JP7332532B2 - スイッチング電源 - Google Patents
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Description
例えば、このような電源を電子機器の安定化電源として用いる場合、電子機器が通常の動作となる負荷電流が十分に必要なときと、電子機器が待機状態となって負荷電流がほとんど必要ないときとが発生する。
この発明は、図5に示すように、抵抗R1に流れる電流によってトランジスタQ3のオン/オフを決定する。抵抗R1の抵抗値は、装置側が通常動作状態となった時に流れる電流で発生する電位差がトランジスタQ3をオンさせるような抵抗値とされ、待機時などの軽負荷時に流れる電流で発生する電位差がトランジスタQ3をオフさせるような抵抗値に設定されている。これにより図5に示す電源装置は自動的に出力電圧を切り替えるように構成されている。
しかしながら、負荷電流の変化をトランジスタQ3のベースーエミッタ間に接続された抵抗R1でモニターしているため、負荷電流が大きい場合はこの抵抗R1の電力損失が大きくなるという課題があった。
このように構成することにより、フィードバック信号の電圧により検出された出力電圧切替信号を2次側に絶縁された状態で送出することができる。
このように構成することにより、フィードバック信号の電圧によって出力電圧を切り替える抵抗値を変更して、出力電圧を切り替えることができる。
図1は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源のブロック図である。
スイッチング電源10は、1次側整流回路1、スイッチング回路2、トランス3、2次側整流回路4、出力電圧制御回路5、出力電圧切替回路6、パルス幅制御回路7、出力電圧切替検出回路8および回路電源用整流回路9で構成される。
トランス3の1次巻線T1の一端には、スイッチング回路2が接続され、スイッチング回路2は、トランス3の1次巻線T1に印加される直流電圧をオン/オフするスイッチング素子と、スイッチング素子がオンしたとき、トランス3の1次巻線T1に流れる電流を検出する抵抗が備えられている。スイッチング素子のオン/オフ信号と抵抗により検出された電流検出信号は、パルス幅制御回路7に入力される。
詳細は後述するが、出力電圧制御回路5は、シャントレギュレータ、第2のフォトカップラ(発光側)、抵抗およびコンデンサで構成される。負荷電流が変化しても出力電圧を一定に制御するとともに、第2のフォトカップラに流れる電流の信号を1次側のパルス幅制御回路7および出力電圧切替検出回路8に送出する。
パルス幅制御回路7は、スイッチング素子のオン/オフを制御するコントロールIC、第2のフォトカップラ(受光側)、抵抗およびコンデンサで構成される。出力電圧制御回路5から負荷電流のフィードバック信号を受けて、スイッチング素子のオン/オフ時間を制御する。
回路電源用整流回路9は、トランス3の補助巻線T3に発生した電圧を整流および平滑して、パルス幅制御回路7および出力電圧切替検出回路8に回路用電源として供給する。
図2は、出力電圧制御回路5および出力電圧切替回路6の回路図である。
出力電圧制御回路5は、第2のフォトカップラPC2(発光側)、シャントレギュレータSR、抵抗R1、R2、R8、R9およびコンデンサC1から構成される。なお、抵抗R2は本発明の「第2の抵抗」に相当し、出力電圧制御回路5において出力電圧を決定する出力抵抗である。
抵抗R1と抵抗R2の接続点と、第2のフォトカップラPC2とシャントレギュレータSRの接続点との間には、位相補償用のコンデンサC1と抵抗R8が直列に接続される。また、抵抗R9は第2のフォトカップラPC2の発光側ダイオードと並列に接続される。
VOUT=(1+R2/R1)×VREF ・・・(1)
となり、シャントレギュレータSRにより負荷電流が増減しても出力電圧VOUTは一定に制御される。
この場合、抵抗R2と出力電圧切替回路6の抵抗R3(本発明の「第1の抵抗」に相当)が並列に接続されると、式(1)の抵抗R2が抵抗R2と抵抗R3の並列接続した合成抵抗に置き替わり、式(1)により出力電圧は低い電圧に切り替わる。
第1のフォトカップラPC1は、受光側トランジスタ(受光側素子)であり、第1のフォトカップラPC1の発光側ダイオード(発光側素子)の動作については後述の出力電圧切替検出回路8で説明する。
例えば、シャントレギュレータSR内の基準電圧を2.5V、抵抗R1を1kΩ、抵抗R2および抵抗R3を9kΩとすると、抵抗R2および抵抗R3が並列接続されない状態では、出力電圧VOUTは25Vとなり、抵抗R2および抵抗R3が並列接続された状態では、出力電圧VOUTは13.75Vとなる。
コントロールICは、1次側整流回路1の交流電源電圧VACからダイオードを介して電圧VHが供給され、この電圧VHは、スイッチング電源10の起動時の電源として使用される。スイッチング電源10が立ち上がってスイッチング回路2のスイッチング動作が開始されると、回路電源用整流回路9の電圧VCCが供給されるため、以後パルス幅制御回路7はこの電圧により動作する。
なお、コントロールICは、一般的なPWM(Pulse Width Modulation)制御用ICである。
コントロールICの出力信号OUTは、このICのスイッチング周波数毎に出力される信号である。コントロールICの出力信号OUTによりスイッチング素子はオンし、電流検出信号CSによる電圧値がFB端子電圧値を超えると、出力信号OUTはオフしスイッチング素子がオフする。
このように、FB端子電圧によりスイッチング素子のオフ時間が制御される。
非反転増幅器ICaの非反転入力端子には、パルス幅制御回路7のFB端子に接続されたフィードバック信号がそのまま入力され、反転入力端子には抵抗Raの一端が接続され、抵抗Raの他端はGNDに接続される。反転入力端子は抵抗Rbを介して非反転増幅器ICaの出力端子に接続される。
第1のフォトカップラPC1の発光側ダイオードのアノードは抵抗R11を介してVCC端子に接続される。VCC端子は抵抗R10を介して非反転増幅器ICaのプラス側電源端子にも接続され、非反転増幅器ICaのマイナス側電源端子はGNDに接続される。
出力OUT=(1+Rb/Ra)×VFB ・・・(2)
に増幅される。
トランジスタQaがオフしたとき、出力電圧切替回路6への信号により、低い出力電圧に切り替わる。
一方、FB端子電圧が所定の電圧値を超えると、非反転増幅器ICaの増幅された出力OUTにより、トランジスタQaはオンして、第1のフォトカップラPC1の発光側ダイオードに電流が流れ、出力電圧切替回路6にその信号が出力される。
FB端子電圧が所定の電圧値以下になると、第1のフォトカップラPC1の受光側トランジスタに電流が流れないため、出力電圧制御回路5および出力電圧切替回路6により低い出力電圧に切り替わる(待機モード)。
このようにFB端子電圧を使用することで、従来回路の課題である抵抗損失に影響されることなく、自動的に出力電圧の切換が可能となる。
また、出力電圧を切り替える所定の電圧値は、出力電圧を切り替える負荷電流の電流値によって決定されるが、この所定の電圧値は、トランジスタQaがオン/オフする閾値電圧となるように、非反転増幅器ICaによる増幅率(ゲイン)および抵抗R12と抵抗R13の分圧比により調整される。
すなわち、トランジスタQaの閾値電圧は、所定の電圧値そのものではなく、非反転増幅器ICaの増幅率および抵抗R12と抵抗R13の分圧比によって調整された係数と所定の電圧値を乗じた値である。
図4は、負荷電流の大小による出力電圧切り替えを説明する図である。図4に示す3つの波形は、上から順に、負荷電流が変化する波形およびFB端子電圧の変化の波形、トランジスタQaのオン/オフ波形、出力電圧の切り替えの波形である。横軸は時間であり、通常モードから待機モードへ替わり、また通常モードに推移する変化を示す。
負荷電流が大きくなれば、再び通常モードの動作に切り替わる。
このように、負荷電流が小さくなって軽負荷状態や無負荷状態になれば、待機モードとなって出力電圧が切り替わる。
図5に示す従来回路では、負荷電流の変化をトランジスタQ3のベースーエミッタ間に接続された抵抗R1でモニターしている。仮に抵抗値を1Ωとし、そこに1Aの電流が流れたとすれば、この抵抗だけで1Wの損失となる。
これに対して、本発明の回路では負荷電流が大きいときは、図2に示す出力電圧切替回路6のトランジスタQ1およびQ2はオフする。図3に示す非反転増幅器ICa、トランジスタQaおよび第1のフォトカップラPC1は動作するが、ほぼ非反転増幅器ICa、トランジスタQaの消費電力が損失となる。
従来回路の消費電力1Wに対して、本発明の消費電力は約70mWとなり、従来回路と比較して1/10以下の低損失で出力電圧の自動的な切り替えが可能となる。
Claims (4)
- 負荷電流の大きさによって出力電圧を切り替えるスイッチング電源であって、
トランスと、
前記トランスの2次側の出力電圧を制御し負荷電流に対応するフィードバック信号を出力する出力電圧制御回路と、
前記出力電圧制御回路が出力したフィードバック信号に基づいて出力電圧切替信号を出力する出力電圧切替検出回路と、
前記出力電圧切替検出回路から出力される出力電圧切替信号に基づいて出力電圧を切り替える出力電圧切替回路とを備え、
前記出力電圧切替回路は、前記出力電圧制御回路が出力したフィーバック信号に応じた電圧が所定の電圧値を超えるときは出力電圧を切り替えずそのまま出力し、前記所定の電圧値以下のときは降圧した出力電圧に切り替えて出力することを特徴とするスイッチング電源。 - 請求項1に記載のスイッチング電源であって、
前記出力電圧制御回路が出力電圧を決定する出力抵抗を有し、
前記出力電圧切替回路は、前記出力抵抗の抵抗値を変化させることで出力電圧を切り替えることを特徴とするスイッチング電源。 - 請求項2に記載のスイッチング電源であって、
前記出力電圧切替検出回路は、前記フィードバック信号の大きさに応じてオン/オフ状態が切り替えられるトランジスタと、前記トランジスタに発光側素子が接続されたフォトカップラとを有し、
前記出力電圧切替信号は、前記フィードバック信号の電圧が所定の電圧値を超えると、前記トランジスタがオンして前記フォトカップラの発光側素子に電流が流れ、前記フォトカップラの受光側素子がオンとなる信号であり、前記フィードバック信号の電圧が所定の電圧値以下のとき、前記トランジスタがオフして前記フォトカップラの発光側素子に流れる電流が遮断され、前記フォトカップラの受光側素子がオフとなる信号であり、
前記フォトカップラの受光側素子のオン/オフ状態により前記出力電圧制御回路の出力抵抗値が切り替えられることを特徴とするスイッチング電源。 - 請求項3に記載のスイッチング電源において、
前記出力電圧切替回路は第1の抵抗を有し、
前記出力電圧制御回路は、シャントレギュレータと、前記出力抵抗として前記シャントレギュレータのレファレンス端子に接続された第2の抵抗とを有し、
前記フォトカップラの受光側素子がオフしているとき、前記出力電圧切替回路の第1の抵抗が前記出力電圧制御回路の第2の抵抗と並列に接続されて出力電圧が切り替えられ、前記フォトカップラの受光側素子がオンしているとき、前記第1の抵抗は前記第2の抵抗と並列接続されないで、出力電圧がそのまま出力されることを特徴とするスイッチング電源。
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