JP2014135861A - 電源装置、led点灯装置およびバッテリ充電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コイルL1とスイッチング素子SW1から構成されるステップアップ電源で昇圧した電圧を、直列に接続したコンデンサC1と負荷2とで分圧することにより、降圧用のスイッチング素子とその制御回路を追加することなく、直流電源1の電源電圧より低い電圧を出力することができる。本来のステップアップ電源の特性も備え、直流電源1の電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧を容易に出力することができる。
【選択図】図1
Description
一般的な電源装置には、コイルあるいはコンデンサとスイッチング素子とを使用するスイッチング電源が用いられる。コイルとスイッチング素子を使用するスイッチング電源の代表的な方式としては、出力電圧が電源電圧以上になるステップアップ電源(ブーストコンバータ、昇圧コンバータ)と、出力電圧が電源電圧以下になるステップダウン電源(バックコンバータ、降圧コンバータ)がある。同様に、コンデンサとスイッチング素子を使用するスイッチング電源の代表的な方式としては、出力電圧が電源電圧以上になるチャージポンプ式ステップアップ電源と、出力電圧が電源電圧以下になるステップダウン電源がある。
特許文献1に係る直並列接続切替型コンデンサ電力貯蔵装置は、ステップアップ電源とステップダウン電源を組み合わせた構成例である。なお、特許文献1に係る発明の本来の目的は、コンデンサに貯えた電力を効率よく放出するために、並列にして充電したコンデンサを、電力の放電によって電圧が低下したときには直列に切り替えて出力電圧を確保し、電力を効率よく放出するというものである。
図1に示す電源装置10は、コイルL1とスイッチング素子SW1を使用するスイッチング式のステップアップ電源(ブーストコンバータ、昇圧コンバータ)を備え、コイルL1で昇圧したステップアップ電圧をコンデンサC1で分圧して降圧することによって、直流電源1の電源電圧を所定の電圧に変換するものである。
このとき、図2(e)の負荷2の端子電圧の絶対値は、図2(c)のスイッチング素子SW1のドレイン端子電圧の約1/2となる。つまり、コイルL1とスイッチング素子SW1とからなるステップアップ電源が出力するステップアップ電圧は、本来、直流電源1の電源電圧以上となるが、このステップアップ電圧をコンデンサC1と負荷2とによって2分することで、負荷2に印加される出力電圧をステップアップ電圧の1/2に降下させるので、直流電源1が出力電圧より低くなった場合だけでなく直流電源1が出力電圧より高くなった場合でも容易に任意の電圧値を出力することができる。このように、ステップアップ電源で昇圧した電圧を1/2にする構成によって、例えば、8Vから16Vまで変動する車載用バッテリを直流電源1として使用した場合、いずれの電源電圧においても12Vを出力することができる。
このとき、図4に示すように、LED2aの端子電圧は、図2(c)に示したスイッチング素子SW1のドレイン端子電圧の約1/2となる。つまり、電源電圧より高い電圧しか出力できないステップアップ電源を、電源電圧より低い電圧、もしくは、電源電圧と同レベルの電圧が出力できる電源にすることができる。
ちなみに、コンデンサC1に電荷を貯える充電経路(一点鎖線で示す)には、ステップアップ用のコイルL1が挿入されているために、突入電流が流れることは無い。
ステップアップ電源にコンデンサC1と複数の整流ダイオードD1〜D4を追加する構成に関しては、先立って説明した特許文献1〜3のいずれにも記載されていない。
制御部11は、スイッチング素子SW1のオンオフ動作の周期を一定にしてオンオフ時間の比率(Duty)を変化させるPWM(Pulse Width Modulation)制御、オンまたはオフ時間を一定にしてオンオフ動作の周期を変化させるPFM(Pulse Frequency Modulation)制御、あるいは周期とDutyの双方を変化させる制御等を行うことにより、負荷2に出力する電流あるいは電圧を、任意の電流値あるいは電圧値にする。
即ち、LED2a,2bの点灯電位が、直流電源1の接地電位に対して、矩形波状に変動することが問題にならないため、簡素な構成のLED点灯装置を構成できる。
また、LED2a,2bは、発光ダイオードに限定されるものではなく、半導体による光源を総称するものであって、レーザダイオード、有機発光ダイオード(OLED)等を含む。
また、図示例ではスイッチング素子SW1にFET(電界効果トランジスタ)を使用しているが、トランジスタおよびIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等を使用してもよい。
本実施の形態2は、トランスを設けて、任意の電圧を出力する構成にするもので、図8は、絶縁式トランスを使用した場合の電源装置10の構成例を示す回路図である。なお、図8において図1〜図7と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置10の出力側に負荷となるLED2a,2bを接続して、電源装置10をLED点灯装置として使用している。
〔出力電圧(即ち、2次巻線電圧)×巻数比〕≧〔(電源電圧)/2〕 (1)
図9に、1次巻線と2次巻線の一部を共用した単巻式トランス22を使用した場合の電源装置10の構成例を示す。当構成例においてはコンデンサC1に接続される端子から接地側端子に巻回される1次巻線と、接地側端子から整流ダイオードD5およびD6に接続される端子に巻回される2巻の2次巻線を備える単巻式トランス22を使用する。当単巻式トランス22の接地側端子から整流ダイオードD5に接続される端子に巻回される2次巻線は1次巻線の一部を共用するものであり、絶縁式トランス21を使用する場合に比べてトランスの構成を簡素にすることができる。また、1次側と2次側の電位を共通にすることで、制御部11において出力電流あるいは出力電圧のフィードバック制御が容易になる。当フィードバック制御により、任意の電圧を出力する電源装置10を容易に実現できる。
あるいは、実施の形態2の電源装置10を使用してLED2a,2bを点灯するLED点灯装置を構成してもよく、この場合には、LED2aの順方向電圧が電源電圧より低い電圧から電源電圧より高い電圧に至る広範囲の電圧であっても点灯が可能なLED点灯装置を、簡素な構成で実現できる。
図11は、本実施の形態3に係る電源装置10の構成を示す回路図である。なお、図11において図1〜図10と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置10の出力側に負荷となるLED2aを接続して、電源装置10をLED点灯装置として使用している。
さらに、この電源装置10を使用して、交流を電源とするLED点灯装置およびバッテリ充電装置を実現できる。
図14は、本実施の形態4に係る電源装置10の構成を示す回路図である。なお、図14において図1〜図13と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この例では、電源装置10の出力側に負荷となるLED2aを接続して、電源装置10をLED点灯装置として使用している。
なお、上記においては、1個の双方向スイッチング素子を動作させることを前提にしているため、当1個の双方向スイッチング素子を構成するスイッチング素子SW11,SW12を同じタイミングで動作する方式を記載したが、電源電流の通電動作と遮断動作ができる構成であれば、必ずしも両者が同じタイミングで動作する必要は無く、例えば電流が内部の寄生ダイオードに流れる側のスイッチング素子を連続的にオンし、他方をオンオフ動作させても全体的には同様な動作となり、同様な効果が得られる。
また、図16〜図19ではスイッチング素子SW11,SW12,SW2,SW3にFETを使用しているが、トランジスタおよびIGBT等を使用してもよく、さらに、個々ばらばらの素子でも、複数個をまとめた素子でも構わない。
図20は、本実施の形態5に係る電源装置10の構成を示す回路図である。なお、図20において図1〜図19と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。また、この構成例では、電源装置10の出力側に負荷となるバッテリ2cを接続して、電源装置10をバッテリ充電装置として使用している。
Claims (10)
- コイルと当コイルに電流を流すスイッチング素子とを使用するスイッチング式の電源装置であって、
前記スイッチング素子と、
一方の端子を電源側に接続し、他方の端子を前記スイッチング素子に接続する前記コイルと、
出力電流を生成する複数の整流ダイオードと、
前記コイルと前記スイッチング素子の接続点に一方の端子を接続し、他方の端子を前記整流ダイオード側に接続するコンデンサと、
前記スイッチング素子を操作する制御部とを備え、
前記コイルの端子に発生する電圧を前記コンデンサで分圧し、前記コンデンサに流通する正負両極性の電流を前記整流ダイオードによって整流して出力することを特徴とする電源装置。 - 前記コンデンサの出力側端子に1次巻線を接続し、前記整流ダイオードに2次巻線を接続するトランスを備え、
前記コイルの端子に発生する電圧を前記コンデンサで分圧して前記トランスの1次巻線に印加し、前記トランスを介して前記コンデンサに流通する正負両極性の電流を前記整流ダイオードによって整流して出力することを特徴とする請求項1記載の電源装置。 - 前記トランスは、前記1次巻線と前記2次巻線が独立している絶縁トランスであることを特徴とする請求項2記載の電源装置。
- 前記トランスは、前記1次巻線と前記2次巻線の一部が共用されている単巻トランスであることを特徴とする請求項2記載の電源装置。
- 前記電源と前記コイルの間に挿入され、前記電源からの電流を整流して前記コイルへ出力する整流回路を備えることを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の電源装置。
- 前記スイッチング素子は、双方向スイッチング素子、あるいは双方向対応のスイッチング素子であることを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の電源装置。
- 前記トランスは、前記1次巻線が複数の巻線から構成されるものであって、
前記複数の1次巻線を選択的に前記コンデンサに接続する複数のスイッチング素子を備えることを特徴とする請求項2から請求項4のうちのいずれか1項記載の電源装置。 - 請求項1から請求項7のうちのいずれか1項記載の電源装置を使用してLED(発光ダイオード)を点灯するLED点灯装置。
- 前記電源装置の出力電流を生成する複数の整流ダイオードは、前記LEDが兼用することを特徴とする請求項8記載のLED点灯装置。
- 請求項1から請求項7のうちのいずれか1項記載の電源装置を使用してバッテリを充電するバッテリ充電装置。
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