JPH0832159B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は放電スイッチ素子を制御してエネルギー変換
効率を改善す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 近年、スイッチング電源装置は小型軽量化され、各種
ポータブル機器の電源に無くてはならない回路となって
いる。

以下図面を参照しながら、前述した従来のスイッチン
グ電源装置の一例について説明する。

第３図は従来の昇圧型のスイッチング電源装置の回路
図を示すものであり、第４図は第３図に示すところのA,
B,C各点の電圧波形図を示すものである。第３図におい
て、１は充電スイッチ素子、３は主コイル、４は平滑コ
ンデンサー、９はスイッチング制御回路、10は電圧検出
回路である。11は入力基準端子、12は入力端子、13は入
力基準端子11と入力端子12間に与えられる回路入力電
圧、14は出力基準端子、15は出力端子、16は出力基準端
子14と出力端子15間にあらわれる出力電圧である。17は
スイッチング制御回路９に入力される誤差検出信号、18
はスイッチング制御回路９より出力される充電スイッチ
素子制御信号、19は出力基準端子14と出力端子15間に接
続された負荷、20は放電ダイオードである。第４図にお
いて、21はエネルギー充電時間、22はエネルギー放電時
間、24はダイオード順方向電圧降下である。

以上のように構成された従来の昇圧型のスイッチング
電源装置について、以下その動作を説明する。

まず、エネルギー充電時間21だけ充電スイッチ素子１
を能動にし主コイル３にエネルギーを充電する。次に充
電スイッチ素子１を非能動にすると主コイル３に蓄えら
れたエネルギーは主コイル３の両端に逆起電圧として発
生し、回路入力電圧13に重乗され放電ダイオード20を順
方向に励起し、平滑コンデンサー４への充電電流となっ
てエネルギーが移動する。このエネルギー移動はエネル
ギー放電時間22の間に行われる。エネルギー充電時間21
の間の負荷19へのエネルギー供給は、平滑コンデンサー
４からの放電という形で行われる。出力電圧16の定電圧
化は、電圧検出回路10からの誤差検出信号17が一定にな
るように、スイッチング制御回路９で充電スイッチ素子
制御信号18のエネルギー充電時間21とエネルギー放電時
間22とを制御することによって行われる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら前記のような構成では、放電ダイオード
20のダイオード順方向電圧降下24のためエネルギーの一
部が放電ダイオード20での熱となり損失し、入出力エネ
ルギーの変換効率を悪化させる。このことは、出力電圧
16を低く設定したときにダイオード順方向電圧降下24の
影響が大きく、入出力エネルギーの変換効率の悪化は特
に顕著に現れるという問題点を有していた。また、スイ
ッチング制御回路９の動作を停止させたとき、入力側か
ら放電ダイオード20を通って負荷19に電流が流れ込み、
スイッチング制御回路９の動作を停止させただけでは負
荷19に流れ込む電流を遮断できないという問題点を有し
ていた。さらに、出力電圧16より入力電圧13が高くなっ
た場合、入力側から放電ダイオード20を通って負荷19に
電流が流れ込み、出力電圧16を制御することができない
ものであった。また、さらに、回路入力電圧13が低い場
合には、放電ダイオード20の順方向電圧降下のために出
力電圧16が上がりにくく、低電圧時の起動が良くないと
いう問題点も有していた。

本発明は前記問題点に鑑み、入出力エネルギーの変換
効率を大幅に改善し、スイッチング制御回路の動作を停
止させれば負荷に流れ込む電流を遮断でき、入力電圧と
無関係に出力電圧を制御できるスイッチング電源装置を
提供するものである。

課題を解決するための手段 前記問題点を解決するために本発明のスイッチング電
源装置は、主コイルにエネルギーを充電する制御可能な
充電スイッチ素子と、前記主コイルに充電されたエネル
ギーを放電する出力側からバイアスされた制御可能な放
電スイッチ素子と、放電されたエネルギーを平滑する平
滑コンデンサーと、出力電圧が常に一定になるように前
記充電スイッチ素子を制御するスイッチング制御回路
と、充電スイッチ素子の出力に接続された主コイルの副
巻線と直列に接続されたトリガーコンデンサーより供給
される放電スイッチ素子駆動信号にて前記放電スイッチ
素子を駆動する駆動回路を備えたものである。

作用 本発明は前記した構成によって、スイッチング制御回
路が充電スイッチ素子を能動にする時間と非能動にする
時間とを制御することにより、充電スイッチ素子が能動
の時に主コイル主巻線に蓄えたエネルギーとトリガーコ
ンデンサーに出力側から充電したエネルギーとを重畳さ
せたエネルギーが、充電スイッチ素子が非能動のときに
主コイル副巻線に励起したエネルギーがトリガーコンデ
ンサーを通って放電スイッチ素子を能動にして主コイル
主巻線から平滑コンデンサーへエネルギーの伝達が行わ
れ、放電スイッチ素子飽和電圧のほうがダイオード順方
向電圧降下よりもはるかに小さいために、入出力エネル
ギーの変換効率は大幅に改善されることとなる。また、
充電スイッチン素子を非能動にすると主コイル副巻線に
もエネルギーが充電されないために放電スイッチ素子も
非能動となり入出力間が遮断されるために、スイッチン
グ制御回路の動作を停止しただけで電流が遮断できるこ
ととなる。さらに、出力電圧の制御は、出力電圧よりも
入力電圧のほうが高くなった場合には充電スイッチ素子
を能動にする時間が短くなり、従って放電スイッチ素子
を充分に能動にするだけのエネルギーが主コイル副巻線
に充電されず放電スイッチ素子の飽和電圧が高くなり、
スイッチング制御回路であらかじめに設定した制御目標
の出力電圧と回路入力電圧との差は放電スイッチ素子に
て損失するために、出力電圧よりも入力電圧が高くなっ
た場合でも出力電圧が制御できる。さらに、トリガコン
デンサーのバイアスが出力側からなされているため、充
電スイッチ素子が能動の時にトリガーコンデンサーが出
力電圧で充電され、充電スイッチ素子が非能動の時に入
力電圧にトリガーコンデンサーの充電エネルギーと主コ
イル副巻線のエネルギーが重畳されて放電スイッチ素子
駆動エネルギーになることで、回路入力電圧がかなり低
くても起動できることとなる。

実施例 以下本発明の一実施例のスイッチング電源装置につい
て、図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例におけるスイッチング電源
装置の回路図を示すものである。第１図において１は充
電スイッチ素子、２は放電スイッチ素子である。３は主
コイル、3aは主コイル主巻線、3bは主コイル副巻線で、
主コイル主巻線3aと主コイル副巻線3bとは磁気的に結合
され主コイル３を構成している。４は出力電圧を平滑す
る平滑コンデンサー、５は主コイル副巻線3bと直列に接
続されたトリガーコンデンサー、６はトリガーコンデン
サー５と放電スイッチ素子２を出力側からバイアスする
バイアス抵抗、７は放電スイッチ素子２のベースを保護
するベース保護抵抗、８は放電スイッチ素子２の寄生発
振を防止するベース・コレクタ間の発振止めコンデンサ
ー、９は出力電圧を一定にするための充電スイッチ素子
１のスイッチング制御回路、10は電圧検出回路である。
11は入力基準端子、12は入力端子、13は入力基準端子11
と入力端子12との間に与えられる回路入力電圧である。
14は出力基準端子、15は出力端子、16は負荷19に与える
出力電圧、17は誤差検出信号、18は充電スイッチ素子制
御信号、19は負荷である。

以上のように構成されたスイッチング電源装置につい
て、以下第１図および第２図を用いてその動作を説明す
る。

まず第２図は第１図に示すところのA,B,C,D,E各点の
電圧波形図を示すものである。第２図において21はエネ
ルギー充電時間、22はエネルギー放電時間、23は放電ス
イッチ素子飽和電圧である。

動作は第２図に示すエネルギー充電時間21だけ充電ス
イッチ素子１を能動にし主コイル３にエネルギーを充電
する。次に充電スイッチ素子１を非能動にすると主コイ
ル主巻線3aに蓄えられたエネルギーは主コイル主巻線3a
の両端に逆起電圧として発生する。と同時に磁気的に結
合している主コイル副巻線3bの両端にも逆起電圧が励起
し、このエネルギーがトリガーコンデンサーを通って放
電スイッチ素子２を能動にし、主コイル主巻線3aの両端
に逆起電圧として発生したエネルギーは回路入力電圧13
に重乗され平滑コンデンサー４への充電電流となってエ
ネルギーが移動する。このエネルギー移動は、第２図に
示すところのエネルギー放電時間22の間に行われる。エ
ネルギー放電時間22が終了し、充電スイッチ素子１が再
び能動になると主コイル主巻線3aに再びエネルギーが充
電される。と同時に、今度はエネルギー放電時間22のと
きとは逆極性の逆起電圧が主コイル副巻線3bに励起し、
エネルギー放電時間22にトリガーコンデンサー５を通過
した放電スイッチ素子２を能動にするエネルギーはトリ
ガーコンデンサー５を主オイル副巻線3bと接続されてい
る側を正極に充電しており、エネルギー充電時間21に充
電スイッチ素子１が能動になって主コイル副巻線が接地
されるとトリガーコンデンサー５の正極に充電されてい
た側が主コイル副巻線3bの逆極性の逆起電圧の電位にな
るため、トリガーコンデンサー５に充電されていた電圧
がさらに主コイル副巻線3bの逆極性の逆起電圧に重乗さ
れ、放電スイッチ素子２を急激に非能動にする。エネル
ギー充電時間21が再び終了し、充電スイッチ素子１が再
び非能動になるとエネルギー充電時間21の時に起こった
ことと反対のことが主コイル副巻線3bとトリガーコンデ
ンサー５に起こり、放電スイッチ素子を急激に能動にす
る。このため、放電スイッチ素子２の能動から非能動ま
たは非能動から能動への変化は極めて速く放電スイッチ
素子２でのエネルギー損失は極めて少ない。また、この
ことは回路入力電圧13が低い場合には、バイアス抵抗６
が出力側よりバイアスされているため、トリガーコンデ
ンサー５の充電は安定に出力エネルギーで行われている
理由により特に顕著に効果が表れ、回路入力電圧13がか
なり低電圧でも起動できる。充電時間21の間の負荷19へ
のエネルギー供給は、平滑コンデンサー４からの放電と
いう形で行われる。出力電圧16の定電圧化は、電圧検出
回路10からの誤差検出信号17が一定になるように、スイ
ッチング接続回路９で充電スイッチ素子１のエネルギー
充電時間21とエネルギー放電時間22とを制御することに
よって行われる。

以上のように本実施例によれば、主コイルにエネルギ
ーを充電する制御可能な充電スイッチ素子と、前記主コ
イルに充電されたエネルギーを放電する出力側からバイ
アスされた制御可能な放電スイッチ素子と、放電された
エネルギーを平滑する平滑コンデンサーと、出力電圧が
常に一定になるように前記充電スイッチ素子を制御する
スイッチング制御回路と、充電スイッチ素子の出力に接
続された主コイルの副巻線と直列に接続されたトリガー
コンデンサーより供給される放電スイッチ素子駆動信号
にて前記放電スイッチ素子を駆動する駆動回路を設ける
ことにより、スイッチング制御回路が充電スイッチ素子
を能動にする時間と非能動にする時間とを制御すること
により、充電スイッチ素子が能動の時に主コイル主巻線
に蓄えたエネルギーを充電スイッチ素子が非能動のとき
に主コイル副巻線に励起したエネルギーがトリガーコン
デンサーを通って放電スイッチ素子を能動にして主コイ
ル主巻線から平滑コンデンサーへエネルギーの伝達が行
われ、放電スイッチ素子飽和電圧のほうがダイオード順
方向電圧降下よりもはるかに小さいために、入出力エネ
ルギーの変換効率は大幅に改善されることとなる。ま
た、充電スイッチ素子を非能動にすると主コイル副巻線
にもエネルギーが充電されないために放電スイッチ素子
も非能動となり入出力間が遮断されるために、スイッチ
ング制御回路の動作を停止しただけで電流が遮断できる
こととなる。さらに、出力電圧の制御は、出力電圧より
も入力電圧のほうが高くなった場合には充電スイッチ素
子を能動にする時間が短くなり、従って放電スイッチ素
子を充分に能動にするだけのエネルギーが主コイル副巻
線に充電されず放電スイッチ素子の飽和電圧が高くな
り、スイッチング制御回路であらかじめに設定した制御
目標の出力電圧と回路入力電圧との差は放電スイッチ素
子にて損失するために、出力電圧よりも入力電圧が高く
なった場合でも出力電圧が制御できる。さらに、トリガ
コンデンサーのバイアスが出力側からなされているた
め、充電スイッチ素子が能動の時にトリガーコンデンサ
ーが出力電圧で充電され、充電スイッチ素子が非能動の
時に入力電圧にトリガーコンデンサーの充電エネルギー
と主コイル副巻線のエネルギーが重畳されて放電スイッ
チ素子駆動エネルギーになることで、回路入力電圧がか
なり低くても起動できる。

発明の効果 以上のように本発明は主コイルにエネルギーを充電す
る制御可能な充電スイッチ素子と、前記主コイルに充電
されたエネルギーを放電する制御可能な出力側からバイ
アスされた放電スイッチ素子と、放電されたエネルギー
を平滑する平滑コンデンサーと、出力電圧が常に一定に
なるように前記充電スイッチ素子を制御するスイッチン
グ制御回路と、充電スイッチ素子の出力に接続された主
コイルの副巻線と直列に接続されたトリガーコンデンサ
ーより供給される放電スイッチ素子駆動信号にて前記放
電スイッチ素子を駆動する駆動回路を備えることによ
り、入出力エネルギーの変換効率を大幅に改善し、スイ
ッチング制御回路の動作を停止させれば負荷に流れ込む
電流を遮断でき、入力電圧と無関係に出力電圧を制御で
き、入力電圧が低電圧でも起動できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるスイッチング電源装
置の回路図、第２図は第１図に示すところの各点の電圧
波形図、第３図は従来の昇圧型のスイッチング電源装置
の回路図、第４図は第３図に示すところの各点の電圧波
形図である。 １……充電スイッチ素子、２……放電スイッチ素子、３
……主コイル、3a……主コイル主巻線、3b……主コイル
副巻線、４……平滑コンデンサー、５……トリガーコン
デンサー、６……バイアス抵抗、７……ベース保護抵
抗、８……発振止めコンデンサー、９……スイッチング
制御回路、10……電圧検出回路、11……入力基準端子、
12……入力端子、13……回路入力電圧、14……出力基準
端子、15……出力端子、16……出力電圧、17……誤差検
出信号、18……放電スイッチ素子制御信号、19……負
荷、20……放電ダイオード、21……エネルギー充電時
間、22……エネルギー放電時間、23……放電スイッチ素
子飽和電圧、24……放電スイッチ素子制御電圧差、25…
…ダイオード順方向電圧降下。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山▲崎▼ 士 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 岡本 学 大阪府吹田市寿町２丁目26―８ 株式会社 三共無線製作所内 (56)参考文献 特開 昭62−60465（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−263098（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−22427（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−159188（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−96895（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主コイルにエネルギーを充電する制御可能
   な充電スイッチ素子と、前記主コイルに充電されたエネ
   ルギーを放電する制御可能な放電スイッチ素子と、放電
   されたエネルギーを平滑する平滑コンデンサーと、出力
   電圧が常に一定になるように前記充電スイッチ素子を制
   御するスイッチング制御回路と、充電スイッチ素子の出
   力に接続された主コイルの副巻線と、その主コイルの副
   巻線と直列に接続されたトリガーコンデンサーと、前記
   放電スイッチ素子及びトリガーコンデンサーを出力側か
   らバイアスするバイアス抵抗とを備え、 前記主コイルの副巻線及びトリガーコンデンサーのエネ
   ルギーを放電スイッチ素子駆動信号として供給して前記
   放電スイッチ素子を駆動するように構成したことを特徴
   とするスイッチング電源装置。