JPH10285926A - スイッチング電源装置 - Google Patents

スイッチング電源装置

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JPH10285926A
JPH10285926A JP9103900A JP10390097A JPH10285926A JP H10285926 A JPH10285926 A JP H10285926A JP 9103900 A JP9103900 A JP 9103900A JP 10390097 A JP10390097 A JP 10390097A JP H10285926 A JPH10285926 A JP H10285926A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な回路構成で出力電圧及び発振周波数の
変動量が少なく安定した動作が行われる、自励式RCC
のスイッチング電源装置を提供すること。 【解決手段】 1次巻線、2次巻線、帰還巻線を有する
出力トランスと、出力トランスの1次巻線に直流電圧を
供給する直流電源と、出力トランスの1次巻線に一端が
接続され帰還巻線に制御端子が接続された発振用スイッ
チング素子と、出力トランスの2次巻線に接続された整
流平滑回路とを備えたスイッチング電源装置において、
出力トランスの2次巻線に電圧が発生した時点から所定
期間2次巻線に1方向およびこれとは逆方向にも電流を
流すことができるようにする制御回路を備えたことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リンギング・チョ
ーク・コンバータ(RCC)方式を用いたスイッチング
電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、自励式コンバータ装置である
自励式RCC(リンギング・チョ―ク・コンバ―タ)は
回路構成が簡単であることから低電力用のスイッチング
電源装置として広く採用されている。図6に代表的な自
励式RCCのスイッチング電源装置のブロック図を示し
た。また、図7は出力トランスの1次及び2次電流の波
形を示している。図6と図7を用いて動作を簡単に説明
する。スイッチング電源装置に交流電源が投入される
と、起動用抵抗6により発振用FET5がオン(導通)
状態となり、出力トランス29の1次巻線N1の1次電
流が流れ、直線的に増加する(図7(a)Ton期
間)。
【0003】この1次電流により帰還巻線NBに電流が
誘起され、抵抗18及びダイオード15、抵抗16、ツ
ェナーダイオード17で構成される充電用インピーダン
スを介してスイッチング用トランジスタ13のベース端
子に設けられた充電用コンデンサ14が充電される。ベ
ース端子電圧が上昇してスイッチング用トランジスタ1
3をオン状態にする。スイッチング用トランジスタ13
がオンすることでコレクタ端子は略0Vになり、コレク
タ端子に接続されている発振用FET5はオフ(遮断)
状態になる。発振用FET5がオフ(図7(a)Tof
f期間)することで、1次巻線N1に蓄積された1次電
流の逆起電力によって過渡的に2次巻線N2に2次電流
が誘起される。
【0004】2次巻線N2に誘起された2次電流は平滑
用コンデンサ21を充電することで直線的に減少(図7
(b))し、整流用ダイオード19に電流が流れなくな
った時点で、1次巻線N1及び帰還巻線NB側にリンギ
ング現象が発生する。このリンギング現象により充電用
コンデンサ14の電荷が放電され、発振用FET5を再
びオン状態にする。その後、上記の動作を繰返し、1次
側及び2次側との間で自励発振が行われ、2次側に直流
電圧を供給するようにしたのが自励式RCCによるスイ
ッチング電源装置である。
【0005】上述したように、自励発振の繰返し周波数
は、帰還回路に設けられた充電用コンデンサ14を充電
する時間(Ton期間)と、2次電流が流れなくなるま
での時間(Toff期間)で決定されるが、出力端子に
接続される負荷抵抗が小さい場合は、平滑用コンデンサ
21に充電された電荷が早く放電されるため、2次電流
が流れなくなるまでの時間が長くなり、自励発振の繰返
し周波数(発振周波数)は比較的低くなり、出力電圧も
低下する。しかし、逆に、負荷抵抗が大きい場合は、平
滑用コンデンサ21に充電された電荷が十分放電されな
い内に2次電流が誘起されるので、2次電流が流れなく
なるまでの時間が短くなり、発振周波数が高くなり、出
力電圧も高くなる。
【0006】出力電圧が所望の電圧以上になるのを抑え
るために、出力端子27側にシャントレギュレータ24
を設けている。出力電圧は抵抗25、26で分圧され、
シャントレギュレータ24の制御端子に供給される。シ
ャントレギュレータ24は所定の電圧以上の電圧が制御
端子に供給されると、電流を流すように動作するので、
出力端子27から抵抗23を介してシャントレギュレー
タ24に接続されているフォトカプラ12のフォトダイ
オード12bの電流が増加し、発光量が強まる。一方、
帰還回路側に設けられたフォトトランジスタ12aはフ
ォトダイオード12bの発光を受けるとオン状態とな
り、コレクタとエミッタ端子間のインピーダンスを低下
させる。
【0007】フォトトランジスタ12aは抵抗9及びダ
イオード11を介して充電用コンデンサ14に接続され
ているので、上記充電用インピーダンスが低下し、充電
時間が短くなる。充電時間が短くなることで、1次電流
が低下し、2次側に誘起される。2次電流も低下するこ
とから、出力電圧を低く抑えることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、自励
式RCCによるスイッチング電源装置は、負荷抵坑の変
化で出力電圧が変動しても、シャントレギュレータ24
及びフォトカプラ12を用いることで低く抑えることが
できるが、発振周波数を低く抑えることができない。特
にプラズマディスプレイパネル(以下PDPと記す)の
駆動回路用の電源として上記自励式RCCによるスイッ
チング電源装置を用いた場合、PDPの放電維持期間で
は電流がほぼゼロに近くなり、スイッチング電源装置の
負荷電流が流れないので発振周波数が上昇する。このた
め、回路利得が上がり、発振しやすく、また過渡応答も
悪化する。また、他励式の場合には回路構成の規模が大
きくなり、出力トランスも大きなものが必要となる。
【0009】本発明は、上述した問題に鑑みてなされた
ものであり、PDPのように一斉リセット期間では電流
が多く流れ、放電維持期間ではほぼゼロに近い電流しか
流れない負荷電流変動の激しい駆動回路に用いても、簡
単な回路構成で出力電圧及び発振周波数の変動量が少な
く安定した動作が行われ、且つ、無負荷状態においても
最大発振周波数の上昇を低く抑えることのできる自励式
RCCのスイッチング電源装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
1次巻線、2次巻線、帰還巻線を有する出力トランス
と、出力トランスの1次巻線に直流電圧を供給する直流
電源と、出力トランスの1次巻線に一端が接続され帰還
巻線に制御端子が接続された発振用スイッチング素子
と、出力トランスの2次巻線に接続された整流平滑回路
とを備えたスイッチング電源装置において、出力トラン
スの2次巻線に電圧が発生した時点から所定期間2次巻
線に1方向およびこれとは逆方向にも電流を流すことが
できるようにする制御回路を備えたことを特徴とする。
【0011】請求項2記載の発明は、請求項1記載のス
イッチング電源装置において、整流平滑回路は、出力ト
ランスの2次巻線に直列接続されたダイオードと、ダイ
オードより整流出力を平滑するコンデンサとを備え、整
流制御回路は、ダイオ一ドの両端に接続された第2スイ
ッチング素子と、出力トランスの2次巻線に発生する電
圧の立ち上がりによって第2スイッチング素子を所定期
間オンせしめるワンショットマルチバイブレータとを備
えたことを特徴とする。
【0012】請求項3記載の発明は、請求項1または2
記載のスイッチング電源装置において、所定期間は、発
振用スイッチング素子の最小発振周期より短い期問に設
定されていることを特徴とする。
【0013】
【作用】1次巻線、2次巻線、帰還巻線を有する出力ト
ランスと、出力トランスの1次巻線に直流電圧を供給す
る直流電源と、出力トランスの1次巻線に一端が接続さ
れ帰還巻線に制御端子が接続された発振用スイッチング
素子と、出力トランスの2次巻線に接続された整流平滑
回路とを備えたスイッチング電源装置において、制御回
路により出力トランスの2次巻線に電圧が発生した時か
ら所定期間2次巻線に1方向およびこれとは逆方向にも
電流を流すようにし、最大発振周波数を所望の周波数以
内に設定する。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態によるスイッ
チング電源装置のブロック図を図1に示し、以下、スイ
ッチング電源装置の構成を説明するにあたり、従来例と
同一の部分は自励式RCCによるスイッチング電源装置
として公知であり、本発明の一実施形態によるスイッチ
ング電源装置として改良した部分のみを説明する。尚、
従来例と同一の部分には同一の符号を付している。先
ず、従来例と異なる点は、出力トランス29の2次巻線
N2の一方端に設けられている整流用ダイオード19を
他方端に設け、且つダイオード19の向きを逆方向に配
置している。また、出力トランス29の2次側に制御巻
線NCを設け、これに整流制御回路を構成した点であ
る。
【0015】即ち、出力トランス29の2次巻線N2の
一方端は出力端子27に接続され、他方端は整流用ダイ
オード19のカソード端子側に接続され、アノード端子
側はアース端子に接続されている。一方、制御巻線NC
の他方端はアース端子に接続され、一方端にはダイオー
ド31のアノード端子及び抵抗35を介してトランジス
タ36のベース端子に接続されている。ダイオード31
のカソード端子はコンデンサ32でアース端子に接続さ
れると共に、3端子レギュレータ33の入力端子に接続
されている。3端子レギュレータ33の出力端子とアー
ス端子間に平滑用コンデンサ34が接続され、平滑され
た3端子レギュレータ33の出力電圧がワンショットマ
ルチバイブレータ40を含む整流制御回路に供給され
る。ワンショットマルチバイブレータ40は、モトロー
ラ製IC「MC14538B」により構成され、その等
価回路を図4に示す。
【0016】また、トランジスタ36のベース端子とア
ース端子間にダイオード37及び抵抗38が並列に設け
られ、エミッタ端子はアース端子に、コレクタ端子は抵
抗39を介して3端子レギュレータ33の出力端子に接
続されている。トランジスタ36のコレクタ端子はワン
ショットマルチバイブレータ40の11番ピンに、12
番ピンはアース端子に接続されている。また、14番ピ
ンは時定数を設定する端子であり、14番ピンとアース
端子間にコンデンサ41が、14番ピンと3端子レギュ
レータ33の出力端子に抵抗42が接続されている。
【0017】また、ワンショットマルチバイブレータ4
0の出力端子の10番ピンに抵抗43を介してNPNト
ランジスタ44及びPNPトランジスタ45のベース端
子が接続され、各エミッタ端子が共通接続され、共通エ
ミッタ端子から抵抗46を介して第2のスイッチング素
子であるN型MOSFET30(以下制御用FETと記
す)のゲート端子に接続されている。PNPトランジス
タ45のコレクタ端子はアース端子に、NPNトランジ
スタ44のコレクタ端子は3端子レギュレータ33の出
力端子に接続されている。制御用FET30のドレイン
端子は整流用ダイオード19のカソード端子に、ソース
端子は整流用ダイオード19のアノード端子に夫々接続
されている。
【0018】では、ここで本発明の一実施形態によるス
イッチング電源装置の動作を図1及び図2を用いて説明
する。尚、図2は出力トランスの電流波形図である。先
ず、負荷に流れる電流が小さい時について説明する。ス
イッチング電源装置に電源が投入されると、ヒューズ1
を介してラインフィルタ2に交流電圧が供給され、ダイ
オードブリッジ3により両波整流されて、ダイオードブ
リッジ3の出力端子に、正極の直流電圧を発生する。こ
の直流電圧は平滑用コンデンサ4によって平滑され、出
力トランス29の1次巻線N1の一方端に供給される。
この時、1次巻線N1の一方端とアース端子間に接続さ
れている起動用抵抗6、7による分圧された電圧が発振
用スイッチング素子であるN型MOSFET5(以下発
振用FETと記す)のゲート端子に印加されるので、発
振用FET5はオンとなり、1次巻線N1に1次電流I
1 が流れる。
【0019】1次巻線N1に流れた1次電流は帰還巻線
NBに誘起され、帰還巻線NBの一方端の電圧が序々に
上昇する。帰還巻線NBの一方端に発生した電圧は、帰
還回路を構成する抵抗18及びダイオード15、抵抗1
6、ツェナーダイオード17を介して、充電用コンデン
サ14を序々に充電する。充電用コンデンサ14に充電
された電位がスイッチング用トランジスタ13のベース
端子電圧を上昇させ、ベース・エミッタ間電圧(Vb
e)を越えるとオンとなり、コレクタ端子電圧が略0V
まで降下し、発振用FET5はオフする。発振用FET
5がオフすると、1次巻線N1の他方端が解放状態とな
り1次電流I1 が停止する。この時、1次巻線N1に蓄
積されたエネルギが過渡的に2次巻線N2に誘起され
る。
【0020】2次巻線N2の他方端に設けられた整流用
ダイオード19に接続されている制御用FET30は、
後述する整流制御回路によりオンされていることから2
次巻線N2に誘起された2次電流I2 は平滑用コンデン
サ21に充電される。一方、出力トランス29の2次側
に設けられた制御巻線NCに対しても上記1次巻線N1
に蓄積されたエネルギが過渡的に誘起され、ダイオード
31で整流された後、3端子レギュレータ33に電圧を
供給する。3端子レギュレータ33は所定の電圧(例え
ば12V)を出力し、整流制御回路に電圧を供給する。
また、制御巻線NCの一方端に設けられた抵抗35を介
してトランジスタ36のベース端子に電圧が供給される
ので、トランジスタ36はオンとなり、略0Vとなった
コレクタ端子電圧が、ワンショットマルチバイブレータ
40の11番ピンに供給される。
【0021】ワンショットマルチバイブレータ40は、
11番ピンにローレベル(略0V)が印加されると、1
4番ピンに接続されているコンデンサ41と抵抗42の
値により決まる時定数の期間(以下制御時間Tcと記
す)、10番ピンに略12Vの電圧を出力する。10番
ピンには抵抗43を介してNPNトランジスタ44及び
PNPトランジスタ45のベース端子が接続されている
ので、NPNトランジスタ44はオンし、PNPトラン
ジスタ45はオフすることから、共通エミッタ端子は略
12Vとなり、制御時間Tcの間制御用FET30をオ
ンにし、整流用ダイオード19を短絡状態にする。即
ち、図2(g)の如く、2次電流I2 の発生時点からT
cの期間、整流用ダイオード19が短絡状態となる。
【0022】2次巻線N2に誘起された2次電流I2
は、平滑コンデンサ21を充電することによりほぼ電流
値0まで直線的に減少する。この時、図2(c)、
(d)および(e)、(f)の如く負荷抵坑が大きく負
荷電流が小さい時には、2次電流I2 がほぼ0に至った
時においてもワンショットマルチバイブレータ40の制
御時間Tc中であるので、整流用ダイオード19が制御
用FET30によって依然として短絡状態にある。よっ
て、平滑コンデンサ21に蓄積された電荷による2次電
流I2 は2次巻線N2を介してアース端子側に流れる。
即ち、当初1次巻線N1から誘起された2次電流I2 と
逆方向の電流(以下、2次逆電流と記す)がアース端子
側に流れる。一方、ワンショットマルチバイブレータ4
0の10番ピンは、14番ピンのコンデンサ40と抵抗
41による制御時間Tcが終了するとローレベルに変位
するので、PNPトランジスタ44がオフし、共通エミ
ッタ端子がローレベルになり、制御用FET30をオフ
にする。
【0023】制御用FET30がオフすると、1次巻線
N1及び帰還巻線NBにリンギングが発生し、2次巻線
N2に流れた2次逆電流I2 によって1次巻線N1及び
帰還巻線NBが励起される。2次逆電流は負極性の電流
であることから、1次側のアース端子電位はマイナス側
に変位される。また、充電用コンデンサ14の電位を放
電させることにより発振用FET5をオンにする。
【0024】一方、負荷電流が大きい時には、図2
(a)、(b)に示すように、2次電流I2 が大きいの
で、その電流値が0に至る以前にワンショットマルチバ
イブレータ40による制御時間Tcが終了し、制御用F
ET30がオフして整流用ダイオード19が活性化す
る。従って、前述したような従来と同様の構成および動
作を行う。1次側のアース端子の電位がマイナス側に変
位されているので、1次巻線N1の1次電流I1 はマイ
ナス側からプラス側に直線的に増加する。即ち、図2
(c)、(e)に示すように発振用FET5がオンの期
間では、当初1次電流I1 はマイナス側からプラス側に
至る上昇電流が生じ、電流値0から従来と同様に正側に
直線的に増加する。また、2次電流I2 は、図2
(d)、(f)に示すように正側から減少し、電流値0
から逆方向に流れ始める。
【0025】本発明の一実施形態によるスイッチング電
源装置において、自励発振の繰返し周波数は、発振用F
ET5のTon時間と、整流制御回路の制御用FET3
0がオンからオフまでの時間(制御時間Tc)で決定さ
れるのでTon時間と制御時間Tcを略同一になるよう
に時定数の定数を設定すれば、周期が50%の発振周波
数が得られる。また、制御時間Tcを発振用FET5の
Ton時間よりも短く設定すれば、最大発振周波数は制
御時間Tcで設定されることから負荷電流の変動により
影響されるToff時間に依存されない。従って、負荷
電流の変動に依存されることなく、所望の最大発振周波
数が設定される。
【0026】また、図2は、負荷電流に対する1次側及
び2次側の電流波形を示しており、例えば、負荷抵坑が
大きい場合は図2(c)、(d)に示すようにマイナス
側の電流とプラス側の電流の内、プラス側の範囲が大き
くなり、プラス側電流とマイナス側電流の差分として出
力端子にプラス電流を供給する。また、負荷抵坑が更に
大きくなって無負荷の場合は、図2(e)、(f)に示
すようにマイナス側とプラス側の電流が略同一となり、
出力端子に供給される電流は略0となることを示してい
る。一方、負荷抵坑が小さいときには図6と同様とな
る。
【0027】図3は、本発明の一実施形態によるスイッ
チング電源装置の負荷電流に対する出力電圧及び発振周
波数との関係を示した。図3において、図中点線が従来
例における動作特性であり、実線が本発明の実施例によ
るスイッチング電源装置の動作特性である。図3(a)
に示す負荷電流対出力電圧特性において、無負荷状態
(負荷電流が0)の場合に、従来例では出力電圧が約1
77.5Vまで上昇するが、本発明の実施例では約17
5.5Vに抑えられている。また、負荷電流の変化に対
する出力電圧の変化量は、従来例が約3.5Vの変化量
に対して本発明の実施例では約0.5Vの変化量に抑え
られている。
【0028】一方、図3(b)に示す負荷電流対発振周
波数特性において、無負荷状態の場合に、従来例では最
大発振周波数が約130kHzまで上昇するが、本発明
の実施例では最大で約70kHzに抑えられている。同
様に、発振周波数の変化量を見ると、従来例では約10
0kHzの変化量が有るが、本発明の実施例では最大で
40kHz程度の変化量に抑えられている。
【0029】尚、本発明の一実施形態によるスイッチン
グ電源装置に用いられる制御用FETにN型MOSFE
Tを用いて説明したが、高周波用スイッチ等で構成して
も同様の効果が得られるので、N型MOSFETに限定
されない。また、正極用のスイッチング電源装置で説明
したが、負極用に適用しても同様の効果が得られる。ま
た、2次巻線に用いた整流用ダイオード19の位置及び
向きに限定されないし、スイッチング電源部の構成も実
施形態に限定されず、種々のスイッチング電源に適用で
きる。
【0030】図5は、本発明の他の実施形態を示し、2
次巻線N2に対して整流用ダイオード19を接続する終
路と、該整流用ダイオード19をパスする終路とをスイ
ッチ51にて切替え、スイッチ51をワンショットマル
チバイブレータ40とスイッチ駆動回路50にて制御す
るように構成したものである。かかる実施形態に依れ
ば、前述の第1実施形態の如く所定の制御時間Tcワン
ショットマルチバイブレータ40が駆動されている期
間、スイッチ駆動回路50が駆動されてスイッチ51が
整流用ダイオード19をパスする経路に切替わる。ま
た、所定の制御時間Tcが経過後、スイッチ51は整流
用ダイオード19側に切替わることにより第1実施形態
と同様の動作を行う。
【0031】
【発明の効果】本発明の一実施形態によるスイッチング
電源装置によれば、簡単な回路構成で無負荷状態におけ
る最大発振周波数を所望の周波数以内に設定することが
でき、且つ、出力電圧及び発振周波数の変動量が少ない
ので、回路損失が少なく、安定した動作が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態によるスイッチング電源装
置のブロック図。
【図2】本発明の一実施形態によるスイッチング電源装
置の出力トランスの電流波形を示す図。
【図3】本発明の一実施形態によるスイッチング電源装
置の負荷電流に対する出力電圧及び発振周波数の特性
図。
【図4】図1に用いられるワンショットマルチバイブレ
ータ40の等価回路図。
【図5】本発明の他の実施形態を示す図。
【図6】従来例における自励式RCCのスイッチング電
源装置のブロック図。
【図7】従来例における自励式RCCのスイッチング電
源装置の出力トランスの電流波形を示す図。
【符号の説明】
5・・・発振用FET 14・・充電用コンデンサ 19・・整流用ダイオード 30・・制御用FET 31、37・・ダイオード 32、34・・平滑用コンデンサ 33・・3端子レギュレータ 35、38、39、、42、43、46・・抵抗 36・・トランジスタ 40・・ワンショットマルチバイブレータ 44・・NPNトランジスタ 45・・PNPトランジスタ 50・・スイッチ駆動回路 51・・スイッチ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1次巻線、2次巻線、帰還巻線を有する
    出力トランスと、 前記出力トランスの1次巻線に直流電圧を供給する直流
    電源と、 前記出力トランスの1次巻線に一端が接続され帰還巻線
    に制御端子が接続された発振用スイッチング素子と、 前記出力トランスの2次巻線に接続された整流平滑回路
    とを備えたスイッチング電源装置において、 前記出力トランスの2次巻線に電圧が発生した時点から
    所定期間前記2次巻線に1方向およびこれとは逆方向に
    も電流を流すことができるようにする制御回路を備えた
    ことを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記整流平滑回路
    は、出力トランスの2次巻線に直列接続されたダイオー
    ドと、前記ダイオードより整流出力を平滑するコンデン
    サとを備え、 前記整流制御回路は、前記ダイオ一ドの両端に接続され
    た第2スイッチング素子と、出力トランスの2次巻線に
    発生する電圧の立ち上がりによって前記第2スイッチン
    グ素子を所定期間オンせしめるワンショットマルチバイ
    ブレータとを備えたことを特徴とするスイッチング電源
    装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、前記所定期
    間は、前記発振用スイッチング素子の最小発振周期より
    短い期間に設定されていることを特徴とするスイッチン
    グ電源装置。
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