JPS61277370A

JPS61277370A - スイツチングレギユレ−タ

Info

Publication number: JPS61277370A
Application number: JP9744786A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fukui; 博福井; Hitoshi Akiyasu; 均秋保
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1986-04-26
Filing date: 1986-04-26
Publication date: 1986-12-08

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明はスイッチングレギュレータに関する。

本発明はスイッチングレギュレータに必要とされるトラ
ンスあるいはチョークコイルとして大形のものを用いる
ことなく、負荷の変動に対する出力電圧を安定化できる
制御範囲を広げることができるようにしたものである。

また、本発明は負荷が宙く、出力電力が大きい場合にお
ける制御範囲の限界をより伸ばすことができ、この意味
でも制御範囲を広げることができる。さらに、スイッチ
ング素子をドライブするパルスのデユーティファクタを
制御する構成では、このデユーティファクタの変化幅を
より小さくでき、ドライブパルスの発生回路の負担を軽
くできるものである。

スイッチングレギュレータとしては種々の構成のものが
あるが、−例として第１図あるいは第２図に示すものが
知られている。第１図において、（１１は交流電源が整
流され平滑されて形成される入力直流電圧源（Ｅｔ）を
示し、（２）はスイッチング素子例えばトランジスタを
示し、そのコレクタおよび入力直流電圧源（１）の間に
トランス（３）の１次コイル（４ａ）が接続されると共
に、エミッタは接地される。トランス（３）の２次コイ
ル（４ｂ）の一端は接地され、その他端にダイオード（
５）およびコンデンサ（６）からなる整流回路が接続さ
れて、この整流回路の出力に負荷（７）が接続される。

この負荷（７）に供給される出力直流電圧（Ｅｏ）は比
較検出回路（８）に与えられて基準電圧と比較されるこ
とによりその変動が検出され、この検出出力により例え
ばパルス幅変調回路（９）の出力パルスのデユーティフ
ァクタが可変される。このパルス幅変調回路（９）の出
力パルスによりトランジスタ（２）がスイッチング動作
される。例えば出力直流電圧（Ｅｏ）が規定値よりも上
昇したとすると、トランジスタ（２）のオン帰還が短く
なるようにパルス幅変調回路（９）が制御されて、出力
直流電圧（Ｅｏ）が一定なものとされる。

また、第２図に示す構成では、トランジスタ（２）のコ
レクタに、入力直流電圧源（１１が接続され、そのエミ
ッタにチョークコイル（１０）およびコンデンサ（１１
）が並列接続された平滑回路が接続されると共に、ダイ
オード（１２）が接続されている。そして、トランジス
タ（２）のオン時には、コンデンサ（１１）が充電され
ると共に、負荷（７）に電流が流れ、トランジスタ（２
）のオフ時にはチョークコイル（１０）に貯えられてい
たエネルギーにより電流がダイオード（１２）を通じて
流れコンデンサ（１１）を充電する動作がなされる。出
力直流電圧（Ｅｏ）の安定化は比較検出回路（８）およ
びパルス幅変調回路（９）によってトランジスタ（２）
のスイッチング動作が制御されるよりにしてなされる。

本発明はこれら何れのスイッチングレギュレータ′にも
通用しうるが、第１図に示す構成を例にして、負荷（７
）の変動に対して出力直流電圧（Ｅｏ）の安定回路をな
しうるのに要求されるトランス（３）のインダクタンス
の大きさを求めることにする。一般に、スイッチングレ
ギュレータにおいて入出力の間では次の関係が成立する
。

Ｐｔ＝□　　　　　　　　　・・・・・（１）η Ｅｉ７７・Ｅｔ　−Ｄ＝Ｎ−Ｅｏ　・　（１−Ｄ）・・・・
・（３）但し、Ｉ蚤　：入力直流電流Ｐｌ　：入力電力Ｐｏ：出力電力 η　：効率Ｎ　ニドランス（３）の２次コイル（４ｂ）の巻回数を
１としたときの１次コイル（４ａ）の巻回数Ｄ　：デューティレシオここで第３図Ａに示すように周期Ｔのうちでデユーティ
レシオＤでもってトランジスタ（２）がオンしたとする
と、トランス（３）の１次コイル（４ａ）に第３図Ｂに
示す励磁電流が流れる。この電流の最大値を■１１、最
小値を１２２、鋸歯状波の平均値を■β、（ＩＪｔ−１
２２＝Δ■β）、トランス（３）の１次側のインダクタ
ンスをＬとすると、１ｉ＝Ｄ　　−１ｊｌ！となる。励磁電流の最大値■１１および最小値Ｉｆ２は
、（４）式および（５）式から・・・・・（６） Δ　■　ε　　Ｉｉ　　　Ｅｉ−Ｄ　　−Ｔ・　・　・
　・　・（７）となる。ここで（Ｉ　１２＞０）であるから、以上の式
から、２Ｐ。

となる。従って（８）式から負荷（７）の変動すなわち
出力電力ＰＯの変動に対して定電圧制御を可能とするた
めに必要なインダクタンスＬを求めるごとができる。今
、最も負荷が軽いとき（Ｐｏ　　ｍｉｎ、）のインダク
タンスをＬｌとし、最も負荷が重いとき（Ｐｏ　　ｍａ
ｘ、）のインダクタンスをＬ２とすれば、（ＬＬ　＞Ｌ
２　）となる。このため、トランス（３）のインダクタ
ンスしは、Ｌｌの大きさが最低必要であり、またＰｏｒ
ａａｘ、でも飽和しないことが要求される。

従来のスイッチングレギュレータで用いられているトラ
ンス（３）は、通電のトランスと同様に不飽和の範囲で
は一定のインダクタンスを有しており、第４図Ａに示す
ようにＰ　ｏ　ｓｉｎ、においてインダクタンスＬ１が
必要であれば、Ｌｌで一定の特性となる。−例として、
制御範囲（Ｐ　ｏ　ａ＋ｉｎ、〜Ｐ　ｏ　ａ＋ａｘ、）
が（６０Ｗ〜１２０Ｗ　）でこのときデユーティレシオ
Ｄが（０，３〜０．７）で変化する場合を考える。この
制御範囲を広げようとして、Ｐｏｍ１ｎ、を１５　（Ｗ
）にしようとすれば、（８）式から明らかなように必要
なインダクタンスしは４倍となり、第４図Ｂに示すよう
に４ＬＬで一定の特性を有するトランスが必要となる。

また、Ｐｏｍａｘ、のときのインダクタンスＬ２は（８
）式から、Ｌｌの１／２となる。インダクタンスを４倍
にするため、従来ではコアの断面積を４倍とするか、ま
たはコアのギャップを広げて巻数を２倍にしなければな
らなかった。その結果、トランスの形状が大きくなり、
またコストも高くなる不都合があった。

本発明は上述の点を考慮して、第４図Ｃに示すように、
トランス（３）あるいはチョークコイル（１０）として
、そのインダクタンスが出力電力Ｐｏの小さい範囲（Ｐ
ａ　１１ｉｎ、）で第１の値４Ｌｔをとると共に、出力
電力Ｐｏの大きい範囲（Ｆ　ｏ　ｒａａｘ、）で第２の
値Ｌ２をとる特性のものを用いるようにしたものである
。

かくすることにより、負荷の変動に対する制御範囲をト
ランス（３）あるいはチョークコイル（１０）の大形化
を生ずることなく広げるようにしたものである。また、
第４図Ｂおよび第４図Ｃを比較すると理解されるように
、インダクタンスＬが飽和するときの変化の立下りの傾
斜期間が従来よりも短くできるので、Ｐｏｍａｘ、の値
をさらに太き（することが可能であり、この意味でも制
御範囲を広げることができる。さらに、制御範囲を従来
同様に例えば（６０Ｗ　−１２０Ｗ）として、第４図Ｃ
に示す特性のトランスを用いた場合のＰｏｍ１ｎ、にお
けるデユーティレシオＤについて注目すると、（８）式
％式％（９）ってＬｌを上述のように従来に比して４倍とできれば、
デユーティレシオを２倍としても（９）式の関係が満足
されるがら、Ｐｏｍｔｎ、とＰｏｍａｘ、の間でのデユ
ーティレシオの変化幅を減少させることができ、パルス
幅変調回路（９）の負担を軽くできる。

理論的には、インダクタンスを充分大きくできれば、デ
ユーティレシオを変化させなくてもインダクタンスの変
化だけで負荷の変動に対して出力電圧を安定化できるこ
とになる。また、入力直流電圧の変動に対しても、上述
の負荷の変動の場合に関するのと同様の作用効果が得ら
れる。

以下、本発明の詳細な説明するに、本例では第４図Ｃに
示すような特性を有するトランス（３）あるいはチョー
クコイル（１０）を実現するために、これらのコアにギ
ャップを形成し、このギャップに対して並列にコアの断
面積より小さいか、コアとは異なる材質の磁路材を挿入
するようにしたものである。

ｆｆ１５図は、かかるコアの一例を示し、第５図におい
て、（２０）は全体として本発明に通用しうるコアをボ
し、（２１ンは略口字状のフェライトからなるコアを示
し、（２２）はコア（２１）の一部に形成されたギャッ
プを示し、（２３）はこのギャップ（２２）内に挿入さ
れたスペーサを示す。トランスあるいはチョークコイル
の巻線はギャップ（２２）の近傍に設けられる。スペー
サ（２３）はコア（２１）と同一材質で、かつその断面
積はコア（２１）の断面積より小なるものである。かか
るコア（２０）が第４図Ｃに示す特性を呈することは、
第６図Ａに示すギャップ（２２）が形成されてないコア
（２１）と同図Ｂに示すギャップ（２２）が形成された
コア（２１）とにそれぞれコイルを巻き、これらの直流
重畳特性を合成することで予測できる。すなわち、ギャ
ップ（２２）が形成されてない場合は、第７図において
破線（２４ａ）で示すようにインダクタンスＬが大きく
、飽和しやすい特性となり、ギャップ（２２）が形成さ
れている場合は、第７図において一点鎖線（２４ｂ）で
示すように、インダクタンスＬが小さく、飽和しにくい
特性となり、従ってギャップ（２２）の一部にコア（２
１）と同材質のスペーサ（２３）が挿入されている場合
は、第４図Ｃと同様の実線（２４ｃ）で示すように両者
の特性を合成したものとなる。また、本願発明者の実験
によってもかかる特性（実線（２４ｃ　）　）は確かめ
られた。

なお、直流重畳特性は、一定の直流電流を流しながら、
微少交流電流による磁束の変化を調べてインダクタンス
Ｌを求めたものであり、スイッチングレギュレータの出
力電力Ｐｏに対するインダクタンスＬの変化特性（第４
図Ｃ）とは厳密な意味では異なる。しかし、スイッチン
グレギュレータにおいては、出力電力Ｐｏは一旦インダ
クタンス素子に貯えられたエネルギーを取り出して得る
ものであり、インダクタンス素子（Ｌ）に貯えらという
関係となり、従って（Ｌ１２＝Ｐｏ−ｔ）の関係が略々
成立することから、Ｐｏが増加するということは、Ｌの
増加が考えられない以上、■（入力電流）の増加を意味
することになる。よって、第７図に示す直流重畳特性（
Ｌ−Ｎｌ）と第４図Ｃに示す特性（Ｌ−Ｐｏ）は相似な
ものとなる。

第８図は本発明に通用しうるトランスあるいはチョーク
コイルの他のいくつかの例の構成を示す。

第８図Ａに示す構成では、ギャップ（２２）に挿入され
たスペーサ（２３）の断面積が磁路方向に従って変化す
るようになされている。第８図Ｂに示す構成では、ギャ
ップ（２２）に挿入されるスペーサ（２３）をコア（２
１）の材料（フェライト）と異なった磁性材料例えばパ
ーマロイからなるようにしたものである。第８図Ｃに示
す構成では、ギャップ（２２）にコア（２１）の断面積
より大で且つコア（２１）の透磁率より小なる透磁率の
材料例えばパーマロイからなるスペーサ（２３）を挿入
するようにしたものである。第８図りに示す構成では、
スペーサ（２３）の代わりにギャップ（２２）の形成さ
れたコア（２１）の外周面にパーマロイの板体（２５）
を密着させるようにしたものである。

以上の第８図にボずコアも第５図に不すコアと同様の特
性を有したものとなる。そして、ギャップ（２２）の長
さ、スペーサ（２３）の形状、材質などを適当に選ぶこ
とにより、磁界（Ｎｌ）に対するインダクタンスＬの変
化を第９図に示すように３段階に変化させることができ
る。また、電源回路の仕様に応じた特性とできるから、
電源回路の仕様によって異なる大きさのコアを製造しな
くて良い利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明を適用しうるスイッチングレ
ギュレータの接続図、第３図はその説明に用いる波形図
、第４図は本発明の説明に用いる路線図、第５図は本発
明に通用できるコアの構成図、第６図はその説明に用い
る構成図、第７図はその特性の説明に用いる路線図、第
８図は本発明に通用できるコアのいくつかの例の構成図
、第９図はコアの特性の他の例のを示す路線図である。（１）は入力直流電圧源、（２）はスイッチングトラン
ジスタ、（３）はトランス、（７）は負荷、（１０）は
チョークコイル、（２１）はコア、（２２）はギャップ
・（２３）はスペーサである。

Claims

【特許請求の範囲】

入力直流電圧をスイッチング素子に供給し、このスイッ
チング素子の出力側に上記入力直流電圧とは異なる出力
直流電圧を得、この出力直流電圧の変動を検出し、この
検出出力により上記スイッチング素子を制御するように
したスイッチングレギュレータにおいて、スイッチング
された電流の供給されるトランスあるいはチョークコイ
ルとして、そのインダクタンスが出力電力の小さい範囲
で第１の値をとると共に、この出力電力の大きい範囲で
は、第１の値より小なる第２の値をとる特性のものを用
いたスイッチングレギュレータ。