JPH11215819A - 待機時省電力スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 待機時に発振を間欠発振にすることによって
効率を改善し、かつ、待機時のスイッチ素子の電流の包
絡線が正弦波に近い形となるようにスイッチ素子のオン
期間を制御することによってトランスの音を防ぐ。 【構成】 発光素子１と定電圧ダイオード３とトランジ
スタ４とからなる直列回路を２次側の整流平滑回路の出
力の１つに接続し、トランジスタ４のベース・エミッタ
間にコンデンサ６と抵抗７の並列回路を接続し、このト
ランジスタ４のベースに抵抗５を介して直流電流を供給
する。更にトランジスタ４のベース・エミッタ間に待機
時にオフ状態になるスイッチ回路８を接続する。スイッ
チ素子１６の制御電極にトランジスタ９を接続し、この
トランジスタのベース・エミッタ間にコンデンサ１０を
接続し、更にこのベースに正帰還信号の電流を抵抗１１
を介して供給する。フォトカプラの受光素子２をスイッ
チ素子１６の制御電極とトランジスタ９のベースに接続
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスイッチング電源装置に
関し、特に待機時の消費電力を減ずる回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】リンギングチョークコンバータ型のスイ
ッチング電源の待機時の消費電力を減ずる回路として、
従来は図３に示すような回路が用いられていた。この回
路は、待機回路だけが電力を消費するときに、待機回路
に供給される電圧に対してより高い他の出力電圧を待機
回路が必要とする電圧まで下げて、その下がった電圧を
トランジスタスイッチ回路によって待機回路に供給する
方法を用いている。

【０００３】リンギングチョークコンバータは自励式で
あり、その発振周波数ｆは、入力電圧と出力電圧を各々
Ｖ１とＶ２、１次巻線と２次巻線の巻数を各々ｎ１とｎ
２、１次巻線のインダクタンスをＬ１、入力電力をＰ１
とすると、数１で表すことができる。

【０００４】

【数１】

【０００５】数１が示すように、負荷が軽くなってＰ１
が小さくなる程発振周波数が高くなる。そして、スイッ
チングロスが増える。しかし、出力電圧Ｖ２を下げるこ
とによって発振周波数が下がるので、待機回路だけが電
力を消費する負荷の軽いときに、出力電圧を下げること
によって発振周波数の上昇を抑えることができ、これに
よってスイッチングロスの増加をある程度抑えることが
できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ノイズを小さくするた
めにスイッチ素子に並列にスナバコンデンサが接続され
ているリンギングチョークコンバータにおいて、スイッ
チ素子のオフ期間にスナバコンデンサに充電される電圧
は、入力電圧に１次巻線のフライバック電圧を足した値
になる。スイッチ素子のオフ期間にトランスの励磁エネ
ルギーが放出しきると、スナバコンデンサの電圧が入力
電圧より高くなるため、この差の電圧であるフライバッ
ク電圧を振幅とする共振現象が生じる。もし、スイッチ
素子を共振の開始より半周期遅れてターンオンさせるこ
とができれば、スナバコンデンサの電圧が入力電圧から
１次巻線のフライバック電圧を引いた値になったときに
ターンオンし、スナバコンデンサの放電によるスイッチ
素子内のロス（ターンオンロス）を小さくできる。本出
願人はこの原理を応用した自励式スイッチング電源のソ
フトスイッチ回路を提供している（登録第２５６０２０
８号）。

【０００７】図３に示した従来方式は、出力電圧を下げ
る方式であるため、１次巻線のフライバック電圧も下が
る。スナバコンデンサが使われていれば、共振の振幅が
小さくなるので、仮にスイッチ素子のターンオンのタイ
ミングを共振開始の半周期後に合わせても、スナバコン
デンサの電圧の下がりきったところの電圧そのものが小
さくならず、ターンオンロスを小さくすることができな
い。すなわち、図３の従来方式はスナバコンデンサを用
いてソフトスイッチ化したリンギングチョークコンバー
タには向いていない。そこで本発明は、スナバコンデン
サを用いるリンギングチョークコンバータにも応用でき
る待機時の入力電力を小さくする回路を提供することを
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上の目的を達成するため
に本発明は、待機回路だけが電力を消費するときは、ス
イッチングを連続動作から間欠動作に変え、かつ、間欠
動作によって生じやすいトランスの音を抑えるために、
スイッチ素子を流れる電流の包絡線を正弦波状に近い形
にした。

【０００９】

【作用】スイッチング電源の効率は負荷が小さくなるに
従って低くなる。そこで、待機時の電力より大きい電力
を間欠的に供給する方が連続的に供給するより高い効率
を得ることができる。

【００１０】間欠発振はトランスから音が発するという
問題点を含んでいるが、音の原因はトランスの１次巻線
を流れるスイッチング電流の包絡線の形と関係が強い。
スイッチングの波と包絡線が作る波の合成波のスペクト
ラム分布は、数＋ＫＨｚのスイッチング周波数を中心に
して、上下両方向に広がる。包絡線の形が矩形波であれ
ば、スペクトラムはスイッチング周波数を中心に上下両
方向にかなり広がり、可聴周波数にまで及ぶが、包絡線
が数ＫＨｚ以下の正弦波に近い形であれば、スペクトラ
ムの広がりが小さく可聴範囲に及ばなくなり、トランス
の音が聞こえなくなる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の実施例に係る省電力スイッチ
ング電源装置を示す回路図である。図において、スイッ
チ回路８は待機回路２７だけが電力を消費するときにオ
フになる。このスイッチ回路８がオフのとき第１のトラ
ンジスタ４はオン状態になる。リニアレギュレータ２５
の入力電圧が定電圧ダイオード３の降伏電圧とフォトカ
プラ発光素子１の順方向電圧の和より大きいとき、発光
素子１が発光し、受光素子２はオン状態となり、スイッ
チ素子１６はゲート電荷が受光素子２と第２のトランジ
スタ９によって放電するのでオフになる。起動抵抗１７
を流れる電流も受光素子２と第２のトランジスタ９を流
れるのでオフが続き、発振停止状態になる。発振停止の
間も待機回路２７によって電力が消費されるので、リニ
アレギュレータ２５の入力電圧が下がり、やがて発光素
子１を流れる電流がゼロになって受光素子２はオフにな
る。これによって起動抵抗１７の電流は、第１のコンデ
ンサ１８とスイッチ素子１６のゲートの充電を開始し、
スイッチ素子１６のケート電圧がスレッショルド電圧に
達すると、スイッチ素子１６はごく短いオン期間の発振
を開始する。スイッチ素子１６の最初のターンオンによ
って電荷が放出された第１のコンデンサ１８は、スイッ
チ素子１６のオフ期間に再び充電されるが、オフ期間も
短いため充電々圧がいきなり大きくなることはなく、オ
ンオフの繰り返しと共に上昇する。

【００１２】第１のコンデンサ１８の電圧が大きくなる
とオン期間も長くなるが、オン期間の間に第３のコンデ
ンサ１０の電圧は正帰還巻線１５の電圧が第３の抵抗１
１を介して加わるために上昇し、やがて第２のトランジ
スタ９をオン状態にする。そして、スイッチ素子１６は
ターンオフする。

【００１３】スイッチ素子１６のオフ期間には、第３の
コンデンサ１０は正帰還巻線１５の負の電圧によって充
電されるが、負の電圧は出力電圧に正比例するため、出
力電圧の上昇と共に絶対値が大きくなる。

【００１４】第３のコンデンサ１０の負の電圧の絶対値
が大きくなる程、スイッチ素子１６がターンオンしてか
ら、第３のコンデンサ１０の電圧が第２のトランジスタ
９をオン状態にする電圧に達するまでの時間が長くな
り、その結果スイッチ素子１６のオン期間が長くなる。

【００１５】スイッチ素子１６のオン期間が長くなるに
従って出力電圧が上昇するが、やがて定電圧ダイオード
３の降伏電圧と発光素子１の順方向電圧の和に達すると
発光素子１に電流が流れ始め、受光素子２であるフォト
トランジスタは遮断領域から能動領域に入りコレクタ・
エミッタ間飽和電圧が下がり始める。これによってスイ
ッチ素子１６のゲート電圧が下がり始め、オン期間が小
さくなり始める。

【００１６】発光素子１の電流が上昇するためには第１
のトランジスタのコレクタ電流が増えなければならな
い。コレクタ電流の上昇はベース・エミッタ間飽和電圧
の上昇にともなっているが第２のコンデンサ６が第１の
トランジスタ４のベース・エミッタ間飽和電圧の上昇を
遅らせる。その遅れの間は、第１のトランジスタ４は完
全に飽和領域に入れず、発光素子１の電流が受光素子２
を完全にオン状態にするまでの大きさに達しない。その
ためスイッチ素子１６は序々に短いオン期間になってい
くが発振を継続し、出力電圧は上昇を続ける。第２のコ
ンデンサ６による遅延時間は、第２のコンデンサ６の容
量と第２の抵抗７の値、及びこれらに直流電流を供給す
る抵抗５の値によって決まる。

【００１７】第１のトランジスタ４が完全に飽和領域に
入りオン状態になると、受光素子２も完全にオン状態と
なって、スイッチ素子１６は発振を停止する。このとき
リニアレギュレータ２５の入力電圧は定電圧ダイオード
３の降伏電圧と発光素子１の順方向電圧の和を超えて上
昇しているため、この電圧が待機回路２７に流れる電流
によって下がり、発光素子１の電流がゼロになるまで発
振停止は続く。

【００１８】スイッチ素子１６の電流は図２に示したよ
うにゼロから序々に大きくなり、再び序々にゼロまで小
さくなるので、電流の包形波は正弦波に近くなりトラン
スの音は人の耳に聞き取りにくい。

【００１９】このようにして、スイッチ素子１６の発振
と発振停止が繰り返される。スイッチ素子１６の電流が
最も大きくなるなるときの出力電力は、待機回路２７が
必要とする電力より大きく、瞬時的な効率が高いので、
平均した効率は、待機回路２７が必要な電力を連続的に
出力するときの効率より高くなる。

【００２０】リニアレギュレータ２５の入力電圧は、ス
イッチ素子１６の発振の期間に上昇し停止期間に下降す
るので比較的大きいリップルを含むが、リニアレギュレ
ータ２５の出力電圧はフラットな定電圧となって待機回
路２７に供給される。

【００２１】図１の実施例では第２のトランジスタ９が
スイッチ回路８がオフ状態のときだけ働く部品になって
いるが、スイッチ素子１６の制御電極に接続されている
ので、スイッチ回路８がオン状態のときに、出力電圧を
一定にするための発振制御回路の一部として働かすこと
も可能である。

【００２２】

【発明の効果】リンギングチョークコンバータは負荷が
軽くなると、発振周波数が高くなるために効率が低下す
る。本発明は間欠発振を生じさせることによって、発振
周波数の上昇を抑え、効率の低下を防いだ。そして、ト
ランスから音が発しやすいという間欠発振の短所を、ト
ランス１次巻線に流れる電流の包絡線が正弦波に近い形
をとるようにした。それらの機能をごくわずかな部品の
追加で可能にしたので経済的効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る省電力スイッチング電源
装置。

【図２】図１のスイッチ素子１６の電流の波形を示す図
である。

【図３】従来の省電力スイッチング電源装置の一例を示
す図である。

【符号の説明】

１ フォトカプラの発光素子 ２ フォトカプラの受光素子 ３ 定電圧ダイオード ４ 第１のトランジスタ ５ 抵抗 ６ 第２のコンデンサ ７ 第２の抵抗 ８ スイッチ回路 ９ 第２のトランジスタ １０ 第３のコンデンサ １１ 第３の抵抗 １２ １次巻線 １３、１４ ２次側の巻線 １５ 正帰還巻線 １６ スイッチ素子 １７ 起動抵抗 １８ 第１のコンデンサ １９ 第１の抵抗 ２０ 発振制御回路 ２１、２２ ダイオード ２３、２４ コンデンサ ２５ リニアレギュレータ ２６ 主負荷回路 ２７ 待機回路 ２８、２９、３０、３１ 抵抗 ３２ 電圧検出ＩＣ ３３、３４、３５ トランジスタ ３６、３７ ダイオード ３８、３９ 抵抗 ４０ フォトカプラの発光素子 ４１ フォトカプラの受光素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １次巻線と正帰還巻線と２次側に１つ以
   上の巻線をもつトランスと、前記１次巻線に直列に接続
   されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子の制御電極と
   前記正帰還巻線の正側の端子の間に接続された第１のコ
   ンデンサと第１の抵抗とからなる直列回路と、前記２次
   側の巻線に接続された整流平滑回路と、前記スイッチ素
   子の発振を制御して前記整流平滑回路の出力電圧を一定
   に保つ発振制御回路を備え、前記整流平滑回路の出力の
   １つから待機回路に電力を供給しているリンギングチョ
   ークコンバータにおいて、前記整流平滑回路の１組の出
   力端子にフォトカプラの発光素子と定電圧ダイオードと
   第１のトランジスタとからなる直列回路を接続し、前記
   第１のトランジスタのベースに直流電流源を接続し、前
   記第１のトランジスタのベースとエミッタの間に第２の
   コンデンサと第２の抵抗とからなる並列回路を接続し、
   更に前記第１のトランジスタのベースとエミッタの間に
   待機時にオフになるスイッチ回路を接続し、前記スイッ
   チ素子の制御電極に第２のトランジスタを接続し、前記
   第２のトランジスタのベースとエミッタの間に第３のコ
   ンデンサを接続し、前記第２のトランジスタのベースと
   前記正帰還巻線の正側の端子の間に第３の抵抗を接続
   し、前記フォトカプラの受光素子を前記スイッチ素子の
   制御電極と前記第２のトランジスタのベースの間に接続
   し、これによって待機時の消費電力を減ずることを特徴
   とする待機時省電力スイッチング電源装置。