JPH07170731A - 安定化電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スイッチング方式による出力が負荷変動時に
電圧変動することを効果的に押える。 【構成】 電力変換トランスＴ１の１次側に備えたスイ
ッチング作動する電力半導体素子ＴＲ１にＰＷＭ発振回
路ＩＣ１から時比率信号を入力して２次側から制御され
た出力を得る安定化電源装置であって、電力半導体素子
ＴＲ１のソース電流からの検出電圧を演算増幅器ＯＰ２
に入力して負荷電流検出値を出力し、演算増幅器ＯＰ１
は演算増幅器ＯＰ２からの負荷電流検出値と電力変換ト
ランスＴ１に備えた補助巻線に発生する２次側電圧に対
応した電圧検出値とを入力して制御信号をＰＷＭ発振回
路ＩＣ１に出力して電力変換トランスＴ１の１次側へ入
力する時比率信号を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング方式によ
る出力を安定に制御した各種電子機器での使用に好適な
安定化電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種電子機器の電源装置において
は、電力変換効率向上と装置の小型化のため、交流入力
電力を整流して直流電力とし、その直流電力をもとに電
力半導体素子などを用いて断続することで高周波電力に
変換して小型の電力トランスにて電力転送を行い、整流
して直流出力を取り出す所謂スイッチング電源装置が広
く用いられている。

【０００３】このような電源装置では、入力側である交
流電力と、出力側より取り出す低圧直流電力との間に高
周波トランスを用いた電気的な絶縁手段を施すことで安
全性を確保している。

【０００４】上記のような構成の電源装置においては、
一般的に電力制御回路は入力側である１次側におかれる
ので、制御対象である２次側出力電圧を検出するために
は、何等かの電気的絶縁手段を用いる必要があり、その
ための技術として出力電圧検出回路を２次側に置き制御
誤差信号のみを光学的絶縁手段であるホトカプラにより
転送する方法が広く用いられている。

【０００５】しかし、ホトカプラを用いて電気絶縁を行
う方法では、２次側に電圧比較回路を設けることが必須
条件となり、２次側の回路部品の増加とホトカプラ等の
部品が必要となるので、大型の電源装置では殆ど問題に
ならないが、小出力の電源装置では大きくコストアップ
し、且つ小型化を阻害する要因となっていた。

【０００６】そのために、図４に示すような回路が考案
されている。この回路は電界効果トランジスタＴＲ１の
ＭＯＳ−ＦＥＴがオンした時の電力をＴ１のスイッチン
グ電力変換トランスに磁気エネルギーとして蓄積し、ト
ランジスタＴＲ１がオフした時に蓄えられた磁気エネル
ギーを２次側の電力として巻線から取り出す方法であ
り、一般的にフライバックコンバータといわれている方
式である。

【０００７】この方式においてトランスＴ１の１次側に
補助巻線を追加し、その補助巻線からの出力を整流する
ことで電圧制御回路の電源として用いることができる。
またトランスＴ１から補助電源を取る時に補助巻線を２
次側で電力を取り出す出力巻線の極性と同一の極性とす
ることで、補助巻線出力の整流後の直流電圧は、２次側
巻線の整流後の電圧に比例するようになる。これは、ト
ランス巻線を通過する磁束が各巻線でほぼ等しいためで
あり、その結果として２次側出力巻線と同一の極性とす
ることで１次側でも２次側出力電圧にほぼ比例した電圧
が補助巻線に発生する。

【０００８】そのため、補助巻線の整流後の電圧Ｖｓを
電圧比較増幅素子である演算増幅器（ＯＰ−ＡＭＰ）の
ＯＰ１で基準電圧と比較して出力電圧検出フィードバッ
ク電圧Ｖｆｂとして利用し、ホトカプラ等の電気絶縁信
号転送手段を用いることなく２次側出力電圧制御が可能
となり、部品点数の削減ができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにフライバ
ックコンバータ方式を採用してスイッチングトランスの
２次側出力巻線と同一の極性を持った１次側の補助巻線
を用いた電圧検出方法では、回路の簡略化等がはかれる
が、その出力電圧特性としてはほぼ図５に示すようにな
る。

【００１０】図５のように負荷電流Ｉｏの増大と共に出
力電圧Ｖｏが低下してしまうので出力電圧精度が悪く、
出力電圧変動が大きいと不具合が生じる分野では使用で
きなかった。

【００１１】これは、一般的な電気的安全性を高め感電
などの事故を防止するため１次側の巻線と２次側の巻線
とを十分な電気絶縁を施す必要がありトランス内部にお
いて１次側巻線と２次側巻線を物理的に離して配置して
いるため、２次側巻線を通過している磁束と１次側補助
巻線を通っている磁束とをまったく均一にはできないた
めに生ずるもので、原理的解決方法がなく対策はなかっ
た。

【００１２】本発明は、上記従来技術の問題点を解消す
るために成されたもので、スイッチング方式による出力
が負荷変動時に電圧変動することを効果的に押えた安定
化電源装置を提供することを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、本発明に係る
安定化電源装置は、電力変換トランスの１次側に備えた
スイッチング作動する電力半導体素子に時比率信号を入
力して電力変換トランス２次側から制御された出力を得
る安定化電源装置であって、前記電力変換トランスに備
えた補助巻線に発生する２次側電圧に対応した電圧検出
値と前記電力半導体素子に通電される電流の検出値とを
入力して制御信号を演算出力する制御手段と、該制御手
段からの制御信号を入力して時比率信号を制御発振し電
力変換トランスの１次側巻線に入力する時比率信号発振
手段を備えたことを特徴とする構成によって、前記目的
を達成しようとするものである。

【００１４】

【作用】以上の構成により、電力変換トランスに備えた
補助巻線から２次側電圧に対応した電圧検出値が入力で
きるので、この電圧検出値に対応した制御信号を時比率
信号発振手段に入力して時比率信号を制御発振させ、電
力変換トランスの１次側に備えた電力半導体素子に供給
してスイッチングさせ出力することができる。

【００１５】なお、これだけでは負荷変動時の出力電圧
の安定化が不充分なところを、電力半導体素子に通電さ
れる電流の検出値に対応した制御信号を時比率信号発振
手段に入力して制御した時比率信号を電力半導体素子に
供給してスイッチングさせることで、出力の安定化を計
ることができる。

【００１６】そして、本発明は上記両作用を同時に実施
できる制御信号を制御手段によって演算出力し時比率信
号発振手段に入力して時比率信号を制御発振し、電力半
導体素子に供給してスイッチングさせる構成により、負
荷変動時にも出力電圧の安定化を向上させることができ
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明に係る安定化電源装置を実施例
により説明する。

【００１８】（第１実施例）図１は本発明の第１実施例
を示す回路図である。なお、後記実施例及び前記従来例
の回路図（図３及び図４）の同一符号は同一構成部分を
示している。

【００１９】図１において、ＴＲ１はスイッチング素子
のＭＯＳ−ＦＥＴであり、Ｔ１は電圧変換を行う絶縁ト
ランスである。Ｄ１は補助巻線整流用ダイオードであ
り、２次側電圧の検出を兼ねている。Ｃ２は補助巻線の
電圧平滑コンデンサであり、制御回路の電源と出力電圧
検出用電圧源を兼ねている。

【００２０】Ｄ２は出力電流整流ダイオードであり、コ
ンデンサＣ３にてフィルタを構成し直流電圧を出力す
る。Ｒ５は起動抵抗であり、制御回路が動作するまで平
滑コンデンサＣ２に電流を供給しコンデンサＣ２の両端
電圧をＩＣが動作できる電圧まで持ち上げる。

【００２１】ＩＣ１はパルス幅変調（以下、ＰＷＭとい
う）制御回路であり、入力電圧に応じたパルスを発生さ
せＴＲ１のＭＯＳ−ＦＥＴをドライブする。Ｃ１は電源
リップル吸収用の電解コンデンサである。

【００２２】Ｒ１はスイッチング素子ＴＲ１のソース電
流検出抵抗であり、負荷電流検出増幅素子である演算増
幅器ＯＰ２及び抵抗Ｒ７とＲ８とＲ１０によりスイッチ
ング素子ＴＲ１のＭＯＳ−ＦＥＴに流れている電流値を
電圧に変換して電圧検出回路に電流フィードバックを行
う。電圧比較増幅素子である演算増幅器ＯＰ１はツェナ
ーダイオードＺＤ１による基準電圧と抵抗Ｒ２とＲ３に
よる電圧分圧回路からの電圧とＯＰ２の出力を合せ、比
較してＰＷＭ発振回路ＩＣ１にフィードバックを行う。

【００２３】次に動作について説明する。

【００２４】入力端子に入力電圧が印加されると抵抗Ｒ
５から平滑コンデンサＣ２に充電電流が流れコンデンサ
Ｃ２の両端電圧Ｖｓが上昇していく。

【００２５】コンデンサＣ２の電圧が上昇していくとＯ
Ｐ−ＡＭＰのＯＰ１とＯＰ２とＩＣ１によるＰＷＭ制御
回路が動作を開始して電力制御素子ＴＲ１のＭＯＳ−Ｆ
ＥＴのゲートにパルス幅が印加されＴＲ１のＭＯＳ−Ｆ
ＥＴがＯＮ−ＯＦＦしＴ１のスイッチングトランスの１
次巻線にチョッピング電流が流れる。

【００２６】上記により２次巻線の両端にチョッピング
電圧が発生しダイオードＤ２により整流されフィルタＣ
２により平滑され直流電圧となり、出力端子間に電圧Ｖ
ｏが発生し負荷に電力を供給する。その時トランスＴ１
の１次側の補助巻線には、出力電圧の巻線比倍の電圧が
発生し、ダイオードＤ１で整流後、平滑コンデンサＣ２
で平滑して制御回路系の電源Ｖｓとなる。

【００２７】発生した電圧Ｖｓは抵抗Ｒ２とＲ３による
分圧回路からＯＰ１による電圧検出回路に入力され、そ
の誤差信号ＶｆｂがＰＷＭ発振回路であるＩＣ１にフィ
ードバックされ、出力電圧が高いときはパルス幅を狭く
し出力電圧が低いときはパルス幅を広げるように制御す
ることで、出力電圧Ｖｏが安定化される。

【００２８】この回路において、負荷電流Ｉｏが増加す
ると出力電圧Ｖｏがごく僅かに減少し、それにより補助
電源電圧Ｖｓも比例して低下する。電圧比較増幅素子で
あるＯＰ１は、基準電圧に対して検出電圧Ｖｓが低下し
た分だけ出力電圧Ｖｆｂを増加させてＰＷＭ発振制御回
路ＩＣ１にフィードバックする。

【００２９】そのため、ＩＣ１は電力制御素子ＴＲ１を
駆動するＰＷＭ信号を増加させることによりトランスＴ
１に蓄積する電力量を増加させて、出力電圧Ｖｏの低下
を補うように動作するが負荷電流Ｉｏの増加分だけは、
多少出力電圧Ｖｏは低下することになる。

【００３０】しかし、この時ＴＲ１のＭＯＳ−ＦＥＴ
は、ＰＷＭ信号のパルス幅が広がるためドレイン電流も
増加する。このドレイン電流の増加分を抵抗Ｒ１により
検出電流信号Ｖｄに変換し、そのパルス状の電圧波形Ｖ
ｄを抵抗Ｒ１０とコンデンサＣ４で平滑して負荷電流検
出増幅素子であるＯＰ２に入力する。ＯＰ２はドレイン
電流を電圧変換して抵抗Ｒ９とＲ５を介して基準電圧Ｚ
Ｄ１を加えた電位を基準電圧としてＯＰ１に印加する。

【００３１】この電流フィードバック作用により負荷電
流Ｉｏが増加したときはＯＰ１のマイナス端子に入力さ
れる基準電圧を増加させることになる。ＯＰ１のマイナ
ス端子電圧が上昇するとプラス側端子電圧が等しくなる
ようにＯＰ１の出力であるＶｆｂ電圧が制御され、ＩＣ
１のＰＷＭパルス幅が増加して出力電圧Ｖｏも上昇し１
次側補助巻線検出電圧Ｖｓが上昇する。

【００３２】この作用により負荷電流Ｉｏが増加したと
きの出力電圧が低下する量に見合うだけ巻線検出電圧Ｖ
ｓを上昇させて出力電圧を上げる方向に制御される。そ
こで予め負荷電流Ｉｏの増加による電圧低下分とドレイ
ン電流増加による出力電圧上昇分を等しくなるようにＲ
１の電流検出抵抗の抵抗値と電流帰還抵抗Ｒ７及びＲ８
による電流フィードバック量を調整することで、図２の
実施例の各部電圧特性図に示す出力電圧特性となり出力
電圧変動を大幅に減少させることができる。

【００３３】（第２実施例）図３は、本発明の第２実施
例の回路図であり、図１に示す第１実施例の負荷特性改
良回路をＯＰ−ＡＭＰを使用しない方法で実現したもの
である。

【００３４】この第２実施例の回路においては、１次側
補助巻線と電圧検出フィードバック回路を含む制御回路
を接地電位より浮かしてフローティング電位で使用し、
そのマイナス側をＴＲ１のＭＯＳ−ＦＥＴのソースに接
続する。ＴＲ１のソースは抵抗Ｒ１を介して接地されて
いる。

【００３５】このため、負荷電流Ｉｏが少ない時は制御
回路電位は図３に示す電流検出抵抗Ｒ１の電圧降下Ｖｄ
分だけ接地電位より少し高い電圧となり、また負荷電流
Ｉｏが増大すると図３の電流検出抵抗電圧Ｖｄが大きく
なり、その分だけ接地電位よりかなり高くなる。

【００３６】電流検出抵抗Ｒ１の電圧降下分を電流フィ
ードバック抵抗Ｒ８とＲ７により、電圧検出回路のＲ２
とＲ３及びＯＰ１の入力端子に接続したことで、負荷電
流が増大した時は抵抗Ｒ８に流れる電流が増大して抵抗
Ｒ３の電位を引き込み、その分だけ抵抗Ｒ２の電流を増
やすようにＯＰ１が制御するため、補助巻線電圧Ｖｓは
負荷電流に比例して上昇するようになる。

【００３７】この補助巻線電圧Ｖｓの負荷電流Ｉｏによ
る上昇分と、負荷電流Ｉｏの増加分による出力電圧Ｖｏ
の降下量を等しくなるように電流検出抵抗Ｒ１と電流帰
還抵抗Ｒ８とＲ７の抵抗値を調整することで、図２に示
したように負荷電流変動による出力電圧変動を大幅に減
少することができる。

【００３８】なお、電流帰還抵抗Ｒ７とＲ８に追加され
ているＣ４は電流検出抵抗に乗るノイズ成分をバイパス
するコンデンサである。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力変換トランスである絶縁トランスの補助巻線の検出
電圧と電力制御半導体に流れる電流を検出した値とを入
力し演算した結果の制御電圧をＰＷＭ発振制御回路に加
える簡単な構成により、絶縁トランスの２次側出力電圧
の負荷電流に対する電圧特性を改善でき、２次側での電
圧検出手段とフォトカプラ等の電気信号伝達手段が不要
となる。

【００４０】また、電力制御半導体の電流検出手段につ
いては電力半導体自身を保護する目的でも使用されるた
め、最小限の部品追加で負荷特性の改善が可能であり、
スイッチング方式による出力が負荷変動時に電圧変動す
ることを効果的に押えた安定化電源装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施例の回路図である。

【図２】 実施例の各部電圧特性図である。

【図３】 第２実施例の回路図である。

【図４】 従来の電子機器用スイッチング電源装置の回
路図である。

【図５】 従来のスイッチング電源装置の各部電圧特性
図である。

【符号の説明】

Ｃ１ 平滑コンデンサ Ｃ２ 平滑コンデンサ Ｃ３ 平滑コンデンサ Ｃ４ バイパスコンデンサ Ｄ１ 電圧検出用ダイオード Ｄ２ 出力電圧整流ダイオード ＩＣ１ ＰＷＭ発振回路 ＯＰ１ 電圧比較増幅素子 ＯＰ２ 負荷電流検出増幅素子 Ｔ１ 電力変換トランス（絶縁トランス） ＺＤ１ 基準電圧素子 ＴＲ１ 電力半導体素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ，トランジス
タ） Ｒ１ 電流検出抵抗 Ｒ２，Ｒ３ 補助巻線電圧分割抵抗 Ｒ４ ツェナー電流抵抗 Ｒ５，Ｒ６ 誤差増幅量設定抵抗 Ｒ７，Ｒ８ 電流帰還抵抗 Ｒ９ 電流加算抵抗 Ｒ１０ リップル吸収抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力変換トランスの１次側に備えたスイ
   ッチング作動する電力半導体素子に時比率信号を入力し
   て電力変換トランス２次側から制御された出力を得る安
   定化電源装置であって、前記電力変換トランスに備えた
   補助巻線に発生する２次側電圧に対応した電圧検出値と
   前記電力半導体素子に通電される電流の検出値とを入力
   して制御信号を演算出力する制御手段と、該制御手段か
   らの制御信号を入力して時比率信号を制御発振し電力変
   換トランスの１次側巻線に入力する時比率信号発振手段
   を備えたことを特徴とする安定化電源装置。