JPH079588Y2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この考案は、直流安定化電源として使用されるスイッチ
ング電源装置に関するものである。

［従来の技術］ この種のスイッチング電源装置としては、軽量、小型、
安価で、かつ高効率であるとの理由から、RCC（リンギ
ングチョークコンバータ）方式のものが従来から広く用
いられている。

従来のRCC方式のスイッチング電源装置は、スイッチン
グ部を構成するスイッチングトランジスタを介して一次
側が直流電源に接続されたトランスの二次側に直流電圧
を取り出す出力回路と、その直流電圧を検出する出力検
出回路とを接続するとともに、上記出力検出回路のフォ
トトランジスタ（受光素子）からの検出信号を受けて出
力電圧の大きさに対応して、上記スイッチングトランジ
スタのベース電流をバイパスするバイパストランジスタ
を設けてなるリンギングチョークコンバータを主要構成
とする自励式のDC−DCコンバータ回路である。

上記構成のRCC方式のスイッチング電源装置では、トラ
ンスの二次側に接続された出力回路から取り出される直
流電圧の大きさに応じて、フォトトランジスタおよびバ
イパストランジスタを動作させて、スイッチングトラン
ジスタのベース電流を調節してそのオン期間を可変し、
もって、出力直流電圧を負荷変動にかかわらず安定化す
るように動作する。

ところで、上記構成のスイッチング電源装置において
は、スイッチングトランジスタがオン状態からオフ状態
に切替わるとき、バイパストランジスタがスイッチング
トランジスタのベース電流を徐々に掃引することになる
ため、スイッチングトランジスタは速やかにターンオフ
しない。その結果、スイッチングロスが大きくて、効率
を向上させる上で大きな障害となっていた。

このようなスイッチング部でのスイッチングロスを低減
するために、本願出願人は、先に特開平２−131363号公
報に開示されているようなスイッチング電源装置を提案
している。

第５図は本願出願人が先に提案したスイッチング電源装
置の回路構成図である。

同図において、10はリンギングチョークコンバータで、
図外の整流回路にて生成された直流電圧ａが供給されて
いる。このリンギングチョークコンバータ10は、電界コ
ンデンサ11、スイッチングトランジスタ12（スイッチン
グ部）、コンバータトランス14、整流回路（出力回路）
15等から構成されており、直流電圧ａが通電されると、
コンバータトランス14のN1巻線側の始動抵抗13、N2巻線
側のベース抵抗16を介して上記スイッチングトランス12
にベース電流が流れて、これが速やかにオン状態となる
が、スイッチングトランジスタ12の制御対称となる一次
側電流ｃは、コンバータトランス14のインダクタンスに
よって、瞬時には立ち上がらずランプ関数的に増加す
る。

そして、上記スイッチングトランジスタ12のオンと同時
にコンバータトランス14のN2巻線側に発生した正のベー
ス電流が流れる一方、一次側電流ｃが或る程度大きくな
ると、トランジスタの特性により、スイッチングトラン
ジスタ12がオン状態からオフ状態に切替わる。

上記スイッチングトランジスタ12がオフ状態になると、
コンバータトランス14に蓄積されたエネルギーが整流回
路15側に放出され、このエネルギー放出が終了したタイ
ミングで、スイッチングトランジスタ12が再び順バイア
ス状態となってオン状態に切替わり、以降、同様の動作
が繰り返されて、スイッチングトランジスタ12がスイッ
チングするようになっている。

更に詳しく説明すると、スイッチングトランジスタ12
は、上記コンバータトランス14の一次側電流ｃを制御対
象とするスイッチング素子であって、後述するコントロ
ール回路50によってオン期間が規制されるものの、上記
同様の原理でスイッチングするようになっている。

このスイッチング過程において、上記スイッチングトラ
ンジスタ12がオン状態となる半サイクルでは、一次側か
ら供給されたエネルギーをコンバータトランス14に貯え
る一方、オフ状態となる後の半サイクルでは、コンバー
タトランス14に蓄えられたエネルギーを整流回路15にお
ける電解コンデンサ152に転送させ、これにより、電解
コンデンサ152の両端に直流電圧ｂが発生するようにな
っている。

また、上記コンバータトランス14の二次側におけるN3巻
線には、上述したように整流回路15が接続されていると
ともに、N2巻線には後述する一次側電流センシング回路
30が接続されている。このN2巻線に発生する二次側コイ
ル電圧ｅは、巻線比の関係から、N1巻線に通電されてい
る一次側電圧ｈの（N2/N1）倍となる。

上記のような構成のリンギングチョークコンバータ10の
出力段に接続され、直流電圧ｂを検出する出力検出回路
20は、抵抗21、抵抗22、シャントレギュレータ23、フォ
トダイオード（発光素子）24等からなる回路であって、
力流電圧ｂを抵抗21、抵抗22で分圧した分圧電圧をバイ
アス電圧とするシャントレギュレータ23によって電流制
御を行ない、その制御された電流によりフォトダイオー
ド24を動作させて、直流電圧ｂの大きさを検出するよう
な構成となっている。

40は電圧制御信号生成回路で、この電圧制御信号生成回
路40は、上記出力検出回路20のフォトダイオード24から
検出信号を受けるフォトトランジスタ（受光素子）46を
有し、上記フォトダイオード24からの検出信号を受けて
上記直流出力電圧ｂに対応した電圧制御信号ｄを出力す
る。ただし、この電圧制御信号ｄは直流出力電圧ｂの下
降により上昇する信号となっており、抵抗42、43、44お
よびツェナダイオード45からなる基準電圧発生回路が生
成する基準電圧d1によって、その最大値が規制される。

上記一次側電流センシング回路30は、抵抗311とコンデ
ンサ312とを有し二次側コイル電圧ｅを積分する積分回
路31と、トランジスタ321とダイオード322とを有しコン
デンサ312のチャージ電荷を放電するリセット回路32か
ら構成されており、一次側電流ｃと同一波形の等価信号
ｆを生成するようになっている。即ち、リンギングチョ
ークコンバータ10に流れる一次側電流ｃを直接検出する
のではなく、二次側コイル電圧ｅを入力として等価信号
ｆを作り出し、一次側電流ｃを間接的に検出するように
なっている。

41はICコンパレータで、上記等価信号ｆと電圧制御信号
ｄとを電圧比較し、その電圧比較結果に基づいて上記ス
イッチングトランジスタ12を制御するためのバイパスト
ランジスタ51（スイッチング素子）を開閉するような構
成となっている。更に詳しく説明すると、コンパレータ
41のプラス側入力には、一次側電流センシング回路30の
出力段が接続されている一方、マイナス側入力には、出
力検出回路20の出力段であるフォトトランジスタ46の他
に、上記抵抗42〜44およびツェナダイオード45からなる
基準電圧発生回路が接続されている。

また、上記コンパレータ41の出力信号であるコントロー
ル信号ｇは、コントロール回路50に導かれている。

このコントロール回路50は、上記コンパレータ41によっ
て生成されたコントロール信号ｇに応じて動作するバイ
パストランジスタ51を主構成とするスイッチング回路で
あって、コンバータトランス14のN2巻線、ベース抵抗16
を介して流れるベース電源ｋをバイパスさせ、これでス
イッチングトランジスタ12のオン時間を可変にするよう
に構成されている。なお、上記コントロール信号ｇは、
抵抗52、ダイオード53を介して二次側電圧ｅでプルアッ
プされており、ダイオード53は、トランジスタ51が逆バ
イアス状態にある時の保護用ダイオードである。

次に、上記のように構成されたスイッチング電源装置の
動作について第６図のタイミングチャートを参照して説
明する。

まず、期間T0では、負荷の大きさに見合った正常レベル
の一次側電流ｃが流れており、電圧制御信号ｄよりも等
価信号ｆの方が大きくなったタイミングで、コンパレー
タ41により生成されるコントロール信号ｇがアクティブ
となり、バイパストランジスタ51がオンして、スイッチ
ングトランジスタ12のオン期間が規制されることによっ
て、一次側電流ｃの最大レベルが規制され、これにより
直流出力電圧ｂが一定レベルに安定化される。

また、期間T1において、負荷状態が変化してほぼ短絡に
近い形になって、直流出力電圧ｂがほぼ零近くとなり一
次側電流ｃが異常に大きくなったとすると、直流出力電
圧ｂの低下とともに電圧制御信号ｄが上昇しようとする
が、その最大値が基準電圧d1に規制されて飽和する一
方、上記等価信号ｆは益々大きくなる。この等価信号ｆ
が基準電圧d1よりも大きくなったタイミング、即ち、時
間t1において、コントロール信号ｇがアクティブとなっ
て、スイッチングトランジスタ12が強制的にオフ状態に
される。言い換えると、負荷側の短絡により直流出力電
圧ｂが低下して一次側電流ｃが大きくなっても、電圧制
御信号ｄの最大レベルは基準電圧d1の大きさに見合った
値でリミットされ、これによって過電流からスイッチン
グトランジスタ12等が保護されることになる。即ち、ツ
ェナーダイオード45、抵抗43、44等からなる基準電圧発
生回路は、一次側電流ｃの許容最大レベルを決定するに
必要な回路となっている。

その後、期間T2において負荷状態が元にもどると、期間
T0と同様の制御が行われるが、期間T3にかけて負荷状態
が軽くなったとすると、直流出力電圧ｂが上がり、これ
に応じて電圧制御信号ｄが低下し、言い換えると、コン
パレータ41において等価信号ｆに対するしきい値がかな
り低下し、スイッチングトランジスタ12のオン時間が短
くなる。これは直流出力電圧ｂを低下させる方向であ
り、その結果として、負荷状態が変動しても直流電圧ｂ
が速やかに元にもどされることになる。

ここで、上記スイッチングトランジスタ12のオン・オフ
を行なうコンパレータ41の制御動作について詳しく説明
する。

このコンパレータ41は、一次側電流センシング回路30か
ら出力される等価信号ｆと、二次側の出力電圧ｂの変動
に応じて変化する電圧制御信号ｄとを比較して、ｆ＞ｄ
のとき、コンパレータ41がハイレベルのコントロール信
号ｇを出力してバイパストランジスタ51をオンし、スイ
ッチングトランジスタ12をオフして出力電圧ｂを低下さ
せるように働き、ｆ＜ｄのとき、コンパレータ41がロー
レベルのコントロール信号ｇを出力してバイパストラン
ジスタ51をオフし、スイッチングトランジスタ12をオン
状態に維持して出力電圧ｂを上昇させるように働く。

そして、上記等価信号ｆの波形は、積分回路31に印加さ
れる矩形波の二次側コイル電圧ｅが抵抗311、ダイオー
ド322を通ってコンデンサに充電され、その後のトラン
ジスタ321の動作にともない、第７図のような三角波と
なり、出力側の負荷が軽くなったり、無負荷のとき、ト
ランジスタ321のオンによりほぼ0Vとなる。一方、電圧
制御信号ｄは出力側の負荷の低下、つまり、出力電圧ｂ
の上昇にともない0Vに近づくものの、フォトトランジス
タ46の飽和電圧（0.6〜0.7V）以下に下げることができ
ず、その飽和電圧以下のレベルの等価信号ｆはコンパレ
ータ41の可制御範囲に入らないため、このコンパレータ
41による制御を受けることができなくなり、その結果、
第３図の出力特性の点線Ｘで示すように、出力電圧ｂが
設定値よりも上昇してしまう。

［考案が解決しようとする課題］ 以上のように、本願出願人が先に提案したスイッチング
電源装置による場合は、スイッチングトランジスタ12の
スイッチング動作を、コンパレータ41およびコントロー
ル回路50を通じて制御することにより、スイッチングト
ランジスタ12のターンオフを速やかにして、スイッチン
グロスの低減を図ることができるものの、出力側の負荷
が所定以上に軽くなったとき、出力電圧の上昇をまねく
ことになり、出力電圧を設定値に制御可能な負荷範囲が
第３図中のＡの範囲に制限されるという問題があり、ま
た、そのための対策として二次側にダミー負荷等を必要
とし、かつ素子の定格を上げる必要があった。

この考案は上記実情に鑑みてなされたもので、出力側の
負荷が無負荷になるまで、ダミー負荷等を要することな
く、出力電圧を所定値に安定良く制御してダイナミック
レンジを拡大することができるスイッチング電源装置を
提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、この考案に係るスイッチン
グ電源装置は、スイッチング部と、このスイッチング部
を介して一次側が直流電源に接続されたトランスと、こ
のトランスの二次側から直流出力を取り出す出力回路
と、上記直流出力を検出する出力検出回路と、受光素子
を有し、上記出力検出回路の発光素子からの検出信号を
受けて、出力電圧に対応した電圧制御信号を出力する電
圧制御信号生成回路と、上記トランスの一次側または二
次側コイル電圧に基づいて一次側電流と同一波形である
等価信号を生成する一次側電流センシング回路と、上記
電圧制御信号と上記等価信号とを比較するコンパレータ
と、上記スイッチング部を制御するスイッチング素子を
有しており、上記コンパレータの比較結果に基づいて上
記スイッチング素子を開閉することにより上記スイッチ
ング部のオン時間を可変にするコントロール回路と、上
記上記電圧制御信号のレベルを上記受光素子の飽和電圧
にほぼ等しいレベルだけ下降させるバイアス手段とを具
備してなるものである。

［作用］ この考案によれば、一次側電流センシング回路で生成さ
れる等価信号をコンパレータの一方に入力するととも
に、出力電圧に対応して出力される電圧制御信号をコン
パレータの他方に入力して、これら両信号を比較し、そ
の比較結果に基づくスイッチング素子の開閉によりスイ
ッチング部のオン時間を可変することで、出力回路から
取り出される直流出力が負荷変動にかかわらず設定値に
制御される。ここで、上記電圧制御信号生成回路におけ
る受光素子とグランド間にバイアス手段を付加して、上
記電圧制御信号のレベルを上記受光素子の飽和電圧にほ
ぼ等しいレベルだけ下降させることにより、出力側の負
荷が軽くなったり、無負荷になったときであっても、上
記コンパレータを十分に制御して出力電圧の上昇を招く
ことなく、直流出力を所定値に安定よく制御することが
できる。

［実施例］ 以下、この考案の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの考案に係るスイッチング電源装置の回路構
成図であり、同図において、第５図に示した従来例と相
違する点は、電圧制御信号生成回路40におけるフォトト
ランジスタ（受光素子）46とグランドとの間に負電圧バ
イアス回路（バイアス手段）60を付加して、上記電圧制
御信号ｄのレベルを電圧制御信号生成回路40におけるフ
ォトトランジスタ（受光素子）46の飽和電圧（通常0.6
〜0.7V）にほぼ等しいレベルだけ下降させるように構成
した点である。

上記負電圧バイアス回路60は、抵抗611、ダイオード61
2,613およびコンデンサ614により構成されており、フォ
トトランジスタ46を負電位へとバイアスしている。な
お、その他の構成は第５図に示した従来例と同一のた
め、該当部分に同一の符号を付して、それらの説明を省
略する。

次に、上記構成のスイッチング電源装置の動作について
説明する。なお、出力側の負荷が所定値以上の場合にお
ける動作は従来例と同様であるため、説明を省略し、こ
こでは、出力側の負荷が所定値以下の場合において、付
加された負電圧バイアス回路60およびコンパレータ41の
制御動作についてのみ説明する。

すなわち、コンバータトランス14のN2巻線から負電圧バ
イアス回路60に第２図ｅで示すような矩形波の二次側コ
イル電圧が印加されると、この矩形波の二次側コイル電
圧ｅは抵抗611により制限されて第２図ｉで示すような
電圧波形となる。つぎに、これがダイオード612を通過
して第２図ｊで示すように、その負電位のみが整流され
たのち、コンデンサ614により平滑され第２図ｍのよう
な連続した負電位となる。なお、ここで、ダイオード61
3により、第２図ｎで示すように、過大な負電位がカッ
トされ、これにより、上記の負電位ｊがグランド電位
（0V）よりもダイオード613の順電圧−Vf分だけ低い負
バイアスにコントロールされ、常に安定した負電位のバ
イアス電圧を作る。

上記のような負電位のバイアス電圧をフォトトランジス
タ46に印加しておくことにより、上記コンパレータ41に
入力される上記電圧制御信号ｄのレベルが、第３図のよ
うに、フォトトランジスタ46の飽和電圧にほぼ等しいレ
ベルΔＬだけ下降されて、コンパレータ41による可制御
範囲VLに入ることになる。

その結果、出力側の負荷が所定値以下から無負荷に至る
までの間においても、第４図の出力特性図の実線Ｙで示
すように、直流出力電圧ｂを上昇させることなく、所定
値に安定良く制御することが可能となる。つまり、スイ
ッチング電源装置を直流安定化電源として使用できる負
荷範囲の拡大を図ることができる。

［考案の効果］ 以上のように、この考案によれば、スイッチング部のス
イッチング動作をコンパレータおよびコントロール回路
を通じて制御することにより、スイッチング部のターン
オフを速やかにして、スイッチングロスの低減を図り、
全体の効率を向上させ得るのはもとより、わずかな点数
の微少電力部品から構成することができるバイアス手段
を付加するのみで、出力側の負荷が無負荷になるまで出
力電圧を設定値に安定良く制御することができ、負荷範
囲の広い仕様の電源に対しても、ダミー負荷等を要する
ことなく、有効に使用することができ、ダイナミックレ
ンジの拡大を図り得る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案に係るスイッチング電源装置の一実施
例を示す回路構成図、第２図および第３図は主要部の動
作を説明するための信号波形図、第４図は出力特性図、
第５図は従来のスイッチング電源装置の回路構成図、第
６図は従来のスイッチング電源装置の動作を説明する信
号波形を示すタイミングチヤート、第７図は従来例の動
作を説明する主要部の信号波形図である。 12…スイッチングトランジスタ（スイッチング部）、14
…トランス、15…整流回路（出力回路）、20…出力検出
回路、24…フォトダイオード（発光素子）、30…一次側
電流センシング回路、40…電圧制御信号生成回路、41…
コンパレータ、46…フォトトランジスタ（受光素子）、
50…コントロール回路、60…負電圧バイアス回路（バイ
アス手段）、611…抵抗、612,613…ダイオード、a,b…
直流電圧、ｄ…電圧制御信号、ｆ…等価信号、ｇ…コン
トロール信号。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチング部と、このスイッチング部を
   介して一次側が直流電源に接続されたトランスと、この
   トランスの二次側から直流出力を取り出す出力回路と、
   上記直流出力を検出する出力検出回路と、受光素子を有
   し、上記出力検出回路の発光素子からの検出信号を受け
   て、出力電圧に対応した電圧制御信号を出力する電圧制
   御信号生成回路と、上記トランスの一次側または二次側
   コイル電圧に基づいて一次側電流と同一波形である等価
   信号を生成する一次側電流センシング回路と、上記電圧
   制御信号と上記等価信号とを比較するコンパレータと、
   上記スイッチング部を制御するスイッチング素子を有し
   ており、上記コンパレータの比較結果に基づいて上記ス
   イッチング素子を開閉することにより上記スイッチング
   部のオン時間を可変にするコントロール回路と、上記電
   圧制御信号のレベルを上記受光素子の飽和電圧にほぼ等
   しいレベルだけ下降させるバイアス手段とを具備してな
   るスイッチング電源装置。