JP2570085Y2

JP2570085Y2 - 電源回路

Info

Publication number: JP2570085Y2
Application number: JP7818991U
Authority: JP
Inventors: 有三石垣
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1991-09-02
Filing date: 1991-09-02
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2006-09-02
Also published as: JPH0523790U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は、オーディオ機器等に
有用な低ノイズ、高効率の共振電源を一部ＨＩＣ（混成
集積回路）化して小型化すると共に、大容量、高耐圧の
コンデンサ及び集積化に適さないインダクタンスを外付
けとすることで汎用性を高めた電源回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】多機能化、小型化が進むオーディオ機器
等の分野では、電源回路をディスクリート部品で構成す
ると装置外観が大型化するため、最近では、混成集積回
路（ＨＩＣ）を使用して小型化する傾向にある。ＨＩＣ
は周知のように、薄膜や厚膜で構成された基板上にトラ
ンジスタやダイオード等の能動素子、或いは抵抗やコン
デンサ等の受動素子、更にはＩＣやＬＳＩ等を組み合わ
せたものであるから、ディスクリート回路に比べて充分
に小型化でき、また耐震性等の面でも信頼性が高い。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、共振電
源は直列共振又は並列共振を行うために、その構成上コ
ンデンサやインダクタンスが不可欠であり、また、共振
回路以外の他の回路部分においても少なからずコンデン
サ等の集積化しにくい部品を使用することは避けられな
い。この考案は、上述した共振型電源回路において、集
積化に適さないコンデンサやインダクタンスを外付けと
することにより、大半の回路部分はＨＩＣ化して小型化
を図り、また外付け部品の定数を任意に選択可能とする
ことで汎用性を高めることを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この考案では、直列共振回路及び並列共振回路と、
これらの共振回路に流す電流を切替えるスイッチング素
子を有したスイッチング部と、前記スイッチング素子の
動作タイミングを制御するタイミング制御部とを備え、
前記スイッチング素子のオン期間には電流に対して直列
共振を生じさせ、また前記スイッチング素子のオフ期間
には電圧に対して並列共振を生じさせる共振型の電源回
路において、前記直列共振回路及び並列共振回路の共振
用コンデンサ及びインダクタンスと、前記タイミング制
御部のスイッチング周波数設定用コンデンサとを外付け
とし、残りの部分を混成集積回路構成としてなることを
特徴としている。

【０００５】

【作用】電流共振と電圧共振を利用して高効率、低ノイ
ズを実現した共振型電源は、直列及び並列の各共振回路
とスイッチング用の回路が必要であり、またこれらの回
路はコンデンサやインダクタンスを使用する。この考案
では、耐圧は低いが容量の大きいスイッチング周波数設
定用コンデンサ、及び容量は小さいが耐圧の大きい並列
共振用コンデンサ、並びに回路構成上不可欠な直列共振
用コンデンサ、更には集積化には適さない共振用及び帰
還用のインダクタンスを外付けとし、他の半導体素子や
抵抗により構成される部分回路をＨＩＣ化することで、
ＨＩＣ化による電源回路全体の小型化を実現し、また外
付けの部品定数の任意設定による汎用電源を実現する。

【０００６】

【実施例】以下、図面を参照して本考案の実施例を説明
する。図１は、この考案の一実施例に係る電源回路の要
部回路図である。この実施例で示す電源回路の全体は電
圧共振及び電流共振を利用したスイッチングインバータ
形式であり、本出願人により特願平３−１６６３８３号
として出願されている。先ず、この電源装置の原理構成
を図２を参照して説明する。この図において、１は直流
電源、２は任意のタイミングでオン、オフ可能な主スイ
ッチング素子を含み、直流電源１をスイッチングして交
流に変換するスイッチング手段、３は供給される交流入
力を全波整流してコンデンサで平滑して直流出力とする
直流出力手段、４はスイッチング手段２の出力端子に流
れる電流に対して直列に形成される直列共振回路、５は
スイッチング手段２の出力端子に生じる電圧に対して並
列に形成される並列共振手段、６はスイッチング手段２
のスイッチング素子を間欠的にオンにするドライブ素子
を有するタイミング制御手段である。

【０００７】図３は図２のブロックを少し回路構成的に
示した基本原理構成図である。この図３を参照して概略
動作を説明する。主スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はタイ
ミング制御手段６の制御により一定周期で交互にオン、
オフを繰り返すが、図４の（カ）（キ）に示すように同
時にオフになる期間を有している。このとき両スイッチ
ング素子の交点Ａの電圧ＶＣ１は、正負の直流電源電圧
＋ＶＩ，−ＶＩを受けて図４の（ア）のように波高値Ｖ
Ｉの交流になる。このとき電流ｉＤ１またはｉＤ２は、
インダクタンスＬ２、コンデンサＣ２を通ってダイオー
ドＤ１，Ｄ２で整流され、コンデンサＣ３，Ｃ４で平滑
されて負荷ＲＬに流れる。スイッチング素子Ｓ１がオン
しているときは、ダイオードＤ１が順方向となるので、
図４の（イ）に示すチャージ電流ｉＤ１がコンデンサＣ
３に流れる。ここでスイッチング素子Ｓ１とダイオード
Ｄ１のインピーダンスが充分に小さく、且つＣ３＞＞Ｃ
２に設定しておけば、上記の電流はインダクタンスＬ２
とコンデンサＣ２による正弦波状の直列共振電流とな
る。

【０００８】この共振電流は、半波経過して電流の向き
が逆になるとダイオードＤ１が逆電圧となってオフする
ため、それ以上流れることはない。つまり、共振電流が
半波終了して電流が零に戻ったところでこの直列共振は
自動的に停止する。このときコンデンサＣ２には、流れ
た共振電流に対応した電荷が蓄積されるため、図４の
（オ）のように両端電圧ＶＣ２が残る。この電荷は次に
スイッチング素子Ｓ２がオンするときに負荷ＲＬに放出
されるためエネルギロスにはならない。また、インダク
タンスに蓄えられるエネルギは電流に比例するため、電
流零で共振が止まったときのインダクタンスＬ２のエネ
ルギは零である。このため、有害な電流ノイズの発生は
極めて少ない。

【０００９】スイッチング素子Ｓ１がオフするときは電
流共振が終了しているため、インダクタンスＬ１に流れ
る電流ｉＬ１（図４の（エ））だけがスイッチング素子
Ｓ１を流れる。インダクタンスＬ１の値は直列共振用の
インダクタンスＬ２，コンデンサＣ２とは独立して設定
できるため、Ｌ１＞＞Ｌ２に設定することで、インダク
タンスＬ１を流れる電流ｉＬ１の値は、直列共振電流ｉ
Ｄ１に比べて充分に小さなものとすることができる。こ
のため、スイッチング素子Ｓ１は殆ど零電流の状態でオ
フすることができる。

【００１０】一方、スイッチング素子Ｓ１がオンしてい
る間にインダクタンスＬ１に蓄えられた磁気エネルギ
（電流）は、インダクタンスＬ１とコンデンサＣ１が並
列共振するエネルギになる。この結果、Ａ点の電圧ＶＣ
１は正弦波状に低下し、やがて零を越えて−ＶＩに近づ
く。これが電圧共振モードである。Ａ点の電位が−ＶＩ
近くになるとダイオードＤ２がオンし、インダクタンス
Ｌ１に残存しているエネルギ（電流）をＬ２，Ｃ２，Ｄ
２を通じてコンデンサＣ４に放出する。しかし、インダ
クタンスＬ１の電流は小さく設定されているので、電流
的には大きな変化とはならず、Ａ点の電位は−ＶＩ近く
の値を維持する。従って、スイッチング素子Ｓ２をその
両端電圧が非常に小さい状態でオンさせる零電圧動作が
可能となり、オン時の損失が極めて小さくて済む。

【００１１】スイッチング素子Ｓ２がオンするとインダ
クタンスＬ２，コンデンサＣ２は負側の電流共振を生
じ、図４（ウ）に示すチャージ電流ｉＤ２がダイオード
Ｄ２を通してコンデンサＣ４に流れる。以後はスイッチ
ング素子Ｓ１，Ｓ２のオン、オフに従い上述した動作を
繰り返す。この様な共振型の電源装置は、スイッチング
素子の全スイッチング動作が電圧零又は電流零で行われ
るため、スイッチング損失が少なく、回路全体の効率が
極めて高い。また、直列共振電流及び並列共振電圧のい
ずれも単一周波数に近いスペクトラムとなるため、回路
各部の共振ディップと干渉してリンギングあるいはオー
バシュートを生じる可能性が減少し、高調波等の不要輻
射が極めて少ない。

【００１２】図５はトランスＴ１の１次側の自己インダ
クタンスＬ１と漏れインダクタンスＬ２を利用して直列
共振回路Ｌ２，Ｃ２及び並列共振回路Ｌ１，Ｃ１を構成
した実際的な回路図である。コンデンサＣ１（Ｃ２）は
２分の１の容量のコンデンサＣ１／２（Ｃ２／２）を２
個直列に接続して構成される。この様にすると、電圧共
振ループ内にはＬ２，Ｃ２が含まれてしまうが、Ｌ２＜
＜Ｌ１，Ｃ２＞＞Ｃ１の関係にあるため、実際にはＬ
２，Ｃ２の存在が電圧共振に与える影響は無視できる。
トランスＴ１の２次側には４個のダイオードからなる全
波整流回路７が接続され、その整流出力がコンデンサＣ
３で平滑されて負荷ＲＬに供給される。直流電源１は交
流電源を整流して直流化したものでも良いので、この場
合にはＡＣ／ＤＣコンバータになる。

【００１３】図６の電源装置はこのタイプであり、４個
のダイオードからなる全波整流回路８で交流電源ＡＣを
全波整流してコンデンサＣ５，Ｃ６で平滑する。従っ
て、ここではコンデンサＣ５，Ｃ６の部分が直流電源１
となる。並列共振用の２分割コンデンサＣ１／２は主ス
イッチング素子Ｓ１，Ｓ２に並列に接続される。直列共
振用のコンデンサＣ２は分割されずにトランスＴ１の１
次巻線に直列に接続されている。並列共振用のインダク
タンスＬ１はトランスＴ１の巻線Ｕ３の自己インダクタ
ンスであり、また直列共振用のインダンクタンスＬ２は
巻線Ｕ３の漏れインダクタンスである。

【００１４】タイミング制御部６は主スイッチング素子
Ｓ１，Ｓ２を独立して駆動できるように２系統の独立し
た駆動制御回路６１，６２を備える。駆動制御回路６
１，６２の出力段はドライブ素子Ｑ１，Ｑ２であり、こ
の素子Ｑ１，Ｑ２のオンタイミングをＣＲ時定数回路６
３，６４で制御し、またオフタイミングを前段のスイッ
チング素子Ｑ３，Ｑ４及びＣＲ時定数回路６３´，６４
´で制御する。この時定数回路６３，６３´，６４，６
４´にはトランスＴ１の巻線Ｕ１，Ｕ２に誘起された交
流成分をそれぞれ正帰還する。駆動制御回路６１，６２
は同じ回路構成であるが、出力段のドライブ素子Ｑ１，
Ｑ２は図４の（カ）（キ）に示したように、共にオフす
る期間を介在させて交互にオンする。即ち、素子Ｓ１が
オンしているときに巻線Ｕ１に誘起される電流で時定数
回路６３´のコンデンサが充電され、やがてその充電電
圧が上昇してトランジスタＱ３をオンさせるとドライブ
素子Ｑ１がオフする。素子Ｑ１がオフし素子Ｓ１がオフ
するとトランスＴ１の１次巻線の誘導により、１次巻線
の両端にかかる電圧が反転し、時定数回路６４，６４´
が充電され始める。回路６４´の時定数は回路６４の時
定数より大きいため、まずドライブ素子Ｑ２がオンにな
り素子Ｓ２がオンになる。その後時定数回路６４´のコ
ンデンサが充電完了しトランジスタＱ４がオンして素子
Ｑ２がオフし素子Ｓ２がオフする。次は素子Ｓ１がオン
する番になるが、以下同様の動作を繰り返す。この回路
動作の詳細は時定数回路６３，６４の動作を除けば本出
願人により出願され、公告された特公平３−１９１４号
に示されている。

【００１５】図７はこのタイミング制御部６を詳細に示
したものである。駆動制御回路６１の時定数回路６３
は、抵抗Ｒ１１，ダイオードＤ１１，コンデンサＣ１２
及びドライブ素子Ｑ１自身により構成され、コンデンサ
Ｃ１２の充電電圧がドライブ素子Ｑ１のベース・エミッ
タ間電圧を越えて上昇すると、ドライブ素子Ｑ１がオン
する。この時定数回路６３の充電時定数はＣ１２Ｒ１１
である。また、駆動制御回路６１の時定数回路６３´
は、抵抗Ｒ１０、コンデンサＣ１０、ダイオードＤ１０
及びトランジスタＱ３により構成され、コンデンサＣ１
０の充電電圧がトランジスタＱ３のベース・エミッタ間
電圧を越えて上昇すると、トランジスタＱ３がオンして
ドライブ素子Ｑ１をオフさせる。この時定数回路６３´
の充電時定数はＣ１０Ｒ１０であり、前述したＣ１２Ｒ
１１より大きく設定されている。これらの時定数により
ドライブ素子Ｑ１の発振周波数やデューティー比が規定
される。他方の駆動制御回路６２も同様の構成を有し、
時定数回路６４は、抵抗Ｒ２１，ダイオードＤ２１，コ
ンデンサＣ２２及びドライブ素子Ｑ２により構成され、
時定数回路６４´は、抵抗Ｒ２０、コンデンサＣ２０、
ダイオードＤ２０及びトランジスタＱ４により構成され
る。駆動制御回路６１の抵抗Ｒ１２、コンデンサＣ１
１、ダイオードＤ１１は自動起動回路を構成する。他方
の駆動制御回路６２についても同様であり、抵抗Ｒ２
２、コンデンサＣ２１、ダイオードＤ２１は自動起動回
路を構成する。この自動起動回路は、電源投入時にドラ
イブ素子Ｑ１，Ｑ２の一方だけがオンになるようにする
ものである。

【００１６】タイミング制御部６は以上のように構成さ
れており、そして、ドライブ素子で駆動される主スイッ
チング素子Ｓ１，Ｓ２及びそのエミッタ安定化抵抗Ｒ
１，Ｒ２、並びに並列共振用コンデンサＣ１、直列共振
用コンデンサＣ２、共振用インダクタンスＵ３、帰還用
インダクタンスＵ１，Ｕ２等がタイミング制御部６の周
辺に配置される。一般にこのような電源回路を小型化す
るには、全ての回路部品を共通のＨＩＣ内に組み込むこ
とが考えられるが、そのようにすると大容量、高耐圧の
コンデンサやコイルで実現されるインダクタンスの存在
が問題となる。図７の回路を実用化する場合、各コンデ
ンサの耐圧及び容量値は概略下表のようになる。

【００１７】

【表１】

【００１８】上表に示されたコンデンサＣ１／２は容量
こそ小さいが耐圧が大きいためＨＩＣ化には適さない。
そのほかのコンデンサは耐圧こそ低いがいずれも容量が
大きいためこれもＨＩＣ化には適さない。従って、この
考案ではこれらのコンデンサ及びインダクタンス部分を
外付けとし、他の部分をＨＩＣ化して小型化を図る。

【００１９】図１は図７と同じ回路をＨＩＣ化に適した
配置に変更したものであり、図中の破線枠内がＨＩＣ化
部１００である。このＨＩＣ化部１００内には抵抗Ｒ
１，Ｒ２，Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２０，Ｒ２１，
Ｒ２２及びダイオードＤ１０，Ｄ１１，Ｄ２０，Ｄ２１
更にトランジスタＱ１〜Ｑ４，Ｓ１，Ｓ２だけが集積化
され、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１
２，Ｃ２０，Ｃ２１，Ｃ２２及びインダクタンスＵ１〜
Ｕ３は外付けする構成となっている。この様にすると、
コンデンサ及びインダクタンスを含まないＨＩＣ化部１
００は充分に小型化でき、しかも外付けされたコンデン
サ及びインダクタンスの各定数を任意に設定すること
で、共通のＨＩＣ化部１００を使用して各種の電源回路
を構成することができる。

【００２０】

【考案の効果】以上述べたようにこの考案によれば、ス
イッチング素子を動作させる共振型の電源回路におい
て、共振用コンデンサ及びインダクタンスとスイッチン
グ周波数設定用コンデンサとを外付けとし、残りの部分
をＨＩＣ構成としたので、ＨＩＣ化による電源回路全体
の小型化と、外付けの部品定数の任意設定による汎用化
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の一実施例を示す要部回路図であ
る。

【図２】共振型電源装置の原理構成図である。

【図３】図２の回路の具体例を示す詳細回路図であ
る。

【図４】図３の回路の動作波形図である。

【図５】図２の回路の変形例を示す回路図である。

【図６】実用的な共振型電源装置の詳細回路図であ
る。

【図７】図６の要部詳細構成図である。

【符号の説明】

１…直流電源、２…スイッチング手段、３…直流出力手
段、４…直列共振回路、５…並列共振回路、６…タイミ
ング制御手段、６Ａ…ＨＩＣ化部、６Ｂ…外付け部、Ｑ
１，Ｑ２…ドライブ素子、Ｓ１，Ｓ２…主スイッチング
素子、Ｃ１…並列共振用コンデンサ、Ｃ２…直列共振用
コンデンサ、Ｃ１０，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２０，Ｃ２
１，Ｃ２２…ドライブ段スイッチング周波数設定用コン
デンサ、Ｕ１〜Ｕ３…インダクタンス。

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】直列共振回路及び並列共振回路と、これ
らの共振回路に流す電流を切替えるスイッチング素子を
有したスイッチング部と、前記スイッチング素子の動作
タイミングを制御するタイミング制御部とを備え、前記
スイッチング素子のオン期間には電流に対して直列共振
を生じさせ、また前記スイッチング素子のオフ期間には
電圧に対して並列共振を生じさせる共振型の電源回路に
おいて、前記直列共振回路及び並列共振回路の共振用コンデンサ
及びインダクタンスと、前記タイミング制御部のスイッ
チング周波数設定用コンデンサとを外付けとし、残りの
部分を混成集積回路構成としてなることを特徴とする電
源回路。