JPH0619328Y2

JPH0619328Y2 - スイッチング電源

Info

Publication number: JPH0619328Y2
Application number: JP1987160960U
Authority: JP
Inventors: 正己高橋
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1987-10-21
Filing date: 1987-10-21
Publication date: 1994-05-18
Anticipated expiration: 2002-10-21
Also published as: JPH0164990U

Description

【考案の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本考案は、スイッチング電源に関し、電力変換用変圧器
に主巻線とは別に設けられた巻線に生じる電圧を利用し
て、スイッチング素子に強制的なオン、オフ動作による
自励式のスイッチング動作をさせることにより、発振器
を備えない簡単な回路構成で、しかも軽負荷または無負
荷時の直流出力電圧の跳ね上がり現象を防止し得る自励
式フォワードコンバータまたは自励式直流重畳型フライ
バックコンバータが得られるようにしたものである。

〈従来の技術〉スイッチング電源は、メインのスイッチング素子にスイ
ッチング動作をさせる発振回路の構成方法によって、自
励式と他励式とに分けることができる。しかし、他励方
式をとるスイッチング電源では、メインのスイッチング
素子を、別に設けられた発振器によって駆動するため、
多くの回路部品を必要とし、小形で低コストのものを実
現することが困難である。また、自励式としてよく知ら
れているリンギング．チョーク．コンバータ方式のスイ
ッチング電源は、スイッチング素子の利用効率が低く、
小電力用にしか使用できず、ロイヤーのプシュ．プル．
インバータ型スイッチング電源は、片側でのデューティ
が５０％に固定されているため、一次側での電圧制御が
不可能であるという問題点を有している。

このような問題点解決を目的とした従来技術としては、
特開昭６１−２９５８７１号公報に記載されたものが知
られている。この従来技術では、電力変換用変圧器に、
メインのスイッチング素子のオン期間にその制御電極を
正方向にバイアスする第３の巻線を備えさせると共に、
前記スイッチング素子の入力側を短絡して該スイッチン
グ素子をオフさせる第１の駆動回路及び前記スイッチン
グ素子をオンさせる第２の駆動回路を備えることによ
り、発振回路を備えることなく、自励式でスイッチング
動作を継続するようにしてある。

〈考案が解決しようとする問題点〉しかしながら、上述した従来技術では、無負荷時また無
負荷に近い軽負荷時に、直流出力電圧が跳ね上がるとい
う問題点があった。

〈問題点を解決するための手段〉上述する従来の問題点を解決するため、本考案に係るス
イッチング電源は、変圧器と、この変圧器の第１の巻線
を通して与えられる直流入力をオン、オフするスイッチ
ング素子と、前記変圧器の第２の巻線に取出されたスイ
ッチング出力を整流平滑する整流平滑回路とを備えるス
イッチング電源であって、前記スイッチング素子のオン期間にその制御電極を正方
向にバイアスする第３の巻線と、前記変圧器の前記第３の巻線または前記第３の巻線とは
異なる巻線に生じる電圧によって充電される時定数充電
回路、及び、この時定数充電回路の充電電圧が所定値に
なったときにオンし、前記スイッチング素子の入力側を
短絡するトランジスタを備える第１の駆動回路と、前記スイッチング素子がオンしているときに前記第３の
巻線または前記第３の巻線とは異なる巻線に生じる電圧
を整流平滑化して、入力電圧とオン．デューティとに略
比例した直流電圧信号を作り、前記スイッチング素子が
前記第１の駆動回路によってオフにされているとき、前
記直流電圧信号を基準電圧と比較してその比較出力によ
り前記スイッチング素子をオンさせる第２の駆動回路
と、直流出力電圧を監視し、制御信号を前記第２の駆動回路
に与え、前記基準電圧を前記直流出力電圧に応じて制御
し、前記直流出力電圧が一定となるように制御する制御
回路と、前記制御回路から前記第２の駆動回路に与えられる前記
制御信号を監視し、前記制御信号が軽負荷または無負荷
に対応するものであるとき前記第１の駆動回路を前記ス
イッチング素子のオン期間を短くする方向に制御する回
路とを有することを特徴とする。

〈作用〉変圧器の第３の巻線（または第３の巻線とは異なる巻
線）に生じる電圧によって充電される時定数充電回路、
及び、この時定数充電回路の充電電圧が所定値になった
ときにオンし、スイッチング素子の入力側を短絡するト
ランジスタを備える第１の駆動回路と、スイッチング素
子がオンしているときに第３の巻線（または第３の巻線
と異なる巻線）に生じる電圧を整流平滑化して、入力電
圧とオン．デューティとに略比例した直流電圧信号を作
り、スイッチング素子が第１の駆動回路によってオフに
されているとき、直流電圧信号を基準電圧と比較してそ
の比較出力によりスイッチング素子をオンさせる第２の
駆動回路とを有するから、電力変換用変圧器に主巻線と
は別に設けられた巻線に生じる電圧を利用して、スイッ
チング素子に強制的なオン、オフ動作による自励式のス
イッチング動作をさせ、発振器を備えない簡単な回路構
成の自励式フォワードコンバータまたは自励式直流重畳
型フライバックコンバータが得られる。

制御回路は直流出力電圧を監視し、制御信号を第２の駆
動回路に与え、第２の駆動回路に備えられた基準電圧を
直流出力電圧に応じて制御し、前記直流出力電圧が一定
となるように制御する。このため、第２の駆動回路を介
して、出力安定化作用が行なわれる。

制御回路から第２の駆動回路に与えれる制御信号を監視
し、制御信号が軽負荷または無負荷に対応するものであ
るとき、メインのスイッチング素子の入力側を短絡して
該スイッチング素子をオフさせる第１の駆動回路を、ス
イッチング素子のオン期間を短くする方向に制御する回
路を備えるので、軽負荷時または無負荷時の直流出力電
圧の跳ね上がり現象を防止できる。

〈実施例〉第１図は本考案に係るスイッチング電源の電気回路図で
ある。図において、１は電力変換用変圧器、１０１はこ
の変圧器１に備えられた第１の巻線、１０２は同じく第
２の巻線、１０３は同じく第３の巻線である。

２はメインのスイッチング素子である。この実施例では
電界効果トランジスタによって構成されており、ドレイ
ンＤを第１の巻線１０１を介して直流電源（＋Vin）に
接続すると共に、ソースＳをカレントトランス４の巻線
４１を介して直流電源（−Vin）に接続してある。

５は第２の巻線１０２に接続された出力回路である。出
力回路５はダイオード５１、５２、チョークコイル５３
及びコンデンサ５４を備えて構成されたチョークインプ
ット型整流平滑回路となっている。

６はスイッチング素子２の入力側を短絡してオフさせる
第１の駆動回路である。この実施例では、第１の駆動回
路６は、変圧器１に設けられた第３の巻線１０３に生じ
る電圧値に略反比例するオン時間幅を持つようにスイッ
チング素子２をオフさせるようになっている。第３の巻
線１０３の両端に、抵抗６１ａ及びコンデンサ６１ｂよ
りなる時定数充電回路６１を接続すると共に、この時定
数充電回路６１を構成するコンデンサ６１ｂの両端を、
トランジスタ６２のベース．エミッタ間に接続し、トラ
ンジスタ６２のコレクタ及びエミッタを、ダイオード６
３を介して、スイッチング素子２の入力端間に接続して
ある。従って、コンデンサ６１ｂの充電電圧Ｖ_Ｃ１が所
定値になり、トランジスタ６２がオンになると、スイッ
チング素子２の入力側がトランジスタ６２によって短絡
され、スイッチング素子２がオフになる。６４はコンデ
ンサ、６５は抵抗、６６はダイオードである。

７はスイッチング素子２をオンさせる第２の駆動回路で
る。この実施例では、第２の駆動回路７は、第３の巻線
１０３に生じる電圧を整流平滑化して入力電圧とオン．
デューティとに比例した電圧を作り、この電圧を基準電
圧と比較してその比較出力により前記スイッチング素子
をオンさせるようになっている。第３の巻線１０３の一
端に、スイッチング素子２のオン時に第３の巻線１０３
に生じる電圧を整流する第１の整流回路７１及び第２の
整流回路７２を接続してある。第１の整流回路７１の後
段にはその整流出力を平滑化する回路７３を設けてあ
る。回路７３は抵抗７３ａ、コンデンサ７３ｂ及び抵抗
７３ｃで構成されている。また、第２の整流回路７２の
後段には整流出力を平滑化するコンデンサ７４、７５、
及び平滑化された直流電圧から基準電圧を作るツェナー
ダイオードでなる基準電圧源回路７６が接続されてい
る。７７、７８は電圧降下用の抵抗である。

そして、回路７３の直流出力電圧Ｖ_Ｃ２及び基準電圧源
回路７６の基準電圧Ｖ_Ｚ１を比較回路７９に入力し、そ
の比較出力によりスイッチング素子２をオンさせるよう
になっている。この実施例では、比較回路７９はトラン
ジスタで構成し、そのベースに回路７３の直流出力電圧
Ｖ_Ｃ２を与えると共に、エミッタに基準電圧源回路７６
からの基準電圧Ｖ_Ｚ１を与えて比較動作をさせ、その比
較出力を、ダイオード８を通してスイッチング素子２の
ゲートＧに入力するようになっている。

図示は省略したが、第３の巻線１０３とは別の第４の巻
線を設け、この第４の巻線に第２の駆動回路７を接続し
てもよい。

９は過電流保護回路である。過電流保護回路９は、第２
の駆動回路７を構成する基準電圧源回路７６の両端にト
ランジスタ９１のエミッタ．コレクタを接続すると共
に、トランジスタ９１のベースに対し、トランジスタ９
２のコレクタを、ダイオード９３を介して接続し、トラ
ンジスタ９２のベース．エミッタを、ツェナーダイオー
ド９４及びダイオード９５を介して、カレントトランス
４の巻線４２の両端に接続してある。また、トランジス
タ９２のコレクタ．エミッタは、ダイオード９６を介し
て、スイッチング素子２のゲート入力端に接続してあ
る。１０はスイッチング素子２を起動させるための起動
用抵抗、９７〜９９は抵抗である。

１１は制御回路であり、直流出力電圧Ｖ_０を検出し、そ
の検出信号に基づき、直流出力電圧Ｖ_０が一定となるよ
うに制御する。１１ａ、１１ｂはフォトカプラを構成す
る発光素子及び受光素子で、発光素子１１ｂは制御回路
１１に接続し、受光素子１１ａは第２の駆動回路７を構
成する基準電圧源回路７６と並列的に接続し、制御回路
１１の出力制御信号を発光素子１１ｂから受光素子１１
ａに伝送し、基準電圧Ｖ_Ｚ１を出力電圧Ｖ_０に応じて制
御する。これにより比較回路７９に入力される基準電圧
Ｖ_Ｚ１が制御されるから、出力安定化作用が行なわれ
る。

比較回路７９による比較動作は、基準電圧Ｖ_Ｚ１と、回
路７３の直流出力電圧Ｖ_Ｃ２との間の相対的関係によっ
て行なわれるから、基準電圧Ｖ_Ｚ１を可変調整する代り
に、回路７３の直流電圧信号Ｖ_Ｃ２を調整する構成とし
てもよい。例えば、受光素子１１ａを抵抗７３ａと直列
もしくは並列に接続してもよい。

１２は制御回路１１から第２の駆動回路７に入力される
制御信号を監視し、制御信号が軽負荷または無負荷に対
応するものであるとき、第１の駆動回路６を、スイッチ
ング素子２のオン期間を短くする方向に制御する回路で
ある。実施例では、トランジスタ１２１とツェナーダイ
オード１２２とを備えて構成し、トランジスタ１２１の
エミッタを第２の駆動回路７を構成するダイオード７２
のカソード側に接続し、コレクタを第１の駆動回路６の
トランジスタ６２のベースに接続すると共に、ベース
を、ツェナーダイオード１２２を介して、トランジスタ
７９のエミッタに接続してある。

次に上記実施例の動作について説明する。直流入力電圧
（＋Vin、−Vin）が投入されると、起動用抵抗１０を通
してスイッチング素子２のゲートＧの電位が上昇し、ス
イッチング素子２がオンになり、変圧器１の第１の巻線
１０１に電流が流れ、第１の巻線１０１に電圧が誘起
し、第３の巻線１０３に第１の巻線１０１との間の巻数
比に依存した電圧が発生する。第３の巻線１０３に誘起
した電圧は、コンデンサ６４及び抵抗６５を通してスイ
ッチング素子２のゲートＧに加えられ、ゲート電位を上
げる正帰還作用が加わり、スイッチング素子２が急速に
オンとなる。

上述のようにして、スイッチング素子２がオンになる
と、第３の巻線１０３に発生したオン時電圧により、第
１の駆動回路６では、時定数充電回路６１のコンデンサ
６１ｂが抵抗６１ａを通して充電され、その充電端子電
圧Ｖ_Ｃ１が時間と共に上昇して行く。そして、充電端子
電圧Ｖ_Ｃ１がトランジスタ６２のベース．エミッタ間オ
ン電圧Ｖ_ｂｅまで上昇すると、トランジスタ６２がオン
し、スイッチング素子２のゲート．ソース間がトランジ
スタ６２によって短絡され、スイッチング素子２がオフ
となる。ここで、コンデンサ６１ｂの充電端子電圧Ｖ
_Ｃ１は、直流入力電圧（＋Vin、−Vin）が高くなると、
それにつれてオン電圧Ｖ_ｂｅに到達する時間が早くな
り、スイッチング素子２がオフとなるタイミングが早ま
り、オン時間幅が短くなる。反対に、直流入力電圧（＋
Vin、−Vin）が低くなれば、スイッチング素子２がオフ
となるタイミングが遅くなり、オン時間幅が長くなる。
つまり、第１の駆動回路６は、第３の巻線１０３を介し
て与えれられる直流入力電圧（＋Vin、−Vin）に略反比
例するオン時間幅を持つように、スイッチング素子２を
オフ駆動するのである。

一方、スイッチング素子２のオン時に、第２の駆動回路
７では、第３の巻線１０３に誘起した電圧は第２の整流
回路７２によって整流されると共に、抵抗７７、７８に
よって降圧され、更にコンデンサ７５によって直流に変
換され、基準電圧源回路７６によって第２図に示すよう
な一定の基準電圧Ｖ_Ｚ１が得られている。基準電圧源回
路７６の一端はトランジスタ７９のエミッタに接続され
ているので、トランジスタ７９のエミッタは略一定の基
準電圧Ｖ_Ｚ１に保たれている。

これと同時に、第３の巻線１０３に誘起した電圧は第１
の整流回路７１を通して整流され、整流出力が回路７３
によって直流電圧に変換され、第２図に示すような一定
の傾斜で上昇する直流電圧信号が得られる。この場合、
直流電圧信号となるコンデンサ７３ｂの端子電圧Ｖ_Ｃ２
は入力電圧とオン．デューティにほぼ比例した値とな
る。

次に、第１の駆動回路６の動作により、スイッチング素
子２がオフになると、回路７３を構成するコンデンサ７
３ｂに蓄積された電荷が抵抗７３ｃを通して放電され、
端子電圧Ｖ_Ｃ２が第２図に示すように低下して行く。そ
して、端子電圧Ｖ_Ｃ２が基準電圧Ｖ_Ｚ１より低い値にな
ろうとすると、比較回路７９を構成するトランジスタが
オンになり、ダイオード８を通してスイッチング素子２
のゲートＧに電圧が印加されるので、スイッチング素子
２がオンになる。

以上の動作を繰返すことにより、スイッチング素子２が
自励的にオン、オフ動作を継続し、直流入力電圧（＋Vi
n、−Vin）がオン、オフされ、直流重畳型のスイッチン
グ電源として動作する。この場合、第１の駆動回路６に
より、電圧時間積が一定になるようにスイッチング素子
２がオフ制御され、また、第２の駆動回路７により、入
力電圧とオン．デューティとの積が一定になるように、
スイッチング素子２はオン制御される。例えば入力電圧
が２倍になった場合には、オン．デューティが１／２に
なるように制御されるので、入力変動に対して安定した
出力が得られる。

また、直流出力電圧Ｖ_０が変動すると、その変動に対応
した制御信号が制御回路１１から発光素子１１ｂに与え
られ、発光素子１１ｂから受光素子１１ａに伝送され
る。直流出力電圧Ｖ_０が高くなる方向に変化した場合に
は、受光素子１１ａの出力電圧Ｖ_ＣＥが低くなる方向に
変化し、基準電圧Ｖ_Ｚ１が低くなる。この結果、比較回
路７９を構成するトランジスタがオンとなる時期が遅
れ、直流出力電圧Ｖ_０が低くなる方向に制御される。直
流出力電圧Ｖ_０が低くなる方向に変化した場合には逆の
回路作用となる。このようにして比較回路７９に入力さ
れる基準電圧Ｖ_Ｚ１が制御されるから、出力安定化作用
が行なわれる。

次に回路１２の動作について説明する。無負荷または無
負荷に近い軽負荷になると、受光素子１１ａの出力電圧
Ｖ_ＣＥが著しく低くなる。この結果、ツェナーダイオー
ド１２２を接続してある比較回路７９の接続点（イ）の
電位が低下し、ツェナーダイオード１２２及びトランジ
スタ１２１の導通により、トランジスタ１２１のコレク
タを接続したトランジスタ６２のベース入力端である
（ロ）点の電位が上昇し、トランジスタ６２のオン時期
が速くなり、スイッチング素子２のオン期間を短くする
方向に制御される。これにより、軽負荷時の直流出力電
圧Ｖ_０の電圧跳ね上がり現象が抑えられる。回路２１が
ない場合は、無負荷または軽負荷時における直流出力電
圧Ｖ_０の跳ね上がり現象を抑えることができない。

次に過電流保護回路９の動作について説明する。スイッ
チング素子２に流れる電流Ｉ_１が過大になり、カレント
トランス４の巻線４２側に生じる電圧によりツェナーダ
イオード９４が導通すると、トランジスタ９２がオンに
なる。トランジスタ９２がオンになると、ダイオード９
６を介してスイッチング素子２のゲート回路が短絡され
ると同時に、トランジスタ９１がオンになって基準電圧
Ｖ_Ｚ１が低下し、出力が低下する。これにより、過電流
保護作用が得られる。

第３図は本考案に係るスイッチング電源の別の実施例に
おける電気回路図である。図において、第１図と同一の
参照符号は同一性ある構成部分を示している。この実施
例では、第１の駆動回路を構成するトランジスタ６２及
びダイオード６３と並列に、ダイオード１２３及びトラ
ンジスタ１２４を接続し、比較回路７９を構成するトラ
ンジスタのコレクタと、トランジスタ１２４のベース入
力端である（ハ）点との間に、ダイオード１２７を接続
することにより、制御回路１１から第２の駆動回路７に
入力される制御信号が軽負荷また無負荷に対応するもの
であるとき、スイッチング素子２のオン期間を短くする
方向に制御する回路１２を構成してある。

通常は、回路１２を構成するトランジスタ１２４のベー
ス入力端である（ハ）点の電位は、ダイオード１２７に
よって持ち上げられているが、無負荷または軽負荷時に
受光素子１１ａの出力電圧Ｖ_ＣＥが低くなり、比較回路
７９を構成するトランジスタのコレクタ電位が低下する
と、ダイオード１２７が非導通となり、（ハ）点の電位
が低下する。この結果、トランジスタ１２４がオンし、
スイッチング素子２のオン期間を短くする方向に制御さ
れるので、軽負荷時の直流出力電圧Ｖ_０の電圧跳ね上が
り現象が抑えられる。

上記実施例では、自励式フォワードコンバータ型のスイ
ッチング電源を示したが、第４図に示すように、変圧器
１の巻線１０１、１０２の極性を変更すると共に、出力
回路５をダイオード５１及びコンデンサ５４で構成され
るコンデンサインプット型整流平滑回路とすることによ
り、自励式直流重畳型フライバックコンバータ方式のス
イッチング電源を得ることもできる。

〈考案の効果〉以上述べたように、本考案によれば、発振回路を備える
必要がなく、回路構成が簡単で、小形、かつ、安価であ
り、しかも軽負荷時または無負荷時の直流出力電圧の跳
ね上がり現象を防止し得る自励式フォワードコンバータ
方式または自励式直流重畳型フライバックコンバータ方
式のスイッチング電源を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係るスイッチング電源の電気回路図、
第２図はその回路作用を説明する波形図、第３図は本考
案に係るスイッチング電源の他の実施例における電気回
路図、第４図は同じく更に別の実施例における要部の電
気回路図である。１……変圧器、１０１……第１の巻線１０２……第２の巻線１０３……第３の巻線２……スイッチング素子５……出力回路６……第１の駆動回路７……第２の駆動回路

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】変圧器と、この変圧器の第１の巻線を通し
て与えられる直流入力をオン、オフするスイッチング素
子と、前記変圧器の第２の巻線に取出されたスイッチン
グ出力を整流平滑する整流平滑回路とを備えるスイッチ
ング電源であって、前記スイッチング素子のオン期間にその制御電極を正方
向にバイアスする第３の巻線と、前記変圧器の前記第３の巻線または前記第３の巻線とは
異なる巻線に生じる電圧によって充電される時定数充電
回路、及び、この時定数充電回路の充電電圧が所定値に
なったときにオンし、前記スイッチング素子の入力側を
短絡するトランジスタを備える第１の駆動回路と、前記スイッチング素子がオンしているときに前記第３の
巻線または前記第３の巻線とは異なる巻線に生じる電圧
を整流平滑化して、入力電圧とオン．デューティとに略
比例した直流電圧信号を作り、前記スイッチング素子が
前記第１の駆動回路によってオフにされているとき、前
記直流電圧信号を基準電圧と比較してその比較出力によ
り前記スイッチング素子をオンさせる第２の駆動回路
と、直流出力電圧を監視し、制御信号を前記第２の駆動回路
に与え、前記基準電圧を前記直流出力電圧に応じて制御
し、前記直流出力電圧が一定となるように制御する制御
回路と、前記制御回路から前記第２の駆動回路に与えられる前記
制御信号を監視し、前記制御信号が軽負荷または無負荷
に対応するものであるとき前記第１の駆動回路を前記ス
イッチング素子のオン期間を短くする方向に制御する回
路とを有することを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】前記第１の駆動回路は、入力電圧に略反比
例するオン時間幅を持つように前記スイッチング素子を
オフさせる回路でなることを特徴とする実用新案登録請
求の範囲第１項に記載のスイッチング電源。
【請求項３】前記第２の駆動回路は、過電流検出信号に
より前記基準電圧を低下させると共に前記スイッチング
素子をオフさせるよう動作する過電流保護回路を備える
ことを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１に記載の
スイッチング電源。
【請求項４】前記第２の駆動回路は、前記制御回路の制
御信号によって駆動される発光素子に光結合され、か
つ、この発光素子から伝送される制御信号により、前記
基準電圧または前記回路の直流電圧信号出力を、出力電
圧が安定する方向に制御する受光素子を備えることを特
徴とする実用新案登録請求の範囲第１項に記載のスイッ
チング電源。