JPH01157270A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はスイッチング電源装置に関する。

（従来の技術） 従来から、各種の電子機器の電源供給手段として、スイ
ッチング電源装置が広く用いられている。スイッチング
電源装置は、スイッチのオンとオフとの時間比を制御す
ることにより、電圧を調整するものであり、昇圧、高圧
を含めた電圧の調整が行われる。上述のスイッチとして
は、たとえばトランジスタなどが用いられ、このトラン
ジスタにおけるスイッチングのオンとオフとの時間比の
制御は、たとえば周波数が一定でスイッチングのオン時
間を可変とするパルス幅制御やスイッチングのオン時間
が一定で周波数を可変とする周波数制御により行われて
いる。

上述のスイッチング電源装置としては、たとえばフォワ
ード方式のスイッチング電源装置がある。

このフォワード方式のスイッチング電源装置においては
、たとえばパルス幅制御が適用されている。

第５図は従来のスイッチング電源装置のパルス幅制御を
説明するための図である。

同図に示したように、スイッチング動作周波数Ｔ１は一
定であり、スイッチングのオン時（すなわちｔｌ、ｔ２
、ｔ３・・・）を変化させることにより、２次側に出力
する電圧を制御する。たとえば、２次側に出力する電圧
を大きくする場合は、オン時間をｔ３のように長くし、
また、電圧を小さくする場合は、オン時間をｔｌのよう
に短くするように制御する。

ところで、このように構成されたスイッチング電源装置
における効率が決まる要因としては、■２次側整流用ダ
イオードの導通損失 ■トランジスタのスイッチング損失および導通損失 ■トランスの銅損と鉄損 がある。

このうちスイッチング周波数によって損失が変化するも
のとしては、トランジスタのスイッチング損失とトラン
スの鉄損が主である。トランスの銅損は交流抵抗（表皮
効果と近接効果）の作用によって周波数の増加とともに
大きくなるが、実用的な周波数範囲では、はぼ一定と見
なすことができる。なお、これらの損失は、スイッチン
グ素子であるトランジスタのデユーティファクタか−・
定である場合に成立つ。

したがって従来のフォワード形のスイッチング電源装置
では、トランジスタのスイッチング時の損失およびトラ
ンスの鉄損が、一定のスイッチング周波数と、トランジ
スタのオン時間ｔｌ　　（最小）〜ｔ３　（最大）とで
定まる効率であった。したがって、負荷において消費さ
れる電力の変動に伴ってトランジスタのオン時間が変動
し、これにより効率が変動するという問題があった。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように、従来のスイッチング電源装置では、負
荷において供給される電圧の変動に伴ってトランジスタ
のオン時間が変化され、これによりスイッチング損失お
よびトランスの損失が影響するため、電源の効率が変化
するという問題があった。

本発明は上述した従来の問題を解決するためのもので、
負荷に供給される電力が変動した場合でも高効率の電源
効率を持続することのできるスイッチング電源装置を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、入力直流をスイッ
チングして所望の電圧に変換し、整流および平滑して負
荷に供給するように構成されたスイッチング電源装置に
おいて、前記負荷に対する出力電圧および出力電流を検
出する電圧・電流検出手段と、前記負荷の高効率の電力
に対応した高効率のスイッチング周波数およびスイッチ
ング動作オン幅の各位の組合せが記憶された記憶手段と
、前記電圧・電流検出手段により検出された電圧値およ
び電流値から前記負荷の現在の消費電力値を求め、この
消費電力値における高効率のスイッチング周波数および
スイッチング動作オン幅の各位の組合せを前記記憶手段
から読出してこれらの値により前記スイッチング動作を
制御する制御手段とを備えたものである。

（作　用） 本発明のスイッチング電源装置では、負荷の現在の消費
電力値を求め、この消費電力値における高効率のスイッ
チング周波数およびスイッチング動作オン幅の各位の組
合せを記憶手段から読出してこれらの値によりスイッチ
ング動作を制御するように構成したので、負荷において
消費′される電力が変動した場合でも高効率の電源効率
を持続することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例のスイッチング電源装置の構
成を説明するための回路図である。

同図において、１はフィルタ、２は整流器、３は整流後
の電圧を蓄積する平滑コンデンサ、４はスイッチング用
のトランジスタ、５はトランジスタ４のオフ時にトラン
スに蓄積されたエネルギを消費するスナバ回路、６はト
ランジスタ４のスイッチング周波数の制御およびパルス
幅変調制御を行うとともに負荷における電力の変動を検
出する制御回路、７は中入力多出力型のトランス、ＲＰ
はトランジスタ４のエミッタ側に接続された抵抗である
。

またＤｌｌ、［）１２、［）２１、Ｃ２２、Ｄｎｌ、［
）ｎ２はトランス７の２次側の整流ダイオード、Ｃ１、
Ｃ２・・・Ｏｎは平滑コンデンサ、Ｌｌ、Ｌ２・・・Ｉ
ｎはトランジスタ４を流れる電流のピーク値を低減する
とともにリップル電圧を低下させるコイル、Ｃ「１、Ｃ
Ｆ２・・・ＣＦｎは負荷側の平滑コンデンサ、ＲＦｌ、
ＲＦ２・・・ＲＦｎは負荷側の抵抗を示す。

上述した制御回路６は、トランジスタ４のペースに駆動
パルスを与えるドライバ８と、駆動パルスを保持するパ
ルスレジスタ９と、制御データおよび後述する負荷に供
給される電力の変動に伴う各電力値における高効率のト
ランジスタ４のスイッチング周波数の値およびトランジ
スタ４のオン時間のパルス幅の値の組合せのデータと制
御プログラムとが予め書込まれているＲＯＭｌ０と、ワ
ークエリアとなるｒｌＭｌｌと、トランジスタ４のスイ
ッチング周波数の制御およびスイッチングオン時間のパ
ルス幅変調の制御を行うマイクロコンピュータ１２と、
負荷に対して出力される電流値および電圧値を２値化デ
ータとして保持する電流・電圧レジスタ１３と、負荷に
対して出力される電流または電圧を２値化データに変換
するＡＤ変換器１４と、上述したトランジスタ４のエミ
ッタに接続された抵抗ＲＰおよびエミッタ電流により発
生するエミッタ電圧の値の入力と負荷にお【プる電圧値
の入力とを切換え可能とされこれらを増幅して△Ｄ変換
器１４に出力する入力切換増幅器１５とからなる。

上述したパルスレジスタ９は、８ビツトであり、ビット
７はＬＳＢとされている。このＬＳＢに（：（、ドライ
バ８が接続されており、ＬＳＢが“ＯＩＩになっている
時間でトランジスタ４のオン時間であるパルス幅を決め
ている。したがってマイクロコンピュータ１２がトラン
ジスタ４をオンさせる場合にこのＬＳＢに０°′を書き
、トランジスタ４をオフするときＬＳＢに“１”を書く
。また入力切換増幅器１５における各電圧の制御信号線
ａによる切換、増幅は、マイクロコンピュータ１２によ
り行われる。

第２図は、損失とスイッチング周波数との関係を示す図
であり、ＰＬはトランスの鉄損、ＰＳｌは最小消費電力
値におけるトランジスタの損失、ＰＳ２は最大消費電力
値におけるトランジスタの損失、ＡはＰＬとＰＳｌとを
合成して得た損失曲線、ＢはＰＬとＰＳ２とを合成して
得た損失曲線を示している。

トランスの鉄１１ｔＰＬは周波数が轟くなるほど小さく
なる特性を示す。トランジスタの損失ＰＳ１、ＰＳ２は
、周波数がｎくなると大きくなる。

モしてＢの特性を示す最大消費電力値のときは、スイッ
チング周波数をｆｌに設定すると損失が少なく効率がよ
く、またＡの特性を示す最小消費電力値のときは、スイ
ッチング周波数をｆ２に設定すると損失が少なく効率が
よい。そして交点■、■を結ぶ線Ｃを基にして各消費電
力値におけるスイッチング周波数（ｆ＋〜ｆ２の間）の
最適の値を得る。

第３図は第２図の結果に基づいて作成した高効率のスイ
ッチング周波数とスイッチングオン時間のパルス幅の値
の組合せであり、これらの値はＲＯＭ１０に記憶させぞ
ある。ＲＯＭｌ０のテーブルは、たとえばＷが４０．５
０．６０．７０Ｗの電力値に対し、■の電圧が４．８．
４．９．５゜０．５．１．５．２■のときのスイッチン
グ周期１／ｆとスイッチングのオン時間であるパルス幅
Ｐが ユ ｆ／Ｐ で記憶されている。そしてＲＯＭｌ０のテーブルは、た
とえば７０Ｗで周期１０μＳ、６０Ｗで８．５μ５１５
０Ｗで７μＳ、４０Ｗで５．５μｓとされ、トランスの
損失およびトランジスタの損失が最小の特性となる埴と
されている。

したがって、ＲＯＭ１０のテーブルの１／ｆは、１０．
８．５．７．５，５（μＳ）の値が入っている。

ここで、Ｐは７０Ｗ、　　５．ＯＶ時、４μｓのパルス
オン幅とすると、Ｗ２ＯでのＰは４．８Ｖ時４．２（μ
Ｓ）、４．９Ｖ時４．１（μｓ）、５．Ｏｖ時４．０＜
μｓ）、５．１Ｖ時３．９（μＳ）、５゜２Ｖ時３．８
（μＳ）となる。

たとえば、Ｗ−６０の時はＰ値は、 １／ｆ周期 １次側トランス巻線数 の上式から、 Ｗ＝６０のとぎ５．０Ｖ−−’　Ｘ　Ｋ８．５ ただしＫは一定 から Ｐ＝　５．Ｏｘ　８．５ｘ１／に＝　５．Ｏｘ　８．５
ｘ４１５０＝　３．４が得られ、 同様ｔ、＝　ｗ　＝　ｅｏ、４．８Ｖ（７）、！：キＰ
＝　３．６．４．９ｖのときＰ＝３．５．５，１Ｖのと
きＰ＝３．３．５．２■のときＰ＝３．２が得られ、他
のＷの値のときの各Ｐ値も同様に決定される。

次にこのように構成されたスイッチング電源装置の動作
について説明する。

この回路においてＡＣｌｏｏＶが投入されると、電流が
フィルタ１を通り整流器２により仝波整流されると、コ
ンデンサ３に約１４０Ｖに対しての電荷が蓄積される。

一方、制御回路６には、動作電圧＋Ｖが印加され、制御
回路６はトランジスタ４のベースにＡンパルスを与えト
ランジスタ４をオンさせる。

このときコンデンサ３の電荷は、Ａ→［３−＝　Ｃ→Ｄ
−→Ｅ−１Ｆ−＋Ｇの方向に電流として流れる。

またトランス７の２次側のそれぞれの出力Ｊ、Ｋ、Ｌに
は、１次＝２次巻線の比の電圧が生じ、ダイオードＤ１
１、Ｃ２１、−Ｄ　ｎｌ、コイルＬ１、Ｌ２・・・Ｉｎ
に電流が流れ、負荷ＲＦＩ、ＲＦ２・・・ＲＦｎに至る
。ここでリップル電流の成分はコンデンサＣ１、Ｃ２・
・・Ｃｎに電荷として蓄積され、それぞれ直流電圧を出
力する。

またトランジスタ４がオフするとトランス７の励磁電流
Ｂ−１Ｃはそのまま流れ続けようとし、このエネルギと
漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギとがスナバ回
路５で消費される。

このときトランス７の各２次回路のコイルＬ１、Ｌ２・
・・Ｌｎに蓄積されたエネルギによって逆起電圧が発生
し、トランジスタ４がオンの期間にコイルＬ１、Ｌ２・
・・Ｉｎに流れていた電流は、ダイオードＤ１２、Ｃ２
２・・・［）ｎ２を介して流れ続け、また負荷ＲＦ１、
ＲＦ２・・・ＲＦｎに至るリップル電流は、コンデンサ
Ｃ１、Ｃ２・・・Ｃｎに電荷として蓄積される。

次に、制御回路６の動作について説明する。

まず、マイクロコンピュータ１２により入力切換増幅器
１５に、−）　５　Ｖのａ−ｂ間の出力電圧が入力され
、また、トランジスタ４のエミッタ電圧（以下、Ｅ電圧
という）が入力される。そしてこれらの値がそれぞれＡ
Ｄ変換器１４に入力されてデジタルデータとして電流・
電圧レジスタ１３にセットされマイクロコンピュータ１
２により読取られ、ＲＡＭＩＩにストアされる。そして
これらの値から現在の負荷における消費電力値が求めら
れる。つまり、Ｅ電圧からトランジスタの電流値が得ら
れ、、この電流値とトランス７の巻数比を乗することに
よって、トランス７の２次側の出力電流を求められ、こ
の電流値と２次側のａ−ｂ聞の電圧値とから、負荷の現
在の消費電力が得られる。

次に第４図のフローチャートを用いて説明する。

まず、上述したＲＡＭ１１に記憶されたＷを読取り、こ
の現在の消費電力値に対応する電力値をＲＯＭ１０のテ
ーブルから読取る（ステップ４０１）。この後、ａ−ｂ
間の電圧値をを読み、ＡＤ変換することにより、デジタ
ルデータで現在の電圧値を得る（ステップ４０２）。そ
して電力値と電圧値とからＲＯＭ１０のテーブルにおけ
るパルス幅のデータＰ値を得る（ステップ４０３）。た
とえば、Ｗ　＝　６０Ｈのとき、＋　５Ｖのａ−ｂ間に
おける出力電圧が４．８Ｖのときは、ＲＯＭテーブルか
らＰ値＝３．６μｓを得る。この後、パルスレジスタ９
に’ＦＥ”ＨＥＸデータを古き、トランジスタ　４をオ
ンさせ（ステップ４０４）、次に、［電圧による電流値
およびａ−ｂ間の電圧値から現在の電力値を計算しＲＡ
Ｍ１１のテーブルにストアする。なお、電力値計亦とＥ
電圧を得るタイミングは、Ｐ値の時間内で、電圧が最大
になるとき行う（ステップ４０５）。これは、トランジ
スタ４のパワーが最大のときであり、正確な電り値を得
るためである。そして、パルスレジスタ９にＦＦ”Ｈ［
ＸデータをＰ値の時間後に７！１りことによりトランジ
スタ４をオフとする（ステップ４０６）。

この後、たとえば（！１られた電力値が６０Ｗ、電圧値
が４．８ｖであったとき、これらの値に対応するスイッ
チング周波数の値１／ｆ＝８．５μｓをＲＯＭ１０のテ
ーブルから読出し、残り時間１／ｆ−Ｐ−８，５μＳ−
３，６μ５＝４９μｓの時間トランジスタ４をオフする
（ステップ４０７）。

そして負荷における消！￥電力に変動があると、上述し
た動作と同様にしてトランジスタ４のスイッチング周波
数の値およびスイッチングのオン時間であるパルス幅の
値がＲＯＭ１０のテーブルから読出されて制御が行われ
る。

なお、上述のＲＯＭ１０のテーブルでは、電力値は、４
０．５０．６０．７０ＷとＩＯＷ単位とし、実際の電力
値は四捨五入してＷの電力値テーブルを使用する。電圧
値も４．８．４．９．５．０．５．１．５．２ｖとし、
得られたａ　−ｂ間の電圧値を四捨五入してこれらの電
圧値のいづれかとするものである。

したがって、マイクロコンピュータ１２は、出力電力に
よりその電力値の最大効率になるスイッチング周波数と
、ぞの時の定電圧化のためのパルスオン幅を決定し、常
に１／ｆとＰとが可変で制御することが可能どなる。

次に、最大効率のスイッチング周波数およびパルス幅を
１！′７るためのスイッチング周波数と損失の関係を前
述した第２図により説明する。

最大効率を得るためには第２図における■から■で周波
数ｆ１〜ｆ２の間の周波数をで使用すればよいことが言
える。

最大消費電力における損失曲線Ｂにおいて、たとえば７
０Ｗのとき１／ｆ＝周ｆｌＪ＝１０μｓ、周波数ｆ　、
　＝　１００ｋｔｆｚとすると、このとき損失は■であ
る。

また、最小消費電力における損失曲線Ａにおいて、たと
えば４０Ｗのとき周期５．５　　／ｌ　３　、　ｆ　２
　＝　１８２ｋＨｚとすると、損失は■となる。たとえ
ばｆｌの状態で４０Ｗ〜７０Ｗを出力すると損失は■か
ら■となり■から■における損失より大きくなる。また
ｆｌの状態で４０〜７０Ｗを出力すると、損失は■から
■となり■から■における損失より大きくなる。したが
って、■から■を結ぶ線Ｃが最大効率を１ワられる値と
なる。

したがって、この実施例では、負荷において消費される
電力が変動しても効率のよいスイッチング周波数および
スイッチングのオン時間のパルス幅値をそれぞれ可変さ
せてスイッチングを行って負荷に出力される電流を制御
するので、従来のスイッチング電源に比べて電源の効率
を大幅に向上させることができる。

また、効率がよいため、各部品を小型のものとすること
ができ、さらに温度上昇を低減させることができ、耐久
性を向上させることも可能である。

なお、本発明は、フォワード方式のスイッチング電源装
置に適用できるのはもちろんであり、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ、フライバック方式のものにも適用することが可能
である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のスイッチング電源１Ａ置は
、負荷の現在の消費電力値を求め、この消費電力値にお
ける高効率のスイッチング周波数およびスイッチング動
作オン幅の８値の組合せを記憶手段から読出してこれら
の値によりスイッチング動作を制御するように構成した
ので、負荷において消費される電力が変動した場合でも
高効率の電源効率を持続することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のスイッチング電源装置の構
成を説明するための回路図、第２図は損失および周波数
の関係を説明するための図、第３図は第１図のＲＯＭテ
ーブルを説明するための図、第４図は第１図の制御回路
における動作を説明するだめのフローチャート、第５図
は従来のスイッチング電源装置におけるパルス幅変調制
御を説明するためのパルスを示す図である。 １・・・フィルタ、２・・・整流器、３・・・平滑コン
デンサ、４・・・トランジスタ、５・・・スナバ回路、
６・・・制御回路、７・・・トランス、８・・・ドライ
バ、９・・・パルスレジスタ、１０・ＲＯＭ、１１　・
ＲＡＭ、１２・・・マイクロコンピュータ、１３・・・
電流・電圧レジスタ、１４・・・ＡＤ変換器、１５・・
・入力切換増幅源。 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力直流をスイッチングして所望の電圧に変換し
   、整流および平滑して負荷に供給するように構成された
   スイッチング電源装置において、前記負荷に対する出力
   電圧および出力電流を検出する電圧・電流検出手段と、
   前記負荷の高効率の電力に対応したスイッチング周波数
   およびスイッチング動作オン幅の各値の組合せが記憶さ
   れた記憶手段と、前記電圧・電流検出手段により検出さ
   れた電圧値および電流値から前記負荷の現在の消費電力
   値を求め、この消費電力値における高効率のスイッチン
   グ周波数およびスイッチング動作オン幅の各値の組合せ
   を前記記憶手段から読出してこれらの値により前記スイ
   ッチング動作を制御する制御手段とを具備したことを特
   徴とするスイッチング電源装置。