JP4097543B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特に、複数のDC/DCコンバータ回路が直列に接続された多段構成のスイッチング電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、スイッチング電源装置の一種としていわゆるDC/DCコンバータ回路が知られている。代表的なDC/DCコンバータ回路は、スイッチング回路を用いて直流入力を一旦交流に変換した後、トランスを用いてこれを変圧(昇圧または降圧)し、さらに、出力回路を用いてこれを再び直流に変換する装置であり、これによって入力電圧とは異なる電圧を持った直流出力を得ることができる。
【0003】
このような1つのDC/DCコンバータ回路のみからなる通常のスイッチング電源装置に対し、近年、2つのDC/DCコンバータ回路を直列に接続したタイプのスイッチング電源装置が提案されている(非特許文献1参照)。直列接続する2つのDC/DCコンバータ回路としては、例えば、前段にバックコンバータ回路等の非絶縁型DC/DCコンバータ回路、後段にハーフブリッジコンバータ回路等の絶縁型DC/DCコンバータ回路を用い、前段の非絶縁型DC/DCコンバータ回路の出力を安定化制御する一方、後段の絶縁型DC/DCコンバータ回路に含まれるスイッチング素子のデューティをある決まった量に固定することによって、最終的な出力電圧を所望のレベルに安定させることができる。このような構成を採用すれば、出力電圧として比較的低い電圧を高効率且つ安定的に得ることができるので、例えばコンピュータ用の電源装置として好適である。
【0004】
【非特許文献1】
IEEEのAPEC[Applied Power Electronics Conference]2001のP.Alouらの論文「Buck+Half Bridge(d =50%)Topology Applied to very Low Voltage Power Converters」
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の2段構成のスイッチング電源装置は、1段構成である通常のスイッチング電源装置に比べて応答性が低いという問題があった。以下、その原因について説明する。
【0005】
図13は、従来の2段構成のスイッチング電源装置の等価回路図である。
【0006】
図13に示すように、2段構成のスイッチング電源装置は、パルスVinpの発生源と負荷RLoadが接続される出力端子との間に、2つのLCフィルタ回路が接続された等価回路で表すことができる。ここで、パルスVinpは1段目のDC/DCコンバータ回路(非特許文献1においてはバックコンバータ回路)に含まれるスイッチング素子によって生成されるパルス状の電力波形であり、インダクタンスL1は1段目のコンバータ回路を構成するインダクタである。また、キャパシタンスC1は2段目のDC/DCコンバータ回路(非特許文献1においてはハーフブリッジコンバータ回路)の1次側に設けられる2つのキャパシタの合成キャパシタンスであり、インダクタンスL2は2段目のDC/DCコンバータ回路の2次側に設けられる出力インダクタであり、キャパシタンスC2は2段目のDC/DCコンバータ回路の2次側に設けられる出力キャパシタである。
【0007】
このように、2段構成のスイッチング電源装置においては、2段のLCフィルタ回路が等価的に直列接続された状態となることから、1段構成である通常のスイッチング電源装置に比べ、1段目のLCフィルタ回路(インダクタンスL1及びキャパシタンスC1)が存在する分、高周波領域まで制御ゲインが上げられない。このため、スイッチング周波数を低く設定したり制御ゲインを低く設定する必要が生じ、これにより応答性を高めることが困難であった。
【0008】
したがって、本発明の目的は、複数のDC/DCコンバータ回路が直列に接続されたスイッチング電源装置であって、応答性が改善されたスイッチング電源装置を提供することである。
【0009】
一方、コンピュータ等は多数のデバイスによって構成され、これらのいくつかは互いに異なる動作電圧を有している場合がある。このため、例えばコンピュータ用の電源装置として従来の多段構成のスイッチング電源装置を採用した場合、DC/DCコンバータ回路の数が非常に多くなるという問題もあった。例えば、3種類の動作電圧が必要である場合に、従来の2段構成のスイッチング電源装置を用いると、DC/DCコンバータ回路の数は6個(=3×2)も必要となり、高集積化や低コスト化が困難となってしまう。
【0010】
したがって、本発明の他の目的は、複数のDC/DCコンバータ回路が直列に接続されたスイッチング電源装置であって、複数の動作電圧が必要である場合においてもコンバータ数の増大を抑制可能なスイッチング電源装置を提供することである。
【0011】
また、スイッチング電源装置において最大出力電流を増加させる目的やひとつのコンバータが破損しても電源システムが停止しないようにする目的等で複数のスイッチング電源装置が並列に設けられることがある。この場合、スイッチング電源装置全体の信頼性を高めるためには、並列接続された各スイッチング電源装置の出力電流値が互いにほぼ等しくなるよう制御する事が望ましい。
【0012】
したがって、本発明のさらに他の目的は、並列に接続された複数のDC/DCコンバータ回路と、これら複数のDC/DCコンバータ回路に対して直列接続されたDC/DCコンバータ回路を備えるスイッチング電源装置において、並列接続された複数のDC/DCコンバータ回路の出力電流をほぼ均等化することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるスイッチング電源装置は、並列接続された絶縁型である複数の第1のDC/DCコンバータ回路と、各第1のDC/DCコンバータ回路に対して共通に従属接続された非絶縁型の第2のDC/DCコンバータ回路とを備えたスイッチング電源装置であって、前記第1のDC/DCコンバータ回路がトランスの1次側から2次側へ電力を連続的に伝送する機能を有し、前記第2のDC/DCコンバータ回路が出力電圧を安定化させる機能を有するとともに、前記複数の第1のDC/DCコンバータ回路のうちのいずれかが、前記トランスの2次側に設けられた同期整流回路を有しており、前記同期整流回路の動作状態を変化させることによって出力インピーダンスの調整を行い、該第1のDC/DCコンバータ回路の出力電流と他の第1のDC/DCコンバータ回路の出力電流との差を検出する第1の手段と、前記第1の手段による検出結果に基づいて出力インピーダンスの調整を行う第2の手段とを備えていることを特徴とする。
【0014】
本発明によれば、高周波領域まで制御ゲインを上げられることから高い応答性を実現することができ、また、第1及び第2のDC/DCコンバータ回路においてデューティを高く設定することができることから高い変換効率を得ることが可能となる。また、第1のDC/DCコンバータ回路において、トランスの1次側から2次側へ電力が連続的に伝送されるので、第1のDC/DCコンバータ回路の出力はパルス状とならず、このため、パルス状の電圧を平滑化するためのチョークコイルを排除することができる。さらに、複数の第1のDC/DCコンバータ回路を並列接続しているので、容易に最大出力電流を増加させることができる。また、第1のDC/DCコンバータ回路のひとつが停止した場合でも電源装置全体が停止することがないので、高い信頼性を得ることができる。
【0015】
本発明において、前記複数の第1のDC/DCコンバータ回路のうちいずれかは、出力インピーダンスの調整機能を有し、好ましくは、いずれも出力インピーダンスの調整機能を有している。出力インピーダンスの調整機能を用いて各第1のDC/DCコンバータ回路の出力電流値をほぼ等しく設定すれば、スイッチング電源装置全体の信頼性を大幅に高めることが可能となる。出力インピーダンスの調整方法としては、同期整流回路の動作状態を変化させることによって行うことが好ましい。具体的には、同期整流回路のデューティを変化させることによってこれを行うことができ、また、同期整流回路に含まれる整流スイッチへの制御電圧を変化させることによってこれを行うことができる。
【0016】
本発明において、前記複数の第1のDC/DCコンバータ回路のいずれかは、好ましくは、いずれもが、該第1のDC/DCコンバータ回路の出力電流と他の第1のDC/DCコンバータ回路の出力電流との差を検出する第1の手段と、前記第1の手段による検出結果に基づいて出力インピーダンスの調整を行う第2の手段とを備えている。この場合、前記第1の手段は、該第1のDC/DCコンバータ回路の出力平均電流と他の第1のDC/DCコンバータ回路の出力平均電流との差を検出するものであることが好ましい。このようにして、ある第1のDC/DCコンバータ回路の出力電流が他の第1のDC/DCコンバータ回路の出力電流よりも多いことが検出された場合に、該第1のDC/DCコンバータ回路の出力インピーダンスを高めれば、出力電流のアンバランスを速やかに解消することが可能となる。
【0017】
また、本発明においては、前記第2のDC/DCコンバータ回路を複数個備えることが可能である。この場合、従来に比べてDC/DCコンバータ回路の数を大幅に削減することができるので、高集積化や低コスト化を実現することが可能となる。
【0018】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第1のDC/DCコンバータ回路は、前記トランスの1次側に設けられたスイッチング回路を備えており、少なくとも通常動作状態においては、前記スイッチング回路のデューティが固定される。この場合、前記スイッチング回路は、少なくとも一つのメインスイッチと、前記メインスイッチに並列接続された共振用コンデンサとを備えていることが好ましい。このような共振用コンデンサを設ければ、デューティをある程度低く設定しても、トランスの1次側から2次側への連続的な電力伝送を実現することが可能となる。
【0019】
本発明の好ましい他の実施の形態においては、動作開始直後の状態及び出力電流が過電流である状態の少なくとも一方である場合に、前記スイッチング回路のデューティを前記通常動作状態におけるデューティよりも低い値に固定する。ここで、前記低い値とは、前記メインスイッチがターンオンした後、前記トランスの1次巻線に印加される電圧が入力電圧に達しない期間において前記メインスイッチがターンオフする値であることことが好ましい。ここでいう「トランスの1次巻線」とは、純粋にトランスの1次巻線を指し、リーケージインダクタンスや配線の寄生インダクタンスは含まれない。これによれば、第1のDC/DCコンバータ回路の入力電源端子に接続される直流電源を突入電流から保護したり、過電流状態から本スイッチング電源装置を保護することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明によるスイッチング電源装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。図1に示すように、本発明の基本構成によるスイッチング電源装置は、一対の入力電源端子1,2と一対の中間電源端子3,4との間に接続された絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10と、一対の中間電源端子3,4と一対の出力電源端子5,6との間に接続された非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20とを備えて構成される。絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10は前段のDC/DCコンバータ回路を構成し、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20は後段のDC/DCコンバータ回路を構成している。
【0021】
絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10とは、中間電圧Vpや出力電圧Voのフィードバックにより出力である中間電圧Vpを安定化制御しないDC/DCコンバータ回路であって、トランスにより入力電源端子1,2と中間電源端子3,4とが絶縁されているタイプのDC/DCコンバータ回路を指す。絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10としては、絶縁型である種々のDC/DCコンバータ回路、例えば、プッシュプルコンバータ回路、フォワードコンバータ回路、ハーフブリッジコンバータ回路や、フルブリッジコンバータ回路等を用いることができる。
【0022】
一方、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20とは、出力電圧Voをフィードバックすることによりこれを安定化制御するDC/DCコンバータ回路であって、中間電源端子3,4と出力電源端子5,6とが絶縁されていないタイプのDC/DCコンバータ回路を指す。非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20としては、非絶縁型である種々のDC/DCコンバータ回路、例えば、バックコンバータ回路等を用いることができる。
【0023】
このような構成によれば、出力電圧Voを安定化制御する制御ループに前段の絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10が含まれないことから、1段構成である通常のスイッチング電源装置と同様の高周波領域まで制御ゲインを上げることができ、このため高い応答性を実現することができる。また、通常、DC/DCコンバータ回路をPWM制御する場合、デューティが高い方が一般に損失が小さくなる。このため、上記基本構成のようにDC/DCコンバータ回路を2段構成とすれば、各DC/DCコンバータ回路においてデューティを高く設定することが可能となるので、1段構成である通常のスイッチング電源装置に比べて高い変換効率を得ることが可能となる。
【0024】
図2は、本発明をマルチ出力のスイッチング電源装置に適用した場合の基本構成を概略的に示すブロック図である。図2に示すスイッチング電源装置は、一対の入力電源端子1,2と一対の中間電源端子3,4との間に接続された絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10と、一対の中間電源端子3,4と複数対の出力電源端子5,6(出力電源端子5−1と6−1の対、出力電源端子5−2と6−2の対、出力電源端子5−3と6−3の対・・・)との間にそれぞれ接続された非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20(20−1,20−2,20−3・・・)とを備えて構成される。各出力電源端子5,6間(出力電源端子5−1と6−1の間、出力電源端子5−2と6−2の間、出力電源端子5−3と6−3の間・・・)には、それぞれ異なる出力電圧Vo(出力電圧Vo1,Vo2,Vo3・・・)が現れ、それぞれ対応する動作電圧を有するデバイスが接続される。
【0025】
絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10としては、上述の通り、絶縁型である種々のDC/DCコンバータ回路を用いることができ、各非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20(20−1,20−2,20−3・・・)についても、上述の通り、非絶縁型である種々のDC/DCコンバータ回路を用いることができる。各非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20(20−1,20−2,20−3・・・)は、全て同一構成を有するDC/DCコンバータ回路であっても構わないし、その一部又は全部が互いに異なる構成を有するDC/DCコンバータ回路であっても構わない。
【0026】
図2に示すように、本発明をマルチ出力のスイッチング電源装置に適用すれば、従来に比べてDC/DCコンバータ回路の数を大幅に削減することができる。例えば、従来の2段構成のスイッチング電源装置において3種類の出力電圧(Vo1,Vo2,Vo3)を生成する場合、DC/DCコンバータ回路の数は6個(=3×2)も必要となるが、本発明によれば4個(=1+3)で済む。このため、高集積化や低コスト化を実現することが可能となる。
【0027】
図3は、本発明をマルチ出力のスイッチング電源装置に適用し、さらに、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路を並列に設けた場合の基本構成を概略的に示すブロック図である。図3に示すスイッチング電源装置は、一対の入力電源端子1,2と一対の中間電源端子3,4との間に並列に接続された複数の絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2,10−3・・・)と、一対の中間電源端子3,4と複数対の出力電源端子5,6(出力電源端子5−1と6−1の対、出力電源端子5−2と6−2の対、出力電源端子5−3と6−3の対・・・)との間にそれぞれ接続された非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20(20−1,20−2,20−3・・・)とを備えて構成される。各出力電源端子5,6間(出力電源端子5−1と6−1の間、出力電源端子5−2と6−2の間、出力電源端子5−3と6−3の間・・・)には、それぞれ異なる出力電圧Vo(出力電圧Vo1,Vo2,Vo3・・・)が現れ、それぞれ対応する動作電圧を有するデバイスが接続される。
【0028】
本例においても、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2,10−3・・・)としては、絶縁型である種々のDC/DCコンバータ回路を用いることができ、各非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20(20−1,20−2,20−3・・・)としては、非絶縁型である種々のDC/DCコンバータ回路を用いることができる。各非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20(20−1,20−2,20−3・・・)は、全て同一構成を有するDC/DCコンバータ回路であっても構わないし、その一部又は全部が互いに異なる構成を有するDC/DCコンバータ回路であっても構わない。
【0029】
図3に示すように、本発明をマルチ出力のスイッチング電源装置に適用し、さらに、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路を並列に設ければ、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2,10−3・・・)により出力電流が供給されるので大型のコンバータを用いることなく、出力定格値を高めることが可能となる。また安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2,10−3・・・)のうちいずれかが停止した場合でも他のコンバータから電流が供給されるので電源装置全体の停止には至らないので信頼性の向上につながる。この場合、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2,10−3・・・)の出力電流値が互いにほぼ等しくなるよう制御すれば、スイッチング電源装置全体の信頼性を大幅に高めることが可能となる。これを実現する方法については後述する。
【0030】
図4は、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として使用可能なプッシュプルコンバータ回路の回路図である。
【0031】
図4に示すプッシュプルコンバータ回路は、トランス100と、トランス100の1次側に設けられたスイッチング回路110と、トランス100の2次側に設けられた出力回路120とを備えている。スイッチング回路110は、トランス100の1次巻線101の一端と入力電源端子2との間に接続されたメインスイッチQ11と、トランス100の1次巻線101の他端と入力電源端子2との間に接続されたメインスイッチQ12とを備えており、入力電源端子1はトランス100の1次巻線101のセンタータップに接続されている。また、出力回路120は、トランス100の2次巻線102の一端と中間電源端子3との間に接続された整流スイッチQ13と、トランス100の2次巻線102の他端と中間電源端子3との間に接続された整流スイッチQ14と、整流スイッチQ13に並列接続された整流ダイオードCR11と、整流スイッチQ14に並列接続された整流ダイオードCR12と、中間電源端子3,4間に接続された出力コンデンサC13とを備えており、中間電源端子4はトランス100の2次巻線102のセンタータップに接続されている。
【0032】
メインスイッチQ11,Q12は、駆動回路111による制御のもとデッドタイムをはさんで交互にオン状態とされ、整流スイッチQ13,Q14は、駆動回路121による制御のもとメインスイッチQ11,Q12のオン/オフに同期して交互にオン状態とされる。図4に示すプッシュプルコンバータ回路にはチョークコイルが設けられていないことから、これにより中間電源端子3,4間には、入力電源端子1,2間に供給される入力電圧Vi及びトランス100の巻数比により決まる中間電圧Vpが現れる。
【0033】
ここで、メインスイッチQ11,Q12のデューティはある決まった値に固定される。このため、図4に示すプッシュプルコンバータ回路は中間電圧Vpを安定化制御することはできず、入力電圧Viが変動するとこれに応じて中間電圧Vpも変動してしまう。つまり、図4に示すプッシュプルコンバータ回路は、「絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路」である。
【0034】
具体的なデューティについては特に限定されるものではないが、図4に示すプッシュプルコンバータ回路にはチョークコイルが設けられていないことから、中間電圧Vpを直流とするためには、少なくともトランス100の1次側から2次側へ電力を連続的に伝送する必要がある。「連続的に伝送」とは、1次側から2次側への電力伝送が中断する(ゼロになる)期間がなく、常にトランス100の1次巻線101に電流が流れている状態を意味する。
【0035】
このような連続的な電力伝送は、メインスイッチQ11,Q12のデューティ(全期間に対して、メインスイッチQ11又はQ12がオンしている期間の比率)を実質的に50%に設定することによって実現可能である。メインスイッチQ11,Q12のデューティを実質的に50%に設定すれば、デッドタイムを除きメインスイッチQ11,Q12のいずれかが必ずオン状態となることから、トランス100の1次側から2次側へ電力が連続的に伝送されることになる。
【0036】
また、デッドタイム期間においても、寄生インダクタンス成分L11とメインスイッチQ11に並列な寄生容量成分C11及びメインスイッチQ12に並列な寄生容量成分C12による共振により、トランス100の1次巻線101に流れる電流はすぐにゼロとはならず、ある傾きをもって漸減する。このため、連続的な電力伝送を実現することができる。このことは、寄生インダクタンス成分L11、寄生容量成分C11及び寄生容量成分C12による共振電流をトランス100の1次巻線101に流せる限度において、メインスイッチQ11,Q12のデューティを実質的に50%未満に設定可能であることを意味する。つまり、メインスイッチQ11,Q12の両方がオフする期間がある程度長くても、共振電流により連続的な電力伝送を実現することが可能である。具体的には、メインスイッチQ11,Q12に対して並列に共振用コンデンサを付加することにより、トランス100の1次巻線101に共振電流が流れる期間を積極的に長くしたり、メインスイッチQ11,Q12のスイッチング周波数を高く設定したりすれば、メインスイッチQ11,Q12のデューティを例えば30%程度に設定した場合であっても、連続的な電力伝送を実現することが可能である。
【0037】
図5は、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として使用可能なフォワードコンバータ回路の回路図である。
【0038】
図5に示すフォワードコンバータ回路は、トランス200と、トランス200の1次側に設けられたスイッチング回路210と、トランス200の2次側に設けられた出力回路220とを備えている。スイッチング回路210は、トランス200の1次巻線201の一端と入力電源端子2との間に接続されたメインスイッチQ21を備えており、入力電源端子1はトランス200の1次巻線201の他端に接続されている。また、出力回路220は、トランス200の2次巻線102の一端と中間電源端子4との間に接続された整流スイッチQ22と、整流スイッチQ22に並列接続された整流ダイオードCR21と、中間電源端子3,4間に接続された出力コンデンサC22とを備えており、中間電源端子3はトランス200の2次巻線202の他端に接続されている。
【0039】
メインスイッチQ21は、駆動回路211による制御のもと、ある決まったデューティ(全期間に対して、メインスイッチQ21がオンしている期間の比率)でスイッチングし、整流スイッチQ22は、駆動回路221による制御のもとメインスイッチQ21に同期してスイッチングする。図5に示すフォワードコンバータ回路にはチョークコイルが設けられていないことから、これにより中間電源端子3,4間には、入力電源端子1,2間に供給される入力電圧Vi及びトランス200の巻数比により決まる中間電圧Vpが現れる。メインスイッチQ21のデューティは、上述の通り、ある決まった値に固定されていることから、図4に示したコンバータ回路と同様、中間電圧Vpを安定化制御することはできない。つまり、図5に示すフォワードコンバータ回路も「絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路」である。
【0040】
図5に示すフォワードコンバータ回路においてもチョークコイルが設けられていないことから、中間電圧Vpを直流とするためには、トランス200の1次側から2次側へ電力を連続的に伝送する必要がある。このような連続的な電力伝送は、メインスイッチQ21のデューティをほぼ100%に設定することによって実現可能である。また、メインスイッチQ21がオフしている期間においても、寄生インダクタンス成分L21とメインスイッチQ21に並列な寄生容量成分C21による共振により、トランス200の1次巻線201に流れる電流はすぐにゼロとはならず、ある傾きをもって漸減する。したがって、寄生インダクタンス成分L21と寄生容量成分C21による共振電流をトランス200の1次巻線201に流せる限度において、メインスイッチQ21のデューティを小さく設定しても構わない。具体的には、メインスイッチQ21に対して並列に共振用コンデンサを付加したり、メインスイッチQ21のスイッチング周波数を高く設定することにより、メインスイッチQ21のデューティを例えば60%程度に設定することが可能である。
【0041】
図6は、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として使用可能なハーフブリッジコンバータ回路の回路図である。
【0042】
図6に示すハーフブリッジコンバータ回路は、トランス300と、トランス300の1次側に設けられたスイッチング回路310と、トランス300の2次側に設けられた出力回路320とを備えている。スイッチング回路310は、入力電源端子1,2間に直列に接続された入力コンデンサC31,C32と、入力電源端子1,2間に直列に接続されたメインスイッチQ31,Q32とを備えており、トランス300の1次巻線301の一端は入力コンデンサC31及びC32の接続点A1に接続されており、トランス300の1次巻線301の他端はメインスイッチQ31及びQ32の接続点B1に接続されている。また、出力回路320は、図4に示した出力回路120と同様の構成を有しており、トランス300の2次巻線302の一端と中間電源端子3との間に接続された整流スイッチQ33と、トランス300の2次巻線302の他端と中間電源端子3との間に接続された整流スイッチQ34と、整流スイッチQ33に並列接続された整流ダイオードCR31と、整流スイッチQ34に並列接続された整流ダイオードCR32と、中間電源端子3,4間に接続された出力コンデンサC35とを備えており、中間電源端子4はトランス300の2次巻線302のセンタータップに接続されている。
【0043】
メインスイッチQ31,Q32は、駆動回路311による制御のもとデッドタイムをはさんで交互にオン状態とされ、整流スイッチQ33,Q34は、駆動回路321による制御のもとメインスイッチQ31,Q32のオン/オフに同期して交互にオン状態とされる。図6に示すハーフブリッジコンバータ回路にはチョークコイルが設けられていないことから、これにより中間電源端子3,4間には、入力電源端子1,2間に供給される入力電圧Vi及びトランス300の巻数比により決まる中間電圧Vpが現れる。メインスイッチQ31,Q32のデューティ(全期間に対して、メインスイッチQ31又はQ32がオンしている期間の比率)はある決まった値に固定されており、このため図4及び図5に示したコンバータ回路と同様、中間電圧Vpを安定化制御することはできない。つまり、図6に示すハーフブリッジコンバータ回路も「絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路」である。
【0044】
図6に示すハーフブリッジコンバータ回路においてもチョークコイルが設けられていないことから、中間電圧Vpを直流とするためには、トランス300の1次側から2次側へ電力を連続的に伝送する必要がある。このような連続的な電力伝送は、メインスイッチQ31,Q32のデューティを実質的に50%に設定することによって実現可能である。また、メインスイッチQ31,Q32がオフしている期間においても、寄生インダクタンス成分L31とメインスイッチQ31に並列な寄生容量成分C33及びメインスイッチQ32に並列な寄生容量成分C34による共振により、トランス300の1次巻線301に流れる電流はすぐにゼロとはならず、ある傾きをもって漸減する。したがって、寄生インダクタンス成分L31と寄生容量成分C33,C34による共振電流をトランス300の1次巻線301に流せる限度において、メインスイッチQ31,Q32のデューティを小さく設定しても構わない。具体的には、メインスイッチQ31,Q32に対して並列に共振用コンデンサを付加したり、メインスイッチQ31,Q32のスイッチング周波数を高く設定することにより、メインスイッチQ31,Q32のデューティを例えば30%程度に設定することが可能である。
【0045】
図7は、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として使用可能なフルブリッジコンバータ回路の回路図である。
【0046】
図7に示すフルブリッジコンバータ回路は、トランス400と、トランス400の1次側に設けられたスイッチング回路410と、トランス400の2次側に設けられた出力回路420とを備えている。スイッチング回路410は、入力電源端子1,2間に直列に接続されたメインスイッチQ41,Q42と、入力電源端子1,2間に直列に接続されたメインスイッチQ43,Q44とを備えており、トランス400の1次巻線401の一端はメインスイッチQ41及びQ42の接続点A2に接続されており、トランス400の1次巻線401の他端はメインスイッチQ43及びQ44の接続点B2に接続されている。また、出力回路420は、図4に示した出力回路120及び図6に示した出力回路320と同様の構成を有しており、トランス400の2次巻線402の一端と中間電源端子3との間に接続された整流スイッチQ45と、トランス400の2次巻線402の他端と中間電源端子3との間に接続された整流スイッチQ46と、整流スイッチQ45に並列接続された整流ダイオードCR41と、整流スイッチQ46に並列接続された整流ダイオードCR42と、中間電源端子3,4間に接続された出力コンデンサC45とを備えており、中間電源端子4はトランス400の2次巻線402のセンタータップに接続されている。
【0047】
駆動回路411による制御のもと、メインスイッチQ41,Q42並びにメインスイッチQ43,Q44はいずれもデッドタイムをはさんで交互にオン状態とされ、整流スイッチQ45,Q46は、駆動回路421による制御のもとメインスイッチQ41〜Q44のオン/オフに同期して交互にオン状態とされる。図7に示すフルブリッジコンバータ回路にはチョークコイルが設けられていないことから、これにより中間電源端子3,4間には、入力電源端子1,2間に供給される入力電圧Vi及びトランス400の巻数比により決まる中間電圧Vpが現れる。メインスイッチQ41〜Q44のデューティ(全期間に対して、メインスイッチQ41とQ44がいずれもオンしている期間又はメインスイッチQ42とQ43がいずれもオンしている期間の比率)はある決まった値に固定されており、このため図4〜図6に示したコンバータ回路と同様、中間電圧Vpを安定化制御することはできない。つまり、図7に示すフルブリッジコンバータ回路も「絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路」である。
【0048】
図7に示すフルブリッジコンバータ回路においてもチョークコイルが設けられていないことから、中間電圧Vpを直流とするためには、トランス400の1次側から2次側へ電力を連続的に伝送する必要がある。このような連続的な電力伝送は、メインスイッチQ41〜Q44のデューティを実質的に50%に設定することによって実現可能である。また、メインスイッチQ41及びQ44の少なくとも一方がオフしており、且つ、メインスイッチQ42及びQ43の少なくとも一方がオフしている期間においても、寄生インダクタンス成分L41とメインスイッチQ41〜Q44に並列な寄生容量成分C41〜C44による共振により、トランス400の1次巻線401に流れる電流はすぐにゼロとはならず、ある傾きをもって漸減する。したがって、寄生インダクタンス成分L41と寄生容量成分C41〜C44による共振電流をトランス400の1次巻線401に流せる限度において、メインスイッチQ41〜Q44のデューティを小さく設定しても構わない。具体的には、メインスイッチQ41〜Q44に対して並列に共振用コンデンサを付加したり、メインスイッチQ41〜Q44のスイッチング周波数を高く設定することにより、メインスイッチQ41〜Q44のデューティを例えば30%程度に設定することが可能である。
【0049】
以上説明した各コンバータ回路においては、トランス(100,200,300,400)の1次側から2次側へ電力が連続的に伝送されることから、出力回路(120,220,320,420)にチョークコイルを用いる必要がない。出力回路(120,220,320,420)にチョークコイルが含まれていないのはこのためである。但し、このことは、ノイズ除去等の目的で出力回路(120,220,320,420)にインダクタを設けてはならないことを意味するものではない。
【0050】
図8は、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20として使用可能なバックコンバータ回路の回路図である。
【0051】
図8に示すバックコンバータ回路は、中間電源端子3,4間に直列に接続されたメインスイッチQ51及び整流スイッチQ52と、整流スイッチQ52に並列接続された整流ダイオードCR51と、メインスイッチQ51と整流スイッチQ52との接続点A3と出力電源端子5との間に接続されたチョークコイルL51と、出力電源端子5,6間に接続された出力コンデンサC51と、出力電源端子5,6間に現れる出力電圧Voに基づいてメインスイッチQ51をPWM制御する制御回路500とを備えている。尚、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10側に出力コンデンサ(C13,C22,C35,C45)が備えられていない場合には、中間電源端子3,4間に入力コンデンサを設けることが好ましい。このことは、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20側に入力コンデンサが設けられている場合には、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10側において出力コンデンサ(C13,C22,C35,C45)を省略しても構わないことを意味する。要するに、中間電源端子3,4間に接続されるコンデンサは、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10及び非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20のいずれに属していても構わない。
【0052】
制御回路500は、出力電源端子5,6間に現れる出力電圧Voに基づいてメインスイッチQ51をPWM制御するとともに、メインスイッチQ51のオン/オフに同期して、整流スイッチQ52をオン/オフさせる。具体的には、出力電圧Voが目標電圧よりも低い場合には、メインスイッチQ51のデューティ(全期間に対して、メインスイッチQ51がオンしている期間の比率)を高くすることによって出力電圧Voを上昇させ、出力電圧Voが目標電圧よりも高い場合には、メインスイッチQ51のデューティを低くすることによって出力電圧Voを低下させる。これにより、出力電源端子5,6間には、中間電源端子3,4間に供給される中間電圧Vp、メインスイッチQ51のデューティにより決まる出力電圧Voが現れるので、中間電源端子3,4間に供給される中間電圧Vpが変動しても、出力電圧Voを目標電圧に維持することが可能となる。このように、図8に示すバックコンバータ回路は、「非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路」を構成している。
【0053】
次に、本発明の好ましい実施の形態にかかるスイッチング電源装置について説明する。
【0054】
図9は、本発明の好ましい実施の形態にかかるスイッチング電源装置の回路図である。本実施の形態にかかるスイッチング電源装置は、図1に示す基本構成において、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として図4に示したプッシュプルコンバータ回路を用い、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20として図8に示したバックコンバータ回路を用いている。
【0055】
図10は、本実施態様にかかるスイッチング電源装置の動作波形図であり、(a)はメインスイッチQ11のドレイン−ソース間電圧(Q11−Vds)の波形を示し、(b)はメインスイッチQ12のドレイン−ソース間電圧(Q12−Vds)の波形を示し、(c)はメインスイッチQ11のドレイン電流(Q11−Id)の波形を示し、(d)はメインスイッチQ12のドレイン電流(Q12−Id)の波形を示し、(e)は整流スイッチQ13のドレイン電流(Q13−Id)の波形を示し、(f)は整流スイッチQ14のドレイン電流(Q14−Id)の波形を示し、(g)メインスイッチQ51のゲートに供給されるゲートパルスSの波形を示し、(h)はメインスイッチQ51のドレイン−ソース間電圧(Q51−Vds)の波形を示し、(i)は整流スイッチQ52のドレイン−ソース間電圧(Q52−Vds)の波形を示し、(j)はメインスイッチQ51のドレイン電流(Q51−Id)の波形を示し、(k)は整流スイッチQ52のドレイン電流(Q52−Id)の波形を示している。
【0056】
図10(a),(b)に示すように、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10に含まれるメインスイッチQ11,Q12のデューティD1は実質的に50%に固定されており、これにより、図10(c),(d)に示すようにメインスイッチQ11,Q12の一方には、ほぼ常にドレイン電流Q11−Id,Q12−Idが流れている。デッドタイム期間においてはメインスイッチQ11,Q12の両方がオフ状態となるため、瞬間的にドレイン電流Q11−Id,Q12−Idがゼロとなるが、この期間においては、寄生インダクタンス成分L11及び寄生容量成分C11,C12による共振電流がトランス100の1次巻線101に流れる。これにより、トランス100の1次側から2次側へは電力が連続的に伝送される。トランス100の2次巻線102に現れる2次側電圧は、図10(e),(f)に示すように整流スイッチQ13,Q14によって整流される。そして、本実施の形態によるスイッチング電源装置においては、トランス100の1次側から2次側へ電力が連続的に伝送されているので、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10にチョークコイルを用いなくとも、中間電源端子3,4間には実質的に直流である中間電圧Vpが現れる。
【0057】
かかる中間電圧Vpは、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20に供給され、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20内の制御回路500は、出力電圧Voが目標電圧に安定するよう、メインスイッチQ51にゲートパルスを供給する。つまり、図10(g)に示すように、メインスイッチQ51はPWM制御され、そのデューティD2は出力電圧Voに基づいて変化する。これにより、出力電源端子5,6間には安定した出力電圧Voが現れることになる。
【0058】
そして、本実施の形態によるスイッチング電源装置においては、出力電圧Voを安定化制御する制御ループが後段の非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20のみによって構成され、前段の絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10が制御ループに含まれないことから、高周波領域まで制御ゲインを上げることができ、高い応答性を実現することができる。また、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10及び非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20においてデューティを高く設定することが可能となるので、1段構成である通常のスイッチング電源装置に比べて高い変換効率を得ることが可能となる。
【0059】
次に、本発明の好ましい他の実施の形態にかかるスイッチング電源装置について説明する。
【0060】
図11は、本発明の好ましい他の実施の形態にかかるスイッチング電源装置の回路図である。本実施の形態にかかるスイッチング電源装置は、図9に示したスイッチング電源装置の駆動回路111を駆動回路112に置き換えるとともに、検出回路113を追加した点以外は、図9に示したスイッチング電源装置と同じ構成を有している。
【0061】
駆動回路112は、検出回路113より供給される検出信号113aに基づき、メインスイッチQ11,Q12のデューティを2段階に切り替える。具体的には、検出信号113aが通常動作状態であることを示している場合には、メインスイッチQ11,Q12のデューティを実質的に50%に固定する一方、検出信号113aが非通常動作状態であることを示している場合には、メインスイッチQ11,Q12のデューティを非常に小さい値に固定する。ここで、「非通常動作状態」とは、スイッチング電源装置が動作を開始した直後の状態及び出力電流が過電流である状態の少なくとも一方を指し、検出回路113はこれらの少なくとも一方を検出すると、検出信号113aを用いて駆動回路112にこれを報知する。
【0062】
検出信号113aが非通常動作状態であることを示している場合のデューティは、寄生インダクダンス成分L11をL11とした場合、メインスイッチQ11又はQ12がターンオンした後、メインスイッチQ11又はQ12のドレイン電流Q11−Id又はQ12−IdがVi/L11の傾きをもって増大する期間、すなわち、トランス100の1次巻線101に印加される電圧がViに達しない期間においてメインスイッチQ11又はQ12がターンオフするような値に設定される。ここでいう「トランス100の1次巻線101」とは、純粋にトランス100の1次巻線101を指し、リーケージインダクタンスや配線の寄生インダクタンスは含まれない。具体的なデューティはL11の値等によって異なるが、例えば5%程度の非常に小さい値に設定される。
【0063】
デューティがこのように小さい値に設定されると、中間電圧Vpは入力電圧Vi及びトランス100の巻数比により決まる電圧未満となるので、入力電源端子1,2に接続される直流電源(図示せず)より流入する入力電流Ii及び出力電源端子5,6に接続される直流負荷(図示せず)に供給される出力電流Ioが大きく制限される。したがって、当該非通常動作状態が動作開始直後の状態である場合には突入電流を大幅に抑制することができ、当該非通常動作状態が過電流状態である場合には速やかに過電流状態を解消することが可能となる。
【0064】
このように、本実施形態にかかるスイッチング電源装置によれば、上述した実施形態にかかるスイッチング電源装置の効果に加え、入力電源端子1,2に接続される直流電源を突入電流から保護したり、過電流状態からスイッチング電源装置を保護することが可能となる。
【0065】
次に、本発明の好ましいさらに他の実施の形態にかかるスイッチング電源装置について説明する。
【0066】
図12は、本発明の好ましいさらに他の実施の形態にかかるスイッチング電源装置の回路図である。本実施の形態にかかるスイッチング電源装置は、図3に示す基本構成における絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として、図4に示したプッシュプルコンバータ回路の駆動回路121を駆動回路122に置き換えるとともに、コンパレータ123及び電流検出部130を追加した回路を2つ用い(絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1及び10−2)、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20として図8に示したバックコンバータ回路を2つ用いている(非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20−1及び20−2)。絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1と絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−2は、互いに同じ回路構成を有しており、非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20−1と非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20−2も、互いに同じ回路構成を有している。
【0067】
電流検出部130は、2次巻線102のセンタータップと中間電源端子4との間に接続された抵抗131と、非反転入力端子(+)が抵抗131の一端(2次巻線102のセンタータップ)に接続され、反転入力端子(−)が抵抗131の他端(中間電源端子4)に接続されたオペアンプ132と、オペアンプ132の反転入力端子(−)と出力端子との間に並列接続された抵抗133及びコンデンサ134とを備えて構成されている。オペアンプ132、抵抗133及びコンデンサ134は積分回路を構成している。このため、オペアンプ132の出力電圧130a及び130bは、それぞれ絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1及び10−2の出力電流の平均値を示すことになる。
【0068】
図12に示すように、コンパレータ123にはオペアンプ132の出力電圧130a及び130bが供給される。具体的には、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1に含まれるオペアンプ132の非反転入力端子(+)には絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1に含まれるオペアンプ132の出力電圧130aが供給され、反転入力端子(−)には絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−2に含まれるオペアンプ132の出力電圧130bが供給される。これとは逆に、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−2に含まれるオペアンプ132の非反転入力端子(+)には絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−2に含まれるオペアンプ132の出力電圧130bが供給され、反転入力端子(−)には絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1に含まれるオペアンプ132の出力電圧130aが供給される。
【0069】
駆動回路122は、対応するコンパレータ123より供給される検出信号123a又は123bに基づき、整流スイッチQ13,Q14のデューティを調整する。具体的には、対応する検出信号123a又は123bがローレベルである場合(当該絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路の平均出力電流の方が低い場合)には、整流スイッチQ13,Q14のデューティを実質的に50%に設定し、対応する検出信号123a又は123bがハイレベルである場合(当該絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路の平均出力電流の方が高い場合)には、整流スイッチQ13,Q14のデューティを現在の値よりも低下させる。
【0070】
整流スイッチQ13,Q14のデューティが実質的に50%未満である場合、その分、整流ダイオードCR11,CR12によって整流されることになる。したがって、整流スイッチQ13,Q14のデューティを変化させるということは、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10の出力インピーダンスを変化させることに他ならない。
【0071】
絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10は、出力電圧を安定化させる機能を有していないため、安定化機能を有する通常のDC/DCコンバータ回路のように出力インピーダンスを概略ゼロとみなすことはできず、その出力電圧は、入力電圧Vi、トランス100の巻数比、出力インピーダンス及び出力電流によって決まる。このことは、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10間において出力インピーダンスに個体差があると、出力電流にアンバランスが生じることを意味する。
【0072】
図12に示すコンパレータ123はこのような出力電流差(I1−I2及びI2−I1)を検出するための要素であり、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1に含まれるコンパレータ123はI1−I2を検出し、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−2に含まれるコンパレータ123はI2−I1を検出する。コンパレータ123の出力である検出信号123a又は123bは駆動回路122に供給され、駆動回路122はこれに基づいて上述の通り整流スイッチQ13,Q14のデューティを調整する。
【0073】
例えば、
I1>I2
であるために、検出信号123aがハイレベル、検出信号123bがローレベルであれば、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1内の同期整流回路のデューティが低下させられ、実質的に50%未満となる一方、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−2内の同期整流回路のデューティが実質的に50%に設定される。これにより、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1内の同期整流回路は、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−2内の同期整流回路に比べてダイオード整流する期間が増えることから、出力インピーダンスが高められる。その結果、出力電流I1が減少、出力電流I2が増加し、出力インピーダンスのアンバランスが解消される。逆の場合(I1<I2の場合)も同様にして出力インピーダンスのアンバランスが解消される。
【0074】
このように、本実施形態にかかるスイッチング電源装置においては、複数の絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2)が並列に接続されていることから、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2)により出力電流が供給されるので大型のコンバータを用いることなく、出力定格値を高めることができる。また絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2)の一方が停止した場合でも他方のコンバータから電流が供給され、電源装置全体の停止には至らないことから高い信頼性を得ることが可能となる。また、本実施形態にかかるスイッチング電源装置においては、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2)の出力電流値がほぼ等しくなるよう制御されることから、スイッチング電源装置全体の信頼性を大幅に高めることが可能となる。
【0075】
本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0076】
例えば、本発明は3個以上のDC/DCコンバータ回路を従属接続したタイプのスイッチング電源装置に適用することも可能である。この場合、最終段のDC/DCコンバータ回路として非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路を用い、その他のDC/DCコンバータ回路の少なくとも一つ、好ましくは全部に絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路を用いればよい。
【0077】
また、本発明において前段の絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路と後段の非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路とは、必ずしも互いに近傍に配置されている必要はなく、両者が離間して配置されていても構わない。したがって、例えば、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路と非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路とが別個のプリント基板上に形成されているような場合であっても、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路の出力端子と非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路の入力端子とを接続することにより2段構成のスイッチング電源装置を構成すれば、このようなスイッチング電源装置は本発明の範囲に含まれる。
【0078】
さらに、図12に示す実施形態においては、同期整流回路のデューティに基づいて各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10の出力インピーダンスを調整しているが、出力インピーダンスの調整方法としてはこれに限定されず、他の方法、例えば、整流スイッチQ13,Q14の制御電圧(ゲート電圧)を変化させることによって行っても構わない。この場合、駆動回路122は、対応する検出信号123aがローレベルである場合(当該絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路の出力電流の方が低い場合)にはゲート電圧を十分に高く設定し、対応する検出信号123aがハイレベルである場合(当該絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路の出力電流の方が高い場合)にはゲート電圧を現在のレベルよりも低く設定すればよい。
【0079】
尚、図12に示す実施形態においては、2個の絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10−1及び10−2を並列に接続しているが、これを3個以上並列接続することも可能である。この場合においても、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10(10−1,10−2,10−3・・・)の出力電流(I1,I2,I3・・・)を比較し、これらがほぼ一致するように、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10内の同期整流回路のデューティを調整すればよい。
【0080】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるスイッチング電源装置は、高周波領域まで制御ゲインを上げられることから高い応答性を実現することができ、また、各DC/DCコンバータ回路においてデューティを高く設定することができることから高い変換効率を得ることが可能となる。
【0081】
さらに、本発明をマルチ出力のスイッチング電源装置に適用すれば、DC/DCコンバータ回路の数を大幅に削減することができるので、高集積化や低コスト化を実現することが可能となる。
【0082】
さらに、本発明において複数の絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路を並列に接続すれば、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路により出力電流が供給されるので大型のコンバータを用いることなく、出力定格値を高めることができる。また絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路のうちいずれかが停止した場合でも他のコンバータから電流が供給され、電源装置全体の停止には至らないことから高い信頼性を得ることが可能となる。この場合、各絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路の出力電流値がほぼ等しくなるよう出力インピーダンスを調整すれば、スイッチング電源装置全体の信頼性を大幅に高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるスイッチング電源装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。
【図2】本発明をマルチ出力のスイッチング電源装置に適用した場合の基本構成を概略的に示すブロック図である。
【図3】本発明をマルチ出力のスイッチング電源装置に適用し、さらに、絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路を並列に設けた場合の基本構成を概略的に示すブロック図である。
【図4】絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として使用可能なプッシュプルコンバータ回路の回路図である。
【図5】絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として使用可能なフォワードコンバータ回路の回路図である。
【図6】絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として使用可能なハーフブリッジコンバータ回路の回路図である。
【図7】絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路10として使用可能なフルブリッジコンバータ回路の回路図である。
【図8】非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路20として使用可能なバックコンバータ回路の回路図である。
【図9】本発明の好ましい実施の形態にかかるスイッチング電源装置の回路図である。
【図10】図9に示すスイッチング電源装置の動作波形図である。
【図11】本発明の好ましい他の実施の形態にかかるスイッチング電源装置の回路図である。
【図12】本発明の好ましいさらに他の実施の形態にかかるスイッチング電源装置の回路図である。
【図13】従来の2段構成のスイッチング電源装置の等価回路図である。
【符号の説明】
1,2 入力電源端子
3,4 中間電源端子
5,6 出力電源端子
10 絶縁型非安定化DC/DCコンバータ回路
20 非絶縁型安定化DC/DCコンバータ回路
100,200,300,400,500 トランス
101,201,301,401,501 1次巻線
102,202,302,402,502 2次巻線
110,210,310,410,510 スイッチング回路
111,112,121,211,221,311,321,411,421,511,521 駆動回路
113 検出回路
113a 検出信号
123 コンパレータ
123a,132b 検出信号
130 電流検出回路
130a,130b オペアンプ132の出力電圧
131,133 抵抗
132 オペアンプ
134 コンデンサ
120,220,320,420,520 出力回路
500 制御回路
Q11,Q12,Q21,Q31,Q32,Q41〜Q44,Q51 メインスイッチ
Q13,Q14,Q22,Q33,Q34,Q45,Q46,Q52 整流スイッチ
C11,C12,C21,C33,C34,C41〜C44 寄生容量成分
C31,C32 入力コンデンサ
C13,C22,C35,C45,C51 出力コンデンサ
CR11,CR12,CR21,CR31,CR32,CR41,CR42、CR51 整流ダイオード
L11,L21,L31,L41 寄生インダクタンス成分
L51 チョークコイル
A1,A2,A3,B1,B2 接続点
S ゲートパルス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a multi-stage switching power supply device in which a plurality of DC / DC converter circuits are connected in series.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a so-called DC / DC converter circuit is known as a kind of switching power supply device. A typical DC / DC converter circuit converts a direct current input into alternating current using a switching circuit, then transforms the voltage using a transformer (step-up or step-down), and further transforms the direct-current input into a direct current using an output circuit. Thus, a DC output having a voltage different from the input voltage can be obtained.
[0003]
In contrast to such a normal switching power supply device composed of only one DC / DC converter circuit, a switching power supply device of a type in which two DC / DC converter circuits are connected in series has been recently proposed (Non-Patent Document 1). reference). As the two DC / DC converter circuits connected in series, for example, a non-insulated DC / DC converter circuit such as a buck converter circuit is used in the front stage, and an isolated DC / DC converter circuit such as a half bridge converter circuit is used in the rear stage. While stabilizing the output of the non-isolated DC / DC converter circuit, the final output voltage is fixed by fixing the duty of the switching element included in the subsequent isolated DC / DC converter circuit to a certain amount. Can be stabilized to a desired level. By adopting such a configuration, it is possible to obtain a relatively low voltage as an output voltage with high efficiency and stability, which is suitable as a power supply device for a computer, for example.
[0004]
[Non-Patent Document 1]
IEEE APEC [Applied Power Electronics Conference] 2001 P. Alou et al. "Buck + Half Bridge (d = 50%) Topology Applied to very Low Voltage Power Converters"
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional switching power supply device having a two-stage configuration has a problem that the responsiveness is lower than that of a normal switching power supply device having a one-stage configuration. The cause will be described below.
[0005]
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a conventional switching power supply device having a two-stage configuration.
[0006]
As shown in FIG. 13, the two-stage switching power supply includes a pulse Vinp generation source and a load R. Load Can be expressed by an equivalent circuit in which two LC filter circuits are connected to the output terminal to which is connected. Here, the pulse Vinp is a pulsed power waveform generated by a switching element included in the first-stage DC / DC converter circuit (a buck converter circuit in Non-Patent Document 1), and the inductance L1 is the first-stage DC / DC converter circuit. It is an inductor which constitutes a converter circuit. Capacitance C1 is a combined capacitance of two capacitors provided on the primary side of the second-stage DC / DC converter circuit (half-bridge converter circuit in Non-Patent Document 1), and inductance L2 is the second-stage DC / DC converter circuit. The output inductor is provided on the secondary side of the DC / DC converter circuit, and the capacitance C2 is the output capacitor provided on the secondary side of the DC / DC converter circuit in the second stage.
[0007]
In this way, in the two-stage switching power supply device, the two-stage LC filter circuit is equivalently connected in series, so that the first-stage switching power supply device is compared with the normal switching power supply device having the one-stage configuration. Because of the presence of the LC filter circuit (inductance L1 and capacitance C1), the control gain cannot be increased to the high frequency region. For this reason, it is necessary to set the switching frequency low or to set the control gain low, which makes it difficult to improve the responsiveness.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a switching power supply device in which a plurality of DC / DC converter circuits are connected in series, and the responsiveness is improved.
[0009]
On the other hand, a computer or the like is constituted by a large number of devices, and some of them may have different operating voltages. For this reason, for example, when a conventional multi-stage switching power supply is adopted as a power supply for a computer, there is a problem that the number of DC / DC converter circuits becomes very large. For example, when three types of operating voltages are required, using a conventional two-stage switching power supply device requires six DC / DC converter circuits (= 3 × 2), resulting in high integration And cost reduction becomes difficult.
[0010]
Accordingly, another object of the present invention is a switching power supply device in which a plurality of DC / DC converter circuits are connected in series, and switching that can suppress an increase in the number of converters even when a plurality of operating voltages are required. It is to provide a power supply.
[0011]
Also, a plurality of switching power supply devices may be provided in parallel for the purpose of increasing the maximum output current in the switching power supply device or for the purpose of preventing the power supply system from being stopped even if one converter is damaged. In this case, in order to increase the reliability of the entire switching power supply device, it is desirable to control the output current values of the switching power supply devices connected in parallel to be substantially equal to each other.
[0012]
Accordingly, still another object of the present invention is to provide a switching power supply device including a plurality of DC / DC converter circuits connected in parallel and a DC / DC converter circuit connected in series to the plurality of DC / DC converter circuits. Is to substantially equalize the output currents of a plurality of DC / DC converter circuits connected in parallel.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention Take The switching power supply device includes a plurality of first DC / DC converter circuits that are connected in parallel and each of the first DC / DC converter circuits. The A non-insulated second DC / DC converter circuit connected in common and subordinately Switching power supply The first DC / DC converter circuit But The second DC / DC converter circuit having a function of continuously transmitting power from the primary side to the secondary side of the transformer But Has a function to stabilize the output voltage In addition, any one of the plurality of first DC / DC converter circuits has a synchronous rectifier circuit provided on the secondary side of the transformer, and changes an operation state of the synchronous rectifier circuit. A first means for adjusting an output impedance to detect a difference between an output current of the first DC / DC converter circuit and an output current of another first DC / DC converter circuit; And a second means for adjusting the output impedance based on the detection result by the means. It is characterized by that.
[0014]
According to the present invention, the control gain can be increased to the high frequency region, so that high responsiveness can be realized, and the duty can be set high in the first and second DC / DC converter circuits. Conversion efficiency can be obtained. Further, in the first DC / DC converter circuit, since electric power is continuously transmitted from the primary side to the secondary side of the transformer, the output of the first DC / DC converter circuit is not pulsed. Therefore, the choke coil for smoothing the pulse voltage can be eliminated. Furthermore, since the plurality of first DC / DC converter circuits are connected in parallel, the maximum output current can be easily increased. Further, even when one of the first DC / DC converter circuits is stopped, the entire power supply device is not stopped, so that high reliability can be obtained.
[0015]
In the present invention, any one of the plurality of first DC / DC converter circuits has an output impedance adjustment function, and preferably all have an output impedance adjustment function. . If the output current value of each first DC / DC converter circuit is set to be approximately equal using the output impedance adjustment function, the reliability of the entire switching power supply device can be greatly increased. The output impedance is preferably adjusted by changing the operation state of the synchronous rectifier circuit. Specifically, this can be done by changing the duty of the synchronous rectifier circuit, and this can be done by changing the control voltage to the rectifier switch included in the synchronous rectifier circuit.
[0016]
In the present invention, any of the plurality of first DC / DC converter circuits is preferably any one of the following: A first means for detecting a difference between an output current of the first DC / DC converter circuit and an output current of another first DC / DC converter circuit; and an output based on a detection result by the first means. And a second means for adjusting the impedance. In this case, it is preferable that the first means detects a difference between an output average current of the first DC / DC converter circuit and an output average current of another first DC / DC converter circuit. . Thus, when it is detected that the output current of a certain first DC / DC converter circuit is larger than the output current of another first DC / DC converter circuit, the first DC / DC converter If the output impedance of the circuit is increased, the output current imbalance can be quickly eliminated.
[0017]
In the present invention, a plurality of the second DC / DC converter circuits can be provided. In this case, since the number of DC / DC converter circuits can be significantly reduced as compared with the conventional case, it is possible to realize high integration and cost reduction.
[0018]
In a preferred embodiment of the present invention, the first DC / DC converter circuit includes a switching circuit provided on a primary side of the transformer, and at least in a normal operation state, the duty of the switching circuit is provided. Is fixed. In this case, it is preferable that the switching circuit includes at least one main switch and a resonance capacitor connected in parallel to the main switch. If such a resonance capacitor is provided, it is possible to realize continuous power transmission from the primary side to the secondary side of the transformer even if the duty is set low to some extent.
[0019]
In another preferred embodiment of the present invention, the duty of the switching circuit is lower than the duty in the normal operation state when at least one of the state immediately after the start of operation and the state in which the output current is an overcurrent. To fix. Here, the low value is preferably a value at which the main switch is turned off in a period in which the voltage applied to the primary winding of the transformer does not reach the input voltage after the main switch is turned on. . Here, the “primary winding of the transformer” refers purely to the primary winding of the transformer, and does not include leakage inductance or parasitic inductance of wiring. According to this, it becomes possible to protect the DC power supply connected to the input power supply terminal of the first DC / DC converter circuit from an inrush current or to protect the switching power supply device from an overcurrent state.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a basic configuration of a switching power supply device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the switching power supply device according to the basic configuration of the present invention includes an insulated unstabilized DC / DC connected between a pair of input
[0021]
The insulation type unstabilized DC /
[0022]
On the other hand, the non-insulated stabilized DC /
[0023]
According to such a configuration, the control loop for stabilizing and controlling the output voltage Vo does not include the previous-stage isolated unstabilized DC /
[0024]
FIG. 2 is a block diagram schematically showing a basic configuration when the present invention is applied to a multi-output switching power supply device. 2 includes an insulated unstabilized DC /
[0025]
As described above, various types of isolated DC / DC converter circuits that are insulated can be used as the isolated unstabilized DC /
[0026]
As shown in FIG. 2, when the present invention is applied to a multi-output switching power supply device, the number of DC / DC converter circuits can be greatly reduced as compared with the conventional case. For example, when three types of output voltages (Vo1, Vo2, Vo3) are generated in a conventional two-stage switching power supply, six DC / DC converter circuits (= 3 × 2) are required. According to the present invention, four (= 1 + 3) are sufficient. For this reason, high integration and cost reduction can be realized.
[0027]
FIG. 3 is a block diagram schematically showing a basic configuration in a case where the present invention is applied to a multi-output switching power supply apparatus and an insulated unstabilized DC / DC converter circuit is provided in parallel. The switching power supply device shown in FIG. 3 includes a plurality of insulated unstabilized DC / DC converter circuits 10 (10) connected in parallel between a pair of input
[0028]
Also in this example, as each insulation type unstabilized DC / DC converter circuit 10 (10-1, 10-2, 10-3...), Various types of insulation type DC / DC converter circuits are used. As each non-insulated stabilized DC / DC converter circuit 20 (20-1, 20-2, 20-3...), Various DC / DC converter circuits that are non-insulated may be used. it can. Each of the non-insulated stabilized DC / DC converter circuits 20 (20-1, 20-2, 20-3...) May be all DC / DC converter circuits having the same configuration, or a part thereof. Alternatively, DC / DC converter circuits having configurations different from each other may be used.
[0029]
As shown in FIG. 3, if the present invention is applied to a multi-output switching power supply apparatus and further provided with an insulated unstabilized DC / DC converter circuit in parallel, each insulated unstabilized DC / DC converter circuit is provided. Since the output current is supplied by 10 (10-1, 10-2, 10-3...), The rated output value can be increased without using a large converter. Further, even when one of the stabilized DC / DC converter circuits 10 (10-1, 10-2, 10-3...) Is stopped, current is supplied from the other converter, so that the entire power supply apparatus is stopped. Leads to improved reliability. In this case, if control is performed so that the output current values of the isolated unstabilized DC / DC converter circuits 10 (10-1, 10-2, 10-3,...) Are substantially equal to each other, Reliability can be greatly increased. A method for realizing this will be described later.
[0030]
FIG. 4 is a circuit diagram of a push-pull converter circuit that can be used as the isolated unstabilized DC /
[0031]
The push-pull converter circuit shown in FIG. 4 includes a
[0032]
The main switches Q11 and Q12 are alternately turned on under the dead time under the control of the drive circuit 111, and the rectifier switches Q13 and Q14 are turned on under the control of the
[0033]
Here, the duty of the main switches Q11 and Q12 is fixed to a predetermined value. For this reason, the push-pull converter circuit shown in FIG. 4 cannot stabilize and control the intermediate voltage Vp, and when the input voltage Vi changes, the intermediate voltage Vp also changes accordingly. That is, the push-pull converter circuit shown in FIG. 4 is an “insulated unstabilized DC / DC converter circuit”.
[0034]
The specific duty is not particularly limited, but the push-pull converter circuit shown in FIG. 4 is not provided with a choke coil. Therefore, in order to make the intermediate voltage Vp a direct current, at least the
[0035]
Such continuous power transmission is realized by setting the duty of the main switches Q11 and Q12 (ratio of the period during which the main switch Q11 or Q12 is on to the entire period) to be substantially 50%. Is possible. If the duty of the main switches Q11 and Q12 is substantially set to 50%, any one of the main switches Q11 and Q12 is always turned on except for the dead time, so that the primary side of the
[0036]
In addition, even during the dead time period, the current flowing through the primary winding 101 of the
[0037]
FIG. 5 is a circuit diagram of a forward converter circuit that can be used as the isolated unstabilized DC /
[0038]
The forward converter circuit shown in FIG. 5 includes a
[0039]
The main switch Q21 is switched at a certain duty (ratio of the period in which the main switch Q21 is on with respect to the entire period) under the control of the drive circuit 211, and the rectifier switch Q22 is switched by the drive circuit 221. Switching is performed in synchronization with the main switch Q21 under control. Since the choke coil is not provided in the forward converter circuit shown in FIG. 5, the input voltage Vi supplied between the input
[0040]
In the forward converter circuit shown in FIG. 5 as well, no choke coil is provided. Therefore, in order to make the intermediate voltage Vp a direct current, it is necessary to continuously transmit power from the primary side to the secondary side of the
[0041]
FIG. 6 is a circuit diagram of a half-bridge converter circuit that can be used as the isolated unstabilized DC /
[0042]
The half bridge converter circuit shown in FIG. 6 includes a
[0043]
The main switches Q31 and Q32 are alternately turned on with a dead time being controlled under the control of the drive circuit 311. The rectifier switches Q33 and Q34 are turned on under the control of the drive circuit 321. / Alternately turned on in synchronization with off. Since the choke coil is not provided in the half-bridge converter circuit shown in FIG. 6, the input voltage Vi supplied between the input
[0044]
Since the half bridge converter circuit shown in FIG. 6 is also not provided with a choke coil, it is necessary to continuously transmit power from the primary side to the secondary side of the
[0045]
FIG. 7 is a circuit diagram of a full bridge converter circuit that can be used as the isolated unstabilized DC /
[0046]
The full bridge converter circuit shown in FIG. 7 includes a
[0047]
Under the control of the drive circuit 411, the main switches Q41 and Q42 and the main switches Q43 and Q44 are alternately turned on with a dead time therebetween, and the rectifier switches Q45 and Q46 are controlled by the
[0048]
Since the choke coil is not provided in the full bridge converter circuit shown in FIG. 7 as well, in order to make the intermediate voltage Vp a direct current, it is necessary to continuously transmit power from the primary side to the secondary side of the
[0049]
In each converter circuit described above, since power is continuously transmitted from the primary side to the secondary side of the transformer (100, 200, 300, 400), the output circuit (120, 220, 320, 420). There is no need to use a choke coil. This is why the output circuit (120, 220, 320, 420) does not include a choke coil. However, this does not mean that an inductor should not be provided in the output circuit (120, 220, 320, 420) for the purpose of noise removal or the like.
[0050]
FIG. 8 is a circuit diagram of a buck converter circuit that can be used as the non-insulated stabilized DC /
[0051]
The buck converter circuit shown in FIG. 8 includes a main switch Q51 and a rectifier switch Q52 connected in series between the intermediate
[0052]
The
[0053]
Next, a switching power supply device according to a preferred embodiment of the present invention will be described.
[0054]
FIG. 9 is a circuit diagram of a switching power supply device according to a preferred embodiment of the present invention. The switching power supply according to the present embodiment uses the push-pull converter circuit shown in FIG. 4 as the isolated unstabilized DC /
[0055]
10A and 10B are operation waveform diagrams of the switching power supply device according to this embodiment. FIG. 10A shows the waveform of the drain-source voltage (Q11−Vds) of the main switch Q11, and FIG. 10B shows the waveform of the main switch Q12. The waveform of the drain-source voltage (Q12-Vds) is shown, (c) shows the waveform of the drain current (Q11-Id) of the main switch Q11, and (d) shows the drain current (Q12-Id) of the main switch Q12. (E) shows the waveform of the drain current (Q13-Id) of the rectifier switch Q13, (f) shows the waveform of the drain current (Q14-Id) of the rectifier switch Q14, and (g) the main switch The waveform of the gate pulse S supplied to the gate of Q51 is shown, (h) is the drain-source voltage (Q51-Vds) of the main switch Q51. (I) shows the waveform of the drain-source voltage (Q52-Vds) of the rectifying switch Q52, (j) shows the waveform of the drain current (Q51-Id) of the main switch Q51, (k) Indicates the waveform of the drain current (Q52-Id) of the rectifying switch Q52.
[0056]
As shown in FIGS. 10A and 10B, the duty D1 of the main switches Q11 and Q12 included in the insulated unstabilized DC /
[0057]
The intermediate voltage Vp is supplied to the non-insulated stabilized DC /
[0058]
In the switching power supply according to the present embodiment, the control loop for stabilizing and controlling the output voltage Vo is configured only by the non-insulated stabilized DC /
[0059]
Next, a switching power supply device according to another preferred embodiment of the present invention will be described.
[0060]
FIG. 11 is a circuit diagram of a switching power supply device according to another preferred embodiment of the present invention. The switching power supply according to the present embodiment is the same as the switching power supply shown in FIG. 9 except that the drive circuit 111 of the switching power supply shown in FIG. 9 is replaced with a
[0061]
The
[0062]
The duty in the case where the detection signal 113a indicates an abnormal operation state is obtained when the parasitic inductance component L11 is L 11 When the main switch Q11 or Q12 is turned on, the drain current Q11-Id or Q12-Id of the main switch Q11 or Q12 is Vi / L. 11 Is set to a value such that the main switch Q11 or Q12 is turned off in a period that increases with the slope of the voltage, that is, a period in which the voltage applied to the primary winding 101 of the
[0063]
When the duty is set to such a small value, the intermediate voltage Vp becomes less than the voltage determined by the input voltage Vi and the turn ratio of the
[0064]
As described above, according to the switching power supply device according to the present embodiment, in addition to the effects of the switching power supply device according to the above-described embodiment, the DC power supply connected to the input
[0065]
Next, a switching power supply device according to still another preferred embodiment of the present invention will be described.
[0066]
FIG. 12 is a circuit diagram of a switching power supply device according to still another preferred embodiment of the present invention. The switching power supply according to the present embodiment replaces the
[0067]
The
[0068]
As shown in FIG. 12, the output voltage 130 a and 130 b of the
[0069]
The drive circuit 122 adjusts the duty of the rectifying switches Q13 and Q14 based on the detection signal 123a or 123b supplied from the corresponding comparator 123. Specifically, when the corresponding detection signal 123a or 123b is at a low level (when the average output current of the insulated unstabilized DC / DC converter circuit is lower), the duty of the rectifying switches Q13 and Q14 Is substantially set to 50%, and the corresponding detection signal 123a or 123b is at a high level (when the average output current of the insulated unstabilized DC / DC converter circuit is higher), the rectifier switch The duty of Q13 and Q14 is lowered from the current value.
[0070]
When the duty of the rectifying switches Q13 and Q14 is substantially less than 50%, the rectification is performed by the rectifying diodes CR11 and CR12 correspondingly. Therefore, changing the duty of the rectifying switches Q13 and Q14 is nothing other than changing the output impedance of the isolated unstabilized DC /
[0071]
Since the isolated unstabilized DC /
[0072]
The comparator 123 shown in FIG. 12 is an element for detecting such an output current difference (I1-I2 and I2-I1). The comparator 123 included in the isolated unstabilized DC / DC converter circuit 10-1 I1-I2 is detected, and the comparator 123 included in the isolated unstabilized DC / DC converter circuit 10-2 detects I2-I1. The detection signal 123a or 123b, which is the output of the comparator 123, is supplied to the drive circuit 122, and the drive circuit 122 adjusts the duty of the rectifying switches Q13 and Q14 based on this, as described above.
[0073]
For example,
I1> I2
Therefore, if the detection signal 123a is at a high level and the detection signal 123b is at a low level, the duty of the synchronous rectification circuit in the insulated unstabilized DC / DC converter circuit 10-1 is reduced, On the other hand, the duty of the synchronous rectifier circuit in the insulated unstabilized DC / DC converter circuit 10-2 is substantially set to 50%. As a result, the synchronous rectification circuit in the isolated unstabilized DC / DC converter circuit 10-1 has a longer period for diode rectification than the synchronous rectifier circuit in the isolated unstabilized DC / DC converter circuit 10-2. As a result, the output impedance is increased. As a result, the output current I1 decreases, the output current I2 increases, and the output impedance imbalance is eliminated. In the opposite case (I1 <I2), the output impedance imbalance is eliminated in the same manner.
[0074]
Thus, in the switching power supply according to the present embodiment, since the plurality of insulated unstabilized DC / DC converter circuits 10 (10-1 and 10-2) are connected in parallel, Since the output current is supplied by the unstabilized DC / DC converter circuit 10 (10-1, 10-2), the rated output value can be increased without using a large converter. In addition, even when one of the insulated unstabilized DC / DC converter circuits 10 (10-1 and 10-2) is stopped, a current is supplied from the other converter, and the entire power supply apparatus is not stopped. It becomes possible to obtain sex. In the switching power supply according to the present embodiment, since the output current values of the isolated unstabilized DC / DC converter circuits 10 (10-1 and 10-2) are controlled to be substantially equal, switching is performed. The reliability of the entire power supply device can be greatly increased.
[0075]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say.
[0076]
For example, the present invention can be applied to a switching power supply device of a type in which three or more DC / DC converter circuits are cascade-connected. In this case, a non-insulated stabilized DC / DC converter circuit is used as the DC / DC converter circuit in the final stage, and at least one of the other DC / DC converter circuits, preferably all of the isolated unstabilized DC / DC converters. A circuit may be used.
[0077]
Further, in the present invention, the preceding non-insulated stabilized DC / DC converter circuit and the latter non-insulated stabilized DC / DC converter circuit do not necessarily have to be arranged close to each other, and are separated from each other. It may be arranged. Therefore, for example, even when the isolated unstabilized DC / DC converter circuit and the non-isolated stabilized DC / DC converter circuit are formed on separate printed circuit boards, the isolated unstabilized If a two-stage switching power supply is configured by connecting the output terminal of the DC / DC converter circuit and the input terminal of the non-insulated stabilized DC / DC converter circuit, such a switching power supply is Included in the range.
[0078]
Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 12, the output impedance of each isolated unstabilized DC /
[0079]
In the embodiment shown in FIG. 12, two insulated unstabilized DC / DC converter circuits 10-1 and 10-2 are connected in parallel, but three or more of them may be connected in parallel. Is possible. Also in this case, the output currents (I1, I2, I3...) Of the respective isolated unstabilized DC / DC converter circuits 10 (10-1, 10-2, 10-3...) Are compared, What is necessary is just to adjust the duty of the synchronous rectification circuit in each insulation type | mold unstabilized DC /
[0080]
【The invention's effect】
As described above, the switching power supply device according to the present invention can achieve high responsiveness because the control gain can be increased to a high frequency region, and the duty can be set high in each DC / DC converter circuit. As a result, high conversion efficiency can be obtained.
[0081]
Furthermore, if the present invention is applied to a multi-output switching power supply device, the number of DC / DC converter circuits can be greatly reduced, so that high integration and cost reduction can be realized.
[0082]
Further, in the present invention, if a plurality of isolated unstabilized DC / DC converter circuits are connected in parallel, output current is supplied by each isolated unstabilized DC / DC converter circuit, so that a large converter is not used. The rated output value can be increased. Further, even when one of the insulated non-stabilized DC / DC converter circuits is stopped, current is supplied from the other converter and the entire power supply apparatus is not stopped, so that high reliability can be obtained. . In this case, if the output impedance is adjusted so that the output current values of the respective isolated unstabilized DC / DC converter circuits are substantially equal, the reliability of the entire switching power supply device can be significantly increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a basic configuration of a switching power supply device according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram schematically showing a basic configuration when the present invention is applied to a multi-output switching power supply device;
FIG. 3 is a block diagram schematically showing a basic configuration in a case where the present invention is applied to a multi-output switching power supply apparatus and an insulated unstabilized DC / DC converter circuit is provided in parallel.
FIG. 4 is a circuit diagram of a push-pull converter circuit that can be used as the isolated unstabilized DC /
FIG. 5 is a circuit diagram of a forward converter circuit that can be used as the isolated unstabilized DC /
FIG. 6 is a circuit diagram of a half-bridge converter circuit that can be used as an isolated unstabilized DC /
7 is a circuit diagram of a full-bridge converter circuit that can be used as the isolated unstabilized DC /
8 is a circuit diagram of a buck converter circuit that can be used as a non-insulated stabilized DC /
FIG. 9 is a circuit diagram of a switching power supply device according to a preferred embodiment of the present invention.
10 is an operation waveform diagram of the switching power supply device shown in FIG. 9;
FIG. 11 is a circuit diagram of a switching power supply device according to another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a circuit diagram of a switching power supply device according to still another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a conventional switching power supply device having a two-stage configuration.
[Explanation of symbols]
1, 2 Input power terminal
3, 4 Intermediate power terminal
5,6 Output power terminal
10 Insulated unstabilized DC / DC converter circuit
20 Non-insulated stabilized DC / DC converter circuit
100, 200, 300, 400, 500 transformer
101, 201, 301, 401, 501 Primary winding
102, 202, 302, 402, 502 Secondary winding
110, 210, 310, 410, 510 switching circuit
111,112,121,211,221,311,321,411,421,511,521 driving circuit
113 Detection circuit
113a Detection signal
123 Comparator
123a, 132b detection signal
130 Current detection circuit
130a, 130b Output voltage of
131,133 resistance
132 operational amplifier
134 capacitors
120, 220, 320, 420, 520 output circuit
500 Control circuit
Q11, Q12, Q21, Q31, Q32, Q41 to Q44, Q51 Main switch
Q13, Q14, Q22, Q33, Q34, Q45, Q46, Q52 Rectifier switch
C11, C12, C21, C33, C34, C41 to C44 Parasitic capacitance components
C31, C32 input capacitor
C13, C22, C35, C45, C51 Output capacitor
CR11, CR12, CR21, CR31, CR32, CR41, CR42, CR51 Rectifier diode
L11, L21, L31, L41 Parasitic inductance component
L51 Choke coil
A1, A2, A3, B1, B2 connection point
S Gate pulse
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