JP7128388B1 - 共振電源回路 - Google Patents
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Abstract
Description
共振電源回路は、1次側のスイッチング(共振電流の流れる方向)に対応して、2次側の巻線を交互に使用して給電する。
具体的には、特許文献1には、スイッチング電源装置が、2次巻線が複数の巻線単位に分割されたトランスと、共振コンデンサと、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子と、を備えることの記載がある。また、このスイッチング電源装置が、2次巻線に誘起される電圧を巻線単位で取り出すための複数の整流ダイオードと、複数の整流ダイオードから取り出される電圧を切替えて出力する出力電圧切替回路と、負荷回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、電流検出回路における検出結果にもとづいて出力電圧切替回路を制御する制御部と、を備えることの記載がある。
そして、特許文献2には、一実施例として、共振電源が第1スイッチングエレメントと少なくとも1つのエネルギ蓄積エレメントとを有し、不連続に制御するステップが、待機動作を、少なくとも1つのエネルギ蓄積エレメントから第1スイッチングエレメントにエネルギを、第1スイッチングエレメントのソフトスイッチングが実行可能となるように伝達することにより初期化するステップ、を有することの記載がある。
よって、複数の異なる出力電圧を、小型で安価な一つの回路で出力する共振電源回路が望まれる。
前記1次巻線の一端に矩形波電圧を与える、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、
前記1次巻線の他端に接続される共振コンデンサと、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子を交互にオンオフすることで前記1次巻線と前記共振コンデンサとを共振させる制御部と、
前記2次巻線に誘起される第1交流電圧を取り出すための第1整流素子及び第2整流素子、取り出された第1交流電圧を平滑化する第1コンデンサ、出力電圧を出力する出力コンデンサ、及び前記出力コンデンサから前記第1コンデンサへの電流を抑制する逆流防止用整流素子を備えた第1出力回路と、
前記2次巻線に誘起される第2交流電圧を取り出すための第3整流素子及び第4整流素子、取り出された第2交流電圧を平滑化する第2コンデンサ、前記出力コンデンサ、及び前記第2コンデンサと前記出力コンデンサとの間に設けられた第3スイッチング素子を備えた第2出力回路と、
前記第1コンデンサの第1電圧を示す電圧情報を前記制御部にフィードバックするフィードバック回路と、
を備えた共振電源回路である。
図1は本開示の第1の実施形態の共振電源回路を示す回路図である。共振電源回路10は、第1スイッチング素子となるスイッチング素子Q1、第2スイッチング素子となるスイッチング素子Q2、トランス11、共振コンデンサとなるコンデンサCr、第1整流素子となるダイオードD1、第2整流素子となるダイオードD2、第3整流素子となるダイオードD3、第4整流素子となるダイオードD4、及び逆流防止用整流素子となるダイオードD5を備えている。また、共振電源回路10は、第1コンデンサとなるコンデンサC1、第2コンデンサとなるコンデンサC2、第3スイッチング素子となるスイッチング素子Q3、出力コンデンサCout、制御部となる制御IC12、及びフィードバック回路13を備えている。スイッチング素子Q1、Q2及びQ3は、FETなどの半導体スイッチが一般に適用されるが、半導体スイッチに限定されず、特にスイッチング素子Q3は、機械的スイッチなどでもよい。
スイッチング素子Q1、Q2のオン、オフの切り替えは、制御IC12によって制御される。
制御IC12は、スイッチング素子Q1及びスイッチング素子Q2を交互にオン、オフすることで、1次巻線LとコンデンサCrとを共振させる。以下、オン状態とオフ状態の繰り返しの回数を、スイッチング周波数fswと記す。
トランス11の2次巻線Sは、第1巻線となる巻線S1と、第2巻線となる巻線S2とに分割されている。
ダイオードD1のカソードは、巻線S1の一端に電気的に接続されている。ダイオードD2のカソードは、巻線S2の一端に電気的に接続されている。ダイオードD1のアノードとダイオードD2のアノードとは、共通接続されるとともに、コンデンサC1の一方の端子、コンデンサC2の一方の端子及び出力コンデンサCoutの一方の端子に接続される。
ダイオードD5のカソードは出力コンデンサCoutの他方の端子に接続される。
スイッチング素子Q3の他方の端子は、ダイオードD5のカソード及び出力コンデンサCoutの他方の端子に接続される。
共振電源回路10は、スイッチング素子Q3がオフ状態の場合は、ダイオードD1、D2、コンデンサC1、ダイオードD5、及び出力コンデンサCoutで構成される第1出力回路により、出力電圧Vout1(=V1)を出力する。
共振電源回路10は、スイッチング素子Q3がオン状態の場合は、ダイオードD3、D4、コンデンサC2、スイッチング素子Q3、及び出力コンデンサCoutで構成される第2出力回路により、出力電圧Vout2(=V2)を出力する。ダイオードD5は、出力コンデンサCoutからコンデンサC1に充電電流が流れるのを抑える逆流防止用整流素子となる。
なお、図1では出力電圧Vout1と出力電圧Vout2とを出力電圧Voutとして示している。後述する図3、図5、図6及び図7についても、図1と同様に出力電圧Vout1と出力電圧Vout2とを出力電圧Voutとして示している。
図2は、共振電源回路10に流れる電流を示す特性図である。
まず、共振電源回路10の1次側の動作について説明する。
共振電源回路10において、図1及び図2に示すように、まず、制御IC12の制御により、スイッチング素子Q1がオン状態になり、スイッチング素子Q2がオフ状態になることで、トランス11の1次側の巻線Lに、一方向に流れる電流Ir(例えば、正方向の電流)が流れる。
次に、制御IC12の制御により、スイッチング素子Q1がオフ状態になり、スイッチング素子Q2がオン状態になることで、コンデンサCrからトランス11の1次巻線Lに、前記一方向とは逆方向の電流-Ir(例えば、負方向の電流)が流れる。この現象は、コンデンサCr、励磁インダクタンスLm、および漏れインダクタンスLrからなる電流共振回路が電流共振することで生じる。このように、共振電源回路10では、スイッチング素子Q1、Q2が交互にオン、オフを繰り返すことで、トランス11の巻線Lに、方向が異なる電流Irと電流-Irとが交互に流れる。そして、これらの動作が繰り返されることで、トランス11の2次側の巻線S側に交流電圧が誘起される。
まず、スイッチング素子Q3がオフ状態とされた場合の第1出力回路の動作について説明する。
正方向の電流Irが流れるときに発生する、トランス11の巻線S側に誘起された交流電圧は、ダイオードD2及び巻線S2を通して流れる電流I2を生じさせる。一方、負方向の電流-Irが流れるときに発生する、トランス11の巻線S側に誘起された交流電圧は、ダイオードD1及び巻線S1を通して流れる電流I1を生じさせる。電流Ir及び電流-Irが流れるときに発生する交流電圧は第1交流電圧となり、ダイオードD1及びダイオードD2は、第1交流電圧を取り出すための第1整流素子及び第2整流素子となる。こうして、巻線S1の他端と巻線S2の他端との接続点には、電流I1と電流I2が交互に流れ、電流I1及び電流I2(電流I1+I2)によりコンデンサC1に電荷が蓄積され、コンデンサC1に平滑化された電圧V1が生ずる。
電流I1及び電流I2(電流I1+I2)によりダイオードD5を介して出力コンデンサCoutにも電荷が蓄積され、出力コンデンサCoutに電圧V1が生じ、出力電圧Vout1として電圧V1が出力される。
正方向の電流Irが流れるときに発生するトランス11の巻線S側に誘起された交流電圧は、巻線S1と巻線S2、及びダイオードD3を通して流れる電流I3を生じさせる。一方、負方向の電流-Irが流れるときに発生するトランス11の巻線S側に誘起された電圧は、巻線S1と巻線S2、及びダイオードD4を通して流れる電流I4を生じさせる。電流Ir及び電流-Ir流れるときに発生する交流電圧は第2交流電圧となり、ダイオードD3及びダイオードD4は、第2交流電圧を取り出すための第3整流素子及び第4整流素子となる。こうして、ダイオードD3とダイオードD4との接続点には、電流I3と電流I4が交互に流れ、電流I3及び電流I4(電流I3+I4)によりコンデンサC2に電荷が蓄積され、コンデンサC2に第2電圧となる平滑化された電圧V2が生ずる。
電流I3及び電流I4(電流I3+I4)によりスイッチング素子Q3を介して出力コンデンサCoutにも電荷が蓄積され、出力コンデンサCoutに電圧V2が生じ、出力電圧Vout2として電圧V2が出力される。
本実施形態では、ダイオードD5は、スイッチング素子Q3がオフ状態からオン状態に切り替わったときに、出力コンデンサCoutからコンデンサC1に充電電流が流れるのを抑える。そのため、出力電圧を切り替えることに起因した一次側の直流電源の能力アップは不要である。
第1実施形態において、コンデンサC1とコンデンサCoutを電気的に接続している箇所を以後GNDと呼称する。第1の実施形態では、コンデンサC2をGNDと接続した場合、図3の破線で示すように、スイッチング素子Q3をオン状態とした場合、フィードバックされている電圧V1に出力電圧Vout2の負荷変動(Ioutの変動)が伝わらない。図3は、共振電源回路の一部を示す図である。そのため、第1の実施形態では、電圧V1は軽負荷の状態のままのレギュレーション(高周波動作)となるが、スイッチング素子Q3をオン状態として電圧V2の出力電圧で駆動すると実際には負荷が重くなっているために、電圧V2の出力電圧が負荷(Iout)の大きさに連動して低下してしまう(ロードレギュレーションが悪い)。
図5は、本開示の第2の実施形態の共振電源回路を示す回路図である。
図5に示すように、フィードバック回路13は、コンデンサC1の他方の端子(ダイオードD5に接続される端子)の接続配線に、第4スイッチング素子となるスイッチング素子Q4を介して接続されている。また、フィードバック回路13は、コンデンサC2の他方の端子(ダイオードD3のカソードとダイオードD4のカソードとの接続点に接続される端子)の接続配線に、第5スイッチング素子となるスイッチング素子Q5を介して接続されている。
スイッチング素子Q3がオン状態の時には、スイッチング素子Q5をオン状態とし、スイッチング素子Q4をオフ状態とすることで、フィードバック回路13の接続先はコンデンサC2の他方の端子(ダイオードD3のカソードとダイオードD4のカソードとの接続点に接続される端子)の接続配線となる。その結果、第2電圧となる電圧V2の電圧変動を、第2電圧を示す電圧情報としてフィードバック回路13を介して制御IC12に伝達することが可能となり、制御IC12によるスイッチング周波数fswの制御により、負荷変動時にも電圧V2が安定する(ロードレギュレーションが改善する)。
スイッチング素子Q3がオフ状態の時には、スイッチング素子Q4をオン状態とし、スイッチング素子Q5をオフ状態とすることで、フィードバック回路13の接続先はコンデンサC1の他方の端子(ダイオードD5に接続される端子)となる。その結果、第1電圧となる電圧V1の電圧変動を、第1電圧を示す電圧情報としてフィードバック回路13を介して制御IC12に伝達することが可能となり、制御IC12によるスイッチング周波数fswの制御により、負荷変動時にも電圧V1が安定する。
フィードバック回路13は、スイッチング素子Q4がオン状態時と、スイッチング素子Q5がオン状態時とで出力電圧が異なるため、それぞれが接続される際のフィードバック回路定数が異なるようにスイッチング素子Q4、Q5と接続する。フィードバック回路13に入力される電圧は異なる電圧値である電圧V1、電圧V2が入力されるが、フィードバック回路13内のフィードバック回路定数で、電圧V1と電圧V2の比率の変更は可能である。
フィードバック回路13は、例えば、入力側と出力側を絶縁するフォトカプラ14と、出力側で基準電圧を作成するシャントレギュレータ15とを組み合わせて構成される。スイッチング素子Q4のオン、オフに対応してスイッチング素子Q41がオン、オフし、スイッチング素子Q5のオン、オフに対応してスイッチング素子Q51がオン、オフする。
スイッチング素子Q4がオン状態となり、スイッチング素子Q41がオン状態となると、出力電圧Vout1は電圧V1となる。一方、スイッチング素子Q5がオン状態となり、スイッチング素子Q51がオン状態となると、出力電圧Vout2は電圧V2(>V1)となる。なお、シャントレギュレータ15で基準電圧Vrefを作成する場合、抵抗RLの抵抗値に対する抵抗RH1の抵抗値と、抵抗RLの抵抗値に対する抵抗RH2の抵抗値との比率を変えることで、電圧V1と電圧V2の比率の変更は可能である。
第2実施形態では、スイッチング素子Q3のオン、オフの切り替え時に、スイッチング素子Q5、Q4を切り替えることでフィードバック回路の接続先を切り替えてスイッチング周波数fswを変えることができるようにした。
本実施形態では、コンデンサC2をコンデンサC1と直列に接続することで、電圧V1に出力電圧Vout2の負荷変動が伝わるようにする。
図7は、本開示の第3の実施形態の共振電源回路を示す回路図である。
図7に示すように、コンデンサC2の一方の端子(ダイオードD3及びダイオードD4と接続する側の端子と反対側の端子)をコンデンサC1の他方の端子(ダイオードD5に接続される端子)に接続することで、コンデンサC2をコンデンサC1と直列に接続する。コンデンサC2をコンデンサC1と直列に接続することで、スイッチング素子Q3のオン状態の時にも、電圧V2の変動、すなわち出力電圧Vout2の負荷変動が電圧V1の変動としてフィードバック回路13に伝わる。
本実施形態では、第2実施形態と比較し、コンデンサC2の接続先の変更のみのため、コストアップなし(回路増大なし)で、ロードレギュレーションを改善することができる。
図8は、スイッチング周波数fswが変更されて負荷変動時にも電圧V2が安定する様子を示す特性図である。出力電圧の切り替え時において負荷変動に対する応答性を確保できる。
コンデンサC1の容量値をコンデンサC2の容量値と等しくすると、電圧V2で生じた電圧変動の半分が、電圧V1で検出できるようになり、よりレギュレーション精度が向上する。これは、コンデンサC1の両端の電圧V1と、コンデンサC2の両端の電圧がほぼ等しくなり、供給される電流I1+I2と電流I3+I4もほぼ等しいため、ロードレギュレーションがより安定するからである。
例えば、トランス11の2次巻線Sが、巻線S11、S12、S13を備える場合、巻線S11、S12について、図1、図5又は図7に示した共振電源回路と同様に第1出力回路、第2出力回路を接続し、巻線S11、S13について第2出力回路と同様の構成の第3出力回路を接続する。具体的には、第3出力回路は、巻線S13の一方の側にダイオードのアノードを接続し、巻線S11の一方の側にダイオードのアノードを接続し、2つのダイオードのカソードをコンデンサに接続し、スイッチング素子を介して出力コンデンサCoutに接続する。こうして、トランス11の2次巻線Sが3つの巻線を備え、3つの出力回路を備える共振電源回路は3つの出力電圧を出力することができる。
(1) 1次巻線(L)、及び少なくとも第1巻線(S1)と第2巻線(S2)を有する2次巻線(S)を備えたトランスと、
前記1次巻線の一端に矩形波電圧を与える、第1スイッチング素子(Q1)及び第2スイッチング素子(Q2)と、
前記1次巻線の他端に接続される共振コンデンサ(Cr)と、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子を交互にオンオフすることで前記1次巻線と前記共振コンデンサとを共振させる制御部(12)と、
前記2次巻線に誘起される第1交流電圧を取り出すための第1整流素子(D1)及び第2整流素子(D2)、取り出された第1交流電圧を平滑化する第1コンデンサ(C1)、出力電圧を出力する出力コンデンサ(Cout)、及び前記出力コンデンサから前記第1コンデンサへの電流を抑制する逆流防止用整流素子(D5)を備えた第1出力回路と、
前記2次巻線に誘起される第2交流電圧を取り出すための第3整流素子(D3)及び第4整流素子(D4)、取り出された第2交流電圧を平滑化する第2コンデンサ(C2)、前記出力コンデンサ、及び前記第2コンデンサと前記出力コンデンサとの間に設けられた第3スイッチング素子(Q3)を備えた第2出力回路と、
前記第1コンデンサの第1電圧を示す電圧情報を前記制御部にフィードバックするフィードバック回路(13)と、
を備えた共振電源回路。
この共振電源回路によれば、複数の異なる出力電圧を、小型で安価な一つの回路で出力することができる。
前記フィードバック回路は、前記第4スイッチング素子がオン状態のときは、前記第1コンデンサの第1電圧を示す電圧情報を前記制御部にフィードバックし、前記第5スイッチング素子がオン状態のときは、前記第2コンデンサの第2電圧を示す電圧情報を前記制御部にフィードバックする、上記(1)に記載の共振電源回路。
この共振電源回路によれば、第2電圧の電圧変動を制御部に伝達でき、負荷変動時にも第2電圧が安定する。
この共振電源回路によれば、コンデンサC2の接続先を変更するだけで、第2電圧の電圧変動を制御部に伝達でき、負荷変動時にも第2電圧が安定する。
この共振電源回路によれば、第2電圧で生じた電圧変動の半分が、第1電圧で検出できるようになり、よりレギュレーション精度が向上する。
11 トランス
12 制御IC
13 フィードバック回路
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5 スイッチング素子
L 1次巻線
S 2次巻線
S1、S2 巻線
Lr 漏れインダクタンス
Lm 励磁インダクタンス
C1、C2、Cr、Cout コンデンサ
D1、D2、D3、D4、D5 ダイオード
Claims (4)
- 1次巻線、及び少なくとも第1巻線と第2巻線を有する2次巻線を備えたトランスと、
前記1次巻線の一端に矩形波電圧を与える、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子と、
前記1次巻線の他端に接続される共振コンデンサと、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子を交互にオン、オフすることで前記1次巻線と前記共振コンデンサとを共振させる制御部と、
前記2次巻線に誘起される第1交流電圧を取り出すための第1整流素子及び第2整流素子、取り出された第1交流電圧を平滑化する第1コンデンサ、出力電圧を出力する出力コンデンサ、及び前記出力コンデンサから前記第1コンデンサへの電流を抑制する逆流防止用整流素子を備えた第1出力回路と、
前記2次巻線に誘起される第2交流電圧を取り出すための第3整流素子及び第4整流素子、取り出された第2交流電圧を平滑化する第2コンデンサ、前記出力コンデンサ、及び前記第2コンデンサと前記出力コンデンサとの間に設けられた第3スイッチング素子を備えた第2出力回路と、
前記第1コンデンサの第1電圧を示す電圧情報を前記制御部にフィードバックするフィードバック回路と、
を備えた共振電源回路。 - 前記第1コンデンサと前記フィードバック回路との間に設けられた第4スイッチング素子と、前記第2コンデンサと前記フィードバック回路との間に設けられた第5スイッチング素子とを備え、
前記フィードバック回路は、前記第4スイッチング素子がオン状態のときは、前記第1コンデンサの第1電圧を示す電圧情報を前記制御部にフィードバックし、前記第5スイッチング素子がオン状態のときは、前記第2コンデンサの第2電圧を示す電圧情報を前記制御部にフィードバックする、請求項1に記載の共振電源回路。 - 前記第2コンデンサにおける、前記第3整流素子及び第4整流素子と接続する側の端子と反対側の端子と、前記第1コンデンサにおける、前記逆流防止用整流素子と接続する側の端子とが接続されている、請求項1に記載の共振電源回路。
- 前記第1コンデンサの容量値と前記第2コンデンサの容量値が同じである、請求項3に記載の共振電源回路。
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