JP2008061301A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数出力を有するスイッチング電源装置において、同一のダミー抵抗を用いて出力の電圧上昇制限と電圧低下制限を実現する。
【解決手段】１つのトランスの二次側から少なくとも第１の出力および第２の出力を供給し、第１の出力からトランスの一次側にフィードバック制御を行い出力電圧を制御するスイッチング電源装置において、第２の出力の電圧値が第１の所定値以上になった場合に、第２の出力からダミー抵抗２１７に電流を流すことにより第２の出力の電圧上昇を防ぐ電圧上昇制限手段と、第２の出力の電圧値が第１の所定値より小さい第２の所定値以下になった場合に、第１の出力からダミー抵抗２１７に電流を流しクロスレギュレーション特性により第２の出力電圧の低下を防ぐ電圧低下制限手段とを備えたスイッチング電源装置により前記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、１つのトランスの二次側から少なくとも第１の出力および第２の出力を供給し、第１の出力からトランスの一次側にフィードバック制御を行い出力電圧を制御するスイッチング電源装置に関し、特にその第２の出力の電圧変動の低減に関するものである。

スイッチング電源には、１つのトランスからの複数出力のうち１出力の電圧をフィードバックして出力電圧を制御し、かつ複数の負荷に電力を供給する種類の装置がある。このようなスイッチング電源装置には、出力の電流負荷によって他の出力電圧が変動するクロスレギュレーション特性を有するものがある。

このようなスイッチング電源装置では、例えば特許文献１のように、フィードバック対象の出力電圧の精度が良い出力に、負荷の大きさが制御可能なダミー負荷を接続する。そして、スイッチング電源装置が接続されている負荷の駆動指令に合わせて、制御部によってダミー負荷の大きさを制御し、フィードバック対象外の出力電圧の低下を防止することを行っているものがある。

また、特許文献２のように、フィードバック対象ではない出力に出力電圧を安定化するためにダミー負荷を接続する。そして、その出力電圧を低下させるタイミングでダミー負荷に流れる電流を制御するように電源外部信号で制御し、ダミー負荷での不要な損失を低減し、出力電圧の変動範囲を小さくするようにしたものがある。
特開２００４−３５７４２０号公報 特開昭６２−０２５８７２号公報

前述の特許文献１に示す従来例では、フィードバック対象外の出力負荷が大きくなり出力電圧が低下した時に、フィードバック対象の出力に接続したダミー負荷の電流を増加させてフィードバック対象外の出力電圧を上昇させている。しかし、フィードバック対象外の出力の負荷が小さい時の出力電圧上昇に対しては、その出力にダミー抵抗を接続していないため、出力電圧を適切に低減する制御を行うことができないという問題がある。

また、前述の特許文献２に示す従来例では、フィードバック対象外の出力の電圧上昇を防止するためにダミー抵抗をフィードバック対象外の出力に接続している。そして、電圧上昇の好ましくない時にはフィードバック対象外の出力の電圧上昇をダミー抵抗に通電することで低減している。しかし、フィードバック対象外の出力の負荷電流の増大によって電圧下降が発生した場合には、逆に電圧を上昇させることができなないという問題がある。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、複数出力を有するスイッチング電源装置において、同一のダミー抵抗を用いて出力の電圧上昇制限と電圧低下制限を実現することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、スイッチング電源装置を次の（１）、（２）のとおりに構成する。

（１）１つのトランスの二次側から少なくとも第１の出力および第２の出力を供給し、前記第１の出力から前記トランスの一次側にフィードバック制御を行い出力電圧を制御するスイッチング電源装置において、前記第２の出力の電圧値が第１の所定値以上になった場合に、前記第２の出力からダミー抵抗に電流を流すことにより前記第２の出力の電圧上昇を防ぐ電圧上昇制限手段と、前記第２の出力の電圧値が前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下になった場合に、前記第１の出力から前記ダミー抵抗に電流を流しクロスレギュレーション特性により前記第２の出力電圧の低下を防ぐ電圧低下制限手段とを備えたスイッチング電源装置。

（２）１つのトランスの二次側から少なくとも第１の出力および第２の出力を供給し、前記第１の出力から前記トランスの一次側にフィードバック制御を行い出力電圧を制御するスイッチング電源装置において、前記第２の出力の電流値が第３の所定値以下になった場合に、前記第２の出力からダミー抵抗に電流を流すことにより前記第２の出力の電圧上昇を防ぐ電圧上昇制限手段と、前記第２の出力の電流値が前記第３の所定値より大きい第４の所定値以上になった場合に、前記第１の出力から前記ダミー抵抗に電流を流しクロスレギュレーション特性により前記第２の出力電圧の低下を防ぐ電圧低下制限手段とを備えたスイッチング電源装置。

本発明によれば、同一のダミー抵抗を用いて出力の電圧上昇制限と電圧低下制限を実現することができる。これにより、電圧上昇制限および電圧低下制限にそれぞれ対応した個別のダミー抵抗を設置する必要がなく、安価な構成で容易に電圧上昇制限および電圧低下制限を実現することができる。

また、出力に対応する負荷が無いなど、出力電圧の低減が不要な状態で、無駄な電力消費を防止し、低消費電力化が可能となる。

以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

図１は、実施例１である“スイッチング電源装置”と負荷装置の接続関係を表す図である。
１００はスイッチング電源装置全体を表したブロックであり、商用電源等の交流（ＡＣ）供給源からスイッチング電源装置１００内で直流（ＤＣ）に変換するスイッチング電源である。ＡＣからＤＣへの変換は後述する整流回路とスイッチング方式にて行うものとする。
１０１はスイッチング電源装置１００に接続された負荷１を表しており、ＤＣ出力１がスイッチング電源装置１００から供給されるように接続されている。また、ＤＣ出力１は所定の出力電圧となるように電圧変動を抑え、負荷の電流による電圧変動も抑えるため、その出力をフィードバックする経路１０４を有するものである。

１０２はスイッチング電源装置１００に接続された別の負荷２を表しており、ＤＣ出力２がスイッチング電源装置１００から供給されるように接続されている。本実施例では、負荷２へのＤＣ出力２はフィードバックする経路が無い構成である。
１０３はスイッチング電源装置１００に接続されたｎ番目の負荷ｎを表している。

このように、スイッチング電源装置１００は、複数の出力を有し、そのうち一つの出力をフィードバックすることでその出力を安定させる構成であり、その他の出力は電圧をフィードバックしていない構成の電源装置であることを表している。

図２は、本実施例のスイッチング電源装置の構成とダミー負荷を表す図である。
２００はスイッチング電源装置１００内の整流ダイオードであり、ＡＣ供給源からの交流電圧を直流電圧に変換するダイオードブリッジである。整流された電圧は一次平滑コンデンサ２０１にて平滑される。
２０２はスイッチング電源装置１００内にてスイッチング素子２０３を制御する電源制御ＩＣである。本実施例では、フライバック型のスイッチング電源にて説明する。
２０４はスイッチング電源用のトランスであり、一次側と二次側を絶縁してＤＣ出力１およびＤＣ出力２を生成している。一次側は、一次主巻線２０４ａ、電源供給用巻線２０４ｂから構成される。二次側は、二次側出力１巻線２０４ｃ、二次側出力２巻線２０４ｄで構成される。

２０５は二次側出力１巻線２０４ｃに接続されている整流ダイオードであり、一次主巻線２０４ａの巻数と二次側出力１巻線２０４ｃの巻数に対応したＡＣ出力１を半波整流し、整流出力は二次側平滑コンデンサ２０６にて平滑する。
２０７は二次側出力２巻線２０４ｄに接続されている整流ダイオードであり、一次主巻線２０４ａの巻数と二次側出力２巻線２０４ｄの巻数に対応したＡＣ出力２を半波整流し、整流出力は二次側平滑コンデンサ２０８にて平滑する。

電源制御ＩＣ２０２の制御によってスイッチング素子２０３がオンし、平滑化されたＤＣ電圧が一次主巻線２０４ａに印加され、巻線２０４ａの電流が時間経過とともに上昇する。所定期間後に電源制御ＩＣ２０２によってスイッチング素子２０３がオフされ、二次側は二次側出力１巻線２０４ｃと二次側出力２巻線２０４ｄから出力される電流が整流ダイオード２０５および２０７を順方向に流れる。そして、各々の二次巻線の出力が二次側平滑コンデンサ２０６および２０８に充電されるように動作し、各々の電圧は平滑化される。

２０９は、一次側と二次側回路を絶縁してＤＣ出力１の電圧出力状態を電源制御ＩＣ２０２にフィードバックするフォトカプラである。

２１０は基準電圧設定素子（例えばシャントレギュレータ）であり、ＤＣ出力１の電圧を抵抗２１１と２１２にて分圧して基準電圧制御用端子に入力する。抵抗２１２の電圧が所定基準電圧以上になると基準電圧設定素子２１０がオンし、フォトカプラ２０９内の発光ダイオードを点灯する。抵抗２１２の電圧が所定基準電圧より低ければ発光ダイオードを消灯するように動作する。

フォトカプラ２０９内の発光ダイオードに対応して受光素子が電源制御ＩＣ２０２の所定端子からの電流引き込み量を変化させ、電源制御ＩＣ２０２はその電流値の変化でスイッチング素子２０３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。

スイッチング素子２０３のＯＮ／ＯＦＦ期間と周期変化によって、トランス２０４の一次側の主巻線２０４ａに印加される電圧と電流が変化し、二次側出力１巻線２０４ｃに出力される電圧が変化する。さらにその電圧出力をフィードバックすることでＤＣ出力１の電圧を所定範囲内で出力するように動作する。また、同時に二次側出力２巻線２０４ｄからも所定電圧が出力される。

ＤＣ出力１の出力電圧は、前述したように電源制御ＩＣ２０２にフィードバックされており、ＤＣ出力２より精度よく制御可能な構成である。ＤＣ出力２は、スイッチングトランス２０４の巻線によって決まる電圧を出力する。そして、ＤＣ出力２は負荷電流が小さい場合、出力電圧が上昇し、ＤＣ出力２の負荷電流が大きくなると出力電圧が低下する特性を有している。またＤＣ出力１の負荷電流が大きくなると、ＤＣ出力２の電圧出力が大きくなるクロスレギュレーション特性も有している。

ここで先ず、一次側の電源制御ＩＣ２０２に出力電圧がフィードバックされていない、ＤＣ出力２の電流負荷が小さい場合の電圧上昇の抑制について説明する。この電圧上昇の抑制をするために、図２の破線矢印に示すように、ＤＣ出力２からダミー抵抗２１７を介してＤＣ出力１に電流を流す。

すなわち、ＤＣ出力２の出力端に、抵抗素子２１３および２１４による分圧回路が接続され、その分圧点は、基準電圧設定素子２１５の入力端子に接続されている。ＤＣ出力２の電流負荷が小さくなり、ＤＣ出力２の電圧が上昇し分圧点の電圧が基準電圧設定素子２１５の基準電圧を超えると、基準電圧設定素子２１５がオンしトランジスタ２１６がオン状態となる。これにより、図２の破線矢印で示した経路でＤＣ出力２から電流がＤＣ出力１に流れ込む。これにより、ＤＣ出力２の電流が増大し、出力電圧が低下するため、ＤＣ出力２の電圧上昇を防ぐ電圧上昇制限が可能となる。
また、ＤＣ出力２の電流が増大してＤＣ出力２の電圧が低下した場合、抵抗素子２１４の分圧電圧が低下し、基準電圧設定素子２１５がオフし、トランジスタ２１６がオフ状態となり、ダミー抵抗２１７を介するＤＣ出力１への電流の流れ込みが停止する。
つまり、ＤＣ出力２の電流負荷が小さい時と大きい時を判別し、出力電圧の上限値を設定することが可能となる。
ただし、本実施例では、ＤＣ出力１がＤＣ出力２より低い電圧であるとする。

次に、一次側の電源制御ＩＣ２０２に出力電圧がフィードバックされていない、ＤＣ出力２の電流負荷が大きい場合の電圧降下の抑制について説明する。この電圧降下を抑制するために、図３の破線矢印に示すように、ＤＣ出力１からダミー抵抗２１７を介してＧＮＤに電流を流す。
すなわち、電圧出力が安定しているＤＣ出力１を基準にした抵抗素子２１９と２２０の分圧電圧１と、抵抗素子２１８の端部電圧を基準とした抵抗素子２２１と２２２の分圧電圧２を比較器２２３で比較する。ＤＣ出力２の電流負荷が前述の電圧上昇抑制時よりさらに大きくなり、ＤＣ出力２の出力電圧が低下し、分圧電圧２の方が所定値より低くなった場合、次のように動作する。比較器２２３の出力が、ＤＣ出力２の電圧近傍の電圧からＧＮＤ近傍の電圧まで低下し、トランジスタ２２４のベース電流を引き込み、トランジスタ２２４をオン状態とする。
トランジスタ２２４がオン状態となると、トランジスタ２２５がオン状態となり、ＤＣ出力１を供給源として電流が、図３のダミー抵抗２１７を経由し破線矢印方向に流れる。
これによってＤＣ出力１の電流が増加することになり、クロスレギュレーション特性によってＤＣ出力２の出力電圧が上昇する。このようにして、ＤＣ出力２の負荷電流が大きくなった場合でも、負荷電流の状態を検知して出力電圧の低減を防ぐことができ、電圧低下を防ぐ電圧低下制限が可能となる。

図４に、ＤＣ出力１およびＤＣ出力２の負荷電流を横軸に、出力電圧を縦軸とした図を示す。
ＤＣ出力１は、出力電圧の状態を一次側の電源制御ＩＣ２０２にフィードバックすることで、負荷電流の変動に対して出力電圧の変動が小さい。
ＤＣ出力２は、一次側へのフィードバック制御が無いことから、電圧出力の上下限制制限の制御が無い場合、破線で示したような出力特性となる。
本実施例では、図２および図３で示した、抵抗素子２１３、２１４および抵抗素子２１８〜２２２の組み合わせと、基準電圧設定素子２１５を選定することで、実線で示したように電圧上昇が上限を超えないように、電圧降下が下限を超えないように抑制できる。これにより、出力の電圧範囲を規定することが可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、ＤＣ出力２の出力電圧の上昇制限と降下制限のために１つのダミー抵抗２１７を共用するこができる。
また、電圧上限の制限動作時には電圧下限の制限動作はなく、逆に電圧下限の制限動作時にも電圧上限の制限動作はない。そのため、単一のダミー抵抗で、安定してかつ安価にかつ容易に制限動作を実現することが可能となる。

図５は、実施例２である“スイッチング電源装置”の構成を表す図である。本実施例は、実施例１の構成において、さらに、ＤＣ出力２を停止する構成を追加した例である。

ＤＣ出力２は、スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴ等）３００によって出力を行うかどうかを選択し切り換え可能な構成とし、他の出力であるＤＣ出力１によって駆動される負荷１（１０１）による制御によって選択される。スイッチ素子３００は、ＤＣ出力２に抵抗素子２１３が接続されている箇所より上流側、トランスの巻線２０４ｄ側に接続されている。

ＤＣ出力２に接続されている負荷２（１０２）がＤＣモータやその他アクチュエータ類であった場合、その負荷に対して電力を供給せず駆動しない場合は、ＤＣ出力２の出力は不要であり、かつ電圧出力が停止していて電圧上限を制限する必要がない。このような場合にスイッチ素子３００をオフすることによってＤＣ出力２を停止する。

スイッチ素子３００の制御は、負荷１（１０１）内の不図示の制御装置が行うものとし、例えばワンチップマイコン等で制御するものとする。また同じく負荷２（１０２）がＤＣモータやその他アクチュエータ類であった場合、制御線３０１にて駆動制御も行うものとする。

ＤＣ出力２の電圧上限を制限しない場合は、図４で示したＤＣ出力２の所定の上限電圧を越えた破線で示した電圧となる。
ＤＣ出力２が停止することで、ダミー抵抗２１７経由でＤＣ出力２より電圧が低いＤＣ出力１へ電流を流し込むかどうかを判断するための、抵抗素子２１３および２１４および基準電圧設定素子２１５への電圧印加はない。また、トランジスタ２１６を経由してダミー抵抗２１７へ電流を流し込むこともない。

負荷２（１０２）への適切な電圧出力が必要であれば、スイッチ素子３００をオンすることによってダミー抵抗２１７への電流供給が可能なように制御できる。
また、負荷２（１０２）への電流が増加し、ＤＣ出力２の出力電圧が所定値以下になった場合、比較器２２３の出力が反転し、トランジスタ２２４、２２５がオンする。これにより、ダミー抵抗２１７とトランジスタ２２５を経由してＤＣ出力１の電流が、ＤＣ出力１の電圧より低い基準電圧のＧＮＤに流れこむ。そしてトランス２０４のクロスレギュレーション特性によりＤＣ出力２の出力電圧が上昇するように動作する。

以上説明したように、本実施例によれば、ＤＣ出力２の電流が必要でなく、ＤＣ出力２の電圧の上限値を制限する必要がない場合に、ダミー抵抗を経由する電流をカットすることができる。また負荷への電流出力が必要な場合のみダミー抵抗を経由する電流を流すことによって適正な出力電圧を設定することができ、無駄な電力消費を防止し、低消費電力化が可能となる。

実施例１のスイッチング電源装置と負荷装置の接続構成を表す図 実施例１のスイッチング電源装置の構成とダミー負荷を表す図（出力２の電圧上昇時） 実施例１のスイッチング電源装置の構成とダミー負荷を表す図（出力２の電圧降下時） 実施例１のスイッチング電源装置における出力電圧と負荷電流の関係を表す図 実施例２のスイッチング電源装置の構成を表す図

符号の説明

２０２ 電源制御ＩＣ
２０３ 一次側スイッチング素子
２０４ トランス
２０９ ＤＣ出力１フィードバック素子
２１５ 基準電圧設定素子（シャントレギュレータ）
２１７ ダミー抵抗
２２３ 比較器

Claims (4)

1. １つのトランスの二次側から少なくとも第１の出力および第２の出力を供給し、前記第１の出力から前記トランスの一次側にフィードバック制御を行い出力電圧を制御するスイッチング電源装置において、
   前記第２の出力の電圧値が第１の所定値以上になった場合に、前記第２の出力からダミー抵抗に電流を流すことにより前記第２の出力の電圧上昇を防ぐ電圧上昇制限手段と、
   前記第２の出力の電圧値が前記第１の所定値より小さい第２の所定値以下になった場合に、前記第１の出力から前記ダミー抵抗に電流を流しクロスレギュレーション特性により前記第２の出力電圧の低下を防ぐ電圧低下制限手段とを備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. １つのトランスの二次側から少なくとも第１の出力および第２の出力を供給し、前記第１の出力から前記トランスの一次側にフィードバック制御を行い出力電圧を制御するスイッチング電源装置において、
   前記第２の出力の電流値が第３の所定値以下になった場合に、前記第２の出力からダミー抵抗に電流を流すことにより前記第２の出力の電圧上昇を防ぐ電圧上昇制限手段と、
   前記第２の出力の電流値が前記第３の所定値より大きい第４の所定値以上になった場合に、前記第１の出力から前記ダミー抵抗に電流を流しクロスレギュレーション特性により前記第２の出力電圧の低下を防ぐ電圧低下制限手段とを備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
3. 請求項１または２に記載のスイッチング電源装置において、
   前記第２の出力をその負荷に対して出力するか否かを切り換えるスイッチ手段を備え、
   前記スイッチ手段は、前記電圧上昇制限手段における前記第２の出力の検出部接続点より前記トランス側に接続されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
4. 請求項３に記載のスイッチング電源装置において、
   前記第１の出力から電源供給される制御手段と、前記第２の出力から電源供給される負荷とを備え、
   前記制御手段は前記スイッチ手段と前記負荷とを制御することを特徴とするスイッチング電源装置。

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