JP3740325B2 - 自励式スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機やプリンタ等のＯＡ機器等に使用される自励式のスイッチング電源装置で、待機時の電力低減を実現する自励式スイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にＯＡ機器等に使用されるスイッチング電源装置では、負荷電流の変動が大きく、また、機器の待機状態等軽負荷で長時間使用される場合が多い。従って、待機時における効率の向上が望まれている。
【０００３】
機器の本体側（負荷機器側）では、待機時にはマイコンにスリープモードやスタンバイモード等が設けられて、通常状態に比べて負荷電流を低減することが行われている。一方、スイッチング電源装置では一般に軽負荷時における効率は悪く、上記待機時のように負荷電流が定格時に比べて十分に少ない状態では、スイッチング電源の内部損失はスイッチング素子のスイッチング損失やスナバ回路での損失等、スイッチング周波数に依存する損失が支配的となる。従って、待機時の内部損失を低減するために、待機時にはスイッチング周波数を低減する方法や、間欠的なスイッチング動作を行う等の様々な提案がなされている。
【０００４】
例えば、特開平７−２１３０５５号では、図７に示すように制御ＩＣを使用したＰＷＭ制御方式（他励方式）のスイッチング電源回路における待機時のスイッチング周波数を切り替えて周波数を低減させることにより内部損失を低減させる提案がなされている。このスイッチング電源回路は、２次側の制御信号によって動作待機モードを判別し、その制御信号をフォトカプラ１２ａ、１２ｂを介して１次側に伝達し、発振周波数調整回路１１によりパルス発信器２の発振周波数を低減させるようにしたものである。また、同様な提案が特開平８−１２６３１３号、特開平９−１４０１２８号等でもなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自励式のスイッチング電源回路は、ＰＷＭ制御方式に対して高価な制御ＩＣを使用することなく、部品点数の削減や低コストの回路方式として広く実用化されている。
【０００６】
しかしながら、トランスに発生する電圧をスイッチング素子にフィードバックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源回路において、発振動作の原理上、外部からの信号によってスイッチングのＯＮ時間及びＯＦＦ時間を切り替えてスイッチング周波数を低減化することは困難であった。更に、自励式のスイッチング電源回路は、軽負荷になると発振周波数が上昇しスイッチング損失が大きくなるため、待機時の内部損失が大きくなることが課題であった。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、回路構成の簡単な自励式スイッチング電源装置において負荷機器の待機時にも内部損失を低減化できる自励式スイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる自励式スイッチング電源装置は、トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスの２次側に通常出力に使用される巻線から発生する電圧を検出する電圧検出部を設け、前記電圧検出部を介して前記スイッチング素子にフィードバックして出力電圧を一定電圧に制御する自励式スイッチング電源装置において、前記通常出力に使用される巻線とは別に巻線を設け、前記別の巻線の一端は前記通常出力に使用される巻線の一端に接続し、前記別の巻線の他端はダイオードとスイッチを介して前記通常出力に使用される巻線から整流平滑された直流点に接続し、前記スイッチは、負荷機器の待機時に前記負荷機器側から得られる信号によって導通させ、前記通常出力に使用される巻線からの出力と前記別の巻線からの出力との出力和を出力させ、前記出力和の電圧を前記電圧検出部で検出して、前記フィードバックを行い定電圧制御出力することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係わる自励式スイッチング電源装置は、トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスに供給される直流入力電圧から前記スイッチング素子に起動電流を供給する起動回路を有し、前記トランスに発生する電圧を前記スイッチング素子にフィードバックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源装置において、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器からパルス信号が供給され、前記パルス信号がハイレベルのときには前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、前記パルス信号がローレベルになると、前記起動回路からの起動電流により前記スイッチング素子が起動し通常の発振動作を行うことによって、前記スイッチング電源装置の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係わる自励式スイッチング電源装置は、トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスに供給される直流入力電圧から前記スイッチング素子に起動電流を供給する起動回路を有し、前記トランスに発生する電圧を前記スイッチング素子にフィードバックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源装置において、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器からパルス信号が供給され、前記パルス信号がローレベルのときには前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、前記パルス信号がハイレベルになると、前記起動回路からの起動電流により前記スイッチング素子が起動し通常の発振動作を行うことによって、前記スイッチング電源装置の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係わる自励式スイッチング電源装置は、請求項２及び請求項３の自励式スイッチング電源装置において、前記スイッチング素子の制御端子とＧＮＤ間にトランジスタを設け、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器から供給されるパルス信号がフォトカプラを介して前記トランスの１次側に伝送され、前記フォトカプラの出力であるフォトトランジスタの出力が前記トランジスタのベースに入力され、前記パルス信号によって前記スイッチング素子の制御端子をオン／オフさせ、前記スイッチング電源の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係わる自励式スイッチング電源装置は、請求項２及び請求項３の自励式スイッチング電源装置において、前記スイッチング素子の制御端子とＧＮＤ間にトランジスタを設け、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器から供給されるパルス信号がパルストランスを介して前記トランスの１次側に伝送され、前記パルストランスの出力が前記トランジスタのベースに入力され、前記パルス信号によって前記スイッチング素子の制御端子をオン／オフさせ、前記スイッチング電源の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第１の実施の形態を示す回路図である。図１において１次側は典型的な自励式スイッチング電源の回路であり、直流入力電圧Ｖｉｎが端子１ａ−１ｂ間に印加されると、起動抵抗Ｒ１からスイッチングトランジスタＱ１のベース電流が供給され、該スイッチングトランジスタＱ１がオンしてトランスＴの１次巻線Ｎｐ１に入力電圧Ｖｉｎが印加されて電流が流れ始める。トランスＴの各巻線Ｎｐ２、Ｎｓ１、Ｎｓ２には１次巻線Ｎｐ１との巻数比に応じた電圧が誘起され、１次側のＮｐ２巻線に発生した電圧は、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ２及びダイオードＤ１を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに順バイアス或いは逆バイアスを与えてスイッチングトランジスタＱ１を駆動する。即ち、１次巻線Ｎｐ１に発生した電圧がＮｐ２巻線、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ２及びダイオードＤ１を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに帰還し、スイッチングトランジスタＱ１に自励発振を持続させるように作用する。
【００１７】
スイッチングトランジスタＱ１の自励発振に伴って誘起された２次巻線Ｎｓ１の電圧は、ダイオードＤ３、平滑コンデンサＣ４によって整流平滑され、出力電圧Ｖｏとして出力端子２ａ−２ｂから図示しない負荷機器に供給される。ここで、シャントレギュレータＩＣ１は、抵抗Ｒ６、Ｒ７で検出した出力電圧に応じた制御信号を発生させる。そして、制御信号は、フォトカプラＰＣ１を介して伝送され、トランジスタＱ２のベースに入力される。トランジスタＱ２は、制御信号に応じてスイッチングトランジスタＱ１のバイアス電流を変化させ、これにより定電圧制御動作を行う。
【００１８】
ここで、スイッチングトランジスタＱ１のスイッチング周波数、つまり、この自励式スイッチング電源回路の発振周波数ｆは、トランスＴの１次巻線Ｎｐ１のインダクタンスをＬｐ、入力電力をＰｉｎとすると、以下の式で表される。
ｆ＝[１／(2Lp・Pin)]×〔Vin2／[１+(Ns1／Np1)・(Vin／Vo)]2〕
…（１）
但し、トランスＴのロスは無視している。
【００１９】
上式（１）より、発振周波数は、入力電圧Ｖｉｎが一定ならば入力電力Ｐｉｎが最大時、つまり負荷電流が定格時（最大時）に最小となり、負荷機器の待機時のような負荷電流が最小のとき最大となる。このような関係式から自励式スイッチング電源の設計をする場合、一般的にトランスの巻線数及びインダクタンス値は、発振周波数が最大負荷時に可聴周波数（約２０ｋＨｚ）以上となるように決められている。従って、この関係式から負荷機器の待機時には発振周波数が２００ｋＨｚから３００ｋＨｚ以上となってしまう。
【００２０】
ところで、軽負荷時の内部損失は、スイッチングトランジスタＱ１のスイッチング損失が支配的になり、発振周波数に比例した内部損失が発生する。従って、待機時の損失を低減するためには、発信周波数を低下させてスイッチングトランジスタＱ１のスイッチングロスを減らすことが最も効果的である。
【００２１】
本発明は、上記の動作を自励式のスイッチング電源で実現する回路を提案するものである。
【００２２】
以下に図１で示した回路を説明する。
【００２３】
トランスＴの２次側に通常動作時に使用される巻線Ｎｓ１とは別に巻線Ｎｓ２を設け、一端をＮｓ１巻線と接続し、他端はダイオードＤ４とトランジスタＱ３を介してダイオードＤ３、コンデンサＣ４の整流平滑点に接続する。トランジスタＱ３のオン／オフは、負荷機器から供給される待機信号（Ｓｔｂｙ）によって切り替えられ、通常動作時は待機信号が「ロー」であり、トランジスタＱ４がオフし、トランジスタＱ３もオフしている。従って、巻線Ｎｓ２及びダイオードＤ４は、開放された状態となり、出力には巻線Ｎｓ１に発生した電圧がダイオードＤ３、コンデンサＣ４で整流平滑されて出力される。一方、負荷機器が待機時には該負荷機器からの待機信号が「ハイ」となり、トランジスタＱ４が導通し、トランジスタＱ３がオンする。すると、巻線Ｎｓ１に誘起された電圧に巻線Ｎｓ２に誘起された電圧が加算され、ダイオードＤ４、コンデンサＣ４で整流平滑されて出力される。このときダイオードＤ３は、オフしている。
【００２４】
従って、通常動作時はトランスＴの２次巻線は、Ｎｓ１となり、待機時にはトランスＴの２次巻線は、Ｎｓ１＋Ｎｓ２となる。また、出力電圧検出部は同一であるので、出力電圧は、通常動作時、待機時とも変化せず一定電圧Voとなる。ここで、待機時の発振周波数は、
ｆ'＝[１／(2Lp・Pin)]×〔Vin2／[１+(Ns1+Ns2)／Np1)・(Vin／Vo)]2〕
…（２）
となり、（１）式の場合、つまり、通常動作時に比べて周波数を低下させることができる。
【００２５】
一例として、Ｌｐ＝５００μＨ、Ｖｉｎ＝１４０Ｖ、Ｖｏ＝６Ｖ、Ｎｐ１＝６０ターン、Ｎｓ１＝１０ターン、Ｎｓ２＝２０ターンであるとき、通常動作時に入力電力４０Ｗとすると、周波数ｆ(40W)＝２０ｋＨｚ、入力電力２Ｗの時には周波数ｆ(2W)＝４１０ｋＨｚとなるのに対して、待機信号（Ｓｔｂｙ）が「ハイ」となると、入力電力２Ｗの時には周波数ｆ’(2W)＝６１ｋＨｚと、通常の約１／７に低減することができる。つまり、スイッチングトランジスタＱ１でのスイッチング損失も１／７に低減することができ、待機時電力の低減を実現することができる。
【００２６】
また、本発明の回路では、以上説明してきた待機時のスイッチング周波数を低下させる動作を２次側の回路のみで実現でき、従来の制御ＩＣを使用したＰＷＭ制御方式のように待機信号を１次側に伝送するフォトカプラ等を使用しなくてよい。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第２の実施の形態を示す回路図である。尚、図２において図１と同一の回路素子には同一の符号を付してある。図２に示す回路の１次側は、第１の実施の形態と同じ自励式の回路であり、２次側が出力２系統を持つ多出力スイッチング電源回路である。第１の出力は、トランスＴの２次巻線Ｎｓ１及びNｓ２に誘起された電圧がダイオードＤ４、平滑コンデンサＣ５によって整流平滑され、出力電圧ＶｏHとして出力端子３ａ−３ｂから負荷機器に供給される。ここで、シャントレギュレータＩＣ１は、抵抗Ｒ６、Ｒ７で検出した出力電圧に応じた制御信号を発生させる。そして、この制御信号は、フォトカプラＰＣ１を介して伝送され、トランジスタＱ２のベースに入力される。トランジスタＱ２は、前記制御信号に応じてスイッチングトランジスタＱ１のバイアス電流を変化させ、これにより、定電圧制御動作を行う。第２の出力は、トランスＴの２次巻線Ｎｓ１に誘起された電圧がダイオードＤ３、平滑コンデンサＣ４によって整流平滑され、概ね安定化された電圧となり、シリーズレギュレータＩＣ２とコンデンサＣ２で安定化された出力電圧ＶｏLとして出力端子４ａ−４ｂから負荷機器に供給される。以上が通常時の動作であり、発信周波数は、
となる。
【００２８】
負荷機器の待機時には該負荷機器からの待機信号（Ｓｔｂｙ）が「ハイ」となり、トランジスタＱ４が導通し、トランジスタＱ３はオンする。すると、第２の出力側のシリーズレギュレータＩＣ２の入力電圧は、第１の出力電圧となると同時に、出力電圧検出部のトランジスタＱ５がオンしてシャントレギュレータＩＣ１に入力される出力電圧の抵抗分圧比が変化して、第１の出力電圧が変化する。ここで、抵抗Ｒ１０の値を適当に選び、第１の出力電圧が通常動作時のダイオードＤ３、コンデンサＣ４で整流平滑されたＩＣ２の入力電圧と略等しくなるようにする。このとき、第２の出力電圧は、ＶｏLで一定となるが、第１の出力電圧ＶｏH'は、ＶｏH'＝ＶｏH×Ｎｓ１／（Ｎｓ１＋Ｎｓ２）となり、発振周波数は、
となって、発振周波数を低下することができる。従って、第１の実施の形態と同様に負荷機器が待機時に、待機信号（Ｓｔｂｙ）が「ハイ」となると、待機時の内部損失を低減することが可能となる。
【００２９】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第３の実施の形態を示す回路図である。尚、図３において図１と同一の回路素子には同一の符号を付してある。本実施の形態においては、待機信号は、パルス信号とされ、負荷機器のマイクロコンピュータから或る周波数の待機パルス信号がＳｔｂｙ端子に供給される。
【００３０】
図３においてデジタルトランジスタＱ７は、ベースがＳｔｂｙ端子に接続され、コレクタがフォトカプラＰＣ２の発光側フォトダイオード、抵抗Ｒ１４を介して端子２ａに接続され、エミッタが端子２ｂに接続されている。フォトカプラＰＣ２の受光側フォトトランジスタは、コレクタがトランスＴ１の帰還巻線Ｎｐ２に発生するスイッチング波形をダイオードＤ５とコンデンサＣ７とにより整流平滑した点に接続され、エミッタがデジタルトランジスタＱ６のベースに接続されている。デジタルトランジスタＱ６は、エミッタが１次側のＧＮＤに、コレクタがスイッチングトランジスタＱ１のベースにそれぞれ接続されている。
【００３１】
待機パルス信号は、デジタルトランジスタＱ７、及びフォトカプラＰＣ２を介して絶縁された１次側に伝送される。従って、待機パルス信号が「ハイ」レベル期間は、デジタルトランジスタＱ６がオンしてスイッチングトランジスタＱ１のベースを強制的に落としてスイッチング動作を停止させる。そして、待機パルス信号が「ハイ」レベルから「ロー」レベルになると、デジタルトランジスタＱ６はオフし、スイッチングトランジスタＱ１は、ベースに起動抵抗Ｒ１を介して流れ込む起動電流によってオン電圧（約０.７Ｖ）に上昇するまでの起動期間の経過後にスイッチング動作が再開する。つまり、スイッチング動作は、間欠的に行われ、スイッチング動作が停止している期間及び起動期間は、スイッチング損失が無くなる。
【００３２】
待機時には、負荷電流はマイコン等で消費されるごく僅かな電流であるため、間欠発振によって生じる電圧リップルは、２次側の平滑コンデンサＣ４によって許容電圧変動内の一定電圧に保たれている。ここで、待機パルス信号の周波数及びデューティは、待機時の負荷電流及びスイッチングの起動期間を考慮し、電圧リップルが許容電圧範囲内に入るように設定する。
【００３３】
以上の動作を図４、図５に示す。図４は、図３の回路において通常動作から待機状態になるときのスイッチング動作を示す波形図、図５は、図４の待機状態の拡大図である。
【００３４】
図４、図５において、Ａは待機パルス信号、ＢはスイッチングトランジスタＱ１のベース電圧波形、ＣはスイッチングトランジスタＱ１のコレクタ電圧波形である。図４において、通常動作期間は（１）式に示した発振周波数で連続的にスイッチング動作を行っている。待機状態になり、待機パルス信号Ａが「ハイ」レベルになるとスイッチングトランジスタＱ１のベース電圧Ｂはゼロとなり、発振動作（トランジスタＱ１のコレクタ電圧波形Ｃ）は停止する。待機パルス信号Ａが「ロー」レベルになると、起動期間を経てスイッチング動作が再開し、間欠発振動作を繰り返す。間欠発振の周波数は、待機パルス信号の周波数となるが、発振停止期間のデューティは、待機パルス信号のオン時間プラス起動期間となる。従って、スイッチング損失は、発振停止期間では発生せず、待機時のスイッチング電源装置の内部損失を大幅に削減することが可能となる。
【００３５】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第４の実施の形態を示す回路図である。尚、図６において図３と同一の回路素子には同一の符号を付してある。本実施の形態においても第３の実施の形態の場合と同様に待機信号は、パルス信号とされ、負荷機器のマイクロコンピュータから或る周波数の待機パルス信号がＳｔｂｙ端子に供給される。
【００３６】
図６において、待機パルスは、デジタルトランジスタＱ７、及びパルストランスＴ２を介して１次側に伝送される。パルストランスＴ２は、１次側の一端が１次側のＧＮＤレベルに接続され、他端がデジタルトランジスタＱ６のベースに入力される。このような回路構成においても、回路動作としては、図３に示した第３の実施の形態の場合と同様である。尚、負荷機器から供給される待機パルス信号の極性が反対の場合でも、トランジスタ１個を用いて反転させることにより、同様の間欠発振を行う動作を実現することができる（図示せず）。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の自励式スイッチング電源装置によれば、別の巻線の一端は通常出力に使用される巻線の一端に接続し、別の巻線の多端はダイオードとスイッチを介して通常出力に使用される巻線から整流平滑された直流点に接続し、通常出力に使用される巻線からの出力と別の巻線からの出力との出力和を出力させ、この出力和の電圧を電圧検出部で検出して、フィードバックを行い定電圧制御出力するので、待機時のスイッチング周波数を低下させる動作を２次側の回路のみで実現でき、回路構成の簡単な自励式スイッチング電源装置において負荷機器の待機時にも内部損失を低減化できる自励式スイッチング電源装置を提供することができる。
【００３９】
また、請求項２乃至５の自励式スイッチング電源装置によれば、スイッチング電源装置の停止起動による間欠動作の周期と時比率をパルス信号によって直接制御するので、回路構成の簡単な自励式スイッチング電源装置において負荷機器の待機時にも内部損失を低減化できる自励式スイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第１の実施の形態を示す回路図である。
【図２】本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第２の実施の形態を示す回路図である。
【図３】本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第３の実施の形態を示す回路図である。
【図４】図３の回路において通常動作から待機状態になるときのスイッチング動作を示す波形図である。
【図５】図４の待機状態の拡大図である。
【図６】本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第４の実施の形態を示す回路図である。
【図７】従来のスイッチング電源装置の回路図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 入力端子
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ 出力端子
Ｃ１〜Ｃ７ コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ１４ 抵抗
Ｄ１〜Ｄ５ ダイオード
Ｑ１ スイッチングトランジスタ
Ｑ２〜Ｑ５ トランジスタ
Ｑ６、Ｑ７ デジタルトランジスタ
ＤＺ１ 定電圧ダイオード
ＰＣ１、ＰＣ２ フォトカプラの発光ダイオード
ＰＣ１’、ＰＣ２’ フォトカプラのフォトトランジスタ
ＩＣ１ シャントレギュレータ
ＩＣ２ シリーズレギュレータ
Ｔ、Ｔ１ トランス
Ｎｐ１ １次巻線
Ｎｐ２ １次バイアス巻線
Ｎｓ１、Ｎｓ２、Ｎｓ ２次巻線
Ｔ２ パルストランス
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機やプリンタ等のＯＡ機器等に使用される自励式のスイッチング電源装置で、待機時の電力低減を実現する自励式スイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にＯＡ機器等に使用されるスイッチング電源装置では、負荷電流の変動が大きく、また、機器の待機状態等軽負荷で長時間使用される場合が多い。従って、待機時における効率の向上が望まれている。
【０００３】
機器の本体側（負荷機器側）では、待機時にはマイコンにスリープモードやスタンバイモード等が設けられて、通常状態に比べて負荷電流を低減することが行われている。一方、スイッチング電源装置では一般に軽負荷時における効率は悪く、上記待機時のように負荷電流が定格時に比べて十分に少ない状態では、スイッチング電源の内部損失はスイッチング素子のスイッチング損失やスナバ回路での損失等、スイッチング周波数に依存する損失が支配的となる。従って、待機時の内部損失を低減するために、待機時にはスイッチング周波数を低減する方法や、間欠的なスイッチング動作を行う等の様々な提案がなされている。
【０００４】
例えば、特開平７−２１３０５５号では、図７に示すように制御ＩＣを使用したＰＷＭ制御方式（他励方式）のスイッチング電源回路における待機時のスイッチング周波数を切り替えて周波数を低減させることにより内部損失を低減させる提案がなされている。このスイッチング電源回路は、２次側の制御信号によって動作待機モードを判別し、その制御信号をフォトカプラ１２ａ、１２ｂを介して１次側に伝達し、発振周波数調整回路１１によりパルス発信器２の発振周波数を低減させるようにしたものである。また、同様な提案が特開平８−１２６３１３号、特開平９−１４０１２８号等でもなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自励式のスイッチング電源回路は、ＰＷＭ制御方式に対して高価な制御ＩＣを使用することなく、部品点数の削減や低コストの回路方式として広く実用化されている。
【０００６】
しかしながら、トランスに発生する電圧をスイッチング素子にフィードバックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源回路において、発振動作の原理上、外部からの信号によってスイッチングのＯＮ時間及びＯＦＦ時間を切り替えてスイッチング周波数を低減化することは困難であった。更に、自励式のスイッチング電源回路は、軽負荷になると発振周波数が上昇しスイッチング損失が大きくなるため、待機時の内部損失が大きくなることが課題であった。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、回路構成の簡単な自励式スイッチング電源装置において負荷機器の待機時にも内部損失を低減化できる自励式スイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる自励式スイッチング電源装置は、トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスの２次側に通常出力に使用される巻線から発生する電圧を検出する電圧検出部を設け、前記電圧検出部を介して前記スイッチング素子にフィードバックして出力電圧を一定電圧に制御する自励式スイッチング電源装置において、前記通常出力に使用される巻線とは別に巻線を設け、前記別の巻線の一端は前記通常出力に使用される巻線の一端に接続し、前記別の巻線の他端はダイオードとスイッチを介して前記通常出力に使用される巻線から整流平滑された直流点に接続し、前記スイッチは、負荷機器の待機時に前記負荷機器側から得られる信号によって導通させ、前記通常出力に使用される巻線からの出力と前記別の巻線からの出力との出力和を出力させ、前記出力和の電圧を前記電圧検出部で検出して、前記フィードバックを行い定電圧制御出力することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係わる自励式スイッチング電源装置は、トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスに供給される直流入力電圧から前記スイッチング素子に起動電流を供給する起動回路を有し、前記トランスに発生する電圧を前記スイッチング素子にフィードバックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源装置において、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器からパルス信号が供給され、前記パルス信号がハイレベルのときには前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、前記パルス信号がローレベルになると、前記起動回路からの起動電流により前記スイッチング素子が起動し通常の発振動作を行うことによって、前記スイッチング電源装置の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係わる自励式スイッチング電源装置は、トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスに供給される直流入力電圧から前記スイッチング素子に起動電流を供給する起動回路を有し、前記トランスに発生する電圧を前記スイッチング素子にフィードバックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源装置において、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器からパルス信号が供給され、前記パルス信号がローレベルのときには前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、前記パルス信号がハイレベルになると、前記起動回路からの起動電流により前記スイッチング素子が起動し通常の発振動作を行うことによって、前記スイッチング電源装置の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係わる自励式スイッチング電源装置は、請求項２及び請求項３の自励式スイッチング電源装置において、前記スイッチング素子の制御端子とＧＮＤ間にトランジスタを設け、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器から供給されるパルス信号がフォトカプラを介して前記トランスの１次側に伝送され、前記フォトカプラの出力であるフォトトランジスタの出力が前記トランジスタのベースに入力され、前記パルス信号によって前記スイッチング素子の制御端子をオン／オフさせ、前記スイッチング電源の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係わる自励式スイッチング電源装置は、請求項２及び請求項３の自励式スイッチング電源装置において、前記スイッチング素子の制御端子とＧＮＤ間にトランジスタを設け、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器から供給されるパルス信号がパルストランスを介して前記トランスの１次側に伝送され、前記パルストランスの出力が前記トランジスタのベースに入力され、前記パルス信号によって前記スイッチング素子の制御端子をオン／オフさせ、前記スイッチング電源の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第１の実施の形態を示す回路図である。図１において１次側は典型的な自励式スイッチング電源の回路であり、直流入力電圧Ｖｉｎが端子１ａ−１ｂ間に印加されると、起動抵抗Ｒ１からスイッチングトランジスタＱ１のベース電流が供給され、該スイッチングトランジスタＱ１がオンしてトランスＴの１次巻線Ｎｐ１に入力電圧Ｖｉｎが印加されて電流が流れ始める。トランスＴの各巻線Ｎｐ２、Ｎｓ１、Ｎｓ２には１次巻線Ｎｐ１との巻数比に応じた電圧が誘起され、１次側のＮｐ２巻線に発生した電圧は、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ２及びダイオードＤ１を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに順バイアス或いは逆バイアスを与えてスイッチングトランジスタＱ１を駆動する。即ち、１次巻線Ｎｐ１に発生した電圧がＮｐ２巻線、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ２及びダイオードＤ１を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに帰還し、スイッチングトランジスタＱ１に自励発振を持続させるように作用する。
【００１７】
スイッチングトランジスタＱ１の自励発振に伴って誘起された２次巻線Ｎｓ１の電圧は、ダイオードＤ３、平滑コンデンサＣ４によって整流平滑され、出力電圧Ｖｏとして出力端子２ａ−２ｂから図示しない負荷機器に供給される。ここで、シャントレギュレータＩＣ１は、抵抗Ｒ６、Ｒ７で検出した出力電圧に応じた制御信号を発生させる。そして、制御信号は、フォトカプラＰＣ１を介して伝送され、トランジスタＱ２のベースに入力される。トランジスタＱ２は、制御信号に応じてスイッチングトランジスタＱ１のバイアス電流を変化させ、これにより定電圧制御動作を行う。
【００１８】
ここで、スイッチングトランジスタＱ１のスイッチング周波数、つまり、この自励式スイッチング電源回路の発振周波数ｆは、トランスＴの１次巻線Ｎｐ１のインダクタンスをＬｐ、入力電力をＰｉｎとすると、以下の式で表される。
ｆ＝[１／(2Lp・Pin)]×〔Vin2／[１+(Ns1／Np1)・(Vin／Vo)]2〕
…（１）
但し、トランスＴのロスは無視している。
【００１９】
上式（１）より、発振周波数は、入力電圧Ｖｉｎが一定ならば入力電力Ｐｉｎが最大時、つまり負荷電流が定格時（最大時）に最小となり、負荷機器の待機時のような負荷電流が最小のとき最大となる。このような関係式から自励式スイッチング電源の設計をする場合、一般的にトランスの巻線数及びインダクタンス値は、発振周波数が最大負荷時に可聴周波数（約２０ｋＨｚ）以上となるように決められている。従って、この関係式から負荷機器の待機時には発振周波数が２００ｋＨｚから３００ｋＨｚ以上となってしまう。
【００２０】
ところで、軽負荷時の内部損失は、スイッチングトランジスタＱ１のスイッチング損失が支配的になり、発振周波数に比例した内部損失が発生する。従って、待機時の損失を低減するためには、発信周波数を低下させてスイッチングトランジスタＱ１のスイッチングロスを減らすことが最も効果的である。
【００２１】
本発明は、上記の動作を自励式のスイッチング電源で実現する回路を提案するものである。
【００２２】
以下に図１で示した回路を説明する。
【００２３】
トランスＴの２次側に通常動作時に使用される巻線Ｎｓ１とは別に巻線Ｎｓ２を設け、一端をＮｓ１巻線と接続し、他端はダイオードＤ４とトランジスタＱ３を介してダイオードＤ３、コンデンサＣ４の整流平滑点に接続する。トランジスタＱ３のオン／オフは、負荷機器から供給される待機信号（Ｓｔｂｙ）によって切り替えられ、通常動作時は待機信号が「ロー」であり、トランジスタＱ４がオフし、トランジスタＱ３もオフしている。従って、巻線Ｎｓ２及びダイオードＤ４は、開放された状態となり、出力には巻線Ｎｓ１に発生した電圧がダイオードＤ３、コンデンサＣ４で整流平滑されて出力される。一方、負荷機器が待機時には該負荷機器からの待機信号が「ハイ」となり、トランジスタＱ４が導通し、トランジスタＱ３がオンする。すると、巻線Ｎｓ１に誘起された電圧に巻線Ｎｓ２に誘起された電圧が加算され、ダイオードＤ４、コンデンサＣ４で整流平滑されて出力される。このときダイオードＤ３は、オフしている。
【００２４】
従って、通常動作時はトランスＴの２次巻線は、Ｎｓ１となり、待機時にはトランスＴの２次巻線は、Ｎｓ１＋Ｎｓ２となる。また、出力電圧検出部は同一であるので、出力電圧は、通常動作時、待機時とも変化せず一定電圧Voとなる。ここで、待機時の発振周波数は、
ｆ'＝[１／(2Lp・Pin)]×〔Vin2／[１+(Ns1+Ns2)／Np1)・(Vin／Vo)]2〕
…（２）
となり、（１）式の場合、つまり、通常動作時に比べて周波数を低下させることができる。
【００２５】
一例として、Ｌｐ＝５００μＨ、Ｖｉｎ＝１４０Ｖ、Ｖｏ＝６Ｖ、Ｎｐ１＝６０ターン、Ｎｓ１＝１０ターン、Ｎｓ２＝２０ターンであるとき、通常動作時に入力電力４０Ｗとすると、周波数ｆ(40W)＝２０ｋＨｚ、入力電力２Ｗの時には周波数ｆ(2W)＝４１０ｋＨｚとなるのに対して、待機信号（Ｓｔｂｙ）が「ハイ」となると、入力電力２Ｗの時には周波数ｆ’(2W)＝６１ｋＨｚと、通常の約１／７に低減することができる。つまり、スイッチングトランジスタＱ１でのスイッチング損失も１／７に低減することができ、待機時電力の低減を実現することができる。
【００２６】
また、本発明の回路では、以上説明してきた待機時のスイッチング周波数を低下させる動作を２次側の回路のみで実現でき、従来の制御ＩＣを使用したＰＷＭ制御方式のように待機信号を１次側に伝送するフォトカプラ等を使用しなくてよい。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第２の実施の形態を示す回路図である。尚、図２において図１と同一の回路素子には同一の符号を付してある。図２に示す回路の１次側は、第１の実施の形態と同じ自励式の回路であり、２次側が出力２系統を持つ多出力スイッチング電源回路である。第１の出力は、トランスＴの２次巻線Ｎｓ１及びNｓ２に誘起された電圧がダイオードＤ４、平滑コンデンサＣ５によって整流平滑され、出力電圧ＶｏHとして出力端子３ａ−３ｂから負荷機器に供給される。ここで、シャントレギュレータＩＣ１は、抵抗Ｒ６、Ｒ７で検出した出力電圧に応じた制御信号を発生させる。そして、この制御信号は、フォトカプラＰＣ１を介して伝送され、トランジスタＱ２のベースに入力される。トランジスタＱ２は、前記制御信号に応じてスイッチングトランジスタＱ１のバイアス電流を変化させ、これにより、定電圧制御動作を行う。第２の出力は、トランスＴの２次巻線Ｎｓ１に誘起された電圧がダイオードＤ３、平滑コンデンサＣ４によって整流平滑され、概ね安定化された電圧となり、シリーズレギュレータＩＣ２とコンデンサＣ２で安定化された出力電圧ＶｏLとして出力端子４ａ−４ｂから負荷機器に供給される。以上が通常時の動作であり、発信周波数は、
【００２８】
負荷機器の待機時には該負荷機器からの待機信号（Ｓｔｂｙ）が「ハイ」となり、トランジスタＱ４が導通し、トランジスタＱ３はオンする。すると、第２の出力側のシリーズレギュレータＩＣ２の入力電圧は、第１の出力電圧となると同時に、出力電圧検出部のトランジスタＱ５がオンしてシャントレギュレータＩＣ１に入力される出力電圧の抵抗分圧比が変化して、第１の出力電圧が変化する。ここで、抵抗Ｒ１０の値を適当に選び、第１の出力電圧が通常動作時のダイオードＤ３、コンデンサＣ４で整流平滑されたＩＣ２の入力電圧と略等しくなるようにする。このとき、第２の出力電圧は、ＶｏLで一定となるが、第１の出力電圧ＶｏH'は、ＶｏH'＝ＶｏH×Ｎｓ１／（Ｎｓ１＋Ｎｓ２）となり、発振周波数は、
【００２９】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第３の実施の形態を示す回路図である。尚、図３において図１と同一の回路素子には同一の符号を付してある。本実施の形態においては、待機信号は、パルス信号とされ、負荷機器のマイクロコンピュータから或る周波数の待機パルス信号がＳｔｂｙ端子に供給される。
【００３０】
図３においてデジタルトランジスタＱ７は、ベースがＳｔｂｙ端子に接続され、コレクタがフォトカプラＰＣ２の発光側フォトダイオード、抵抗Ｒ１４を介して端子２ａに接続され、エミッタが端子２ｂに接続されている。フォトカプラＰＣ２の受光側フォトトランジスタは、コレクタがトランスＴ１の帰還巻線Ｎｐ２に発生するスイッチング波形をダイオードＤ５とコンデンサＣ７とにより整流平滑した点に接続され、エミッタがデジタルトランジスタＱ６のベースに接続されている。デジタルトランジスタＱ６は、エミッタが１次側のＧＮＤに、コレクタがスイッチングトランジスタＱ１のベースにそれぞれ接続されている。
【００３１】
待機パルス信号は、デジタルトランジスタＱ７、及びフォトカプラＰＣ２を介して絶縁された１次側に伝送される。従って、待機パルス信号が「ハイ」レベル期間は、デジタルトランジスタＱ６がオンしてスイッチングトランジスタＱ１のベースを強制的に落としてスイッチング動作を停止させる。そして、待機パルス信号が「ハイ」レベルから「ロー」レベルになると、デジタルトランジスタＱ６はオフし、スイッチングトランジスタＱ１は、ベースに起動抵抗Ｒ１を介して流れ込む起動電流によってオン電圧（約０.７Ｖ）に上昇するまでの起動期間の経過後にスイッチング動作が再開する。つまり、スイッチング動作は、間欠的に行われ、スイッチング動作が停止している期間及び起動期間は、スイッチング損失が無くなる。
【００３２】
待機時には、負荷電流はマイコン等で消費されるごく僅かな電流であるため、間欠発振によって生じる電圧リップルは、２次側の平滑コンデンサＣ４によって許容電圧変動内の一定電圧に保たれている。ここで、待機パルス信号の周波数及びデューティは、待機時の負荷電流及びスイッチングの起動期間を考慮し、電圧リップルが許容電圧範囲内に入るように設定する。
【００３３】
以上の動作を図４、図５に示す。図４は、図３の回路において通常動作から待機状態になるときのスイッチング動作を示す波形図、図５は、図４の待機状態の拡大図である。
【００３４】
図４、図５において、Ａは待機パルス信号、ＢはスイッチングトランジスタＱ１のベース電圧波形、ＣはスイッチングトランジスタＱ１のコレクタ電圧波形である。図４において、通常動作期間は（１）式に示した発振周波数で連続的にスイッチング動作を行っている。待機状態になり、待機パルス信号Ａが「ハイ」レベルになるとスイッチングトランジスタＱ１のベース電圧Ｂはゼロとなり、発振動作（トランジスタＱ１のコレクタ電圧波形Ｃ）は停止する。待機パルス信号Ａが「ロー」レベルになると、起動期間を経てスイッチング動作が再開し、間欠発振動作を繰り返す。間欠発振の周波数は、待機パルス信号の周波数となるが、発振停止期間のデューティは、待機パルス信号のオン時間プラス起動期間となる。従って、スイッチング損失は、発振停止期間では発生せず、待機時のスイッチング電源装置の内部損失を大幅に削減することが可能となる。
【００３５】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第４の実施の形態を示す回路図である。尚、図６において図３と同一の回路素子には同一の符号を付してある。本実施の形態においても第３の実施の形態の場合と同様に待機信号は、パルス信号とされ、負荷機器のマイクロコンピュータから或る周波数の待機パルス信号がＳｔｂｙ端子に供給される。
【００３６】
図６において、待機パルスは、デジタルトランジスタＱ７、及びパルストランスＴ２を介して１次側に伝送される。パルストランスＴ２は、１次側の一端が１次側のＧＮＤレベルに接続され、他端がデジタルトランジスタＱ６のベースに入力される。このような回路構成においても、回路動作としては、図３に示した第３の実施の形態の場合と同様である。尚、負荷機器から供給される待機パルス信号の極性が反対の場合でも、トランジスタ１個を用いて反転させることにより、同様の間欠発振を行う動作を実現することができる（図示せず）。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の自励式スイッチング電源装置によれば、別の巻線の一端は通常出力に使用される巻線の一端に接続し、別の巻線の多端はダイオードとスイッチを介して通常出力に使用される巻線から整流平滑された直流点に接続し、通常出力に使用される巻線からの出力と別の巻線からの出力との出力和を出力させ、この出力和の電圧を電圧検出部で検出して、フィードバックを行い定電圧制御出力するので、待機時のスイッチング周波数を低下させる動作を２次側の回路のみで実現でき、回路構成の簡単な自励式スイッチング電源装置において負荷機器の待機時にも内部損失を低減化できる自励式スイッチング電源装置を提供することができる。
【００３９】
また、請求項２乃至５の自励式スイッチング電源装置によれば、スイッチング電源装置の停止起動による間欠動作の周期と時比率をパルス信号によって直接制御するので、回路構成の簡単な自励式スイッチング電源装置において負荷機器の待機時にも内部損失を低減化できる自励式スイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第１の実施の形態を示す回路図である。
【図２】本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第２の実施の形態を示す回路図である。
【図３】本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第３の実施の形態を示す回路図である。
【図４】図３の回路において通常動作から待機状態になるときのスイッチング動作を示す波形図である。
【図５】図４の待機状態の拡大図である。
【図６】本発明に係わる自励式スイッチング電源装置の第４の実施の形態を示す回路図である。
【図７】従来のスイッチング電源装置の回路図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ 入力端子
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ 出力端子
Ｃ１〜Ｃ７ コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ１４ 抵抗
Ｄ１〜Ｄ５ ダイオード
Ｑ１ スイッチングトランジスタ
Ｑ２〜Ｑ５ トランジスタ
Ｑ６、Ｑ７ デジタルトランジスタ
ＤＺ１ 定電圧ダイオード
ＰＣ１、ＰＣ２ フォトカプラの発光ダイオード
ＰＣ１’、ＰＣ２’ フォトカプラのフォトトランジスタ
ＩＣ１ シャントレギュレータ
ＩＣ２ シリーズレギュレータ
Ｔ、Ｔ１ トランス
Ｎｐ１ １次巻線
Ｎｐ２ １次バイアス巻線
Ｎｓ１、Ｎｓ２、Ｎｓ ２次巻線
Ｔ２ パルストランス
Claims (5)
- トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスの２次側に通常出力に使用される巻線から発生する電圧を検出する電圧検出部を設け、前記電圧検出部を介して前記スイッチング素子にフィードバックして出力電圧を一定電圧に制御する自励式スイッチング電源装置において、
前記通常出力に使用される巻線とは別に巻線を設け、前記別の巻線の一端は前記通常出力に使用される巻線の一端に接続し、前記別の巻線の他端はダイオードとスイッチを介して前記通常出力に使用される巻線から整流平滑された直流点に接続し、前記スイッチは、負荷機器の待機時に前記負荷機器側から得られる信号によって導通させ、前記通常出力に使用される巻線からの出力と前記別の巻線からの出力との出力和を出力させ、前記出力和の電圧を前記電圧検出部で検出して、前記フィードバックを行い定電圧制御出力することを特徴とする自励式スイッチング電源装置。 - トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスに供給される直流入力電圧から前記スイッチング素子に起動電流を供給する起動回路を有し、前記トランスに発生する電圧を前記スイッチング素子にフィードバックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源装置において、
負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器からパルス信号が供給され、前記パルス信号がハイレベルのときには前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、前記パルス信号がローレベルになると、前記起動回路からの起動電流により前記スイッチング素子が起動し通常の発振動作を行うことによって、前記スイッチング電源装置の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする自励式スイッチング電源装置。 - トランスの１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、前記トランスに供給される直流入力電圧から前記スイッチング素子に起動電流を供給する起動回路を有し、前記トランスに発生する電圧を前記スイッチング素子にフィードバックして自励発振を行わせる自励式スイッチング電源装置において、
負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器からパルス信号が供給され、前記パルス信号がローレベルのときには前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、前記パルス信号がハイレベルになると、前記起動回路からの起動電流により前記スイッチング素子が起動し通常の発振動作を行うことによって、前記スイッチング電源装置の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする自励式スイッチング電源装置。 - 請求項２及び請求項３の自励式スイッチング電源装置において、
前記スイッチング素子の制御端子とＧＮＤ間にトランジスタを設け、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器から供給されるパルス信号がフォトカプラを介して前記トランスの１次側に伝送され、前記フォトカプラの出力であるフォトトランジスタの出力が前記トランジスタのベースに入力され、前記パルス信号によって前記スイッチング素子の制御端子をオン／オフさせ、前記スイッチング電源の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする自励式スイッチング電源装置。 - 請求項２及び請求項３の自励式スイッチング電源装置において、
前記スイッチング素子の制御端子とＧＮＤ間にトランジスタを設け、負荷機器が待機状態となるとき、前記負荷機器から供給されるパルス信号がパルストランスを介して前記トランスの１次側に伝送され、前記パルストランスの出力が前記トランジスタのベースに入力され、前記パルス信号によって前記スイッチング素子の制御端子をオン／オフさせ、前記スイッチング電源の停止起動による間欠動作の周期と時比率を前記パルス信号によって直接制御することを特徴とする自励式スイッチング電源装置。
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