JPH10108462A - 自励式スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自励式スイッチング電源回路の出力の垂下特
性を改善し、入力電圧が高い時には大きな負荷電流が流
れず、入力電圧が低い時には起動時においても充分な負
荷電流を供給できるようにする。 【解決手段】 スイッチングトランジスタＱ１のゲート
と入力端子１ａの間に抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１０を直列に接
続し、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１０の接続点と入力端子１ｂと
の間に定電圧ダイオードＤＺ２を接続する。ここで抵抗
Ｒ２は起動回路を、抵抗Ｒ１０と定電圧ダイオードＤＺ
２は定電流回路３を形成する。この定電流回路３の作用
により、入力電圧、出力端子２ａ、２ｂから見た出力側
のインピーダンスの値によって、過電流動作時に負荷電
流が増加あるいは減少することがなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング素子
に流れる電流から過電流を検出し、スイッチング素子の
オンデューティを制限して過電流保護動作を行う自励発
振方式のスイッチング電源回路において、過電流保護動
作時の負荷電流に対する出力電圧の垂下特性を改善する
ための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング電源は、その駆動形態によ
って自励発振方式（以下、自励式という）と他励発振方
式とに分けられる。自励式のスイッチング電源は、トラ
ンス等のインダクタンス部品の所定の巻線に現れる電圧
を駆動信号としてスイッチング素子に正帰還させ、スイ
ッチング素子に自励発振を行わせるものが一般的であ
る。このような自励式のスイッチング電源回路の一例と
しては図４に示すようなものが存在した。図４に示すス
イッチング電源回路は以下のような構成となっている。

【０００３】入力端子１ａ、１ｂ間にトランスＴの１次
巻線Ｎ１、スイッチングトランジスタＱ１、抵抗Ｒ１が
直列接続され、２次巻線Ｎ２の一端はダイオードＤ１と
チョークコイルＬ１を介して出力端子２ａに接続され、
２次巻線Ｎ２の他端は出力端子２ｂに接続されている。
チョークコイルＬ１とダイオードＤ１の接続点と出力端
子２ｂとの間には平滑コンデンサＣ１が接続され、出力
端子２ａ、２ｂ間にはコンデンサＣ２が接続されてい
る。このトランスＴ、スイッチングトランジスタＱ１、
ダイオードＤ１及び平滑コンデンサＣ１により基本的な
電源回路が構成されており、抵抗Ｒ１はこの電源回路に
流れる電流の検出手段となっている。

【０００４】入力端子１ａとスイッチングトランジスタ
Ｑ１のゲートとの間には抵抗Ｒ２が接続され、スイッチ
ングトランジスタＱ１のゲート、ソース間には抵抗Ｒ３
が接続されている。この抵抗Ｒ２はスイッチングトラン
ジスタＱ１に順方向バイアスを与えるための起動回路で
ある。スイッチングトランジスタＱ１のゲートと入力端
子１ｂとの間には抵抗Ｒ４、コンデンサＣ３及び３次巻
線Ｎ３が直列接続され、信号帰還部を形成している。ス
イッチングトランジスタＱ１のゲートと入力端子１ｂと
の間に制御用のトランジスタＱ２が接続され、このトラ
ンジスタＱ２のベースと抵抗Ｒ１のスイッチングトラン
ジスタＱ１側の一端との間に抵抗Ｒ９、コンデンサＣ５
及びダイオードＤ３の並列回路が接続されている。この
抵抗Ｒ９、コンデンサＣ５及びダイオードＤ３の並列回
路は、制御用のトランジスタＱ２を含めて過電流保護部
を形成している。

【０００５】そして、信号帰還部の３次巻線Ｎ３とコン
デンサＣ３の接続点とトランジスタＱ２のベースとの間
にダイオードＤ２とフォトカプラ受光素子ＰＨ２を直列
接続し、フォトカプラ発光素子ＰＨ１は抵抗Ｒ８及びシ
ャントレギュレータＳＲと直列に接続し、このフォトカ
プラ発光素子ＰＨ１は抵抗Ｒ８及びシャントレギュレー
タＳＲの直列回路は平滑コンデンサＣ２に対して並列に
接続されている。このフォトカプラ受光素子ＰＨ１、フ
ォトカプラ発光素子ＰＨ２、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ８
及びシャントレギュレータＳＲは、トランジスタＱ２を
含めて定電圧制御部を形成している。フォトカプラ受光
素子ＰＨ２には定電圧ダイオードＤＺ１と抵抗Ｒ１の直
列回路が並列に接続されており、この直列回路は信号補
正部を形成している。コンデンサＣ２に対して抵抗Ｒ６
とＲ７の直列回路が並列に接続され、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ
７の接続点がシャントレギュレータＳＲのゲート端子に
接続され、シャントレギュレータＳＲのゲート端子とア
ノード端子の間にコンデンサＣ４を接続している。この
抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７の直列回路は電圧検出部となってい
る。

【０００６】このような構成とした図４の回路の各部分
は、概略として以下のように動作する。まず抵抗Ｒ１が
スイッチングトランジスタＱ１のゲートに初期の順方向
バイアスを与え、スイッチングトランジスタＱ１を導通
状態とする。トランスＴの各巻線にはスイッチングトラ
ンジスタＱ１の状態に応じて電圧が誘起され、ここで、
３次巻線Ｎ３に発生した電圧は、コンデンサＣ３、抵抗
Ｒ４を介してスイッチングトランジスタＱ１のゲートに
順方向バイアスあるいは逆バイアスを与えてスイッチン
グトランジスタＱ１を駆動する。すなわち、３次巻線Ｎ
３、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ４の信号帰還部がスイッチ
ングトランジスタＱ１のゲートに信号を帰還し、スイッ
チングトランジスタＱ１に自励発振動作を持続させるよ
うに作用する。

【０００７】自励発振動作に伴って誘起された２次巻線
Ｎ２の電圧はダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ２によ
って整流・平滑され、さらにチョークコイルＬ１、コン
デンサＣ２によってリップルが除去されて出力電圧とし
て出力端子２ａ、２ｂより外部へ供給される。ここで、
シャントレギュレータＳＲは、抵抗Ｒ６、Ｒ７で検出し
た出力電圧に応じた制御信号を発生させる。そして制御
信号はフォトカプラ発光素子ＰＨ１、受光素子ＰＨ２を
介して伝送され、トランジスタＱ２のベースに入力され
る。トランジスタＱ２は制御信号に応じてスイッチング
トランジスタＱ１のバイアス電圧を変化させ、これによ
り定電圧制御動作を行う。

【０００８】正常な運転状態では、以上の自励発振動作
と定電圧制御動作が図４の回路中で定常的に行われる。
もしここで、出力端子２ａ、２ｂに接続された負荷が異
常な状態となり、スイッチングトランジスタＱ１に過大
な電流が流れるようになると、その電流の大きさに応じ
た電圧が抵抗Ｒ１の端子間に現れる。この抵抗Ｒ１の端
子間に現れた電圧は過電流保護部の抵抗Ｒ９とコンデン
サＣ５を介してトランジスタＱ２に印加され、トランジ
スタＱ２はその電圧に応じてスイッチングトランジスタ
Ｑ１のバイアス電圧を低下させる。その結果、スイッチ
ングトランジスタＱ１に流れる電流の増加が抑制され、
過電流保護動作が行われるようになる。

【０００９】図４に示す電源回路で、出力端子２ａ、２
ｂから見た出力側のインピーダンスを小さくしていく
と、回路の負荷電流が増加し、これに伴ってスイッチン
グトランジスタＱ１に流れる電流も増加していく。この
時には、回路の定電圧制御動作によって出力電圧が一定
で、負荷電流だけが増加していくことになる。ここで、
さらにインピーダンスを小さくすると、やがて出力電流
の増加に伴ってスイッチングトランジスタＱ１に流れる
電流が過大な状態となる。すると過電流保護動作が行わ
れ、今度は出力電流が一定となり、代わって出力電圧が
低下するようになる。この、負荷状態によって定電圧あ
るいは定電流となる負荷電流と出力電圧の関係は、一般
に出力の垂下特性として知られており、代表的な回路保
護のための手段となっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的な電
源回路では、例えば、１００〔Ｖ〕系と２００〔Ｖ〕系
の異なる入力電圧に対しで回路を共用できるようにする
ために、ある範囲内の電源電圧（入力電圧）で使用でき
ように、回路を構成する各素子の定数を設定する。図４
に示す構成を有した電源回路も、ある範囲の入力電圧に
適用出来るように設計されるが、異なる入力電圧に対し
その出力の垂下特性が図５に示すように変化する問題が
あった。すなわち図４の回路では、スイッチングトラン
ジスタＱ１のゲートには抵抗Ｒ２を介して入力電圧がバ
イアス電圧として印加されている。そのため、入力電圧
が高ければスイッチングトランジスタＱ１のゲートには
大きな順方向バイアスが加わり、逆に入力電圧が低けれ
ば小さな順方向バイアスが加わることになる。

【００１１】ここで、出力端子２ａ、２ｂから見た出力
側のインピーダンスが小さくなると、やがて過電流保護
動作が行われ、負荷電流が一定で出力電圧が低下してい
く。出力電圧が低下するとスイッチングトランジスタＱ
１がターンオフした時にトランスＴの各巻線に現れるフ
ライバック電圧も小さくなる。すると３次巻線Ｎ３、コ
ンデンサＣ３、抵抗Ｒ４がスイッチングトランジスタＱ
１のゲートに供給する電圧信号は小さくなり、その結
果、スイッチングトランジスタＱ１のゲートに加わるバ
イアスは入力電圧によって大きな影響を受けるようにな
る。

【００１２】このような回路の状態において、先ず、入
力端子１ａ、１ｂ間に高い入力電圧が印加されると、抵
抗Ｒ２を介してスイッチングトランジスタＱ１のゲート
に印加される電圧は高くなり、このためスイッチングト
ランジスタＱ１はオン状態に移行しやすい状態となる。
そのため図６のゲート電圧の波形図に示すように、３次
巻線Ｎ３、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ４によって印加され
る逆バイアスの電圧が低下すると、スイッチングトラン
ジスタＱ１はすぐにターンオンするようになる。その結
果、スイッチングトランジスタＱ１のオフ期間は短くな
り、出力端子２ａ、２ｂ間が短絡に近い状態になるほ
ど、図５の線（Ｈ）のように負荷電流が増加する現象が
発生してしまう。この現象によって負荷電流が大きくな
ると、回路中の各素子にかかる負担が増大し、回路が破
損する恐れがあった。

【００１３】一方、出力電圧が低い場合には、抵抗Ｒ２
を介してスイチングトランジスタＱ１のゲートに印加さ
れる電圧は低くなり、スイッチングトランジスタＱ１は
オン状態に移行しにくい状態となる。ここで、３次巻線
Ｎ３、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ４によって印加される逆
バイアスの電圧を見ると、コンデンサＣ３の端子間電圧
に負うところが大きくなっている。コンデンサＣ３の端
子間電圧については、入力電圧が低いことと３次巻線Ｎ
３発生するフライバック電圧が小さくなることにより、
電圧の極性が反転し、抵抗Ｒ４側の方が高電位となるの
が遅くなる。その結果、図６に示すようにスイッチング
トランジスタＱ１のオフ期間は長くなり、図５の線
（Ｌ）のように所定の電圧より出力電圧が低下すると、
負荷電流が急激に小さくなる現象が現れる。

【００１４】例えば、電源回路に接続される負荷が、電
圧供給開始直後にはインピーダンスの低い容量性あるい
は誘導性の負荷であった場合、図４の回路では出力電圧
が低い起動時において負荷に充分な電流を供給できず、
負荷あるいは電源回路自体が起動できないことがあっ
た。本発明は、上記問題点を鑑み、スイッチング電源回
路の出力垂下特性を改善し、入力電圧が高い時には大き
な負荷電流が流れず、また入力電圧が低い時には起動時
においても充分な負荷電流が供給できる自励式スイッチ
ング電源回路を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、インダクタン
ス部品とスイッチング素子を直列に接続し、インダクタ
ンス部品に発生する電圧をスイッチング素子にフィード
バックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源
回路において、スイッチング素子の主電流路に直列接続
され、スイッチング素子に流れる電流を検出する電流検
出手段、スイッチング素子の制御端子に接続され、電流
検出手段からの信号に応じてスイッチング素子の制御端
子に入力される信号を制限する制御手段、回路の入力端
子に接続され、回路の入力電圧でスイッチング素子に順
方向バイアスを与えるための起動回路、起動回路とスイ
ッチング素子の制御端子との間に接続された定電流回
路、を具備することを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】トランス等のインダクタンス部品
の所定の巻線にスイッチング素子の主電流路を直列に接
続し、スイッチング素子の制御端子にインダクタンス部
品の巻線を含む信号帰還回路を接続する。スイッチング
素子の制御端子には制御用のトランジスタ素子の主電流
路を接続し、スイッチング素子の主電流路には電流検出
手段を直列に接続し、そして電流検出手段からトランジ
スタ素子の制御端子にスイッチング素子を流れる電流に
相当する信号が入力されるように構成する。入力端子に
起動回路を接続し、起動回路とスイッチング素子の制御
端子との間に定電流回路を接続する。スイッチング素子
の制御端子に与える、スイッチング素子を導通させるた
めの初期の順方向のバイアスを、起動回路からスイッチ
ング素子の方向に一定の電流を流すことによって供給す
る。これにより入力電圧の大きさによってスイッチング
素子の制御端子に与えられる順方向のバイアスが変化し
ないようにする。

【００１７】

【実施例】出力の垂下特性を改善した本発明による自励
式スイッチング電源回路の実施例を図１に示した。図１
に示す回路は以下の構成部分を除いて、図３で説明した
従来の回路と同一の回路構成となっている。すなわち図
１の回路では、入力端子１ａとスイッチングトランジス
タＱ１のゲートとの間に抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１０を直列に
接続し、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ１０の接続点と入力端子１ｂ
との間に定電圧ダイオードＤＺ２を接続している。ここ
で、抵抗Ｒ２は図３と同様に起動回路であり、抵抗Ｒ１
０と定電圧ダイオードＤＺ２は定電流回路３を形成して
いる。このように定電流回路３を設けることにより図１
に示す回路の動作は以下のように改善される。

【００１８】先ず、定電流回路３の作用により、抵抗Ｒ
２からスイッチングトランジスタＱ１のゲートに向かっ
て流れる電流は入力電圧の大きさによる変動が無くな
り、スイッチングトランジスタＱ１のゲートに印加され
る順方向バイアスをほぼ同レベルに設定することができ
るようになる。そのため、入力電圧の変動幅に左右され
ずにスイッチングトランジスタＱ１の順方向バイアスを
最適な状態に設定することが可能となる。次に、定電流
回路３からスイッチングトランジスタＱ１のゲートに向
かって供給される電流は大きく変動しないため、過電流
保護動作時においてスイッチングトランジスタＱ１のオ
フ期間を決定する３次巻線Ｎ３とコンデンサＣ３のエネ
ルギーの充放電時間はほぼ一定になる。

【００１９】この２つの作用によってスイッチングトラ
ンジスタＱ１のオフ時間は入力電圧、出力端子２ａ、２
ｂ間のインピーダンスの値に関わらずほぼ一定にするこ
とが可能となる。このときのスイッチングトランジスタ
Ｑ１のゲート電圧の波形図を図３に示しておいた。この
ように図１に示す回路では、スイッチングトランジスタ
Ｑ１のオン期間は過電流保護動作によってスイッチング
トランジスタＱ１を流れる電流に応じて制御され、オフ
期間は定電流回路３によってほぼ一定となる。このた
め、入力電圧の大きさ、出力端子２ａ、２ｂ間のインピ
ーダンスの値によって負荷電流が増加あるいは減少する
ことが無くなり、図１の回路の高入力時（Ｈ）、低入力
時（Ｌ）のそれぞれの出力の垂下特性は図２に示すよう
に改善される。

【００２０】この図２の出力の垂下特性を見ると分かる
ように、図１の回路によれば、負荷電流の増加による回
路の破損の恐れや、起動時に負荷へ充分な電流を供給で
きなくなる事態、そして容量性あるいは誘導性の負荷を
起動できなくなる事態を防止することが可能になる。な
お図１の回路では、定電流回路３は定電圧ダイオードＤ
Ｚ２、抵抗Ｒ１０によって構成しているが、定電流ダイ
オードやトランジスタ素子を使用して定電流特性を有す
る回路を構成したものでも良い。

【００２１】

【発明の効果】以上に述べたように本発明による自励式
スイッチング電源回路は、インダクタンス部品に現れる
電圧信号を正帰還してスイッチング素子に自励発振動作
を行わせ、さらにスイッチング素子に流れる電流を検出
して過電流保護を行うスイッチング電源回路において、
スイッチング素子の制御端子と起動回路の間に定電流回
路を設ける構成を特徴としている。この構成によれば、
スイッチング素子のオフ期間が、入力電圧、負荷状態に
よって不安定に変動しないようにすることができる。そ
の結果、出力端子間が短絡に近い状態となっても、負荷
電流がほぼ一定となるように回路の出力の垂下特性を改
善することができ、入力電圧の大きさ及び負荷の状態に
よって負荷電流が増加あるいは減少することを防止でき
る。そして、出力の垂下特性が改善されることにより、
回路が破損する、起動時に充分な電流を供給できない等
の問題の発生を防止することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による自励式スイッチング電源回路の
実施例の回路図。

【図２】 図１の回路の出力の垂下特性。

【図３】 図１の回路の高・低入力時におけるスイッチ
ング素子のゲート電圧の波形図。

【図４】 従来の自励式スイッチング電源回路の一例の
回路図。

【図５】 図４の回路の出力の垂下特性。

【図６】 図４の回路の高・低入力時におけるスイッチ
ング素子のゲート電圧の波形図。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ 入力端子 ２ａ、２ｂ 出力端子 ３ 定電流回路 Ｔ トランス Ｎ１ １次巻線 Ｎ２ ２次巻線 Ｎ３ ３次巻線 Ｑ１ スイッチングトランジスタ Ｑ２ 制御用のトランジスタ ＤＺ２、Ｒ１０ 定電流回路を構成する定電圧ダイオー
ドと抵抗 Ｒ１ 電流検出手段としての抵抗 Ｒ２ 起動回路としての抵抗 Ｒ４、Ｃ３ 信号帰還回路を構成する抵抗とコンデ
ンサ ＰＨ１、ＰＨ２ フォトカプラの発光素子と受光素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インダクタンス部品とスイッチング素子
   を直列に接続し、該インダクタンス部品に発生する電圧
   を該スイッチング素子にフィードバックして自励発振を
   行わせる自励式スイッチング電源回路において、 該スイッチング素子の主電流路に直列接続され、該スイ
   ッチング素子に流れる電流を検出する電流検出手段、 該スイッチング素子の制御端子に接続され、該電流検出
   手段からの信号に応じて該スイッチング素子の制御端子
   に入力される信号を制限する制御手段、 回路の入力端子に接続され、回路の入力電圧で該スイッ
   チング素子に順方向バイアスを与えるための起動回路、 該起動回路と該スイッチング素子の制御端子との間に接
   続された定電流回路、を具備することを特徴とする自励
   式スイッチング電源回路。
2. 【請求項２】 前記起動回路が第１の抵抗素子より成
   り、前記定電流回路が該起動回路と入力端子との間に接
   続された定電圧ダイオード及び該起動回路とスイッチン
   グ素子の制御端子との間に接続された第２の抵抗素子よ
   り成ることを特徴とする、請求項１に記載した自励式ス
   イッチング電源回路。