JPH09507740A - 調整された出力電圧を有するフライバックコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 出力側に調整装置が接続されており、衝撃係数が所定の上限値に制限されているフライバックコンバータに関する。調整装置に出力電圧よりも大きい補助電圧を給電するため２次側の主電流回路（３）の整流ダイオード（３）に、ダイオードとＲＣ直列接続体から成る直列接続回路が接続されている。さらに別のダイオード（４４）が、この直列接続回路から補助回路（４）の出力側へ向かう方向で接続されている。このフライバックコンバータは、著しく小さな給電電圧を必要とするＡＳＩＣへの給電に殊に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 調整された出力電圧を有するフライバックコンバータ 本発明は、請求項１の上位概念に記載のフライバックコンバータに関する。 stenhube 著の書籍″Schaltnetzteile: Grundlagen, Entwurf, Schaltungsbeisp iele″,expert-verlag １９７９年刊の第８７頁〜９１頁によりすでに公知であ る。 通常のフライバックコンバータはトランスを有しており、このトランスは１次 側の主電流回路内にある電力スイッチのスイッチオン期間中にエネルギーを受け 取り、この電力スイッチの阻止時相の少なくとも一部分の期間の間にエネルギー を２次側の主電流回路へ送出する。 フライバックコンバータの出力電圧は直流電圧であって、この直流電圧の大き さは２次側のパルス電圧の振幅の一部分である。この場合、電力スイッチの調整 範囲が０．５の衝撃係数に制限されていることが多い。 また、書籍″Motorola Liner and Interface Integrated Circuits″第２版、 １９８８年刊、５−１７頁〜５−２４頁により、調整器として用いること のできる基準素子がすでに知られている。この種の基準素子は基準電圧端子、実 際値入力側および調整電圧出力側を有している。 フライバックコンバータの出力電圧は、調整装置を用いることで一定の値にな るよう調整できる。しかしこの場合、フライバックコンバータを用いて著しく小 さい出力電圧を発生させようとしたときには、難しい問題の起こる可能性がある 。フライバックコンバータから送出された調整された出力電圧が調整装置のため の補助電圧としては不十分である場合、調整された出力電圧に加えて所要補助電 圧も発生させなければならない。 フライバックコンバータ自体が適切な出力回路を有していなければ、トランス のコアに付加的に設けられた巻線を用いることで上述のような補助電圧を発生さ せることはできる。しかしこのためには、巻線がいっそう複雑になり巻線所要ス ペースの大きくされたトランスが必要とされ、しかもこのことでトランスにおけ る熱の問題が生じる可能性もある。 別の可能な構成として、他の既存のコンバータの出力電圧を補助電圧として利 用することが挙げられる。しかしながら、２つのコンバータをこのようにして結 合する場合には、付加的なコンバータの電流が制限されている状況では補助電圧 の安定度に関して、あるいはフライバックコンバータの補助電圧と出力電圧にお けるランニングアップのタイムシーケンスに関して、困難な点の生じる可能性が ある。 したがって本発明の課題は、調整された出力電圧を有するフライバックコンバ ータにおいて、僅かなコストで補助電圧をフライバックコンバータ自体で発生さ せるよう構成することにある。 本発明の枠内の考察で明らかにされたのは、フライバックコンバータの場合、 出力側の主電流回路の整流ダイオードのところで、フライバックコンバータの一 般的な設計において被調整出力直流電圧のほぼ２倍の振幅を有する方形波電圧が 得られ、補助電圧源の比較的僅かな電流負荷からみて、調整装置のために必要と される補助電圧は補助回路を用いることで上記の方形波電圧から得ることができ ることである。 本発明によれば、前述の課題を解決するためのフライバックコンバータは、請 求の範囲第１項の特徴部分に記載されているように構成されている。この場合、 調整すべき出力回路において生じる電圧から導出される補助電圧は調整された出 力電圧に上乗せされ、このため所望の給電電圧は出力電圧と補助電圧の和の電圧 として得られる。 有利なことに本発明による構成によれば、著しく僅かなコストおよび高い信頼 性で、相対的に大きな負荷電流のための比較的小さい被調整出力電圧も比較的小 さい電流消費のためのそれよりも大きい補助電圧も形 成されるフライバックコンバータが得られる。 従属請求項２〜８には本発明の有利な実施形態が示されている。 次に、図面に示された実施例に基づき本発明を詳細に説明する。 図１には、オペアンプを含む調整回路備えたフライバックコンバータが示され ており、図２には、基準素子を含む調整装置を備えたフライバックコンバータが 示されており、図３には、負の出力電圧を有するフライコンバータが示されてい る。 図１に示されている回路装置の場合、フライバックコンバータの出力側ｂ，ｃ に電気負荷９が配置されている。この負荷９はたとえば、５Ｖよりも小さい給電 電圧を必要とするＡＳＩＣつまり適用業務特定形集積回路である。 １次側の主電流回路１は、直流電圧源１１の直流電圧Ｕ１用入力側からトラン ス２の１次巻線２１およびそれと直列接続された電子スイッチ１２を介して進む ように構成されている。 ２次側の主電流回路３は、トランス２の２次巻線２２の一方の端部から整流ダ イオード３１を介して一方の出力端子ｂへ進むように構成されている。整流ダイ オード３１に続く並列分岐に蓄積コンデンサ３２が設けられており、ここに直流 電圧Ｕ２が生じる。２次巻線２２の他方の端部は、他方の出力端子ｃと同様に基 準電位におかれている。 電子スイッチ１２はたとえば、電力スイッチとしての電界効果トランジスタで ある。この電子スイッチ１２は、スイッチオンパルスによりクロック制御される 制御装置５によって周期的に導通制御され、調整区間の制御素子を成している。 電子スイッチ１２を制御する制御電圧の衝撃係数は所定の上限値に制限されてい る。制御電圧の衝撃係数の上限値は約０．５であるとよい。この場合、衝撃係数 とはパルス持続時間と周期時間との比であると解されたい。 光結合素子６の発光ダイオード６２における無視できない有限の電圧降下、な らびにオペアンプにより構成された調整器７２が必要とする給電電圧を考慮する と、フライバックコンバータの出力電圧Ｕ２は調整装置７のための補助電圧とし ては不十分である。 ２次側の主電流回路３における整流ダイオード３１には補助回路４が接続され ている。この補助回路４には、コンデンサ４１と抵抗４２とダイオード４３から 成りダイオード３１と並列に配置された直列接続回路が含まれている。この直列 接続回路において、ＲＣ直列接続体４１，４２とダイオード４３が互いに直列に 配置されている。その際、ダイオード３１と４３の互いに逆の極性の端子が相互 接続されている。その結果として、ダイオード３１が導通状態にあるときにはダ イオード４３は阻止状態におかれるようになる。 ダイオード４３とＲＣ直列接続体４１，４２との接続点は、ダイオード４４お よびこれと直列に配置されたコンデンサ４５を介して、ダイオード３１とダイオ ード４１との接続点へと導かれている。両方のダイオード３１および４３の接続 点は端子ｂと接続されており、この端子は補助回路４の入力端子でもあるし出力 端子でもある。ダイオード４４は、ダイオード４３とダイオード４４における互 いに逆の極性の端子が相互接続されるよう極性付けられている。その結果として 、ダイオード４３が導通状態になると、ダイオード４４はただちに阻止状態にな る。 補助回路４の出力側ａ２，ｂと並列にコンデンサ４５が配置されている。コン デンサ４５の一方の端子は、基準電位に対し電圧Ｕ３を生じさせるコンバータ出 力側ｂ，ｃの端子ｂと接続されている。他方の端子ａ２は、端子ｂに対し補助電 圧Ｕ３を生じさせ、２次側の主電流回路３の出力端子ｃにおける基準電位に対し 給電電圧Ｕ４を生じさせる。 コンデンサ４５と並列にツェナダイオード４６が設けられており、これは抵抗 ４２とともに電圧安定化装置を成し、コンデンサ４５における電圧Ｕ３を所定の 値に制限する。 なお、図１の参照符号はそれぞれ以下のことを表している。 Ｕ１：フライバックコンバータの入力電圧 Ｕ２：出力側ｂ，ｃにおける直流電圧 Ｕ３：補助回路４の出力電圧 Ｕ４：調整装置７のための給電電圧 Ｕ５：スイッチ１２が導通状態のときの２次巻線２ ２におけるパルス電圧の振幅 Ｕ６：スイッチ１２が阻止状態のときの２次巻線２ ２におけるパルス電圧の振幅 Ｕ７：整流ダイオード３１におけるパルス電圧 Ｕ８：整流ダイオード３１の順方向電圧 Ｕ９：コンデンサ４１における電圧 Ｕ10：導通状態のダイオード４３における電圧 Ｕ11：導通状態のダイオード４４における電圧 Ｉ_L ：抵抗４２を通る充電電流 ＩＥ：抵抗４２を通る放電電流 Ｒ42：抵抗４２の抵抗値 給電電圧Ｕ４は調整すべき出力電圧Ｕ２をいっしょに用いることで形成され、 詳しくは出力電圧Ｕ２に補助電圧Ｕ３を加えることにより形成される。 トランス２は変圧比 を有しており、ここでｗ１は１次巻線２１の巻数、ｗ２は２次巻線２２の巻数、 さらにＵ１_minは入力電圧Ｕ１の最小値である。 トランジスタ１２の導通時相中、トランス２の２次 形成される。ダイオード３１により、この電圧パルスが電力回路３すなわち２次 側の主電流回路において作用を及ぼさないようになる。この場合、ダイオード３ １には電圧Ｕ５＋Ｕ２が生じる。 ダイオード４３と抵抗４２を介して、コンデンサ４１は充電電流ｉ_Lにより電 圧Ｕ９＝Ｕ５＋Ｕ２−Ｕ１０まで充電される。 衝撃係数_γ≦０．５でフライバックコンバータを設計すれば、電圧Ｕ９≧２・ Ｕ２となりＩ_L≒Ｉ_E≧２・Ｉ３となる。 さらに蓄積トランス２はトランジスタ１２の導通時相中、負荷抵抗９により必 要とされる出力電力に応じてエネルギーを受け取る。トランジスタ１２が遮断さ れると、蓄積トランス２はそのエネルギーを出力側ｂ，ｃへ送出する。その際、 ダイオード３１を介して充電電流が流れる。 トランジスタ１２の阻止時相中、ダイオード３１のアノードには電圧Ｕ６＝Ｕ ２＋Ｕ８が生じる。この値にコンデンサ４１における電圧Ｕ９が加えられ、電流 Ｉ_Eがコンデンサ４５へ流れる。この場合、 IE ＝（U2 + U8 + U9‐(U2 + U3 + U11)）/ R₄₂ であり、ここでＲ４２は抵抗４２の抵抗値である。 したがって補助電圧 が生じ、ここでＩ_Eはコンデンサ４１の放電電流である。 補助電圧Ｕ３は、電流取り出し分Ｉ３≒Ｉ_Eと入力電圧Ｕ１に依存する。ツェ ナダイオード４６を用いることで補助電圧Ｕ３を必要に応じて制限することがで き、その際、Ｒ４２はバイアス抵抗としてはたらく。 本発明の枠内で調べられたことによれば、補助電圧Ｕ４は調整すべき出力電圧 Ｕ２よりも早くランニングアップする。そしてこのことで保証されるのは、調整 プロセスが開始されたときに図１によるコンバータの調整器７２または図２によ るコンバータの基準素子８６および光結合素子のダイオード６２が早期に給電さ れること、ならびに調整に十分な電圧の余裕があることである。有利なことに補 助回路４により、出力回路の電圧から形成される補助電圧を用いて独立した所定 の調整特性で小さい出力電圧Ｕ２の調整が可能となり、このことはコンポーネン トに関して著しく僅かな要求を課すだけで可能となる。 ツェナダイオード４６と抵抗４２により、電圧Ｕ４はツェナダイオード４６の ツェナ電圧に制限される。ツェナ電圧は、接続されている電圧調整器が過度に高 い動作電圧から保護されるように選定されている。これは有利なことに、小さい 入力電圧から中程度の入力電圧の範囲内では電流を流さない。出力電圧Ｕ２に加 えられる電圧Ｕ３の大きさは出力電圧Ｕ２とほぼ一致 しており、つまり出力電圧Ｕ２の２倍にほぼ等しい補助電圧Ｕ４が得られる。 フライバックコンバータの出力側には実際値を形成する装置が設けられている 。この装置は、出力端子ｂとｃとの間に接続され抵抗７３と抵抗７４から成る分 圧器を有している。分圧器７３，７４のタップから出力電圧Ｕ２の一部分が取り 出され、調整装置７の実際値入力側ｅ１へ供給される。 したがって調整装置７は、分圧器７３，７４を介してフライバックコンバータ の出力側ｂ，ｃと接続されている。 調整装置７の補助電圧入力側ｄ１，ｆ１は、補助回路４と２次側の主電流回路 ３の各出力側により構成された直列接続体の出力側ａ，ｃと接続されている。 調整器７２の給電電圧入力側は、調整装置７の補助電圧入力側ｄ１，ｆ１と接 続されている。調整装置７の調整器７２はその反転入力側で基準電圧Ｕ７と接続 されており、その非反転入力側で実際値入力側ｅ１と接続されている。 さらに調整器７２の出力側と調整装置７の補助電圧入力側ｄ１との間に、光結 合素子６の発光ダイオード６２と抵抗７１とから成る直接接続体が接続されてい る。 図２に示されているフライバックコンバータは図１によるフライバックコンバ ータとほぼ一致している。 ここで異なっているのは、調整装置７の代わりに調整装置８が設けられている点 である。調整装置８の調整器は基準素子８６により構成されている。 基準素子８６は市販の集積回路であり、たとえばモトローラ社のＴＬ４３１型 のものである。詳細にはこれは３極の集積回路であって、たとえば２．４９Ｖの 高度に安定した基準電圧を有する基準電圧源の統合されたオペアンプのように動 作する。この種の調整器は基準電圧端子ｉ、実際値入力側ｈならびに調整電圧出 力側ｇを有している。調整器８６には基準電圧源が含まれており、調整電圧出力 側ｇから調整電圧Ｕ１２を送出する。 ２次側の主電流回路の出力側には、抵抗８７と８８とから成る分圧器が設けら れている。抵抗８７と８８の接続点は、調整装置８の実際値入力側ｅ２へ導かれ ている。基準素子８６の実際値入力側ｈは調整装置８の実際値入力側ｅ２と接続 されている。 基準素子８６の調整電圧出力側ｇは、抵抗８２を介して調整装置８の補助電圧 入力側ｄ２と接続されている。抵抗８２と並列に、抵抗８１と光結合素子６の発 光ダイオード６２とから成る直接接続体が接続されている。調整装置の実際値入 力側ｅと発光ダイオード６２との間に、抵抗８３およびこれと並列に配置された ＲＣ素子８４，８５から成る２端子網が接続されている。 調整器８６の調整電圧出力側ｇは光結合素子６を介してＡ／Ｄ変換器５１へ導 かれており、これには電気スイッチ１２を制御する制御部５２が後置されている 。 電圧Ｕ１２が基準素子８６の内部基準電圧Ｕ_Refと等しくなるよう、調整装置 ８によりフライバックコンバータの出力電圧Ｕ２が調整される。 電圧基準素子８６の給電電圧は、基準電圧Ｕ１２と光結合素子６の発光ダイオ ード６２における電圧降下の和よりも大きい。したがってたとえば２．５Ｖの基 準電圧を有する基準素子８６であれば、５Ｖよりも小さい出力電圧Ｕ２では付加 的に形成される補助電圧がなければもはや動作不可能である。 図３には、出力側のプラス極が基準電位におかれているフライバックコンバー タを備えた回路装置が示されている。２次巻線２２の終端部は、基準電位におか れている出力端子ｃと接続されている。図１および図２とは異なり、２次側の主 電流回路３の整流ダイオード３１は２次巻線２２の始端部と接続されている。 その際、補助回路４はその構造に関して図１および図２の補助回路と一致して いる。ダイオード３１，４３，４４はやはり同じ極性で直列に接続されている。 図１および図２と異なる点は、２次側の主電流回路３における整流ダイオード３ １のカソードが２次巻線２２の始端部と接続されている点である。この装置の場 合、出力端子ａには基準電位に対し負の電圧Ｕ４が生じる。 図１〜図３に示されているフライバックコンバータは有利には、出力電圧Ｕ２ がそれぞれ５Ｖよりも小さく、補助電圧Ｕ４がそれぞれ少なくとも５Ｖとなるよ うに選定されている。 図１〜図３によるフライバックコンバータにおいてコンデンサ４５の容量は、 コンデンサ３２の容量よりも好適には著しく小さい。これにより、補助電圧Ｕ４ は調整すべき出力電圧Ｕ２よりも早く形成されるようになる。そしてこのことで 、図１による調整器７２または図２による基準素子８６および光結合素子のダイ オード６２が調整プロセス開始時に早期に給電されること、ならびに調整のため に十分に電圧の余裕のあることが保証されるようになる。 さらに比較的大きな補助電圧Ｕ４により、独立した所定の調整特性が可能にな る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．１次側の主電流回路（１）においてトランス（２）の１次巻線（２１）に 直列に接続され制御装置により制御可能な電子スイッチ（１２）と、トランス（ ２）の２次巻線（２２）に接続された２次側の主電流回路（３）とが設けられて おり、該主電流回路は直列分岐に第１のダイオード（３１）を有し、これに続い てフライバックコンバータの出力側と並列に接続された並列分岐に蓄積コンデン サ（３２）を有しており、 フライバックコンバータの出力側（ｂ，ｃ）に接続され補助電圧（Ｕ４）を供 給する調整装置（７，８）が設けられており、 前記電子スイッチ（１２）を制御する制御電圧の衝撃係数は所定の上限値に制 限されているフライバックコンバータにおいて、 ２次側の主電流回路の整流ダイオード（３１）に補助回路（４）の入力側が接 続されており、該補助回路の出力側（ａ，ｂ）は単極性でその入力側（ａ１，ｂ ）と接続されており、 前記補助回路（４）は入力側の直列分岐にＲＣ直列接続体（４１，４２）を有 し、これに続く並列分岐に第２のダイオード（４３）を有し、前記並列分岐に続 く直列分岐に第３のダイオード（４４）を有し、出力側と並列にコンデンサ（４ ５）を有しており、 調整装置（７，８）の補助電圧入力側（ｄ１，ｆ１；ｄ２，ｆ２）へ補助電圧 （Ｕ４）が供給され、該補助電圧はフライバックコンバータの出力電圧（Ｕ２） と補助回路（４）の出力電圧（Ｕ３）の和であり、 前記第２のダイオード（４３）は、第１のダイオードが導通状態にあるとき該 第２のダイオード（４３）が阻止状態になるよう極性付けられており、 前記第３のダイオード（４４）は、第２のダイオード（４３）が導通状態にあ るとき該第３のダイオードが阻止状態になるよう極性付けられていることを特徴 とする、 フライバックコンバータ。 ２．前記衝撃係数の限界値は少なくとも約０．５である、請求項１記載の装置 。 ３．前記補助回路（４）の出力側（ａ，ｂ）と並列にツェナダイオード（４６ ）が設けられている、請求項１または２記載の装置。 ４．調整装置（７）における調整器（７２）の給電電圧入力側は調整装置（７ ）の補助電圧入力側（ｄ１，ｄ２）と接続されている、請求項１〜３のいずれか １項記載の装置。 ５．調整装置（７，８）の出力側に光結合素子（６）の発光ダイオード（６２ ）が設けられており、該光結合素子（６）の発光ダイオード（６２）と抵抗（７ １，８１）から成る直列接続体が調整装置（７）の補 助電圧入力側（ｄ）と接続されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の装置 。 ６．調整器は基準素子（８６）により形成されており、該基準素子（８６）の 調整電圧出力側（ｇ）は抵抗（８２）を介して調整装置（８）の補助電圧入力側 （ｄ２）と接続されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の装置。 ７．フライバックコンバータの出力電圧は５Ｖよりも小さく補助電圧は少なく とも５Ｖである、請求項１〜６のいずれか１項記載の装置。