JPWO2017018327A1 - 電源回路及びacアダプタ - Google Patents

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Abstract

ACアダプタ(1)は、圧電トランス(50)と、圧電トランス(50)の入力電極(E11)に接続され、スイッチング素子(Q11,Q12)のオンオフにより、入力電圧を変換するスイッチング回路と、出力電極(E21,E22)に接続されたダイオードブリッジ(DB12)及び平滑コンデンサ(C12)と、入力電極(E12)とスイッチング回路との間に設けられ、キャパシタ(C13)とダイオード(D11)との並列回路と、並列回路に並列接続されるダイオード(D12)及びキャパシタ(C14)の整流平滑回路とを備える。これにより、小型化を阻害することなく、補助電源を生成する電源回路及びACアダプタを提供する。

Description

本発明は、圧電トランスを用いた電源回路及びACアダプタに関する。
絶縁型AC−DCコンバータ回路、例えばACアダプタは、一般的に、入力される商用電源電圧をスイッチングするスイッチング素子、及びスイッチング素子を動作させるドライバを備える。商用電源電圧と、ドライバの駆動電圧とでは大きく異なる。このため、ACアダプタには、ドライバに印加する駆動電圧を生成するための補助電源を備えたものがある。補助電源としては、ACアダプタが巻線トランスを備える場合、その巻線トランスに補助巻線を別途設けて電圧を得て、その電圧からドライバの駆動電圧を生成するものがある。
ところで、近年、装置の小型化が要求されていることから、巻線トランスに代えて、圧電トランスを用いたAC−DCコンバータ回路が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のAC−DCコンバータ回路では、圧電トランスを用いていることから、前記した補助巻線を設けることができない。そこで、圧電トランスに直列接続された共振用のインダクタに補助巻線を設けている。そして、インダクタを流れる電流によって発生する磁束を補助巻線に結合させることで、電圧を得ている。
特開2000−102246号公報
しかしながら、特許文献1の場合、圧電トランスを用いることによってトランス部分を小型化できても、補助電源用の補助巻線を設けているため、回路全体としては小型化できないといった問題がある。
そこで、本発明の目的は、小型化を阻害することなく、補助電源を生成する電源回路及びACアダプタを提供することにある。
本発明に係る電源回路は、一対の電圧入力電極、及び一対の電圧出力電極を有する圧電トランスと、前記一対の電圧入力電極に接続され、スイッチング素子のオンオフにより、入力電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、前記一対の電圧出力電極に接続された出力側整流平滑回路と、前記一対の電圧入力電極と前記スイッチング回路との間に接続される第1リアクタンス素子と、前記第1リアクタンス素子に接続される補助電源側整流平滑回路とを備えることを特徴とする。
第1リアクタンス素子を圧電トランスに直列又は並列に接続することで、第1リアクタンス素子により補助電源側整流平滑回路からの出力電圧を調整できる。これにより、従来のように、補助電源を生成するために巻線トランスを構成する必要がないため、電源回路の小型化を阻害することがない。
前記第1リアクタンス素子は補助電源用キャパシタであり、前記電源回路は、前記補助電源用キャパシタに並列接続されるダイオードを備え、前記補助電源側整流平滑回路は、前記補助電源用キャパシタと前記ダイオードとの並列回路に接続される構成が好ましい。
この構成では、補助電源用キャパシタにより補助電源側整流平滑回路からの出力電圧を調整できる。これにより、補助電源を生成するために巻線トランスを構成する必要がないため、電源回路の小型化を阻害することがない。
前記補助電源用キャパシタは、前記一対の電圧入力電極に接続されている構成でもよい。
圧電トランスは容量性デバイスである。この圧電トランスに補助電源用キャパシタを接続することで、スイッチング回路には、容量分圧回路が接続されているとみることができる。このため、スイッチング回路に印加される電圧を分圧して、補助電源側整流平滑回路から出力できる。これにより、従来のように、補助電源を生成するために巻線トランスを構成する必要がないため、電源回路の小型化を阻害することがない。
前記補助電源用キャパシタのキャパシタンスは、前記圧電トランスの入力容量以上であることが好ましい。
この構成では、圧電トランスの入力容量を調整することで、補助電源側整流平滑回路からの出力電圧を調整できる。
前記補助電源用キャパシタは、前記一対の電圧入力電極に並列接続されていてもよい。
前記電源回路は、前記一対の電圧入力電極と前記スイッチング回路との間に接続されるインダクタを備え、前記補助電源用キャパシタは、前記インダクタと前記一対の電圧入力電極との直列回路に対し、並列接続されていてもよい。
この構成では、共振点が複数現れることを防ぐことができる。
前記電源回路は、前記並列回路に直列接続される分圧用キャパシタを備えていてもよい。
前記分圧用キャパシタのキャパシタンスは、前記補助電源用キャパシタのキャパシタンス以下であることが好ましい。
この構成では、分圧用キャパシタと並列回路との直列回路のインピーダンスは、分圧用キャパシタが支配的となる。このため、直列回路に印加される電圧は、分圧用キャパシタにより決定できる。
前記並列回路は、複数の前記補助電源用キャパシタの直列回路と、前記ダイオードとの並列接続回路であってもよい。
前記電源回路は、前記補助電源側整流平滑回路を複数備え、前記補助電源側整流平滑回路の少なくとも一つは、前記複数の補助電源用キャパシタの接続点に接続されていてもよい。
この構成では、電圧値が異なる複数の電圧を補助電源側整流平滑回路から出力できる。
前記電源回路は、前記複数の補助電源用キャパシタの直列回路に並列接続される第2リアクタンス素子を備えていてもよい。
前記電源回路は、前記第1リアクタンス素子を含み、前記スイッチング回路のスイッチング周波数において誘導性である誘導性回路を備え、前記補助電源側整流平滑回路は、前記誘導性回路に接続される構成でもよい。
圧電トランスは容量性デバイスである。すなわち、この構成では、スイッチング回路に、容量性素子と誘電性素子とが直列接続しているとみることができる。そして、スイッチング回路から圧電トランスに電圧が印加された場合、圧電トランスと誘導性回路との接続点から、誘導性回路にかかる電圧を得ることができる。このとき、容量性素子と誘導性素子との直列回路では、誘導性素子のインダクタンスを大きくすることで、誘導性素子にかかる電圧が高くなるため、より大きな電圧を得ることができる。電源回路は、この電圧を補助電源として用いることができる。このように、従来のように、補助電源を生成するために巻線トランスを構成する必要がないため、電源回路の小型化を阻害することがない。
前記第1リアクタンス素子はインダクタであり、前記誘導性回路は、前記インダクタとキャパシタとが並列接続されて構成されていてもよい。
この構成では、インダクタとキャパシタとの共振を利用することで、圧電トランスと誘導性回路との接続点から得られる電圧のノイズを抑えることができる。また、キャパシタのキャパシタンスを変えることで、得られる電圧を調整することができる。
前記誘導性回路は、複数のインダクタの直列接続部を含んでもよい。
前記電源回路は、前記補助電源側整流平滑回路を複数備え、複数の前記補助電源側整流平滑回路の少なくとも一つは、2つのインダクタの接続部に接続されていてもよい。
この構成では、異なる電圧を取り出すことができる。
前記電源回路は、前記直列接続部に並列接続されたキャパシタを備えていてもよい。
前記電源回路は、前記直列接続部に並列接続されたインダクタを備えていてもよい。
前記第1リアクタンス素子はインダクタであり、前記誘導性回路は、直列接続された前記インダクタ及びキャパシタに、インダクタが並列接続されて構成され、前記電源回路は、前記補助電源側整流平滑回路を複数備え、複数の前記補助電源側整流平滑回路の少なくとも一つは、直列接続されたキャパシタとインダクタとの接続部に接続されていてもよい。
この構成では、異なる電圧を取り出すことができる。
前記第1リアクタンス素子と前記スイッチング回路とは、グランドを介して接続されていてもよい。
この構成では、回路構成を簡略化できる。
前記電源回路は、前記補助電源側整流平滑回路に接続された電圧レギュレータ、を備えていてもよい。
この構成では、定電圧出力を実現できる。
前記電源回路は、前記電圧レギュレータに接続され、前記スイッチング素子を駆動するドライバ回路を備えていてもよい。
この構成では、回路を大型化することなく、補助電源電圧を生成でき、その電圧により、ドライバ回路を駆動できる。
前記電源回路は、前記電圧レギュレータに接続され、前記スイッチング素子を制御するコントローラ回路、を備えていてもよい。
この構成では、回路を大型化することなく、補助電源電圧を生成でき、その電圧により、コントローラ回路を駆動できる。
前記電源回路は、前記圧電トランスに対する入力電流又は入力電圧に基づいた値を検出する検出回路と、前記一対の入力電極に接続される、又は、前記一対の入力電極と前記スイッチング回路との間に接続される、回路定数が変更可能な回路定数可変回路と、前記検出回路の検出値に応じて前記回路定数可変回路の回路定数を変更する変更部と、を備え、前記回路定数可変回路は、前記第1リアクタンス素子を含み、前記補助電源側整流平滑回路は、前記回路定数可変回路にかかる電圧を整流平滑して、補助電源電圧を出力する構成でもよい。
この構成では、スイッチング回路に、容量性素子と回路定数可変回路とが直列接続された分圧回路としてみることができる。そして、スイッチング回路から圧電トランスに電圧が印加された場合、その分圧回路により、印加電圧を取り出すことができる。このとき、電源回路に接続される負荷の軽重が変動することにより、スイッチング回路への入力電圧にリップルが生じる。このリップルの影響で、補助電源側整流平滑回路からの出力電圧が変動することがある。しかし、検出する入力電流又は入力電圧によって、回路定数可変回路を変更して、電圧変動に応じて分圧回路の分圧比を変動させることで、分圧回路から取り出す電圧を安定化させることができる。これにより、補助電源側整流平滑回路からは安定した補助電源電圧を出力できる。
前記電源回路は、前記回路定数可変回路は回路定数固定回路を含む構成でもよい。
この構成では、分圧比を微調整しやすく、取り出す電圧を細かく調整できる。
前記回路定数可変回路はスイッチ素子を有し、前記変更部は、前記スイッチ素子をオンオフすることで、前記回路定数可変回路の回路定数を変更する構成でもよい。
この構成では、回路定数可変回路を簡易な構成にできる。
前記回路定数可変回路は可変容量素子を有する構成でもよい。
この構成では、スイッチ素子を切り替える場合と比べて、スイッチング時に生じる高周波ノイズを抑制できる。
前記検出回路は、前記スイッチング回路の入力側に接続されている構成でもよい。
この構成では、スイッチング回路に入力される電流電圧は直流であるため、入力電圧又は入力電流を精度よく検出できる。
本発明に係るACアダプタは、商用電源に接続され、前記商用電源からの電圧を入力する入力部と、前記入力部から入力される電圧を整流平滑する入力側整流平滑回路と、一対の電圧入力電極、及び一対の電圧出力電極を有する圧電トランスと、前記一対の電圧入力電極に接続され、スイッチング素子のオンオフにより、前記入力側整流平滑回路により整流平滑される電圧を変換するスイッチング回路と、前記一対の電圧出力電極に接続された出力側整流平滑回路と、前記出力側整流平滑回路で整流平滑された電圧を出力する出力部と、前記一対の電圧入力電極と前記スイッチング回路との間に接続されるリアクタンス素子と、前記リアクタンス素子に接続される補助電源側整流平滑回路とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、従来のように巻線トランスを構成する必要がなく、電源回路の小型化を阻害せずに補助電源を生成する電源回路及びACアダプタを実現できる。
図1は、本実施形態に係るACアダプタの回路図である。 図2は、図1に示す圧電トランスを等価回路で表したACアダプタの回路図である。 図3は、接続点A1での電圧Vdivの波形図である。 図4は、実施形態2に係るACアダプタの回路図である。 図5は、実施形態3に係るACアダプタの回路図である。 図6は、実施形態4に係るACアダプタの回路図である。 図7は、実施形態4に係る別の例のACアダプタの回路図である。 図8は、実施形態5に係るACアダプタの回路図である。 図9は、実施形態6に係るACアダプタの回路図である。 図10は、実施形態7に係るACアダプタの回路図である。 図11は、図10に示す圧電トランスを等価回路で表したACアダプタの回路図である。 図12は、圧電トランスとインダクタとの接続点での電圧波形を示す図である。 図13は、整流平滑回路の出力電圧波形を示す図である。 図14は、実施形態8に係るACアダプタの回路図を示す。 図15は、圧電トランスとインダクタとの接続点での電圧波形を示す図である。 図16は、整流平滑回路の出力電圧波形を示す図である。 図17は、実施形態9に係るACアダプタの回路図を示す。 図18は、実施形態10に係るACアダプタの回路図を示す。 図19は、本実施形態に係る補助電源回路の回路図である。 図20は、本実施形態に係る補助電源回路の回路図である。 図21は、本実施形態に係る補助電源回路の回路図である。 図22は、補助電源回路の別の例の回路図である。 図23は、実施形態11に係るACアダプタの回路図である。 図24は、図23に示す圧電トランスを等価回路で表したACアダプタの回路図である。 図25は、制御部の内部回路の一部を示す図である。 図26は、電圧レギュレータへの入力電圧の波形を示す図である。 図27は、回路定数を変更する回路の別の例を示す図である。 図28は、実施形態12に係るACアダプタが備える補助電源回路を示す回路図である。 図29は、実施形態12に係るACアダプタが備える補助電源回路を示す回路図である。 図30は、実施形態12に係るACアダプタが備える補助電源回路を示す回路図である。 図31は、実施形態13に係るACアダプタが備える補助電源回路の別の一例を示す図である。 図32は、実施形態14に係るACアダプタの回路図である。 図33は、実施形態15に係るACアダプタの回路図である。
(実施形態1)
図1は、本実施形態に係るACアダプタ1の回路図である。図2は、図1に示す圧電トランス50を等価回路で表したACアダプタ1の回路図である。
ACアダプタ1は商用電源に接続され、商用電源から交流電圧を入力する入力部IN1,IN2と、負荷が接続され、その負荷へ直流電圧を出力する出力部OUT1,OUT2とを備えている。ACアダプタ1は、本発明に係る「電源回路」の一例である。
入力部IN1,IN2には、ダイオードブリッジDB11が接続されている。ダイオードブリッジDB11には、さらに平滑コンデンサC11が接続されている。入力部IN1,IN2から入力される交流電圧は、ダイオードブリッジDB11及び平滑コンデンサC11によって整流平滑される。ダイオードブリッジDB11及び平滑コンデンサC11は、本発明に係る「入力側整流平滑回路」の一例である。
ダイオードブリッジDB11及び平滑コンデンサC11には、直列接続されたスイッチング素子Q11,Q12が接続されている。図1及び図2では、スイッチング素子Q11,Q12はMOS−FETとしているが、IGBT又はバイポーラトランジスタ等であってもよい。ダイオードブリッジDB11等で整流平滑された電圧は、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチングにより、矩形波の電圧に変換される。直列接続されたスイッチング素子Q11,Q12は、本発明に係る「スイッチング回路」の一例である。
スイッチング素子Q11,Q12のゲートには、ドライバ(DRV)51が接続されている。また、ドライバ51には、マイコン(MCU)52が接続されている。マイコン52は、フィードバック制御により、出力部OUT1,OUT2に接続される負荷の軽重を検出し、それに応じてスイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数を設定する。ドライバ51は、マイコン52からの制御信号により、ゲート電圧を生成してスイッチング素子Q11,Q12に印加し、マイコン52で設定された周期でスイッチング素子Q11,Q12をオンオフする。ドライバ51は、本発明に係る「ドライバ回路」の一例であり、マイコン52は、本発明に係る「コントローラ回路」の一例である。
スイッチング素子Q11とスイッチング素子Q12の接続点には圧電トランス50が接続されている。圧電トランス50は絶縁型であって、入力電極E11,E12及び出力電極E21,E22を有している。入力電極E11,E12は、本発明に係る「一対の電圧入力電極」の一例である。出力電極E21,E22は、本発明に係る「一対の電圧出力電極」の一例である。
圧電トランス50の入力電極E11は、インダクタL11を介して、スイッチング素子Q11とスイッチング素子Q12の接続点に接続されている。圧電トランス50の入力電極E12は、グランドを介してスイッチング素子Q12のソースに接続されている。入力電極E12とスイッチング素子Q12とをグランドを介して接続することで、回路を簡略化できる。
圧電トランス50の出力電極E21,E22は、ダイオードブリッジDB12に接続されている。ダイオードブリッジDB12には平滑コンデンサC12が接続され、さらに、出力部OUT1,OUT2に接続されている。ダイオードブリッジDB12及び平滑コンデンサC12は、「出力側整流平滑回路」の一例である。
圧電トランス50は、図2に示すように、等価入力容量50A、キャパシタ50C、等価出力容量50F、インダクタ50B、抵抗50D及び理想変圧器50E等で等価的に表される。インダクタ50B及びキャパシタ50C等は電気機械的な結合を表すパラメータである。
圧電トランス50の入力電極E12とグランドとの間には、後述するキャパシタC13が接続されている。圧電トランス50の等価入力容量50Aは、このキャパシタC13と、インダクタL11とで直列共振回路を構成している。スイッチング素子Q11,Q12により電圧波形は矩形波に変換されるが、この直列共振回路により、圧電トランス50には常に正弦波が入力される。圧電トランス50は、入力電極E11,E12から入力された電圧を降圧して出力電極E21,E22から出力する。圧電トランス50により降圧された電圧は、ダイオードブリッジDB12及び平滑コンデンサC12により整流平滑されて、出力部OUT1,OUT2から出力される。
圧電トランス50の入力電極E12には、図1に示すように、補助電源回路が接続されている。ドライバ51及びマイコン52の駆動電圧は、ACアダプタ1に入力される商用電源の電圧と比べて遥かに低い。このため、商用電源の電圧は、ドライバ51等の駆動電圧として直接使うことができない。そこで、補助電源回路を別途設けて、圧電トランス50に印加される電圧から所定の電圧を得て、ドライバ51及びマイコン52の駆動電圧を生成する。
補助電源回路は、キャパシタC13、ダイオードD11、整流平滑回路を形成するダイオードD12及びキャパシタC14、電圧レギュレータ(LDO)54,55、並びにバイパスコンデンサC15,C16等を有している。
キャパシタC13は、一端が圧電トランス50の入力電極E12に接続され、他端がグランドに接続されている。キャパシタC13のキャパシタンスは、圧電トランス50の等価入力容量50Aのキャパシタンス以上となるよう定数設定されている。キャパシタC13は、本発明に係る「第1リアクタンス素子」及び「補助電源用キャパシタ」の一例である。
圧電トランス50は容量性デバイスである。この圧電トランス50にキャパシタC13が直列接続された構成であるため、圧電トランス50とキャパシタC13とで、容量分圧回路とみることができる。スイッチング素子Q11,Q12から圧電トランス50に電圧が印加された場合、圧電トランス50とキャパシタC13との接続点A1から、キャパシタC13にかかる電圧を得ることができる。
ここで、圧電トランス50の等価入力容量50Aのキャパシタンスは、キャパシタC13のキャパシタンス以下となるように設定されている。このため、等価入力容量50A及びキャパシタC13の直列回路に印加される電圧は、主に等価入力容量50Aにより決定される。また、接続点A1の電位は、キャパシタC13により調整できる。
ダイオードD11は、ダイオードD12及びキャパシタC14の整流平滑回路から正の直流電圧を出力するための素子である。
図3は、接続点A1での電圧Vdivの波形図である。図3には、圧電トランス50に印加する電圧Vin、ダイオードD11,D12に流れる電流ID11,ID12、キャパシタC13に流れる電流IC13の波形も示している。図中の横軸は時間である。なお、電圧Vinは波形のみを示しており、図中の縦軸の目盛りとは関係がない。また、電流ID11,ID12、IC13の軸の目盛りは同じである。
[Zone1]
電圧Vinが正電圧であって、立ち上がりからピークとなるまでの間、ダイオードD12は導通し、ダイオードD12に流れる電流ID12は、キャパシタC14からグランドに流れる。したがって、接続点A1の電圧は、ほぼ、ダイオードD12の順方向降下電圧V1である。ダイオードD12に流れる電流ID12は、導通直後から減少し、電圧Vinのピーク時には0mAとなる。
[Zone2,Zone4]
電圧Vinが正のピークを過ぎて減少に転じると、キャパシタC13を流れる電流IC13の向きが負方向(放電方向)となり、接続点A1の電圧Vdivを負側に引き下げる。なお、図中の電流IC13は略直線であるが、僅かに変化している。このとき、ダイオードD11の順方向に電流ID11が流れるため、接続点A1の電圧は、ダイオードD11の順方向電圧分(−V1)までしか下がらない。このとき、ダイオードD11の電流ID11と、等価入力容量50Aを流れる電流とは均衡するためダイオードD12に電流ID12は流れない。
[Zone3]
電圧Vinが負のピークを過ぎて増加に転じると、キャパシタC13を流れる電流IC13の向きが正方向(充電方向)となり、接続点A1の電圧Vdivを引き上げようとする。電圧Vdivは、キャパシタC13の両端電圧のため、キャパシタC13を流れる電流IC13が正方向から0mAになったとき、電流IC13が最大となると電圧Vdivも最大となり、ダイオードD12が導通する。ダイオードD12に流れる電流ID12は、キャパシタC14の充電電流となるため、サイクル毎にキャパシタC14の電位は上昇する。そして、ダイオードD12及びキャパシタC14の整流平滑回路から正の直流電圧が出力される。
図1及び図2に戻り、ダイオードD12及びキャパシタC14は接続点A1に接続されている。ダイオードD12及びキャパシタC14は、キャパシタC13にかかる電圧を整流平滑して、図3で説明したように、正の直流電圧を出力する。ダイオードD12及びキャパシタC14は、本発明に係る「補助電源側整流平滑回路」の一例である。
ダイオードD12及びキャパシタC14の出力側には、電圧レギュレータ54が接続されている。そして、電圧レギュレータ54の出力側には、バイパスコンデンサC15及びドライバ51が接続されている。電圧レギュレータ54は、ダイオードD12及びキャパシタC14から出力される電圧を、後段のドライバ51に必要な定電圧に変換する。例えば、ダイオードD12及びキャパシタC14から18Vの電圧が出力され、ドライバ51の駆動に必要な電圧が12Vである場合、電圧レギュレータ54は、入力された18Vの電圧を12Vの電圧に降圧して出力する。これにより、ドライバ51は、スイッチング素子Q11,Q12のゲートを駆動する。
また、電圧レギュレータ54の出力側には、電圧レギュレータ55も接続されている。電圧レギュレータ55の出力側には、バイパスコンデンサC16及びマイコン52が接続されている。電圧レギュレータ55は、電圧レギュレータ54からの出力電圧を、後段のマイコン52の駆動に必要な電圧に変換する。例えば、マイコン52の動作に必要な電圧が3.3Vである場合、電圧レギュレータ55は、前記のように、電圧レギュレータ54が変換して出力した12Vの電圧を、3.3Vの電圧に降圧して出力する。これにより、マイコン52は動作する。
このように、電圧レギュレータ54,55を設けることで、取り出した電圧から、所望の値の定電圧の出力が可能となる。
なお、マイコン52の動作電圧の生成のために、電圧レギュレータ54,55を縦続接続しているが、この構成により、補助電源回路の効率低下を防ぐことができる。つまり、接続点A1から得る電圧は約18Vであり、マイコン52の駆動電圧は3.3Vである場合、これらの電圧差は大きい。このため、一つの電圧レギュレータで18Vから3.3Vへ変換した場合、補助電源回路の損失は大きい。そこで、電圧レギュレータ54で18Vから12Vに変換し、さらに、電圧レギュレータ55で、12Vから3.3Vへと変換することで、補助電源回路での損失を抑え、効率を上げることができる。
このように、本実施形態に係るACアダプタ1は、圧電トランス50を用いて小型化を実現している。そして、圧電トランス50にキャパシタC13を接続することで補助電源電圧を生成することができるため、従来のように巻線トランスを構成する必要がなく、ACアダプタ1の小型化を阻害しない。また、キャパシタC13は、圧電トランス50の等価入力容量50Aと、インダクタL11とで共振回路を形成しているため、共振点が複数現れることが防げる。
(実施形態2)
図4は、実施形態2に係るACアダプタ2の回路図である。実施形態1では、補助電源回路は圧電トランス50に接続されているが、本実施形態では、補助電源回路は、圧電トランス50とインダクタL11との間に接続されている点で相違する。
キャパシタC13は、キャパシタC17を介して、インダクタL11と圧電トランス50の入力電極E11との間に接続されている。キャパシタC17,C13の直列回路と圧電トランス50の等価入力容量50A(図2参照)とは並列接続された構成であり、その並列回路の合成容量と、インダクタL11とで共振回路を形成している。キャパシタC17は、本発明に係る「分圧用キャパシタ」の一例である。
ここで、キャパシタC17のキャパシタンスは、キャパシタC13のキャパシタンス以下に設定されている。この場合、キャパシタC17,C13の直列回路のインピーダンスは、キャパシタC17が支配的となる。このため、キャパシタC17,C13の直列回路に印加される電圧は、主にキャパシタC17により決定される。また、キャパシタC17,C13の接続点A2の電位は、キャパシタC13により調整できる。
なお、他の構成は実施形態1と同じであるため、説明を省略する。
このように、本実施形態に係るACアダプタ2は、実施形態1と同様、圧電トランス50を用いて小型化を実現している。そして、キャパシタC17,C13を接続することで補助電源を生成することができるため、従来のように巻線トランスを構成する必要がなく、ACアダプタ2の小型化を阻害することがない。また、キャパシタC17,C13は、圧電トランス50の等価入力容量50A(図2参照)と、インダクタL11とで共振回路を形成しているため、共振点が複数現れることを防げる。
(実施形態3)
図5は、実施形態3に係るACアダプタ3の回路図である。実施形態2では、補助電源回路は圧電トランス50とインダクタL11との間に接続されているが、本実施形態では、補助電源回路は、インダクタL11とスイッチング素子Q11,Q12の接続点との間に接続されている点で相違する。
キャパシタC13は、キャパシタC17を介して、インダクタL11とスイッチング素子Q11,Q12の接続点との間に接続されている。この構成では、圧電トランス50の等価入力容量50A(図2参照)と、インダクタL11とで共振回路を形成している。
ここで、キャパシタC17のキャパシタンスは、キャパシタC13のキャパシタンス以下に設定されている。また、圧電トランス50の等価入力容量50Aのキャパシタンスは、キャパシタC13のキャパシタンス以下に設定されている。キャパシタC17,C13の直列回路は、インダクタL11と圧電トランス50の等価入力容量50Aの共振回路に並列接続された構成であるため、前記の定数設定の関係により、キャパシタC17,C13の直列回路が共振回路に与える影響は小さい。
また、キャパシタC17,C13の直列回路のインピーダンスは、キャパシタC17が支配的となる。このため、キャパシタC17,C13の直列回路に印加される電圧は、キャパシタC17により決定される。また、キャパシタC17,C13の接続点A2の電位は、キャパシタC13により調整できる。
なお、他の構成は実施形態1と同じであるため、説明を省略する。
このように、本実施形態に係るACアダプタ3は、実施形態1,2と同様、圧電トランス50を用いて小型化を実現している。そして、キャパシタC17,C13を接続することで補助電源を生成することができるため、従来のように巻線トランスを構成する必要がなく、ACアダプタ3の小型化を阻害することがない。また、キャパシタC17,C13は、圧電トランス50の等価入力容量50Aと、インダクタL11とで形成される共振回路に殆ど影響を及ぼさないため、共振点が複数現れることを防ぐことができる。
なお、ACアダプタは、実施形態1,2,3それぞれの補助電源回路の構成を組み合わせた構成としてもよい。実施形態1,2を組み合わせてもよいし、実施形態1,3を組み合わせてもよいし、実施形態1,2,3を組み合わせてもよい。また、実施形態2,3を組み合わせてもよい。
(実施形態4)
図6は、実施形態4に係るACアダプタ4の回路図である。この例では、補助電源回路は、電圧値が異なる電圧を生成する構成である点で、実施形態1と相違する。本実施形態に係る補助電源回路は、圧電トランス50の入力電極E12に接続されている。
圧電トランス50の入力電極E12とグランドとの間には、キャパシタC20が接続されている。圧電トランス50の等価入力容量50A(図2参照)は、キャパシタC20と、インダクタL11とで直列共振回路を構成している。等価入力容量50AとキャパシタC20との接続点A3には、2つの整流平滑回路及び電圧レギュレータの直列回路が並列に接続されていて、それぞれの直列回路から、ドライバ51及びマイコン52それぞれに印加する電圧を出力する。
詳しくは、キャパシタC20には、キャパシタC21,C22の直列回路が並列に接続されている。キャパシタC21,C22は、本発明に係る「第1リアクタンス素子」及び「補助電源用キャパシタ」の一例である。接続点A3には、ダイオードD21が接続されている。また、接続点A3には、ダイオードD23及びキャパシタC23からなる整流平滑回路が接続されている。ダイオードD23及びキャパシタC23は、接続点A3の電圧を整流平滑し、出力する。ダイオードD23及びキャパシタC23は、本発明に係る「補助電源側整流平滑回路」の一例である。
ダイオードD23及びキャパシタC23の出力側には、電圧レギュレータ54が接続されている。そして、電圧レギュレータ54の出力側には、バイパスコンデンサC25及びドライバ51が接続されている。電圧レギュレータ54は、ダイオードD23及びキャパシタC23から出力される電圧を、後段のドライバ51に必要な電圧に変換する。
キャパシタC21,C22の接続点A4にはダイオードD22が接続されている。また、接続点A4には、ダイオードD24及びキャパシタC24からなる整流平滑回路が接続されている。ダイオードD24及びキャパシタC24は、接続点A4の電圧を整流平滑し、出力する。ダイオードD24及びキャパシタC24は、本発明に係る「補助電源側整流平滑回路」の一例である。
ダイオードD24及びキャパシタC24の出力側には、電圧レギュレータ55が接続されている。そして、電圧レギュレータ55の出力側には、バイパスコンデンサC26及びマイコン52が接続されている。電圧レギュレータ55は、ダイオードD24及びキャパシタC24から出力される電圧を、後段のマイコン52に必要な電圧に変換する。
この構成において、圧電トランス50の等価入力容量50Aと、キャパシタC20及びキャパシタC21,C22の直列回路の並列回路とが直列接続されている。キャパシタC20のキャパシタンスは、キャパシタC21,C22の直列回路の合成キャパシタンス以下に設定されている。したがって、並列回路のインピーダンスは、キャパシタC20が支配的となる。また、圧電トランス50の等価入力容量50Aのキャパシタンスは、キャパシタC20のキャパシタンス以下に設定されている。したがって、等価入力容量50Aと並列回路との直列回路のインピーダンスは、等価入力容量50Aが支配的となる。
このため、圧電トランス50の等価入力容量50Aと並列回路との直列回路に印加される電圧は、等価入力容量50Aにより決定される。また、接続点A3の電位は、キャパシタC20により調整できる。さらに、接続点A4の電圧は、キャパシタC21,C22により調整できる。
ここで、接続点A3の電位は接続点A4の電位より高い。例えば、接続点A3での電位が18Vとすると、接続点A4での電位は、キャパシタC21,C22により、接続点A3の電位(18V)を分圧した電圧である。この接続点A3に接続されるドライバ51の駆動に必要な電圧が15V、接続点A4に接続されるマイコン52の駆動に必要な電圧が3.3Vであるとする。この場合、電圧レギュレータ54は、18Vの電圧を15Vの電圧に降圧する。また、電圧レギュレータ55は、18Vの電圧の分圧電圧を3.3Vの電圧に降圧する。
実施形態1の補助電源回路では、1段目の電圧レギュレータ(図1の電圧レギュレータ54)で18Vの電圧を15Vの電圧に変換し、さらに2段目の電圧レギュレータ(図1の電圧レギュレータ55)で15Vの電圧を、3.3Vの電圧に変換して、マイコン52の駆動電圧を生成している。この場合、2段目の電圧レギュレータでの変換前後の電圧差が大きく、電圧差による損失は大きい。
これに対し、本実施形態に係る電圧レギュレータ55は、接続点A4の電圧を、マイコン52用の3.3Vの電圧に変換している。この場合、電圧レギュレータ55による電圧変換前後の電圧差は、実施形態1のように電圧レギュレータを2段に構成する場合と比べて小さく、電圧レギュレータ55における電圧差による損失は小さい。
このように、本実施形態では、電圧レギュレータ54,55での降圧時の損失を抑制して、ドライバ51及びマイコン52それぞれの駆動電圧を生成できる。
なお、この例では、キャパシタC20と、キャパシタC21,C22の直列回路との並列回路が容量性であればよく、キャパシタC20を別の素子に代えてもよい。
図7は、実施形態4に係る別の例のACアダプタ4Aの回路図である。この例では、図6に示すキャパシタC20に変えて、インダクタL12を用いている。インダクタL12は、本発明に係る「第2リアクタンス素子」に相当する。この場合、インダクタL12とキャパシタC21,C22の直列回路との並列回路が、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数において容量性となるよう、定数設定されている。この場合であっても、補助電源回路から、電圧値が異なる電圧を出力でき、電圧レギュレータ54,55での降圧時の損失を抑制して、ドライバ51及びマイコン52それぞれの駆動電圧を生成できる。
また、図6に示すキャパシタC20を省略してもよい。この場合、キャパシタC21,C22のみが圧電トランス50の入力電極E12とグランドとの間に接続される構成となる。また、図6及び図7に示すダイオードD21は、接続点A3とグランドとの間に設けているが、キャパシタC21に対して並列に接続した構成であってもよい。
(実施形態5)
図8は、実施形態5に係るACアダプタ5の回路図である。実施形態4では、補助電源回路は圧電トランス50に接続されているが、本実施形態では、補助電源回路は、圧電トランス50とインダクタL11との間に接続されている点で相違する。
キャパシタC21、C22は、インダクタL11と圧電トランス50の入力電極E11との間に接続されている。キャパシタC21,C22の直列回路と、圧電トランス50の等価入力容量50A(図2参照)とは並列接続された構成であり、その並列回路の合成容量と、インダクタL11とで共振回路を形成している。
ここで、キャパシタC27のキャパシタンスは、キャパシタC21,C22それぞれのキャパシタンス以下に設定されている。この場合、キャパシタC27,C21,C22の直列回路のインピーダンスは、キャパシタC27が支配的となる。このため、この直列回路に印加される電圧は、キャパシタC27により決定される。また、キャパシタC27,C21の接続点A5の電位、及び、キャパシタC21,C22の接続点A6は、キャパシタC21,C22により調整できる。キャパシタC27は、本発明に係る「分圧用キャパシタ」の一例である。
なお、他の構成は実施形態1と同じであるため、説明を省略する。
この構成であっても、補助電源回路から、電圧値が異なる電圧を出力でき、電圧レギュレータ54,55での降圧時の損失を抑制して、ドライバ51及びマイコン52それぞれの駆動電圧を生成できる。
(実施形態6)
図9は、実施形態6に係るACアダプタ6の回路図である。実施形態5では、補助電源回路は圧電トランス50とインダクタL11との間に接続されているが、本実施形態では、補助電源回路は、インダクタL11とスイッチング素子Q11,Q12の接続点との間に接続されている点で相違する。
キャパシタC21,C22は、キャパシタC27を介して、インダクタL11とスイッチング素子Q11,Q12の接続点との間に接続されている。この構成では、圧電トランス50の等価入力容量50A(図2参照)と、インダクタL11とで共振回路を形成している。
ここで、キャパシタC27のキャパシタンスは、キャパシタC21,C22それぞれのキャパシタンス以下に設定されている。また、圧電トランス50の等価入力容量50Aのキャパシタンスは、キャパシタC27のキャパシタンス以下に設定されている。キャパシタC27,C21,C22の直列回路は、インダクタL11と圧電トランス50の等価入力容量50Aの共振回路に並列接続された構成であるため、前記の定数設定の関係により、キャパシタC27,C21,C22の直列回路が共振回路に与える影響は小さい。
また、キャパシタC27,C21,C22の直列回路のインピーダンスは、キャパシタC27が支配的となる。このため、キャパシタC27,C21,C22の直列回路に印加される電圧は、キャパシタC27により決定される。また、キャパシタC27,C21の接続点A5の電位、及び、キャパシタC21,C22の接続点A6は、キャパシタC21,C22により調整できる。
なお、他の構成は実施形態1と同じであるため、説明を省略する。
この構成であっても、補助電源回路から、電圧値が異なる電圧を出力でき、電圧レギュレータ54,55での降圧時の損失を抑制して、ドライバ51及びマイコン52それぞれの駆動電圧を生成できる。
なお、ACアダプタは、実施形態1〜6それぞれの補助電源回路の構成を組み合わせた構成としてもよい。
実施形態1〜6は、圧電トランスにキャパシタを含む容量性回路を接続して、ACアダプタの小型化を実現している。これに対し、以下に説明する実施形態7〜10は、圧電トランスに誘導性回路を接続して、ACアダプタの小型化を実現している。
(実施形態7)
図10は、実施形態7に係るACアダプタ7の回路図である。図11は、図10に示す圧電トランス50を等価回路で表したACアダプタ7の回路図である。
ACアダプタ7は、商用電源に接続され、商用電源から交流電圧を入力する入力部IN1,IN2と、負荷が接続され、その負荷へ直流電圧を出力する出力部OUT1,OUT2とを備えている。ACアダプタ7は、本発明に係る「電源回路」の一例である。
入力部IN1,IN2には、ダイオードブリッジDB11が接続されている。ダイオードブリッジDB11には、さらに平滑コンデンサC11が接続されている。入力部IN1,IN2から入力される交流電圧は、ダイオードブリッジDB11及び平滑コンデンサC11によって、整流平滑される。ダイオードブリッジDB11及び平滑コンデンサC11は、本発明に係る「入力側整流平滑回路」の一例である。
ダイオードブリッジDB11及び平滑コンデンサC11には、直列接続されたスイッチング素子Q11,Q12が接続されている。図1及び図2では、スイッチング素子Q11,Q12はn型MOS−FETとしているが、IGBT又はバイポーラトランジスタ等であってもよい。ダイオードブリッジDB11等で整流平滑された電圧は、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチングにより、矩形波の電圧に変換される。直列接続されたスイッチング素子Q11,Q12は、本発明に係る「スイッチング回路」の一例である
スイッチング素子Q11,Q12のゲートには、ドライバ(DRV)11が接続されている。また、ドライバ51には、マイコン(MCU)52が接続されている。マイコン52は、フィードバック制御により、出力部OUT1,OUT2に接続される負荷の軽重を視て、それに応じて、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数を設定する。ドライバ51は、マイコン52からの制御信号により、ゲート電圧を生成してスイッチング素子Q11,Q12に印加し、マイコン52で設定された周期でスイッチング素子Q11,Q12をオンオフする。ドライバ51は、本発明に係る「ドライバ回路」の一例であり、マイコン52は、本発明に係る「コントローラ回路」の一例である。
スイッチング素子Q11,Q12には圧電トランス50が接続されている。圧電トランス50は絶縁型であって、入力電極E11,E12及び出力電極E21,E22を有している。入力電極E11,E12は、本発明に係る「一対の電圧入力電極」の一例である。出力電極E21,E22は、本発明に係る「一対の電圧出力電極」の一例である。
圧電トランス50の入力電極E11は、インダクタL11を介して、スイッチング素子Q11,Q12の接続点に接続されている。圧電トランス50の入力電極E12は、グランドを介してスイッチング素子Q12のソースに接続されている。入力電極E12とスイッチング素子Q12とをグランドを介して接続することで、回路を簡略化できる。
圧電トランス50の出力電極E21,E22は、ダイオードブリッジDB12に接続されている。ダイオードブリッジDB12には平滑コンデンサC12が接続され、さらに、出力部OUT1,OUT2に接続されている。ダイオードブリッジDB12及び平滑コンデンサC12は、「出力側整流平滑回路」に相当する。
圧電トランス50は、図11に示すように、キャパシタ50A,50C,50F、インダクタ50B、抵抗50D及び理想変圧器50E等で等価的に表される。キャパシタ50Aは圧電トランス50の等価入力容量であり、キャパシタ50Fは圧電トランス50の等価出力容量である。また、インダクタ50B及びキャパシタ50C等は電気機械的な結合を表すパラメータである。
圧電トランス50の等価入力容量であるキャパシタ50Aは、入力電極E11に接続されているインダクタL11とで直列共振回路を構成している。スイッチング素子Q11,Q12により電圧波形は矩形波に変換されるが、この直列共振回路により、圧電トランス50には常に正弦波が入力される。圧電トランス50は、入力電極E11,E12から入力された電圧を降圧して出力電極E21,E22から出力する。圧電トランス50により降圧された電圧は、ダイオードブリッジDB12及び平滑コンデンサC12により、整流平滑されて、出力部OUT1,OUT2から出力される。
圧電トランス50の入力電極E12には、補助電源回路が接続されている。ドライバ51及びマイコン52の駆動電圧は、ACアダプタ7に入力される商用電源の電圧と比べて遥かに低い。このため、商用電源の電圧は、ドライバ51等の駆動電圧として直接使うことができない。そこで、補助電源回路を別途設けて、圧電トランス50に印加される電圧から所定の電圧を得て、ドライバ51及びマイコン52の駆動電圧を生成する。補助電源回路は、インダクタL13、整流平滑回路53、電圧レギュレータ(LDO)54,55、及びバイパスコンデンサC15,C16等を有している。
インダクタL13は、一端が圧電トランス50の入力電極E12に接続され、他端がグランドに接続されている。インダクタL13は、圧電トランス50の等価入力容量であるキャパシタ50Aのインピーダンスに対して十分に小さく(例えば、1/10)定数設定されている。インダクタL13は、本発明に係る「第1リアクタンス素子」及び「誘導性回路」の一例である。
インダクタL12は誘導性素子である。また、圧電トランス50は容量性デバイスである。すなわち、容量性素子と誘導性素子とが直列接続された構成とみることができる。そして、スイッチング素子Q11,Q12から圧電トランス50に電圧が印加された場合、圧電トランス50とインダクタL13との接続点A7から、インダクタL13にかかる電圧を得ることができる。ここで、容量性素子と誘導性素子との直列回路では、誘導性素子のインダクタンスを大きくすることで、誘導性素子にかかる電圧が高くなる。したがって、誘導性素子のインダクタL13を用いることで、より大きな電圧を得ることができる。
整流平滑回路53は接続点A7に接続されている。整流平滑回路53は、ダイオードD12及びキャパシタC14から構成されている。整流平滑回路53は、インダクタL13にかかる電圧を取り出し、整流平滑する。整流平滑回路53は、本発明に係る「補助電源側整流平滑回路」の一例である。
図12は、圧電トランス50とインダクタL13との接続点A7での電圧波形を示す図である。接続点A7における電圧は、整流平滑回路53の入力電圧でもある。図13は、整流平滑回路53の出力電圧波形を示す図である。図12及び図13では、横軸が時間[μs]、縦軸が電圧[V]である。図12及び図13に示すように、本実施形態では、インダクタンスが30μHのインダクタL13を設けて、圧電トランス50に印加される電圧から約18Vの電圧を得ている。
整流平滑回路53の出力側には、電圧レギュレータ54が接続されている。そして、電圧レギュレータ54の出力側には、平滑用のバイパスコンデンサC15及びドライバ51が接続されている。電圧レギュレータ54は、整流平滑回路53から出力される電圧を、後段のドライバ51に必要な電圧に変換する。例えば、図13で説明したように、整流平滑回路53から18Vの電圧が出力され、ドライバ51の駆動に必要な電圧が12Vである場合、電圧レギュレータ54は、入力された18Vの電圧を12Vの電圧に変換して出力する。これにより、ドライバ51は、スイッチング素子Q11,Q12のゲートを駆動する。
また、電圧レギュレータ54の出力側には、電圧レギュレータ55も接続されている。電圧レギュレータ55の出力側には、平滑用のバイパスコンデンサC16及びマイコン52が接続されている。電圧レギュレータ55は、電圧レギュレータ54からの出力電圧を、後段のマイコン52の駆動に必要な電圧に変換する。例えば、マイコン52の動作に必要な電圧が3.3Vである場合、電圧レギュレータ55は、前記のように、電圧レギュレータ54が変換して出力した12Vの電圧を、3.3Vの電圧に変換して出力する。これにより、マイコン52は動作する。
このように、電圧レギュレータ54,55を設けることで、取り出した電圧から、所望の値の定電圧の出力が可能となる。
なお、マイコン52の動作電圧の生成のために、整流平滑回路53に電圧レギュレータ54,55を縦続接続しているが、この構成により、補助電源回路の効率低下を防ぐことができる。詳しくは、前記の例では、接続点A7から得る電圧は約18Vであり、マイコン52の駆動電圧は3.3Vであって、これらの電圧差は大きい。このため、一つの電圧レギュレータで18Vから3.3Vへ変換した場合、補助電源回路の損失は大きい。そこで、電圧レギュレータ54で18Vから12Vに変換し、さらに、電圧レギュレータ55で、12Vから3.3Vへと変換することで、補助電源回路での損失を抑え、効率を上げることができる。
このように、本実施形態に係るACアダプタ7は、圧電トランス50を用いて小型化を実現している。そして、圧電トランス50にインダクタL13を接続することで補助電源を生成することができるため、従来のように巻線トランスを構成する必要がなく、ACアダプタ7の小型化を阻害することがない。また、インダクタL13は、インダクタL11よりもインダクタンスが十分に小さく、インダクタL13を設けても、インダクタL11及びキャパシタ50Aからなる共振回路の共振特性に影響を及ぼさない。このため、インダクタL13は、共振回路の共振特性に制限されることなく、単独で定数設定できるため、補助電源回路の設計が容易であり、補助電源回路の汎用性を高くできる。
なお、ACアダプタ7は、図示しないが、起動回路を備えていてもよい。起動回路は、ACアダプタ7の起動時において、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチングが開始されるまでの間、商用電源電圧からドライバ51及びマイコン52の駆動電圧を生成する。そして、マイコン52等が駆動し、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチングが開始された後、起動回路は停止する。そして、補助電源回路は、圧電トランス50に印加される商用電源電圧から電圧を取り出し、ドライバ51等の駆動電圧を生成する。これにより、ACアダプタ7が起動してから補助電源回路が駆動するまでの間、ドライバ51等を適切に駆動させることができる。
(実施形態8)
図14は、実施形態8に係るACアダプタ8の回路図を示す。この例では、ACアダプタ8が備える補助電源回路の構成が実施形態7と相違する。以下、その相違点について説明する。
ACアダプタ8の補助電源回路において、インダクタL13には、キャパシタC17が並列に接続され、並列回路56を形成している。並列回路56は、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数において、誘導性となるよう、インダクタL13及びキャパシタC17が定数設定されている。並列回路56は、本発明に係る「誘導性回路」の一例である。
図15は、圧電トランス50とインダクタL13との接続点A7での電圧波形を示す図である。図16は、整流平滑回路53の出力電圧波形を示す図である。図15及び図16では、横軸が時間[μs]、縦軸が電圧[V]である。また、図15及び図16は、インダクタL13のインダクタンスを10μHとし、キャパシタC17のキャパシタンスを、15nF、20nF、25nFとした場合の電圧波形を示す。
図15及び図16に示すように、キャパシタC17のキャパシタンスを変えることで、異なる電圧を得ることができる。例えば、キャパシタC17のキャパシタンスが25nFの場合、約30Vの電圧を得ることができる。キャパシタC17のキャパシタンスが20nFの場合、約18Vの電圧を得ることができる。キャパシタC17のキャパシタンスが15nFの場合、約12Vの電圧を得ることができる。
このように、インダクタL13に並列接続したキャパシタC17のキャパシタンスを適宜変更することで、取り出す電圧を調整することができる。整流平滑回路53に接続される後段の素子、例えば、ドライバ51又はマイコン52の駆動に必要な電圧に応じて、キャパシタC17を定数設定すればよい。
また、キャパシタC17を並列接続した場合、キャパシタC17を設けない実施形態7(図12参照)と比べた場合、電圧波形に現れるノイズを抑制することができる。キャパシタC17を設けていない実施形態7の場合、インダクタL13は、ダイオードD12の寄生容量(接合容量)と共振し、その共振によって、図12の電圧波形にみられるノイズ(スパイク)が現れる。これに対し、キャパシタC17を設けた本実施形態の場合、キャパシタC17のキャパシタンスは、ダイオードD12の寄生容量よりも十分に大きく、ダイオードD12の寄生容量が無視できる(見えなくなる)。そして、インダクタL13は、キャパシタC17と共振する。この共振周波数は、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数に近似する程度に低い。これにより、図12の電圧波形にみられるノイズ(スパイク)が現れなくなる。
また、接続点A7の電圧波形にノイズが現れる場合、整流平滑回路53のダイオードD12は、ノイズを考慮して高耐圧の素子を必要とするが、本実施形態では、ノイズが現れないため、ダイオードD12に高耐圧の素子を用いる必要がない。
(実施形態9)
図17は、実施形態9に係るACアダプタ9の回路図を示す。この例では、ACアダプタ9は圧電トランス50を2つ備え、それらが並列接続されている点で、実施形態7と相違する。以下、その相違点について説明する。
2つの圧電トランス50は並列接続されている。2つの圧電トランス50の入力電極E11は、インダクタL11を介して、スイッチング素子Q11,Q12の接続点に接続されている。2つの圧電トランス50の入力電極E12には、補助電源回路が接続されている。この補助電源回路は、実施形態7と同じ構成である。2つの圧電トランス50の出力電極E21,E22は、ダイオードブリッジDB12に接続されている。
このように、本実施形態に係るACアダプタ9は2つの圧電トランスを並列接続した構成である。圧電トランスは共振特性、機械的な強度の点から大きさが制限され、大きさの制限により扱える電力も制限される。このため、本実施形態のように、2つの圧電トランスを並列接続することで、ACアダプタ9は大電力を扱うことができ、従来のように巻線トランスを構成する必要がない。
また、実施形態7と同様、圧電トランス50にインダクタL13を接続することで、ドライバ51及びマイコン52それぞれに対して補助電源を生成できるため、巻線トランスを設ける必要がなく、ACアダプタ9の小型化を阻害することがない。
なお、本実施形態の補助電源回路は実施形態8で説明したように、補助電源回路のインダクタL13にキャパシタが並列接続された構成であってもよい。
(実施形態10)
図18は、実施形態10に係るACアダプタ10の回路図を示す。この例では、ACアダプタ10が備える補助電源回路の構成が実施形態9と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、本実施形態では、ACアダプタ10は、2つの圧電トランス50が並列接続された構成としているが、実施形態7のように、ACアダプタ10は、1つの圧電トランスのみを備えた構成であってもよい。
並列接続された2つの圧電トランス50の入力電極E11は、インダクタL11を介して、スイッチング素子Q11,Q12の接続点に接続されている。2つの圧電トランス50の入力電極E12には、補助電源回路60が接続されている。2つの圧電トランス50の出力電極E21,E22は、ダイオードブリッジDB12に接続されている。
図19は、本実施形態に係る補助電源回路60の回路図である。
補助電源回路60は、2つの圧電トランス50に印加される電圧から、電圧値が異なる電圧を生成し、ドライバ51及びマイコン52それぞれに印加する。補助電源回路60は並列回路61,62を有している。並列回路61は、キャパシタC21とインダクタL14とが並列接続されて形成される。並列回路62は、キャパシタC22とインダクタL15とが並列接続されて形成される。インダクタL14,L15は、本発明に係る「第1リアクタンス素子」の一例である。
並列回路61,62は、圧電トランス50の入力電極E12とグランドとの間に直列に接続されている。並列回路61,62はスイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数において誘導性となるよう、定数設定されている。並列回路61,62は、本発明に係る「誘導性回路」の一例である。また、インダクタL14,L15は、本発明に係る「直列接続部」の一例である。
以下の説明では、圧電トランス50の入力電極E12と並列回路61との接続点を、接続点A8と言う。また、並列回路61,62の接続点を、接続点A9と言う。
補助電源回路60は、整流平滑回路63,64、電圧レギュレータ(LDO)65,66及びバイパスコンデンサC25,C26を有している。
整流平滑回路63は、ダイオードD23及びキャパシタC23から構成されている。整流平滑回路63は接続点A8に接続されている。整流平滑回路64は、ダイオードD24及びキャパシタC24から構成されている。整流平滑回路64は接続点A9に接続されている。整流平滑回路63,64は接続点A8,A9での電圧を取り出し、整流平滑する。整流平滑回路63,64は、本発明に係る「補助電源側整流平滑回路」の一例である。
接続点A8の電位は、並列回路61,62の合成インピーダンスにより決まる。また、接続点A9の電位は、並列回路61,62のインピーダンスの比率により決まる。したがって、接続点A8,A9の電位は、並列回路61,62のインピーダンスを調整することで、調整できる。
整流平滑回路63,64の出力側には、電圧レギュレータ65,66が接続されている。電圧レギュレータ65の出力側には、平滑用のバイパスコンデンサC25及びドライバ51が接続されている。電圧レギュレータ65は、整流平滑回路63から出力される電圧を、後段のドライバ51に必要な電圧に変換する。電圧レギュレータ66の出力側には、平滑用のバイパスコンデンサC26及びマイコン52が接続されている。電圧レギュレータ66は、整流平滑回路64から出力される電圧を、後段のマイコン52に必要な電圧に変換する。
ここで、接続点A8の電位は接続点A9の電位より高い。例えば、接続点A8での電位が18Vとすると、接続点A9での電位は、並列回路61,62により、接続点A8の電位(18V)を分圧した電圧である。この接続点A8に整流平滑回路63等を介して接続されるドライバ51の駆動に必要な電圧が15V、接続点A9に整流平滑回路64等を介して接続されるマイコン52の駆動に必要な電圧が3.3Vであるとする。この場合、電圧レギュレータ65は、18Vの電圧を15Vの電圧に変換する。また、電圧レギュレータ66は、18Vの電圧の分圧電圧を3.3Vの電圧に変換する。
実施形態7の補助電源回路では、1段目の電圧レギュレータ(図10の電圧レギュレータ54)で18Vの電圧を15Vの電圧に変換し、さらに2段目の電圧レギュレータ(図10の電圧レギュレータ55)で15Vの電圧を、3.3Vの電圧に変換して、マイコン52の駆動電圧を生成している。この場合、2段目の電圧レギュレータでの変換前後の電圧差が大きく、電圧差による損失は大きい。
これに対し、本実施形態では、電圧レギュレータ66は、接続点A8の電圧の分圧電圧を、マイコン52用の3.3Vの電圧に変換している。この場合、電圧レギュレータ66による電圧変換前後の電圧差は、実施形態7のように電圧レギュレータを2段に構成する場合と比べて小さく、電圧レギュレータ66における電圧差による損失は小さい。
このように、並列回路61,62を直列接続し、接続点A8,A9に整流平滑回路63,64を接続する構成とすることで、電圧レギュレータ65,66での降圧時の損失を抑制して、ドライバ51及びマイコン52それぞれの駆動電圧を生成できる。
図20、図21及び図22は、補助電源回路の別の例の回路図である。
図20に示す補助電源回路60Aは、圧電トランス50の入力電極E12とグランドとの間に並列回路67を備えている。並列回路67は、インダクタL16,L17の直列回路と、キャパシタC18とが並列接続されて構成されている。並列回路67は、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数において誘導性となるよう、インダクタL16,L17とキャパシタC18とは定数設定されている。並列回路67は、本発明に係る「誘導性回路」の一例である。インダクタL16,L17は、本発明に係る「第1リアクタンス素子」及び「直列接続部」の一例である。
整流平滑回路63は、圧電トランス50の入力電極E12とインダクタL16との接続点A10に接続されている。整流平滑回路64は、インダクタL16,L17の接続点A11に接続されている。接続点A11の電位は、並列回路67のインピーダンス、インダクタL16,L17にインピーダンス比を調整することで、調整できる。
この構成であっても、電圧レギュレータ65,66での降圧時の損失を抑制して、ドライバ51及びマイコン52それぞれの駆動電圧を生成できる。
図21に示す補助電源回路60Bは、並列回路67に対し、並列接続されたインダクタL18をさらに備えている。このインダクタL18をさらに設けることで、接続点A11の電位を調整することができる。
この構成であっても、電圧レギュレータ65,66での降圧時の損失を抑制して、ドライバ51及びマイコン52それぞれの駆動電圧を生成できる。
図22に示す補助電源回路60Cは、圧電トランス50の入力電極E12とグランドとの間に並列回路68を備えている。並列回路68は、キャパシタC19とインダクタL17との直列回路と、インダクタL19とが並列接続されて構成されている。並列回路68は、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数において誘導性となるよう定数設定されている。並列回路68は、本発明に係る「誘導性回路」の一例である。
整流平滑回路63は、圧電トランス50の入力電極E12とインダクタL19との接続点A12に接続されている。整流平滑回路64は、キャパシタC19とインダクタL17の接続点A13に接続されている。接続点A12,A13の電位は、並列回路68のインピーダンス、キャパシタC19とインダクタL17とのインピーダンス比を調整することで、調整できる。
この構成であっても、電圧レギュレータ65,66での降圧時の損失を抑制して、ドライバ51及びマイコン52それぞれの駆動電圧を生成できる。
実施形態1〜10により、ACアダプタの小型化を実現している。以下に説明する実施形態11〜15では、さらに、補助電源回路からの補助電源電圧を安定して出力できるACアダプタの構成について説明する。
入力電圧又は入力電流から補助電源電圧を生成する場合において、負荷の軽重の変動によって入力電圧にリップルが現れる。そして、そのリップルが、生成する補助電源電圧(IC用の電圧)に影響を及ぼすことがある。例えば、補助電源からICに入力される電圧が、リップルの影響によって、そのICの駆動電圧を下回る場合、ICは正常に駆動しないおそれがある。また、リップルによって、ICの駆動電圧を超える電圧が補助電源から出力される場合には、その電圧を定電圧回路でICの駆動電圧に合わせて降圧する必要があり、定電圧回路で大きな損失が発生する。そこで、以下に説明する実施形態11〜15に係る補助電源回路は、安定した補助電源電圧の出力を可能にする。
(実施形態11)
図23は、実施形態11に係るACアダプタ11の回路図である。図24は、図23に示す圧電トランス50を等価回路で表したACアダプタ11の回路図である。ACアダプタ11は、本発明に係る「電源回路」の一例である。
ACアダプタ1は、入力部IN1,IN2と出力部OUT1,OUT2とを備えている。入力部IN1,IN2は商用電源に接続される。出力部OUT1,OUT2には負荷が接続される。
入力部IN1,IN2には、ダイオードブリッジDB11が接続されている。ダイオードブリッジDB11には平滑コンデンサC11が接続されている。ダイオードブリッジDB11及び平滑コンデンサC11は、整流平滑回路を構成する。この整流平滑回路は、入力部IN1,IN2から入力される交流電圧を整流平滑する。ダイオードブリッジDB11及び平滑コンデンサC11は、本発明に係る「入力側整流平滑回路」の一例である。
前記整流平滑回路には、スイッチング素子Q11,Q12の直列回路が接続されている。図23及び図24では、スイッチング素子Q11,Q12はMOS−FETとしているが、IGBT又はバイポーラトランジスタ等であってもよい。整流平滑回路で整流平滑された電圧は、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチングにより矩形波の電圧に変換される。スイッチング素子Q11,Q12の直列回路は、本発明に係る「スイッチング回路」の一例である。
スイッチング素子Q11,Q12それぞれのゲートには、ドライバ(DRV)51が接続されている。ドライバ51にはマイコン(MCU)52が接続されている。ドライバ51は、スイッチング素子Q11,Q12のデューティ比又はスイッチング周波数を制御する。マイコン52は、出力部OUT1,OUT2の出力電圧(又は出力電流)の検出結果を得て、規定値との比較に応じて、ドライバ51を制御する。
スイッチング素子Q11,Q12の接続点は、インダクタL11を介して、圧電トランス50に接続されている。詳しくは、圧電トランス50は、入力電極E11,E12及び出力電極E21,E22を有している。そして、スイッチング素子Q11,Q12の接続点は、インダクタL11を介して、圧電トランス50の入力電極E11に接続されている。
圧電トランス50の入力電極E12は、後述の補助電源回路が有するキャパシタC31及び並列回路56を介して基準電位に接続されている。出力電極E21,E22は、ダイオードブリッジDB12及び平滑コンデンサC12からなる整流平滑回路に接続されている。その整流平滑回路は出力部OUT1,OUT2に接続されている。
なお、入力電極E11,E12は、本発明に係る「一対の入力電極」の一例である。出力電極E21,E22は、本発明に係る「一対の出力電極」の一例である。ダイオードブリッジDB12及び平滑コンデンサC12は、本発明に係る「出力側整流平滑回路」の一例である。
この圧電トランス50は、図24に示すように、等価入力容量50A、キャパシタ50C、等価出力容量50F、インダクタ50B、抵抗50D及び理想変圧器50E等で等価的に表される。インダクタ50B及びキャパシタ50C等は電気機械的な結合を表すパラメータである。
圧電トランス50の入力電極E11,E12には、スイッチング素子Q11,Q12により交流電圧が印加される。前記のように、入力電極E12にはキャパシタC13及び並列回路57が接続されている。圧電トランス50の等価入力容量50Aと、キャパシタC31と、並列回路57のキャパシタC13と、インダクタL11とは、直列共振回路を構成している。スイッチング素子Q11,Q12により電圧は矩形波の電圧に変換されるが、この直列共振回路により、圧電トランス50の入力電極E11,E12には正弦波状の交流電圧が印加される。圧電トランス50は、その正弦波状の交流電圧を変圧して、出力電極E21,E22から出力する。圧電トランス50から出力される電圧は、ダイオードブリッジDB12及び平滑コンデンサC12により整流平滑され、出力部OUT1,OUT2から出力される。なお、ここでいう交流電圧とは、交流成分を有する電圧のことをさし、直流成分が含まれた脈流電圧等も含む。
圧電トランス50の入力電極E12には補助電源回路が接続される。その補助電源回路は、圧電トランス50に印加される電圧から、ドライバ51及びマイコン52の駆動電圧を生成して出力する。ドライバ51及びマイコン52の駆動電圧は、ACアダプタ11に入力される商用電源の電圧と比べて遥かに低い。例えば、ドライバ51の駆動電圧は約12Vである。マイコン52の駆動電圧は約3.3Vである。補助電源回路は、圧電トランス50に印加される電圧から所定の電圧を得て、ドライバ51及びマイコン52の駆動電圧を生成する。
この補助電源回路は、キャパシタC14,C31、並列回路57、ダイオードD11,D12、制御部58、及び電圧レギュレータ(LDO)54,55等を有している。
直列接続されるキャパシタC31及び並列回路57は、前記のように、圧電トランス50の入力電極E12と基準電位との間に直列接続されている。並列回路57は、キャパシタC13と、キャパシタC4及びスイッチ素子Q2の直列回路とが並列接続されている。スイッチ素子Q2は制御部58によりオンオフされる。スイッチ素子Q2がオンされると、キャパシタC13にキャパシタC4が並列接続される構成となる。すなわち、並列回路57の容量は、スイッチ素子Q2をオンオフすることで変動する。制御部58による制御については後述する。
なお、並列回路57は、本発明に係る「回路定数可変回路」の一例である。キャパシタC13は、本発明に係る「第1リアクタンス素子」及び「回路定数固定回路」の一例である。制御部58は、本発明に係る「変更部」の一例である。
圧電トランス50は容量性デバイスである。このため、圧電トランス50、キャパシタC31及び並列回路57は、容量分圧回路を構成する。前記のように、並列回路57の容量は、スイッチ素子Q2のオンオフにより変動する。つまり、容量分圧回路の分圧比は、スイッチ素子Q2のオンオフにより変動する。
ここで、キャパシタC31のキャパシタンスは、等価入力容量50AとキャパシタC13との合成キャパシタンスより十分に大きく設定されている。このため、キャパシタC31と並列回路57との接続点A14の電位は、主に等価入力容量50A及び並列回路57の容量により決定される。したがって、接続点A14の電位は、並列回路57により調整できる。なお、圧電トランス50の入力電極E12には補助電源回路が接続される場合は、圧電トランス50の等価入力容量50Aは小さいので、キャパシタC31を設けなくてもよい。その場合は、補助電源回路は圧電トランス50の入力電極E12に直接接続され、補助電源回路と圧電トランス50の入力電極E12との接続点が、接続点A14となる。
キャパシタC13には、ダイオードD11が並列接続されている。ダイオードD11は、接続点A14から正の電圧を取り出すために設けられている。
接続点A14には、ダイオードD12及びキャパシタC14からなる整流平滑回路が接続されている。整流平滑回路は、容量分圧回路の接続点A14から電圧を取り出して、整流平滑する。この整流平滑回路の出力側には、シリーズレギュレータである電圧レギュレータ54が接続されていて、整流平滑回路は、整流平滑後の電圧を電圧レギュレータ54へ出力する。
ダイオードD12及びキャパシタC14からなる整流平滑回路は、本発明に係る「補助電源側整流平滑回路」の一例である。この整流平滑回路から出力される電圧は、本発明に係る「補助電源電圧」の一例である。
電圧レギュレータ54の出力側には、バイパスコンデンサC15及びドライバ51が接続されている。電圧レギュレータ54は、整流平滑された接続点A14の電圧を、ドライバ51に必要な定電圧に変換する。例えば、電圧レギュレータ54に18Vの電圧が入力され、ドライバ51の駆動に必要な電圧が12Vであるとき、電圧レギュレータ54は、18Vの電圧を12Vの電圧に降圧して出力する。これにより、ドライバ51は動作する。
また、電圧レギュレータ54の出力側には、電圧レギュレータ55も接続されている。電圧レギュレータ55の出力側には、バイパスコンデンサC16及びマイコン52が接続されている。電圧レギュレータ55は、電圧レギュレータ54からの出力電圧を、マイコン52の駆動に必要な電圧に降圧する。例えば、マイコン52の動作に必要な電圧が3.3Vである場合、電圧レギュレータ55は、前記のように、電圧レギュレータ54により12Vに変換された電圧を、3.3Vの電圧に降圧して出力する。これにより、マイコン52は動作する。
このように、補助電源回路は、容量分圧回路により、圧電トランス50に印加される電圧を分圧する。そして、補助電源回路は、接続点A1から電圧を取り出し、ドライバ51及びマイコン52の駆動電圧を生成する。しかしながら、接続点A14の電位は、出力部OUT1,OUT2に接続される負荷の軽重に応じて変動する。接続点A14の電位が変動すると、補助電源回路が生成する電圧も変動してしまう。
詳しくは、前記のように、スイッチング素子Q11,Q12は、負荷の軽重に応じて、ドライバ51及びマイコン52によりスイッチング制御される。このため、スイッチング素子Q11,Q12への入力電圧は、負荷に応じて変動する。特に重負荷の場合、スイッチング素子Q11,Q12の接続点での電圧の揺れ(リップル)は大きくなり、それが接続点A14の電位に影響する。
仮に、リップルの影響で接続点A14の電位が上がり、電圧レギュレータ54には、規定値(例えば、18V)よりも大きい電圧が入力されたとする。この場合、電圧レギュレータ54は、前記の例で示した18Vから12Vに降圧する場合よりも大きな電圧差で、入力された電圧を降圧する必要がある。したがって、電圧レギュレータ54での損失は大きくなる。
そこで、接続点A14の電位を変動させるために、スイッチ素子Q2をオンオフして並列回路57の容量を変動させて、容量分圧回路の分圧比を変動させる。スイッチ素子Q2はMOS−FETである。スイッチ素子Q2は、そのゲートが制御部58に接続され、制御部58によりオンオフされる。
スイッチング素子Q11,Q12の入力側には、分圧抵抗R1,R2からなる入力電圧検出回路が設けられている。制御部58には、その入力電圧検出回路により検出される入力電圧Vdが入力される。制御部58は、入力電圧Vdと、所定の基準電圧Vthとを比較する。重負荷で、入力電圧Vdが基準電圧Vth以上である場合、制御部58はスイッチ素子Q2をオンにする。また、軽負荷で、入力電圧Vdが基準電圧Vth未満である場合、制御部58はスイッチ素子Q2をオフにする。
スイッチ素子Q2がオフのとき、並列回路57の容量は、キャパシタC13のみのキャパシタンスとなる。スイッチ素子Q2がオンのとき、並列回路57の容量は、並列接続されたキャパシタC13,C4の合成キャパシタンスとなる。つまり、スイッチ素子Q2をオンオフすることで、容量分圧回路の分圧比を変動させて、接続点A14の電位を変動させることができる。
入力電圧Vdに応じて、接続点A14の電位を変動させることができるため、入力電圧Vdが高い場合には、接続点A14の電位を低くできる。また、入力電圧Vdが低い場合には、接続点A14の電位を高くできる。このように、入力電圧Vdの変動に応じて、接続点A14の電位を変動させることで、電圧レギュレータ54には、変動の少ない安定した電圧を入力させることができる。
なお、本実施形態では、軽負荷で、入力電圧Vdが基準電圧Vth未満の場合、すなわち、スイッチ素子Q2がオフの場合、接続点A14の電圧が、ドライバ51の駆動電圧以下とならないように、キャパシタC31,C13は定数設定されている。つまり、スイッチ素子Q2がオフの場合、接続点A14の電圧が低くても、ドライバ51の駆動に必要な電圧を確保できる。このため、重負荷時に本制御を行うよう構成しても、軽負荷時での不具合は発生しない。
図25は、制御部58の内部回路の一部を示す図である。
制御部58はコンパレータ141を有している。コンパレータ141には、分圧抵抗R1,R2により検出される入力電圧Vdと、基準電圧Vthとが入力される。コンパレータ141は、入力電圧Vdと、基準電圧Vthとを比較する。コンパレータ141は、Vd≧Vthの場合、Hi信号を出力し、Vd<Vthの場合、Lo信号を出力する。
制御部58は、スイッチング素子Q31,Q32の直列回路と、スイッチング素子Q33,Q34の直列回路と、ダイオードD31,D32の直列回路とを有している。各直列回路は、電源電圧Vccと基準電位との間で、並列接続されている。スイッチング素子Q31,Q33はp型MOS−FETである。スイッチング素子Q32,Q34はn型MOS−FETである。
コンパレータ141の出力は、スイッチング素子Q31,Q32のゲートに接続されている。スイッチング素子Q31,Q32の接続点は、スイッチング素子Q33,Q34のゲートに接続されている。スイッチング素子Q33,Q34の接続点は、ダイオードD31,D32の接続点、及び、スイッチ素子Q2のゲートに接続されている。なお、ダイオードD31,D32は、スイッチ素子Q2のゲートに過電圧又は逆電圧が入力されないようにする保護回路である。
この構成において、コンパレータ141がHi信号を出力する場合、スイッチング素子Q32がオンされる。そうすると、スイッチング素子Q33がオンされ、電源電圧Vccから、スイッチ素子Q2のゲートに電圧が印加され、スイッチ素子Q2はオンとなる。また、コンパレータ141がLo信号を出力する場合、すなわち、入力電圧Vdが基準電圧Vth未満である場合、スイッチング素子Q31がオンされる。そうすると、スイッチング素子Q34がオンされるため、スイッチ素子Q2はオフとなる。
このように、制御部58は、入力電圧Vdと基準電圧Vthとを比較して、スイッチ素子Q2をオンオフする。これにより、電圧レギュレータ54への入力電圧が安定するように、図23、図24に示す接続点A14での電位を変動させることができる。
図26は、電圧レギュレータ54への入力電圧VLDOの波形を示す図である。図26で、「制御あり」とは、スイッチ素子Q2のスイッチング制御を行う場合である。「制御なし」とは、キャパシタC2及びスイッチ素子Q2の回路を設けない場合である。
なお、図26に示す入力電圧VLDOの波形は、その入力電圧VLDOに現れるリップルのみを示している。また、図26では、入力電圧Vd、基準電圧Vth、及び、スイッチ素子Q2のオンオフ期間も示す。図26に示す軽負荷で、「制御あり」の場合は、入力電圧Vdが基準電圧Vth以上とならないため、スイッチ素子Q2はオフである。
図26に示すように、重負荷の場合であっても、軽負荷の場合であっても、「制御あり」と「制御なし」とを比較すると、「制御あり」の方が、電圧レギュレータ54への入力電圧VLDOのリップルは小さい。すなわち、スイッチ素子Q2をオンオフすることで、電圧レギュレータ54への入力電圧VLDOのリップルを抑えて安定化できる。その結果、電圧レギュレータ54での損失を抑制できる。
以上説明したように、本実施形態では、ACアダプタ11に接続される負荷の軽重にかかわらず、補助電源回路の出力電圧を安定化させることができる。これにより、負荷の変動時に現れるリップルによる影響を軽減して、ドライバ51等が電圧不足で駆動しなかったり、電圧レギュレータ54での損失が大きくなったりすることを抑制できる。また、並列回路57の容量を変更する回路は、キャパシタC4とスイッチ素子Q2との簡易な回路構成で実現できる。
なお、マイコン52の動作電圧の生成のために、電圧レギュレータ54,55を縦続接続しているが、この構成により、補助電源回路の効率低下を防ぐことができる。つまり、接続点A1から得る電圧は約18Vであり、マイコン52の駆動電圧は3.3Vである場合、これらの電圧差は大きい。このため、一つの電圧レギュレータで18Vから3.3Vへ変換した場合、補助電源回路の損失は大きい。そこで、電圧レギュレータ54で18Vから12Vに変換し、さらに、電圧レギュレータ55で、12Vから3.3Vへと変換することで、補助電源回路での損失を抑え、効率を上げることができる。
本実施形態では、並列回路57の回路定数(容量)を変更する回路は、キャパシタC4とスイッチ素子Q2の直列回路としているが、この直列回路が複数並列接続された構成であってもよい。
図27は、回路定数を変更する回路の別の例を示す図である。
この例の並列回路57Aは、キャパシタC41,C42,,,C4nとスイッチ素子Q21,Q22,,,Q2nとの直列回路が、キャパシタC13に対して並列接続された構成である。この場合、並列回路57Aの容量を、2通りに設定できる。このため、接続点A14の電位をより細かく変動させることができるため、補助電源回路の出力電圧を高精度に安定化させることができる。
なお、本実施形態では、分圧抵抗R1,R2からなる入力電圧検出回路は、直流電圧を検出して検出精度を高めるために、スイッチング素子Q11,Q12の入力側に設けているが、入力電圧検出回路は、他の位置に設けてもよい。例えば、補助電源回路の電圧レギュレータ54の入力側に設けるようにしてもよい。また、本実施形態では、入力電圧Vdを検出しているが、例えば、カレントトランスを用いて、スイッチング素子Q11,Q12への入力電流を検出してもよい。この場合、検出する入力電流と基準値とを比較して、スイッチ素子Q2をスイッチング制御してもよい。
(実施形態12)
実施形態12では、ACアダプタが備える補助電源回路を設ける位置が実施形態11と相違する。
図28は、実施形態12に係るACアダプタが備える補助電源回路を示す回路図である。図28に示す補助電源回路は、実施形態11と同じ構成であるため、実施形態11と同じ符号付して説明する。
この例では、補助電源回路のキャパシタC31は、スイッチング素子Q11,Q12の接続点と、インダクタL11との間に設けられている。圧電トランス50の入力電極E12は基準電位に直接接続されている。キャパシタC31,C13の直列回路と、圧電トランス50の等価入力容量50A(図2参照)とは並列接続された構成であり、その並列回路の合成容量と、インダクタL11とで共振回路を形成している。
ここで、キャパシタC31のキャパシタンスは、キャパシタC13のキャパシタンス以下に設定されている。この場合、キャパシタC31,C13の直列回路のインピーダンスは、キャパシタC31が支配的となる。このため、キャパシタC31,C13の直列回路に印加される電圧は、主にキャパシタC31により決定される。また、接続点A14の電位は、並列回路57により調整できる。
補助電源回路のスイッチ素子Q2による制御は、実施形態11と同じである。また、他の構成は実施形態11と同じであるため、説明を省略する。
このように、本実施形態に係る構成であっても、ACアダプタに接続される負荷の軽重にかかわらず、補助電源回路の出力電圧を安定化させることができる。
(実施形態13)
実施形態13では、本発明に係る「回路定数可変回路」の構成が実施形態11と相違する。
図29、図30及び図31は、実施形態13に係るACアダプタが備える補助電源回路の別の一例を示す図である。
図29に示す補助電源回路は、キャパシタC13と可変容量キャパシタCvとが並列接続された並列回路57Bを備えている。可変容量キャパシタCvは、例えば、図23の制御部58により静電容量調整が行われる。この並列回路57Bは、圧電トランス50の入力電極E12に接続されている。並列回路57Bは、本発明に係る「回路定数可変回路」の一例である。また、可変容量キャパシタCvは、本発明に係る「可変容量素子」の一例である。
図30に示す補助電源回路は、キャパシタC13と可変容量キャパシタCvとの直列回路を備えている。この直列回路は、圧電トランス50の入力電極E12に接続されている。この直列回路は、本発明に係る「回路定数可変回路」の一例である。また、可変容量キャパシタCvは、本発明に係る「可変容量素子」の一例である。
図31に示す補助電源回路は、圧電トランス50の入力電極E12に接続される可変容量キャパシタCvを備えている。この例では、可変容量キャパシタCvは、本発明に係る「第1リアクタンス素子」、「回路定数可変回路」及び「可変容量素子」の一例である。
図29、図30及び図31の何れの場合であっても、可変容量キャパシタCvのキャパシタンスを変動させることで、ACアダプタに接続される負荷の軽重にかかわらず、補助電源回路の出力電圧を安定化させることができる。また、実施形態11のように、スイッチ素子Q2(図23参照)をオンオフして分圧比を可変する場合と比べて、スイッチング時に生じる高周波ノイズを抑制できる。
(実施形態14)
実施形態4に係るACアダプタは、本発明に係る「回路定数可変回路」の構成が実施形態1と相違する。
図32は、実施形態14に係るACアダプタ12の回路図である。
ACアダプタ2の補助電源回路は、インダクタL2と、キャパシタC5と、インダクタL3及びスイッチング素子Q3の直列回路とが並列接続された並列回路57Cを備えている。この並列回路57Cは、圧電トランス50の入力電極E12に接続されている。スイッチング素子Q3は、実施形態1と同様、制御部58によりオンオフされる。
並列回路57Cは、本発明に係る「回路定数可変回路」の一例である。インダクタL2は、本発明に係る「第1リアクタンス素子」の一例である。また、インダクタL2及びキャパシタC5は、本発明に係る「回路定数固定回路」の一例である。
スイッチング素子Q3がオンされることで、インダクタL3がインダクタL2に並列接続される。したがって、並列回路57Cのインダクタンスは、スイッチング素子Q3がオンオフされることで変動する。この並列回路57Cは、スイッチング素子Q11,Q12のスイッチング周波数において、誘導性になるように定数設定されている。圧電トランス50は容量性デバイスである。すなわち、圧電トランス50と並列回路57Cとは、容量性素子と誘導性素子とが直列接続された構成とみることができる。
ここで、容量性素子と誘導性素子との直列回路では、誘導性素子のインダクタンスを大きくすることで、誘導性素子にかかる電圧が高くなる。したがって、誘導性である並列回路57Cのインピーダンスを変動させることで、圧電トランス50と並列回路57Cとの接続点A15の電位を変動させることができる。
スイッチング素子Q3がオンされ、インダクタL2にインダクタL3が並列接続されると、並列回路57Cのインピーダンスは小さくなる。したがって、接続点A15の電位を下げることができる。このため、リップルの影響で接続点A15の電位が上がる場合であっても、スイッチング素子Q3をオンすることで、接続点A15の電位を下げることができる。そして、規定値(例えば、18V)よりも大きい電圧が電圧レギュレータ54に入力されることを抑制できる。その結果、電圧レギュレータ54での損失を低減できる。
このように、ACアダプタ12は本実施形態の構成であっても、実施形態11〜13と同様に、負荷が変動しても、補助電源回路からの出力電圧を安定させることができる。
(実施形態15)
実施形態15に係るACアダプタは、図32に示す並列回路57CのインダクタL3をキャパシタに変えている点で、実施形態4と相違する。
図33は、実施形態15に係るACアダプタ13の回路図である。
ACアダプタ13の補助電源回路は、インダクタL2と、キャパシタC5と、キャパシタC51及びスイッチ素子Q4の直列回路とが並列接続された並列回路57Dを備えている。この並列回路57Dは、圧電トランス50の入力電極E12に接続されている。
並列回路57Dは、本発明に係る「回路定数可変回路」の一例である。インダクタL2及びキャパシタC5は、本発明に係る「回路定数固定回路」の一例である。
この例では、制御部58は、入力電圧Vdが基準電圧Vth未満である場合に、スイッチ素子Q4をオンし、入力電圧Vdが基準電圧Vth以上である場合に、スイッチ素子Q4をオフする。スイッチ素子Q4をオンすることで、キャパシタC5にキャパシタC51が並列接続される構成となる。つまり、並列回路57Dのインピーダンスが誘導性である場合に並列回路57Dのインピーダンスは大きくなる。したがって、圧電トランス50と並列回路57Dとの接続点A15の電位を上げることができる。
このため、リップルの影響で接続点A15の電位が上がる場合であっても、スイッチ素子Q4をオフすることで、並列回路57Dのインピーダンスが誘導性である場合に接続点A15の電位を下げることができる。そして、規定値(例えば、18V)よりも大きい電圧が電圧レギュレータ54に入力されることを抑制できる。その結果、電圧レギュレータ54での損失を低減できる。
このように、ACアダプタ13は本実施形態の構成であっても、実施形態11〜14と同様に、負荷が変動しても、補助電源回路からの出力電圧を安定させることができる。
A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10,A11,A12,A13,A14,A15…接続点
C11,C12…平滑コンデンサ
C13,C14…キャパシタ
C15,C16…バイパスコンデンサ
C17,C18,C19…キャパシタ
C2…キャパシタ
C20,C21,C22,C23,C24…キャパシタ
C25,C26…バイパスコンデンサ
C27…キャパシタ
C31…キャパシタ
C4…キャパシタ
C41,C44,,,C4n…キャパシタ
C5,C51…キャパシタ
Cv…可変容量キャパシタ
D11,D12…ダイオード
D21,D22,D23,D24…ダイオード
D31,D32…ダイオード
DB11,DB12…ダイオードブリッジ
E11,E12…入力電極
E21,E22…出力電極
IN1,IN2…入力部
L11,L12,L13,L14,L15,L16,L17,L18,L19…インダクタ
L2…インダクタ
L3…インダクタ
OUT1,OUT2…出力部
Q11,Q12…スイッチング素子
Q2…スイッチ素子
Q21,Q22,,,Q2n…スイッチ素子
Q3…スイッチング素子
Q31,Q32,Q33,Q34…スイッチング素子
Q4…スイッチ素子
R1,R2…分圧抵抗
1,2,3,4,4A,5,6,7,8,9,10,11,12…ACアダプタ
50…圧電トランス
50A…等価入力容量
50B…インダクタ
50C…キャパシタ
50D…抵抗
50E…理想変圧器
50F…等価出力容量
51…ドライバ
52…マイコン
53…整流平滑回路
54,55…電圧レギュレータ
56,57,57A,57B,57C,57D…並列回路
58…制御部
60,60A,60B,60C…補助電源回路
61,62…並列回路
63,64…整流平滑回路
65,66…電圧レギュレータ
67,68…並列回路
141…コンパレータ

Claims (28)

  1. 一対の電圧入力電極、及び一対の電圧出力電極を有する圧電トランスと、
    前記一対の電圧入力電極に接続され、スイッチング素子のオンオフにより、入力電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、
    前記一対の電圧出力電極に接続された出力側整流平滑回路と、
    前記一対の電圧入力電極と前記スイッチング回路との間に接続される第1リアクタンス素子と、
    前記第1リアクタンス素子に接続される補助電源側整流平滑回路と、
    を備える、電源回路。
  2. 前記第1リアクタンス素子は補助電源用キャパシタであり、
    前記補助電源用キャパシタに並列接続されるダイオード、を備え、
    前記補助電源側整流平滑回路は、
    前記補助電源用キャパシタと前記ダイオードとの並列回路に接続される、
    請求項1に記載の電源回路。
  3. 前記補助電源用キャパシタは、前記一対の電圧入力電極に接続されている、
    請求項2に記載の電源回路。
  4. 前記補助電源用キャパシタのキャパシタンスは、前記圧電トランスの入力容量以上である、
    請求項3に記載の電源回路。
  5. 前記補助電源用キャパシタは、前記一対の電圧入力電極に並列接続されている、
    請求項2から4の何れかに記載の電源回路。
  6. 前記一対の電圧入力電極と前記スイッチング回路との間に接続されるインダクタを備え、
    前記補助電源用キャパシタは、前記インダクタと前記一対の電圧入力電極との直列回路に対し、並列接続されている、
    請求項5に記載の電源回路。
  7. 前記並列回路に直列接続される分圧用キャパシタを備える、
    請求項5又は6に記載の電源回路。
  8. 前記分圧用キャパシタのキャパシタンスは、前記補助電源用キャパシタのキャパシタンス以下である、
    請求項7に記載の電源回路。
  9. 前記並列回路は、複数の前記補助電源用キャパシタの直列回路と、前記ダイオードとの並列接続回路である、
    請求項2から8の何れかに記載の電源回路。
  10. 前記補助電源側整流平滑回路を複数備え、
    前記補助電源側整流平滑回路の少なくとも一つは、前記複数の補助電源用キャパシタの接続点に接続されている、
    請求項9に記載の電源回路。
  11. 前記複数の補助電源用キャパシタの直列回路に並列接続される第2リアクタンス素子を備える、
    請求項10に記載の電源回路。
  12. 前記第1リアクタンス素子を含み、前記スイッチング回路のスイッチング周波数において誘導性である誘導性回路、を備え、
    前記補助電源側整流平滑回路は、前記誘導性回路に接続される、
    請求項1に記載の電源回路。
  13. 前記第1リアクタンス素子はインダクタであり、
    前記誘導性回路は、前記インダクタとキャパシタとが並列接続されて構成されている、
    請求項12に記載の電源回路。
  14. 前記誘導性回路は、複数のインダクタの直列接続部を含む、
    請求項12又は13に記載の電源回路。
  15. 前記補助電源側整流平滑回路を複数備え、
    複数の前記補助電源側整流平滑回路の少なくとも一つは、2つのインダクタの接続部に接続されている、
    請求項14に記載の電源回路。
  16. 前記直列接続部に並列接続されたキャパシタを備えた、
    請求項14又は15に記載の電源回路。
  17. 前記直列接続部に並列接続されたインダクタを備えた、
    請求項14から16の何れかに記載の電源回路。
  18. 前記第1リアクタンス素子はインダクタであり、
    前記誘導性回路は、直列接続された前記インダクタ及びキャパシタに、インダクタが並列接続されて構成され、
    前記補助電源側整流平滑回路を複数備え、
    複数の前記補助電源側整流平滑回路の少なくとも一つは、直列接続されたキャパシタとインダクタとの接続部に接続されている、
    請求項12に記載の電源回路。
  19. 前記第1リアクタンス素子と前記スイッチング回路とは、グランドを介して接続されている、
    請求項1から18の何れかに記載の電源回路。
  20. 前記補助電源側整流平滑回路に接続された電圧レギュレータ、
    を備える請求項1から19の何れかに記載の電源回路。
  21. 前記電圧レギュレータに接続され、前記スイッチング素子を駆動するドライバ回路、
    を備える、請求項20に記載の電源回路。
  22. 前記電圧レギュレータに接続され、前記スイッチング素子を制御するコントローラ回路、
    を備える請求項20又は21に記載の電源回路。
  23. 前記圧電トランスに対する入力電流又は入力電圧に基づいた値を検出する検出回路と、
    前記一対の入力電極に接続される、又は、前記一対の入力電極と前記スイッチング回路との間に接続される、回路定数が変更可能な回路定数可変回路と、
    前記検出回路の検出値に応じて前記回路定数可変回路の回路定数を変更する変更部と、
    を備え、
    前記回路定数可変回路は、前記第1リアクタンス素子を含み、
    前記補助電源側整流平滑回路は、
    前記回路定数可変回路にかかる電圧を整流平滑して、補助電源電圧を出力する、
    請求項1に記載の電源回路。
  24. 前記回路定数可変回路は回路定数固定回路を含む、
    請求項23に記載の電源回路。
  25. 前記回路定数可変回路はスイッチ素子を有し、
    前記変更部は、前記スイッチ素子をオンオフすることで、前記回路定数可変回路の回路定数を変更する、
    請求項23又は24に記載の電源回路。
  26. 前記回路定数可変回路は可変容量素子を有する、
    請求項23から25の何れかに記載の電源回路。
  27. 前記検出回路は、前記スイッチング回路の入力側に接続されている、
    請求項23から26の何れかに記載の電源回路。
  28. 商用電源に接続され、前記商用電源からの電圧を入力する入力部と、
    前記入力部から入力される電圧を整流平滑する入力側整流平滑回路と、
    一対の電圧入力電極、及び一対の電圧出力電極を有する圧電トランスと、
    前記一対の電圧入力電極に接続され、スイッチング素子のオンオフにより、前記入力側整流平滑回路により整流平滑される電圧を変換するスイッチング回路と、
    前記一対の電圧出力電極に接続された出力側整流平滑回路と、
    前記出力側整流平滑回路で整流平滑された電圧を出力する出力部と、
    前記一対の電圧入力電極と前記スイッチング回路との間に接続されるリアクタンス素子と、
    前記リアクタンス素子に接続される補助電源側整流平滑回路と、
    を備える、ACアダプタ。
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