JP6680059B2 - スイッチング電源装置およびスイッチング制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子を用いて電圧変換を行うスイッチング電源装置、およびそのようなスイッチング電源装置において用いられるスイッチング制御回路に関する。

電源装置では、しばしば、負荷電流が過大になったときに出力電圧を垂下させることにより、電源装置およびその負荷となる装置を安全な状態に保つように制御される。例えば、特許文献１には、入力電圧、出力電圧、およびデューティ比に基づいて、負荷電流が過大であることを検出するスイッチング電源装置が開示されている。

特開２００２−３０５８７３号公報

ところで、電子機器では、一般にシンプルな構成が望まれており、スイッチング電源装置においても、シンプルな構成が期待されている。

したがって、シンプルな構成を実現できるスイッチング電源装置およびスイッチング制御回路を提供することが望ましい。

本発明のスイッチング電源装置は、スイッチング電源回路と、制御回路とを備えている。スイッチング電源回路は、１次側巻線および２次側巻線を有するトランスと、１次側巻線に接続されたスイッチング回路と、２次側巻線に接続され、２次側巻線から出力された交流電圧を直流電圧に変換する変換回路とを含んでいる。制御回路は、直流電圧、および変換回路におけるデューティ比に基づいて、変換回路が所定の電圧を出力可能な負荷電流の最大値を示す最大負荷電流値を求め、その最大負荷電流値に基づいて、スイッチング電源回路が所定の垂下動作を行うように、スイッチング回路の動作を制御するものである。上記制御回路は、負荷電流の電流値が最大負荷電流値以上である場合に、直流電圧およびデューティ比に基づいて、スイッチング電源回路が垂下動作を行うように最大負荷電流値を変化させる。

本発明のスイッチング制御回路は、スイッチング電源回路における変換回路により交流電圧から変換された直流電圧、および、変換回路におけるデューティ比に基づいて、変換回路が所定の電圧を出力可能な負荷電流の最大値を示す最大負荷電流値を求め、その最大負荷電流値に基づいて、スイッチング電源回路が所定の垂下動作を行うように、スイッチング電源回路の動作を制御するものである。スイッチング制御回路は、負荷電流の電流値が最大負荷電流値以上である場合に、直流電圧およびデューティ比に基づいて、スイッチング電源回路が垂下動作を行うように最大負荷電流値を変化させる。

本発明のスイッチング電源装置およびスイッチング制御回路によれば、直流電圧、および変換回路におけるデューティ比に基づいて最大負荷電流値を求め、その最大負荷電流値に基づいて、スイッチング回路の動作を制御するようにしたので、シンプルな構成を実現することができる。

本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置の一構成例を表す回路図である。 図１に示したルックアップテーブルの一構成例を表す表である。 図１に示したスイッチング電源装置の一動作例を表す波形図である。 図１に示したスイッチング電源装置の一動作状態を表す説明図である。 図１に示したスイッチング電源装置の他の動作状態を表す説明図である。 図１に示したスイッチング電源装置における垂下動作の一例を表す説明図である。 変形例に係るスイッチング電源装置の一構成例を表す回路図である。 他の変形例に係るスイッチング電源装置の一構成例を表す回路図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［構成例］
図１は、本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置（スイッチング電源装置１）の一構成例を表すものである。なお、本発明の実施の形態に係るスイッチング制御回路は、本実施の形態により具現化されるので、併せて説明する。

スイッチング電源装置１は、この例では、入力端子Ｔ１，Ｔ２に接続された電源ＰＳから入力された直流の入力電圧Ｖinを電圧変換する（降圧する）ことにより、直流の出力電圧Ｖoutを生成し、この出力電圧Ｖoutを出力端子Ｔ３，Ｔ４を介して負荷Ｌへ供給するものである。スイッチング電源装置１は、入力平滑コンデンサＣinと、電流検出回路８と、スイッチング回路１０と、トランス２０と、整流回路３０と、平滑回路４０と、電圧検出回路９と、制御部５０とを備えている。

入力平滑コンデンサＣinは、入力端子Ｔ１に接続された１次側高圧ラインＬ１Ｈと入力端子Ｔ２に接続された１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に配置されており、電源ＰＳから入力端子Ｔ１、Ｔ２間に入力された直流の入力電圧Ｖinを平滑化するためのものである。

電流検出回路８は、１次側高圧ラインＬ１Ｈ上において、入力端子Ｔ１とスイッチング回路１０との間に配置されており、この１次側高圧ラインＬ１Ｈ上を流れる入力電流Ｉinを検出するとともに、この検出した入力電流Ｉinに対応する検出信号を制御部５０に供給するものである。電流検出回路８は、この例では、カレントトランス８Ａを用いて構成されている。

スイッチング回路１０は、入力電圧Ｖinを交流電圧に変換するフルブリッジ型のスイッチング回路である。このスイッチング回路１０は、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４を有している。

スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの素子が使用可能である。この例では、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４は、全てＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴにより構成されている。スイッチング素子ＳＷ１１のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ１１が供給され、ソースはスイッチング素子ＳＷ１２のドレインに接続され、ドレインは１次側高圧ラインＬ１Ｈに接続されている。スイッチング素子ＳＷ１２のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ１２が供給され、ソースは１次側低圧ラインＬ１Ｌに接続され、ドレインはスイッチング素子ＳＷ１１のソースに接続されている。スイッチング素子ＳＷ１３のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ１３が供給され、ソースはスイッチング素子ＳＷ１４のドレインに接続され、ドレインは１次側高圧ラインＬ１Ｈに接続されている。スイッチング素子ＳＷ１４のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ１４が供給され、ソースは１次側低圧ラインＬ１Ｌに接続され、ドレインはスイッチング素子ＳＷ１３のソースに接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ１１のソースおよびスイッチング素子ＳＷ１２のドレインは、トランス２０の１次側巻線２１（後述）の一端に接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ１３のソースおよびスイッチング素子ＳＷ１４のドレインは、共振用インダクタＬｒを介して、この１次側巻線２１（後述）の他端に接続されている。この共振用インダクタＬｒは、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４内の寄生容量素子、およびトランス２０のリーケージインダクタと共に所定のＬＣ共振回路を構成している。

この構成により、スイッチング回路１０では、制御部５０から供給されるＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４に応じてスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４をオンオフ制御することにより、直流の入力電圧Ｖinを交流電圧に変換するようになっている。

トランス２０は、１次側と２次側とを直流的に絶縁するとともに交流的に接続するものであり、１次側巻線２１および２次側巻線２２Ａ，２２Ｂを含んで構成された３巻線型のトランスである。トランス２０の１次側巻線２１と２次側巻線２２Ａ，２２Ｂとは、フォワード接続されている。１次側巻線２１の一端はスイッチング回路１０に接続され、他端は共振用インダクタＬｒを介してスイッチング回路１０に接続されている。２次側巻線２２Ａの一端および２次側巻線２２Ｂの一端は、整流回路３０に接続されている。そして、２次側巻線２２Ａ，２２Ｂの他端同士はセンタタップＣＴで互いに接続されるとともに、２次側高圧ラインＬ２Ｈに接続されている。１次側巻線２１の巻数はＮｐであり、２次側巻線２２Ａ，２２Ｂの巻数はそれぞれＮｓである。これらの巻数比Ｎｐ：Ｎｓは、例えば１０：１に設定される。

この構成により、トランス２０は、１次側巻線２１の両端間に供給された交流電圧を“Ｎｓ／Ｎｐ”倍に降圧し、２次側巻線２２Ａ，２２Ｂから出力するようになっている。

整流回路３０は、トランス２０から供給される交流電圧を整流する回路である。この整流回路３０は、ダイオード３１，３２を有している。ダイオード３１のカソードは２次側巻線２２Ｂの一端に接続され、アノードは２次側低圧ラインＬ２Ｌに接続されている。ダイオード３２のカソードは２次側巻線２２Ａの一端に接続され、アノードは２次側低圧ラインＬ２Ｌに接続されている。

平滑回路４０は、チョークコイルＬｃｈと出力平滑コンデンサＣoutとを有している。チョークコイルＬｃｈは、２次側高圧ラインＬ２Ｈ上に挿入配置されており、その一端はトランス２０のセンタタップＣＴに接続され、他端は出力端子Ｔ３に接続されている。出力平滑コンデンサＣoutは、チョークコイルＬｃｈの他端と２次側低圧ラインＬ２Ｌとの間に配置されている。

この構成により、平滑回路４０は、整流回路３０によって整流されセンタタップＣＴから出力される交流の信号（交流電圧Ｖac）を平滑化して直流の出力電圧Ｖoutを生成し、この出力電圧Ｖoutを出力端子Ｔ３，Ｔ４間に接続された負荷Ｌに供給するようになっている。

電圧検出回路９は、２次側高圧ラインＬ２Ｈと２次側低圧ラインＬ２Ｌとの間に配置されており、出力端子Ｔ３，Ｔ４間の出力電圧Ｖoutを検出するとともに、この検出した出力電圧Ｖoutに対応する検出信号を制御部５０に供給するものである。電圧検出回路９は、例えば、出力電圧Ｖoutを所定の分圧比を有する抵抗回路を用いて分圧し、この分圧された電圧を出力するように構成することができる。

制御部５０は、電流検出回路８が検出した入力電流Ｉin、電圧検出回路９が検出した出力電圧Ｖout、およびセンタタップＣＴにおける交流電圧Ｖacに基づいて、スイッチング回路１０におけるスイッチング動作を制御するものである。制御部５０は、デューティ比検出回路５１と、バッファ５２と、抵抗器Ｒ５３と、平滑回路５５と、バッファ５６と、抵抗器Ｒ５７と、制御回路５８と、ＳＷ制御部６１と、トランス６２と、ＳＷ駆動部６３とを有している。

デューティ比検出回路５１は、センタタップＣＴにおける交流電圧Ｖacに基づいて、デューティ比ＤＲを検出する回路である。デューティ比検出回路５１は、デューティ比ＤＲを検出することができるような様々な構成を用いることができる。具体的には、デューティ比検出回路５１は、例えば、交流電圧Ｖacに基づいて、交流電圧Ｖacの波高値を所定の波高値に揃えた信号を生成し、その信号の平均値を検出することによりデューティ比ＤＲを検出するように構成することができる。

バッファ５２は、インピーダンス変換の機能を有するとともに、例えば電圧検出回路９から供給された信号の電圧レンジを変換して出力する回路である。抵抗器Ｒ５３は、バッファ５２の出力信号のノイズを除去し、あるいは、サージ電圧、過電流などを制限することにより、バッファ５２および制御回路５８を保護する機能を有するものである。

平滑回路５５は、電流検出回路８から供給された検出信号を電圧に変換し、その電圧を平滑化する回路である。バッファ５６は、インピーダンス変換の機能を有するとともに、例えば平滑回路５５から供給された信号の電圧レンジを変換して出力する回路である。抵抗器Ｒ５７は、抵抗器Ｒ５３と同様に、バッファ５６の出力信号のノイズを除去し、あるいは、サージ電圧、過電流などを制限することにより、バッファ５６および制御回路５８を保護する機能を有する。この構成により、制御回路５８には、入力電流Ｉinの平均値（平均入力電流Ｉindc）が供給されるようになっている。

制御回路５８は、例えば、マイクロコントローラ（ＭＣＵ）などを用いて構成されるものであり、出力電圧Ｖout、デューティ比ＤＲ、および平均入力電流Ｉindcに基づいて、ＳＷ制御部６１に制御信号を供給することにより、スイッチング回路１０の動作を制御するものである。具体的には、制御回路５８は、スイッチング電源装置１の負荷電流Ｉloadが、最大負荷電流Ｉlimitよりも低い場合には、出力電圧Ｖoutが一定になるように、スイッチング回路１０の動作を制御する。また、制御回路５８は、スイッチング電源装置１の負荷電流Ｉloadが、最大負荷電流Ｉlimit以上である場合には、出力電力（＝Ｖout×Ｉload）を一定に維持しつつ出力電圧Ｖoutが垂下するように、スイッチング回路１０の動作を制御するようになっている。制御回路５８は、ルックアップテーブル（ＬＵＴ；Look Up Table）５９を有している。ルックアップテーブル５９は、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲと、最大負荷電流Ｉlimitとの対応関係を示すものである。

図２は、ルックアップテーブル５９の一例を表すものである。この図２は、出力電圧Ｖout（横軸）およびデューティ比ＤＲ（縦軸）に対応する、最大負荷電流Ｉlimitの値を任意単位で示している。

制御回路５８は、スイッチング電源装置１が動作している間、出力電圧Ｖout、デューティ比ＤＲ、および平均入力電流Ｉindcを、例えば所定の時間間隔（例えば１［msec］間隔）で継続してモニタする。そして、制御回路５８は、出力電圧Ｖout、デューティ比ＤＲ、および平均入力電流Ｉindcに基づいて、負荷電流Ｉloadを継続して求める。すなわち、まず、次の式（ＥＱ１）に示すように、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲを用いて、入力電圧Ｖinを求めることができる。
Ｖin ＝ Ｖout ／ Ｎ ／ ＤＲ …（ＥＱ１）
ここで、“Ｎ”はトランス２０の巻線比（Ｎｓ／Ｎｐ）である。そして、次の式（ＥＱ２）に示すように、入力電圧Ｖin、平均入力電流Ｉindc、および出力電圧Ｖoutを用いて、負荷電流Ｉloadを求めることができる。
Ｉload ＝ Ｖin × Ｉindc × ｎ ／ Ｖout …（ＥＱ２）
ここで、“ｎ”は、スイッチング電源装置１における変換効率である。

また、制御回路５８は、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて、ルックアップテーブル５９（図２）を用いて、最大負荷電流Ｉlimitを継続して求める。その際、制御回路５８は、ルックアップテーブル５９に基づいて、補間処理を行うことにより、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて、最大負荷電流Ｉlimitを高い精度で求める。

そして、制御回路５８は、式（ＥＱ１），（ＥＱ２）を用いて求めた負荷電流Ｉloadが、この最大負荷電流Ｉlimit以上である場合に、ルックアップテーブル５９を用いて出力電圧Ｖoutを垂下させるようになっている。

ＳＷ制御部６１は、制御回路５８から供給された制御信号に基づいて、ＳＷ駆動部６３を制御するものである。具体的には、ＳＷ制御部６１は、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４の基となる制御信号を生成し、トランス６２を介してＳＷ駆動部６３へ供給するようになっている。ＳＷ駆動部６３は、ＳＷ制御部６１からトランス６２を介して供給された制御信号に基づいて、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４を生成し、スイッチング回路１０のスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４へそれぞれ供給するものである。

ここで、トランス２０は、本開示における「トランス」の一具体例に対応する。スイッチング回路１０は、本開示における「スイッチング回路」の一具体例に対応する。整流回路３０および平滑回路４０は、本開示における「変換回路」の一具体例に対応する。制御回路５８は、本開示における「制御回路」の一具体例に対応する。デューティ比検出回路５１は、本開示における「検出回路」の一具体例に対応する。ルックアップテーブル５９は、本開示における「テーブル」の一具体例に対応する。

［動作および作用］
次に、本実施の形態のスイッチング電源装置１の動作および作用について説明する。

（全体動作概要）
まず最初に、図１を参照して、スイッチング電源装置１の動作を説明する。スイッチング回路１０は、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４に基づいてスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４をスイッチングすることにより、電源ＰＳから供給された直流の入力電圧Ｖinを交流電圧に変換し、トランス２０の１次側巻線２１の両端間に供給する。そしてトランス２０は、この交流電圧をＮｓ／Ｎｐ倍に変圧（降圧）し、２次側巻線２２Ａ，２２Ｂから、変圧された交流電圧を出力する。整流回路３０は、この交流電圧を整流する。平滑回路４０は、この整流された信号を平滑化して直流の出力電圧Ｖoutを生成し、その出力電圧Ｖoutを、出力端子Ｔ３，Ｔ４に接続された負荷Ｌに供給する。

制御部５０において、デューティ比検出回路５１は、交流電圧Ｖacに基づいてデューティ比ＤＲを検出する。そして、制御回路５８は、出力電圧Ｖout、デューティ比ＤＲ、および平均入力電流Ｉindcに基づいて、スイッチング回路１０の動作を制御する。具体的には、制御回路５８は、出力電圧Ｖout、デューティ比ＤＲ、および平均入力電流Ｉindcに基づいて、負荷電流Ｉloadを継続して求めるとともに、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて、ルックアップテーブル５９を用いて、最大負荷電流Ｉlimitを継続して求める。そして、制御回路５８は、スイッチング電源装置１の負荷電流Ｉloadが、最大負荷電流Ｉlimitよりも低い場合には、出力電圧Ｖoutが一定になるように、スイッチング回路１０の動作を制御する。また、制御回路５８は、スイッチング電源装置１の負荷電流Ｉloadが、最大負荷電流Ｉlimit以上である場合には、出力電力（＝Ｖout×Ｉload）を一定に維持しつつ出力電圧Ｖoutが垂下するように、スイッチング回路１０の動作を制御する。

（スイッチング動作について）
図３は、スイッチング電源装置１の動作を表すものであり、（Ａ）〜（Ｄ）はＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４の波形をそれぞれ示す。この例では、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４は、そのゲートに印加されたＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４が高レベルの時にオン状態となり、低レベルの時にオフ状態になるものである。

図３に示したように、ＳＷ駆動部６３は、ＳＷ制御信号Ｓ１１，Ｓ１４が同時に高レベルになる期間Ｔ１１を有するように、ＳＷ制御信号Ｓ１１，Ｓ１４を生成する（図３（Ａ），（Ｄ））。これにより、図３（Ｅ）に示したように、この期間Ｔ１１（電力伝達期間Ｐ）において、入力電流Ｉinが、トランス２０の１次側巻線２１に流れ、電力がトランス２０の１次側から２次側へ伝達される。同様に、ＳＷ駆動部６３は、ＳＷ制御信号Ｓ１２，Ｓ１３が同時に高レベルになる期間Ｔ１２を有するように、ＳＷ制御信号Ｓ１２，Ｓ１３を生成する（図３（Ｂ），（Ｃ））。これにより、図３（Ｅ）に示したように、この期間Ｔ１２（電力伝達期間Ｐ）において、入力電流Ｉinが、トランス２０の１次側巻線２１に流れ、電力がトランス２０の１次側から２次側へ伝達される。ここで、周期Ｔの時間における電力伝達期間Ｐの時間（Ｔ１１＋Ｔ１２）の占める割合がデューティ比ＤＲである。

その際、ＳＷ駆動部６３が生成するＳＷ制御信号Ｓ１１，Ｓ１２は、同時に高レベルになることはなく（図３（Ａ），（Ｂ））、同様に、ＳＷ制御信号Ｓ１３，Ｓ１４は、同時に高レベルになることはない（図３（Ｃ），（Ｄ））。言い換えれば、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２は、同時にオン状態になることはなく、同様に、スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４は、同時にオン状態になることはない。つまり、スイッチング電源装置１では、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとが電気的に短絡しないようになっている。なお、ＳＷ制御信号Ｓ１１が高レベルになる期間と、ＳＷ制御信号Ｓ１２が高レベルになる期間とは、互いにデッドタイムＴｄだけ離れて設定されており、同様に、ＳＷ制御信号Ｓ１３が高レベルになる期間と、ＳＷ制御信号Ｓ１４が高レベルになる期間とは、互いにデッドタイムＴｄだけ離れて設定される。このデッドタイムＴｄは、１次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとが電気的に短絡するのを回避するためにとられる時間である。

図４，５は、スイッチング電源装置１の動作を表すものであり、図４は、期間Ｔ１１における動作を示し、図５は、期間Ｔ１２における動作を示す。なお、これらの図では、説明の便宜上、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４を、その動作状態（オン状態もしくはオフ状態）を表すスイッチの形状で示す。また、説明の便宜上、その説明に直接必要のない回路ブロックや素子などについては、適宜図示を省略する。

期間Ｔ１１では、スイッチング回路１０のスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４がオン状態になるとともに、スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３がオフ状態になる（図３（Ａ）〜（Ｄ））。これにより、スイッチング電源装置１の１次側では、図４に示したように、１次側ループ電流Ｉａ１が、スイッチング素子ＳＷ１１、トランス２０の１次側巻線２１、共振用インダクタＬｒ、スイッチング素子ＳＷ１４、電源ＰＳおよび入力平滑コンデンサＣinの順に流れる。そして、２次側では、電力がトランス２０の１次側から２次側へ伝達されることにより、２次側ループ電流Ｉａ２が、ダイオード３２、トランス２０の２次側巻線２２Ａ、チョークコイルＬｃｈ、負荷Ｌおよび出力平滑コンデンサＣoutの順に流れる。

一方、期間Ｔ１２では、スイッチング回路１０のスイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３がオン状態になるとともに、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４がオフ状態になる（図３（Ａ）〜（Ｄ））。これにより、スイッチング電源装置１の１次側では、図５に示したように、１次側ループ電流Ｉｂ１が、スイッチング素子ＳＷ１３、共振用インダクタＬｒ、トランス２０の１次側巻線２１、スイッチング素子ＳＷ１２、電源ＰＳおよび入力平滑コンデンサＣinの順に流れる。そして、２次側では、電力がトランス２０の１次側から２次側へ伝達されることにより、２次側ループ電流Ｉｂ２が、ダイオード３１、トランス２０の２次側巻線２２Ｂ、チョークコイルＬｃｈ、負荷Ｌおよび出力平滑コンデンサＣoutの順に流れる。

このように、スイッチング電源装置１では、期間Ｔ１１，Ｔ１２（電力伝達期間Ｐ）において、トランス２０の１次側から２次側へ電力が伝達され、２次側ループ電流Ｉａ２，Ｉｂ２が流れる。この期間Ｔ１１，Ｔ１２の長さは、図３に示したように、ＳＷ制御信号Ｓ１１，Ｓ１４間の位相差φ、およびＳＷ制御信号Ｓ１２，Ｓ１３間の位相差φにより制御される。すなわち、例えば、位相差φが小さくなると、期間Ｔ１１，Ｔ１２（電力伝達期間Ｐ）の長さが長くなってデューティ比ＤＲが大きくなり、２次側ループ電流Ｉａ２，Ｉｂ２が流れる時間が長くなるため、生成される出力電圧Ｖoutが高くなる。制御部５０は、このようにして位相差φを制御することにより、出力電圧Ｖoutを制御する。

（垂下動作について）
制御部５０の制御回路５８は、スイッチング電源装置１が動作している間、出力電圧Ｖout、デューティ比ＤＲ、および平均入力電流Ｉindcを、例えば所定の時間間隔で継続してモニタする。そして、制御回路５８は、出力電圧Ｖout、デューティ比ＤＲ、および平均入力電流Ｉindcに基づいて、負荷電流Ｉloadを継続して求めるとともに、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて、ルックアップテーブル５９を用いて、最大負荷電流Ｉlimitを継続して求める。そして、制御回路５８は、負荷電流Ｉloadが最大負荷電流Ｉlimit以上である場合に、ルックアップテーブル５９を用いて出力電圧Ｖoutを垂下させる。以下に、この動作について詳細に説明する。

図６は、スイッチング電源装置１における出力電圧特性を表すものである。図６において、横軸は負荷電流Ｉloadを示し、縦軸は出力電圧Ｖoutを示す。この例では、スイッチング電源装置１は、負荷電流Ｉloadが最大負荷電流Ｉlimitよりも低い場合において、出力電圧Ｖoutが“１７Ｖ”に維持されるように構成されている。

制御回路５８は、負荷電流Ｉloadが十分に低い場合において、この例では、デューティ比ＤＲが“２０％”程度になるように、スイッチング回路１０の動作を制御する。デューティ比検出回路５１は、交流電圧Ｖacに基づいて、このデューティ比ＤＲを検出する。そして、制御回路５８は、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて、ルックアップテーブル５９を用いて、最大負荷電流Ｉlimitを求める。この例では、出力電圧Ｖoutは“１７Ｖ”であり、デューティ比ＤＲは“２０％”程度であるので、制御回路５８は、ルックアップテーブル５９（図２）を用いて、最大負荷電流Ｉlimitの値“５００”（任意単位の値）を得る。この例では、負荷電流Ｉloadは、この最大負荷電流Ｉlimitを下回る程度に十分に低い。このように、負荷電流Ｉloadが最大負荷電流Ｉlimitよりも低い場合には、制御回路５８は、出力電圧Ｖoutが一定になるように、スイッチング回路１０の動作を制御する。

そして、例えば、負荷電流Ｉloadが徐々に増えていき、負荷電流Ｉloadが最大負荷電流Ｉlimit以上になると、制御回路５８は、出力電力（＝Ｖout×Ｉload）を一定に維持しつつ出力電圧Ｖoutが垂下するように、スイッチング回路１０の動作を制御する。例えば、図６の例では、負荷電流Ｉloadが“５６６”（任意単位の値）になった場合には、制御回路５８は、デューティ比ＤＲが“５１％”程度になるように、スイッチング回路１０の動作を制御する。これにより、出力電圧Ｖoutが“１５Ｖ”になる。その際、制御回路５８は、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて、最大負荷電流Ｉlimit（過電流点）を継続して求める。例えば、制御回路５８は、負荷電流Ｉloadが最大負荷電流Ｉlimitを超えた場合には、最大負荷電流Ｉlimitを大きい値に変化させる。このように、制御回路５８は、最大負荷電流Ｉlimitを変化させることにより、出力電力（＝Ｖout×Ｉload）を一定に維持しつつ出力電圧Ｖoutが垂下するように、スイッチング回路１０の動作を制御する。このようにして、スイッチング電源装置１は、出力できる電力を調整する。

このように、スイッチング電源装置１では、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて垂下動作を制御するようにしたので、構成をシンプルにすることができる。すなわち、例えば、入力電圧Ｖinに基づいて、過電流点のばらつきを抑えて垂下動作を制御するように構成した場合には、その入力電圧Ｖinについての情報を制御回路に伝えるために、トランスなどの電気的な絶縁部材が必要になってしまう。この場合には、部品数が増加してしまうため、コストが増加するとともに、この絶縁部材により、スイッチング電源装置自体のサイズが大きくなってしまうおそれがある。一方、スイッチング電源装置１では、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて垂下動作を制御するようにしたので、入力電圧Ｖinを検出する必要がないので、このような絶縁部材を省くことができ、構成をシンプルにすることができる。その結果、スイッチング電源装置１では、コストを削減することができ、スイッチング電源装置を小型化することができる。

また、スイッチング電源装置１では、センタタップＣＴにおける交流電圧Ｖacに基づいてデューティ比ＤＲを検出するようにしたので、例えばスイッチング回路１０における交流電圧に基づいてデューティ比ＤＲを検出する場合に比べ、絶縁部材を省くことができるため、構成をシンプルにすることができる。

［効果］
以上のように本実施の形態では、出力電圧Ｖoutおよびデューティ比ＤＲに基づいて垂下動作を制御するようにしたので、シンプルな構成を実現することができる。

［変形例１］
上記実施の形態では、出力電力（＝Ｖout×Ｉload）を一定に維持しつつ出力電圧Ｖoutが垂下するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、ルックアップテーブル１９を変更することにより、様々な垂下特性を実現することができる。具体的には、例えば、負荷電流Ｉloadを一定に維持しつつ出力電圧Ｖoutが垂下するような特性を実現することができる。

［変形例２］
上記実施の形態では、最大負荷電流Ｉlimitを用いてルックアップテーブル５９を構成し、負荷電流Ｉloadと、このルックアップテーブル５９により得られた値（最大負荷電流Ｉlimit）に基づいてスイッチング回路１０の動作を制御したが、これに限定されるものではない。これに代えて、例えば、最大負荷電流Ｉlimitを、入力電流に換算した値を用いてルックアップテーブル５９を構成し、平均入力電流Ｉindcと、このルックアップテーブル５９により得られた値に基づいてスイッチング回路１０の動作を制御してもよい。

［変形例３］
上記実施の形態では、デューティ比検出回路５１を設けたが、これに限定されるものではなく、これに代えて、例えば、図７に示すスイッチング電源装置１Ｃのように、デューティ比検出回路５１を設けなくてもよい。このスイッチング電源装置１Ｃは、制御部５０Ｃを有している。制御部５０Ｃは、ＳＷ制御部６１Ｃを有している。ＳＷ制御部６１Ｃは、上記実施の形態に係るＳＷ制御部６１と同様に、制御回路５８から供給された制御信号に基づいてＳＷ駆動部６３を制御するものである。また、ＳＷ制御部６１Ｃは、制御回路５８から供給された制御信号に基づいて、デューティ比ＤＲを求める機能をも有している。すなわち、ＳＷ制御部６１Ｃは、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４の基となる制御信号を生成し、ＳＷ駆動部６３は、この制御信号に基づいてＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４（図３）を生成するので、ＳＷ制御部６１Ｃは、デューティ比ＤＲを求めることができる。

［変形例４］
上記実施の形態では、整流回路３０はダイオードにより整流を行うものとしたが、これに限定されるものではなく、これに代えて、例えば、いわゆる同期整流を行うものであってもよい。以下にその詳細を説明する。

図８は、同期整流を行うスイッチング電源装置１Ｄの一構成例を表すものである。スイッチング電源装置１Ｄは、整流回路３０Ｄと、制御部５０Ｄとを備えている。

整流回路３０Ｄは、トランス２０から供給される交流電圧を整流する整流回路として機能するものである。この整流回路３０Ｄは、スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２を有している。スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２は、スイッチング回路１０のスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４と同様に、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなどの素子が使用可能である。この例では、スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２は、ＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴにより構成されている。スイッチング素子ＳＷ２１のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ２１（後述）が供給され、ソースが２次側低圧ラインＬ２Ｌに接続され、ドレインがトランス２０の２次側巻線２２Ｂの一端に接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ２２のゲートにはＳＷ制御信号Ｓ２２（後述）が供給され、ソースが２次側低圧ラインＬ２Ｌに接続され、ドレインがトランス２０の２次側巻線２２Ａの一端に接続されている。

制御部５０Ｄは、ＳＷ制御部６１Ｄと、ＳＷ駆動部６４Ｄとを有している。ＳＷ制御部６１Ｄは、ＳＷ制御信号Ｓ１１〜Ｓ１４の基となる制御信号を生成し、トランス６２を介してＳＷ駆動部６３へ供給するとともに、ＳＷ制御信号Ｓ２１，Ｓ２２の基となる制御信号を生成し、ＳＷ駆動部６４Ｄへ供給するものである。ＳＷ駆動部６４Ｄは、ＳＷ制御部６１Ｄからの指示に基づいてＳＷ制御信号Ｓ２１，Ｓ２２を生成して、スイッチング素子ＳＷ２１，ＳＷ２２に対して供給するものである。ＳＷ制御信号Ｓ２１は、例えば、図３において、期間Ｔ１２において高レベルとなり、他の期間において低レベルとなる信号である。また、ＳＷ制御信号Ｓ２２は、例えば、図３において、期間Ｔ１１において高レベルとなり、他の期間において低レベルとなる信号である。

このような構成でも、上記実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等には限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、スイッチング回路１０は、フルブリッジ構成としたが、これに限定されるものではなく、これに代えて、例えばハーフブリッジ構成やプッシュプル構成などにしてもよい。

１，１Ｃ，１Ｄ…スイッチング電源装置、８…電流検出回路、８Ａ…カレントトランス、９…電圧検出回路、１０…スイッチング回路、２０…トランス、２１…１次側巻線、２２Ａ，２２Ｂ…２次側巻線、３０，３０Ｄ…整流回路、３１，３２…ダイオード、４０…平滑回路、５０，５０Ｃ，５０Ｄ…制御部、５２，５６…バッファ、Ｒ５３，Ｒ５７…抵抗器、５５…平滑回路、５８…制御回路、５９…ルックアップテーブル、６１，６１Ｃ，６１Ｄ…ＳＷ制御部、６２…トランス、６３…ＳＷ駆動部、６４Ｄ…ＳＷ駆動部、Ｃin…入力平滑コンデンサ、Ｃout…出力平滑コンデンサ、ＣＴ…センタタップ、ＤＲ…デューティ比、Ｉa1，Ｉb1…１次側ループ電流、Ｉa2，Ｉb2…２次側ループ電流、Ｉin…入力電流、Ｉindc…平均入力電流、Ｉlimit…最大負荷電流、Ｉload…負荷電流、Ｌ…負荷、Ｌch…チョークコイル、Ｐ…電力伝達期間、ＰＳ…電源、ＳＷ１１〜ＳＷ１４，ＳＷ２１，ＳＷ２２…スイッチング素子、Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１，Ｓ２２…ＳＷ制御信号、Ｔ…周期、Ｔｄ…デッドタイム、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、Ｔ１１，Ｔ１２…期間、Ｖin…入力電圧、Ｖout…出力電圧、φ…位相差。

Claims (7)

1. １次側巻線および２次側巻線を有するトランスと、前記１次側巻線に接続されたスイッチング回路と、前記２次側巻線に接続され、前記２次側巻線から出力された交流電圧を直流電圧に変換する変換回路とを含むスイッチング電源回路と、
   前記直流電圧、および前記変換回路におけるデューティ比に基づいて、前記変換回路が所定の電圧を出力可能な負荷電流の最大値を示す最大負荷電流値を求め、その最大負荷電流値に基づいて、前記スイッチング電源回路が所定の垂下動作を行うように、前記スイッチング回路の動作を制御する制御回路と
   を備え、
   前記制御回路は、前記負荷電流の電流値が前記最大負荷電流値以上である場合に、前記直流電圧および前記デューティ比に基づいて、前記スイッチング電源回路が前記垂下動作を行うように前記最大負荷電流値を変化させる
   スイッチング電源装置。
2. 前記交流電圧に基づいて前記デューティ比を検出する検出回路をさらに備えた
   請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記制御回路は、前記直流電圧および前記デューティ比と、前記最大負荷電流値との対応関係を示すテーブルを有し、そのテーブルを用いて前記最大負荷電流値を求める
   請求項１または請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記所定の垂下動作は、前記負荷電流と前記直流電圧との積が一定になるような動作である
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記制御回路は、前記スイッチング回路の入力電流に基づいて前記負荷電流を求め、前記負荷電流の電流値が前記最大負荷電流値以上である場合に、前記スイッチング電源回路が前記所定の垂下動作を行うように、前記スイッチング回路の動作を制御する
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記制御回路は、前記スイッチング回路の入力電流の電流値が、前記最大負荷電流値に対応する最大入力電流値以上である場合に、前記スイッチング電源回路が前記所定の垂下動作を行うように、前記スイッチング回路の動作を制御する
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
7. スイッチング電源回路における変換回路により交流電圧から変換された直流電圧、および、前記変換回路におけるデューティ比に基づいて、前記変換回路が所定の電圧を出力可能な負荷電流の最大値を示す最大負荷電流値を求め、その最大負荷電流値に基づいて、前記スイッチング電源回路が所定の垂下動作を行うように、前記スイッチング電源回路の動作を制御し、
   前記負荷電流の電流値が前記最大負荷電流値以上である場合に、前記直流電圧および前記デューティ比に基づいて、前記スイッチング電源回路が前記垂下動作を行うように前記最大負荷電流値を変化させる
   スイッチング制御回路。

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