JP2009100557A - 電源装置及びこの電源装置のスイッチング方法 - Google Patents

電源装置及びこの電源装置のスイッチング方法 Download PDF

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Abstract

【課題】スイッチングのタイミングを、低コストかつ汎用性を保って制御する電源装置及びそのスイッチング方法を提供する。
【解決手段】一次巻線、二次巻線及びコントロール巻線を有するトランスと、一次巻線への入力をスイッチングするスイッチング素子と、二次巻線の出力を整流、平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備えたスイッチング電源装置において、アノードが接地され、カソードがコントロール巻線の一方の端子に接続されたダイオードと、一方の端子がダイオードのアノードに接続され、他方の端子がコントロール巻線の他方の端子に接続された抵抗とを有する回路を備え、さらに、ダイオードのカソード側の電圧値を検出するゼロ点検出部と、該ゼロ点検出部による検出結果に基づいて、スイッチング素子をONさせるタイミングを制御する制御部とを有する制御装置を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力損失が少ないスイッチングを可能とする電源装置及びこの電源装置のスイッチング方法に関する。
従来から、出力が150W程度のスイッチング電源としては、フライバックコンバータの一種である、リンギングチョークコンバータが多く用いられている。この回路構成の一例を図4に示す。このような回路では、トランスの1次巻線の一端に1次電源が供給され、他方の端子は、スイッチング素子Qsを介してGNDに接続される。そして、スイッチング素子Qsを所定のタイミングでON/OFFすることにより、トランスの2次巻線に電気エネルギーを供給する。そして、2次巻線の出力を整流、平滑し、出力電圧を生成する。前記スイッチング素子Qsとしては、MOSFETが使用される場合が多い。また、この場合、前記MOSFETと並列に、キャパシタCrが接続され、いわゆるスナバ回路を構成するのが一般的である。
この図4に示すようなスイッチング電源においては、「スイッチON」のタイミングは、ゼロ電流検出回路によって決定され、「スイッチOFF」のタイミングは、フィードバック回路の出力電圧とドレイン電流検出電圧によって決定される。
スイッチのON/OFF時におけるドレイン電圧(Vds)、コントロール巻き線から制御手段に出力される信号(Vc)、2次側電流(Is)及びドレイン電流(Id)の各波形を図6に示す。
スイッチON時は、トランス1次側のインダクタンスLpを通してドレイン電流(Id)が供給される。図中のドレイン電流(Id)は、電流−電圧変換抵抗Rdにより電圧に変換されて、ドレイン電流検出電圧として制御手段内に取り込まれる。この制御手段内では、トランス2次側に接続されたフィードバック回路からの信号と比較され、制御手段がスイッチ(MOSFET)のOFFのタイミングを決定し、スイッチをOFFにする(t1)。スイッチがOFFにされた瞬間から、トランス2次側のインダクタンスLsが放電を開始し、2次側のダイオード(Dout)を通して電流が供給される。この間、ドレイン電圧(Vds)は、図6のt1〜t2で示されるように、ノイズが乗っているものの、ほぼ一定に保たれる。
トランス2次側の放電が終了する時点(t2)から、スナバコンデンサCr内に蓄積された電荷が放出され始める。すると、LpとCrによる共振が発生し、図6のt2以降の波形に示されるように、ドレイン電圧(Vds)がゆっくりと減少を始める。
このときのLpとCrによる共振の周波数fは、
f=1/(2π・(Lp・Cr)1/2
で表される。
また、トランス1次側のコントロール巻き線では、図中のVcで示すような波形が出力される。制御手段では、この電圧Vcがゼロになったときに、トランス2次側のインダクタンスLsが放電を完了したと判断して次のスイッチング動作(スイッチON)に移行する(t3)。
なお、前記スイッチON(t3)の時点におけるドレイン電圧が、図中Vdsに示されるようにまだ高い状態であった場合、Id×Vdsのスイッチング損失が大きくなってしまうという問題がある。
このような問題を解決する方法として、例えば、図4中に示すように遅延回路が設置されている。これは、トランス1次側のコントロール巻き線と制御手段との間に遅延回路を設け、前記コントロール巻き線から制御手段に出力される信号(Vc)に遅延をかけることにより、ドレイン電圧(Vds)が十分に低くなった状態で、次のスイッチング動作(スイッチON)を行わせるというものである。
一方、例えば、特許文献1には、図5にその構成の一例を示すような電源装置が記載されている。この特許文献1に係る電源装置110には、一次巻線112A、二次巻線112B及び制御巻線112Cを有したトランス112が備えられており、該トランス112の一次巻線112Aの一方の端子は入力電源114の一方の端子に接続されている。さらに、前記電源装置110は入力電源114による一次巻線112Aへの所定電圧の印加/非印加を切り換えて、スイッチングするトランジスタからなるスイッチング素子118を備えている。
また、該スイッチング素子118のコレクタは、一次巻線112Aの他方の端子に接続されており、エミッタは入力電源114の他方の端子に接続されている。一方、トランス112における制御巻線112Cの双方の端子には上記スイッチング素子118のスイッチング動作の制御等を行う制御回路116が接続されており、該制御回路116の一方の出力端子はスイッチング素子118のベースに、他方の出力端子はスイッチング素子118のエミッタに、各々接続されている。
また、スイッチング素子118のコレクタとエミッタとの間には、直列接続されたスナバコンデンサ120及び電流検出回路122が並列に接続されている。ここで、前記電流検出回路122は、抵抗によって構成されており、この抵抗の両端子は制御回路116に接続されている。
そして、抵抗の両端を利用して、例えば、出力電流レベルの検出を簡易な回路構成で、低損失、高精度かつ低コストに行うことができる電源装置が提供されるとしている。
なお、特許文献2にも同様な構成について記載されている。
特開2001−61272号公報 特許第3458369号公報
しかし、この図4に示す回路では、
1)遅延回路が付加され、コストアップ要因となる
2)スナバコンデンサやトランス1次側のインダクタンスLpを変更した場合、遅延の定数が変化してしまうため、電源回路としての汎用性が失われる
という問題点がある。
また、上記特許文献1及び2には、スイッチング素子におけるスイッチONのタイミングを決定することに関しては、何ら記載も示唆もされていない。
そこで本発明は、スイッチング素子におけるスイッチングのタイミングを、低コストで、かつ、汎用性を保って制御することを可能とする電源装置及びこの電源装置のスイッチング方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下のような特徴を有する。
[1]本発明に係る電源装置は、一次巻線、二次巻線及びコントロール巻線を有するトランスと、上記一次巻線への入力をスイッチングするスイッチング素子と、上記二次巻線の出力を整流、平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備えたスイッチング電源装置において、
アノードが接地され、カソードが前記コントロール巻線の一方の端子に接続されたダイオードと、一方の端子が前記ダイオードのアノードに接続され、他方の端子が前記コントロール巻線の他方の端子に接続された抵抗とを有する回路を備え、
さらに、上記ダイオードのカソード側の電圧値を検出するゼロ点検出部と、該ゼロ点検出部による検出結果に基づいて、上記スイッチング素子をONさせるタイミングを制御する制御部とを有する制御装置を備える。
[2]本発明に係る電源装置は、上記[1]に記載の電源装置であって、前記ゼロ点検出部が、前記カソード側の電圧値の微分値を示す信号を生成する微分回路と、該微分値を示す信号がゼロとなるタイミングを検出するゼロ点検出回路とを備える。
[3]本発明に係る電源装置は、上記[1]又は[2]に記載の電源装置であって、上記ゼロ点検出部による検出結果に基づく制御に対し、上記スイッチング素子をONした後の所定時間、マスキング処理を行うマスキング処理部を備える。
[4]本発明に係る電源装置のスイッチング方法は、上記[1]に記載の電源装置を用いたスイッチング方法であって、スイッチング素子がOFFし、二次巻線からの放電が終了した後に、ゼロ点検出部が、上記カソード側の電圧値の微分値がゼロとなるタイミングを検出し、該検出したタイミングに基づいて、制御部が上記スイッチング素子をONさせるための制御信号を生成する。
[5]本発明に係る電源装置のスイッチング方法は、上記[4]において、ゼロ点検出部による検出結果に基づく制御に対し、スイッチング素子をONした後の所定時間、上記入力される電圧信号にマスキング処理を行う。
本発明によれば、スイッチング素子におけるスイッチングのタイミングを低コストで、かつ、汎用性を保って制御することを可能とする電源装置及びこの電源装置のスイッチング方法が提供される。
以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。
図1に、本発明に係る電源装置の回路構成の一例を示す。また、図2に、本発明に係る電源装置の回路構成の他の一例を示す。図1と図2は、後述するゼロ点検出部22aをダイオード18bのカソードに接続する構成が異なっている。なお、図1及び図2において、同一の部分には同一の番号を付している。
図1及び図2に示すように、本発明に係る電源装置10は、トランス12の一次巻線12aの一方の端子が入力電源24に接続されており、前記一次巻線12aの他方の端子は、この一次巻線12aへの入力をスイッチングするスイッチング素子14のドレインに接続されている。さらに、このスイッチング素子14のソースは、直列に接続された抵抗26を介してGNDに接続されている。この抵抗26は、スイッチング素子14に流れるドレイン電流を電圧に変換し、制御装置22に取り込むために使用される。
前記トランス12の一次巻線12aの他方の端子には、また、容量素子16の一方の端子が接続されている。そして、前記容量素子16の他方の端子は、スイッチング素子14のソースに接続されている。
また、前記トランス12は、コントロール巻線12cを備えている。このコントロール巻線12cの一方の端子は、整流平滑回路28に接続され、この整流平滑回路28で整流されたDC出力は、制御装置22の電源(Vcc)等に利用される。図1及び図2に示す場合において、この整流平滑回路28は、ダイオード28aと容量素子28bとを有している。前記ダイオード28aのアノードはコントロール巻線12cの一方の端子に接続され、そのカソードは前記容量素子28bの一方の端子に接続されている。また、前記容量素子28bの他方の端子はGNDに接続されている。そして、前記ダイオード28aのカソード側の電圧が制御装置22の電源(Vcc)等に利用される。
前記コントロール巻線12cの他方の端子には、ダイオード18bのカソードが接続されている。また、前記ダイオード18bのアノードには抵抗18aの一方の端子が接続され、それぞれGNDに接続されている。また、前記抵抗18aの他方の端子はコントロール巻線12cの一方の端子に接続されている。前記ダイオード18bのカソード側には制御装置22を構成するゼロ点検出部22aが接続されており、ダイオード18bのカソード側の電圧値の検出が行われる。
前記ゼロ点検出部22aで検出されたダイオード18bのカソード側における電圧値の変化の情報は、同じく制御装置22を構成する制御部22bに送られる。この制御部22bにおいては、前記ゼロ点検出部22aで検出された電圧値の変化に基づいて、前記スイッチング素子14をONさせるタイミングを制御する。
また、図1及び図2において、前記入力電源24として、AC/DCコンバータの場合を図示しているが、電源としての回路構成はこれに限定されるものではなく、トランス12の一次巻線12aの一方の端子に所定の電源を供給できるものであればどのような構成のものでも用いることができる。
前記トランス12における二次巻線12bの一方の端子は、ダイオード30aのアノードに接続されており、このダイオード30aのカソードはコンデンサ30bの一方の端子に接続されている。さらに、前記コンデンサ30bの他方の端子は、前記二次巻線12bの他方の端子に接続されている。すなわち、ダイオード30a及びコンデンサ30bによって二次巻線12bからの出力に対する整流平滑回路30が構成されている。ここで、コンデンサ30bの双方の端子は、負荷32に接続され、本電源装置10の外部出力端子として構成されている。
なお、フィードバック回路34については、従来技術の場合と同様であり、詳細な説明は省略する。
上述した構成の電源装置10において、図4に示した従来の電源回路の場合と同様に、二次巻線12bからの放電が終了した後に、トランスの1次巻線12aのインダクタンスLpと、スイッチング素子14に並列となるように接続された容量素子16とにより、前記スイッチング素子14両端での電圧共振が発生する。本発明においては、この電圧共振による電圧の変化をコントロール巻線12cから出力される電圧の変化として検出する。そして、前記コントロール巻線12cから出力される電圧の変化を、前記ダイオード18bのカソード側の電圧値として、ゼロ点検出部22aで検出する。
ここで、前記ダイオード18bのカソード側の電圧値を検出する方法としては特に限定されない。電圧値の検出が可能であれば、図1に示すように、ダイオード18bのカソード側のノードAにゼロ点検出部22aを直接接続し、電圧値を取り込むようにしてもよい。
また、図2に示すように、前記ダイオード18bのカソード側からの出力を抵抗18c及び18dにより抵抗分割を行い、前記抵抗18cと18dの間に設けたノードAからの出力として電圧値を取り込むようにしてもよい。ここでは、前記ダイオード18bのカソードは抵抗18c及び18dを介してGNDに接続されている。抵抗分割した電圧値を取り込むように構成することにより、取り込む電圧の大きさを、分割比を変えて任意に調整することができるため、汎用性が拡がる。
前記ゼロ点検出部22aでは、前記ダイオード18bのカソード側の電圧値を取り込み、その電圧値の微分値を算出する。ここでは、前記ゼロ点検出部22aを、例えば微分回路で構成することで微分値を算出できる。そして、前記ダイオード18bのカソード側の電圧値が極大値となるタイミング、つまり、電圧値の微分値がゼロとなるタイミングを検出し、この検出信号を制御部22bに伝達する。
前記制御部22bでは、ゼロ点検出部22aからの電圧値の微分値ゼロの検出信号を受け取ると、その信号に基づいて、スイッチング素子14をONさせるための制御信号を生成し、スイッチング素子14をONさせる。
以下、図2及び図3を用いて本発明に係るスイッチング方法について、さらに詳細に説明する。なお、図3は、抵抗分割した電圧値を取り込むように構成した図2に示した回路構成において、スイッチング素子14の両端(ソース・ドレイン間)の電圧であるドレイン電圧Vds、コントロール巻線12c両端の電圧Vc、ノードAでの電圧Va、2次側電流Is、ドレイン電流Id、ドライブ出力Drのそれぞれの波形の一例を示した図である。また、Vinは、入力されるAC電源のピーク電圧値を示し、Voutは出力される直流電圧を示す。さらに、Np、Ns及びNcは、トランス12の一次巻線、二次巻線及びコントロール巻線の巻数を、各々示す。
図2に示した回路構成において、スイッチング素子14をOFFにした瞬間(図3のt1)から、トランスの2次巻線12bから放電が始まり、2次側のダイオード30aを通して電流が供給される。この間、スイッチング素子14の両端(ソース・ドレイン間)の電圧Vdsは、図3(A)のt1〜t2間で示されるように、ノイズが乗っているものの、ほぼ一定となっている。
トランスの2次巻線12bからの放電が終了する(図3のt2)と、スナバコンデンサ16内に蓄積された電荷が放出され始める。このとき、トランスの一次巻線12aのインダクタンスLpとスナバコンデンサ16の容量Crによる電圧共振が発生し、その結果、図3(A)におけるt2以降の波形(t3以降は破線で表示される波形)で示されるように、ゆっくりとしたドレイン電圧Vdsの振動が始まる。
スイッチング素子14をOFFにした瞬間(図3のt1)以降において、コントロール巻線12c両端には図3(B)に示すような電圧Vcの波形が出力される。ここで、コントロール巻線12c両端の電圧Vcは、Vdsの電圧変動に伴って発生する電流共振を電圧に変換したときの波形を表したものでもある。つまり、図3(B)のt2以降の波形(t3以降は破線で表示される波形)は、スナバコンデンサ16での放電、蓄積の様子を示している。スナバコンデンサ16では、Vdsが下がり始めると同時に放電を開始し、共振の半周期の時間で放電を終了する。すなわち、スナバコンデンサ16の放電が終了した時点(共振の半周期)において、Vdsは最小(電圧共振のボトム)となる。
本発明においては、図3(B)で示されるコントロール巻線12c両端の電圧Vcの出力に対して、図2中に示す抵抗18a、ダイオード18b、抵抗18c及び抵抗18dにより構成される回路18を付加する。これにより、ノードAで検出される電圧Vaは、図3(C)に実線で示すような波形となる。
このように、前記回路18を付加することで、電圧共振のボトム(図3のt3)の信号を正(プラス)の電圧信号として取得することが可能となる。例えば半導体装置(所謂、IC製品)では、負(マイナス)の信号を取り込むことで誤動作が頻発する場合がある。従って、本発明においては、正の電圧信号として、電圧共振のボトムの波形を制御装置22に取り込むことにより、誤動作を防止した正確な制御が可能となる。
ノードAから出力される図3(C)に示すような電圧波形は、制御装置22を構成するゼロ点検出部22aに取り込まれる。上記ゼロ点検出部22aは、例えば、微分回路とゼロ点検出回路とからなり、上述したように、上記微分回路では、取り込んだ電圧値の微分値を示す信号を生成し、上記ゼロ点検出回路では、その微分値を示す信号のゼロ点を検出する。つまり、図3(C´)に示すように、上記電圧値の微分値がゼロとなるタイミング、即ち、電圧共振のボトム(図3のt3)となるタイミングを、上記ゼロ点検出部22aは検出する。
この電圧共振のボトム(図3のt3)となるタイミングを検出したゼロ点検出部22aは、その検出信号を制御部22bに伝達する。前記制御部22bでは、ゼロ点検出部22aからの前記検出信号を受け取ると、上述したように、その信号に基づいて、スイッチング素子14をONさせるための制御信号を生成し、スイッチング素子14をONさせる。
なお、図3(A)、(B)及び(C)の右端に破線で描かれた曲線は、スイッチング素子14がONしなかった場合の電圧(Vds、Vc及びVa)を示し、図3(C)の中程に破線で描かれた直線及び曲線は、ダイオード18bが無かった場合の電圧(Va)を示す。
このように、本発明においては、電圧共振のボトム(図3のt3)となるタイミングを確実に検出し、それに基づきスイッチング素子14をONさせる。つまり、Vdsが最小となる位置でスイッチング素子14をONさせることが可能となる。そのため、スイッチングに伴う電力損失を大幅に少なくすることが可能となり、電力損失の少ないスイッチングを可能とする電源装置及びこの電源装置のスイッチング方法が提供される。また、このタイミングでスイッチングを行うことにより、低ノイズ、高効率のスイッチングが可能となる。
さらに、本発明においては、ノードAでの電圧値の変化に基づいてスイッチング素子14をONさせるタイミングを制御するため、従来技術(図4参照)に示すような遅延回路を付加する必要も無く、また電圧共振の周波数が変動しても、すなわち、トランスの1次巻線12aのインダクタンスLp、スナバコンデンサ16の容量Crを変更しても、確実にドレイン電圧(Vds)がもっとも低いときにスイッチングを行うことができる。
また、本発明に係る電源装置10のスイッチング方法においては、ゼロ点検出部22aに入力される電圧信号、つまり図3の(C)に示すノードAでの波形信号に対し、スイッチング素子14をONした後の所定時間、前記入力される電圧信号にマスキング処理を行うことが好ましい。ここで、マスキング処理とは、具体的には、「ゼロ点検出部22aが、ノードAにおける電圧値Vaの微分値のゼロ点を検出し、その検出信号が制御部に伝達されても、所定の時間内においては、検出信号を無視する」処理を意味する。
図3には極端な場合の一例を示しているが、スイッチング素子14をONした時点(図3のt3)において、電源装置10内の回路内部における配線容量等の影響で、図3(C)における一点鎖線の丸で囲った部分のように、ノードAでの波形にノイズ的な波形が認められる場合がある。このようなノイズ的な波形は、本スイッチング方法においては、誤動作の要因となる場合があるため、マスキング処理により除去することが好ましい。
マスキング処理の具体的な一例としては、例えば、スイッチング素子14をONした後の0.2μsecから1.0μsec程度の間が好ましい。なお、マスキングの時間は上記に限定されるものではなく、電源装置10の回路構成、使用状況等により適宜変更され得るものである。
本発明に係る電源装置の回路構成の一例を示す図である。 本発明に係る電源装置の回路構成の他の一例を示す図である。 図2に示した回路構成において、ドレイン電圧Vds、コントロール巻線12c両端の電圧Vc、ノードAでの電圧Va、電圧Vaの微分値、2次側電流Is、ドレイン電流Id、ドライブ出力Drのそれぞれの波形の一例を示した図である。 従来技術に係る電源装置であるリンギングチョークコンバータの回路構成の一例を示す図である。 従来技術に係る他の電源装置の回路構成の一例を示す図である。 図4に示した回路構成において、ドレイン電圧Vds、コントロール巻線12c両端の電圧Vc、2次側電流Is、ドレイン電流Idのそれぞれの波形の一例を示した図である。
符号の説明
10 電源装置
12 トランス
12a 一次巻線
12b 二次巻線
12c コントロール巻線
14 スイッチング素子
16 容量素子(スナバコンデンサ)
18 回路
18a,18c,18d 抵抗
18b ダイオード
22 制御装置
22a ゼロ点検出部
22b 制御部
24 入力電源
26 抵抗
28 整流平滑回路
28a ダイオード
28b コンデンサ
30 整流平滑回路
30a ダイオード
30b コンデンサ
32 負荷
34 フィードバック回路

Claims (5)

  1. 一次巻線、二次巻線及びコントロール巻線を有するトランスと、前記一次巻線への入力をスイッチングするスイッチング素子と、前記二次巻線の出力を整流、平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備えたスイッチング電源装置において、
    アノードが接地され、カソードが前記コントロール巻線の一方の端子に接続されたダイオードと、一方の端子が前記ダイオードのアノードに接続され、他方の端子が前記コントロール巻線の他方の端子に接続された抵抗とを有する回路を備え、
    さらに、前記ダイオードのカソード側の電圧値を検出するゼロ点検出部と、該ゼロ点検出部による検出結果に基づいて、前記スイッチング素子をONさせるタイミングを制御する制御部とを有する制御装置を備えることを特徴とする電源装置。
  2. 前記ゼロ点検出部が、前記カソード側の電圧値の微分値を示す信号を生成する微分回路と、該微分値を示す信号がゼロとなるタイミングを検出するゼロ点検出回路とを備えることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記ゼロ点検出部による検出結果に基づく制御に対し、前記スイッチング素子をONした後の所定時間、マスキング処理を行うマスキング処理部を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の電源装置。
  4. 請求項1に記載の電源装置を用いたスイッチング方法であって、
    スイッチング素子がOFFし、二次巻線からの放電が終了した後に、ゼロ点検出部が、前記カソード側の電圧値の微分値がゼロとなるタイミングを検出し、該検出したタイミングに基づいて、制御部が前記スイッチング素子をONさせるための制御信号を生成することを特徴とする電源装置のスイッチング方法。
  5. ゼロ点検出部による検出結果に基づく制御に対し、スイッチング素子をONした後の所定時間、マスキング処理を行うことを特徴とする請求項4に記載の電源装置のスイッチング方法。
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