JP7229979B2 - 電源回路および電源回路の作動方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電源回路および電源回路の作動方法に関する。

テレビジョン受信機の表示画面の大型化にともない、表示パネルに電力を供給する電源回路は大電力化している。電源回路は、昇圧型スイッチングレギュレータと、昇圧型スイッチングレギュレータの出力電圧を入力に使用する絶縁型スイッチングレギュレータと、を有する。昇圧型スイッチングレギュレータは、起動時に仕様の電圧を発生するまでに時間を要する。

後述するように、昇圧型スイッチングレギュレータの起動と絶縁型スイッチングレギュレータとの起動が同時であったり、起動順序が逆転したりしていると、起動時に絶縁型スイッチングレギュレータへの入力電圧が低くなる。このため、絶縁型スイッチングレギュレータの出力電圧の立ち上がりに時間を要し、絶縁型スイッチングレギュレータのフィードバック回路部分が正常に動作しないため、絶縁型スイッチングレギュレータの出力電圧がオーバーシュートするおそれがあった。

例えば、昇圧型スイッチングレギュレータに専用の電源回路を準備する、または、別ユニットから絶縁型スイッチングレギュレータに電力を供給することによって、昇圧型スイッチングレギュレータを起動させてから所定時間が経過してから、絶縁型スイッチングレギュレータを起動させることで、上記課題は解決可能である。

しかし、上記解決方法では、専用の電源回路または別ユニットからの配線ケーブルおよびコネクタが必要となるため構成が複雑化し、電源回路のコストが高くなる。

特許第５７４３２４４号公報 特開２００７－０７８９００号公報

本発明の実施形態は、簡単な構成で起動時の出力電圧のオーバーシュートを防止した電源回路、および、前記電源回路の作動方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の電源回路は、昇圧型スイッチングレギュレータと、フォトカプラおよびシャントレギュレータを含むフィードバック回路を有する絶縁型スイッチングレギュレータと、を具備し、前記フィードバック回路は、前記絶縁型スイッチングレギュレータの出力電圧の目標電圧を、第１の目標電圧から、前記第１の目標電圧よりも高い第２の目標電圧に自動的に切り替えるスイッチ回路を含む。

本発明の別の実施形態の電源回路の作動方法は、昇圧型スイッチングレギュレータと、フォトカプラおよびシャントレギュレータを含むフィードバック回路を有する絶縁型スイッチングレギュレータと、を具備する電源回路の起動時に、前記フィードバック回路が、前記電源回路の出力電圧が、第１の目標電圧になるように制御する第１ステップと、前記フィードバック回路に含まれる、前記第１の目標電圧以下の閾値電圧において導通状態となるＯＮ／ＯＦＦスイッチが、キャパシタを含む遅延回路によって前記閾値電圧以上の電圧が印加されることによって導通状態になり、前記目標電圧を前記第１の目標電圧よりも高い第２の目標電圧に切り替える第２ステップと、前記フィードバック回路が、前記出力電圧が、前記第２の目標電圧になるように制御する第３ステップと、を具備する。

実施形態の電源回路を含むテレビジョン受信機の構成図である。 従来の電源回路の回路図である。 従来の電源回路の起動時の動作を説明するための図である。 実施形態の電源回路の回路図である。 実施形態の電源回路の起動時の動作を説明するための図である。

図１は、本発明の実施形態のテレビジョン受信機９の構成図である。テレビジョン受信機９には、例えばＡＣ１００Ｖの商用電源から電力が供給される。電力は、信号処理電源回路９１によって仕様のＤＣ電圧に変換され、信号処理回路９２に供給される。信号処理回路９２はアンテナ（不図示）によって受信されるテレビジョン放送を受信する。信号処理回路９２はネット回線を経由してインターネット放送を受信してもよい。信号処理回路９２は、受信した放送信号を信号処理し、映像信号と音声信号とを出力する。映像信号は表示パネル９４に音声信号はスピーカ（不図示）に出力され、視聴者は番組を視聴する。表示パネル９４は、例えば、有機ＥＬパネル、または、液晶パネルである。

表示パネル９４には、パネル電源回路１（以下、「電源回路１」という。）によって仕様のＤＣ電圧に変換された電力が、パネル制御回路９３を経由して供給される。

＜従来の電源回路＞
最初に、電源回路１と同じようにテレビジョン受信機に用いられる従来の電源回路１０１について説明する。図２に示す電源回路１０１は、整流回路２と、昇圧型スイッチングレギュレータ３と、フィードバック回路１０５を含む絶縁型スイッチングレギュレータ１０４と、を有する。なお、図２等は簡易回路図であり、全ての電子部品を図示してはいない。

整流回路２は、商用電源から供給される交流電力を整流して出力するダイオードブリッジと、ダイオードブリッジから出力される整流電圧を平滑化するキャパシタとを備えている。

昇圧型スイッチングレギュレータ３は、詳細な説明を省略するが、整流回路２から出力された電圧を仕様の電圧まで高くする。

絶縁型スイッチングレギュレータ１０４は、昇圧型スイッチングレギュレータ３から印加された入力電圧Ｖｉｎをもとにフィードバック回路１０５によって制御されるフィードバック電圧Ｖｆｂに応じて、コントロールＩＣ（ＩＣ ２）が、２つのスイッチ素子ＳＷ－Ａ、ＳＷ－Ｂを駆動することによって、トランスＴＲの１次側コイルに所定の周波数の矩形波信号を印加する。トランスＴＲの２次側コイルに発生した誘導電流は、２つのダイオードＤ１、Ｄ２およびキャパシタＣ０によって、出力電圧ＶｏｕｔのＯＵＴＰＵＴとなる。

昇圧型スイッチングレギュレータ３のコントロールＩＣ（ＩＣ １）、および、絶縁型スイッチングレギュレータ１０４のコントロールＩＣ（ＩＣ ２）には、定常動作時には、トランスＴＲから駆動電圧Ｖｃｃが印加される。図示しないが、起動時には、コントロールＩＣ（ＩＣ ２）の内部起動回路によって駆動電圧Ｖｃｃが生成される。

フィードバック回路１０５は、フォトカプラ（ＰＣ）と、シャントレギュレータ（ＳＲ）と、抵抗Ｒ１、Ｒ２とを含む。直列接続された２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点がシャントレギュレータ（ＳＲ）の基準電極端子（ＲＥＦ端子）に接続されている。フィードバック回路１０５はフォトカプラ（ＰＣ）を用いて、コントロールＩＣ（ＩＣ ２）のフィードバック端子に印加されるＦＢ電圧Ｖｆｂを制御する。フォトカプラ（ＰＣ）が点灯すると、フィードバック端子に印加されていたＦＢ電圧Ｖｆｂが低下する。なお、フォトカプラ（ＰＣ）によって、トランスＴＲの１次側回路と２次側回路との絶縁は担保されている。１次側回路の基準電位はアースであり、２次側回路の基準電位はグランドである。

フィードバック回路１０５によって自動的に制御される電源回路１０１の目標電圧Ｖｔは、以下の式で示される。ＲＥＦは、シャントレギュレータ（ＳＲ）の基準電圧であり、Ｒ_１は抵抗Ｒ１の抵抗値であり、Ｒ_２は抵抗Ｒ２の抵抗値である。

Ｖｔ＝ＲＥＦ×（Ｒ_１＋Ｒ_２）／Ｒ_２

すなわち、目標電圧Ｖｔは、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を選択することによって任意の電圧に設定できる。例えば、シャントレギュレータ（ＳＲ）の基準電圧ＲＥＦが２．５Ｖ、抵抗Ｒ１が９ｋΩ、抵抗Ｒ２が１ｋΩの場合、目標電圧Ｖｔは、２５Ｖとなる。

出力電圧Ｖｏｕｔが、目標電圧Ｖｔよりも高くなると、シャントレギュレータ（ＳＲ）のＲＥＦ端子に基準電圧ＲＥＦ以上の電圧が印加され、制御電圧Ｖｒｅｆに応じてカソードＫからアノードＡに、電流Ｉｋが流れる。フォトカプラＰＣは、シャントレギュレータ（ＳＲ）を流れた電流Ｉｋに応じた強度で発光する。このため、コントロールＩＣ（ＩＣ ２）のＦＢ端子に印加されていたＦＢ電圧Ｖｆｂは、フォトカプラＰＣの発光強度に応じて低下する。すなわち、コントロールＩＣ（ＩＣ ２）は、ＦＢ電圧Ｖｆｂが低下すると、出力電圧Ｖｏｕｔを下げるようにスイッチ素子ＳＷ－Ａ、ＳＷ－Ｂを制御する。

＜従来の電源回路の動作＞
図３を用いて従来の電源回路１０１の動作を説明する。

電源回路１０１は、時間Ｔ０（起動時）において、商用電源から電力が供給されると、整流回路２が出力する直流が昇圧型スイッチングレギュレータ３、および、絶縁型スイッチングレギュレータ１０４に入力される。絶縁型スイッチングレギュレータ１０４が、スイッチング動作を開始し、出力電圧Ｖｏｕｔが立ち上がり始める。

大電力を供給する昇圧型スイッチングレギュレータ３は所定の起動時間が必要である。すなわち、昇圧型スイッチングレギュレータ３に電力が供給されてから、絶縁型スイッチングレギュレータ１０４に入力する電圧Ｖｉｎが、仕様の電圧に上昇するまでには、所定の時間を要する。

すなわち、図３において、時間Ｔ０から時間Ｔ１の間は、絶縁型スイッチングレギュレータ１０４の出力電圧Ｖｏｕｔが、目標電圧Ｖｔよりも低い。このため、フィードバック回路１０５のフォトダイオード（ＰＣ）が点灯しないため、図３に示すように、ＦＢ電圧Ｖｆｂが上昇し、それに応じて、出力電圧Ｖｏｕｔも上昇する。

時間Ｔ１において、出力電圧Ｖｏｕｔが、目標電圧Ｖｔよりも高くなると、絶縁型スイッチングレギュレータ１０４の制御電圧Ｖｒｅｆに応じた電流Ｉｋによってフォトダイオード（ＰＣ）が点灯する。しかし、大きく上昇したＦＢ電圧Ｖｆｂが低下するには、時間を要する。このため、出力電圧Ｖｏｕｔが、目標電圧Ｖｔよりも高くなっても、時間Ｔ２までは、絶縁型スイッチングレギュレータ１０４は、出力電圧Ｖｏｕｔを増加するように動作する。

電源回路１０１では、ＦＢ電圧Ｖｆｂが低下してフィードバック回路１０５が定常動作するまでの間に、出力電圧Ｖｏｕｔのオーバーシュートが発生する。このため、電源回路１０１は、電圧公差のある表示パネル９４に悪影響を与えるおそれがある。

なお、時間Ｔ２以降、出力電圧Ｖｏｕｔが、目標電圧Ｖｔに下がってからは、定常動作となる。すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが、目標電圧Ｖｔよりも低くなるとフィードバック電圧Ｖｆｂが高くなるため、絶縁型スイッチングレギュレータ１０４は、出力電圧Ｖｏｕｔを増加するように動作する。出力電圧Ｖｏｕｔが、目標電圧Ｖｔよりも高くなるとフィードバック電圧Ｖｆｂが低くなるため、絶縁型スイッチングレギュレータ１０４は、出力電圧Ｖｏｕｔを低下するように動作する。このとき、図示しないが、フォトカプラ（ＰＣ）が消灯することもある。

なお、図２に示した位相補償用キャパシタＣ１の容量を大きくすることによって、オーバーシュート発生は防止できる。しかし、フィードバック回路の応答が悪くなるため、電源回路の性能が低下する。

＜実施形態の電源回路＞
図４に示す実施形態の電源回路１は、整流回路２と、昇圧型スイッチングレギュレータ３と、フィードバック回路５を含む絶縁型スイッチングレギュレータ４と、を有する。電源回路１が、電源回路１０１と異なるのは、絶縁型スイッチングレギュレータ４のフィードバック回路だけである。このため、電源回路１０１と同じ構成の説明は省略する。

フィードバック回路５は、絶縁型スイッチングレギュレータ４の出力電圧Ｖｏｕｔの目標電圧Ｖｔを、第１の目標電圧Ｖ１から、第１の目標電圧Ｖ１よりも高い第２の目標電圧Ｖ２に自動的に切り替えるスイッチ回路を含む

すなわち、フィードバック回路５は、フィードバック回路１０５の構成に加えて、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、スイッチＳＷ、および、キャパシタＣ２を有するスイッチ回路を含んでいる。シャントレギュレータＳＲの基準電極端子（ＲＥＦ端子）に一端が接続されている抵抗Ｒ３は、スイッチＳＷを経由して抵抗Ｒ２と並列接続されている。

スイッチＳＷはＯＮ端子に閾値電圧Ｖｔｈ以上の電圧が印加されると導通状態（ＯＮ）となるＯＮ／ＯＦＦスイッチである。絶縁型スイッチングレギュレータ４の出力電圧Ｖｏｕｔが、抵抗Ｒ４、Ｒ５によって分圧されて、スイッチＳＷのＯＮ端子に電圧Ｖｓｗが印加される。すなわち、スイッチＳＷに印加される電圧Ｖｓｗは、以下の式で示される。Ｒ_４は抵抗Ｒ４の抵抗値であり、Ｒ_５は抵抗Ｒ５の抵抗値である。

Ｖｓｗ＝Ｖｏｕｔ×（Ｒ_４＋Ｒ_５）／Ｒ_５

スイッチＳＷがＯＦＦ（遮断状態）では、電源回路１の目標電圧Ｖ１、は、電源回路１０１の目標電圧Ｖｔと同じ、以下の式で示される。

Ｖ１＝ＲＥＦ×（Ｒ_１＋Ｒ_２）／Ｒ_２

例えば、シャントレギュレータ（ＳＲ）の基準電圧ＲＥＦが２．５Ｖ、抵抗Ｒ１が９ｋΩ、抵抗Ｒ２が２ｋΩの場合、第１の目標電圧Ｖ１は、１３．７５Ｖとなる。

スイッチＳＷは、ＯＮ（導通状態）になると、シャントレギュレータＳＲの基準電極端子（ＲＥＦ端子）に接続される抵抗の数を増加するように構成されている。このため、スイッチＳＷがＯＮになった状態の電源回路１の第２の目標電圧Ｖ２は以下の式で示される。Ｒ_３は抵抗Ｒ３の抵抗値である。

Ｖ２＝ＲＥＦ×（（Ｒ_１×Ｒ_２）＋（Ｒ_１×Ｒ_３）＋（Ｒ_２×Ｒ_３））／（Ｒ_２×Ｒ_３）

例えば、抵抗Ｒ３が２ｋΩの場合、第２の目標電圧Ｖ２は、２５Ｖとなる。第２の目標電圧Ｖ２は電源回路１の仕様の出力電圧Ｖｏｕｔである。

さらに、スイッチ回路は、スイッチＳＷのＯＮ端子への電圧Ｖｓｗの印加速度を遅延するための、キャパシタＣ２を有する。抵抗Ｒ４、Ｒ５、キャパシタＣ２によって遅延回路が構成されている。

＜電源回路の動作＞
図５を用いて電源回路１の動作を説明する。

電源回路１は、電源回路１０１と同じように、時間Ｔ０において、商用電源から電力が供給されると、整流回路２を経由して、昇圧型スイッチングレギュレータ３、絶縁型スイッチングレギュレータ４、フィードバック回路５に順に電圧が印加される。

図５に示すように、時間Ｔ０において、昇圧型スイッチングレギュレータ３に電圧の印加が開始される。しかし、時間Ｔ１までは、絶縁型スイッチングレギュレータ４の出力電圧Ｖｏｕｔが、第１の目標電圧Ｖ１よりも低い。このため、フィードバック回路１０５のフォトダイオード（ＰＣ）が点灯しないため、ＦＢ電圧Ｖｆｂが上昇し、それに応じて、出力電圧Ｖｏｕｔも上昇する。

時間Ｔ１において、出力電圧Ｖｏｕｔが、第１の目標電圧Ｖ１となると、フォトカプラ（ＰＣ）に電流が流れ、フィードバック電圧Ｖｆｂが低下しはじめる。

第１の目標電圧Ｖ１は、第２の目標電圧Ｖ２よりも低い電圧であり、出力電圧Ｖｏｕｔが第１の目標電圧Ｖ１に達するまでの時間Ｔ１は、従来の電源回路１０１における時間Ｔ１よりも短い。電源回路１では、時間Ｔ１におけるＦＢ電圧ＶｆｂがＶｆｂ１までしか上昇しない。このため、時間Ｔ１から所定時間経過した時間Ｔ２においては、ＦＢ電圧ＶｆｂはＶｆｂ２まで低下する。

時間Ｔ２は、スイッチＳＷがＯＮ動作する時間である。スイッチＳＷがＯＮ動作すると、目標電圧が第１の目標電圧Ｖ１から第２の目標電圧Ｖ２に切り替わる。

スイッチＳＷは第１の目標電圧Ｖ１以下の閾値電圧ＶｔｈにおいてＯＮ動作するが、ＯＮ動作するまでに、所定の遅延時間がある。すなわち、キャパシタＣ２と抵抗Ｒ４、Ｒ５とによって構成される遅延回路は所定の時定数を有するため、スイッチＳＷに印加される出力電圧Ｖｏｕｔの増加速度を遅延する。

すなわち、時間Ｔ２は、第１の目標電圧Ｖ１に到達した後、遅延回路による遅延時間にもとづく所定時間が経過した時間である。

目標電圧Ｖｔを、第１の目標電圧Ｖ１から第２の目標電圧Ｖ２に自動的に切り替えるまでの所定時間、すなわち、時間Ｔ１から時間Ｔ２までの時間（遅延時間）は、電源回路１の仕様によって、例えば、１０μ秒以上５００ｍ秒以下に設定されることが好ましく、１００μ秒以上２０ｍ秒以下に設定されることが特に好ましい。

時間Ｔ３において、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧Ｖ２（Ｖｔ）になると、電源回路１は定常状態制御となる。

以上の説明のように、電源回路１の動作方法は、電源回路１の出力電圧Ｖｏｕｔが、第１の目標電圧Ｖ１になるように制御する第１ステップと、フィードバック回路５に含まれる、出力電圧Ｖｏｕｔが第１の目標電圧Ｖ１以下の閾値電圧Ｖｔｈにおいて導通状態となるＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷが、キャパシタＣ１を含む遅延回路によって、出力電圧Ｖｏｕｔが、第１の目標電圧Ｖ１になってから所定時間経過後に、前記閾値電圧以上の電圧が印加されることによって導通状態になり、目標電圧Ｖｔを第１の目標電圧Ｖ１よりも高い第２の目標電圧Ｖ２に切り替える第２ステップと、出力電圧Ｖｏｕｔが、第２の目標電圧Ｖ２になるように制御する第３ステップと、を具備する。

なお、第１の目標電圧Ｖ１は、第２の目標電圧Ｖ２の１０％以上９０％以下であることが好ましく、特に好ましくは、第２の目標電圧Ｖ２の３０％以上７０％以下である。第１の目標電圧Ｖ１が前記範囲内であれば、起動時に出力電圧Ｖｏｕｔがオーバーシュートしない設計が容易である。

また、スイッチＳＷの閾値電圧Ｖｔｈは、第１の目標電圧Ｖ１の５０％以上でＯＮする閾値電圧であることが好ましい。閾値電圧Ｖｔｈが前記範囲以上であれば、第１の目標電圧Ｖ１から第２の目標電圧Ｖ２への切り替えが実行される設計が容易である。

電源回路１は、僅かな数の電子部品を有するスイッチ回路によって、起動時の目標電圧を第１の目標電圧Ｖ１から第２の目標電圧Ｖ２に切り替える。電源回路１は、簡単な構成で起動時の出力電圧Ｖｏｕｔのオーバーシュートを防止できる。

なお、実施形態の電源回路は、目標電圧Ｖｔを３段階以上に制御するスイッチ回路を有していてもよい。例えば、電源回路は、目標電圧Ｖｔを、第１の目標電圧Ｖ１超、第２の目標電圧Ｖ２未満の第３の目標電圧Ｖ３に自動的に切り替えるスイッチ回路を有している。かかるスイッチ回路は、電源回路１のスイッチ回路に対して並列に、閾値電圧の異なる第２のスイッチ回路を有している。

発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１０１…電源回路
２…整流回路
３…昇圧型スイッチングレギュレータ
４、１０４…絶縁型スイッチングレギュレータ
５、１０５…フィードバック回路
９…テレビジョン受信機
９１…信号処理電源回路
９２…信号処理回路
９３…パネル制御回路
９４…表示パネル
Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２…キャパシタ
Ｄ１、Ｄ２…ダイオード
ＩＣ １、ＩＣ２…コントロールＩＣ
ＰＣ…フォトカプラ
Ｒ１～Ｒ５…抵抗
ＳＲ…シャントレギュレータ
ＳＷ…スイッチ
ＴＲ…トランス

Claims (5)

1. 昇圧型スイッチングレギュレータと、フォトカプラおよびシャントレギュレータを含むフィードバック回路を有する絶縁型スイッチングレギュレータと、を具備し、
   前記フィードバック回路は、前記絶縁型スイッチングレギュレータの出力電圧の目標電圧を、第１の目標電圧から、前記第１の目標電圧よりも高い第２の目標電圧に自動的に切り替えるスイッチ回路を含むことを特徴とする電源回路。
2. 前記スイッチ回路は、導通状態になると、前記シャントレギュレータの基準電極端子に接続される抵抗の数を増加するように構成されているＯＮ／ＯＦＦスイッチを有し、
   前記ＯＮ／ＯＦＦスイッチは、前記出力電圧が前記第１の目標電圧以下の閾値電圧において導通状態となることを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記スイッチ回路は、キャパシタを含み、前記キャパシタを含む遅延回路によって前記スイッチに印加される電圧を遅延することを特徴とする請求項２に記載の電源回路。
4. 前記スイッチ回路は、前記絶縁型スイッチングレギュレータの出力電圧の目標電圧を、前記第１の目標電圧超、前記第２の目標電圧未満の第３の目標電圧に自動的に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
5. 昇圧型スイッチングレギュレータと、フォトカプラおよびシャントレギュレータを含むフィードバック回路を有する絶縁型スイッチングレギュレータと、を具備する前記電源回路の起動時に、
   前記フィードバック回路が、前記電源回路の出力電圧が、第１の目標電圧になるように制御する第１ステップと、
   前記フィードバック回路に含まれる、前記第１の目標電圧以下の閾値電圧において導通状態となるＯＮ／ＯＦＦスイッチが、キャパシタを含む遅延回路によって前記閾値電圧以上の電圧が印加されることによって導通状態になり、前記目標電圧を前記第１の目標電圧よりも高い第２の目標電圧に切り替える第２ステップと、
   前記フィードバック回路が、前記出力電圧が、前記第２の目標電圧になるように制御する第３ステップと、を具備することを特徴とする電源回路の作動方法。

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