JPH089644A

JPH089644A - スイッチングレギュレータ

Info

Publication number: JPH089644A
Application number: JP13998894A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Wachi; 滋明和智
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-06-22
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】迅速な過度応答、力率の改善、小型化及び高
効率化を図り、さらに低電圧にて安定な電力を供給す
る。【構成】電源装置及び整流回路２１からの整流出力が
ローパスフィルタ２２に送られ、スイッチ８の動作時の
スイッチングノイズが取り除かれる。スイッチ８のオン
／オフ動作にて、平滑フィルタ２３に電荷が蓄えられ、
負荷回路１２及び制御回路１３に安定した直流電流が供
給される。制御回路１３は、この直流電流の電圧を検出
し、この検出電圧に帰還したスイッチ８の動作制御を行
う。また、リタンダイオード９は、平滑フィルタ２３の
平滑用コイル１０からの出力の逆流を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流出力から安定した
直流出力を得るスイッチングレギュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年において、スイッチングレギュレー
タを用いた電力制御回路が普及しつつある。スイッチン
グレギュレータは、回路内のスイッチング素子のオン／
オフ動作により生じる出力電圧に応じてスイッチング素
子による動作を制御する方式であるため、大きい電力損
失は発生せず、従来の電力制御回路に比べ効率がよい。
また、スイッチングレギュレータは、入出力間の絶縁を
する場合に高周波トランスを用いることが可能であるた
め、商用周波数トランスを用いる従来の電力制御回路よ
り、容積や重量を１／４から１／５にすることを可能と
する。従って、スイッチングレギュレータは、小型化と
高効率化を要求する電源装置に用いられる。

【０００３】ここで図５に、スイッチングレギュレータ
の一例を示す。図５において、電源装置８１からの入力
電流が、ダイオード８４、８５、８６及び８７で形成さ
れるダイオードブリッジ型全波整流器で全波整流され、
この全波整流器と並列に接続されたコンデンサ８８に
て、出力端子８９及び９０に直流電流が出力される。ま
た、上記全波整流器の交流入力側には、コイル８２と抵
抗８３との直列接続が挿入接続されている。

【０００４】また、図６に昇圧式スイッチングレギュレ
ータの一例を示す。図６において、電源装置１０１から
の交流電流が、ダイオード１０２、１０３、１０４及び
１０５から形成されるダイオードブリッジ型全波整流器
で全波整流される。この昇圧型スイッチングレギュレー
タは、整流後の脈流電流をスイッチ１０７によってオン
／オフする。このスイッチ１０７に直列に接続したコイ
ル１０８に蓄積されるエネルギは、入出力検出及び制御
部１０６によって調整され、ダイオード１１０を経由し
て、出力端子１１１と１１２に直流電力を供給する。

【０００５】図５及び図６に示されたスイッチングレギ
ュレータはともに、一次の整流回路の後に大容量のコン
デンサが接続され、このコンデンサに整流出力が蓄えら
れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術でスイッチ
ングレギュレータの例として挙げた図５に示された回路
では、挿入されたコイルのインダクタンスを大きくとる
必要があり高価であること、及び抵抗を挿入するため電
力損失が発生することが問題になる。また、図６で示さ
れた昇圧回路型スイッチングレギュレータでは、入力電
圧より高い電圧が得られるという昇圧回路の性質の関係
上、交流出力より低電力での一次整流出力は期待できな
い。

【０００７】そこで、本発明は上述したような実情に鑑
みてなされたものであり、迅速な過度応答、有効電力量
と皮相電力量の比、すなわち力率の改善、小型化、及び
高効率化が図れ、さらに低電圧にて安定な電力の供給が
可能である、スイッチングレギュレータを提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るスイッチン
グレギュレータは、上述の課題を解決するために、交流
入力を整流するダイオードブリッジ等の整流回路にて整
流された整流出力の一対の端子に接続されるローパスフ
ィルタと、このローパスフィルタの出力端子の一方に直
列に挿入接続されるトランジスタから成るスイッチング
素子と、このスイッチング素子と上記ローパスフィルタ
の端子の他方との間に接続されるリタンダイオードと、
このリタンダイオードの一対の端子に接続される平滑フ
ィルタと、この平滑フィルタから負荷に供給される電圧
を検出して、この検出電圧に基づき上記スイッチング素
子の動作を制御する制御回路を有する。

【０００９】また、上記ローパスフィルタは、上記整流
回路にて整流された整流出力の端子の一方に挿入接続さ
れるコイルと、このコイルと上記整流出力端子の他方と
の間に接続されるコンデンサとから構成されることが挙
げられる。

【００１０】また、上記平滑フィルタは、上記ダイオー
ドの出力端子の一方に直列に挿入接続されるコイルと、
このコイルと上記ダイオードの他方との間に接続される
平滑コンデンサとから構成されることが挙げられる。

【００１１】また、上記制御回路は、パルス幅変調回路
のようなパルス変調回路であることが好ましい。

【００１２】

【作用】本発明に係るスイッチングレギュレータによれ
ば、入力電源内にて整流手段で整流された脈流電流が、
ローパスフィルタに出力され、ローパスフィルタで高周
波電流等のスイッチング素子の動作によるスイッチング
ノイズが取り除かれ、整流手段の発熱が防止される。平
滑フィルタにより、スイッチング素子のオン／オフの動
作により発生するリプルが低減され、出力端子に安定し
た直流電流が供給される。また、リタンダイオードは、
スイッチング素子がオフ動作のとき、平滑フィルタの平
滑用コイルに蓄積された電荷の逆流を防止する。

【００１３】また、上記スイッチング素子のオン／オフ
動作は、制御回路にて平滑フィルタを通過した直流電流
の電圧が検出され、この検出電圧を基にパルス幅変調回
路等のパルス変調回路から上記スイッチング素子に送ら
れる信号に帰還して制御される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明に係るスイッチングレギュレー
タの実施例について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００１５】図１は、本発明に係るスイッチングレギュ
レータの一実施例の概略を示すブロック回路である。

【００１６】先ず、図１で示されるスイッチングレギュ
レータ２０の構成を説明する。電源装置及び整流回路２
１からの整流直後の脈流電流がローパスフィルタ２２に
送られて、ここでスイッチ８の動作時のスイッチングノ
イズが取り除かれる。また、スイッチ８のオン／オフ動
作にて、平滑フィルタ２３に電荷が蓄えられ、負荷回路
１２及び制御回路１３に安定した直流電力が供給され
る。制御回路１３では出力電力が検出され、この検出電
圧に帰還したスイッチ８の動作制御が行われる。また、
リタンダイオード９は、平滑フィルタ２３の平滑用コイ
ルからの電荷の逆流を防止する。

【００１７】次に、スイッチングレギュレータ２０の動
作説明をする。電流装置及び整流回路２１は、交流電源
装置１とダイオード２、３、４及び５にて形成されるダ
イオードブリッジまたは整流回路２４とから成る。先
ず、交流電源装置１から交流入力電流が整流回路２４に
供給される。供給された交流入力電流は、整流回路２４
により整流され、この整流直後の脈流電流はローパスフ
ィルタ２２に供給される。

【００１８】続いて、ローパスフィルタ２２について説
明する。ローパスフィルタ２２は、整流出力端子Ｐ１に
接続されるコイル６の一方の端子が接続され、このコイ
ル６の他方の端子と整流回路２４の他方の端子Ｐ２との
間にコンデンサ７が接続されて形成される受動フィルタ
である。このローパスフィルタ２２は、スイッチ８のス
イッチング動作により、高周波電流がダイオード２、
３、４及び５に流れてスピードの遅い通常の交流電流を
整流するのにダイオードを使ったときに発生する発熱を
防止するためのフィルタである。但し、コンデンサ７の
容量は、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用電源に対して
はその電流値が無視され得る程度小さく設定される。

【００１９】スイッチ８は、整流後の脈流電流をオン／
オフするスイッチング素子である。なお、後述するよう
に、スイッチ８の動作は、制御回路１３により制御され
る。

【００２０】続いて、リタンダイオード９及び平滑フィ
ルタ２３について説明する。リタンダイオード９のカソ
ードはスイッチ８、すなわち端子Ｐ３に、アノードは整
流出力端子Ｐ２にそれぞれ接続される。これにより、電
流の向きが端子Ｐ３から端子Ｐ２方向に限定される。ま
た、平滑フィルタ２３は、スイッチ８及びリタンダイオ
ード９のカソードに接続される平滑用コイル１０の一方
の端子が接続され、この平滑用コイル１０の他方の端子
と整流回路２４の整流出力端子Ｐ２との間に平滑コンデ
ンサ１１が接続されて形成される受動フィルタである。
このリタンダイオード９は、スイッチ８のオン動作時に
平滑用コイル１０に蓄積された電荷を、スイッチ８のオ
フ動作時に放出する通路を得るためのダイオードであ
る。また、平滑フィルタ２３は、スイッチ８のオン／オ
フ動作で生じるリプルを低減するためのフィルタであ
る。なお、平滑コンデンサ１１の容量は、交流出力側、
すなわちスイッチ８側から電流が供給されないときでも
充分な電圧を保持できるように設定される。

【００２１】続いて、制御回路１３について説明する。
制御回路１３は、パルス幅変調回路である。ここでは、
出力端子１４から送られる直流電流の電圧ｖ₂が検出さ
れ、この電圧ｖ₂と制御回路１３内の基準電圧とを比較
して、この差を基にパルス幅を変えることで、スイッチ
８のスイッチング動作のオン及びオフの制御が行われ
る。ここでいう「パルス幅」とは、スイッチ８のオン時
間をいう。制御回路の動作原理は、第二の実施例にて詳
細に説明する。

【００２２】ここで、図２のｖ₀は、交流電源装置１で
発生した直後の交流入力電流の電圧ｖ₀の時間変化、す
なわちＥ₀＝Ｅ*ｓｉｎωｔを表す図で、図２のｉ₀は、
このときの交流入力電流ｉ₀の時間変化、すなわちＩ₀＝
Ｐ／（Ｅ*ｓｉｎωｔ）を表す図である。図２のｖ₁は、
整流直後の脈流電流の電圧ｖ₂の時間変化、すなわちＥ ₁
＝｜Ｅ*ｓｉｎωｔ｜を表す図である。また、図２のｉ₁
は、スイッチ８のオン／オフ動作のようすを、スイッチ
８での電流ｉ₁の時間変化で表した図である。そのパル
ス幅は、ｋ*Ｐ／（Ｅ*ｓｉｎωｔ）で表される。図２の
ｖ₂は平滑フィルタ２３を通過した直後の直流電流の電
圧ｖ₂の時間変化を表し、図２のｉ₂は、平滑フィルタ２
３にて出力される直流電流ｉ₂の時間変化を表す図であ
る。なお、縦軸は電圧（Ｖ）あるいは電流（Ａ）であ
り、横軸は時間（ｔ）である。また、Ｅは振幅を、ωは
角速度を、Ｐは電力量を表す。

【００２３】図２で、交流出力電流が、整流回路２４に
て全波整流された後、ローパスフィルタ２２にて高周波
出力電流部分がカットされ、スイッチ８と平滑フィルタ
２３を介し、ほぼ安定した直流出力に変換されることが
わかる。従来のコンデンサ挿入型のスイッチングレギュ
レータと比較し、電流を利用する時間が長くなり力率が
改善され、高周波電流の発生が少なくなる。

【００２４】図３は、本発明に係るスイッチングレギュ
レータの第二の実施例である。

【００２５】図３において、図１に示された第一の実施
例のスイッチングレギュレータ２０と同様のスイッチン
グレギュレータ３０が示されているが、こちらは図１に
おけるスイッチ８及び制御回路１３が、具体的に示され
ている。ここでは、この制御回路について詳しく説明す
る。

【００２６】交流入力電流が整流され２種のフィルタを
介して得られた直流電流が、制御回路入力端子３１より
演算増幅器４２に供給される。この電流の電圧と定電圧
ダイオード４１にて生じる基準電圧との差が、演算増幅
器４２により増幅され、第二のスイッチング素子である
電界効果トランジスタまたはＦＥＴ４３のゲート部位へ
増幅出力信号として供給される。

【００２７】なお、演算増幅器４２は、定電圧コンデン
サ４１より供給される基準電圧の出力を電源として動作
する。

【００２８】次に、ＦＥＴ４３では、ゲートに増幅出力
信号が印加されることでＦＥＴ４３のソースとドレイン
間の抵抗が変化し、負荷素子４８を通過する電流が制御
される。すなわち得られる直流電流の電圧が減少する
と、ＦＥＴ４３の抵抗が増加して、負荷素子４８を通過
する電流が増大する。この直流電流の電圧制御は、後述
するスイッチングトランジスタ４０の動作を制御するこ
とで達成される。

【００２９】また、ＦＥＴ４３の接続点である端子Ｐ１
２と整流回路２４の端子Ｐ１４との間に、ダイオード４
４が接続される。このダイオード４４は、演算増幅器４
２、演算増幅器４５及びコンパレータ４６が動作するよ
うに設置されている。

【００３０】整流回路２４の整流出力端子Ｐ１からの整
流直後の脈流電流の電圧が端子Ｐ１１を介して、また整
流直後の脈流電流にローパスフィルタ及び平滑フィルタ
をかけた後得られる直流電流の出力電圧が端子Ｐ１３を
介して演算増幅器４５に供給される。演算増幅器４５
は、上記２つの出力電圧差をとって増幅し、コンパレー
タ５０に増幅出力信号を供給する。また、コンパレータ
４６では、発振回路４７から供給される振動波と演算増
幅器４５からの増幅出力信号とからパルス幅変調波を発
生させ、このパルス幅変調波をスイッチングトランジス
タ４０に供給する。

【００３１】なお、演算増幅器４５、コンパレータ４６
及び発振回路４７は、定電圧コンデンサ４１にて供給さ
れる基準電圧の出力を電源にして動作する。

【００３２】スイッチングトランジスタ４０は、コンパ
レータ４６から供給されるパルス幅変調波に応じてスイ
ッチ動作のオン／オフを行う。この動作により、平滑フ
ィルタを通して得られる直流電流の電圧の制御が行われ
る。

【００３３】図４のＡは端子Ｐ１及び端子Ｐ１１、図４
のＢは制御回路入力端子３１及び端子Ｐ１３における電
圧の時間変化を表す図である。縦軸は電圧（Ｖ）で、横
軸は時間（ｔ）である。

【００３４】図４において、曲線６１は、整流直後の脈
流電流の電圧の時間変化を表す。曲線６３は、制御回路
入力端子３１における整流直後の脈流電流に２種のフィ
ルタをかけて得られた直流電流の電圧の時間変化であ
り、この電圧は一定であることを表す。また、曲線６２
は、端子Ｐ１１での電圧の時間変化である。曲線６２
は、曲線６１と同様の波形を示すが、振幅は曲線６２の
方が小さい。また、曲線６２の振幅は、ＦＥＴ４３の負
荷が増加すると、ベクトルｄの方向に増加する。ま
た、曲線６４は端子Ｐ１３における電圧の時間変化を表
し、この曲線は、曲線６１と曲線６３とが重なる時間範
囲で電圧が生じることを表し、この時間範囲内にて、電
圧が発生してしばらく電圧は増加を示し、最大に達した
ところで電圧は減少し電圧が消滅することを表す。

【００３５】本実施例では、整流回路としてダイオード
ブリッジ型整流回路を用いたが、これに限定されること
はなく、他の整流手段を用いてもよい。

【００３６】また、ローパスフィルタあるいは平滑フィ
ルタとして、コイルとコンデンサの組み合わせの受動フ
ィルタを用いたが、こちらもこれに限定されることはな
く、能動フィルタと用いても同様の効果を得ることが可
能である。

【００３７】スイッチング素子として、トランジスタを
用いたが、他のスイッチング手段を用いてもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上、説明したように本発明に係るスイ
ッチングレギュレータによれば、入力電源内で交流電流
を整流手段を用いて整流して得られた脈流電流をスイッ
チングレギュレータに作用させると、スイッチング手段
の動作で生じるスイッチングノイズである高周波電流が
取り除かれて、入力電源内の発熱が抑えられ、さらにス
イッチング手段の動作で生じるリプルが低減され、安定
した電力の供給ができる。さらに、従来のスイッチング
レギュレータと比較して、電流の使用時間が長くなるた
め、力率が改善され、さらに高効率の低電圧スイッチン
グレギュレータの実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスイッチングレギュレータの第一
の実施例の構成を示す回路図である。

【図２】第一の実施例のスイッチングレギュレータで得
られる各出力電圧及び出力電流の時間変化を表す図であ
る。

【図３】本発明に係るスイッチングレギュレータの第二
の実施例の構成を示す回路図である。

【図４】第二の実施例のスイッチングレギュレータの各
点における出力電圧の時間変化を表す図である。

【図５】従来のスイッチングレギュレータの電源部の一
例の概略を表す回路図である。

【図６】従来の昇圧回路型スイッチングレギュレータの
一例の概略を表す回路図である。

【符号の説明】

１交流電源装置２〜５ダイオード６コイル７コンデンサ８スイッチ９リタンダイオード１０平滑用コイル１１平滑コンデンサ１３制御回路２１電源装置及び整流回路２２ローパスフィルタ２３平滑フィルタ２４整流回路４０スイッチングトランジスタ４１定電圧ダイオード４２演算増幅器４３ＦＥＴ４４ダイオード４５演算増幅器４６コンパレータ４７発振回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力電源を安定した直流出力に変換する
スイッチングレギュレータにおいて、一対の入力端子に接続されるローパスフィルタと、上記ローパスフィルタの出力端子の一方に直列に挿入接
続されるスイッチング手段と、上記スイッチング手段と上記ローパスフィルタの出力端
子の他方との間に接続されるダイオードと、上記ダイオードの一対の端子に接続される平滑フィルタ
と、上記平滑フィルタから負荷に供給される電圧を検出し
て、この検出電圧に基づき上記スイッチング手段の動作
を制御する制御手段とを有することを特徴とするスイッ
チングレギュレータ。
【請求項２】上記ローパスフィルタは、上記整流手段にて整流された整流出力端子の一方に直列
に挿入接続されるコイルと、上記コイルと上記整流出力端子の他方との間に接続され
るコンデンサとから構成されることを特徴とする請求項
１記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項３】上記平滑フィルタは、上記ダイオードの出力端子の一方に直列に挿入接続され
るコイルと、上記コイルと上記ダイオードの出力端子の他方との間に
接続される平滑コンデンサとから構成されることを特徴
とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項４】上記制御手段は、パルス変調回路を有す
ることを特徴とする請求項１記のスイッチングレギュレ
ータ。