく説明すると次のようになる。スイッチング回路１２の入力側から出力側に向かって電流が流れている時に、同期整流素子４４，４６が同期整流動作を停止していると、電流は同期整流素子４４，４６のソース・ドレイン間の寄生ダイオードを通過する。一般的なＭＯＳ−ＦＥＴの寄生ダイオードは、リカバリー特性が悪い。リカバリー動作は寄生ダイオードを流れる順方向の電流が大きいと顕著になる。

リカバリー特性の悪い寄生ダイオードに大きな順方向電流を流した後に、逆電圧を印加すると、大きなリカバリー電流（ダイオードの逆方向電流）が流れることになる。

従って、スイッチング素子３１，３４の組み合わせとスイッチング素子３２，３３の組み合わせのオンオフが入れ替わるタイミングで、同期整流素子４４，４６に逆電圧が印加されることになり、大きなリカバリー電流が流れる。リカバリー電流は、図示されていないが配線のインダクタンスやトランス３６の漏れインダクタンスに大きなエネルギーを蓄えることになり、リカバリー動作終了のタイミングで同期整流素子４４，４６に大きなサージ電圧を発生させることになる。

これに対し本実施形態のスイッチング電源装置では、スイッチング回路１２の入力側から出力側に向かって流れる初期のタイミングで、同期整流素子４４，４６の同期整流動作を開始させるため、同期整流動作を停止した状態で同期整流素子４４，４６の寄生ダイオードに対するリカバリー動作が発生せず、サージ電圧によるノイズの増大や半導体素子への電圧ストレスを引き起こすことを防止し、ノイズが小さく、故障の発生しない信頼性の高いスイッチング電源装置を作ることができる。

（期間Ｄ）
期間Ｄは、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏが出力電圧設定値となる定常動作の期間となる。期間Ｄの始まりとなる時刻ｔ３で、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏがフィードバック制御回路５０で決定される出力電圧設定値に達すると、出力電圧Ｖｏが一定になるようにフィードバック制御回路５０がデューティ制御信号電圧ＶＦＢを制御する。

このときソフトスタート回路５６のコンデンサ８４の電圧はさらに上昇するが、ＰＮＰトランジスタ７８はエミッタ―フォロワ―で用いられているため、コンデンサ８４の電圧がデューティ制御信号電圧ＶＦＢを超えるとＰＮＰトランジスタ７８がオフとなり、デューティ制御信号電圧ＶＦＢがソフトスタート回路５６によりクランプされることが無くなり、スイッチング電源装置は定常動作している状態となる。

［回生機能を備えたスイッチング電源装置］
図４は回生機能を可能とするスイッチング電源装置の具体的な実施形態を示した回路ブロック図である。

本実施形態の同期整流素子制御回路６０は、電流方向判定回路６４からの同期整流動作許可信号Ｅ１の出力より同期整流回路１４の同期整流動作を開始させた場合、その後は、同期整流動作許可信号Ｅ１の如何にかかわらず、同期整流回路１４の同期整流素子４４，４６のオンオフによる同期整流動作を継続させるように制御することで、スイッチング電源装置に回生機能を付与することを可能としている。

このため本実施形態の同期整流素子制御回路６０は、制御部６０ａとラッチ機能６０で構成している。ラッチ機能６０は、電流方向判定回路６４が電流検出回路６２からの電流情報Ｅｉに基づき、スイッチング回路１２の入力側から出力側に向かって電流が流れたことを判定して、オペアンプ９０の出力がＬレベルからＨレベルとなった場合、オペアンプ９０のＨレベル出力をラッチ機能６０ｂでラッチして制御部６０ａに対する出力をＨレベルに維持する。

制御部６０ａは、ラッチ機能６０ｂの出力がＬレベルの場合、同期整流回路１４の同期整流素子４４，４６をオフにして同期整流動作を停止し、ラッチ機能６０ｂの出力がＨレベルの場合、スイッチング回路１２のスイッチング素子３１，３４の組み合わせのオンに同期して同期整流素子４４をオンし、スイッチング素子３２，３３の組み合わせのオンに同期して同期整流素子４６をオンすることで同期整流動作を行わせる。

このため、スイッチング回路１２の入力側から出力側に電流が流れなくなっても、同期整流素子制御回路６０は同期整流回路１４の同期整流動作を継続し、スイッチング電源装置に回生機能を付与する。

それ以外の構成及び動作は図２の実施形態と同じになることから、同じ符号を付して説明は省略している。

このような回生機能を備えたスイッチング電源装置は、例えばバッテリーの充放電試験装置等に利用できる。バッテリーの充放電試験では、スイッチング電源装置の出力側にバッテリーを接続する。バッテリーの電圧をＶ２とすると、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏがバッテリー電圧Ｖ２よりも高いと、バッテリーを充電する動作となる。

放電試験のためスイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏを決める出力電圧設定値をバッテリー電圧Ｖ２よりも低くなるように設定して制御を行うと、スイッチング回路１２の出力側から入力側に逆流電流を流すことができる。逆流電流の大きさは、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏを決める出力電圧設定値を制御する。

［本発明の変形例］
上記の実施形態のスイッチング回路１２は、フルブリッジコンバータを例にとっているが、ハーフブリッジコンバータ等を用いても良い。

また、本発明は、上記の実施形態に限定されず、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含む。また上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

１０：入力側電源回路
１２：スイッチング回路
１４：同期整流回路
１６：負荷
２０：制御回路部
２２：入力電源
２４，３１，３２，３３，３４：スイッチング素子
２６：整流素子
２８：インダクタンス
３０：出力コンデンサ
３６：トランス
４４，４６：同期整流素子
４８：平滑コンデンサ
５０：フィードバック制御回路
５２：安定型コンバータスイッチング素子制御回路
５６：ソフトスタート回路
５８：非安定型コンバータスイッチング素子制御回路
６０：同期整流素子制御回路
６０ａ：制御部
６０ｂ：ラッチ機能
６２：電流検出回路
６４：電流方向判定回路
７０：誤差アンプ
７２：基準電圧源
７４：ＰＷＭコンパレータ
７６：三角波発生回路
７８：ＰＮＰトランジスタ
８０：ＮＰＮトランジスタ
８２：抵抗
８４：コンデンサ
９０：オペアンプ

Claims

所定の電圧を出力する入力側電源回路と、
前記入力側電源回路から入力された電圧を断続電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路から出力された断続電圧を同期整流素子により同期整流して出力する同期整流回路と、
前記同期整流回路に設けた同期整流素子のオンオフを制御する同期整流素子制御回路と
、
前記スイッチング回路に流れる電流を検出して電流情報を出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路からの前記電流情報に基づき、前記スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、前記同期整流素子制御回路に同期整流動作許可信号を出力して前記同期整流回路の同期整流動作を開始させる電流方向判定回路と、
を設けた、出力側から入力側に逆流電流を流すことができるスイッチング電源装置であって、
前記入力側電源回路は、
出力電圧を所定電圧に安定化して出力する安定型コンバータと、
前記安定型コンバータに接続され、起動時に出力電圧を零電圧から所定の時定数に従って上昇させるソフトスタート回路と、
前記スイッチング回路と前記同期整流回路を組み合わせて構成され、自身の出力電圧を制御する機能を持たず、且つ出力側から入力側に逆流電流を流すことができる非安定型コンバータと、
を備え、
前記安定型コンバータの後段に前記非安定型コンバータを配置したことを特徴とするスイッチング電源装置。
請求項１記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記同期整流回路は、同期整流素子を寄生ダイオードを備えたＭＯＳ−ＦＥＴを含む素子で構成したことで、出力側から入力側に逆流電流を流すことが可能であり、
前記電流方向判定回路は、前記ソフトスタート回路による前記入力側電源回路の出力電圧の上昇により前記スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れ始めた初期のタイミングを判定したときに前記同期整流動作許可信号を出力して前記同期整流回路の同期整流動作を開始させることで前記寄生ダイオードに流れる電流を抑制し、前記寄生ダイオードのリカバリー動作を防止することを特徴とするスイッチング電源装置。
所定の電圧を出力する入力側電源回路と、
前記入力側電源回路から入力された電圧を断続電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路から出力された断続電圧を同期整流素子により同期整流して出力する同期整流回路と、
前記同期整流回路に設けた同期整流素子のオンオフを制御する同期整流素子制御回路と、
前記スイッチング回路に流れる電流を検出して電流情報を出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路からの前記電流情報に基づき、前記スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、前記同期整流素子制御回路に同期整流動作許可信号を出力して前記同期整流回路の同期整流動作を開始させる電流方向判定回路と、
を設けた、出力側から入力側に逆流電流を流すことができるスイッチング電源装置であって、
前記同期整流素子制御回路は、前記電流方向判定回路からの同期整流動作許可信号により前記同期整流回路の同期整流動作を開始させた場合、前記同期整流動作許可信号の如何にかかわらず前記同期整流回路の同期整流動作を継続させるラッチ機能を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
請求項３記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記同期整流回路は、同期整流素子を寄生ダイオードを備えたＭＯＳ−ＦＥＴを含む素子で構成したことで、出力側から入力側に逆流電流を流すことが可能であり、
前記入力側電源回路は、装置を起動した場合に出力電圧を零電圧から所定の時定数に従って上昇させるソフトスタート回路を備え、
前記電流方向判定回路は、前記ソフトスタート回路による前記入力側電源回路の出力電圧の上昇により前記スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れ始めた初期のタイミングを判定したときに前記同期整流動作許可信号を出力して前記同期整流回路の同期整流動作を開始させることで前記寄生ダイオードに流れる電流を抑制し、前記寄生ダイオードのリカバリー動作を防止することを特徴とするスイッチング電源装置。