JPH1198839A - 自励式スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷状態とは無関係に所定の入力電圧で電圧
出力が遮断される、信頼性の高い自励式スイッチング電
源回路を提供する。 【解決手段】 トランスＴの３次巻線Ｎ３の端子間に接
続したダイオードＤ４とコンデンサＣ６の直列回路、コ
ンデンサＣ６の端子間に接続した抵抗Ｒ１０とＲ１１の
直列回路および定電流素子ＣＲと定電圧ダイオードＤＺ
２の直列回路、ベースを抵抗Ｒ１０とＲ１１の接続点に
接続し、エミッタを定電流素子ＣＲと定電圧ダイオード
ＤＺ２の接続点に接続したトランジスタＱ４、ベースを
トランジスタＱ４のコレクタに接続し、コレクタをスイ
ッチングトランジスタＱ１のゲートに接続したトランジ
スタＱ３からなる出力遮断回路３ａを設ける。ここで出
力遮断回路３ａは、３次巻線Ｎ３に発生する電圧より入
力電圧に相当する電圧を検出し、その電圧値に応じて回
路の自励発振動作を停止させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自励式スイッチン
グ電源の入力電圧低下時において出力遮断を行うための
技術に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング電源回路は、そのスイッチ
ング素子の駆動形態によって自励発振方式（以下、自励
式）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の
制御端子に正帰還させ、スイッチング素子に発振動作を
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、図４に示すような回路
構成を有するものが存在した。

【０００３】図４において、先ず、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および抵抗Ｒ１が直列に接続され、トランスＴ
の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、さらに出力端子２
ａ、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の接続構成により、基本
的なスイッチング電源が形成されている。

【０００４】また、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は回路起動時に
おいてスイッチングトランジスタＱ１のゲートに順方向
バイアスを与えるための起動部を形成する。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が直列に接
続され、発振動作のための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
との間には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の一端との間に抵
抗Ｒ９、コンデンサＣ５およびダイオード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お
よびダイオード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する。

【０００５】そして、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が直列に接続され、
一方、フォトカプラ発光素子ＰＨ１はトランスＴの２次
側の抵抗Ｒ８、シャントレギュレータＳＲと直列に接続
される。このフォトカプラ発光素子ＰＨ１、抵抗Ｒ８、
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、ダイオードＤ２とフォト
カプラ受光素子ＰＨ２、そして制御用のトランジスタＱ
２と共に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。出力端子２ａ、２ｂ間に抵抗Ｒ
６とＲ７が直列に接続され、抵抗Ｒ６とＲ７の接続点は
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と
の間にコンデンサＣ４を接続している。この抵抗Ｒ６と
Ｒ７の直列回路は電圧検出部を形成している。

【０００６】このような構成とした図４のスイッチング
電源回路は、概略として以下のような自励発振動作と電
圧制御動作を行う。先ず、入力端子１ａ、１ｂ間に入力
電圧が印加されると、スイッチングトランジスタＱ１の
ゲートには抵抗Ｒ２を介して順方向バイアスが与えら
れ、スイッチングトランジスタＱ１は導通状態となる。
スイッチングトランジスタＱ１が導通して１次巻線Ｎ１
に電流が流れるとトランスＴの各巻線には電圧が誘導さ
れる。ここで３次巻線Ｎ３に発生した駆動信号としての
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のゲートにさらに大きな順方向バイ
アスを与え、スイッチングトランジスタＱ１をオン状態
とする。

【０００７】やがて１次巻線Ｎ１に流れる電流がスイッ
チングトランジスタＱ１のドレイン飽和電流に達する
と、スイッチングトランジスタＱ１に順方向バイアスを
与えていた３次巻線Ｎ３の電圧低下とスイッチングトラ
ンジスタＱ１のドレイン電流の抑制がなだれ的に進行
し、その結果、スイッチングトランジスタＱ１はターン
オフし、トランスＴの各巻線にフライバック電圧が発生
する。トランスＴの３次巻線Ｎ３に発生したフライバッ
ク電圧はスイッチングトランジスタＱ１のゲートに逆バ
イアスを与えてオフ状態を維持し、他方、２次巻線Ｎ２
に発生したフライバック電圧はダイオードＤ１を介して
平滑コンデンサＣ１を充電し、出力端子２ａ、２ｂに接
続された負荷への電力供給に寄与する。

【０００８】２次巻線Ｎ２からのトランスＴ内部に蓄積
されたエネルギーの放出が終わると、各巻線に発生して
いたフライバック電圧は消滅するが、この時、３次巻線
Ｎ３にはフラバック電圧の反動でフライバック電圧とは
逆の方向の電圧が発生する。その結果、スイッチングト
ランジスタＱ１のゲートには順方向バイアスが与えら
れ、スイッチングトランジスタＱ１は再び導通状態とな
る。スイッチングトランジスタＱ１が導通して１次巻線
Ｎ１に電流が流れるとトランスＴの各巻線には電圧が誘
導されることになり、以後、このような動作が繰り返さ
れることにより自励発振動作が行われる。

【０００９】自励発振動作に伴って２次巻線Ｎ２に発生
した電圧は、ダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ１によ
って整流・平滑され、さらにチョークコイルＬ１とコン
デンサＣ２によってリップルが除去された上で、出力電
圧として出力端子２ａ、２ｂより外部の負荷へ供給され
る。ここで、シャントレギュレータＳＲは、抵抗Ｒ６、
Ｒ７で検出された出力電圧の大きさに応じた制御信号を
発生させる。この制御信号はフォトカプラ発光素子ＰＨ
１、受光素子ＰＨ２により伝送され、トランジスタＱ２
のベースに入力される。トランジスタＱ２では制御信号
に応じてスイッチングトランジスタＱ１のバイアス状態
を変化させ、スイッチングトランジスタＱ１のオンオフ
動作のオンデューティを変化させる。オンデューティの
変化によりトランスＴの１次巻線Ｎ１から２次巻線Ｎ２
に伝達される電力量が変化し、これによって出力電圧が
一定になるように制御される。このような過程を経て定
電圧制御が行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ここで、図４に示す回
路の構成では、入力電圧を徐々に上昇させていくと、抵
抗Ｒ２とＲ３の接続点に発生する入力電圧の分圧電圧が
スイッチングトランジスタＱ１のゲートしきい値電圧を
越えた時点（図５中のＶ₁ の時点）で電源回路が自励発
振動作を開始し、出力電圧が上昇することになる。この
ようにして一度、電源回路を起動し、出力電圧を上昇さ
せた後に入力電圧を徐々に低下させていくと、負荷の状
態によって以下のような現象が発生する。先ず入力電圧
が徐々に低下していくと、図５に示すように、電源回路
が起動した入力電圧Ｖ₁ を過ぎても電源回路は運転状態
を維持し、出力電圧は一定に保たれる。これは一度電源
回路が起動すれば、スイッチングトランジスタＱ１のゲ
ートには３次巻線Ｎ３に発生する電圧によってバイアス
が与えられ、スイッチングトランジスタＱ１の自励発振
動作が持続することによる。

【００１１】ここで、負荷が定格に近い重負荷状態
（Ｃ）であれば、入力電圧が図５中のＶ₃ の値まで低下
した時点で、供給可能な電力が減少することにより出力
電圧は不安定に低下し初め、Ｖ₄ の値に至って自励発振
動作が停止し、出力電圧は一気に低下する。一方、負荷
が極めて無負荷に近い軽負荷状態（Ｄ）であれば、電力
消費量が小さいことから入力電圧がかなり低い状態まで
自励発振動作が持続し、出力電圧は一定の値に保持され
る。ところが、出力電圧が低下し始める時点（Ｖ₅ ）の
直前において、出力電圧が跳ね上がるように上昇すると
いう現象が現れる。これは、入力電圧が低くなって３次
巻線Ｎ３に誘導される電圧が小さくなると、フォトカプ
ラ受光素子ＰＨ２の特性と３次巻線Ｎ３に誘導される電
圧の関係から、制御用のトランジスタＱ２に充分なバイ
アスを与えることができなくなり、出力電圧の値とは無
関係に、最大のオンデューティでスイッチングトランジ
スタＱ１が動作してしまうことが原因と考えられてい
る。

【００１２】いずれにしても、このように出力電圧が不
安定に低下したり上昇したりする現象は好ましいもので
はなく、何らかの理由により入力電圧が低下してしまっ
た場合に負荷としての装置に誤動作を起こさせたり、場
合によっては破損させる恐れがあった。そこで本発明
は、負荷状態とは無関係に所定の入力電圧で電力供給を
停止させることにより、信頼性に優れた自励式スイッチ
ング電源回路を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の自励式スイッチ
ング電源回路は、インダクタンス部品とスイッチング素
子を有し、インダクタンス部品の第１の巻線に発生した
電圧を駆動信号としてスイッチング素子の制御端子に帰
還させ、スイッチング素子にオンオフ動作を行わせるよ
うにした、自励式スイッチング電源回路において、イン
ダクタンス部品の第２の巻線より入力電圧に相当する電
圧信号を得て、電圧信号から入力電圧が所定の値より低
下したことを検出した時、スイッチング素子をオフ状態
とする出力遮断回路を設けたことを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】インダクタンス部品の所定の巻線
に現れる電圧を出力遮断回路に入力する。出力遮断回路
は、具体的には所定の巻線に発生した電圧から入力電圧
に相当する電圧を得るための整流素子と容量素子、出力
遮断点を規定する基準電圧源、入力電圧に相当する電圧
と基準電圧とを比較する比較器、比較器からの信号に応
じて動作するスイッチを有し、入力電圧が所定の電圧値
より低くなった時、スイッチング素子の動作を停止さ
せ、電源出力を遮断させる。

【００１５】

【実施例】負荷状態とは無関係に所定の入力電圧で電力
供給を停止させるようにした、本発明による自励式スイ
ッチング電源回路の回路図を図１に示した。図１に示す
回路では、自励発振動作のための駆動信号を発生する補
助巻線Ｎ３の端子間に整流用のダイオードＤ４とコンデ
ンサＣ６を直列に接続し、このコンデンサＣ６に対して
並列に、抵抗Ｒ１０とＲ１１の直列回路と、定電流素子
ＣＲと基準電圧源としての定電圧ダイオードＤＺ２の直
列回路を接続している。そして、抵抗Ｒ１０とＲ１１の
接続点にベースを、定電流素子ＣＲと定電圧ダイオード
ＤＺ２の接続点にエミッタをそれぞれ接続した比較器と
してのＰＮＰ型のトランジスタＱ４と、スイッチングト
ランジスタＱ１のゲートにコレクタを、入力端子１ｂに
エミッタをそれぞれ接続した出力遮断用スイッチとして
のＮＰＮ型のトランジスタＱ３を設け、トランジスタＱ
４のコレクタとトランジスタＱ３のベースを接続する。
このダイオードＤ４、抵抗Ｒ１０、Ｒ１１、定電流素子
ＣＲ、定電圧ダイオードＤＺ２およびトランジスタＱ
３、Ｑ４とにより出力遮断回路３ａを形成している。こ
の出力遮断回路３ａ以外の回路部分については、図１の
回路と図４の回路は同一構成となっている。

【００１６】このような構成とした図１の回路における
出力遮断回路３ａでは、３次巻線Ｎ３の極性とダイオー
ドＤ４の順方向との関係により、コンデンサＣ６の端子
間に入力電圧に応じた（比例した）電圧が現れる。トラ
ンジスタＱ４のベースには抵抗Ｒ１０とＲ１１により入
力電圧に応じた電圧の分圧電圧が印加され、他方、トラ
ンジスタＱ４のエミッタには定電圧ダイオードＤＺ２の
作用によりほぼ一定の電圧が印加されることになる。も
しここで、入力電圧が低下し、トランジスタＱ４のベー
スに印加される分圧電圧が定電圧ダイオードＤＺ２のツ
ェナー電圧よりも低くなるとトランジスタＱ４はオン状
態になる。トランジスタＱ４がオン状態になるとトラン
ジスタＱ３もオン状態となり、スイッチングトランジス
タＱ１のゲート電圧を低下させてスイッチングトランジ
スタＱ１をオフ状態に保ち、自励発振動作を停止させ
る。その結果、図１に示す回路は動作を停止し、負荷へ
の出力電圧の供給は遮断される。

【００１７】上記の出力遮断回路３ａの動作により、図
１に示す回路の入力電圧を徐々に上昇させ、その後に低
下させていくと、入力電圧と出力電圧の関係は図２に示
すような軌跡をたどることになる。入力電圧の上昇過程
での回路の動作は図４の回路と同じであるが、入力電圧
の低下過程では、入力電圧がＶ₂ に至り、出力遮断回路
３ａのトランジスタＱ３、Ｑ４がオン状態となった時点
で、電源回路の自励発振動作が停止し、出力電圧は一気
に低下する。電圧Ｖ₂ は電圧Ｖ₁ よりも低いため、当
然、抵抗Ｒ２によってスイッチングトランジスタＱ１が
導通状態になることは無く、一度、電圧Ｖ₂ で電源回路
の自励発振動作が停止すると電圧Ｖ₁ 以下では再起動す
ることはない。なお、この自励発振動作が停止する入力
電圧Ｖ₂ については、定電圧ダイオードＤＺ２のツェナ
ー電圧を適当に選択することにより所望の値に設定する
ことが可能であり、定格に近い重負荷状態（Ａ）、無負
荷に近い軽負荷状態（Ｂ）に関係無くほぼ一定の値とな
る。

【００１８】出力遮断回路については、図１に示す回路
構成ではなく、図３に示す回路構成としても良い。図３
に示す出力遮断回路３ｂについては、補助巻線Ｎ３の端
子間に整流用のダイオードＤ４とコンデンサＣ６を直列
に接続し、このコンデンサＣ６に対して並列に、抵抗Ｒ
１０、定電圧ダイオードＤＺ２及び抵抗Ｒ１１の直列回
路を接続している。そして、定電圧ダイオードＤＺ２と
抵抗Ｒ１１の接続点にベースを、入力端子１ｂにエミッ
タをそれぞれ接続したＮＰＮ型のトランジスタＱ５と、
スイッチングトランジスタＱ１のゲートにコレクタを、
入力端子１ｂにエミッタをそれぞれ接続したＮＰＮ型の
トランジスタＱ３を設け、トランジスタＱ５のコレクタ
を抵抗Ｒ１２を介してトランジスタＱ３のベースに接続
し、さらにトランジスタＱ５のコレクタを定電流素子Ｃ
Ｒを介してダイオードＤ４とコンデンサＣ６の接続点に
接続する。

【００１９】図３に示す構成の出力遮断回路３ｂでは、
入力電圧が低下し、コンデンサＣ６の端子間電圧に抵抗
Ｒ１０とＲ１１の分圧比を乗じた電圧値が定電圧ダイオ
ードＤＺ２のツェナー電圧よりも低くなるとトランジス
タＱ５はオフ状態になる。トランジスタＱ５がオフ状態
になると、トランジスタＱ３はオン状態に転換し、スイ
ッチングトランジスタＱ１のゲート電圧を低下させてス
イッチングトランジスタＱ１をオフ状態に保ち、自励発
振動作を停止させるという動作を行う。このように、出
力遮断回路の構成は図１の回路に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。

【００２０】なお、図１ではトランスＴを使用したスイ
ッチング電源回路に本発明を適用した場合について例示
しているが、主巻線の他に補助巻線を有するチョークコ
イルを使用し、補助巻線に発生する電圧を利用して自励
発振動作を行わせるようにしたスイッチング電源回路に
も本発明を適用できることは言うまでもない。また、図
１に示す回路では３次巻線Ｎ３に発生した電圧を出力遮
断回路３ａに入力し、３次巻線Ｎ３を自励発振動作のた
めの駆動信号供給用と出力遮断のための入力検出用で共
有しているが、ここで、トランスＴに４次巻線を新たに
設け、この４次巻線に発生した電圧を出力遮断回路３ａ
に入力し、３次巻線Ｎ３は自励発振用、４次巻線は入力
検出用と、巻線毎に機能分割しても構わない。

【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、トランスの所定の巻線に発生
した電圧から入力電圧に相当する電圧信号を得て、この
電圧信号に応じてスイッチング素子をオフ状態にし、回
路の自励発振動作を停止させる出力遮断回路を設けるこ
とを特徴としている。この本発明によれば、入力電圧が
異常に低下した場合に出力電圧の電圧値が跳ね上がり、
あるいは低下し、負荷装置が破損、誤動作を起こすこと
を防止することができる。また付随的に、負荷状態とは
無関係に入力電圧の低下に対する出力遮断ポイントをほ
ぼ一定とすることができるため、この電源回路を組み込
んだ電子機器の各種保護対策が容易になるという効果も
有する。従って本発明によれば、信頼性に優れた自励式
スイッチング電源回路を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例による自励式スイッチング電
源回路の回路図。

【図２】 図１に示す電源回路の入力電圧と出力電圧の
特性図。

【図３】 出力遮断回路の別の構成例。

【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に示す電源回路の入力電圧と出力電圧の
特性図。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ 入力端子 ２ａ、２ｂ 出力端子 ３ａ、３ｂ 出力遮断回路 Ｔ トランス Ｎ３ ３次巻線 Ｑ１ スイッチングトランジスタ Ｑ３ 出力遮断用のスイッチとしてのトランジス
タ Ｑ４ 電圧比較器としてのトランジスタ ＣＲ 定電流素子 ＤＺ２ 基準電圧源としての定電圧ダイオード

Claims (3)

【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
   を有し、該インダクタンス部品の第１の巻線に発生した
   電圧を駆動信号として該スイッチング素子の制御端子に
   帰還させ、該スイッチング素子にオンオフ動作を行わせ
   るようにした、自励式スイッチング電源回路において、 該インダクタンス部品の第２の巻線より入力電圧に相当
   する電圧信号を得て、該電圧信号から入力電圧が所定の
   値より低下したことを検出した時、該スイッチング素子
   をオフ状態とする出力遮断回路を設けたことを特徴とす
   る自励式スイッチング電源回路。
2. 【請求項２】 前記出力遮断回路は、前記第２の巻線に
   発生した電圧から前記入力電圧に相当する電圧を得るた
   めの整流素子と容量素子、出力遮断点を規定する基準電
   圧源、該入力電圧に相当する電圧と基準電圧とを比較す
   る比較器、該比較器からの信号に応じて動作するスイッ
   チを有す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。
3. 【請求項３】 前記第１の巻線と第２の巻線が同一の巻
   線であることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２
   に記載した自励式スイッチング電源回路。