JPH0970170A - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スイッチング損失の割合が大きくなる、定負
荷時の電源効率を改善したスイッチングレギュレータを
提供する。 【構成】 スイッチング素子のオンオフの切り替えによ
って直流電源から供給される電力をトランスを介して出
力するスイッチングレギュレータであって、スイッチン
グ素子を開閉するＰＷＭ信号の周期を接続された負荷の
状態に応じて切り替える構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業用や民生用機器等
に直流安定化電圧を供給するスイッチングレギュレー
タ、特に低負荷時の電源効率を改善するスイッチングレ
ギュレータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のスイッチングレギュレータの構成
について、図面を用いて説明する。

【０００３】図４は従来の他励式スイッチングレギュレ
ータを示す構成図である。図４中、１は直流電源であ
り、このスイッチングレギュレータの電力の供給源であ
る。２はトランスを示しており、一次巻線３、二次巻線
４から構成されている。一次巻線３はスイッチング素子
５を介して、直流電源１に接続されている。このスイッ
チング素子５は制御回路１０のＰＷＭ信号によりオンオ
フ状態が切り替えられる。トランス２の二次巻線４に
は、ダイオード６とコンデンサ７からなる整流平滑回路
８が接続されている。スイッチング素子５のオンオフ状
態の切り換えによりトランス２の二次巻線４に繋がれた
整流平滑回路８に電力が発生し、この電力は整流平滑回
路８に接続された出力端子９Ａおよび９Ｂから負荷に供
給される。

【０００４】スイッチング素子５がオン状態にある場合
には、直流電源から供給される入力電力はスイッチング
素子５を介してトランス２のインダクタンスに蓄えられ
る。スイッチング素子５がオフ状態になると、トランス
２に蓄えられた電力は二次巻線４から整流平滑回路８に
供給される。この整流平滑回路に供給される電力は、ス
イッチング素子がオン状態にある期間とオフ状態にある
期間との比率（以下、オンオフ比とする。）によって変
動する。

【０００５】１０は出力端子９Ａおよび９Ｂの出力電力
に基づいて、スイッチング素子５をＰＷＭ制御する制御
回路である。制御回路１０は出力端子９Ａ、９Ｂに接続
された抵抗１１と抵抗１２を有している。出力端子９
Ａ、９Ｂの出力電圧は、抵抗１１、１２によって分圧さ
れ、基準電圧源１３の設定電圧と共に誤差増幅器１４に
入力される。誤差増幅器１４は、これに入力される電圧
の偏差に対応した信号を出力する。誤差増幅器１４の出
力側はフォトカプラ１５に接続されている。誤差増幅器
１４から出力された信号は、フォトカプラ１５内の発光
ダイオード１６を発光させ、この発光ダイオード１６と
光結合されたフォトトランジスタ１７の出力となる。フ
ォトトランジスタ１７には、電圧源１８より直列に抵抗
１９が接続されており、フォトトランジスタ１７のエミ
ッタ電流の変化がコレクタ電圧の変化となってＰＷＭコ
ンパレータ２０に入力される。三角波発生器２２は、発
振器２１の出力周期に応じた予め定められた発振周期の
三角波を出力する。ＰＷＭコンパレータ２０は三角波発
生器２２から与えられる三角波とフォトカプラ１６の出
力電圧とを比較し、ＰＷＭパルスを形成し、スイッチン
グ素子５の制御信号を出力する。

【０００６】制御回路１０は負荷の程度に応じたスイッ
チング素子５のオンオフ状態を制御する信号を出力す
る。負荷が大きい場合にはスイッチング素子５のオン幅
を大きくし、負荷が小さい場合にはスイッチング素子５
のオン幅を小さくする。

【０００７】図５は、上記従来のスイッチングレギュレ
ータにおける各部の動作波形を示した図である。２１Ａ
は発振器２１の発振出力波形である。２２Ａは三角波発
生器２２の出力する三角波であり、発振器２１Ａの出力
周期に応じた三角波を出力している。１９Ａは２次側回
路からフォトカプラ１５を介して帰還された電圧であ
り、２２Ａと共にＰＷＭコンパレータの入力となる。２
０ＡはＰＷＭコンパレータの出力電圧であり、この電圧
信号によりスイッチング素子５がオンオフされる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のスイッチング電源は、フォトカプラ１５を介して得
られる誤差増幅器１４の出力と三角波発生回路２１の出
力信号から得られたＰＷＭ信号によって、スイッチング
素子のオンオフ状態を切り換える。このスイッチング素
子のオンオフ状態の切り換え周期、すなわちスイッチン
グ周期は、発振器の出力周期により一意的に決められて
いる。このため、負荷に変動が生じた場合でも、スイッ
チング素子のオンオフ比が変わるのみで、スイッチング
周期は一定である。

【０００９】この時、スイッチング素子のスイッチング
毎に生じるスイッチング損失を一定と仮定すると、負荷
へ供給される出力電圧に対するスイッチング損失の割合
は、接続された負荷の度合に応じて変動する。特に、負
荷が小さい場合、出力電力に対するスイッチング損失の
割合が大きくなり、スイッチングレギュレータとしての
効率が低下してしまう。

【００１０】本発明は上記課題を改善するもので、負荷
の状態に応じたスイッチング周期の選択を可能とするも
のであり、特に低負荷時において高効率なスイッチング
レギュレータを提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のスイッチングレ
ギュレータは、一次巻線および二次巻線からなるトラン
スと、トランスの一次巻線とＰＷＭ信号によりオンオフ
状態が切り換えられるスイッチング素子および直流電源
とが直列接続された電力供給回路と、前記トランスの二
次巻線に接続されたダイオードとコンデンサからなる整
流平滑回路と、この整流平滑回路に接続された出力端子
と、前記スイッチング素子がオン状態にある期間の測定
を行い、電圧に変換された測定値と設定電圧との偏差に
応じたＰＷＭ信号を出力し、前記スイッチング素子のオ
ン状態にある期間とオフ状態にある期間との比率および
ＰＷＭ信号の周期を制御する制御手段から構成されたも
のである。

【００１２】前記制御手段は、スイッチング素子のオン
状態にある期間が予め設定された第一の所定値以上の時
には、第一の周期にて前記スイッチング素子のＰＷＭ信
号を出力し、スイッチング素子のオン状態にある期間が
前記第一の所定値よりも小さい値に設定された第二の所
定値以下の時には、前記第一の周期の整数倍である第二
の周期にて前記スイッチング素子へのＰＷＭ信号を出力
する構成とした。

【００１３】

【作用】上記構成により、スイッチングレギュレータ、
特に低負荷時におけるスイッチング素子の効率を改善す
ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。

【００１５】図１は、本発明による他励式スイッチング
レギュレータを示す構成図である。３１は直流電源であ
り、このスイッチングレギュレータの電力の供給源であ
る。３２はトランスであり、一次巻線３３、二次巻線３
４から構成されている。トランスの一次巻線３３は、ス
イッチング素子３５を介して、直流電源３１に接続され
ている。４０は制御回路であり、この回路からのＰＷＭ
信号によりスイッチング素子３５のオンオフ状態が切り
換えられる。トランス３２の二次巻線３４には、ダイオ
ード３６とコンデンサ３７からなる整流平滑回路３８が
接続されている。スイッチング素子３５のオンオフによ
り整流平滑回路３８に電力が発生する。この発生した電
力は、整流平滑回路３８に接続された出力端子３９Ａ、
３９Ｂから負荷へと供給される。

【００１６】制御回路４０は、出力端子３９Ａ、３９Ｂ
の出力電圧に基づいて、スイッチング素子３５のオンオ
フ状態をＰＷＭ信号により制御する。出力端子３９Ａ、
３９Ｂの出力電圧は、これらに接続された制御回路４０
の抵抗４１、４２で分圧される。抵抗４１、４２で分圧
された出力電圧および基準電圧源４３の設定電圧は、共
に誤差増幅器４４に入力される。誤差増幅器４４は、入
力された両者の偏差に対応した信号を出力する。４５は
フォトカプラであり、発光ダイオード４６およびフォト
トランジスタ４７から構成されている。誤差増幅器４４
の出力側はフォトカプラ４５と接続されており、その出
力信号は発光ダイオード４６を発光させる。フォトトラ
ンジスタ４７は、発光ダイオード４６と光結合されてい
るとともに、電圧源４８と抵抗４９が直列接続されてい
る。発光ダイオード４６の光を受光したフォトトランジ
スタ４７のエミッタ電流の変化が、コレクタ電圧の変化
となってＰＷＭコンパレータ５０に入力される。

【００１７】５３は第一の比較器であり、フォトトラン
ジスタ４７の出力電圧と第一の基準電圧５４が入力され
る。この第一の比較器は、これに入力される電圧の比較
を行う。フォトトランジスタの出力電圧に比べ、第一の
基準電圧が大きい場合に信号を出力する。また、５５は
第二の比較器であり、フォトトランジスタ４７の出力電
圧と第二の基準電圧５６とを入力とし、第二の基準電圧
が大きい場合に信号を出力する。５７は、第一の比較器
および第二の比較器からの信号出力を入力とし、ＭＯＳ
−ＦＥＴ等を用いた半導体スイッチ５８の切り替え制御
を行う周期選択回路であり、その動作様態については、
後述する。

【００１８】５１は予め定められた周期の信号を出力す
る発振器であり、また５９は入力された信号の周波数を
変換する分周器である。本実施例では、入力された信号
の周波数を二分の一に分周する構成とした。発振器５１
から出力された信号は、直接、もしくは分周器５９を介
して、三角波発生器５２に入力される。この三角波発生
器への入力信号の切り替えは、周期選択回路５７の出力
で制御されるスイッチ５８によって行う。

【００１９】ＰＷＭコンパレータ５０は、三角波発生器
５２から与えられる三角波とフォトカプラ４５の出力電
圧とを比較する。さらに、この三角波と出力電圧との比
較結果をもとにＰＷＭパルスを形成し、スイッチング素
子３５の開閉状態を制御する信号を出力する。スイッチ
ング素子３５のオンオフによって、直流電源からトラン
スを介して電力が整流平滑回路に供給され、出力端子か
ら電力が負荷へ出力される。

【００２０】次に、周期選択回路５７の動作様態につい
て説明する。フォトトランジスタ４７の出力電圧はスイ
ッチング素子３５のオン期間を表している。すなわち、
この出力電圧が高いほど出力端子３９Ａ、３９Ｂに接続
された負荷が大きく、スイッチング素子３５のオン期間
が長くなる。逆に、この出力電圧が低い場合には、スイ
ッチング素子のオン期間は短く、負荷も小さい。

【００２１】フォトトランジスタ４７からの出力電圧が
高く、比較器５３および比較器５５から共に信号が出力
されていない場合、すなわち出力端子に接続された負荷
が大きい場合には、周期選択回路５７はスイッチ５８を
５８Ａ側に切り替え制御を行う。この時、三角波発生器
５２の入力は発振器５１の出力となるよう切り替えら
れ、発振器５１から出された信号は直接、三角波発生器
に入力される。ＰＷＭコンパレータは、発振器５１の出
力周期に応じた三角波とフォトカプラ４６の出力電圧と
を比較し、ＰＷＭパルスを形成する。このＰＷＭパルス
信号によって、スイッチング素子５は、そのオンオフ状
態を制御される。

【００２２】負荷が小さくなるとスイッチング素子３５
のオン期間が短くなり、フォトトランジスタ４７の出力
電圧は低下する。フォトトランジスタの出力電圧が第一
の基準電圧によって定められた値以下になると比較器５
３は信号を出力する。本実施例では、第二の基準電圧は
前記第一の基準電圧よりも大きい値に設定してある。こ
のため、第一の比較器５３が信号を出力した際、第二の
比較器５５は既に信号を出力している状態となる。この
時、周期選択回路５７はスイッチ５８を５８Ｂ側に接続
し、発振器５１の出力が分周器５９を経由して三角波発
生器５２に入力されるように制御を行う。分周器５９は
発振器５１の発振周波数を二分の一に分周し、出力す
る。従って、三角波発生回路５２の発振周期は、発振器
５１の出力に対して二倍となる。

【００２３】このように本実施例では、低負荷時にスイ
ッチング素子３５の発振周期が二倍となるように制御を
行っている。このため、スイッチング素子における一回
のスイッチング動作による損失を一定と考えると、低負
荷時には出力に対するスイッチング損失の割合が従来例
と比較して二分の一となる。尚、本実施例における回路
構成では、従来例と比較して、二個の比較器５３、５
５、周期選択回路５７、スイッチ５８および分周器５９
等が新たに付加されている。この新たに付加された回路
の消費電力は、スイッチング損失に比べて充分に小さい
ものである。

【００２４】出力端子に接続された機器の電力使用が増
加し、本発明のスイッチングレギュレータに高負荷が印
加されると、スイッチング素子のオン期間が長くなり、
フォトトランジスタ４７の出力電圧は上昇する。出力電
圧が上昇し、スイッチング素子３５のオン期間が第二の
基準電圧によって定められた値以上になると、比較器５
５は信号の出力を停止する。上述したように、第二の基
準電圧を第一の基準電圧よりも高い電圧に設定してある
ため、第一の比較器５３は既に出力を停止している。こ
の時、周期選択回路５７はスイッチ５８を５８Ａ側に、
すなわち三角波発生器５２の入力が発振器５１の出力と
なるよう制御する。ＰＷＭコンパレータ５０は、三角波
発生器５２から与えられる三角波とフォトカプラ４６の
出力電圧とを比較し、ＰＷＭパルスを形成しスイッチン
グ素子３５のオンオフ状態を制御する。

【００２５】このように本発明のスイッチングレギュレ
ータは負荷の状態に応じたスイッチング素子のスイッチ
ング周期の切り替えがなされる。したがって、フォトト
ランジスタからの出力電圧が前記第一および第二の基準
電圧の間にある時、負荷がおかれている状態によってス
イッチング周期は異なる。

【００２６】図２および図３に、スイッチングレギュレ
ータの動作波形を示す。図２は高負荷時の動作波形であ
り、図３は低負荷時の動作波形である。５１Ａは発振器
２１の発振出力波形、５９Ａは三角波発生器５２への入
力波形である。図２に示すように、高負荷の場合には分
周器５９を介さずに発振器５１の発振出力波形５１Ａが
三角波発生器に直接入力される。一方、低負荷の場合に
は図３に示すように、周期選択回路５７によりスイッチ
５８が５８Ｂ側へと切り換わり、分周器５９を介して５
９Ｂに示す入力波形を持った信号が入力される。この５
９Ｂに示した入力波形は、発振器５１が出力した信号の
二倍の周期となっている。

【００２７】５３Ａおよび５５Ａは比較器５３、比較器
５５の出力波形であり、信号４７Ａの電圧レベルにより
各々の基準電圧５４、基準電圧５６と比較した結果を出
力する。この出力が周期選択回路５７に入力されてスイ
ッチ５８の選択が行われている。

【００２８】５２Ａは三角波発生器５２の出力する三角
波であり、入力波形５９Ａの周期に応じた三角波を出力
している。４９Ａは２次側回路からフォトカプラ４５を
介して帰還した電圧であり、５２Ａと共にＰＷＭコンパ
レータの入力となる。５０ＡはＰＷＭコンパレータの出
力電圧であり、この信号によりスイッチング素子５がオ
ンオフされる。

【００２９】本発明の軽負荷時に三角波発生器に入力さ
れる信号の発振周期を高負荷時の整数倍にすることは、
本実施例からも明らかなように、単に分周器を付加する
だけの簡単な回路で実現できる。さらに、低負荷時に発
生する電磁ノイズの高調波成分が、高負荷時の電磁ノイ
ズの高調波成分と一致するために、電磁ノイズ対策は高
負荷時のみを考慮すれば充分な効果を得られるという経
済的な効果も得られる。

【００３０】なお、本実施例では軽負荷時の第二の発振
周期を第一の発振周期の二倍としたが、他の整数倍、例
えば四倍や五倍としても本実施例と同様の効果が得られ
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明の構成により、負荷の状態に応じ
てスイッチング周期を変化させることによって低負荷時
におけるスイッチング損失を減少させた高効率なスイッ
チングレギュレータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスイッチングレギュレータの構成
図

【図２】本発明によるスイッチングレギュレータの高負
荷時の動作波形を示す図

【図３】本発明によるスイッチングレギュレータの低負
荷時の動作波形を示す図

【図４】従来のスイッチングレギュレータの構成図

【図５】従来のスイッチングレギュレータの動作波形を
示す図

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ トランス ３ １次巻線 ４ ２次巻線 ５ スイッチング素子 ８ 整流回路 ９Ａ、９Ｂ 出力端子 １０ 制御回路 １１、１２、１９ 抵抗 １３ 基準電圧源 １４ 誤差増幅器 １５ フォトカプラ １６ 発光ダイオード １７ フォトトランジスタ １８ 電圧源 ２０ ＰＷＭコンパレータ ２１ 発振器 ２２ 三角波発生器 ３１ 直流電源 ３２ トランス ３３ １次巻線 ３４ ２次巻線 ３５ スイッチング素子 ３８ 整流回路 ３９Ａ、３９Ｂ 出力端子 ４０ 制御回路 ４１、４２、４９ 抵抗 ４３ 基準電圧源 ４４ 誤差増幅器 ４５ フォトカプラ ５０ ＰＷＭコンパレータ ５１ 発振器 ５２ 三角波発生器 ５７ 周期選択回路 ５８ スイッチ ５９ 分周器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一次巻線および二次巻線からなるトランス
   と、パルス幅変調信号（以下、ＰＷＭ信号と記す。）に
   よりオンオフ状態が切り替えられるスイッチング素子、
   前記トランスの一次巻線および直流電源が直列接続され
   た電力供給回路と、前記トランスの二次巻線に接続され
   たダイオードとコンデンサからなる整流平滑回路と、こ
   の整流平滑回路に接続された出力端子と、スイッチング
   素子がオン状態にある期間の測定を行い、この測定され
   た値を電圧に変換し、設定電圧との偏差に応じたＰＷＭ
   信号を出力すると共に、前記スイッチング素子のオン状
   態にある期間とオフ状態にある期間との比率およびＰＷ
   Ｍ信号の周期を制御する制御手段から構成されたスイッ
   チングレギュレータにおいて、 前記制御手段は、スイッチング素子のオン状態にある期
   間が予め設定された第一の所定値以上の時には、第一の
   周期にて前記スイッチング素子へＰＷＭ信号を出力し、 スイッチング素子のオン状態にある期間が前記第一の所
   定値よりも小さい値に設定された第二の所定値以下の時
   には、前記第一の周期に対して整数倍となる第二の周期
   にて前記スイッチング素子へＰＷＭ信号を出力すること
   を特徴とするスイッチングレギュレータ。