JP7341178B2 - switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、トランスの入力巻線と直列の位置に共振用コンデンサ及び共振用インダクタを設けた電流共振型ハーフブリッジ方式のスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a current resonance half-bridge type switching power supply device in which a resonant capacitor and a resonant inductor are provided in series with the input winding of a transformer.
電流共振型ハーフブリッジ方式のスイッチング電源装置は、トランス、共振用コンデンサ及び共振用インダクタによる独特な共振動作が行われ、この共振動作を検出することによって、電力変換動作の状況(実際の共振周波数、出力電力、出力電流等)を把握することができることが知られている。そのため、従来から、共振動作の状況を検出し、その検出結果を各種の制御や保護機能に利用することが行われている。 In a current resonant half-bridge type switching power supply, a unique resonant operation is performed by a transformer, a resonant capacitor, and a resonant inductor. By detecting this resonant operation, the status of power conversion operation (actual resonant frequency, It is known that it is possible to grasp the output power, output current, etc.). Therefore, conventionally, the state of resonance operation is detected and the detection results are used for various control and protection functions.
例えば特許文献1に開示されたLLCコンバータ(電流共振型ハーフブリッジコンバータ)は、共振電圧及び共振電流を検出し、その検出結果を、負荷の応答性を向上させたり、位相補償設計の容易性を向上させたりするために利用している。
For example, the LLC converter (current resonant half-bridge converter) disclosed in
特許文献1のLLCコンバータには、共振電圧を検出する回路(以下、共振電圧信号発生部と称する。)として、トランスの入力巻線及び共振用コンデンサの接続点とグランドラインとの間にコンデンサC4,C6の直列回路を接続し、コンデンサC6に発生する電圧を共振電圧信号VCRとして出力する回路が設けられている。コンデンサC4,C6の直列回路はいわゆる分圧回路で、入力巻線及び共振用コンデンサの接続点に発生する共振電圧を、制御回路が扱いやすい共振電圧信号(例えば数ボルト以下の低電圧信号)に降圧する動作を行う。
The LLC converter of
また、共振電流を検出する回路(以下、共振電流信号発生部と称する。)として、トランスの入力巻線及び共振用コンデンサの接続点とグランドラインとの間にコンデンサC3及び抵抗R6の直列回路を接続し、抵抗R6に発生する電圧を共振電流信号VISとして出力する回路が設けられている。コンデンサC4及び抵抗R6は、トランスの入力巻線に流れる共振電流の一部を分流させ、制御回路が扱いやすい共振電流信号(例えば数ボルト以下の低電圧信号)に変換する動作を行う。 In addition, as a circuit for detecting a resonant current (hereinafter referred to as a resonant current signal generating section), a series circuit of a capacitor C3 and a resistor R6 is installed between the input winding of the transformer and the connecting point of the resonant capacitor and the ground line. A circuit is provided which connects the resistor R6 and outputs the voltage generated across the resistor R6 as a resonant current signal VIS. The capacitor C4 and the resistor R6 operate to shunt a part of the resonant current flowing through the input winding of the transformer and convert it into a resonant current signal (for example, a low voltage signal of several volts or less) that can be easily handled by the control circuit.
特許文献1に開示された共振電圧信号発生部及び共振電流信号発生部の構成を、商用交流電圧が入力されるスイッチング電源装置に適用した場合、入力巻線及び共振用コンデンサの接続点に百数十ボルト~数百ボルトの高電圧が発生するので、特許文献1の図面に開示されたコンデンサC3やC4は、少なくとも百ボルト以上の耐電圧を有したものを選択しなければならない。
When the configuration of the resonant voltage signal generating section and the resonant current signal generating section disclosed in
一般に、上記コンデンサC3,C4,C6のような用途には、面実装型のセラミックコンデンサが適している。市販のセラミックコンデンサは、耐電圧が50V以下の範囲はラインアップが豊富で価格も比較的安価であるが、耐電圧が50Vを超えるとラインアップが限られ価格も割高になる傾向がある。また、仮にコンデンサの素子内部の耐電圧が保証されていても、2つの外部電極が近接している小型の素子は、百数十ボルト~数百ボルトの高電圧が印加された時に沿面放電が発生するおそれがあるので使用できず、十分に外形が大きいものを選択しなければならない。 Generally, surface-mounted ceramic capacitors are suitable for applications such as the capacitors C3, C4, and C6 described above. Commercially available ceramic capacitors have a rich lineup and are relatively inexpensive when the withstand voltage is 50 V or less, but when the withstand voltage exceeds 50 V, the lineup tends to be limited and the prices tend to be relatively high. Furthermore, even if the withstand voltage inside the capacitor element is guaranteed, small elements with two external electrodes close to each other may experience creeping discharge when a high voltage of 100-100 volts to several hundred volts is applied. Since there is a risk of this occurring, it cannot be used, and a sufficiently large external shape must be selected.
したがって、特許文献1に開示された共振電圧信号発生部及び共振電流信号発生部を構成する時は、複数のコンデンサ(コンデンサC3,C4)を、外形が大きくて高価な素子にしなければならないという問題があった。さらに、近年、より高度な制御を行うため、或いは保護機能を充実させてさらに安全性を向上させるため、共振電圧信号発生部及び共振電流信号発生部の数を増やしたいという事情があり、実装スペースの増加やコストアップを抑えることが課題になっていた。
Therefore, when configuring the resonant voltage signal generating section and the resonant current signal generating section disclosed in
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、共振電圧信号発生部又は共振電流信号発生部又はその両方をコンパクトで安価に構成できる電流共振型ハーフブリッジ方式のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned background art, and provides a current resonant half-bridge type switching power supply device in which a resonant voltage signal generating section, a resonant current signal generating section, or both can be configured compactly and inexpensively. The purpose is to
本発明は、入力電源から入力電圧が供給される入力ライン及びグランドラインと、一端が前記入力ラインに接続された第一のスイッチング素子と、前記一のスイッチング素子の他端と前記グランドラインとの間に接続された第二のスイッチング素子と、入力巻線及び出力巻線を有し、前記入力巻線の一端が前記第一及び第二のスイッチング素子の接続点に接続されたトランスと、一端が前記入力巻線の他端に接続され、他端が前記入力ライン又は前記グランドラインに接続された共振用コンデンサと、前記入力巻線と直列に隣接する位置に挿入された共振用インダクタと、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路と、前記第一及び第二のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する第一の制御部とを備えた電流共振型のスイッチング電源装置であって、
前記トランス、前記共振用コンデンサ及び前記共振用インダクタによる共振動作を監視する共振動作監視回路が設けられ、前記共振動作監視回路は、一端が前記共振用コンデンサの一端に接続された降圧用コンデンサと、前記降圧用コンデンサの他端と前記グランドラインとの間に接続されたn個(n:自然数)の共振電圧信号発生部と、前記降圧用コンデンサの他端と前記グランドラインとの間に接続されたk個(k:自然数)の共振電流信号発生部とを備え、
前記共振電圧信号発生部は、複数個の信号生成用コンデンサの直列回路で成り、当該直列回路の中の特定の接続点に、前記共振用コンデンサの両端に発生する共振電圧と略相似な波形の電圧を発生させ、この電圧を共振電圧信号として出力するものであり、
前記共振電流信号発生部は、分流用コンデンサと電流電圧変換用抵抗との直列回路で成り、前記分流用コンデンサと前記電流電圧変換用抵抗との接続点に、前記入力巻線に流れる共振電流と略相似な波形の電圧を発生させ、この電圧を共振電流信号として出力するものであり、
前記降圧用コンデンサの容量は、前記共振用コンデンサの容量よりも小さく、前記降圧用コンデンサの他端に発生する電圧が50V以下になるように設定され、前記信号生成用コンデンサ及び前記分流用コンデンサは、耐電圧が50V以下のコンデンサ素子が使用されているスイッチング電源装置である。
The present invention provides an input line and a ground line to which an input voltage is supplied from an input power source, a first switching element whose one end is connected to the input line, and a connection between the other end of the first switching element and the ground line. a second switching element connected between them, a transformer having an input winding and an output winding, one end of the input winding being connected to the connection point of the first and second switching elements; is connected to the other end of the input winding, and the other end is connected to the input line or the ground line, and a resonance inductor inserted in a position adjacent to the input winding in series; A current resonance type comprising a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes the voltage generated in the output winding to generate an output voltage, and a first control section that controls switching operations of the first and second switching elements. A switching power supply device comprising:
A resonant operation monitoring circuit for monitoring resonant operation by the transformer, the resonant capacitor, and the resonant inductor is provided, and the resonant operation monitoring circuit includes a step-down capacitor whose one end is connected to one end of the resonant capacitor; n (n: natural number) resonant voltage signal generators connected between the other end of the step-down capacitor and the ground line; k (k: natural number) resonant current signal generators;
The resonant voltage signal generating section is composed of a series circuit of a plurality of signal generating capacitors, and a waveform approximately similar to the resonant voltage generated across the resonant capacitor is applied to a specific connection point in the series circuit. It generates a voltage and outputs this voltage as a resonant voltage signal.
The resonant current signal generating section is composed of a series circuit of a shunt capacitor and a current-voltage conversion resistor, and a resonant current flowing through the input winding is connected to a connection point between the shunt capacitor and the current-voltage conversion resistor. It generates voltages with approximately similar waveforms and outputs this voltage as a resonant current signal.
The capacitance of the step-down capacitor is smaller than the capacitance of the resonance capacitor, and is set so that the voltage generated at the other end of the step-down capacitor is 50V or less, and the signal generation capacitor and the shunt capacitor are This is a switching power supply device that uses a capacitor element with a withstand voltage of 50V or less.
また、本発明は、入力電源から入力電圧が供給される入力ライン及びグランドラインと、一端が前記入力ラインに接続された第一のスイッチング素子と、前記一のスイッチング素子の他端と前記グランドラインとの間に接続された第二のスイッチング素子と、入力巻線及び出力巻線を有し、前記入力巻線の一端が前記第一及び第二のスイッチング素子の接続点に接続されたトランスと、一端が前記入力巻線の他端に接続され、他端が前記入力ライン又は前記グランドラインに接続された共振用コンデンサと、前記入力巻線と直列に隣接する位置に挿入された共振用インダクタと、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路と、前記第一及び第二のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する第一の制御部とを備えた電流共振型のスイッチング電源装置であって、
前記トランス、前記共振用コンデンサ及び前記共振用インダクタによる共振動作を監視する共振動作監視回路が設けられ、前記共振動作監視回路は、一端が前記共振用コンデンサの一端に接続された降圧用コンデンサと、前記降圧用コンデンサの他端と前記グランドラインとの間に接続されたn個(n≧2)の共振電圧信号発生部とを備え、
前記共振電圧信号発生部は、複数個の信号生成用コンデンサの直列回路で成り、当該直列回路の中の特定の接続点に、前記共振用コンデンサの両端に発生する共振電圧と略相似な波形の電圧を発生させ、この電圧を共振電圧信号として出力するものであり、
前記降圧用コンデンサの容量は、前記共振用コンデンサの容量よりも小さく、前記降圧用コンデンサの他端に発生する電圧が50V以下になるように設定され、前記信号生成用コンデンサは、耐電圧が50V以下のコンデンサ素子が使用されているスイッチング電源装置である。
The present invention also provides an input line and a ground line to which an input voltage is supplied from an input power source, a first switching element whose one end is connected to the input line, and the other end of the first switching element and the ground line. and a transformer having an input winding and an output winding, one end of the input winding being connected to a connection point between the first and second switching elements. , a resonant capacitor having one end connected to the other end of the input winding and the other end connected to the input line or the ground line, and a resonant inductor inserted in a position adjacent to the input winding in series. a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes the voltage generated in the output winding to generate an output voltage; and a first control section that controls switching operations of the first and second switching elements. A resonant switching power supply device,
A resonant operation monitoring circuit for monitoring resonant operation by the transformer, the resonant capacitor, and the resonant inductor is provided, and the resonant operation monitoring circuit includes a step-down capacitor whose one end is connected to one end of the resonant capacitor; comprising n (n≧2) resonant voltage signal generating units connected between the other end of the step-down capacitor and the ground line;
The resonant voltage signal generating section is composed of a series circuit of a plurality of signal generating capacitors, and a waveform approximately similar to the resonant voltage generated across the resonant capacitor is applied to a specific connection point in the series circuit. It generates a voltage and outputs this voltage as a resonant voltage signal.
The capacitance of the step-down capacitor is smaller than the capacitance of the resonance capacitor, and is set so that the voltage generated at the other end of the step-down capacitor is 50V or less, and the signal generation capacitor has a withstand voltage of 50V. This is a switching power supply device that uses the following capacitor elements.
また、本発明は、入力電源から入力電圧が供給される入力ライン及びグランドラインと、一端が前記入力ラインに接続された第一のスイッチング素子と、前記一のスイッチング素子の他端と前記グランドラインとの間に接続された第二のスイッチング素子と、入力巻線及び出力巻線を有し、前記入力巻線の一端が前記第一及び第二のスイッチング素子の接続点に接続されたトランスと、一端が前記入力巻線の他端に接続され、他端が前記入力ライン又は前記グランドラインに接続された共振用コンデンサと、前記入力巻線と直列に隣接する位置に挿入された共振用インダクタと、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路と、前記第一及び第二のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する第一の制御部とを備えた電流共振型のスイッチング電源装置であって、
前記トランス、前記共振用コンデンサ及び前記共振用インダクタによる共振動作を監視する共振動作監視回路が設けられ、前記共振動作監視回路は、一端が前記共振用コンデンサの一端に接続された降圧用コンデンサと、前記降圧用コンデンサの他端と前記グランドラインとの間に接続されたk個(k≧2)の共振電流信号発生部とを備え、
前記共振電流信号発生部は、分流用コンデンサと電流電圧変換用抵抗との直列回路で成り、前記分流用コンデンサと前記電流電圧変換用抵抗との接続点に、前記入力巻線に流れる共振電流と略相似な波形の電圧を発生させ、この電圧を共振電流信号として出力するものであり、
前記降圧用コンデンサの容量は、前記共振用コンデンサの容量よりも小さく、前記降圧用コンデンサの他端に発生する電圧が50V以下になるように設定され、前記分流用コンデンサは、耐電圧が50V以下のコンデンサ素子が使用されているスイッチング電源装置である。
The present invention also provides an input line and a ground line to which an input voltage is supplied from an input power source, a first switching element whose one end is connected to the input line, and the other end of the first switching element and the ground line. and a transformer having an input winding and an output winding, one end of the input winding being connected to a connection point between the first and second switching elements. , a resonant capacitor having one end connected to the other end of the input winding and the other end connected to the input line or the ground line, and a resonant inductor inserted in a position adjacent to the input winding in series. a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes the voltage generated in the output winding to generate an output voltage; and a first control section that controls switching operations of the first and second switching elements. A resonant switching power supply device,
A resonant operation monitoring circuit for monitoring resonant operation by the transformer, the resonant capacitor, and the resonant inductor is provided, and the resonant operation monitoring circuit includes a step-down capacitor whose one end is connected to one end of the resonant capacitor; k (k≧2) resonant current signal generators connected between the other end of the step-down capacitor and the ground line;
The resonant current signal generating section is composed of a series circuit of a shunt capacitor and a current-voltage conversion resistor, and a resonant current flowing through the input winding is connected to a connection point between the shunt capacitor and the current-voltage conversion resistor. It generates voltages with approximately similar waveforms and outputs this voltage as a resonant current signal.
The capacitance of the step-down capacitor is smaller than the capacitance of the resonance capacitor, and is set so that the voltage generated at the other end of the step-down capacitor is 50V or less, and the shunt capacitor has a withstand voltage of 50V or less. This is a switching power supply device that uses a capacitor element.
前記共振用コンデンサは、一端が前記入力巻線の他端に接続され、他端が前記入力ラインに接続された第一の共振用コンデンサと、一端が前記入力巻線の他端に接続され、他端が前記グランドラインに接続された第二の共振用コンデンサとで構成することができる。また、前記共振用インダクタは、前記トランスのリーケージインダクタンスで代用されていてもよい。さらに、内部の制御用プログラムを書き換え可能なデジタルプロセッサを備えた第二の制御部が設けられ、前記共振動作監視回路は、前記共振動作に関する複数の信号を発生させ、その中の特定の信号を前記第一の制御部に向けて出力し、その他の信号を前記第二の制御部に向けて出力し、前記第二の制御部は、前記共振動作監視回路から取得した前記その他の信号を前記デジタルプロセッサで分析し、その分析結果に基づいて、前記第一の制御部の動作を変更させる構成にしてもよい。 The resonance capacitor has one end connected to the other end of the input winding, the other end connected to the input line, a first resonance capacitor, and one end connected to the other end of the input winding, The second resonant capacitor may be configured with a second resonant capacitor whose other end is connected to the ground line. Further, the resonance inductor may be replaced by a leakage inductance of the transformer. Furthermore, a second control unit is provided that includes a digital processor capable of rewriting an internal control program, and the resonance operation monitoring circuit generates a plurality of signals related to the resonance operation, and selects a specific signal among them. The second control unit outputs the other signal to the first control unit and the other signal to the second control unit, and the second control unit outputs the other signal acquired from the resonance operation monitoring circuit to the second control unit. The analysis may be performed using a digital processor, and the operation of the first control unit may be changed based on the analysis result.
本発明のスイッチング電源装置は、新規で独特な共振動作監視回路を備え、様々な制御等に有用な共振電圧信号や共振電流信号を容易に取得することができる。しかも、共振動作監視回路に流入する電流を非常に小さくできるので、共振動作監視回路で発生する電力損失を最低限に抑えることができる。 The switching power supply device of the present invention includes a new and unique resonance operation monitoring circuit, and can easily obtain resonance voltage signals and resonance current signals useful for various controls and the like. Moreover, since the current flowing into the resonance operation monitoring circuit can be made very small, the power loss generated in the resonance operation monitoring circuit can be suppressed to a minimum.
また、この共振動作監視回路の場合、外形が大きくて高価なコンデンサ素子を選択する必要があるのは降圧用コンデンサだけで、その他のコンデンサは、耐電圧が50V以下のコンデンサ素子が使用される。したがって、降圧用コンデンサ以外のコンデンサは、外形が小さくて安価なものを使用することができ、共振動作監視回路をコンパクトで安価に構成することができる。また、共振動作監視回路を構成する共振電圧信号発生部及び共振電流信号発生部の数を増やしたとしても、実装スペースやコストアップが最小限に抑えられるので、より高度な制御を行ったり、保護機能を充実させて安全性を向上させたりするのが容易である。 Further, in the case of this resonant operation monitoring circuit, it is only necessary to select a large and expensive capacitor element for the step-down capacitor, and for the other capacitors, capacitor elements with a withstand voltage of 50V or less are used. Therefore, capacitors other than the step-down capacitor can be small and inexpensive, and the resonance operation monitoring circuit can be configured compactly and inexpensively. In addition, even if the number of resonant voltage signal generators and resonant current signal generators that make up the resonant operation monitoring circuit is increased, the mounting space and cost increase can be kept to a minimum, allowing more advanced control and protection. It is easy to enhance functionality and improve safety.
以下、本発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態について、図1に基づいて説明する。第一の実施形態のスイッチング電源装置10は、いわゆる電流共振型ハーフブリッジ方式のスイッチングコンバータで、入力電源12から供給された入力電圧Viを、所定の出力電圧Voに変換し、負荷14に向けて出力電圧Vo及び出力電流Io(出力電力Po=Vo×Io)を出力する。
Hereinafter, a first embodiment of a switching power supply device of the present invention will be described based on FIG. 1. The switching
スイッチング電源装置10は、入力電源12から入力電圧Viが供給される入力ライン16及びグランドライン18を有し、入力ライン16に第一のスイッチング素子20の一端が接続され、第一のスイッチング素子20の他端に第二のスイッチング素子22の一端が接続され、第二のスイッチング素子22の他端がグランドライン18に接続されている。
The switching
トランス24は、入力巻線24a及び出力巻線24bを有し、入力巻線24aの一端が第一及び第二のスイッチング素子20,22の接続点に接続されている。そして、入力巻線24aの他端とグランドライン18との間に共振用コンデンサ26が接続され、さらに、入力巻線24aと直列に隣接する位置に共振用インダクタ28が挿入され、トランス24、共振用コンデンサ26及び共振用インダクタ28によって共振系が形成される。トランス24の出力巻線24bには、出力巻線24bに発生する電圧を整流平滑して出力電圧Voを生成する整流平滑回路30が接続されている。
The
第一の制御部32は、第一及び第二のスイッチング素子20,22のスイッチング動作を制御するブロックである。ここでは、出力電圧Voを一定電圧に安定化するため、出力電圧Voに対応した出力電圧信号S(Vo)を取得し、出力電圧信号S(Vo)が所定の目標値に保持されるように、第一及び第二のスイッチング素子20,22のオン時間及びオフ時間を可変調節する。具体的には、第一及び第二のスイッチング素子20,22を駆動するための駆動パルスVg20,Vg22のHighの時間及びLowの時間とを変化させる。
The
その他、スイッチング電源装置10には、トランス24、共振用コンデンサ26及び共振用インダクタ28による共振動作を監視するため、独特な共振動作監視回路34が設けられている。共振動作監視回路34は、一端が共振用コンデンサ26と入力巻線24aとの接続点に接続された降圧用コンデンサ36と、降圧用コンデンサ36の他端とグランドライン18との間に接続された1つの共振電圧信号発生部38(38(1))と、降圧用コンデンサの他端とグランドライン18との間に接続された2つの共振電流信号発生部40(40(1),40(2))とで構成される。共振電圧信号発生部38(1)は、2個の信号生成用コンデンサ42a,42bの直列回路により構成され、共振電流信号発生部40(1),40(2)は、分流用コンデンサ44aと電流電圧変換用抵抗44bの直列回路により各々構成される。
In addition, the switching
ここで、各部のコンデンサの容量の大小関係等について説明する。降圧用コンデンサ36の容量は、共振動作監視回路34が共振動作に影響を与えないようにするため共振用コンデンサ26の容量よりも十分小さく設定され、且つ、降圧用コンデンサ36の他端(入力巻線24aと反対側の一端)に発生する電圧が、50V以下になるように設定される。
Here, the relationship between the capacitances of the capacitors in each part and the like will be explained. The capacitance of the step-down
信号生成用コンデンサ42a,42bの容量比は、降圧用コンデンサ36の他端に発生する電圧をさらに降圧し、信号生成用コンデンサ42bの両端に第一の制御部32が扱いやすい電圧(例えば数ボルト以下の低電圧)が発生するように設定される。分流用コンデンサ44aの容量は、インピーダンスが電流電圧変換用抵抗44bよりも十分大きくなるように設定され、電流電圧変換用抵抗44bの抵抗値を調節することによって、電流電圧変換用抵抗44bの両端に、第一の制御部32が扱いやすい電圧(例えば数ボルト以下の低電圧)を発生させる。
The capacitance ratio of the
降圧用コンデンサ36の一端(入力巻線24aの側の一端)には、直流電圧Vi/2に、正弦波状の共振電圧が重畳した電圧が発生する。直流電圧Vi/2は降圧用コンデンサ36を通過できないので、降圧用コンデンサ36の他端(入力巻線24aと反対側の一端)には、共振電圧が50V以下に降圧された、共振電圧と略相似な波形の電圧が発生する。そして、共振電圧信号発生部38(1)は、信号生成用コンデンサ42bの両端に、共振電圧と略相似な波形の低電圧を発生させ、その電圧を共振電圧信号Sv(1)として第一の制御部32に出力する。
At one end of the step-down capacitor 36 (one end on the input winding 24a side), a voltage is generated in which a sinusoidal resonant voltage is superimposed on the DC voltage Vi/2. Since the DC voltage Vi/2 cannot pass through the step-down
トランス24の入力巻線24aには、正弦波状の共振電流が流れている。したがって、共振電流の一部が降圧用コンデンサ36を通じて分流される。そして、共振電流信号発生部40(1)は、降圧用コンデンサ36を通過した電流の中の一部を、分流用コンデンサ44aを通じて分流させ、電流電圧変換等抵抗44bの両端に、共振電流と略相似な波形の低電圧を発生させ、その電圧を共振電流信号Si(1)として第一の制御回路32に向けて出力する。同様に、共振電流信号発生部40(2)は、降圧用コンデンサ36を通過した電流の中の一部を、分流用コンデンサ44aを通じて分流させ、電流電圧変換等抵抗44bの両端に、共振電流と略相似な波形の低電圧を発生させ、その電圧を共振電流信号Si(2)として第一の制御部32に出力する。
A sinusoidal resonant current flows through the input winding 24a of the
共振電圧の大きさは、負荷14に供給している出力電力Poと強い相関がある。したがって、第一の制御回路32は、例えば、共振電圧信号Sv(1)を分析することによって出力電力Poを検出し、出力電力Poに応じて出力電圧制御系の制御特性を最適化する処理を行う。
The magnitude of the resonant voltage has a strong correlation with the output power Po supplied to the
また、共振電流の大きさは、負荷14に供給している出力電流Ioと強い相関がある。したがって、第一の制御部32は、例えば、共振電流信号Si(1)を分析することによって出力電流Ioを検出し、出力電流Ioが許容値に達すると、素早く第一及び第二のスイッチング素子のスイッチング周波数を変化させ、出力電流Ioが許容値を超えないようにする処理(過電流保護)を行う。
Further, the magnitude of the resonant current has a strong correlation with the output current Io supplied to the
また、共振電流がゼロクロスするタイミングは、第一及び第二のスイッチング素子20,22をゼロボルトスイッチングさせるために重要な情報になる。したがって、第一の制御部32は、例えば、共振電流信号Si(2)を分析することによって共振電流がゼロクロスするタイミングを検出し、第一及び第二のスイッチング素子20,24をターンオンさせるタイミングを決定する処理を行う。
Furthermore, the timing at which the resonant current crosses zero becomes important information for causing the first and
以上説明したように、スイッチング電源装置10は、新規で独特な共振動作監視回路34を備え、様々な制御に有用な共振電圧信号Sv(1)や共振電流信号Si(1),Si(2)を、容易に取得することができる。しかも、共振動作監視回路34に流入する電流を非常に小さくできるので、共振動作監視回路34で発生する電力損失を最小限に抑えることができる。
As explained above, the switching
また、共振動作監視回路34の場合、外形が大きくて高価なコンデンサ素子を選択する必要があるのは降圧用コンデンサ36だけで、その他のコンデンサ(信号生成用コンデンサ42a,42b、分流用コンデンサ44a)は、耐電圧が50V以下のコンデンサ素子が使用される。したがって、降圧用コンデンサ以外36のコンデンサは、外形が小さくて安価なものを使用することができ、共振動作監視回路34をコンパクトで安価に構成することができる。また、共振動作監視回路34を構成する共振電圧信号発生部38及び共振電流信号発生部40の数を増やしたとしても、実装スペースやコストアップが最小限に抑えられるので、より高度な制御を行ったり、保護機能を充実させて安全性を向上させたりするのが容易である。
In addition, in the case of the resonance
次に、スイッチング電源装置10の共振系を構成する素子(入力巻線24a、共振用コンデンサ26及び共振用インダクタ28)の接続構造に関する4つの変形例を、図2、図3に基づいて説明する。図2(a)に示す変形例のスイッチング電源装置10aでは、共振用インダクタ28が省略され、トランス24内部のリーケージインダクタンス(図示せず)が共振用インダクタンス28として代用されている。また、図2(b)に示す変形例のスイッチング電源装置10bでは、共振用インダクタ28が、入力巻線24aの、スイッチング素子20,24側の一端ではなく、共振用コンデンサ26側の一端に挿入されている。スイッチング電源装置10a,10bの構成に変更した場合も、上記のスイッチング電源装置10と同様の作用効果が得られる。
Next, four modification examples regarding the connection structure of the elements (input winding 24a,
図3(a)に示す変形例のスイッチング電源装置10cでは、共振用コンデンサ26の、入力巻線124と反対側の一端が、グランドライン18ではなく入力ライン16に接続されている。また、図3(b)に示す変形例のスイッチング電源装置10dでは、共振用コンデンサ26が、第一及び第二の共振用コンデンサ26(1),26(2)により構成され、第一の共振用コンデンサ26(1)は、一端が入力巻線24aの他端(スイッチング素子20,22と反対側の一端)に接続され、他端が入力ライン16に接続されており、第二の共振用コンデンサ26(2)は、一端が入力巻線24aの他端(スイッチング素子20,22と反対側の一端)に接続され、他端がグランドライン18に接続されている。スイッチング電源装置10c,10dの構成に変更した場合も、上記のスイッチング電源装置10と同様の作用効果が得られる。
In the switching
次に、本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態について、図4に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置10と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
Next, a second embodiment of the switching power supply device of the present invention will be described based on FIG. 4. Here, the same configuration as the switching
第二の実施形態のスイッチング電源装置46は、スイッチング電源装置10の構成に、第二の制御部48と、共振電圧信号Sv(2)を発生させて第二の制御部48に出力する共振電圧信号発生部38(2)と、共振電流信号Si(3)を発生させて第二の制御部48に出力する共振電流信号発生部40(2)とが付設されたものであり、これ以外の構成は同様である。
The switching
共振電圧信号発生部38(2)は、上記の共振電圧信号発生部38(1)と同様に、2つの信号生成用コンデンサ42a,42bの直列回路により構成され、共振電流信号発生部40(3)は、上記の共振電流信号発生部40(1),40(2)と同様に、分流用コンデンサ44aと電流電圧変換用コンデンサ44bとの直列回路により構成される。なお、図4では、上記の共振電動作監視回路34に2つの信号発生部38(2),40(3)を追加した回路を総称し、共振電動作監視回路50と表記している。
The resonant voltage signal generator 38(2), like the resonant voltage signal generator 38(1) described above, is composed of a series circuit of two
第二の制御部48は、内部の制御用プログラムを書き換え可能なデジタルプロセッサを備え、共振電圧信号Sv(2)及び共振電流信号Si(3)をデジタルプロセッサで分析し、その分析結果に基づいて、第一の制御部32の動作を変更させる制御を行う。詳しくは後で説明するが、デジタルプロセッサが実行する処理はそれほど高速性が要求されない内容であり、比較的安価な汎用品が使用できる。
The
上記の第一の制御部32は、通常、市販されている汎用品の制御用ICを用意し、その周辺に少数の個別回路素子を付加することによって構成される。第一の制御部32は、駆動パルスVg20,Vg22を出力する出力段は、動作の高速性が要求され、それほどの高速性が必要でない他の部分は、消費電力が小さいことが求められる。したがって、制御用ICは、出力段をバイポーラ構造とし、その他の部分をCMOS構造とするBiCMOS構造のものが好適である。
The
汎用品の制御用ICは複数のメーカから販売されており、各々に特徴がある。しかし、これらはあくまで汎用品なので、全ての電源設計者の要望に応えられるものではなく、欲しい機能を備えていなかったり、欲しい機能は備えているがその性能に満足できなかったりするケースが少なくない。そこで、スイッチング電源装置46では、新しい機能を追加したり、制御用ICの不十分な性能を補完したりするために、第二の制御部48が付設されている。
General-purpose control ICs are sold by multiple manufacturers, and each has its own characteristics. However, since these are general-purpose products, they cannot meet the needs of all power supply designers, and there are many cases in which they do not have the desired functions, or they have the desired functions but are not satisfied with their performance. . Therefore, the switching
まず、第二の制御部48が行う2つの制御の中の第一の制御について説明する。第一の制御部32は、市販の制御用ICの機能を利用して高速の過電流保護を行うが、制御用IC内に設定されている過電流閾値(出力電流Ioが許容値に達したかどうか判定する時の閾値)がばらついたり環境温度によって変動したりする性質があるので、過電流保護の設計及び評価に手間が掛かる。そこで、第二の制御部48が、第一の制御部32とは別に、あらかじめ設定された第二の過電流閾値に基づく第二の過電流保護を実行する。第二の過電流閾値は、デジタルプロセッサの制御プログラムの中に書き込まれる数値情報なので、変動するものではない。
First, the first control of the two controls performed by the
第二の制御部48は、共振電流信号Si(3)を分析することによって出力電流Ioを検出し、第二の過電流閾値に基づいて過電流状態かどうかを判定し、過電流状態と判定すると、第一の制御部32に向けて信号を出力し、第一及び第二のスイッチング素子20,22のスイッチング動作を強制停止させる。したがって、第一の制御部32の過電流閾値が変動して過電流保護が動作しなかったとしても、第二の過電流保護が動作して安全が確保される。
The
ただ、第二の過電流保護は、第一の制御部32の過電流保護よりも動作が低速になるので、第一の制御部32の過電流保護を単純に省略することは難しい。したがって、第一の制御部32の過電流保護と第二の過電流保護とを併用することによって、より確実な過電流保護を実現することができる。
However, since the second overcurrent protection operates at a slower speed than the overcurrent protection of the
また、第二の過電流保護に関しは、例えばカスタム対応で、第二の過電流閾値をユーザの要望に合わせて設定することが可能になる。このカスタム対応は、デジタルプロセッサ内の第二の過電流閾値(数値情報)を書き換えるだけでよいので、ハード面の変更行うことなく、容易に対応することができる。その他、別のアプリケーションとして、ユーザが第二の過電流閾値を外部可変できる構成とし、スイッチング電源装置46を定電流電源として使用できるようにすることも考えられる。
Further, regarding the second overcurrent protection, it is possible to set the second overcurrent threshold according to the user's request, for example, by customization. This customization can be done easily by simply rewriting the second overcurrent threshold value (numerical information) in the digital processor, without making any changes to the hardware. In addition, as another application, it may be possible to configure the second overcurrent threshold value to be externally variable by the user, so that the switching
次に、第二の制御部48が行う第二の制御について説明する。上記の第一の制御部32では、出力電力Poが許容値を超えないようにする過電力保護は行わないが、共振電圧信号Sv(1)を分析することによって出力電力Poを検出し、汎用品の制御用ICの機能を用いて過電力保護を行うようにすることは、比較的容易である。しかし、例えば、過電力状態が規定時間(例えば1分間)を超えて継続した時にスイッチング電源装置46の動作を停止させる、という過電力保護を実現するのは簡単ではない。そこで、第二の制御部48は、デジタルプロセッサが有するカウンタを使用して、時間を考慮した過電力保護を行う。過電力閾値と規定時間は、デジタルプロセッサの制御プログラムの中で簡単に設定することができる。
Next, the second control performed by the
第二の制御部48は、共振電圧信号Sv(2)を分析することによって出力電力Poを検出し、出力電力Poが過電力閾値を超えているかどうか判定する。そして、過電力状態が規定時間を超えて継続すると、第一の制御部32に信号を出力し、第一及び第二のスイッチング素子20,22のスイッチング動作を強制停止させる。したがって、第二の制御部48は、過電力状態が規定時間を超えて継続するとスイッチング動作を停止させる、という時間を考慮した過電力保護を容易に実現することができる。
The
以上説明したように、スイッチング電源装置46によれば、スイッチング電源装置10と同様の作用効果を得ることができ、さらに、スイッチング電源装置10の機能を補完して安全性を向上させたり、スイッチング電源装置10に別の機能を追加したりすることができる。
As explained above, according to the switching
なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の共振電圧信号発生部38(1),38(2)は、2つの信号生成用コンデンサ42a,42bの直列回路であるが、例えば図5に示す共振電圧信号発生部38(3)のように、3つの信号生成用コンデンサ42a,42b,42cの直列回路とし、各接続点から、大きさが異なる共振電圧信号Sv(3H)とSv(3L)を出力する構成にすることも可能である。
Note that the switching power supply device of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the resonant voltage signal generating sections 38(1) and 38(2) described above are a series circuit of two
第一及び第二の制御部が共振電圧信号Svや共振電流信号Siを利用して行う制御の内容は、上記第一及び第二の制御部32,48が行う制御の内容に限定されず、全く異なる別の内容の制御に利用してもよい。
The content of the control performed by the first and second control units using the resonance voltage signal Sv and the resonance current signal Si is not limited to the content of control performed by the first and
図1の共振動作監視回路34の場合、3つの信号(1つの共振電圧信号Svと2つの共振電流信号Si)を出力する構成であり、図4の共振動作監視回路50の場合、5つの信号(2つの共振電圧信号Svと3つの共振電流信号Si)を出力する構成であるが、共振動作監視回路が出力する信号の数は、合計2つ以上であれば、本発明が狙いとする効果が得られる。また、第一及び第二の制御部が制御に必要な信号が共振電圧信号Svだけの場合、共振電流信号発生部は不要であり、第一及び第二制御部32が制御に必要な信号が共振電流信号Svだけの場合は、共振電圧信号発生部は不要である。
The resonance
10,10a~10d,46 スイッチング電源装置
12 入力電源
16 入力ライン
18 グランドライン
20 第一のスイッチング素子
22 第二のスイッチング素子
24 トランス
24a 入力巻線
24b 出力巻線
26 共振用コンデンサ
28 共振用インダクタ
30 整流平滑回路
32 第一の制御部
34,50 共振動作監視回路
36 降圧用コンデンサ
38,38(1),38(2) 共振電圧信号発生部
40,40(1)~40(3) 共振電流信号発生部
42a,42b,42c 信号生成用コンデンサ
44a 分流用コンデンサ
44b 電流電圧変換用コンデンサ
48 第二の制御部
Sv,Sv(1),Sv(2) 共振電圧信号
Si,Si(1)~Si(3) 共振電流信号
10, 10a to 10d, 46 Switching
Sv, Sv(1), Sv(2) Resonant voltage signal
Si, Si(1) to Si(3) resonant current signal
Claims (6)
前記トランス、前記共振用コンデンサ及び前記共振用インダクタによる共振動作を監視する共振動作監視回路が設けられ、前記共振動作監視回路は、一端が前記共振用コンデンサの一端に接続された降圧用コンデンサと、前記降圧用コンデンサの他端と前記グランドラインとの間に接続されたn個(n:自然数)の共振電圧信号発生部と、前記降圧用コンデンサの他端と前記グランドラインとの間に接続されたk個(k:自然数)の共振電流信号発生部とを備え、
前記共振電圧信号発生部は、複数個の信号生成用コンデンサの直列回路で成り、当該直列回路の中の特定の接続点に、前記共振用コンデンサの両端に発生する共振電圧と略相似な波形の電圧を発生させ、この電圧を共振電圧信号として出力するものであり、
前記共振電流信号発生部は、分流用コンデンサと電流電圧変換用抵抗との直列回路で成り、前記分流用コンデンサと前記電流電圧変換用抵抗との接続点に、前記入力巻線に流れる共振電流と略相似な波形の電圧を発生させ、この電圧を共振電流信号として出力するものであり、
前記降圧用コンデンサの容量は、前記共振用コンデンサの容量よりも小さく、前記降圧用コンデンサの他端に発生する電圧が50V以下になるように設定され、前記信号生成用コンデンサ及び前記分流用コンデンサは、耐電圧が50V以下のコンデンサ素子が使用されていることを特徴とするスイッチング電源装置。 An input line and a ground line to which an input voltage is supplied from an input power source, a first switching element whose one end is connected to the input line, and a first switching element connected between the other end of the first switching element and the ground line. a second switching element; a transformer having an input winding and an output winding; one end of the input winding connected to the connection point of the first and second switching elements; a resonant capacitor connected to the other end of the line and the other end connected to the input line or the ground line; a resonant inductor inserted in series and adjacent to the input winding; and the output winding. a current resonance type switching power supply device comprising: a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes a voltage generated in the circuit to generate an output voltage; and a first control section that controls switching operations of the first and second switching elements. In,
A resonant operation monitoring circuit for monitoring resonant operation by the transformer, the resonant capacitor, and the resonant inductor is provided, and the resonant operation monitoring circuit includes a step-down capacitor whose one end is connected to one end of the resonant capacitor; n (n: natural number) resonant voltage signal generators connected between the other end of the step-down capacitor and the ground line; k (k: natural number) resonant current signal generators;
The resonant voltage signal generating section is composed of a series circuit of a plurality of signal generating capacitors, and a waveform approximately similar to the resonant voltage generated across the resonant capacitor is applied to a specific connection point in the series circuit. It generates a voltage and outputs this voltage as a resonant voltage signal.
The resonant current signal generating section is composed of a series circuit of a shunt capacitor and a current-voltage conversion resistor, and a resonant current flowing through the input winding is connected to a connection point between the shunt capacitor and the current-voltage conversion resistor. It generates voltages with approximately similar waveforms and outputs this voltage as a resonant current signal.
The capacitance of the step-down capacitor is smaller than the capacitance of the resonance capacitor, and is set so that the voltage generated at the other end of the step-down capacitor is 50V or less, and the signal generation capacitor and the shunt capacitor are A switching power supply device characterized in that a capacitor element having a withstand voltage of 50V or less is used.
前記トランス、前記共振用コンデンサ及び前記共振用インダクタによる共振動作を監視する共振動作監視回路が設けられ、前記共振動作監視回路は、一端が前記共振用コンデンサの一端に接続された降圧用コンデンサと、前記降圧用コンデンサの他端と前記グランドラインとの間に接続されたn個(n≧2)の共振電圧信号発生部とを備え、
前記共振電圧信号発生部は、複数個の信号生成用コンデンサの直列回路で成り、当該直列回路の中の特定の接続点に、前記共振用コンデンサの両端に発生する共振電圧と略相似な波形の電圧を発生させ、この電圧を共振電圧信号として出力するものであり、
前記降圧用コンデンサの容量は、前記共振用コンデンサの容量よりも小さく、前記降圧用コンデンサの他端に発生する電圧が50V以下になるように設定され、前記信号生成用コンデンサは、耐電圧が50V以下のコンデンサ素子が使用されていることを特徴とするスイッチング電源装置。 An input line and a ground line to which an input voltage is supplied from an input power source, a first switching element whose one end is connected to the input line, and a first switching element connected between the other end of the first switching element and the ground line. a second switching element; a transformer having an input winding and an output winding; one end of the input winding connected to the connection point of the first and second switching elements; a resonant capacitor connected to the other end of the line and the other end connected to the input line or the ground line; a resonant inductor inserted in series and adjacent to the input winding; and the output winding. a current resonance type switching power supply device comprising: a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes a voltage generated in the circuit to generate an output voltage; and a first control section that controls switching operations of the first and second switching elements. In,
A resonant operation monitoring circuit for monitoring resonant operation by the transformer, the resonant capacitor, and the resonant inductor is provided, and the resonant operation monitoring circuit includes a step-down capacitor whose one end is connected to one end of the resonant capacitor; comprising n (n≧2) resonant voltage signal generating units connected between the other end of the step-down capacitor and the ground line;
The resonant voltage signal generating section is composed of a series circuit of a plurality of signal generating capacitors, and a waveform approximately similar to the resonant voltage generated across the resonant capacitor is applied to a specific connection point in the series circuit. It generates a voltage and outputs this voltage as a resonant voltage signal.
The capacitance of the step-down capacitor is smaller than the capacitance of the resonance capacitor, and is set so that the voltage generated at the other end of the step-down capacitor is 50V or less, and the signal generation capacitor has a withstand voltage of 50V. A switching power supply device characterized by using the following capacitor elements.
前記トランス、前記共振用コンデンサ及び前記共振用インダクタによる共振動作を監視する共振動作監視回路が設けられ、前記共振動作監視回路は、一端が前記共振用コンデンサの一端に接続された降圧用コンデンサと、前記降圧用コンデンサの他端と前記グランドラインとの間に接続されたk個(k≧2)の共振電流信号発生部とを備え、
前記共振電流信号発生部は、分流用コンデンサと電流電圧変換用抵抗との直列回路で成り、前記分流用コンデンサと前記電流電圧変換用抵抗との接続点に、前記入力巻線に流れる共振電流と略相似な波形の電圧を発生させ、この電圧を共振電流信号として出力するものであり、
前記降圧用コンデンサの容量は、前記共振用コンデンサの容量よりも小さく、前記降圧用コンデンサの他端に発生する電圧が50V以下になるように設定され、前記分流用コンデンサは、耐電圧が50V以下のコンデンサ素子が使用されていることを特徴とするスイッチング電源装置。 An input line and a ground line to which an input voltage is supplied from an input power source, a first switching element whose one end is connected to the input line, and a first switching element connected between the other end of the first switching element and the ground line. a second switching element; a transformer having an input winding and an output winding; one end of the input winding connected to the connection point of the first and second switching elements; a resonant capacitor connected to the other end of the line and the other end connected to the input line or the ground line; a resonant inductor inserted in series and adjacent to the input winding; and the output winding. a current resonance type switching power supply device comprising: a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes a voltage generated in the circuit to generate an output voltage; and a first control section that controls switching operations of the first and second switching elements. In,
A resonant operation monitoring circuit for monitoring resonant operation by the transformer, the resonant capacitor, and the resonant inductor is provided, and the resonant operation monitoring circuit includes a step-down capacitor whose one end is connected to one end of the resonant capacitor; k (k≧2) resonant current signal generators connected between the other end of the step-down capacitor and the ground line;
The resonant current signal generating section is composed of a series circuit of a shunt capacitor and a current-voltage conversion resistor, and a resonant current flowing through the input winding is connected to a connection point between the shunt capacitor and the current-voltage conversion resistor. It generates voltages with approximately similar waveforms and outputs this voltage as a resonant current signal.
The capacitance of the step-down capacitor is smaller than the capacitance of the resonance capacitor, and is set so that the voltage generated at the other end of the step-down capacitor is 50V or less, and the shunt capacitor has a withstand voltage of 50V or less. A switching power supply device characterized by using a capacitor element of.
前記共振動作監視回路は、前記共振動作に関する複数の信号を発生させ、その中の特定の信号を前記第一の制御部に向けて出力し、その他の信号を前記第二の制御部に向けて出力し、
前記第二の制御部は、前記共振動作監視回路から取得した前記その他の信号を前記デジタルプロセッサで分析し、その分析結果に基づいて、前記第一の制御部の動作を変更させる請求項1乃至5のいずれか記載のスイッチング電源装置。 A second control section equipped with a digital processor that can rewrite the internal control program is provided,
The resonance operation monitoring circuit generates a plurality of signals related to the resonance operation, outputs a specific signal among them toward the first control section, and outputs other signals toward the second control section. output,
The second control section analyzes the other signal acquired from the resonance operation monitoring circuit with the digital processor, and changes the operation of the first control section based on the analysis result. 5. The switching power supply device according to any one of 5.
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