JPH10125538A - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】負荷が軽くなっても変換効率の悪化が少なく、
安定した動作を得ることができるスイッチングレギュレ
ータを提供する。 【解決手段】ボビン２２１に電線２２２を巻装させて一
次側の巻線や二次側の巻線が形成する。電線２２２が巻
装されたボビン２２１にＥコア２２３Ａ，２２３Ｂが装
着されてトランス２２を形成する。Ｅコア２２３Ａの中
脚２２３Ａｃの突き合わせ面、すなわちＥコア２２３Ｂ
の中脚２２３Ｂｃと対向する面に突出部２２４を形成し
て、Ｅコア２２３ＡとＥコア２２３Ｂとのギャップを無
くし、あるいは狭める。軽負荷時には、トランス２２に
流れる電流が小さくインダクタンスが大きいので、突出
部が無い場合のように発振周波数が異常に高くなり間欠
発振等を生ずることが無く安定した動作を得られる。電
流の増加が緩やかとされるので、スイッチングトランジ
スタの電力損失が少なく軽負荷時での効率の悪化が少な
い。

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、スイッチングレ
ギュレータに関する。詳しくは、トランスの第１のコア
と第２のコアとの対向面の一部にギャップ幅を無くしあ
るいはギャップ幅を狭める突出部を形成することによ
り、トランスに流れる電流が小さいときのインダクタン
スを大きいものとして、軽負荷時の動作を安定させるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、回路構成が簡単で安価な電源とし
て、例えばＲＣＣ(Ringing Choke Convertor)方式のス
イッチングレギュレータが用いられている。このＲＣＣ
方式のスイッチングレギュレータで用いられるトランス
では、所望の出力電力を得るときに磁気飽和を起こさな
いように、トランスのコアにギャップを挿入してコアの
実効透磁率を下げることが行われる。ここで、従来のト
ランスの構成を図７に示す。なお、図７では例えば２つ
のＥコアから成るＥＥ型コアを用いたトランスの構成を
示している。

【０００３】図７において、ボビン１０１には電線が巻
装されて一次側および二次側の巻線１０２が形成される
と共に、電線が巻装されたボビン１０１にＥコア１０３
Ａ，１０３Ｂが装着されてトランス１０が構成されてい
る。図８は図７に示すトランス１０のＩ−Ｉ’線での断
面の概略を示す図であり、Ｅコア１０３Ａの中脚１０３
ＡｃとＥコア１０３Ｂの中脚１０３Ｂｃの突き合わせ部
分にはギャップ１０４が形成される。また、図９はギャ
ップ１０４が形成されたトランス１０の特性を示してお
り、横軸はトランス１０に流れる電流、縦軸は流れる電
流によって生じるインダクタンスを示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
ギャップを有するトランスを用いた場合、負荷が軽くな
って、スイッチングレギュレータのスイッチングトラン
ジスタのオン期間が短くなると、スイッチングトランジ
スタが飽和状態とされない場合が生じて、例えば時点ｔ
1〜ｔ2の期間中、図１０Ａに示すようにコレクタ−エミ
ッタ間電圧ＶCEが「０」とならないと共に図１０Ｂに示
すようにコレクタ電流ＩCが流れて、スイッチングトラ
ンジスタでの電力損失が増加してしまう。なお、時点ｔ
2〜ｔ3までのスイッチングトランジスタがオン状態から
オフ状態とされる過渡状態でも電力損失を生じる。この
ように電力損失が増加することから変換効率が悪化して
しまう。また、スイッチングトランジスタのオン期間が
短くなると間欠発振を生じて動作も不安定となってしま
う。

【０００５】そこで、この発明では、負荷が軽くなって
も変換効率の悪化が少なく、安定した動作を得ることが
できるスイッチングレギュレータを提供するものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係るスイッチ
ングレギュレータは、トランスの第１のコアと第２のコ
アとの対向面の一部に、第１のコアと第２のコアとのギ
ャップ幅を無くす、あるいは狭める突出部を形成するも
のである。

【０００７】この発明においては、トランスの第１のコ
アと第２のコアの対向面の一部に形成された突出部によ
って、トランスの第１のコアと第２のコアとのギャップ
幅が無くされあるいは狭められるので、トランスに流れ
る電流が小さいときのインダクタンスが通常負荷時に比
べて大きいものとされる。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、この発明に係るスイッチン
グレギュレータの構成を図を使用して説明する。

【０００９】図１において、電源端子２１ｐ，２１ｎ間
には直流電圧が供給される。この電源端子２１ｐは、ト
ランス２２の一次巻線２２ＰおよびＮＰＮ形トランジス
タ２３のコレクタ−エミッタを介して接地される。また
電源入力端子２１ｐは、抵抗器２４を介してトランジス
タ２３のベースに接続される。なお、トランジスタ２３
のコレクタ−エミッタ間には、トランジスタ２３のコレ
クタ−エミッタ間電圧の立ち上がりを緩やかとしたり、
ノイズを軽減するためのコンデンサ２５が接続される。

【００１０】トランス２２のベース巻線１２Ｂの一端は
電源端子２１ｎに接続され、他端はダイオード２６およ
びコンデンサ２７で構成される並列回路２８のダイオー
ド２６のアノード側に接続される。並列回路２８のダイ
オード２６のカソード側は、抵抗器２９および過飽和リ
アクトル３０を介してトランジスタ２３のベースに接続
される。また、トランジスタ２３のベースは、ベース電
流制御用のＮＰＮ形トランジスタ３１のコレクタと接続
されると共に、抵抗器３２を介して電源端子２１ｎに接
続される。

【００１１】トランジスタ３１のエミッタは電源端子２
１ｎに接続され、ベースはコンデンサ３３を介して電源
端子２１ｎに接続される。またベースには、抵抗器３４
の一端が接続されており抵抗器３４の他端は、ツェナー
ダイオード３５のアノードに接続される。ツェナーダイ
オード３５のカソードは並列回路２８のダイオード２６
のアノード側に接続される。さらに、ベースには抵抗器
３６を介してホトカプラ３７のホトトランジスタ３７Ｔ
のエミッタに接続される。このホトカプラ３７のホトト
ランジスタ３７Ｔのコレクタは、並列回路２８のダイオ
ード２６のアノード側に接続される。

【００１２】トランス２２の二次巻線２２Ｓａの一端は
整流用のダイオード４１のアノードと接続される。ダイ
オード４１のカソードは平滑用のコンデンサ４２の一方
の端子に接続され、コンデンサ４２の他方の端子は二次
巻線２２Ｓａの他端に接続される。このコンデンサ４２
の端子間に直流電圧が発生されて電源出力端子４３ｐ，
４３ｎから出力される。

【００１３】また、トランス２２の二次巻線２２Ｓｂの
一端は整流用のダイオード５１のアノードと接続され
る。ダイオード５１のカソードは平滑用のコンデンサ５
２の一方の端子が接続され、コンデンサ５２の他方の端
子は二次巻線２２Ｓｂの他端に接続される。このコンデ
ンサ５２の端子間に直流電圧が発生されて電源出力端子
５３ｐ，５３ｎから出力される。

【００１４】電源出力端子５３ｐには、抵抗器６１を介
してホトカプラ３７の発光ダイオード３７ｄのアノード
が接続される。発光ダイオード３７ｄのカソードは、基
準電圧を発生させるためのシャントレギュレータ６２の
カソード端子６２kに接続される。また電源出力端子５
３ｐは、抵抗器６３，６４を介して電源出力端子５３ｎ
に接続されており、シャントレギュレータ６２の基準電
圧端子６２refは抵抗器６３，６４の接続点に接続され
ると共に、アノード端子６２ａは、電源出力端子５３ｎ
に接続される。また、シャントレギュレータ６２のカソ
ード端子６２ｋと基準電圧端子６２ref間には位相補正
用のコンデンサ６５が接続される。

【００１５】このスイッチングレギュレータで用いられ
るトランス２２は図２に示すように、従来と同様にボビ
ン２２１に電線２２２が巻装されて一次側の巻線や二次
側の巻線が形成されると共に、電線２２２が巻装された
ボビン２２１にＥコア２２３Ａ，２２３Ｂが装着されて
トランス２２が形成される。図３は図２に示すトランス
２２のII−II’線の断面の概略を示す図であり、Ｅコア
２２３ＡとＥコア２２３Ｂの対向面の一部に、Ｅコア２
２３ＡとＥコア２２３Ｂとのギャップが無くすか、ある
いは狭めるための突出部が形成される。例えばＥコア２
２３Ａの中脚２２３Ａｃの突き合わせ部分、すなわちに
Ｅコア２２３Ｂの中脚２２３Ｂｃと対向する面に突出部
２２４が形成されてギャップが無くされあるいは狭いも
のとされる。なお、突出部はＥコア２２３ＡとＥコア２
２３Ｂの一方だけでなく双方に設けるものとしてもよ
い。このため、トランス２２では図４に示すように電流
が小さいときにはインダクタンスが大きいものとされ
る。この図４において、破線は突出部が形成されていな
いトランスの特性を示している。

【００１６】次に、図１に示すスイッチングレギュレー
タの動作について説明する。電源端子２１ｐ，２１ｎ間
に電源端子２１ｐを正極側とする電源が供給されると、
トランジスタ２３のベースには電源電圧が抵抗器２４，
３２で分圧されて供給される。このとき、トランジスタ
２３がオン状態とされて、トランス２２の一次巻線２２
Ｐを介してトランジスタ２３にコレクタ電流が流れて、
トランス２２のベース巻線２２Ｂに誘起された電圧がコ
ンデンサ２７、抵抗器２９、過飽和リアクトル３０を介
してトランジスタ２３に供給される。このため、トラン
ジスタ２３のコレクタ電流が更に増加される。なお、過
飽和リアクトル３０が用いられることにより、トランジ
スタ２３のオン状態とされるタイミングが遅延されてト
ランジスタ２３の電力損失は小さいものとされる。

【００１７】その後、更にコレクタ電流が増加すると、
ベース電流が不足する状態とされるので、トランジスタ
２３はオン状態が維持できなり、一次巻線２２Ｐの電圧
が低下してベース巻線２２Ｂの誘起電圧が減少されると
共にベース電流も減少される。このため、トランジスタ
２３はオフ状態とされる。

【００１８】トランジスタ２３がオフ状態とされると、
トランス２２の各巻線には逆起電力が発生し、二次巻線
２３Ｓａ，２３Ｓｂからダイオード４１，５１を介して
電流が流れて、電源出力端子４３ｐ，４３ｎ間および電
源出力端子５３ｐ，５３ｎ間に電圧が発生される。ま
た、トランス２２に蓄えられたエネルギの放出が終了す
ると、二次巻線側の残留エネルギによってベース巻線２
２Ｂに電圧が発生されて再びトランジスタ２３がオン状
態とされる。

【００１９】以下同様にしてスイッチング動作が繰り替
えられて、電源出力端子４３ｐ，４３ｎおよび電源出力
端子５３ｐ，５３ｎから電圧が出力される。

【００２０】また、電源出力端子５３ｐ，５３ｎから出
力される電圧は抵抗器６３，６４によって分圧されてシ
ャントレギュレータ６２の基準電圧端子６２refに供給
される。

【００２１】シャントレギュレータ６２では、シャント
レギュレータ６２の内部の基準電圧と基準電圧端子６２
refに供給された電圧が比較されて、例えば内部の基準
電圧よりも基準電圧端子６２refに供給された電圧が大
きい場合には、カソード端子６２ｋで引き込み電流を生
じてホトカプラ３７の発光ダイオード３７Ｄが点灯され
る。また、内部の基準電圧よりも基準電圧端子６２ref
に供給された電圧が小さい場合には、カソード端子６２
ｋで引き込み電流が生じることがなくホトカプラ３７の
発光ダイオード３７Ｄは消灯される。

【００２２】このように、シャントレギュレータ６２に
よってホトカプラ３７の発光ダイオード３７Ｄの点灯が
制御されることにより、ホトトランジスタ３７Ｔのコレ
クタ電流も制御される。このホトトランジスタ３７Ｔの
コレクタ電流はトランジスタ３１のベース電流とされる
ことから、このホトトランジスタ３７Ｔのコレクタ電流
によってトランジスタ３１が駆動されるので、トランジ
スタ２３のベース電流が制御される。このため、シャン
トレギュレータ６２の基準電圧端子６２refの電圧が内
部の基準電圧と等しくなるようにトランジスタ２３が駆
動されて、電源出力端子４３ｐ，４３ｎ間および電源出
力端子５３ｐ，５３ｎ間の電圧が所定の電圧となるよう
に制御される。

【００２３】たとえば、シャントレギュレータ６２の内
部の基準電圧よりも基準電圧端子６２refに供給された
電圧が大きい場合、ホトカプラ３７の発光ダイオード３
７Ｄに電流が流れることにより、ホトトランジスタ３７
Ｔにコレクタ電流が流れる。このコレクタ電流によって
トランジスタ３１が駆動されることによりトランジスタ
２３のベース電流が減少されるので、トランス２２に流
れる電流が減少されて電源出力端子４３ｐ，４３ｎ間お
よび電源出力端子５３ｐ，５３ｎ間の電圧が低下され
る。

【００２４】また、シャントレギュレータ６２の内部の
基準電圧よりも基準電圧端子６２refに供給された電圧
が小さくなると、ホトカプラ３７の発光ダイオード３７
Ｄが点灯が停止されるので、ホトトランジスタ３７Ｔに
もコレクタ電流が流れずトランジスタ３１はオフ状態と
される。このため、トランジスタ２３のベース電流が減
少されることがないので、トランス２２に流れる電流が
増加されて電源出力端子４３ｐ，４３ｎ間および電源出
力端子５３ｐ，５３ｎ間の電圧は上昇される。

【００２５】また、電源出力端子４３ｐ，４３ｎや電源
出力端子５３ｐ，５３ｎから負荷に供給される負荷電流
が増加して、ベース巻線２２Ｂの誘起電圧が所定のレベ
ルを越えて大きくなると、ツェナーダイオード３５を介
してトランジスタ３１にベース電流が流れるので、トラ
ンジスタ２３のベース電流が減少される。このため、ト
ランス２２に流れる電流が減少されて過電流に対する保
護動作が行われる。

【００２６】次に、図５を使用して負荷の違いよる動作
状態を説明する。図５Ａは通常負荷の場合のトランジス
タ２３のコレクターエミッタ間電圧ＶCEを示しており、
図５Ｂはトランジスタ２３のコレクタ電流ＩCを示して
いる。この場合には、負荷電流が小さくないので、トラ
ンス２２のインダクタンスは図４で示す「Ｌ１」とされ
る。このため、トランジスタ２３がオン状態とされてい
る期間では、コレクタ電流ＩCは順次増加するものとさ
れて、例えば「Ｉ1」とされたときにトランジスタ２３
がオフ状態とされる。

【００２７】図５Ｃは負荷電流が小さい場合のトランジ
スタ２３のコレクターエミッタ間電圧ＶCEを示してお
り、図５Ｄはトランジスタ２３のコレクタ電流ＩCを示
している。この負荷が小さい場合には、トランス２２に
突出部２２４が形成されているため、トランジスタ２３
のコレクタ電流が小さいときにトランス２２のインダク
タンスが大きいものとされる。このため、図５Ｄに示す
ように、時点ｔ11〜ｔ12までのトランジスタ２３がオン
状態とされている期間でのコレクタ電流ＩCの増加が通
常負荷の場合よりも緩やかなものとされるので、発振周
波数が異常に高くなることを防止することができ安定し
た動作を得ることができる。

【００２８】また、トランジスタ２３がオン状態からオ
フ状態とされる変化時のコレクタ電流の電流値が小さい
ものとされるのでトランジスタ２３での電力損失も少な
くできる。このため、図６Ａに示すように負荷と効率の
関係は、破線で示す突出部が形成されていないトランス
よりも、実線で示す突出部が形成されたトランスの方が
負荷が小さいときに効率がよいものとされる。さらに、
図６Ｂに示すように入力電圧と効率の関係は、通常負荷
の場合よりも軽負荷の場合に、破線で示す突出部が形成
されていないトランスよりも、実線で示す突出部が形成
されたトランスの方が効率の改善効果が大きいものとさ
れる。

【００２９】このように、上述の実施の形態によれば、
コアのギャップを無くし、あるいは狭くする突出部を形
成することにより、軽負荷時にはトランスのインダクタ
ンスが大きくされて、スイッチングトランジスタのコレ
クタ電流が通常負荷の場合よりも緩やかに増加されるの
で、発振周波数が突出部を形成しない場合よりも低くさ
れて安定した動作を得ることができる。特に、図１の如
く疑似共振を備えたＲＣＣスイッチングレギュレータの
場合、軽負荷時の発振周波数を必要以上に高くしないこ
とは、効率の改善に有効とされる。また、コレクタ電流
が緩やかに増加されるので、スイッチングトランジスタ
のスイッチングの過渡領域での損失を低減でき、スイッ
チングレギュレータの効率を改善することができる。

【００３０】なお、上述の実施の形態では、自励式のス
イッチングレギュレータについて説明したが、スイッチ
ングレギュレータは自励式のものに限られるものではな
く他励式のスイッチングレギュレータであってもよい。
またトランスのコアはＥＥ型コアだけでなくＥコアとＩ
コアを用いたＥＩ型コアなどであってもよいことは勿論
である。

【００３１】

【発明の効果】この発明によれば、突出部によってトラ
ンスの第１のコアと第２のコアとのギャップ幅が無くさ
れ、あるいは狭められるので、トランスに流れる電流が
小さいときのインダクタンスが通常負荷時に比べて大き
いものとされる。このため、スイッチングトランジスタ
のコレクタ電流が通常負荷の場合よりも緩やかに増加さ
れて発振周波数が高くなることを防止することができる
と共に、スイッチングトランジスタの損失が低減されて
スイッチングレギュレータの効率を改善することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るスイッチングレギュレータの構
成を示す図である。

【図２】この発明に係るスイッチングレギュレータに用
いられるトランス２２の構成を示す図である。

【図３】トランス２２の断面の概略を示す図である。

【図４】トランス２２の特性を示す図である。

【図５】スイッチングレギュレータの動作を示す図であ
る。

【図６】スイッチングレギュレータの効率を示す図であ
る。

【図７】従来のトランス１０の構成を示す図である。

【図８】トランス１０の断面の概略を示す図である。

【図９】トランス１０の特性を示す図である。

【図１０】従来のスイッチングレギュレータの動作を示
す図である。

【符号の説明】

１０，２２・・・トランス、１０１，２２１・・・ボビ
ン、１０２，２２３・・・巻線、１０３Ａ，１０３Ｂ，
２２３Ａ，２２３Ｂ・・・Ｅコア、１０３Ａｃ，１０３
Ｂｃ，２２３Ａｃ，２２３Ｂｃ・・・中脚、２２４・・
・突出部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のコアと第２のコアを用いて構成さ
   れるトランスを使用したスイッチングレギュレータにお
   いて、 上記トランスの第１のコアと第２のコアとの対向面の一
   部に、上記第１のコアと上記第２のコアとのギャップ幅
   を無くす、あるいは狭める突出部を形成することを特徴
   とするスイッチングレギュレータ。
2. 【請求項２】 上記第１および第２のコアの一方または
   双方はＥコアであって、上記突出部をＥコアの中脚に形
   成する、 ことを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレ
   ータ。