JP2017046437A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電流方向判定回路64は、電流検出回路62からの電流情報Eiに基づき、スイッチング回路12に電流が流れていないこと及び逆流電流が流れたことを判定した場合に、同期整流素子制御回路60に対する同期整流動作許可信号E1の出力を禁止して同期整流回路14の同期整流動作を停止させる。また電流方向判定回路64は、ソフトスタート動作による出力電圧の上昇中に、スイッチング回路12の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、同期整流素子制御回路60に同期整流動作許可信号E1を出力して同期整流回路14の同期整流動作を開始させる。
【選択図】図1
Description
ところで、同期整流を用いたスイッチング電源装置は、スイッチング電源装置の出力電圧設定値よりも高い電圧を出力側に印加すると、出力側から入力側に逆流電流が流れてしまう。この逆流電流は、スイッチング電源装置の出力側に印加する電圧が高いほど大きくなる。逆流電流が大きいと、スイッチング素子にストレスを与え、スイッチング電源装置を故障させる原因になる。
一方、スイッチング電源装置を高効率化する手段として、図6に示すように、安定型コンバータ210に非安定型コンバータ212を組み合わせたスイッチング電源装置200が知られている。
本発明は、
所定の電圧を出力する入力側電源回路と、
入力側電源回路から入力された電圧を断続電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
スイッチング回路から出力された断続電圧を同期整流素子により同期整流して出力する同期整流回路と、
同期整流回路に設けた同期整流素子のオンオフを制御する同期整流素子制御回路と、
を設けたスイッチング電源装置に於いて、
スイッチング回路に流れる電流を検出して電流情報を出力する電流検出回路と、
電流検出回路からの電流情報に基づき、スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、同期整流素子制御回路に同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させる電流方向判定回路と、
を設けたことを特徴とする。
同期整流回路の同期整流素子は、寄生ダイオードを備えたMOS−FETを含む素子であり、
入力側電源回路は、装置を起動した場合に出力電圧を零電圧から所定の時定数に従って上昇させるソフトスタート回路を備え、
電流方向判定回路は、ソフトスタート回路による入力側電源回路の出力電圧の上昇によりスイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れ始めた初期のタイミングを判定し、同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させる。
入力側電源回路は、出力電圧を所定電圧に安定化して出力する安定型コンバータを備え、
スイッチング回路を非安定型コンバータで構成する。
同期整流素子制御回路は、電流方向判定回路からの同期整流動作許可信号により同期整流回路の同期整流動作を開始させた場合、同期整流動作許可信号の如何にかかわらず同期整流回路の同期整流動作を継続させるラッチ機能を備える。
本発明は、所定の電圧を出力する入力側電源回路と、入力側電源回路から入力された電圧を断続電圧に変換して出力するスイッチング回路と、スイッチング回路から出力された断続電圧を同期整流素子により同期整流して出力する同期整流回路と、同期整流回路に設けた同期整流素子のオンオフを制御する同期整流素子制御回路とを設けたスイッチング電源装置に於いて、スイッチング回路に流れる電流を検出して電流情報を出力する電流検出回路と、電流検出回路からの電流情報に基づき、スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、同期整流素子制御回路に同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させる電流方向判定回路を設けるようにしたため、出力側に外部から電圧が印加されていても、電流方向判定回路によって同期整流動作を制御されているため、スイッチング電源装置の出力側から入力側に逆流電流が流れることが無く、逆流電流によるストレスでスイッチング電源装置が故障することを防止し、スイッチング電源装置の信頼性を向上することができる。
また、同期整流回路の同期整流素子は、寄生ダイオードを備えたMOS−FETを含む素子であり、入力側電源回路は、装置を起動した場合に出力電圧を零電圧から所定の時定数に従って上昇させるソフトスタート回路を備え、電流方向判定回路は、ソフトスタート回路による入力側電源回路の出力電圧の上昇によりスイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れ始めた初期のタイミングを判定し、同期整流動作許可信号を出力して同期整流回路の同期整流動作を開始させるようにしたため、スイッチング電源装置がソフトスタート動作をする際に、スイッチング電源装置の入力側から出力側に電流が流れ出した初期のタイミングで同期整流動作を開始するため、それまでの同期整流回路の動作を停止した状態でのスイッチング回路のオンオフ動作により、同期整流素子の寄生ダイオードにリカバリー動作を発生させることが無く、サージ電圧によるノイズの増大や半導体素子への電圧ストレスを引き起こすことを防止し、ノイズが小さく、故障の発生しない信頼性の高いスイッチング電源装置を作ることができる。
また、入力側電源回路は、出力電圧を所定電圧に安定化して出力する安定型コンバータを備え、スイッチング回路を非安定型コンバータで構成するようにしたため、非安定型コンバータのような出力電圧制御機能を持たないスイッチング電源装置においても、出力側から入力側に逆流電流が流れることが無く、逆流電流によるストレスでスイッチング電源装置が故障することを防止し、ノイズが小さく、故障の発生しない信頼性の高いスイッチング電源装置を作ることができる。
また、同期整流素子制御回路は、電流方向判定回路からの同期整流動作許可信号により同期整流回路の同期整流動作を開始させた場合、同期整流動作許可信号の如何にかかわらず同期整流回路の同期整流動作を継続させるラッチ機能を備えるようにしたため、逆流電流を防止する機能を備えたスイッチング電源装置に回生機能を付与することができる。
図1はスイッチング電源装置の基本構成を示したブロック図である。図1に示すように、本実施形態のスイッチング電源装置は、入力側電源回路10、スイッチング回路12、同期整流回路14及び制御回路部20により構成され、制御回路部20には同期整流素子制御回路60、電流検出回路62及び電流方向判定回路64を設けている。
図2はスイッチング電源装置の具体的な実施形態を示した回路ブロック図、図3は図2の実施形態における各部の信号波形を示したタイムチャートである。
入力側電源回路10は、入力電源22と安定型コンバータである降圧チョッパーで構成される。降圧チョッパーは、MOS−FETを用いたスイッチング素子24のドレイン側を入力電源22のプラス側に接続し、スイッチング素子24のソース側にインダクタンス28の一端とダイオードを用いた整流素子26のカソード側を接続している。インダクタンス28の他端は出力コンデンサ30の一端に接続され、出力コンデンサ30の他端と整流素子26のアノード側が入力電源22のマイナス側に接続される。
安定型コンバータスイッチング素子制御回路52は、PWMコンパレータ74と三角波発生回路76を持ち、PWMコンパレータ74には、三角波発生回路76から出力された三角波信号電圧Vtriとフィードバック制御回路50から出力されたデューティ制御信号電圧VFBが入力される。
V1=Vin・duty
の関係を持つ。
フィードバック制御回路50は、誤差アンプ70と基準電圧源72を持ち、誤差アンプ70には基準電圧Vrefと抵抗66,68で分圧されたスイッチング電源装置の出力比例電圧Vo1が入力される。
ソフトスタート回路56は、PNPトランジスタ78、NPNトランジスタ80、抵抗82及びコンデンサ84で構成しており、スイッチング電源装置の停止状態では起動信号E0がHレベルにあり、NPNトランジスタ80をオンすることによりコンデンサ84を放電リセットしている。スイッチング電源装置を起動すると起動信号E0がLレベルとなってNPNトランジスタ80がオフし、抵抗82を介してコンデンサ84の充電が開始され、コンデンサ84の電圧が所定の時定数で上昇する。
(コンデンサ84の電圧)+(PNPトランジスタ78のベースエミッタ間電圧)
でクランプする。コンデンサ84が抵抗82から供給される電流で充電されることで、コンデンサ84の電圧が徐々に上昇するため、クランプされているデューティ制御信号電圧VFBが徐々に上昇する。
スイッチング回路12は、スイッチング素子31〜34をフルブリッジ接続したフルブリッジコンバータで構成された非安定型コンバータである。非安定型コンバータスイッチング素子制御回路58は、非安定型コンバータのスイッチング素子31,34の組み合わせとスイッチング素子32,33の組み合わせを約50%のデューティで相補的にオンオフすることで、入力側電源回路10から入力された電圧V1を断続電圧に変換し、断続電圧をトランス36に入力することで電圧変換を行う。
同期整流回路14は、トランス36の二次巻線40,42から出力された電圧をMOS−FETを用いた同期整流素子44,46により整流し、平滑コンデンサ48により平滑する回路であり、電圧Voを出力する。ここで、出力電圧Voと入力電圧V1は、
Vo=(N2/N1)・V1
の関係を持つ。
電流検出回路62は、スイッチング回路12に流れる電流を検出する回路であり、電流情報Eiを電流方向判定回路64へ出力する。本実施形態では、入力側電源回路10とスイッチング回路12の間のマイナス側ラインに低抵抗の電流検出抵抗62aを挿入接続し、スイッチング回路12の入力側の電流を検出することで、低損失でスイッチング回路12に流れる電流を検出する。
電流方向判定回路64は、例えばオペアンプ90であり、電流検出回路62からの電流情報Eiに基づき、スイッチング回路12の入力側から出力側に電流が流れていないことを判定した場合、即ちスイッチング回路12に電流が流れていないか、或いはスイッチング回路12の出力側から入力側に逆流電流が流れて電流検出抵抗62aの両端電圧が零ボルト又はプラス電圧の場合は、オペアンプ90の出力がLレベルとなり、同期整流素子制御回路60に対する同期整流動作許可信号E1の出力を禁止し、同期整流回路14の同期整流動作を停止させる。
次に、図2に示したスイッチング電源装置の出力側に電圧V2を印可して、スイッチング電源装置を起動した際の動作を図3のタイムチャートに示す期間A〜Dに分けて説明する。
図3の期間Aは、スイッチング電源装置が起動する前の状態であり、スイッチング電源装置の出力側に、電圧V2が印可されている状態となっている。
(コンデンサ84の電圧)+(PNPトランジスタ78のベースエミッタ間電圧)
でクランプされている。以降、説明をわかりやすくするため、PNPトランジスタ78のベースエミッタ間電圧を零ボルトとして考えることとすると、コンデンサ84はNPNトランジスタ80のオンにより放電されて零ボルトとなっているため、デューティ制御信号電圧VFBも零ボルトにクランプされている。
期間Bは、スイッチング電源装置の起動によるソフトスタート動作で出力電圧Voが外部から印加された電圧V2よりも低い期間となる。
期間Cは、スイッチング電源装置のソフトスタート動作により出力電圧Voが外部から印加された電圧V2よりも高くなる期間である。
期間Dは、スイッチング電源の出力電圧Voが出力電圧設定値となる定常動作の期間となる。期間Dの始まりとなる時刻t3で、スイッチング電源装置の出力電圧Voがフィードバック制御回路50で決定される出力電圧設定値に達すると、出力電圧Voが一定になるようにフィードバック制御回路50がデューティ制御信号電圧VFBを制御する。
図4は回生機能を可能とするスイッチング電源装置の具体的な実施形態を示した回路ブロック図である。
上記の実施形態のスイッチング回路12は、フルブリッジコンバータを例にとっているが、ハーフブリッジコンバータ等を用いても良い。
12:スイッチング回路
14:同期整流回路
16:負荷
20:制御回路部
22:入力電源
24,31,32,33,34:スイッチング素子
26:整流素子
28:インダクタンス
30:出力コンデンサ
36:トランス
44,46:同期整流素子
48:平滑コンデンサ
50:フィードバック制御回路
52:安定型コンバータスイッチング素子制御回路
56:ソフトスタート回路
58:非安定型コンバータスイッチング素子制御回路
60:同期整流素子制御回路
60a:制御部
60b:ラッチ機能
62:電流検出回路
64:電流方向判定回路
70:誤差アンプ
72:基準電圧源
74:PWMコンパレータ
76:三角波発生回路
78:PNPトランジスタ
80:NPNトランジスタ
82:抵抗
84:コンデンサ
90:反転アンプ
Claims (4)
- 所定の電圧を出力する入力側電源回路と、
前記入力側電源回路から入力された電圧を断続電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路から出力された断続電圧を同期整流素子により同期整流して出力する同期整流回路と、
前記同期整流回路に設けた同期整流素子のオンオフを制御する同期整流素子制御回路と、
を設けたスイッチング電源装置に於いて、
前記スイッチング回路に流れる電流を検出して電流情報を出力する電流検出回路と、
前記電流検出回路からの前記電流情報に基づき、前記スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れたことを判定した場合に、前記同期整流素子制御回路に同期整流動作許可信号を出力して前記同期整流回路の同期整流動作を開始させる電流方向判定回路と、
を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記同期整流回路の同期整流素子は、寄生ダイオードを備えたMOS−FETを含む素子であり、
前記入力側電源回路は、装置を起動した場合に出力電圧を零電圧から所定の時定数に従って上昇させるソフトスタート回路を備え、
前記電流方向判定回路は、前記ソフトスタート回路による前記入力側電源回路の出力電圧の上昇により前記スイッチング回路の入力側から出力側に電流が流れ始めた初期のタイミングを判定して前記同期整流動作許可信号を出力して前記同期整流回路の同期整流動作を開始させることを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記入力側電源回路は、出力電圧を所定電圧に安定化して出力する安定型コンバータを備え、
前記スイッチング回路を非安定型コンバータで構成したことを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、前記同期整流素子制御回路は、前記電流方向判定回路からの同期整流動作許可信号により前記同期整流回路の同期整流動作を開始させた場合、前記同期整流動作許可信号の如何にかかわらず前記同期整流回路の同期整流動作を継続させるラッチ機能を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
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