JPS6036606B2

JPS6036606B2 - スイツチングレギユレ−タ

Info

Publication number: JPS6036606B2
Application number: JP50131195A
Authority: JP
Inventors: 博福井; 均秋保
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1975-10-31
Filing date: 1975-10-31
Publication date: 1985-08-21
Also published as: JPS5254938A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はスイッチングレギュレータに関する。

本発明はスイッチングレギュレータに必要とされるトラ
ンスあるいはチョークコイルとして大形のものを用いる
ことなく、負荷の変動に対する出力電圧を安定化できる
制御範囲を広げることができるようにしたものである。
また、本発明は負荷が重く、出力電力が大きい場合にお
ける制御範囲の限界をより伸ばすことができ、この意味
でも制御範囲を広げることができる。さらに、スイッチ
ング素子をドライブするパルスのデューテイフアクタを
制御する構成では、このデューティフアクタの変化幅を
より小さくでき、ドライブパルスの発生回路の負担を軽
くできるものである。スイッチングレギュレータとして
は種々の構成のものがあるが、一例として第１図あるい
は第２図に示すものが知られている。

第１図において、１は交流電源が整流され平滑されて形
成される入力直流電圧源Ｅｉを示し、２はスイッチング
素子例えばトランジスタを示し、そのコレクタおよび入
力直流電圧源１の間にトランジスタ３の１１次コイル４
ａが接続されると共に、ェミッ外ま接地される。トラン
ス３の２次コイル４ｂの一端は接地され、その他端にダ
イオード５およびコンデンサ６からなる整流回路が接続
されて、この整流回路の出力に負荷７が接続される。こ
の負荷７に供孫舎される出力直流電圧Ｅｏは比較検出回
路８に与えられて基準電圧と比較されることによりその
変動が検出され、この検出出力により例えばパルス幅変
調回路９の出力パルスのデューティフアクタが可変され
る。このパルス幅変調回路９の出力パルスによりトラン
ジスタ２がスイッチング動作される。例えば出力直流電
圧Ｅｏが規定値よりも上昇したとすると、トランジスタ
２のオン期間が短かくなるようにパルス幅変調回路９が
制御されて、出力直流電圧Ｅｏが一定なものとされる。
また、第２図に示す構成では、トランジスタ２のコレク
タに入力直流電圧源１が接続され、そのエミツタにチョ
ークコイル１０およびコンデンサ１１が並列接続された
平滑回路が接続されると共に、ダイオード１２が接続さ
れている。

そして、トランジスタ２のオン時には、コンデンサ１１
が充電されると共に、負荷７に電流が流れ、トランジス
タ２のオフ時にはチョークコイル１川こ貯えられていた
エネルギーにより電流がダイオード１２を通じて流れコ
ンデンサ１１を充電する動作がなされる。出力直流電圧
（Ｅｏ）の安定化は比較検出回路８およびパルス幅変調
回路９によってトランジスタ２のスイッチング動が制御
されるようにしてなされる。本発明はこれら何れのスイ
ッチングレギュレー外こも適用しうるが、第１図に示す
構成を例にして、負荷７の変動に対して出力直流電圧（
Ｅｏ）の安定化をなしうるのに要求されるトランス３の
ィンダクタンスの大きさを求めることにする。

一般に、スイッチングレギユレータにおいて入出力の間
では次の関係が成立する。ｐｉ＝２
……‘１１力・ｉ＝畠… …‐‐‐‘
２１り・Ｅｉ・Ｄ：Ｎ・Ｂ〇．（１一Ｄ） ……（３１
但し、ｌｉ：入力直流電流Ｐｉ：入力電力Ｐ。

：出力電力り：効率Ｎ：トランス３の２次コイル４ｂの巻回教を１としたと
きの１次コイル４ａの巻回数Ｄ：デユーテイレシオここで第３図Ａに示すように周期Ｔのちでデュ−テイレ
シオＤでもつてトランジスタ２がオンしたとすると、ト
ランス３の１次コイル４ａに第３図Ｂに示す励磁電流が
流れる。

この電流の最大値を１〆，、最小値を１〆２、鋸歯状波
の平均値を１夕、（１夕，一１夕２＝△１そ）、トラン
ス３の１次側のィンダクタンスをＬとすると、ｌｉ＝Ｄ
・１〆＾・佐吉肌｛４１ △Ｍ＝三砦土肌‘５’ となる。

励磁電流の最大値１そ，および最小値１そ２は、‘４１
式および‘５）式から、Ｍ＝１〆十半宅＋Ｅ学Ｔ・・
・・・棚・夕２＝・そ−虫ヱ−土−Ｅ三安土 ‐‐‐‐‐‐‘７
’２一Ｄとなる。

ここで（１そ２＞０）であるから、以上の式から、Ｌ〉
三界４Ｅｉ２‐び‐Ｔ＝がｉ −リ・Ｅｉ２・Ｌ１Ｐ・Ｔ”“”【８，２Ｐ。

となる。

従って｛８１式から負荷‘７１の変動すなわち出力電力
Ｐ。の変動に対して定電圧制御と可能とするために必要
なィンダクタンスＬを求めることができる。今、最も負
荷が軽いとき（Ｐ。ｍｉｎ．）のィンダクタンスをＬと
し、最も負荷が重いとき（Ｐ。ｍａｘ．）のインダクタ
ンス装置をＬ２とすれば、（Ｌ，＞Ｌ２）となる。この
ため、トランス３のィンダクタンスＬは、Ｌ，の大きさ
が最低必要であり、またＰ。ｍａｘ．でも飽和しないこ
とが要求される。従来のスイッチングレギュレータで用
いられているトランス３は、通常のトランスと同様に不
飽和の範囲では一定のィンダクタンスを有しており、第
４図Ａに示すようにＰ。

ｍｉｎ．においてィンダクタンスＬ，が必要であれば、
Ｌ，で−定の特性となる。一例として、制御範囲（Ｐ。
ｍｉｎ．〜Ｐ。ｍａｘ．）が（６０Ｗ〜１２０Ｗ）でこ
のときデユーテイレシオＤが（０．３〜０．７）で変化
する場合を考える。この制御範囲を広げようとして、Ｐ
。ｍｉｎ．を１５〔Ｗ〕にしようとすれば、■式から明
かなように必要なィンダクタンスＬ‘ま４倍となり、第
４図Ｂに示すように４」で一定の特性を有するトランス
が必要となる。また、Ｐ。ｍａｘ．のときのィンダクタ
ンス−地８１式から、Ｌ・の享となる。インダクタンス
を４倍にするため、従釆ではコアの断面積を４倍とする
か、またはコアのギャップを広げて巻数を２倍にしなけ
ればならなかった。その結果、トランスの形状が大きく
なり、またコストも高くなる不都合があった。本発明は
上述の点を考慮して、第４図Ｃに示すように、トランス
３あるいはチョークコイル１０として、そのィンダクタ
ンスが出力電力Ｐ。

の小さい範囲（Ｐ。ｍｉｎ．）で第１の値山，をとると
共に、出力電力Ｐ。の大きい範囲（Ｐ肌ａｘ．）で第２
の値Ｌ２をとる特性のものを用いるようにしたものであ
る。かくすることにより、負荷の変動に対する制御範囲
をトランス３あるいはチョークコイル１０の大形化を生
ずることなく広げるようにしたものである。

また、第４図Ｂおよび第４図Ｃを比較すると理解される
ように、ィンダクタンスＬが飽和するときの変化の立下
りの傾斜期間が従来よりも額かくできるので、Ｐ。ｍａ
ｘ．の値をさらに大きくすることが可能であり、この意
味でも制御範囲を広げることができる。さらに、制御範
囲を従来同様に例えば（６０Ｗ〜１２０Ｗ）として、第
４図Ｃに示す特性のトランスを用いた場合のＰ。ｍｉｎ
．におけるデューティレシオＤについて注目すると、側
式から、Ｌ＞Ｋ・ぴ ……【９
｝となる。

但し、（Ｋ＝千毒害工）である。従ってＬを上述のよう
に従来に比して４倍とできれば、デューティレシオを２
倍としても側式の関係が満足されるから、Ｐ。ｍｉｎ．
とＰ。ｍａｘ．の間でのデューティレシオの変化幅を減
少させることができ、パルス幅変調回路９の負担を軽く
できる。理論的には、ィンダクタンスを充分大きくでき
れば、デューティレシオを変化させなくてもィンダクタ
ンスの変化だけで負荷の変動に対して出力電圧を安定化
できることになる。また、入力直流電圧の変動に対して
も、上述の負荷の変動の場合に関するのと同様の作用効
果が得られる。以下、本発明の実施例を説明するに、本
例では第４図Ｃに示すような特性を有するトランス３あ
るいはチョークコイル１０を実現するために、これらの
コアにギャップを形成し、このギャップに対して並列に
コアの断面積より４・さし・か、コアとは異なる材質の
滋路材を挿入するようにしたものである。

第５図は、かかるコアの一例を示し、第５図において、
２０は全体として本発明に適用しうるコアを示し、２１
は略口字状のフェライトからなるコアを示し、２２はコ
ア２１の一部に形成されたギャップを示し、２３はこの
ギャップ２２内に挿入されたスベーサを示す。

トランスあるいはチョークコイルの巻線はギャップ２２
の近傍に設けられる。スベーサ２３はコア２１と同一材
質で、かつその断面積はコア２１の断面積より小なるも
のである。かかるコア２０が第４図Ｃに示す特性を呈す
ることは、第６図Ａに示すギャップ２２が形成されてい
ないコア２１と同園Ｂに示すギャップ２２が形成された
コア２１とにそれぞれコイルを巻き、これらの直流重畳
特性を合成することで予測できる。すなわち、ギャップ
２２が形成されていない場合は、第７図において破線２
４ａで示すようにィンダクタンスＬが大きく、飽和しや
すい特性となり、ギャップ２２が形成されている場合は
、第７図において一点鎖線２４０で示すように、ィンダ
クタンスＬが小さく、飽和いこくい特性となり、従って
ギャップ２２の一部にコア２１と同村質のスベーサ２３
が挿入されている場合は、第４図Ｃと同様の実線２４ｃ
で示すように両者の特性を合成たものとなる。また、本
願発明者の実験によってもかかる特性（実線２４ｃ）は
確かめられた。なお、直流重畳特性は、一定の直流電流
を流しながら、微少交流電流による磁束の変化を調べて
ィンダクタンスＬを求めたものであり、スイッチングレ
ギュレータの出力電力Ｐ。

に対するインダクタンスＬの変化特性（第４図Ｃ）とは
厳密な意味では異なる。しかし、スイッチングレギュレ
ータにおいては、出力電力Ｐ。は一旦ィンダクタンス素
子に貯えられたエネルギーを取り出して得るものであり
、ィンダクタ・ンス素子（Ｌ）に貯えられるエネルギー
（Ｅ・）が、（Ｅぐ＝享ＬＦ）という鰍となり、従って
（鼻１２＝Ｐ。‐ｔ）の関鰍略々成立することから、Ｐ
。が増加するということは、Ｌの増加が考えられない以
上、１（入力電流）の増加を意味することになる。よっ
て、第７図に示す直流重畳特性（Ｌ−ＮＩ）と第４図Ｃ
に示す特性（Ｌ−Ｐ。）は相似なものとなる。第８図は
本発明に適用しうるトランスあるいはチョークコイルの
他のいくつかの例の構成を示す。第８図Ａに示す構成で
は、ギャップ２２に挿入されたスベーサ２３の断面積が
磁路方向に従って変化するようになされている。第８図
Ｂに示す構成では、ギャップ２２に挿入されるスべ−サ
２３をコア２１の材料（フェライト）と異なった磁性材
料例えばパーマロィからなるようにしたものである。第
８図Ｃに示す構成では、ギャップ２２にコア２１の断面
積より大で且つロア２１の透磁率より小なる透磁率の材
料例えばパ−マロイからなるスベーサ２３を挿入するよ
うにしたものである。第８図Ｄに示す構成では、スベー
サ２３の代わりにギャップ２２の形成されたコア２１の
外周面にパーマロィの板体２５を密着させるようにした
ものである。以上の第８図に示すコアも第５図に示すコ
アと同様の特性を有したものとる。

そして、ギャップ２２の長さ、スベーサ２３の形状、材
質などを適当に選ぶことにより、磁界（ＮＩ）に対する
ィンダクタンスＬの変化を第９図に示すように３段階に
変化させることができる。また、電源回路の仕様に応じ
た特性とできるから、電源回路の仕様によって異なる大
きさのコアを製造しなくて良い利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明を適用しうるスイッチング
レギュレータの接続図、第３図はその説明に用いる波形
図、第４図は本発明の説明に用いる略線図、第５図は本
発明に適用できるコアの構成図、第６図はその説明に用
いる構成図、第７図はその特性の説明に用いる略線図、
第８図は本発明に適用できるコアのいくつかの例の構成
図、第９図はコアの特性の他を例を示す略線図である。１は入力直流電圧源、２はスイッチングトランジスタ、
３はトランス、７は負荷、１０はチョークコイル、２１
はコア、２２はギヤツプ、２３はスベーサである。第１
図第２図第３図第５図第７図第４図第６図第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】

１入力直流電源と、スイツチング素子と、トランスは
チヨークコイルが直列に接続されてなり、上記スイツチ
ング素子がオンした時にトランス又はチヨークコイルの
巻線に電流を流して該トランス又はチヨークコイルにエ
ネルギーを蓄積し、上記スイツチング素子がオフした時
に蓄積されたエネルギーを負荷に流して出力直流電圧を
得、この出力直流電圧の変動を検出し、この検出出力に
よつて上記スイツチング素子を制御する様にしたスイツ
チングレギユレータにおいて、上記トランス又はチヨー
クコイルは、そのインダクタンスが出力電力の小さい範
囲で第１の値をとると共に、この出力電圧の大きい範囲
では上記第１の値より小なる第２の値をとる特性のもの
を用いたスイツチングレギユレータ。