JP2019176612A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】軽負荷検出回路を用いることなく、過電圧検出レベルを適切に変更してスイッチング電源の過電圧保護を可能とする。【解決手段】スイッチング電源１は、スイッチング素子１３に入力されるパルスのデューティ比を用いてトランス１１の二次側の出力電圧が目標電圧となるスイッチング制御を行うスイッチング制御部２１と、補助巻線Ｌ３に誘起される交流電圧を整流および平滑し直流電圧として出力する電圧発生回路２２と、直流電圧が所定電圧を超える場合、過電圧であることを示す信号をスイッチング制御部２１に入力する過電圧保護回路２３と、を備える。スイッチング制御部２１は、過電圧保護回路２３の所定電圧が第１電圧であるときにパルスのデューティ比が第１の変位をした際に第１所定期間中、過電圧であることを示す信号が入力されない場合、過電圧保護回路２３の所定電圧を第１電圧から第２電圧に切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、トランスの一次コイルに接続されたスイッチング素子に対し、スイッチング制御を行うスイッチング電源に関する。

従来、トランスの一次巻線に接続されたスイッチング素子を備え、スイッチング素子のスイッチング動作によってトランスの二次巻線に誘起される交流電圧を直流電圧に変換し、一定の出力電圧に保つスイッチング電源がある。
そのスイッチング電源では、トランスの二次側の出力電圧に対応する一次側の補助巻線の電圧が過電圧検出レベルを超えると、スイッチング素子へのスイッチング制御が停止され、二次側の過電圧に対する保護が図られる。

ここで、スイッチング電源が一定の出力電圧を二次側へ出力する際、出力先の負荷の違い、例えば、画像形成部の使用の有無などによって負荷の違いが生じる。一定負荷の場合と軽負荷の場合とでは、トランスの二次コイルと上記補助巻線との結合係数が変わる。この結果、軽負荷時の補助巻線の電圧は、一定負荷時の補助巻線の電圧より低くなる。

特許文献１に記載のスイッチング電源では、軽負荷検出回路を用いて軽負荷であるか否かを検出した後、軽負荷である場合にはスイッチング素子を間欠発振動作させる制御に切り替えたうえで過電圧検出レベルを変更する技術が開示されている。

特開２００６−１０９５８１号公報

しかし、上記特許文献１のスイッチング電源は、過電圧検出レベルを変更するために、軽負荷検出回路が別途必要となるという問題があった。

本発明の目的は、軽負荷検出回路を用いることなく、過電圧検出レベルを適切に変更してスイッチング電源の過電圧保護が可能となるスイッチング電源を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明は、負荷部と、前記負荷部に二次側の出力電圧を出力するトランスと、前記トランスの一次コイルに接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に入力されるパルスのデューティ比を用いて前記トランスの二次側の出力電圧が目標電圧となるスイッチング制御を行うスイッチング制御部と、前記トランスの一次側に設けられた補助巻線に誘起される交流電圧を整流および平滑し、直流電圧として出力する電圧発生回路部と、前記直流電圧が所定電圧を超える場合、過電圧であることを示す信号を前記スイッチング制御部に入力する過電圧保護回路部と、を備え、前記スイッチング制御部は、前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を第１電圧、又は第２電圧に切替可能であって、前記過電圧であることを示す信号が入力されるときに前記スイッチング制御を停止させ、前記過電圧保護回路部の前記所定電圧が前記第１電圧であるときに前記パルスのデューティ比が第１所定範囲から前記第１所定範囲外である第２所定範囲への変位である第１の変位をした際に、前記第１の変位後の第１所定期間中、前記過電圧であることを示す信号が入力されない場合、前記第１所定期間経過後、前記過電圧保護回路部の前
記所定電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に切り替える、ことを特徴とする。

スイッチング制御部は、過電圧であることを示す信号が入力されるときスイッチング素子に対するスイッチング制御を停止させる。そしてスイッチング制御部は、過電圧保護回路部の所定電圧を第１電圧、又は第２電圧に切替可能である。
スイッチング制御部は、例えば、パルスのデューティ比が第１所定範囲であれば軽負荷といったように、パルスのデューティ比を用いて、スイッチング制御部は負荷部が軽負荷であることは判別することができる。

しかし、パルスのデューティ比が第１所定範囲外である第２所定範囲に変位した場合、負荷部が軽負荷においてトランスの二次側の出力電圧が過電圧状態になったのか、それとも、負荷部が一定負荷に切り替わっただけなのか、いずれの場合なのかについてスイッチング制御部は、パルスのデューティ比だけでは判別することができない。

そこで、本発明の構成では、前記パルスのデューティ比が第１所定範囲から前記第１所定範囲外である第２所定範囲へ変位した場合、直ちに過電圧保護回路部の所定電圧を第１電圧から第２電圧へ切り替えるのではなく、スイッチング制御部が、第１所定範囲から前記第１所定範囲外である第２所定範囲へ変位した時点から第１所定期間の間に過電圧であることを示す信号が入力されたかどうかを検出する。

スイッチング制御部は、その変位の時点から第１所定期間の間に過電圧であることを示す信号が入力された場合、負荷部が軽負荷の状態にてトランスの二次側の出力電圧が過電圧状態となったことによるパルスのデューティ比の変動であることがわかる。
他方、スイッチング制御部は、その変位の時点から第１所定期間経過しても過電圧であることを示す信号が入力されない場合、負荷部が軽負荷の状態から一定負荷に変化したことがわかるため、その後、過電圧保護回路部の前記所定電圧を第１電圧から第２電圧に切り替える。

本構成のスイッチング電源は、従来のスイッチング電源と異なり、過電圧検出レベルを適切に変更してスイッチング電源の過電圧保護が可能となる。

本発明によれば、過電圧検出レベルを適切に変更してスイッチング電源の過電圧保護を行うことができる。

本発明の一実施形態に係るスイッチング電源の回路図である。 一定負荷時および軽負荷時における、トランスの二次側の出力電圧及び補助巻線に誘起される電圧の挙動の一例を表すグラフである。 負荷が変動するときにおけるスイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比の挙動の一例を表すグラフである。 一定負荷時および軽負荷時における、ツェナーダイオードによるツェナー電圧の切り替え態様を説明するためのグラフである。 軽負荷時において、定常状態および過電圧発生後における、スイッチング素子のスイッチング動作のデューティ比の挙動の一例を表すグラフである。 スイッチング制御部によって実行される制御手順の前半部分を表すフローチャートである。 スイッチング制御部によって実行される制御手順の後半部分を表すフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜実施形態の回路概要＞
本発明の一実施形態に係るスイッチング電源の回路構成を図１に示す。図１において、このスイッチング電源１は、商用交流電源ＡＣから一対の給電線ＰＳ１，ＰＳ２を介して供給される交流電圧を直流電圧に変換するものであり、たとえば、プリンタなどの電子機器に搭載される。スイッチング電源１は、トランス１１を備えており、このトランス１１を境に、一次巻線Ｌ１が設けられる図示左側の一次側と二次巻線Ｌ２が設けられる図示右側の二次側とに分かれている。また、トランス１１には、補助巻線Ｌ３が一次側に設けられている。一次巻線Ｌ１が一次コイルの一例である。

＜一次側の構成その１＞
スイッチング電源１は、トランス１１の一次側に、一次側整流平滑回路１２およびスイッチング素子１３を備えている。

＜一次側整流平滑回路＞
一次側整流平滑回路１２には、ダイオードブリッジ１４および平滑コンデンサＣ１が含まれる。

ダイオードブリッジ１４は、４個のダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４をブリッジ接続した構成の回路である。具体的には、ダイオードブリッジ１４では、２個のダイオードＤ１，Ｄ２の直列回路と残りの２個のダイオードＤ３，Ｄ４の直列回路とが並列に接続されている。一方の直列回路におけるダイオードＤ１，Ｄ２の接続点および他方の直列回路におけるダイオードＤ３，Ｄ４の接続点には、それぞれ給電線ＰＳ１，ＰＳ２が接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２の直列回路とダイオードＤ３，Ｄ４の直列回路との一方の接続点は、配線Ｗ１を介してトランス１１の一次巻線Ｌ１の図示上端である一端に接続され、他方の接続点は、一次側のグランドラインＧ３に接続されている。

平滑コンデンサＣ１の一方の電極は、配線Ｗ１に接続され、他方の電極は、グランドラインＧ３に接続されている。

商用交流電源ＡＣから供給される交流電圧は、ダイオードブリッジ１４により全波整流され、その全波整流後の電圧が平滑コンデンサＣ１で平滑化されることにより、配線Ｗ１とグランドラインＧ３との間に直流電圧が発生する。

＜スイッチング素子＞
スイッチング素子１３は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳ）からなり、そのドレイン端子が配線Ｗ２を介して一次巻線Ｌ１の図示下端である他端に接続されている。スイッチング素子１３のソース端子は、抵抗Ｒ１を介してグランドラインＧ３に接続されている。スイッチング素子１３は、ゲート端子に入力される電圧により、スイッチング動作（オン／オフ）する。

スイッチング素子１３がオンにされると、トランス１１の一次巻線Ｌ１に電流が流れ、一次巻線Ｌ１にエネルギーが蓄積される。その後、スイッチング素子１３がオフにされると、一次巻線Ｌ１に蓄積されたエネルギーが開放されて、一次巻線Ｌ１に起電力が生じ、トランス１１の二次巻線Ｌ２に一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２との巻数比に応じた二次電圧が発生する。スイッチング素子１３のオン／オフが繰り返されることにより、二次電圧がパルス的に発生する。

＜二次側の構成＞
スイッチング電源１は、トランス１１の二次側に、二次側整流平滑回路１５および定電圧回路１６を備えている。

＜二次側整流平滑回路＞
二次側整流平滑回路１５は、整流ダイオードＤ５および平滑コンデンサＣ２を含む。トランス１１の二次巻線Ｌ２の図示上端である一端は、配線Ｗ３を介して出力端子に接続され、その他端は、図示「０Ｖ」で表記する二次側のグランドラインＧ２に接続されている。整流ダイオードＤ５は、アノードを二次巻線Ｌ２側に向けて、配線Ｗ３の途中部に介装されている。平滑コンデンサＣ２の一方の電極は、整流ダイオードＤ５のカソード側で配線Ｗ３に接続され、他方の電極は、グランドラインＧ２に接続されている。二次巻線Ｌ２にパルス的に発生する二次電圧は、二次側整流平滑回路１５により整流および平滑化されて、直流電圧に変換される。

＜定電圧回路＞
定電圧回路１６は、シャントレギュレータＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）１７、抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４およびフォトカプラＰＣを含む。抵抗Ｒ２，Ｒ３は、直列に接続されている。抵抗Ｒ２，Ｒ３の直列回路の一端は、配線Ｗ３に接続され、他端は、グランドラインＧ２に接続されている。シャントレギュレータＩＣ１７には予め基準電圧が設定され、出力端子から出力される電圧が分圧された電圧であって抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との接続点である電圧がフィードバック電圧として入力される。フォトカプラＰＣの発光ダイオードＰＤは、アノードが抵抗Ｒ４を介して配線Ｗ３に接続され、カソードがシャントレギュレータＩＣ１７に接続されている。この構成により、一定の電圧（Ｏｕｔｐｕｔ）が出力端子から出力され、出力端子に接続された負荷部９０へと出力される。また、フィードバック電圧が基準電圧を超えると、フォトカプラＰＣの発光ダイオードＰＤが発光する。

＜一次側の構成その２＞
スイッチング電源１は、トランス１１の一次側に、スイッチング制御部２１を備えている。スイッチング制御部２１は、ＣＰＵなどを内蔵するＩＣからなり、第１端子ＦＢ、第２端子ＯＵＴ、第３端子ＶＣＣ、および第４端子ＳＷを有している。

フォトカプラＰＣの受光側のフォトトランジスタＰＴは、抵抗Ｒ５を介して、第１端子ＦＢに接続されている。これにより、二次側のフィードバック電圧が基準電圧を超えて、フォトカプラＰＣの発光ダイオードＰＤが発光すると、フォトトランジスタＰＴが導通し、第１端子ＦＢに電圧が入力される。二次側のフィードバック電圧と基準電圧との電位差に応じて、発光ダイオードＰＤに流れる電流が増減するので、発光ダイオードＰＤの発光量が増減する。発光量の増減に応じて、フォトトランジスタＰＴを流れる電流が変化するので、第１端子ＦＢに入力される電圧が変化する。

スイッチング制御部２１の第２端子ＯＵＴは、抵抗Ｒ６を介して、スイッチング素子１３のゲート端子に接続されている。スイッチング制御部２１は、二次側のフィードバック電圧に応じて変化する第１端子ＦＢの入力電圧に基づいて、スイッチング素子１３のスイッチング動作のデューティ比を制御する。これにより、二次側のフィードバック電圧が、目標電圧としての一定値に保たれる。

＜一次側の構成その３＞
さらに、スイッチング電源１は、トランス１１の一次側に、電圧発生回路２２および過電圧保護回路２３を備えている。電圧発生回路２２は、電圧発生回路部の一例であり、過電圧保護回路２３は、過電圧保護回路部の一例である。

＜電圧発生回路＞
電圧発生回路２２は、整流ダイオードＤ６、抵抗Ｒ７および平滑コンデンサＣ３を含む。補助巻線Ｌ３の図示上端である一端には、出力線の一例としての配線Ｗ４が接続されている。整流ダイオードＤ６は、アノードを補助巻線Ｌ３側に向けて、配線Ｗ４の途中に介装される。抵抗Ｒ７は、整流ダイオードＤ６のアノードと補助巻線Ｌ３の一端との間に介装されている。平滑コンデンサＣ３の一方の電極は、整流ダイオードＤ６のカソード側で配線Ｗ４に接続され、他方の電極は、一次側のグランドラインＧ１に接続される。二次巻線Ｌ２に二次電圧がパルス的に発生すると、補助巻線Ｌ３に交流電圧がパルス的に発生する。その補助巻線Ｌ３に発生する交流電圧は、整流ダイオードＤ６により交流電圧の正又は負のいずれかである一方の電圧が出力され、さらにその正又は負のいずれかである一方の電圧が平滑コンデンサＣ３により平滑化され、直流電圧として出力される。なお、整流ダイオードＤ６が整流回路の一例に相当し、平滑コンデンサＣ３が平滑回路の一例に相当している。

＜過電圧保護回路＞
過電圧保護回路２３は、ＮＰＮトランジスタＴｒ１および３個のツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２，ＺＤ３を含む。ＮＰＮトランジスタＴｒ１のコレクタは、配線Ｗ４に接続されている。ＮＰＮトランジスタＴｒ１のエミッタは、スイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに接続されている。ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２は、直列に接続されて、一方のツェナーダイオードＺＤ２のカソードがＮＰＮトランジスタＴｒ１のコレクタに接続され、他方のツェナーダイオードＺＤ１のアノードがＮＰＮトランジスタＴｒ１のエミッタに接続されている。ツェナーダイオードＺＤ３のカソードは、ＮＰＮトランジスタＴｒ１のベースに接続され、ツェナーダイオードＺＤ３のアノードは、グランドラインＧ１に接続されている。また、ＮＰＮトランジスタＴｒ１のコレクタとツェナーダイオードＺＤ３のカソードとの間には、抵抗Ｒｃが介在されている。

＜スイッチング電源の基本動作＞
上記構成において、トランス１１の出力端子から出力される電圧が定常状態の正常電圧であるときには、配線Ｗ４の直流電圧によりツェナーダイオードＺＤ３および抵抗Ｒｃに電流が流れ、スイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに、ツェナーダイオードＺＤ３の降伏電圧からＮＰＮトランジスタＴｒ１のベース−エミッタ間電圧だけ低下した定電圧が、駆動電圧として入力される。

たとえば、スイッチング電源１にフォトカプラＰＣの故障を含む回路故障などの異常が発生し、スイッチング制御部２１によるスイッチング素子１３のスイッチング動作の正常な制御が不能になり、スイッチング素子１３が最大デューティ比でスイッチング動作すると、出力端子から出力される電圧が上昇し始め、これに伴って、補助巻線Ｌ３に誘起される電圧が上昇し、配線Ｗ４の直流電圧が上昇し始める。配線Ｗ４の直流電圧の上昇により、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２が導通すると、スイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに、配線Ｗ４の直流電圧からツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の降伏電圧を差し引いた分の電圧が入力される。第３端子ＶＣＣに入力される信号の電圧が、過電圧と識別される所定電圧値を超えたことに応じて、スイッチング制御部２１は、過電圧保護機能を作動させ、スイッチング素子１３のスイッチング動作を停止して、出力端子から出力される電圧を低下させる。以上の結果、補助巻線Ｌ３に誘起される電圧が過電圧検出レベルを超えると、スイッチング素子１３のスイッチング動作が停止され、二次側の過電圧に対する保護が図られる。

＜二次コイルと補助巻線との結合率低下による保護遅れ＞
ところで、上記のようにしてスイッチング電源１が一定の出力電圧を二次側へ出力する
際、出力先である負荷部９０における負荷の違い、例えばプリンタにおける画像形成部を使用するかしないか、等によって負荷の大小が生じる。そして、一定負荷の場合と軽負荷の場合とでは、トランス１１の二次巻線Ｌ２と補助巻線Ｌ３との結合率が変わる。すなわち、一般に、トランス１１の二次巻線Ｌ２と補助巻線Ｌ３との結合率は、トランス１１の二次側に加わる負荷が小さいと低くなる。このため、軽負荷の場合には、前述のようにトランス１１の出力端子から出力される電圧が増大しても補助巻線Ｌ３に誘起される交流電圧が低くなる結果、スイッチング電源１のスイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに入力される電圧が、過電圧と識別される所定電圧値に到達するまでに時間がかかる。このため、一定負荷の場合に比べて、前述したスイッチング素子１３のスイッチング動作の停止をなかなか実行できず、二次側の出力電圧が過電圧に到達して保護機能の実行が遅れるおそれがある。

例えば図２（ａ）に示す例では、一点鎖線で示す一定負荷時においては、時間ｔ０で回路故障等の異常が発生して二次側の出力端子から出力される電圧が約２５［Ｖ］から上昇を開始したのに伴い、補助巻線Ｌ３に誘起される電圧が約８０［Ｖ］から上昇を開始する。そして、その後の時間ｔ２において補助巻線Ｌ３に誘起される電圧が、約１００［Ｖ］に設定された過電圧保護動作電圧Ｖｐに達すると、スイッチング素子１３のスイッチング動作が停止されることで二次側の出力端子から出力される電圧は約３５［Ｖ］に設定された危険電圧Ｖｄに達することなく低下する。この結果、二次側の過電圧に対する保護が図られる。

これに対し、実線で示す負荷時においては、時間ｔ０で回路故障等の異常が発生して二次側の出力端子から出力される電圧が約２５［Ｖ］から上昇を開始したとき、補助巻線Ｌ３に誘起される電圧は一定負荷時よりも低い約７０［Ｖ］から上昇を開始する。そして、補助巻線Ｌ３に誘起される電圧は、時間ｔ２よりも遅い時間ｔ１においてようやく過電圧保護動作電圧Ｖｐに達しスイッチング素子１３のスイッチング動作が停止される。そのため、その時間ｔ１のタイミングでは、二次側の出力端子から出力される電圧は危険電圧Ｖｄを超過してしまい、二次側の過電圧に対する十分な保護を図ることができなくなる。

＜軽負荷時の保護機能作動タイミングの早期化＞
そこで、上記に対応し、本実施形態のスイッチング電源１では、軽負荷時においては、配線Ｗ４の直流電圧の上昇により導通させるツェナーダイオードを、２つのツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２に代えて１つのツェナーダイオードＺＤ２のみとし、第３端子ＶＣＣに配線Ｗ４の直流電圧からツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧を差し引いた分の電圧を入力するようにすることで、過電圧保護機能の作動タイミングを早める。

その際の、一定負荷であるか軽負荷であるかの見極めには、前述のスイッチング素子１３のスイッチング動作のデューティ比を用いることができる。すなわち、例えば図３に示すように、負荷が大きい場合には、スイッチング制御部２１の第２端子ＯＵＴからの制御信号によるスイッチング素子１３のスイッチング動作のデューティ比が大きくなるとともに二次側の出力電流の値も大きくなり、負荷が小さい場合には、スイッチング制御部２１の第２端子ＯＵＴからの制御信号によるスイッチング素子１３のスイッチング動作のデューティ比が小さくなるとともに二次側の出力電流の値も小さくなる。

そこで、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、スイッチング素子１３のスイッチング動作のデューティ比が大きくなる一定負荷のときには、２つのツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２によってそれら全体の降伏電圧であるツェナー電圧を高い値に維持することで、過電圧保護機能の作動タイミングを通常通りとする。その一方、図４（ｂ）に示すように、スイッチング素子１３のスイッチング動作のデューティ比が小さくなる軽負荷のときには、ツェナーダイオードＺＤ１のアノード側とカソード側とを導通させることで、残
りの１つのツェナーダイオードＺＤ２のみの降伏電圧となるツェナー電圧を低い値に下げ、過電圧保護機能の作動タイミングを早めることができる。

＜ＮＰＮトランジスタの追設＞
過電圧保護機能の作動タイミングの早期化のために、本実施形態では、図１に示すように、トランス１１の一次側に、さらに、ＮＰＮトランジスタＴｒ２が設けられる。ＮＰＮトランジスタＴｒ２のコレクタは、２個のツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の接続点、すなわちツェナーダイオードＺＤ１のカソード側でかつツェナーダイオードＺＤ２のアノード側に接続されている。ＮＰＮトランジスタＴｒ２のエミッタは、スイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに接続されている。ＮＰＮトランジスタＴｒ２のベースは、スイッチング制御部２１の第４端子ＳＷに接続されている。なお、ＮＰＮトランジスタＴｒ２が導通部の一例に相当している。

スイッチング制御部２１は、第４端子ＳＷから、ツェナーダイオードＺＤ１のアノード側とカソード側とを導通させるか否かを示す信号をＮＰＮトランジスタＴｒ２のベースへと出力する。

第４端子ＳＷからの信号がツェナーダイオードＺＤ１のアノード側とカソード側とを導通させることを示す場合は、ＮＰＮトランジスタＴｒ２がオンになる。ＮＰＮトランジスタＴｒ２がオンすると、配線Ｗ４からツェナーダイオードＺＤ２を介した電流が、ツェナーダイオードＺＤ１を介すことなく短絡してＮＰＮトランジスタＴｒ２のコレクタから流入し、ＮＰＮトランジスタＴｒ２のエミッタからスイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣへと出力される。この場合、ツェナー電圧を低い値に下げることができる。すなわち、上昇した配線Ｗ４の直流電圧が１つのツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧を超えたときに、対応する信号がスイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに入力され、スイッチング制御部２１は過電圧保護機能を作動させる。なお、このときのツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧が第１電圧の一例に相当している。

第４端子ＳＷからの信号がツェナーダイオードＺＤ１のアノード側とカソード側とを導通させることを示さない場合は、ＮＰＮトランジスタＴｒ２はオフ状態のままになる。ＮＰＮトランジスタＴｒ２がオフの場合、配線Ｗ４からツェナーダイオードＺＤ２を介した電流は、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２を介してスイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣへと出力される。この場合、ツェナー電圧は高い値に維持される。すなわち、上昇した配線Ｗ４の直流電圧が２つのツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の降伏電圧を超えたときに、対応する信号がスイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに入力され、スイッチング制御部２１は過電圧保護機能を作動させる。なお、このときのツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧が第２電圧の一例に相当している。

なお、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の２つだけでなくツェナーダイオードを３つ以上設けてもよい。その場合、前述のようにツェナーダイオードＺＤ１のみのアノード側とカソード側とを導通させるのではなく、それら３つ以上のツェナーダイオードのうち一部を除く、少なくとも１つのツェナーダイオード全体のアノード側とカソード側とを導通させることで、上記同様の作動を行うことができる。

＜過電圧発生時のデューティ比挙動の特殊性＞
しかしながら、過電圧が発生した時は、負荷の大小にかかわらずスイッチング動作のデューティ比が増大する。そのため、デューティ比の大小だけでは、一定負荷なのか軽負荷なのかを正確に識別することはできない。例えば図５は、軽負荷の場合を示しているが、図示左側の定常状態においてはスイッチング素子１３のスイッチング動作のデューティ比は小さく、回路故障などの異常により過電圧が発生すると図示右側に示すようにスイッチ
ング素子１３のスイッチング動作のデューティ比が大きくなる。したがって、スイッチング動作のデューティ比が大きくなった場合であっても、負荷部９０が一定負荷の状態となったからであるのか、負荷部９０が軽負荷である状態で二次側が過電圧状態となったからであるのか、はそれだけでは判別できない。

＜本実施形態の手法の概要＞
そこで、本実施形態では、まず、ＮＰＮトランジスタＴｒ２をオンにしてツェナーダイオードＺＤ１のアノード側とカソード側とを導通させてツェナー電圧を低下させた状態とする。図２（ａ）に対応する図２（ｂ）に示すように、この低下したツェナー電圧に対応する、軽負荷用の過電圧保護動作電圧Ｖｌが約９０［Ｖ］に設定されている。

そして、例えば時間ｔ０でスイッチング動作のデューティ比が大きくなったときに、直ちにそのタイミングでＮＰＮトランジスタＴｒ２をオフにしてツェナー電圧を上昇させて高い値とするのではなく、時間ｔ０より後の時間ｔ３までの間に、配線Ｗ４の直流電圧がツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧を超えてスイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに入力されたかどうかを検出する。このことは、言い替えれば、補助巻線Ｌ３に誘起される電圧が、軽負荷用の過電圧保護動作電圧Ｖｌに達したか否か、を検出することになる。なお、このときの時間ｔ３は、予め、軽負荷の状態で過電圧が生じた場合に、補助巻線Ｌ３の電圧が過電圧保護動作電圧Ｖｌに達するのに必要な時間以上の長さに決められている。これにより、時間ｔ０から時間ｔ３までの間に第３端子ＶＣＣへの過電圧であることを示す信号入力がなされた場合には、デューティ比が大きくなった原因が、スイッチング制御部２１は、負荷部９０が軽負荷の状態にてトランス１１の二次側の出力電圧が過電圧状態になったからであることがわかる。したがって、ＮＰＮトランジスタＴｒ２をオンのままとすることでツェナー電圧は、低い値のまま維持される。この結果、補助巻線Ｌ３に誘起される電圧が軽負荷用の過電圧保護動作電圧Ｖｌに達したことでスイッチング素子１３のスイッチング動作が停止されるので、図２（ｂ）の実線で示すように、二次側の出力端子から出力される電圧は危険電圧Ｖｄに達することなく低下する。この結果、二次側の過電圧に対する保護が図られる。

一方、スイッチング制御部２１は、時間ｔ０から時間ｔ３までの間に過電圧であることを示す第３端子ＶＣＣへの信号入力がなされない場合には、デューティ比が大きくなった原因が、負荷部９０が軽負荷の状態から一定負荷に変化したからであることがわかる。したがって、その後、ＮＰＮトランジスタＴｒ２をオフにしてツェナー電圧を上昇させて、ツェナー電圧が高い値に維持される。そしてその後、前述の図２（ａ）と同様、時間ｔ２において、図２（ｂ）の一点鎖線で示すように、配線Ｗ４の直流電圧がツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の降伏電圧を超えてスイッチング制御部２１の第３端子ＶＣＣに入力される。言い替えれば、補助巻線Ｌ３に誘起される電圧が、一定負荷用の過電圧保護動作電圧Ｖｃに達する。なお、この過電圧保護動作電圧Ｖｃは、図２（ａ）に示した過電圧保護動作電圧Ｖｐと同様、例えば約１００［Ｖ］に設定されている。補助巻線Ｌ３に誘起される電圧が一定負荷用の過電圧保護動作電圧Ｖｃに達したことでスイッチング素子１３のスイッチング動作が停止されるので、図示のように二次側の出力端子から出力される電圧は危険電圧Ｖｄに達することなく低下し、二次側の過電圧に対する保護が図られる。

＜制御手順＞
上述の手法を実現するために、スイッチング制御部２１によって実行される制御手順を、図６及び図７のフローチャートにより説明する。

図６において、まずステップＳ５で、スイッチング制御部２１は、予め定められている適宜の初期動作を行う。

その後、ステップＳ１０で、スイッチング制御部２１は、デューティ比の計測を開始する。この例では、デューティ比として、例えば、信号のパルスがＨｉｇｈである状態とＬｏｗである状態との比であるオンデューティ比が計測される。

そして、ステップＳ１５で、スイッチング制御部２１は、ＮＰＮトランジスタＴｒ２のベースに対し、オン状態とするための信号を出力する。これにより、前述のツェナー電圧は、ツェナーダイオードＺＤ２のみによる、軽負荷用の低い電圧にされる。その後、ステップＳ２０に移る。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０での計測開始後に計測されさているデューティ比が、閾値として予め定められた所定値より大きいか否かを決定する。所定値よりも大きければ条件が満たされ（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、後述のステップＳ３０に移行し、所定値以下であれば条件が満たされず（Ｓ２０：Ｎｏ）、ステップＳ２５に移行する。なお、この所定値以下の範囲が第１所定範囲の一例に相当し、所定値より大きな範囲が第２所定範囲の一例に相当する。また、ステップＳ２０の条件が満たされる状態が、デューティ比が第１の変位をしたことの一例に相当する。

ステップＳ２５では、スイッチング制御部２１は、第３端子ＶＣＣに対し、図２（ｂ）に示す軽負荷用の過電圧保護動作電圧Ｖｌに対応する電圧、言い換えれば軽負荷時における過電圧検出値が入力されたか否かを決定する。なお、この軽負荷時における過電圧検出値を、以下適宜、「第１過電圧検出値」と称し、図６においても同様に示す。第１過電圧検出値が入力されていれば条件が満たされ（Ｓ２５：Ｙｅｓ）、後述のステップＳ５０に移る。第１過電圧検出値が入力されていなければ条件が満たされず（Ｓ２５：Ｎｏ）、前述のステップＳ２０に戻って同様の手順を繰り返す。

一方、ステップＳ３０では、スイッチング制御部２１は、例えば図示しないタイマーを用いることで、これ以降の経過時間の計測を開始する。その後、ステップＳ３５に移る。

ステップＳ３５では、スイッチング制御部２１は、ステップＳ２５と同様、第３端子ＶＣＣに対し、第１過電圧検出値が入力されたか否かを決定する。第１過電圧検出値が入力されていなければ条件が満たされず（Ｓ３５：Ｎｏ）、後述のステップＳ４０に移る。第１過電圧検出値が入力されていれば条件が満たされ（Ｓ３５：Ｙｅｓ）、ステップＳ５０に移行する。

ステップＳ５０では、スイッチング制御部２１は、スイッチング素子１３に対し、発振停止を指示する。その後、このフローを終了する。

一方ステップＳ４０では、スイッチング制御部２１は、ステップＳ２０と同様、計測されているデューティ比が所定値より大きいか否かを決定する。所定値よりも大きければ条件が満たされ（Ｓ４０：Ｙｅｓ）、後述のステップＳ４５に移行し、所定値以下であれば条件が満たされず（Ｓ４０：Ｎｏ）、前述のステップＳ２０に戻って同様の手順を繰り返す。

ステップＳ４５では、スイッチング制御部２１は、ステップＳ３０での計測開始後に計測されている経過時間が、予め定められた所定期間を経過したか否か、を決定する。この所定期間は、図２（ｂ）に示した時間ｔ０から時間ｔ３までの間に相当する時間であり、第１所定期間の一例に相当する。なお、この所定期間を、以下適宜、単に「第１所定期間」と称し、図６においても同様に示す。第１所定期間が経過していなければ条件が満たされず（Ｓ４５：Ｎｏ）、前述のステップＳ３５に戻って同様の手順を繰り返す。第１所定期間が経過していれば条件が満たされ、図７のステップＳ５５に移る。

図７において、ステップＳ５５では、スイッチング制御部２１は、ＮＰＮトランジスタＴｒ２のベースに対し、オフ状態とするための信号を出力する。これにより、前述のツェナー電圧は、２つのツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２による、一定負荷用の高い電圧にされる。その後、ステップＳ６０に移る。

ステップＳ６０では、スイッチング制御部２１は、ステップＳ１０での計測開始後に計測されさているデューティ比が、閾値として予め定められた前述の所定値以下であるか否かを決定する。所定値以下であれば条件が満たされ（Ｓ６０：Ｙｅｓ）、後述のステップＳ７０に移行し、所定値より大きければ条件が満たされず（Ｓ６０：Ｎｏ）、ステップＳ６５に移行する。なお、ステップＳ６０の条件が満たされる状態が、デューティ比が第２の変位をしたことの一例に相当する。

ステップＳ６５では、スイッチング制御部２１は、第３端子ＶＣＣに対し、図２（ｂ）に示す一定負荷用の過電圧保護動作電圧Ｖｃに対応する電圧、言い換えれば一定負荷時における過電圧検出値が入力されたか否かを決定する。なお、この一定負荷時における過電圧検出値を、以下適宜、「第２過電圧検出値」と称し、図７においても同様に示す。第２過電圧検出値が入力されていれば条件が満たされ（Ｓ６５：Ｙｅｓ）、図６で前述したステップＳ５０に移る。第２過電圧検出値が入力されていなければ条件が満たされず（Ｓ６５：Ｎｏ）、前述のステップＳ６０に戻って同様の手順を繰り返す。

一方、ステップＳ７０では、前述のステップＳ３０と同様、スイッチング制御部２１は、例えばタイマーを用いることで、これ以降の経過時間の計測を開始する。その後、ステップＳ７５に移る。

ステップＳ７５では、スイッチング制御部２１は、ステップＳ６５と同様、第３端子ＶＣＣに対し、第２過電圧検出値が入力されたか否かを決定する。第２過電圧検出値が入力されていなければ条件が満たされず（Ｓ７５：Ｎｏ）、後述のステップＳ８０に移る。第２過電圧検出値が入力されていれば条件が満たされ（Ｓ７５：Ｙｅｓ）、図６で前述したステップＳ５０に移る。

ステップＳ８０では、スイッチング制御部２１は、ステップＳ６０と同様、計測されているデューティ比が所定値以下であるか否かを決定する。所定値以下であれば条件が満たされ（Ｓ８０：Ｙｅｓ）、後述のステップＳ８５に移行し、所定値より大きければ条件が満たされず（Ｓ８０：Ｎｏ）、前述のステップＳ６０に戻って同様の手順を繰り返す。

ステップＳ８５では、スイッチング制御部２１は、ステップＳ７０での計測開始後に計測されている経過時間が、予め定められた所定期間を経過したか否か、を決定する。この所定期間は、例えば、図２（ｂ）に示した時間ｔ０から時間ｔ３までの間に相当する時間とすればよく、第２所定期間の一例に相当する。なお、この所定期間を、以下適宜、単に「第２所定期間」と称し、図７においても同様に示す。第２所定期間が経過していなければ条件が満たされず（Ｓ８５：Ｎｏ）、前述のステップＳ７５に戻って同様の手順を繰り返す。第２所定期間が経過していれば条件が満たされ、図６のステップＳ１５に戻って同様の手順を繰り返す。

＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のスイッチング電源１においては、スイッチング制御部２１のスイッチング動作のデューティ比が所定値より大きい場合に、直ちにＮＰＮトランジスタＴｒ２をオンからオフにしてツェナー電圧を高い値へ切り替えるのではなく、時間ｔ０からｔ３までの第１所定期間の間に、過電圧であることを示す信号がスイッチング
制御部２１の第３端子ＶＣＣへ入力されたか否かが検出される。

第１所定期間の間に過電圧であることを示す信号が入力された場合、負荷部９０の軽負荷状態でトランス１１の二次側が過電圧状態となったことでデューティ比が大きくなっている、ということがわかる。第１所定期間経過しても過電圧であることを示す信号が入力されない場合、負荷部９０が軽負荷の状態から一定負荷の状態に変化したことがわかるため、その後、ステップＳ５５に示したように、ＮＰＮトランジスタＴｒ２をオンからオフにしてツェナー電圧を高い値へ切り替える。これにより、本実施形態のスイッチング電源１によれば、従来のスイッチング電源と異なり、過電圧検出レベルを適切に変更してスイッチング電源１の過電圧保護が可能となる。

また、本実施形態では特に、第１所定期間中、過電圧であることを示す信号が入力されることなく、デューティ比が所定値より大きかった場合、第１所定期間経過後、ＮＰＮトランジスタＴｒ２をオンからオフにしてツェナー電圧を高い値へ切り替える。逆に、第１所定期間が経過する前に、デューティ比が所定値より大きい状態から所定値以下に変位した場合、ステップＳ４０に示したように、ツェナー電圧を高い値へ切り替えない。
これにより、一時的に、デューティ比が小さくなった場合、ツェナー電圧を高い値へ切り替えないことで、デューティ比の一時的な変動に対応してスイッチング電源１の過電圧の保護をすることができる。

また、本実施形態では特に、スイッチング制御部２１のスイッチング動作のデューティ比が所定値より大きい状態から所定値以下となった場合で、第２所定期間中、過電圧であることを示す信号が入力されない場合には、直ちにＮＰＮトランジスタＴｒ２をオフからオンにしてツェナー電圧を低い値へ切り替えるのではなく、第２所定期間の間に、過電圧であることを示す信号が入力されたか否かが検出される。

第２所定期間の間に過電圧であることを示す信号が入力された場合、負荷部９０が一定負荷の状態でトランス１１の二次側が過電圧状態となったことでデューティ比が大きくなっている、ということがわかる。第２所定期間経過しても過電圧であることを示す信号が入力されない場合、負荷部９０が一定負荷の状態から軽負荷の状態に変化したことがわかるため、その後、ステップＳ８５からステップＳ１５への推移によって示したように、ＮＰＮトランジスタＴｒ２をオフからオンにしてツェナー電圧を低い値に切り替える。本実施形態のスイッチング電源１によれば、これによっても、過電圧検出レベルを適切に変更してスイッチング電源１の過電圧保護が可能となる。

なお、以上において、図６、図７に示すフローチャートは本発明を上記フローに示す手順に限定するものではなく、発明の趣旨および技術的思想を逸脱しない範囲内で手順の追加・削除又は順番の変更等をしてもよい。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ スイッチング電源
１１ トランス
１３ スイッチング素子
２１ スイッチング制御部
２２ 電圧発生回路（電圧発生回路部）
２３ 過電圧保護回路（過電圧保護回路部）
９０ 負荷部
Ｃ３ 平滑コンデンサ（平滑回路）
Ｄ６ 整流ダイオード（整流回路）
Ｌ１ 一次巻線（一次コイル）
Ｌ３ 補助巻線
Ｔｒ２ ＮＰＮトランジスタ（導通部）
Ｗ４ 配線（出力線）

Claims (6)

1. 負荷部と、
   前記負荷部に二次側の出力電圧を出力するトランスと、
   前記トランスの一次コイルに接続されたスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子に入力されるパルスのデューティ比を用いて前記トランスの二次側の出力電圧が目標電圧となるスイッチング制御を行うスイッチング制御部と、
   前記トランスの一次側に設けられた補助巻線に誘起される交流電圧を整流および平滑し、直流電圧として出力する電圧発生回路部と、
   前記直流電圧が所定電圧を超える場合、過電圧であることを示す信号を前記スイッチング制御部に入力する過電圧保護回路部と、
   を備え、
   前記スイッチング制御部は、
   前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を第１電圧、又は第２電圧に切替可能であって、前記過電圧であることを示す信号が入力されるときに前記スイッチング制御を停止させ、
   前記過電圧保護回路部の前記所定電圧が前記第１電圧であるときに前記パルスのデューティ比が第１所定範囲から前記第１所定範囲外である第２所定範囲への変位である第１の変位をした際に、前記第１の変位後の第１所定期間中、前記過電圧であることを示す信号が入力されない場合、前記第１所定期間経過後、前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に切り替える、
   ことを特徴とするスイッチング電源。
2. 請求項１記載のスイッチング電源において、
   前記第１の変位後の前記第１所定期間中、前記過電圧であることを示す信号が入力されることなく、前記パルスのデューティ比が前記第２所定範囲であった場合、前記第１所定期間経過後、前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に切り替え、
   前記第１の変位後、前記第１所定期間に到達する前に、前記パルスのデューティ比が前記第２所定範囲から前記第１所定範囲に変位した場合、前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に切り替えない、
   ことを特徴とするスイッチング電源。
3. 請求項１又は２記載のスイッチング電源において、
   前記スイッチング制御部は、
   前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を前記第２電圧としているときに前記パルスのデューティ比が前記第２所定範囲から前記第１所定範囲へ変位した第２の変位の場合で、前記第２の変位後の第２所定期間中、前記過電圧であることを示す信号が入力されない場合には、前記第２所定期間経過後、前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を前記第２電圧から前記第１電圧に切り替える、
   ことを特徴とするスイッチング電源。
4. 請求項３に記載のスイッチング電源において、
   前記スイッチング制御部は、
   前記第２の変位後の前記第２所定期間中、前記過電圧であることを示す信号が入力されることなく、前記パルスのデューティ比が前記第１所定範囲であった場合、前記第２所定期間経過後、前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に切り替え、
   前記第２の変位後、前記第２所定期間に到達する前に、前記パルスのデューティ比が前記第１所定範囲から前記第２所定範囲に変位した場合、前記過電圧保護回路部の前記所定電圧を前記第１電圧から前記第２電圧に切り替えない、
   ことを特徴とするスイッチング電源。
5. 請求項４記載のスイッチング電源において、
   前記第１所定範囲は、前記負荷部が軽負荷であるときの前記パルスのデューティ比の所定範囲、前記第２所定範囲は、前記負荷部が一定負荷であるときの前記パルスのデューティ比の所定範囲であって、
   前記第１電圧は、前記負荷部が前記軽負荷である場合において、前記トランスの二次側の出力電圧が正常電圧から過電圧への変位に伴って前記直流電圧が到達する電圧であって、
   前記第２電圧は、前記負荷部が前記一定負荷である場合において、前記トランスの二次側の出力電圧が正常電圧から過電圧への変位に伴って前記直流電圧が到達する電圧である、
   ことを特徴とするスイッチング電源。
6. 請求項５記載のスイッチング電源において、
   前記電圧発生回路部は、
   前記補助巻線の一端に出力線を介して接続され、前記補助巻線の一端から出力される交流電圧に対して前記交流電圧の正又は負のいずれかである一方の電圧を出力する整流回路と、
   前記整流回路に接続され、前記整流回路から出力する正又は負の電圧を平滑し、前記直流電圧として出力する平滑回路と、を有し、
   前記過電圧保護回路部は、
   前記平滑回路に接続され、前記平滑回路が出力する前記直流電圧が降伏電圧を超えた際に電流が流れる複数のツェナーダイオード、を有し、
   更に、
   前記複数のツェナーダイオードのうち、少なくとも１つのツェナーダイオードのアノード側とカソード側とを導通させる導通部を有し、
   前記スイッチング制御部は、前記導通部に前記アノード側と前記カソード側とを導通させるか否かを示す信号を送信し、
   前記過電圧保護回路部は、
   前記導通部により前記少なくとも１つのツェナーダイオードが導通された場合には、前記複数のツェナーダイオードのうち当該少なくとも１つのツェナーダイオードを除くツェナーダイオードの前記降伏電圧である前記第１電圧を超えた際に、前記過電圧であることを示す信号を前記スイッチング制御部に入力し、
   前記導通部による前記少なくとも１つのツェナーダイオードの導通がなされない場合には、前記複数のツェナーダイオードの前記降伏電圧である前記第２電圧を超えた際に、前記過電圧であることを示す信号を前記スイッチング制御部に入力する、
   ことを特徴とするスイッチング電源。

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