JPH09230951A - スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リップル電圧を有効に減衰させると共に、回路
構成の簡略化を図る。 【解決手段】電源トランス１２の一次コイル１２ａ側に
スイッチングレギュレータ２２が接続され、その二次コ
イル１２ｂ側と負荷２０との間にリップルフィルタ２４
とシャントレギュレータ３０が接続される。リップルフ
ィルタにて二次コイル側に生成された出力電圧に含まれ
るスイッチング動作に伴うリップル分を減衰させ、残存
したリップル分がシャントレギュレータで除去される。
シャントレギュレータは負荷に対して並列接続された可
変インピーダンス素子（ＦＥＴ）３８と、このＦＥＴを
制御する電圧比較器３２とを有し、電圧比較器にはリッ
プル分と、インピーダンス素子を流れる電流に基づく電
圧（リップル分に相当する）がそれぞれ供給される。シ
ャントレギュレータであるため電力損失が少ない。シャ
ントレギュレータの構成が簡単であるため、電源回路の
規模を縮小できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光磁気ディスク
装置などのように大電流を必要とする電源回路などに適
用して好適なスイッチング電源回路に関する。詳しく
は、電源トランスの二次側に接続された負荷側にリップ
ルフィルタとシャントレギュレータを設け、リップルフ
ィルタの出力側に得られるリップル電圧に対応したリッ
プル電流をシャントレギュレータに流すことによって負
荷側のリップル電圧による電圧変動を除去すると共に、
シャントレギュレータの構成を簡略化して装置の小型化
とコストダウンを図れるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】光磁気ディスク装置などでは光磁気ディ
スクにデータを記録したり、消去したりするときに相当
大きなパワーを必要とするから、データの記録再生系に
使用される電源回路としても大電流を取り扱える電源回
路が使用されている。その電源回路として最近では小
型、軽量化を図る関係でスイッチング電源回路が使用さ
れるようになってきている。

【０００３】図４はこのようなスイッチング電源回路１
０の従来例を示すもので、電源トランス１２を有し、そ
の一次コイル１２ａには端子１４から直流電源が供給さ
れ、この直流電圧が一次コイル１２ａに接続されたスイ
ッチングトランジスタＱによってスイッチングされて、
その二次コイル１２ｂに高圧のスイッチングパルスが生
成される。

【０００４】このスイッチングパルス（電圧）が全波整
流回路１６によって全波整流され、その後コンデンサ１
８によって平滑される。平滑され、直流化された電源電
圧（駆動電圧）が負荷２０に供給される。この駆動電圧
はさらにスイッチングレギュレータ２２に帰還されて、
電源電圧が一定（安定化）するようにスイッチングトラ
ンジスタＱの導通角が制御される。

【０００５】コンデンサ１８は全波整流電圧を平滑化す
る他に、全波整流された電圧のスイッチング動作に伴う
リップル分を減衰させてできるだけ直流化するために設
けられている。

【０００６】このようなスイッチング電源回路１０にあ
って駆動電圧を安定化し、リップル電圧を減衰させる手
段として図４の構成の他に、図５あるいは図６に示すよ
うな構成が知られている。

【０００７】図５は負荷２０の前段にリップルフィルタ
２４を介在させた場合である。リップルフィルタ２４と
しては、図のように一対のコンデンサとコイルで構成さ
れたπ型フィルタが使用される。

【０００８】図６の例は、リップルフィルタ２４の代わ
りにシリーズレギュレータ２６をコンデンサ１８の前段
に設けた場合である。シリーズレギュレータ２６に加わ
るリップル電圧を検出し、そのレベルが小さくなるよう
な負帰還制御によって負荷２０に加わる駆動電圧のリッ
プル分を減衰させるようにしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、負荷２０に
対する電流として比較的大きな電流を必要とする場合、
例えば１０アンペア程度の駆動電流（そのときの駆動電
圧としては５ボルト程度）が必要なときには、上述した
スイッチング電源回路１０に設けられるリップル減衰用
の素子や回路もそれなりの工夫をしなければならない。

【００１０】負荷２０に加える駆動電圧が５Ｖで、その
駆動電流が１０Ａ程度の場合には、負荷のインピーダン
スは０．５Ωとなり、低インピーダンス負荷となるか
ら、図４に示す電源回路１０では、使用されるコンデン
サ１６としては容量が大きく低インピーダンスのものが
必要になる。このようなコンデンサは数千μＦの容量と
なるから、その体積も大きなものとなるので、あまり実
用的ではない。

【００１１】図５に示す電源回路１０にあっては、コイ
ルＬとして大電流用のものを用意しなければならない。
コイルの直流抵抗分が５０mΩであったとしてもコイル
両端での電圧降下は０．５Ｖになるから、ここでの電力
損失（パワーロス)は大凡５Ｗになる。そのためこの電
力損失を考慮して端子１４に印加される電源電圧を上げ
たり、電源トランス１２のコイルターン数を設定したり
しなければならない。装置も大型化する。

【００１２】図６に示す電源回路１０にあってもシリー
ズレギュレータ２６として大電流用のレギュレータが必
要になる他、このレギュレータ２６に設けられた制御ト
ランジスタによる電圧ドロップに伴うパワーロスが発生
する。シリーズレギュレータでは通常制御トランジスタ
による電圧ドロップ分は３Ｖ程度になるから、このとき
のパワーロスは３０Ｗにもなってしまう。その結果、端
子１４に供給される電源電圧を高めるなどの工夫が必要
である。

【００１３】このように従来のスイッチング電源回路１
０の構成では、装置の大型化、パワーロスの発生などの
問題を惹起する。

【００１４】そこで、この発明はこのような従来の課題
を解決したものであって、装置規模の縮小化、小型化を
図ると共にパワーロスの少ない経済性に優れたスイッチ
ング電源回路を提案するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、この発明に係るスイッチング電源回路は、電源トラ
ンスの一次コイル側にスイッチングレギュレータが接続
され、その二次コイル側と負荷との間にリップルフィル
タとシャントレギュレータが接続され、上記リップルフ
ィルタにて上記二次コイル側に生成された出力電圧に含
まれるスイッチング動作に伴うリップル分を減衰させ、
このリップルフィルタで残存した上記リップル分が上記
シャントレギュレータで除去されるようになされると共
に、上記シャントレギュレータは上記負荷に対して並列
接続された可変インピーダンス素子と、このインピーダ
ンス素子を制御する差動アンプとを有し、この差動アン
プには上記リップル分と、上記インピーダンス素子を流
れる電流に基づく電圧がそれぞれ供給されるようになさ
れたことを特徴とする。

【００１６】この発明においては、リップルフィルタで
平滑化された電圧のリップル分を取り除くと共に、この
リップルフィルタで取り除けなかったリップル電圧に伴
うリップル電流をシャントレギュレータに流すことによ
って、負荷側にこのリップル電流が流れないようにした
ものである。

【００１７】このレギュレータによる負帰還動作によっ
て負荷にはリップル電流が流れなくなるため、結果的に
負荷の端子電圧が安定化する。実験によれば、リップル
フィルタの出力段で１００ｍＶ程度発生していたリップ
ル電圧は、５ｍＶ程度まで減衰させることができる。

【００１８】シャントレギュレータとしては単一の電圧
比較器に対し、その入力段にリップル電圧と、帰還され
たリップル電圧をそれぞれ加え、その比較出力で負荷に
並列接続された可変抵抗素子として機能する制御トラン
ジスタを制御する。そのためシャントレギュレータの構
成を著しく簡略化できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】続いて、この発明に係るスイッチ
ング電源回路の一例を上述した光磁気ディスク装置用の
電源回路に適用した場合につき、図面を参照して詳細に
説明する。

【００２０】図１はこの発明に係るスイッチング電源回
路１０の一実施形態を示すもので、スイッチング電源処
理系は図５に示した構成がそのまま踏襲されている。そ
のため、電源トランス１２を有し、その一次側端子１４
には直流であってまだ安定化されていない電源電圧が印
加され、一次コイル１２ａの他方の端子に接続されたス
イッチングトランジスタＱが図２Ａに示すスイッチング
パルスＳＰによってスイッチング制御される。

【００２１】このスイッチング制御によって、二次コイ
ル１２ｂ側には図２Ｂに示すようなパルス電圧が得られ
る。このパルス電圧は一対のダイオードで構成された整
流回路１６によって全波整流され、全波整流された二次
電圧はリップルフィルタ２４によって平滑処理と、リッ
プル電圧分の減衰処理がなされる。主たるリップル電圧
はスイッチングパルスによって発生する電圧リップル分
である。リップルフィルタ２４としては従来例と同様に
コイルＬと一対のコンデンサＣとで構成されたπ型フィ
ルタが使用される。

【００２２】リップルフィルタ２４の出力段ではリップ
ル分が減衰された二次電圧が得られる。この二次電圧が
負荷２０に印加されると共に、この負荷２０に対して並
列接続されたシャントレギュレータ３０に供給される。

【００２３】上述したように負荷２０が１０Ａ程度の大
電流で駆動され、そのとき５Ｖ程度の駆動電圧が必要な
場合には、負荷インピーダンスは０．５Ωとなる。ま
た、リップルフィルタ２４を介在させることによって、
そのコイルＬの出力段に得られる電流は図２Ｃに示すよ
うに数Ａ（９Ａ程度）の直流分に対してそのピーク・ピ
ーク値が数Ａ程度のリップル電流となって得られる。し
たがってコイルＬの出力側に接続されたコンデンサＣの
両端に得られる二次電圧のリップル分（図２Ｄに示すリ
ップル電圧Ｖｃ）は１００ｍＶ程度となることが確認さ
れた。負荷インピーダンスは０．５Ω程度であることか
ら、このリップル電圧によって負荷２０には２００ｍＡ
程度のリップル電流Ｉd(図２Ｅ)が流れることになる。

【００２４】そこで、この発明ではこのリップル電圧に
基づくリップル電流が負荷２０に流れないようにこのリ
ップル電流に相当する電流をシャント電流（図２Ｅ）と
してシャントレギュレータ３０に流す。こうすることに
よって負荷２０にはこのリップル電流が流れなくなるの
で負荷２０の駆動電圧がリップル電圧で変動するのを抑
圧できる。上述した条件では負荷２０の駆動電圧のリッ
プル分は図２Ｆに示すように５ｍＶ程度まで減衰させる
ことができることが確認された。

【００２５】図３はこの発明で使用されるシャントレギ
ュレータ３０の具体例を示す。このシャントレギュレー
タ３０は差動アンプで構成された１個の電圧比較器３２
を有し、出力電圧が直列接続された一対の抵抗器Ｒａ，
Ｒｂよりなる分圧手段３４を介してその＋側端子に印加
される。そして一方の抵抗器Ｒａに接続されたコンデン
サＣａとでハイパスフィルタ３６が構成され、＋側端子
には基準電圧と共にリップル電圧が同時に加わるように
なされている。

【００２６】一方、負荷２０と並列には、可変インピー
ダンス素子として機能するこの例では電界効果トランジ
スタ３８が抵抗器Ｒｃを介して接続され、このトランジ
スタ３８が電圧比較器３２の出力信号で制御されるよう
になされている。

【００２７】電圧比較器３２はリップル電圧を差動で出
力させるために抵抗器Ｒｃによって発生した点ｑの降下
電圧（リップル電流がリップル電圧に変換されたものと
等価）が抵抗器Ｒｄを介して電圧比較器３２のー側端子
に帰還電圧として与えられる。そして、この抵抗器Ｒｄ
と直列接続された抵抗器Ｒｅとの直列回路４０によって
帰還電圧レベルが調整される。抵抗器Ｒｅにはさらに直
流カット用のコンデンサＣｂが接続され、−側端子に点
ｑに得られるリップル電圧が帰還されるようになされて
いる。

【００２８】さて、このように構成されたシャントレギ
ュレータ３０にあって、上述したように負荷２０には５
Ｖの駆動電圧で、１０Ａの駆動電流が流れるときにはそ
の負荷インピーダンスは０．５Ωとなるので、この負荷
２０にもし１００ｍＶのリップル電圧が加わったときに
は、この負荷２０に２００ｍＡのリップル電流が流れる
ことになる。このリップル電流によって駆動電圧が変動
することになるので、リップル電流がこの負荷２０に流
れないようにシャントレギュレータ３０を動作させる。

【００２９】負荷２０にはこれと並列に可変インピーダ
ンス素子として機能するトランジスタ３８が接続され、
これを流れるシャント電流によって点ｑには抵抗器Ｒｃ
によって定まる電圧降下が発生する。シャント電流に伴
うこのリップル電圧が電圧比較器３２に帰還されるの
で、リップル電圧の差動出力によってトランジスタ３８
のインピーダンスが制御される。

【００３０】したがってリップル電圧の差動出力によっ
てトランジスタ３８にはリップル電流に相当するシャン
ト電流が流れるように電圧比較器３２のゲインを調整し
ておけば、リップルフィルタの出力段にリップル電圧が
発生したしたとしても、このリップル電圧に関連したリ
ップル電流はシャント電流となってトランジスタ３８側
に流れ、負荷２０側には流れない。これによってリップ
ル電圧に伴う負荷２０の電圧変動が大幅に抑制される。

【００３１】シャント電流はリップル電圧を基準に設定
すればよいが、実際には負荷２０自信もわずかに変動す
るので、リップル電圧に伴うリップル電流に負荷変動に
伴うリップル電流をも吸収できるように、シャント電流
の値が定められる。実験によると、ほぼ２倍のリップル
電流（実際にはほぼ３６０ｍＡ）が発生し、これを吸収
する必要があるため、実際の回路設計に当たってはこれ
らを考慮して素子定数が定められる。素子定数の一例を
図３に示す。この値を採ったときには点ｐの電圧は０．
８Ｖとなり、したがって点ｑの降下電圧も０．８Ｖとな
るように抵抗器Ｒｃの値が定められる。

【００３２】このようにリップル電圧が負荷２０に印加
されることによって発生するリップル電流がこの負荷２
０を流れないように、リップル電圧に対応した電圧比較
出力でトランジスタ３８のインピーダンスを制御したも
のである。図３のように構成することによって、負荷２
０の電圧変動を５ｍＶ以下に抑えられることが実験によ
って確認された。

【００３３】シャントレギュレータ３０は電圧比較器３
２の入力として、出力電圧を分圧した電圧と、負荷側に
現れるリップル電圧（ＡＣ分）を加え、その比較出力で
可変インピーダンス素子としてのトランジスタ３８を制
御する構成であるので、回路構成が非常に簡単である。
可変インピーダンス素子としては電界効果トランジスタ
に限らず、バイポーラトランジスタなどでもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明では、電源
トランスの二次側と負荷との間にリップルフィルタとシ
ャントレギュレータを設け、このシャントレギュレータ
でリップル電圧に相当するリップル電流をシャント電流
として流すことによって負荷に印加されるリップル電圧
を効果的に減衰させるようにしたものである。さらにこ
のシャントレギュレータを単一の電圧比較器で構成する
ようにしたものである。

【００３５】これによればリップル電圧を効果的に減衰
させることができるので、安定した駆動電圧を負荷に供
給できる特徴に加え、大容量のコンデンサなどが不要に
なるためシャントレギュレータを含めた全体の構成を従
来よりも大幅に簡略化できるようになる。またシリーズ
レギュレータを使用したりするとこのレギュレータによ
ってパワーロスが発生し、それに伴って電源電圧を高め
に設定する必要があるので、電源トランスなどが大型化
するが、この発明ではシャントレギュレータであるため
そのような問題も発生しない。したがってこの発明では
回路構成の簡略化に伴う装置の小型化を達成できるなど
の特徴を有し、上述した光磁気記録再生装置などの電源
回路に適用して極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るスイッチング電源回路の一実施
態様を示す要部の系統図である。

【図２】その動作説明に供する波形図である。

【図３】シャントレギュレータの一例を示す接続図であ
る。

【図４】従来のスイッチング電源回路の系統図（その
１）である。

【図５】従来のスイッチング電源回路の系統図（その
２）である。

【図６】従来のスイッチング電源回路の系統図（その
３）である。

【符号の説明】 １０・・・スイッチング電源回路、２２・・・スイッチ
ングレギュレータ、２４・・・リップルフィルタ、２０
・・・負荷、３０・・・シャントレギュレータ、３２・
・・電圧比較器、３８・・・可変インピーダンス素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源トランスの一次コイル側にスイッチ
   ングレギュレータが接続され、その二次コイル側と負荷
   との間にリップルフィルタとシャントレギュレータが接
   続され、 上記リップルフィルタにて上記二次コイル側に生成され
   た出力電圧に含まれるスイッチング動作に伴うリップル
   分を減衰させ、 このリップルフィルタで残存した上記リップル分が上記
   シャントレギュレータで除去されるようになされると共
   に、 上記シャントレギュレータは上記負荷に対して並列接続
   された可変インピーダンス素子と、このインピーダンス
   素子を制御する差動アンプとを有し、 この差動アンプには上記リップル分と、上記インピーダ
   ンス素子を流れる電流に基づく電圧がそれぞれ供給され
   るようになされたことを特徴とするスイッチング電源回
   路。
2. 【請求項２】 上記差動アンプには基準電圧に上記リッ
   プル分が重畳された電圧が印加されるようになされたこ
   とを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源回路。
3. 【請求項３】 上記基準電圧の生成手段は、上記出力電
   圧を分圧する一対の抵抗器で構成されたことを特徴とす
   る請求項１記載のスイッチング電源回路。