JPH09233810A - スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大電流を取り扱える低電力損失のスイッチング
電源回路を提案する。 【解決手段】電源トランス１２の一次側にスイッチング
レギュレータ１８が設けられ、その二次側には整流・平
滑回路２０が設けられ、整流および平滑された出力電流
がシリーズレギュレータ３０を介して大きな負荷電流を
要する負荷２４に供給される。シリーズレギュレータ３
０の可変インピーダンス素子として使用されるスイッチ
ング素子４１として、低電圧、低抵抗で大電流を扱える
パワーＦＥＴが使用される。スイッチング素子４１低抵
抗素子であるため、大きな電流を流してもそのときの電
圧ドロップ分が少なく、これによって電力損失が大幅に
軽減され、低損失の電源回路を実現できる。

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きな電流を取り扱うことが必要な電
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
荷側にシリーズレギュレータを設け、その可変インピー
ダンス素子として低電圧、低抵抗、大電流を取り扱える
スイッチング素子を使用することによって、大電流を取
り扱う負荷を低損失で安定化でき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（直流化
された電圧）が供給され、この直流電圧が一次コイル１
２ａに接続されたスイッチングトランジスタ１６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）が整流平
滑回路２０によって全波整流されたのち平滑される。平
滑され、直流化された出力電圧（駆動電圧）が負荷２４
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１８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１６の導通角が制
御される。

【０００５】整流平滑回路２０と負荷２４との間にはシ
リーズレギュレータ３０が設けられる。このシリーズレ
ギュレータ３０は、端子１４に供給される直流電圧であ
って、この直流成分に残存する直流化したときのＡＣリ
ップル分や、スイッチング動作によって発生するスイッ
チングリップル分を減衰させ、負荷２４の端子電圧が変
動しないようにするために設けられている。

【０００６】シリーズレギュレータ３０は周知のように
負荷２４に直列接続された可変インピーダンス素子とし
てのトランジスタ３２を有し、そのエミッタ側（負荷
側）の出力電圧が一対の抵抗器３４ａ，３４ｂで構成さ
れた電圧検出手段３４によって検出され、その検出電圧
が基準電圧３６と共に差動アンプ３８に供給される。差
動出力はトランジスタ３２に対する制御電圧として帰還
される。負荷２４に印加される電圧の変動が最小となる
ようにトランジスタ３２が制御される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したシ
リーズレギュレータ３０ではその入力段の出力電圧を負
荷２４と直列接続されたトランジスタ子３２で電圧ドロ
ップさせることによって、負荷２４の端子電圧を一定の
駆動電圧となるように制御している。この電圧ドロップ
は図５に示すように通常３ボルト程度であるので、負荷
２４の端子電圧が５Ｖで、負荷電流として２Ａ程度の電
流を流すときには、このトランジスタ３２での電力損失
は６Ｗ程度になり、電力損失を無視する訳にはいかな
い。

【０００８】シリーズレギュレータの中には、電圧ドロ
ップが０．５Ｖ程度に抑えることができる低ドロップ型
シリーズレギュレータも知られている。しかし、このよ
うな低損失のシリーズレギュレータは扱える出力電流が
非常に小さいので、上述したような負荷電流とするため
には、同様構成のスイッチング電源回路を複数用意し
て、負荷２４を並列駆動しなければ、必要な負荷電流を
賄うことができない。そのためこのような低損失のシリ
ーズレギュレータを使用すると、回路規模が複雑化して
しまう。

【０００９】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、回路規模の縮小化を図りなが
ら、電力損失の少ないスイッチング電源回路を提案する
ものである。

【００１０】

【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
ンスの一次側にスイッチングレギュレータが設けられ、
その二次側には整流・平滑回路が設けられ、整流および
平滑された出力電流がシリーズレギュレータを介して大
きな負荷電流を要する負荷に供給されると共に、上記シ
リーズレギュレータの可変インピーダンス素子として、
低電圧、低抵抗で大電流を扱えるスイッチング素子が使
用されて、大電流負荷を低損失で安定化できるようにし
たことを特徴とする。

【００１１】負荷と直列にシリーズレギュレータが接続
される。このレギュレータを構成する可変インピーダン
ス素子が負荷と直列接続される。インピーダンス素子と
しては低電圧、低抵抗、大電流を取り扱うことのできる
電力トランジスタであるＦＥＴが使用される。

【００１２】このＦＥＴは大きな電流を取り扱うことが
できるから、負荷電流が数Ａ程度の負荷でも問題なく使
用できる。ＦＥＴのオン抵抗は数１０ｍΩであるため、
ここに２Ａ程度の負荷電流を流してもその電力損失は数
１０ｍＷである。従来例から比べると無視できる程度の
電力損失となる。ＦＥＴが低抵抗素子であるため、ドレ
イン・ソース間の電位差も極くわずかになって、端子１
４に与える直流化された電圧の値も負荷の端子電圧より
僅かに大きいだけでよい。これによって電源トランスの
規模も小さくなる。

【００１３】

【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
電源回路などに適用した場合につき、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１４】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４に示した基本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１６が数１０ＫＨｚから
数１００ＫＨｚのスイッチングパルスによってスイッチ
ング制御される。

【００１５】このスイッチング制御によって、二次コイ
ル１２ｂ側には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と、コンデンサで構成された整流・
平滑回路２０によって全波整流され、全波整流された二
次電圧がさらに平滑処理される。

【００１６】整流・平滑回路２０で得られた二次電圧は
負荷２４にその駆動電圧として印加され、さらにこの負
荷２４の両端電圧である駆動電圧がスイッチングレギュ
レータ１８に負帰還され、二次電圧の安定化が図られ
る。

【００１７】この発明では負荷２４と直列にシリーズレ
ギュレータ３０が接続される。シリーズレギュレータ３
０は可変インピーダンス素子としてのスイッチング素子
４１が負荷２４と直列接続され、その出力段（負荷２４
側）の電圧が負荷２４に印加される。スイッチング素子
４１の入力段に印加される二次電圧は直列接続された一
対の抵抗器４２ａ，４２ｂで構成された基準電圧手段４
２で分圧され、その分圧電圧が基準電圧としてハイゲイ
ンのオペアンプ４４の＋端子（非反転端子）に加えられ
る。そしてその−端子（反転端子）にスイッチング素子
４１の出力電圧が供給される。つまり、この出力電圧は
スイッチング素子４１と負荷２４の直列回路に印加され
る電圧を分圧した電圧となる。オペアンプ４４の電源電
圧は二次電圧よりも高い電圧が使用される。

【００１８】基準電圧発生用の抵抗器４２ａにはコンデ
ンサ４２ｃが接続され、これらによってローパスフィル
タ４６が形成される。ローパスフィルタ４６は二次電圧
に含まれるリップル分（ＡＣリップル分と、スイッチン
グリップル分）がスイッチング素子４１を介して負荷２
４側に伝達されないようにするために設けられている。
スイッチング周波数は数１０ＫＨｚから数１００ＫＨｚ
であるため、ローパスフィルタ４６のカットオフ周波数
を１ＫＨｚ程度に設定しておくことによって（図２の定
数参照）、上述したリップル分をフィルタリングするこ
とができる。

【００１９】可変インピーダンス素子４１としてこの発
明では低電圧、低抵抗であって大電流を取り扱うことの
できる素子が使用され、本例ではパワーＦＥＴ（例え
ば、ＭＴＤ２０Ｎ０３ＨＤＬ）が用いられる。パワーＦ
ＥＴを使用する場合、そのドレインが負荷２４側となる
ように接続され、オペアンプ４４の出力がゲートに加わ
る。

【００２０】このパワーＦＥＴ４１は周知のようにその
オン抵抗の最小値は数１０ｍΩ（３０ｍΩ程度）であ
る。したがっていま図２に示すように負荷２４の駆動電
圧として５Ｖに近い値（例えば４．９Ｖ）で、負荷電流
が２Ａの負荷２４に対して定電圧化する場合を例示する
と、低抵抗素子であるため、そのドレイン・ソース間の
電圧ドロップ分が僅少となる。そのため二次電圧として
は５Ｖ程度の直流電圧が得られるように電源トランス１
２の巻き線比や端子１４への直流電圧が選定される。

【００２１】仮に５Ｖの二次電圧が得られているとき
で、最小オン抵抗値が３０ｍΩであり、さらに二次電圧
のリップル分が１００ｍＶP-Pであったときには、パワ
ーＦＥＴ４１の電圧ドロップ分は、負荷電流が２Ａとす
ると６０ｍＶという僅かな値となる。そのため負荷２４
に印加される駆動電圧Ｖは、 Ｖ＝５．０Ｖ−６０ｍＶ−（１００／２）ｍＶ＝４．８
９Ｖ となる。つまり、極く僅かな電圧ドロップが発生するだ
けであるので、シリーズレギュレータ３０を使用して
も、駆動電圧（４．８９Ｖ）よりも僅かに高い電圧
（５．０Ｖ）を二次電圧として設定するだけでよい。因
みに、このような電圧関係のときには基準電圧設定用抵
抗器４２ａ，４２ｂの抵抗値Ｒａ，Ｒｂとしては図２の
ように選ぶことができる。

【００２２】駆動電圧よりも僅かに高い電圧を出力電圧
に設定できるということは、換言すれば巻き線数の少な
い電源トランス１２が使用できること、端子１４に印加
される直流化された電圧として負荷電圧よりも僅かに高
い電圧を利用できること、したがって汎用されている小
規模な電源回路（電源トランス１２から整流・平滑回路
２０までを含む回路）を利用できること、などのメリッ
トを有する。

【００２３】汎用の電源回路の出力電圧は一般に５Ｖ，
８Ｖ，１０Ｖ，１２Ｖなどがあるのでそのうち最も低電
圧の電源回路でも利用できる。５Ｖの電源回路を使用す
るときは負荷２４の駆動電圧としては３Ｖに設定するの
が一般的である。

【００２４】低抵抗素子を使用する関係で、パワーＦＥ
Ｔ４１の電力損失も大幅に改善される。例えば上述した
ように負荷電流が２Ａで電圧降下が６０ｍＶであるとき
には、１２０ｍＷしか電力損失が発生しない。電力損失
が少なくなるとその分発熱も少なくなるから、放熱手段
も簡単なものでよいことになる。

【００２５】パワーＦＥＴ４１では大きな電流を取り扱
うことができるため、単一の電源回路のみで必要な電流
を負荷２４に供給できる。従来のように低電力損失のシ
リーズレギュレータを使用したりすると、目的の電流を
得るには複数の電源回路を複数並列接続しなけらばなら
ない。この点、この発明では単一の電源回路で済むので
回路規模の縮小を図れる。

【００２６】図１ではオペアンプ４４の＋端子に与えら
れる基準電圧は、パワーＦＥＴ４１の入力段に得られる
二次電圧を利用して生成したが、図３に示すように他方
の抵抗器４２ｂに代えてツエナーダイオードのような定
電圧素子５０を使用して定電圧化された基準電圧発生手
段４２を構成してもよい。定電圧素子の代わりに基準電
圧発生回路などを使用することもできる。

【００２７】図１および図３において、シリーズレギュ
レータ３０の前段にコイルとコンデンサを使用したπ型
構成のリップルフィルタなどを挿入することもできる。

【００２８】

【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接続されるシリーズレ
ギュレータに用いられる可変インピーダンス素子とし
て、定電圧、低抵抗であって大電流を取り扱うことにで
きるスイッチング素子を使用するようにしたものであ
る。

【００２９】このようなスイッチング素子を使用する
と、このスイッチング素子の両端で発生する電圧降下分
が少なくなる結果、負荷電流が大きい場合でもスイッチ
ング素子自体での電力損失が従来よりも大幅に軽減され
る。

【００３０】そのため、負荷に加える駆動電圧よりも僅
かに高い二次電圧が得られるように構成すればよいの
で、使用する電源トランスが小型、軽量のものを使用で
きる他、スイッチング素子に対する放熱手段が簡単とな
ったり、直流化した電源電圧としてあまり高い電圧が必
要なくなる。スイッチング素子としては大きな電流も取
り扱うことができるから、負荷電流が大きい場合でも単
一の電源回路で構成できるなどの特徴を有する。

【００３１】したがってこの発明は比較的大きな電流を
取り扱う必要のある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部分図である。

【図３】この発明に係るスイッチング電源回路の他の実
施態様を示す要部の系統図である。

【図４】従来のスイッチング電源回路の系統図である。

【図５】スイッチング動作を説明する部分図である。

【符号の説明】

１０・・・スイッチング電源回路、２０・・・整流・平
滑回路、２４・・・負荷、３０・・・シリーズレギュレ
ータ、４１・・・スイッチング素子、４２・・・基準電
圧発生手段、４４・・・オペアンプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源トランスの一次側にスイッチングレ
   ギュレータが設けられ、その二次側には整流・平滑回路
   が設けられ、整流および平滑された出力電流がシリーズ
   レギュレータを介して大きな負荷電流を要する負荷に供
   給されると共に、 上記シリーズレギュレータの可変インピーダンス素子と
   して、低電圧、低抵抗で大電流を扱えるスイッチング素
   子が使用されて、大電流負荷を低損失で安定化できるよ
   うにしたことを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 【請求項２】 上記スイッチング素子として、低電圧、
   低抵抗、大電流のＦＥＴが使用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。