JPH1098879A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はフライバックコンバータ方式のスイ
ッチング電源装置に関するものであり、長時間信頼性を
向上させるものである。 【解決手段】 トランス２２の１次巻線２２ａにスイッ
チング素子２３を直列接続し、同トランス２２のバイア
ス巻線２２ｃの出力をこのスイッチング素子２３の制御
電極に帰還させるものであって、スイッチング素子２３
の制御回路にスイッチング素子２３のオン期間の上限を
規定し互いに直列接続された抵抗３１とコンデンサ３２
とを有する時定数回路３０と、この時定数回路３０の出
力によってスイッチング素子２３を強制的にオフさせる
制御素子としてのトランジスタ２５を設け、前記抵抗３
１と並列に互いに直列接続されたダイオード２６とフォ
トカプラ受光部２７と第１の抵抗２８の直列回路を接続
し、前記フォトカプラ受光部２７と第１の抵抗２８の接
続点とバイアス巻線２２ｃの出力部との間に第２の抵抗
２９を接続したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自励型でフライバッ
クコンバータ方式のスイッチング電源装置に関し、具体
的には制御に用いるフォトカプラ受発光部の信頼性向上
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術を図４により説明する。図４
においてＶｉは入力電源の電圧値、１は平滑用コンデン
サ、２はトランスであり、１次巻線２ａ、出力巻線２
ｂ、バイアス巻線２ｃで構成されており、３はダイオー
ド、４は平滑コンデンサ、５はスイッチング素子として
のＭＯＳＦＥＴ、６は起動抵抗、７は誤差検出回路であ
り基準電圧としてのツェナーダイオード７ａ、フォトカ
プラ発光部７ｂで構成されており、８は時定数回路でイ
ンピーダンス素子としての抵抗９とコンデンサ１０で構
成されている。１１はコンデンサ、１２は抵抗、１３は
制御素子としてのトランジスタ、１４はダイオード、１
５はフォトカプラ受光部、１６は抵抗である。

【０００３】以上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以下に簡単に説明する。トランス２
の１次巻線２ａにスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥ
Ｔ５を直列に接続し、かつトランス２のバイアス巻線２
ｃの出力をコンデンサ１１および抵抗１２を介してＭＯ
ＳＦＥＴ５のゲートに帰還するようにしている。さら
に、互いに直列接続された抵抗９およびコンデンサ１０
からなる時定数回路８をトランス２のバイアス巻線２ｃ
の両端に接続し、かつＭＯＳＦＥＴ５のゲートとソース
間に制御素子としてのトランジスタ１３を並列接続し、
前記コンデンサ１０の電圧がトランジスタ１３のベース
に印加されるようにしている。さらに制御を行うため互
いに直列接続されたダイオード１４、フォトカプラ受光
部１５、抵抗１６からなる直列回路が前記抵抗９と並列
に接続されている。

【０００４】全体としてフライバックコンバータ方式を
構成しているので発振動作については説明を省略する。
起動抵抗６からの電流でＭＯＳＦＥＴ５が導通状態にな
るとバイアス巻線２ｃの誘起電圧Ｖｂはコンデンサ１
１、抵抗１２を介してＭＯＳＦＥＴ５のゲートに印加さ
れ、正帰還動作でＭＯＳＦＥＴ５をオンさせるととも
に、抵抗９およびダイオード１４、フォトカプラ受光部
１５、抵抗１６からなる直列回路を介してコンデンサ１
０を充電する。時間とともにコンデンサ１０の電位は上
昇し、トランジスタ１３はやがてオンし、ＭＯＳＦＥＴ
５はゲート電位を失って急速にオフ状態になる。ＭＯＳ
ＦＥＴ５がオフになるとトランス２に蓄えられていた磁
気エネルギーは出力巻線２ｂからダイオード３を介して
平滑コンデンサ４へ移行し、出力電圧Ｖｏとして負荷に
流れる。この時バイアス巻線２ｃにはＭＯＳＦＥＴ５の
オン時とは逆極性の電圧が誘起されコンデンサ１０〜抵
抗９と電流が流れてコンデンサ１０を放電させる。トラ
ンス２の磁気エネルギーの放出が終了するとバイアス巻
線２ｃに誘起される電圧Ｖｂは再びＭＯＳＦＥＴ５をオ
ンさせる極性となり、前記動作を繰り返す。

【０００５】ここで出力電圧Ｖｏがなんらかの理由で上
昇したとすれば、ツェナーダイオード７ａの電圧は一定
であるので、フォトカプラ発光部７ｂに印加される電圧
が増加し発光量は増加する。これにつれてフォトカプラ
受光部１５の抵抗値は減少し、つまりコンデンサ１０の
電位は急速に上昇し、トランジスタ１３は短時間でオン
し、ＭＯＳＦＥＴ５は短時間でオフとなり、トランス２
に蓄積される磁気エネルギーは減少する。したがって出
力電圧Ｖｏは低下し、変動は抑制される。た、出力電圧
Ｖｏが低下した場合には前記と逆の動作で変動が抑制さ
れるのは説明するまでもない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらＭＯＳＦ
ＥＴ５がオフしている期間中はバイアス巻線２ｃにはト
ランジスタ１３を逆バイアスする極性の電圧が誘起され
るため、この電圧はコンデンサ１０を介して抵抗９およ
び抵抗１６、フォトカプラ受光部１５、ダイオード１４
の直列回路に印加される。この電圧に対してフォトカプ
ラ受光部１５とダイオード１４は逆電圧になる極性のた
め、導通することはなく互いの遮断インピーダンスでこ
の電圧を分圧することになる。ダイオード１４の遮断イ
ンピーダンスが低ければ前記電圧はフォトカプラ受光部
１５に印加されることになり、スイッチング電源装置の
長時間信頼性を考えた場合には逆方向耐圧の面で好まし
いものではなかった。

【０００７】半導体の遮断インピーダンスは１０の何乗
のオーダーであり抵抗１６の抵抗値とは桁違いに大き
く、さらにお互いどうしで１〜２桁違うことも珍しくな
く、１桁違えば９０％の電圧が印加されることになる。

【０００８】さらにフライバックコンバータ方式におい
ては出力電力が微少である時にはトランス２に蓄積され
るエネルギーも微少で良くなるのでＭＯＳＦＥＴ５のオ
ン時間は極少となるが、そのためにはフォトカプラ受発
光部１５，７ｂには最大の電流が流れなければならずフ
ォトカプラの受発光部１５，７ｂの損失は最大となり、
この面からも信頼性的には好ましいものではなかった。

【０００９】本発明は前記課題を解決して、フォトカプ
ラの受発光部の信頼性を向上させたスイッチング電源装
置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、トランスの１次巻線にスイッチング素子を
直列接続し、同トランスのバイアス巻線の出力をこのス
イッチング素子の制御電極に帰還させ、スイッチング素
子の制御回路にスイッチング素子のオン期間の上限を規
定し互いに直列接続されたインピーダンス素子とコンデ
ンサとを有する時定数回路と、この時定数回路の出力に
よってスイッチング素子を強制的にオフさせる制御素子
を設け、前記インピーダンス素子と並列に互いに直列接
続されたダイオードとフォトカプラ受光部と第１の抵抗
の直列回路を接続し、前記フォトカプラ受光部と第１の
抵抗の接続点とバイアス巻線の出力部との間に第２の抵
抗を接続したものである。

【００１１】前記のように構成することにより、バイア
ス巻線に発生する逆電圧を第１の抵抗と第２の抵抗で分
圧することが可能となり、ダイオードとフォトカプラ受
光部に印加される逆電圧を低減しスイッチング電源装置
の信頼性を向上させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、トランスの１次巻線にスイッチング素子を直列接続
し、同トランスのバイアス巻線の出力をこのスイッチン
グ素子の制御電極に帰還させ、スイッチング素子の制御
回路にスイッチング素子のオン期間の上限を規定し互い
に直列接続されたインピーダンス素子とコンデンサとを
有する時定数回路と、この時定数回路の出力によってス
イッチング素子を強制的にオフさせる制御素子を設け、
前記インピーダンス素子と並列に互いに直列接続された
ダイオードとフォトカプラ受光部と第１の抵抗の直列回
路を接続し、前記フォトカプラ受光部と第１の抵抗の接
続点とバイアス巻線の出力部との間に第２の抵抗を接続
することでスイッチング素子のオフ期間中にバイアス巻
線に発生する逆電圧を分圧できるようにし、フォトカプ
ラ受光部に印加される逆電圧を低減させたものである。

【００１３】請求項２に記載の発明は、第２の抵抗をフ
ォトカプラ受光部の両端に接続することでスイッチング
素子のオフ期間中にバイアス巻線に発生する逆電圧がフ
ォトカプラ受光部に印加されることを抑制できるように
したものである。

【００１４】以下本発明の実施の形態については図１〜
図３により説明する。 （実施の形態１）本発明の実施の形態１について、図１
のスイッチング電源装置の回路図を用いて説明する。図
１において２０は入力端子であり、２１はこの入力端子
２０間に接続された平滑用コンデンサ、２２はトランス
であり、１次巻線２２ａ、出力巻線２２ｂ、バイアス巻
線２２ｃで構成されている。２３はスイッチング素子と
してのＭＯＳＦＥＴで、入力端子２０に対してトランス
２２の１次巻線２２ａと直列に接続されている。２４は
起動抵抗であり、入力端子２０の一端とＭＯＳＦＥＴ２
３のゲート間に接続されている。２５は制御素子として
のトランジスタで、入力端子２０の他端とＭＯＳＦＥＴ
２３のゲート間に接続されている。

【００１５】２６はダイオード、２７はフォトカプラ受
光部、２８は第１の抵抗でこれらのダイオード２６、フ
ォトカプラ受光部２７と第１の抵抗２８の直列回路はバ
イアス巻線２２ｃの一端とトランジスタ２５のベース間
に接続されている。２９は第２の抵抗でバイアス巻線２
２ｃの一端とフォトカプラ受光部２７と第１の抵抗２８
の接続点との間に接続されている。３０は時定数回路で
抵抗３１とコンデンサ３２の直列回路から構成され、バ
イアス巻線２２ｃの一端と入力端子２０の他端との間に
接続されている。３３はコンデンサ、３４は抵抗で、こ
のコンデンサ３３と抵抗３４の直列回路はバイアス巻線
２２ｃの一端とＭＯＳＦＥＴ２３のゲート間に接続され
ている。

【００１６】３５はダイオードで出力巻線２２ｂと出力
端子３６間に接続されている。３７はコンデンサで出力
端子３６間に接続されている。３８は誤差検出回路でフ
ォトカプラ発光部３９と基準電圧としてのツェナーダイ
オード４０の直列回路で構成され、前記コンデンサ３７
と並列に接続されている。

【００１７】以上のように構成されたスイッチング電源
装置について以下その動作を説明する。

【００１８】入力端子２０に入力電源が投入されると、
起動抵抗２４からの電流でＭＯＳＦＥＴ２３が導通状態
になるとバイアス巻線２２ｃの誘起電圧Ｖｂはコンデン
サ３３、抵抗３４を介してＭＯＳＦＥＴ２３のゲートに
印加され、正帰還動作でＭＯＳＦＥＴ２３をオンさせる
とともに抵抗３１およびダイオード２６、フォトカプラ
受光部２７、抵抗２８からなる直列回路を介してコンデ
ンサ３２を充電する。

【００１９】時間とともにコンデンサ３２の電位は上昇
し、トランジスタ２５はやがてオンし、ＭＯＳＦＥＴ２
３はゲート電位を失って急速にオフ状態になる。ＭＯＳ
ＦＥＴ２３がオフになるとトランス２２に蓄えられてい
た磁気エネルギーは出力巻線２２ｂからダイオード３５
を介してコンデンサ３７へ移行し、出力電圧として出力
端子３６に流れる。

【００２０】この時バイアス巻線２２ｃにはＭＯＳＦＥ
Ｔ２３のオン時とは逆極性の電圧が誘起されコンデンサ
３２、抵抗３１と電流が流れてコンデンサ３２の電荷を
放電させる。トランス２２の磁気エネルギーの放出が終
了するとバイアス巻線２２ｃに誘起される電圧Ｖｂは再
びＭＯＳＦＥＴ２３をオンさせる極性となり、前記動作
を繰り返す。

【００２１】ここで出力電圧Ｖｏがなんらかの理由で上
昇したとすれば、ツェナーダイオード４０の電圧は一定
であるので、フォトカプラ発光部３９に印加される電圧
が増加し発光量は増加する。これにつれてフォトカプラ
受光部２７の抵抗値は減少し、つまりコンデンサ３２の
電位は急速に上昇し、トランジスタ２５は短時間でオン
し、ＭＯＳＦＥＴ２３は短時間でオフとなり、トランス
２２に蓄積される磁気エネルギーは減少する。

【００２２】したがって出力電圧Ｖｏは低下し、変動は
抑制される。また、出力電圧Ｖｏが低下した場合には前
記と逆の動作で変動が抑制されるのは説明するまでもな
い。

【００２３】前記動作中においてＭＯＳＦＥＴ２３がオ
フしている期間中にバイアス巻線２２ｃに誘起された逆
電圧は図４と同じくコンデンサ３２を介して抵抗３１お
よび第１の抵抗２８、フォトカプラ受光部２７、ダイオ
ード２６の直列回路に印加される。しかし第１の抵抗２
８と第２の抵抗２９は互いに直列接続されているので、
フォトカプラ受光部２７，ダイオード２６の直列回路に
印加される電圧は抵抗３１に印加される電圧をさらに分
圧したものとなり、フォトカプラ受光部２７、ダイオー
ド２６の直列回路に印加される逆電圧を低減することが
でき、スイッチング電源装置の長時間信頼性を向上させ
るという特有の効果を得ることができる。

【００２４】（実施の形態２）実施の形態２について、
図２に示すスイッチング電源装置の回路図を用いて説明
する。図２において図１と同一のものは同一の番号を付
与し、説明を省略する。図２おいて図１と異なる点は、
第２の抵抗２９をフォトカプラ受光部２７の両端に接続
した点にある。

【００２５】図２のように構成されたスイッチング電源
装置について以下その動作を説明する。ＭＯＳＦＥＴ２
３がオフしている期間中にバイアス巻線２２ｃに誘起さ
れた逆電圧は図１と同じくコンデンサ３２を介して抵抗
３１および第１の抵抗２８、フォトカプラ受光部２７、
ダイオード２６の直列回路に印加される。

【００２６】しかし第２の抵抗２９はフォトカプラ受光
部２７の両端に接続されているのでダイオード２６の遮
断インピーダンスに対してフォトカプラ受光部２７の等
価遮断インピーダンスは極端に低くなり、したがってバ
イアス巻線２２ｃに誘起された逆電圧のそのほとんどが
ダイオード２６の両端に印加されることになる。電圧の
分担はインピーダンスに比例するためフォトカプラ受光
部２７の逆方向耐圧は通常５〜７Ｖ程度であり、一方ダ
イオード２６の逆方向耐圧は数１０Ｖ程度あるので、こ
の電圧の分担は各耐圧に応じたものとすることができ、
スイッチング電源装置の長時間信頼性を向上させるとい
う特有の効果を得ることができる。

【００２７】また、フライバックコンバータ方式におい
ては出力電力が微少である時にフォトカプラ受発光部２
７，３９には最大の電流が流れなければならないが、第
２の抵抗２９はＭＯＳＦＥＴ２３がオンしている時のみ
電流を流すことができるので、コンデンサ３２の放電電
流に影響を与えずにフォトカプラ受光部２７に流す電流
を軽減することができ、フォトカプラ受発光部２７，３
９の損失を低減し、この面からもスイッチング電源装置
の長時間信頼性を向上させるという特有の効果を得るこ
とができる。

【００２８】なお、前記の動作説明でインピーダンス素
子として抵抗３１を用いているが、直流的にあるいはス
イッチング電源装置の動作状態において電流を流せるも
のであれば抵抗に限定する必要はなく図３（ａ）（ｂ）
（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すような抵抗４１とツェナーダ
イオード４２、抵抗４１とダイオード４３、抵抗４１と
ダイオード４３と抵抗４４の並列回路、抵抗４１と抵抗
４４とコンデンサ４５の並列回路、抵抗４１とツェナー
ダイオード４２と抵抗４４の並列回路といった組合せ素
子でもかまわない。また、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）
（ｄ）（ｅ）を互いに並列にあるいは直列に、あるいは
方向を変えて組合せたものでも本発明の効果は変わらな
い。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明は、トランスの１次
巻線にスイッチング素子を直列接続し、同トランスのバ
イアス巻線の出力をこのスイッチング素子の制御電極に
帰還させ、スイッチング素子の制御回路にスイッチング
素子のオン期間の上限を規定し互いに直列接続されたイ
ンピーダンス素子とコンデンサとを有する時定数回路
と、この時定数回路の出力によってスイッチング素子を
強制的にオフさせる制御素子を設け、前記インピーダン
ス素子と並列に互いに直列接続されたダイオードとフォ
トカプラ受光部と第１の抵抗の直列回路を接続し、前記
フォトカプラ受光部と第１の抵抗の接続点とバイアス巻
線の出力部との間に第２の抵抗を接続して構成すること
により、フォトカプラ受光部に印加される逆電圧を低減
させスイッチング電源装置の長時間信頼性を向上させる
ものである。

【００３０】あるいは前記第２の抵抗をフォトカプラ受
光部両端に接続することにより、フォトカプラ受光部に
印加される逆電圧を低減しつつ、フォトカプラ受発光部
の損失を低減しスイッチング電源装置の長時間信頼性を
向上させるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のスイッチング電源装置
の回路図

【図２】本発明の他の実施の形態のスイッチング電源装
置の回路図

【図３】（ａ）〜（ｅ）本発明のスイッチング電源装置
に用いる各種インピーダンス素子の構成図

【図４】従来のスイッチング電源装置の回路図

【符号の説明】

２２ トランス ２２ａ １次巻線 ２２ｂ 出力巻線 ２２ｃ バイアス巻線 ２３ スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ ２４ 起動抵抗 ２５ 制御素子としてのトランジスタ ２６ ダイオード ２７ フォトカプラ受光部 ２８ 第１の抵抗 ２９ 第２の抵抗 ３０ 時定数回路 ３１ 抵抗 ３２ コンデンサ ３３ コンデンサ ３４ 抵抗 ３５ ダイオード ３６ 出力端子 ３７ コンデンサ ３８ 誤差検出回路 ３９ フォトカプラ発光部 ４０ ツェナーダイオード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トランスの１次巻線にスイッチング素子
   を直列接続し、同トランスのバイアス巻線の出力をこの
   スイッチング素子の制御電極に帰還させ、スイッチング
   素子の制御回路にスイッチング素子のオン期間の上限を
   規定する直列接続されたインピーダンス素子とコンデン
   サとを有する時定数回路と、この時定数回路の出力によ
   ってスイッチング素子を強制的にオフさせる制御素子を
   設け、前記インピーダンス素子と並列に互いに直列接続
   されたダイオードとフォトカプラ受光部と第１の抵抗の
   直列回路を接続し、前記フォトカプラ受光部と第１の抵
   抗の接続点とバイアス巻線の出力部との間に第２の抵抗
   を接続したスイッチング電源装置。
2. 【請求項２】 第２の抵抗はフォトカプラ受光部の両端
   に接続された請求項１に記載のスイッチング電源装置。