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公開番号2021141808
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210916
出願番号2021064408
出願日20210405
発明の名称スイッチング電源装置
出願人新日本無線株式会社
代理人特許業務法人酒井国際特許事務所
主分類H02M 3/28 20060101AFI20210820BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】スイッチングトランジスタのONタイミング生成用の補助巻線やホトカプラ電流を得るための補助巻線を不要にし、しかもスイッチングトランジスタのON/OFFにそのスイッチングトランジスタの閾値のバラツキの影響を受けないようにする。
【解決手段】OFFタイミング電圧Voffをホトカプラ電流Ipcが大きいほど且つセンス電圧Vs1が大きいほど早いタイミングで生成するON期間制御回路21と、ONタイミング信号をホトカプラ電流が小さいほど且つ負荷電力信号が大きいほど早いタイミングで生成するOFF期間制御回路22と、OFFタイミング電圧VoffによってスイッチングトランジスタMN1をOFFさせ、ONタイミング信号VonによってスイッチングトランジスタMN1をONさせるSRFF回路23とを有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
スイッチングトランジスタと、該スイッチングトランジスタに直列接続され前記スイッチングトランジスタがONしたときにセンス電圧を生成するセンス抵抗と、前記スイッチングトランジスタがONすることで入力電圧が印加する1次巻線及び負荷が接続される2次巻線を有するトランスと、前記2次巻線側の出力電圧に応じたホトカプラ電流を生成するホトカプラと、前記センス抵抗で前記センス電圧が発生している時間に基づいて前記スイッチングトランジスタのON期間が長いほど大きい負荷電力信号を生成する負荷電力検出回路とを備え、前記センス電圧と前記ホトカプラ電流と前記負荷電力信号とによって前記スイッチングトランジスタのON/OFFのタイミングが制御されるスイッチング電源装置であって、
前記スイッチングトランジスタがONしているときにONするスイッチと、
前記スイッチングトランジスタがONした後に前記スイッチングトランジスタをOFFさせるOFFタイミング信号を、前記ホトカプラ電流が大きいほど且つ前記センス電圧が大きいほど早いタイミングで生成するON期間制御回路と、
前記スイッチングトランジスタがOFFした後に前記スイッチングトランジスタをONさせるONタイミング信号を、前記ホトカプラ電流が小さいほど且つ前記負荷電力信号が大きいほど早いタイミングで生成するOFF期間制御回路と、
前記ON期間制御回路から出力する前記OFFタイミング信号によって前記スイッチングトランジスタをOFFさせ、前記OFF期間制御回路から出力する前記ONタイミング信号によって前記スイッチングトランジスタをONさせるSRFF回路と、
を有し、
前記ON期間制御回路は、前記スイッチングトランジスタがONしているときに前記スイッチを介して流れる前記ホトカプラ電流に応じた電圧を生成する第6抵抗と、該第6抵抗に生成する電圧が前記センス電圧を超えるとき前記OFFタイミング信号を生成する第1コンパレータとを備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
続きを表示(約 280 文字)【請求項2】
請求項1に記載のスイッチング電源装置において、
前記ON期間制御回路で前記OFFタイミング信号が生成されてから第1所定時間が経過した後に前記OFF期間制御回路で前記ONタイミング信号が生成されるときモード切替信号を生成するタイムアウト回路を備え、
前記ON期間制御回路は、前記タイムアウト回路で前記モード切替信号が生成されたとき、前記スイッチングトランジスタがONしてから、前記ホトカプラ電流及び前記センス電圧に無関係に、第2所定時間の経過後に前記OFFタイミング信号を生成することを特徴とするスイッチング電源装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、トランスとホトカプラを使用したDC/DCコンバータとしてのスイッチング電源装置に関する。
続きを表示(約 6,900 文字)【背景技術】
【0002】
図13にこの種の従来のスイッチング電源装置の回路を示す(例えば特許文献1)。50はトランスであり、1次巻線L11と第1補助巻線L12と2次巻線L13と第2補助巻線L14とを備える。MN2はNMOSのスイッチングトランジスタ、60はホトダイオードPD2とホトトランジスタPT2を備えるホトカプラである。R11〜R19は抵抗、Rs2はスイッチングトランジスタMN2のドレイン電流を検出するセンス抵抗、C11〜C14はキャパシタである。
【0003】
このスイッチング電源装置では、出力電圧Voutを抵抗R18,R19で分圧した電圧が電圧源VB11の基準電圧Vref11より高いときに、その差分電圧に応じてオペアンプOP11の出力電圧が低下する。そして、オペアンプOP11の出力電圧が所定値以下のとき、その出力電圧の値に応じてホトカプラ60のホトダイオードPD2に電流が流れ、そこで発光された発光量に応じてホトトランジスタPT2の内部抵抗が決まる。
【0004】
電源電圧Vinが投入されると、抵抗R11,R13を介して第1補助巻線L12に流れる励磁電流によって、キャパシタC13が抵抗R13側が正極となるよう充電される。そして、そのキャパシタC13の抵抗R13側の電圧がスイッチングトランジスタMN2の閾値電圧に達すると、そのスイッチングトランジスタMN2がONする。
【0005】
これによって、スイッチングトランジスタMN2が接続された1次巻線L11に直流電圧Vinから電流が流れ始めると、トランス50の各巻線L12,L13,L14に誘導起電力が生じ、トランス50にエネルギーが蓄積される。第1補助巻線L12に発生する誘起電圧(●側が正極)は、キャパシタC13の電圧と重畳されるので、スイッチングトランジスタMN2はゲート電圧がその閾値電圧以上に維持されて、ON状態を継続する。
【0006】
このとき、スイッチングトランジスタMN2のドレイン電流がセンス抵抗Rs2に流れ、そこに発生するセンス電圧が抵抗R15を介してキャパシタC12を充電する。1次巻線L11に流れる励磁電流は、スイッチングトランジスタMN2がONしてから時間と共にほぼ直線的に増大し、キャパシタC12の電圧もそれに応じて上昇する。
【0007】
この後、キャパシタC12の電圧がトランジスタQ11の閾値電圧に達すると、そのトランジスタQ11がON状態となって、スイッチングトランジスタMN2はそのゲート電圧が閾値電圧以下に低下してOFFする。
【0008】
スイッチングトランジスタMN2がOFFすることで、1次巻線L11に流れる電流が遮断されると、各巻線L11〜L14にフライバック電圧が生じる。このとき、2次巻線L13に発生するフライバック電圧は、ダイオードD11とキャパシタC14とにより整流平滑され、出力電圧Voutとして出力される。
【0009】
一方、第1補助巻線L12に発生するフライバック電圧は、2次巻線L13に発生するフライバック電圧と比例関係にあり、この第1補助巻線L12に発生するフライバック電圧(●側が負極)によってキャパシタC13が抵抗R13側が正極となるように抵抗R12,R13を経由して充電され、スイッチングトランジスタMN2をONにするための助走が進む。
【0010】
なお、スイッチングトランジスタMN2がOFFした後は、1次巻線L11の電流が遮断されるので、センス抵抗Rs2に発生する電圧は零であり、また、出力電圧Voutが低くホトトランジスタPT2が動作していないので、キャパシタC12の電圧は、抵抗R15,Rs2を介して放電され低下する。これによって、キャパシタC12の電圧がトランジスタQ11の閾値電圧以下となると、そのトランジスタQ11がOFFする。
【0011】
ところで、トランジスタQ11のベース・コレクタ間が等価ダイオードとして作用するので、キャパシタC13は、第1補助巻線L12の●側と反対側から、センス抵抗Rs2、抵抗R15、トランジスタQ11のベースからコレクタ、抵抗R13を経由して流れる電流によっても、抵抗R13側が正極となるように充電される。
【0012】
フライバックによって2次巻線L13に蓄積されていた電気的エネルギの放出が終わると、1次巻線L11の電圧は、スイッチングトランジスタMN2の寄生容量、1次巻線L11内の浮遊容量及び1次巻線L11のインダクタンスによって、入力電圧Vinを中心とした自由振動を開始し、電圧降下と共にその極性が反転する。
【0013】
1次巻線L11の電圧の自由振動に比例して振動する第1補助巻線L12のキャパシタC13側の電圧も同様に変化し、フライバック電圧が消滅した後に極性が復帰すると、その電圧はスイッチングトランジスタMN2のゲートに対して順方向の電圧として作用するようになる。また、この電圧に対してそれまでに充電されたキャパシタC13の電圧が加わるので、その合計電圧がスイッチングトランジスタMN2閾値電圧を越えると、そのスイッチングトランジスタMN2が再びONする。このようにして一連の自励発振動作が繰り返される。
【0014】
これまでは出力電圧Voutが低く、ホトカプラ60が動作していないので、ホトトランジスタPT2はスイッチングトランジスタMN2のベース電圧に影響を与えず、スイッチングトランジスタMN2はセンス抵抗Rs2の抵抗値により定まる最大ON期間で動作する。この後、出力電圧Voutは、発振を繰り返す毎に上昇し、電圧Vref11に対応する設定電圧を越えるとオペアンプOP11による比較動作が開始されて、ホトカプラ60が動作する通常動作に移行する。
【0015】
この通常動作では、出力電圧Voutが設定電圧より高いときは、キャパシタC12の電圧が、センス抵抗Rs2に発生した電圧による充電に加えて、ホトカプラ60のホトトランジスタPT2に流れる電流によっても充電される。このため、出力電圧Voutが高いほどトランジスタQ11のONタイミングが早まるので、スイッチングトランジスタMN2のOFFタイミングが早まる。つまり、スイッチングトランジスタMN2のON期間が短くなる。
【0016】
スイッチングトランジスタMN2がOFFすると、第1補助巻線L12のフライバック電圧によって充電されるキャパシタC13の抵抗R13側の電圧がスイッチングトランジスタMN2の閾値電圧に達するまで、そのスイッチングトランジスタMN2はOFFを継続する。
【0017】
なお、このスイッチング電源装置では、入力電圧Vinを抵抗R11,R12で分圧した電圧が所定値未満のときはスイッチングトランジスタMN2のバイアス電圧が低くなり、スイッチングトランジスタMN2はON/OFF動作しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
特開2005−027412号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
ところが、図13のスイッチング電源装置は、スイッチングトランジスタMN2のONタイミングを生成するために第1補助巻線L12が特別に必要となっている。また、キャパシタC13の抵抗R13側の電圧がスイッチングトランジスタMN2のゲートを制御するので、スイッチングトランジスタMN2のONタイミングがそのスイッチングトランジスタMN2の閾値のバラツキの影響を受ける問題がある。また、スイッチングトランジスタMN2はキャパシタC12の充電電圧がトランジスタQ11の閾値に達したときにOFFするので、スイッチングトランジスタMN2のOFFタイミングがトランジスタQ11の閾値のバラツキの影響を受ける問題がある。また、ホトカプラ電流を得るために第2補助巻線L14が特別に必要となっている。
【0020】
本発明の目的は、スイッチングトランジスタのONタイミング生成用の第1補助巻線やホトカプラ電流を得るための第2補助巻線が必須ではなく、しかもスイッチングトランジスタのON/OFFにそのスイッチングトランジスタの閾値のバラツキの影響を受けないようにしたスイッチング電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0021】
上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、スイッチングトランジスタと、該スイッチングトランジスタに直列接続され前記スイッチングトランジスタがONしたときにセンス電圧を生成するセンス抵抗と、前記スイッチングトランジスタがONすることで入力電圧が印加する1次巻線及び負荷が接続される2次巻線を有するトランスと、前記2次巻線側の出力電圧に応じたホトカプラ電流を生成するホトカプラと、前記センス抵抗で前記センス電圧が発生している時間に基づいて前記スイッチングトランジスタのON期間が長いほど大きい負荷電力信号を生成する負荷電力検出回路とを備え、前記センス電圧と前記ホトカプラ電流と前記負荷電力信号とによって前記スイッチングトランジスタのON/OFFのタイミングが制御されるスイッチング電源装置であって、前記スイッチングトランジスタがONしているときにONするスイッチと、前記スイッチングトランジスタがONした後に前記スイッチングトランジスタをOFFさせるOFFタイミング信号を、前記ホトカプラ電流が大きいほど且つ前記センス電圧が大きいほど早いタイミングで生成するON期間制御回路と、前記スイッチングトランジスタがOFFした後に前記スイッチングトランジスタをONさせるONタイミング信号を、前記ホトカプラ電流が小さいほど且つ前記負荷電力信号が大きいほど早いタイミングで生成するOFF期間制御回路と、前記ON期間制御回路から出力する前記OFFタイミング信号によって前記スイッチングトランジスタをOFFさせ、前記OFF期間制御回路から出力する前記ONタイミング信号によって前記スイッチングトランジスタをONさせるSRFF回路と、を有し、前記ON期間制御回路は、前記スイッチングトランジスタがONしているときに前記スイッチを介して流れる前記ホトカプラ電流に応じた電圧を生成する第6抵抗と、該第6抵抗に生成する電圧が前記センス電圧を超えるとき前記OFFタイミング信号を生成する第1コンパレータとを備えることを特徴とする。
【0022】
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載のスイッチング電源装置において、前記ON期間制御回路で前記OFFタイミング信号が生成されてから第1所定時間が経過した後に前記OFF期間制御回路で前記ONタイミング信号が生成されるときモード切替信号を生成するタイムアウト回路を備え、前記ON期間制御回路は、前記タイムアウト回路で前記モード切替信号が生成されたとき、前記スイッチングトランジスタがONしてから、前記ホトカプラ電流及び前記センス電圧に無関係に、第2所定時間の経過後に前記OFFタイミング信号を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、ホトカプラ電流、スイッチングトランジスタのON期間に応じた負荷電力信号、センス電圧をそれぞれ取り込で処理し、スイッチングトランジスタのONタイミング信号やOFFタイミング信号を生成することができるので、第2の補助巻線は必須ではない。また、ONタイミング信号とOFFタイミング信号によってSRFF回路を駆動してスイッチングトランジスタのON/OFFを制御するので、スイッチングトランジスタON/OFFのタイミングがその閾値のバラツキの影響を受けることはない。
【0024】
また、補助巻線経路に反転検出回路を新たに設ければ、ONタイミング信号をその補助巻線の脈動電圧を波形整形したパルス信号でリタイミングすることができ、スイッチングトランジスタをドレイン電圧の自由振動の谷でONさせ疑似共振動作をさせることができるので、その疑似共振動作に際してのスイッチングトランジスタの閾値のバラツキの影響を排除できる。この点について、図13のスイッチング電源装置では、スイッチングトランジスタのドレイン電圧の脈動の谷でONするようにしているが、どの谷でONするかはスイッチングトランジスタの閾値電圧に依存しているので、疑似共振動作がスイッチングトランジスタの閾値の影響を受ける。
【0025】
さらに、タイムアウト回路を新たに設ければ、ON/OFFの周期が所定値以上になる“軽負荷”では、ON時間一定でOFF時間可変の制御を行うことができるので、当該所定値になるON/OFF周期の周波数を可聴周波数以上になるように設定することにより、“通常負荷”では可聴周波数ノイズが発生することを防止することができる。
【0026】
さらに、図13のスイッチング装置では、入力電圧が所定値に達しない場合はスイッチングトランジスタのスイッチング動作を停止させているが、本発明では入力電圧判定回路を新たに設けることにより、入力電圧に応じてON期間を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
本発明の第1実施例のスイッチング電源装置の構成ブロック図である。
図1のスイッチング電源装置のON期間制御回路の回路図である。
図1のスイッチング電源装置のOFF期間制御回路の回路図である。
(a)、(b)は図1のスイッチング電源装置の反転検出回路の回路図である。
図1のスイッチング電源装置のタイムアウト回路の回路図である。
図1のスイッチング電源装置のタイムアウト回路の動作波形図である。
図1のスイッチング電源装置の“通常負荷”での動作波形図である。
図1のスイッチング電源装置の“軽負荷”での動作波形図である。
本発明の第2実施例のスイッチング電源装置の構成ブロック図である。
図9のスイッチング電源装置のON期間制御回路の回路図である。
図9のスイッチング電源装置の“通常負荷”での動作波形図である。
図9のスイッチング電源装置の“軽負荷”での動作波形図である。
従来のスイッチング電源装置の構成ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
<第1実施例>
図1に本発明の第1実施例のスイッチング電源装置の構成を示す。10は1次巻線L1、2次巻線L2、補助巻線L3を有するトランスである。1次巻線L1には、入力直流電圧VinがキャパシタC1で安定化されて入力し、NMOSのスイッチングトランジスタMN1のON/OFF動作により生じる電磁エネルギーを、巻線L2,L3に伝える。2次巻線L2には、ダイオードD1とキャパシタC2により整流平滑回路が構成され、その整流平滑回路から出力直流電圧Voutが取り出されるようになっている。補助巻線L3には、ダイオードD2とキャパシタC3により整流平滑回路が構成され、その整流平滑回路から電圧VDDが生成されている。
【0029】
20はスイッチングトランジスタMN1のON/OFFを制御する制御回路である。制御回路20において、21はスイッチングトランジスタMN1がONを継続している時間を制御してOFFタイミング電圧Voffを出力するON期間制御回路、22はスイッチングトランジスタMN1がOFFを継続している時間を制御してONタイミング電圧Vonを出力するOFF期間制御回路である。ON期間制御回路21は外付けのキャパシタC4を備え、OFF期間制御回路22は外付けのキャパシタC5を備える。
【0030】
23はSRFF回路であり、ON期間制御回路21から出力するOFFタイミング電圧Voffが“H”になることによりリセットされて、Q端子から出力する駆動電圧Vdrvを“L”にする。また、OFF期間制御回路22から出力するONタイミング電圧Vonが“H”になることによりセットされて、Q端子から出力する駆動電圧Vdrvを“H”にする。
(【0031】以降は省略されています)

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