JP2017184598A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、スイッチング電源装置の第1実施形態(=第3実施形態以降の特長を理解するための第1参考例に相当)を示すブロック図である。本実施形態のスイッチング電源装置1は、入力電圧Viを降圧して所望の出力電圧Voを生成し、これを負荷Z1に供給する非絶縁方式の降圧型DC/DCコンバータであり、コントローラIC100と、これに外付けされる種々のディスクリート部品(出力インダクタL1、整流ダイオードD1、出力キャパシタC1、並びに、分圧抵抗R1及びR2)と、を有する。
スイッチング電源装置の第2実施形態(=第3実施形態以降の特長を理解するための第2参考例に相当)を示すブロック図である。本実施形態のスイッチング電源装置1は、第1実施形態をベースとしつつ、これが定電圧電源回路ではなく定電流電源回路として動作するように、コントローラIC100に外付けされるディスクリート部品の一部に変更を加えたものである。そこで、第1実施形態と同様の構成要素については、図1と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施形態の特徴部分について重点的に説明する。
図4は、スイッチング電源装置の第3実施形態を示す回路ブロック図である。本実施形態のスイッチング電源装置1は、先に説明した第1実施形態と第2実施形態の双方をベースとしつつ、無負荷状態(または軽負荷状態)であっても出力電圧Voの過剰な上昇が生じないように、コントローラIC100に外付けされるディスクリート部品の一部に変更を加えたものである。そこで、第1実施形態及び第2実施形態と同様の構成要素については、図1及び図2と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施形態の特徴部分について重点的に説明する。
図5は、スイッチング電源装置の第4実施形態を示す回路ブロック図である。本実施形態のスイッチング電源装置1は、先出の第3実施形態をベースとしつつ、さらに、ダイオードDyが追加されている点に特徴を有する。そこで、第3実施形態と同様の構成要素については、図4と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施形態の特徴部分について重点的に説明する。
図6は、スイッチング電源装置の第5実施形態を示す回路ブロック図である。本実施形態のスイッチング電源装置1は、先出の第3実施形態をベースとしつつ、外付けのダイオードDxに代えて、これと等価のダイオード112がコントローラIC100に内蔵されている点に特徴を有する。そこで、第3実施形態と同様の構成要素については、図4と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施形態の特徴部分について重点的に説明する。
図7は、スイッチング電源装置の第6実施形態を示す回路ブロック図である。本実施形態のスイッチング電源装置1は、先出の第3実施形態をベースとしつつ、スイッチング出力部が降圧型から昇圧型に変更されている点に特徴を有する。そこで、第3実施形態と同様の構成要素については、図4と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施形態の特徴部分について重点的に説明する。
図9は、スマートフォンの外観図である。本図のスマートフォンXは、これまでに説明してきたスイッチング電源装置1と負荷Z1を有する電子機器の一例である。例えば、スマートフォンXのLEDバックライトやバッテリを負荷Z1とした場合、これらに電力供給を行う電源手段として、先述のスイッチング電源装置1を好適に用いることができる。
また、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。例えば、バイポーラトランジスタとMOS電界効果トランジスタとの相互置換や、各種信号の論理レベル反転は任意である。
図10は、絶縁型スイッチング電源装置の全体構成を示すブロック図である。本構成例の絶縁型スイッチング電源装置1aは、一次回路系1p(GND1系)と二次回路系1s(GND2系)との間を電気的に絶縁しつつ、商用交流電源PWから供給される交流電圧Vacを直流の出力電圧Voに変換して負荷Zに供給するフライバック方式の絶縁型AC/DCコンバータであり、トランス10と、コントローラIC20と、出力トランジスタ30と、センス抵抗40と、AC/DC変換部50と、電源電圧生成部60と、出力電圧生成部70と、出力帰還部80と、フォトカプラ90と、を有する。
次に、上記構成から成る絶縁型スイッチング電源装置1aの基本動作について、簡単に説明する。ゲート信号G11がハイレベルに立ち上がると、出力トランジスタ30がオンとなる。出力トランジスタ30のオン期間中には、入力電圧Viの印加端から一次巻線11、出力トランジスタ30、及び、センス抵抗40を介して接地端GND1に向けた一次電流Ipが流れるので、一次巻線11に電気エネルギが蓄えられる。
図11は、コントローラIC20の一構成例を示すブロック図である。本構成例のコントローラIC20には、電流/電圧変換回路21と、クロック信号生成回路22と、スロープ電圧生成回路23と、PWM[pulse width modulation]コンパレータ24と、論理回路25と、ゲート駆動回路26と、が集積化されている。
図12は、出力帰還部80の第1実施例を示す回路図である。本実施例の出力帰還部80は、シャントレギュレータ81と、抵抗r1〜r5と、キャパシタc1と、を含む。
図14は、出力帰還部80の第2実施例を示す回路図である。本実施例の出力帰還部80は、第1実施例をベースとしつつ、絶縁型スイッチング電源装置1aが定電圧電源回路としてだけでなく定電流電源回路としても機能するように、出力帰還部80に新規の回路要素に追加したものである。そこで、第1実施例と同様の構成要素については、図12と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施例の特徴部分について重点的に説明する。
図16は、出力帰還部80の第3実施例を示す回路図である。本実施例の出力帰還部80は、先出の第2実施例をベースとしつつ、さらに、ダイオードdyが追加されている点に特徴を有する。そこで、第2実施例と同様の構成要素については、図14と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施例の特徴部分について重点的に説明する。
図17は、バッテリ充電装置への適用例を示すブロック図である。本構成例のバッテリ充電装置BCは、商用交流電源PWから交流電圧Vac(例えばAC85V〜275V)の供給を受けて動作し、先述の絶縁型スイッチング電源装置1a(特に、出力帰還部80として第2実施例(図14)または第3実施例(図16)を採用したもの)を用いて、リチウムイオンバッテリBの充電制御(=出力電圧Vo及び出力電流Ioの供給)を行う。
図19A〜図19Cは、それぞれ、LED照明装置への適用例を示す外観図である。図19Aには、電球形LEDランプY1、環形LEDランプY2、及び、直管形LEDランプY3が示されている。また、図19Bには、LEDシーリングライトY4が示されており、図19Cには、LEDダウンライトY5が示されている。これらのLED照明装置Y1〜Y5には、商用交流電源から交流電力の供給を受けてLEDの定電流制御を行うことのできる電源手段を設けることが望ましい。このような電源手段としては、正に、これまでに説明してきた絶縁型スイッチング電源装置a1が好適であると言える。
なお、本明細書中で提案した絶縁型スイッチング電源装置1aは、上記したバッテリ充電装置Aや各種のLED照明装置Y1〜Y5にのみ適用されるものではなく、定電流制御を必要とする負荷を備えた電子機器全般に広く適用することができる。
100、200 コントローラIC
101、201 エラーアンプ
102、202 位相補償フィルタ
102a、202a 抵抗
102b、202b キャパシタ
103、203 クロック信号生成回路
104、204 スロープ電圧生成回路
105、205 PWMコンパレータ
106、206 論理回路(RSフリップフロップ)
107、207 ゲート駆動回路
108 出力トランジスタ
109 センストランジスタ
110 センス抵抗
111 センスアンプ
112 ダイオード
L1、L2 出力インダクタ
D1、D2 整流ダイオード
M1 出力トランジスタ
C1 出力キャパシタ
R1、R2 分圧抵抗(第1抵抗、第2抵抗に相当)
Rs、R3 センス抵抗
Dx、Dy ダイオード(第1ダイオード、第2ダイオードに相当)
Z1 負荷
T1〜T7 外部端子
X スマートフォン
1a 絶縁型スイッチング電源装置
1p 一次回路系(GND1系)
1s 二次回路系(GND2系)
10 トランス
11 一次巻線
12 二次巻線
13 補助巻線
20 コントローラIC
21 電流/電圧変換回路
22 クロック信号生成回路
23 スロープ電圧生成回路
24 PWMコンパレータ
25 論理回路(RSフリップフロップ)
26 ゲート駆動回路
30 出力トランジスタ(Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ)
40 センス抵抗
50 AC/DC変換部
51 コモンモードフィルタ
52 ダイオードブリッジ
53、54 キャパシタ
60 電源電圧生成部
61 ダイオード
62 キャパシタ
70 出力電圧生成部
71 ダイオード
72 キャパシタ
80 出力帰還部
81 シャントレギュレータ
81a オペアンプ
81b npn型バイポーラトランジスタ
81c ダイオード
81d 電圧源
82 定電圧生成回路(3端子レギュレータ)
83 増幅回路
84 分圧回路
90 フォトカプラ
91 発光ダイオード
92 フォトトランジスタ
PW 商用交流電源
Z 負荷
T11〜T15 外部端子
r1〜r5、R11〜R14 抵抗
Ra、Rb 可変抵抗
rs センス抵抗
A1 オペアンプ
c1 キャパシタ
dx、dy ダイオード
BC バッテリ充電装置
B リチウムイオンバッテリ
B1〜B4 バッテリセル
Y1 電球形LEDランプ
Y2 環形LEDランプ
Y3 直管形LEDランプ
Y4 LEDシーリングライト
Y5 LEDダウンライト
Claims (19)
- 入力電圧から出力電圧を生成して負荷に供給するスイッチング出力部と、
その出力帰還端子に印加される帰還電圧と所定の基準電圧とが一致するように前記スイッチング出力部を制御するコントローラICと、
前記出力電圧の出力端と前記出力帰還端子との間に接続された第1抵抗と、
前記出力帰還端子と接地端との間に接続された第2抵抗と、
前記負荷と接地端との間に流れる出力電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、
アノードが前記センス電圧の印加端に接続されてカソードが前記出力帰還端子に接続された第1ダイオードと、
を有することを特徴とするスイッチング電源装置。 - アノードが前記第1抵抗と前記第2抵抗との接続ノードに接続されてカソードが前記出力帰還端子に接続された第2ダイオードをさらに有することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記第1ダイオードは、前記コントローラICに内蔵されており、前記コントローラICは、前記第1ダイオードのアノードに接続された外部端子を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスイッチング電源装置。
- 前記スイッチング出力部は、降圧型、昇圧型、または、昇降圧型であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
- 前記コントローラICは、PWM[pulse width modulation]駆動方式、または、PFM[pulse frequency modulation]駆動方式により、前記スイッチング出力部の出力帰還制御を行うことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
- 前記コントローラICは、電圧モード制御または電流モード制御により、前記スイッチング出力部の出力帰還制御を行うことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置と、
前記スイッチング電源装置から電力供給を受ける負荷と、
を有することを特徴とする電子機器。 - 前記負荷は、電流駆動型発光素子であることを特徴とする請求項7に記載の電子機器。
- 前記負荷は、バッテリであることを特徴とする請求項7に記載の電子機器。
- 一次回路系と二次回路系との間を電気的に絶縁しつつ、前記一次回路系からの電力供給を受けて前記二次回路系に設けられた負荷に出力電圧及び出力電流を供給するスイッチング出力部と;
前記二次回路系に設けられており、前記出力電圧と前記出力電流に応じた二次側帰還電流を生成する出力帰還部と;
前記二次回路系に設けられた発光素子を用いて前記二次側帰還電流を光信号に変換するとともに、前記一次回路系に設けられた受光素子を用いて前記光信号を一次側帰還電流に変換するフォトカプラと;
前記一次回路系に設けられており、その出力帰還端子に流れる前記一次側帰還電流に基づいて前記スイッチング出力部を制御するコントローラICと;
を有し、
前記出力帰還部は、
その制御端子に印加される制御電圧に応じて前記二次側帰還電流を制御するシャントレギュレータと、
前記出力電圧の出力端と前記制御端子との間に接続された第1抵抗と、
前記制御端子と接地端との間に接続された第2抵抗と、
前記出力電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、
アノードが前記センス電圧またはこれに応じた電圧の印加端に接続されてカソードが前記制御端子に接続された第1ダイオードと、
を含むことを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記出力帰還部は、前記センス電圧を増幅して増幅センス電圧を生成する増幅回路をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載のスイッチング電源装置。
- 前記出力帰還部は、前記増幅センス電圧を任意の分圧比で分圧して分圧センス電圧を生成する分圧回路を更に含むことを特徴とする請求項11に記載のスイッチング電源装置。
- 前記出力帰還部は、アノードが前記第1抵抗と前記第2抵抗との接続ノードに接続されてカソードが前記制御端子に接続された第2ダイオードをさらに含むことを特徴とする請求項10〜請求項12のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
- 前記スイッチング出力部は、フライバック型、または、フォワード型であることを特徴とする請求項10〜請求項13のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
- 前記コントローラICは、PWM[pulse width modulation]駆動方式、または、PFM[pulse frequency modulation]駆動方式により、前記スイッチング出力部の出力帰還制御を行うことを特徴とする請求項10〜請求項14のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
- 前記コントローラICは、電圧モード制御または電流モード制御により、前記スイッチング出力部の出力帰還制御を行うことを特徴とする請求項10〜請求項15のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
- 交流電圧から直流電圧を生成して前記スイッチング出力部に供給するAC/DC変換部をさらに有することを特徴とする請求項10〜請求項16のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
- 請求項10〜請求項17のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置を用いてバッテリの充電制御を行うことを特徴とするバッテリ充電装置。
- 請求項10〜請求項17のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置と、
前記スイッチング電源装置からの電力供給を受けて発光する電流駆動型発光素子と、
を有することを特徴とする照明装置。
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