JP4135785B2 - スイッチング電源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自励式のスイッチング電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自励式のスイッチング電源は、例えば、特公平７ー３２６０１号公報に開示されているように、変換トランスに備えられた帰還巻線を利用して、メインのスイッチ素子のスイッチング動作を継続する。
【０００３】
このタイプの自励式スイッチング電源の問題点は、帰還巻線を有する変換トランスが必要であるため、小型化に限度があることである。
【０００４】
他励式スイッチング電源としては、チョッパ回路を用いたものも知られている。このタイプの他励式スイッチング電源は、ＩＣ等で構成された制御回路を用いて、チョッパ回路を構成するスイッチ素子にスイッチング動作をさせるため、コスト高になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、小型で、安価な自励式のスイッチング電源を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本発明に係るスイッチング電源は、スイッチ素子と、インダクタと、出力回路と、制御回路とを含み、自励動作をする。
【０００７】
前記スイッチ素子は、直流入力電圧をスイッチングして出力する。前記インダクタは、前記スイッチ素子のオン期間にエネルギーが蓄積され、前記エネルギーは前記スイッチ素子のオフのときに放出される。前記出力回路は、前記インダクタから放出される前記エネルギーを整流し、平滑して直流出力電圧を生成する。
【０００８】
前記制御回路は、定常時には前記直流出力電圧を検出して前記スイッチ素子をオフさせ、前記スイッチ素子がオフになったときに前記インダクタから放出される前記エネルギを利用して、前記スイッチ素子のオフ状態を保持する。
【０００９】
上述した本発明に係るスイッチング電源において、直流入力電圧が投入された直後の起動時の動作は次の通りである。まず、直流入力電圧が供給されると、制御回路は、直流入力電圧に基づいてスイッチ素子をオンさせる。スイッチ素子がオンになると、オン期間に流れる電流によって、インダクタにエネルギーが蓄積される。
【００１０】
制御回路は、起動時には、直流入力電圧に基づいてスイッチ素子をオンさせた後、スイッチ素子を通って流れる電流を検出してスイッチ素子をオフさせる。これにより、スイッチ素子がオンしてからオフするまでのオン時間が設定される。
【００１１】
スイッチ素子がオフになると、スイッチ素子のオン期間にインダクタに蓄積されたエネルギーが放出される。出力回路はインダクタから放出されるエネルギーを整流し、平滑して直流出力電圧を生成する。この直流出力電圧が負荷に供給される。
【００１２】
制御回路は、スイッチ素子がオフになったとき、インダクタから放出されるエネルギを利用して、スイッチ素子のオフ状態を保持する。これにより、スイッチ素子は、インダクタのエネルギー放出時間に対応したオフ期間を持つことになる。
【００１３】
インダクタの蓄積エネルギーの放出が進むと、スイッチ素子に対する強制的なオフ制御が解除される。そして、オフ状態が解除されたことを条件にして、前記スイッチ素子をオンさせる。上述したオン、オフの動作が繰り返され、直流出力電圧が上昇して行き、起動状態から定常状態に移行して行く。
【００１４】
次に、定常時の動作について説明する。定常動作状態でも、制御回路が、直流入力電圧に基づきスイッチ素子をオンさせる点、及び、スイッチ素子がオフになったときにインダクタから放出されるエネルギを利用して、スイッチ素子のオフ状態を保持する点は、起動時と異なるところはない。定常動作状態において、起動時と異なる点は、スイッチ素子をオフさせる回路動作である。即ち、定常時には、制御回路は、直流出力電圧を検出してスイッチ素子をオフさせる。これにより、自励的なスイッチング動作に必要なオフ駆動とともに、直流出力電圧を安定化する回路作用が得られる。
【００１５】
本発明に係るスイッチング電源は、トランスを用いたタイプのスイッチング電源であっても、チョッパ回路を用いたスイッチング電源であっても、適用が可能である。変換トランスを用いたタイプのスイッチング電源の場合は一次巻線を、インダクタとして利用できる。従って、従来と異なって、帰還巻線を有する変換トランスを用いる必要がない。このため、従来よりも一段と小型化することが可能になる。しかも、帰還巻線を有する場合と同様の回路作用を得ることができる。
【００１６】
また、スイッチング方式をチョッパ回路とした場合は、チョッパ回路に通常備えられるインダクタを利用することができる。このインダクタに蓄積されたエネルギーを利用して、スイッチ素子のオフ時間を設定することができる。従って、ＩＣ等で構成された制御回路を用いる必要がなくなるので、コストが安価になる。
【００１７】
しかも、インダクタまたはトランス巻線に蓄積されるエネルギーは、負荷に供給される電流情報を含んでいる。本発明において、このような特性を持つインダクタまたはトランス巻線の蓄積エネルギーを利用して、スイッチ素子のオフ時間を設定する。従って、負荷の状態に応じたスイッチング制御を行うことができる。
【００１８】
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図を参照し、更に具体的に説明する。添付図面は単に例を示すに過ぎない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るスイッチング電源の電気回路図である。本発明に係るスイッチング電源は、スイッチ素子Ｑ１と、インダクタＬと、出力回路と、制御回路１とを含む。実施例は、反転チョッパ回路を利用し、負の直流出力電圧（−Ｖout）を出力するスイッチング電源を示している。このスイッチング電源は、入力端子２１に、接地側出力端子２２を基準にして、正電位にある直流入力電圧Ｖinが与えられたとき、チョッパ回路の作用により、出力端子３１に、接地側出力端子３２を基準にして負電位にある負の直流出力電圧（−Ｖout）を出力する。
【００２０】
スイッチ素子Ｑ１は、直流入力電圧Ｖinをスイッチングして出力する。インダクタＬには、スイッチ素子Ｑ１のオン期間に、電流ＩＬが流れ、エネルギーが蓄積される。スイッチ素子Ｑ１のオン期間に、インダクタＬに蓄積されたエネルギーはスイッチ素子Ｑ１のオフのときに放出される。
【００２１】
出力回路は、インダクタＬから放出されるエネルギーを、ダイオードＤ２で整流し、コンデンサＣ３で平滑して、直流出力電圧（−Ｖout）を生成する。実施例の場合、ダイオードＤ２は、スイッチ素子Ｑ１がオンとなったときに、その両端に印加される電圧に対して逆極性となり、インダクタＬから放出されるフライバックエネルギーＶＦに対して順方向の極性となるように方向付けられている。
【００２２】
制御回路１は、直流入力電圧Ｖinに基づいて、スイッチ素子Ｑ１をオンさせる。制御回路１は、また、起動時に、スイッチ素子Ｑ１を通って流れる入力電流Ｉinを検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる。定常時には、直流出力電圧（−Ｖout）を検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる。制御回路１は、更に、スイッチ素子Ｑ１がオフになったときにインダクタＬから放出されるエネルギーを利用して、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持する。
【００２３】
より具体的には、制御回路１は、駆動回路１１と、起動回路１０と、電流検出回路１２と、出力電圧検出回路１４と、オフ保持回路１３とを含んでいる。駆動回路１１は、スイッチング動作により、スイッチ素子Ｑ１をオン、オフさせる回路であり、一般には、例えばトランジスタ等の３端子スイッチ素子を含む。この３端子スイッチ素子の制御電極に制御信号を加えることにより、上述した動作を行わせる。
【００２４】
起動回路１０は、直流入力電圧Ｖinに基づき、駆動回路１１に、スイッチ素子Ｑ１をオンさせる信号を供給する。
【００２５】
電流検出回路１２は、直流入力電圧Ｖinが投入される起動時に、スイッチ素子Ｑ１を通って流れる入力電流Ｉinを検出し、駆動回路１１に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせるための信号を供給する。実施例において、電流検出回路１２は電流検出抵抗Ｒ２を含み、電流検出抵抗Ｒ２に生じる電圧降下を利用して入力電流Ｉinを検出する。電流検出回路１２は、電流検出抵抗Ｒ２に生じる端子電圧が予め定められた値になったとき、駆動回路１１に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせるための信号を供給する。
【００２６】
出力電圧検出回路１４は、定常時に、直流出力電圧（−Ｖout）を検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる信号を、駆動回路１１に供給する。駆動回路１１は、電流検出回路１２または出力電圧検出回路１４の何れか一方から、スイッチ素子Ｑ１をオフにさせる信号が供給された場合、スイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせる論理和動作をする。
【００２７】
オフ保持回路１３は、スイッチ素子Ｑ１がオフになったときに、インダクタＬから放出されるエネルギーを利用して、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持する信号を駆動回路１１に供給する。このようなオフ保持回路１３は、インダクタＬにフライバックエネルギーを放出する回路を付加し、その回路の電圧信号を駆動回路１１に供給することによって実現できる。
【００２８】
次に、図１に示したスイッチング電源の回路動作について説明する。
【００２９】
＜起動時の動作＞
起動に当たり、入力端子２１、２２に直流入力電圧Ｖinが供給されると、制御回路１を構成する駆動回路１１は、起動回路１０を通して与えられる直流入力電圧Ｖinに基づいて、スイッチ素子Ｑ１をオンさせる。スイッチ素子Ｑ１がオンになると、そのオン期間に、インダクタＬに電流ＩＬが流れ込み、エネルギーが蓄積される。実施例の場合、スイッチ素子Ｑ１がオンとなったとき、ダイオードＤ２は、その両端に印加される電圧に対して逆極性となる。
【００３０】
次に、制御回路１に含まれる電流検出回路１２は、スイッチ素子Ｑ１を通って流れる入力電流Ｉinを検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる信号を、駆動回路１１に供給する。スイッチ素子Ｑ１のオン時に、インダクタＬに流れる電流ＩＬは時間とともに増加する波形になる。電流検出回路１２は、電流値が予め定められた値になった時に、スイッチ素子Ｑ１をオフにするためのオフ信号を生成し、オフ信号を駆動回路１１に供給する。
【００３１】
スイッチ素子Ｑ１がオフになると、スイッチ素子Ｑ１のオン期間にインダクタＬに蓄積されたエネルギーが放出される。出力回路はインダクタＬから放出されるエネルギーを整流し、平滑して、直流出力電圧（−Ｖout）を生成する。この直流出力電圧（−Ｖout）が、出力端子３１、３２を介して、負荷（図示しない）に供給される。
【００３２】
オフ保持回路１３は、スイッチ素子Ｑ１がオフになったとき、インダクタＬから放出されるエネルギを利用して、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持する。これにより、スイッチ素子Ｑ１は、インダクタＬのエネルギー放出時間に対応したオフ期間を持つことになる。この間、起動回路１０から入力される信号は無効になるので、安定したオフ期間を設定できる。
【００３３】
インダクタＬの蓄積エネルギーがなくなると、スイッチ素子Ｑ１に対する強制的なオフ制御が解除される。インダクタの蓄積エネルギーが放出されると、スイッチ素子に対する強制的なオフ制御が解除される。そして、上述した回路作用により、スイッチ素子Ｑ１がターン．オンする。上述したオン、オフの動作が繰り返され、直流出力電圧（−Ｖout）が上昇して行き、起動状態から定常状態に移行して行く。
【００３４】
＜定常時の動作＞
定常動作状態でも、制御回路１が、直流入力電圧Ｖinに基づきスイッチ素子Ｑ１をオンさせる点、及び、スイッチ素子Ｑ１がオフになったときにインダクタＬから放出されるエネルギを利用して、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持する点は、起動時と異なるところはない。定常動作状態において、起動時と異なる点は、スイッチ素子Ｑ１をオフさせる回路動作である。即ち、定常時には、出力電圧検出回路１４により、直流出力電圧（−Ｖout）を検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる。出力電圧検出回路１４は、直流出力電圧（−Ｖout）が、予め設定されたレベルを越えたとき、駆動回路１１を通して、スイッチ素子Ｑ１をオフさせる。従って、スイッチング動作とともに、直流出力電圧（−Ｖout）を安定化する回路作用が得られる。
【００３５】
上述したように、スイッチング方式をチョッパ回路とした場合は、インダクタＬに対するエネルギーの蓄積及び放出を利用して、スイッチ素子Ｑ１にオン／オフ動作をさせることができる。従って、制御回路１をＩＣ等で構成する必要がなくなるので、コストが安価になる。しかも、インダクタＬに蓄積されるエネルギーは、負荷に供給される電流情報を含んでいる。実施例においては、このような特性を持つインダクタＬの蓄積エネルギーを利用して、スイッチ素子Ｑのオフ時間を設定する。従って、負荷の状態に応じたスイッチング制御を行うことができる。
【００３６】
更に、駆動回路１１は、電流検出回路１２または出力電圧検出回路１４の何れか一方から、スイッチ素子Ｑ１をオフにさせる信号が供給された場合、スイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせる論理和動作をする。従って、起動時にスイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせるための信号を得るために設けられている電流検出回路１２を、定常時において、過電流が生じた場合に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせる過電流保護回路としても、動作させることができる。
【００３７】
図２は本発明に係るスイッチング電源の更に具体的な電気回路図を示している。図３〜図６は図２に示されたスイッチング電源の構成及び作用の理解のために添付されたものである。図３は駆動回路１１と起動回路１０との関係を抜き出した回路図、図４は駆動回路１１と電流検出回路１２との関係を抜き出して示した回路図、図５は駆動回路１１とオフ保持回路１３との関係を抜き出して示した回路図、図６は駆動回路１１と出力電圧検出回路１４との関係を抜き出して示した回路図である。
【００３８】
まず、図２及び図３を参照すると、制御回路１を構成する駆動回路１１は、トランジスタＱ６、抵抗Ｒ１２等を含んでいる。トランジスタＱ６は、コレクタがメインのスイッチ素子Ｑ１のベースに導かれている。
【００３９】
起動回路１０は、入力端子２１に供給される直流入力電圧Ｖinを、抵抗Ｒ１３を介して、トランジスタＱ６のベースに供給する回路を構成する。
【００４０】
次に、図２及び図４を参照すると、電流検出回路１２は、電流検出抵抗Ｒ２、トランジスタＱ４及び抵抗Ｒ９等を含んでいる。トランジスタＱ４は、ＰＮＰトランジスタであり、エミッタ及びベースを、電流検出抵抗Ｒ２の両端に接続してある。トランジスタＱ４のコレクタは、抵抗Ｒ９を介して、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５のベースに接続されている。トランジスタＱ５は、コレクタがトランジスタＱ６のベースに接続され、エミッタが、トランジスタＱ６のエミッタに接続されている。抵抗Ｒ１０はトランジスタＱ５のベース・エミッタ間に接続されている。
【００４１】
次に、図２及び図５を参照すると、オフ保持回路１３は、インダクタＬの両端にダイオードＤ１と抵抗Ｒ１の直列回路を接続し、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との接続点を、トランジスタＱ６のベースに接続してある。ダイオードＤ１はインダクタＬに生じるフライバックエネルギーＶＦに対して順方向となるように、方向付けられている。また、ダイオードＤ１は、順方向電圧が、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間を逆バイアスする関係で、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間に接続されている。
【００４２】
更に、図２及び図６を参照すると、出力電圧検出回路１４は、分圧抵抗Ｒ３、Ｒ４、基準電圧源となるツエナーダイオードＺＤ１、トランジスタＱ２、トランジスタＱ３及び抵抗Ｒ５〜Ｒ８等を含んでいる。抵抗Ｒ３、Ｒ４は直列に接続され、出力端子３１ー３２間に接続されている。抵抗Ｒ３、Ｒ４の接続点はトランジスタＱ２のベースに接続されている。ツェナーダイオードＺＤ１はトランジスタＱ２のエミッタと出力端子３１との間に接続されている。抵抗Ｒ５はツェナーダイオートＺＤ１及びトランジスタＱ２のエミッタの接続点と、出力端子３２との間に接続されている。トランジスタＱ２のコレクタは抵抗Ｒ６を介してＰＮＰトランジスタＱ３のベースに接続されている。
【００４３】
トランジスタＱ３は、エミッタが入力端子２１に接続され、コレクタが抵抗Ｒ８を介して、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５のベースに接続されている。トランジスタＱ３のエミッタ・ベース間には抵抗Ｒ７が接続されている。
【００４４】
次に、上記実施例に示されたスイッチング電源の動作を、起動時と定常時とに分けて説明する。
【００４５】
＜起動時の動作＞
まず、図２及び図３を参照して、起動時のスイッチ素子Ｑ１のターン．オン動作について説明する。入力端子２１、２２に直流入力電圧Ｖinが供給されると、直流入力電圧Ｖinが、起動回路１０を構成する抵抗Ｒ１３を介して、トランジスタＱ６のベースに供給され、トランジスタＱ６がターン．オンする。トランジスタＱ６のターン．オンにより、スイッチ素子Ｑ１を通して、電流Ｉinが流れる。また、インダクタＬにインダクタ電流ＩＬが流れ、インダクタＬにエネルギーが蓄積される。インダクタ電流ＩＬは、時間とともに、ほぼ直線的に増加する領域を有する。実施例の場合、電流Ｉinはインダクタ電流ＩＬとほぼ等しくなるので、電流Ｉinも、時間とともに、ほぼ直線的に増加する領域を有する。
【００４６】
次に、図２及び図４を参照して、起動時のスイッチ素子Ｑ１のターン．オフ動作について説明する。スイッチ素子Ｑ１を通って流れる電流Ｉinが、予め定められた値になり、電流検出抵抗Ｒ２の端子電圧が所定値になると、トランジスタＱ４がオンする。トランジスタＱ４がオンすると、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５がオンになるので、トランジスタＱ６がオフになる。トランジスタＱ６がオフになると、スイッチ素子Ｑ１もオフとなる。
【００４７】
トランジスタＱ６がオフになると、そのオフ期間の間、抵抗Ｒ１３（図２、３参照）によって構成される起動回路１０に起動電流が流れなくなる。このため、スイッチ素子Ｑ１のオフ時に、起動回路１０による電力消費を回避し、効率を向上させることができる。
【００４８】
次に、図２及び図５を参照して、エネルギー伝送及びオフ保持の回路動作について説明する。メインのスイッチ素子Ｑ１がオフになると、インダクタＬにフライバックエネルギーＶＦが発生する。インダクタＬのフライバックエネルギーＶＦは、出力回路を構成するダイオードＤ２に対して順方向となる。従って、フライバックエネルギーは、ダイオードＤ２によって整流され、コンデンサＣ３によって平滑され、出力端子３１、３２から負の直流出力電圧（−Ｖout）として取り出される。
【００４９】
一方、インダクタＬのフライバックエネルギーＶＦは、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通しても放出される。フライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、ダイオードＤ１に順方向電圧降下を生じる。この順方向電圧降下によって、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間が逆バイアスされ、トランジスタＱ６がオフに保たれる。従って、インダクタＬのフライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、スイッチ素子Ｑ１もオフ状態を保持する。オフの保持時間は、フライバックエネルギーが消滅するまでの時間となる。
【００５０】
上述したオン、オフの動作が繰り返され、直流出力電圧（−Ｖout）が上昇（負側に深くなる）して行き、起動状態から定常状態に移行して行く。
【００５１】
＜定常時の動作＞
次に、図２及び図６を参照して、定常時の動作について説明する。上述した起動時の回路動作により、出力端子３１に現れる直流出力電圧（−Ｖout）が負側に深くなり、トランジスタＱ２が導通する。トランジスタＱ２が導通すると、トランジスタＱ３が導通する。トランジスタＱ３が導通すると、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５が導通するので、トランジスタＱ６がオフし、続いて、スイッチ素子Ｑ１がオフする。トランジスタＱ６がオフ状態を保持している間、抵抗Ｒ１３（図２、３参照）によって構成される起動回路１０に、起動電流が流れず、スイッチ素子Ｑ１のオフ時の起動回路１０（図３参照）による電力消費を回避し、効率を向上させることができることは前述した通りである。
【００５２】
スイッチ素子Ｑ１がオフした後、オフ保持回路１３（図５参照）に含まれるインダクタＬの蓄積エネルギーが放出されるまでスイッチ素子Ｑ１に強制的なオフ制御が加わる点、及び、インダクタＬの蓄積エネルギーが放出された後、起動回路１０（図３参照）によりスイッチ素子Ｑ１がターン．オンする点は、起動時の動作と同じである。上述した動作を繰り返すことにより、自励動作をするスイッチング電源が得られる。
【００５３】
出力電圧検出回路１４は、直流出力電圧（−Ｖout）が、予め設定されたレベルを越えたとき、駆動回路１１を通して、スイッチ素子Ｑ１をオフさせるから、出力端子３１ー３２間に現れる直流出力電圧（−Ｖout）が一定の値に制御される。
【００５４】
再び、図１及び図２を参照して説明する。駆動回路１１は、電流検出回路１２または出力電圧検出回路１４の何れか一方から、スイッチ素子Ｑ１をオフにさせる信号が供給された場合、スイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせる論理和動作をする。スイッチ素子Ｑ１を通って流れる電流Ｉinが過電流になり、電流検出抵抗Ｒ２の端子電圧が、過電流に対応した値になると、トランジスタＱ４がオンする。トランジスタＱ４がオンすると、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５がオンになるので、トランジスタＱ６がオフになる。トランジスタＱ６がオフになると、スイッチ素子Ｑ１もオフとなる。従って、起動時にスイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせるための信号を得るために設けられている電流検出回路１２を、定常時において、過電流が生じた場合に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせる過電流保護回路としても、動作させることができる。
【００５５】
図２に示された実施例では、メインのスイッチ素子Ｑ１のエミッタ・ベース間に、スピードアップ回路１５が備えられている。このスピードアップ回路１５は、スイッチ素子Ｑ１のターン．オフ時のスピードを上げるために備えられたもので、トランジスタＱ７、ダイオードＤ３、抵抗Ｒ１１及びコンデンサＣ１を含んでいる。
【００５６】
トランジスタＱ６がオン状態であるとき、スイッチ素子Ｑ１のベース電流は、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２及びトランジスタＱ６を通って流れる。同時に、ダイオードＤ３、コンデンサＣ１及びトランジスタＱ６を通して流れる電流により、コンデンサＣ１が充電される。トランジスタＱ６がオフになると、コンデンサＤ１に蓄積された電荷により、トランジスタＱ７のベース．エミッタ間がバイアスされ、トランジスタＱ７がオンするので、スイッチ素子Ｑ１のベース．エミッタ間容量の蓄積電荷が放電される。これにより、スイッチ素子Ｑ１のターン．オフ．スピードが上がる。
【００５７】
図７は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図、図８は図７に示したスイッチング電源の動作を説明する図である。この実施例は、直流出力電圧（−Ｖout）の値に応じた異なる値の電流Ｉinで、スイッチ素子Ｑ１のオフタイミングを設定する回路構成を示す。電流検出回路１２は比較回路として構成されている。比較回路１２に電流検出抵抗Ｒ２で得られた電圧信号と、出力電圧検出回路１４で得られた電圧信号とを入力し、両電圧信号を比較して得られた比較信号を駆動回路１１に供給し、駆動回路１１によってスイッチ素子Ｑ１をオフさせる。
【００５８】
図８に示すように、負荷が軽く、直流出力電圧（−Ｖout）の値Ｖ０１が低い場合は、それに見合った低い電流Ｉinで、比較回路１２から比較信号が出力され、スイッチ素子Ｑ１にオフ制御が加わる。
【００５９】
また、負荷が重くなった場合には、負荷が軽い時の直流出力電圧値Ｖ０１よりも高い電圧Ｖ０２に見合った電流ＩＱ２で、比較回路１２から比較信号が出力され、スイッチ素子Ｑ１にオフ制御が加わる。
【００６０】
更に、過電流の場合には、負荷が重いときの直流出力電圧値Ｖ０２も更に高い電圧Ｖ０３に見合った電流ＩＱ２で、比較回路１２から比較信号が出力され、スイッチ素子Ｑ１にオフ制御が加わる。過電流に対応する直流出力電圧Ｖ０３は、このスイッチング電源で許容される最大電圧に設定しておく。
【００６１】
図９は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。この実施例では、電流検出回路１２に含まれる電流検出抵抗Ｒ２が、スイッチ素子Ｑ１の出力側（後段）において、エネルギー伝送ラインに直列に接続されている。この電流検出抵抗Ｒ２はスイッチ素子Ｑ１を通って流れる電流Ｉinを、電圧信号として検出し、かつ、出力する。
【００６２】
図１０は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。この実施例では、電流検出回路１２は、時定数回路を含む。時定数回路は抵抗Ｒ０１及びコンデンサＣ０１の直列回路を含む。抵抗Ｒ０１及びコンデンサＣ０１の直列回路は、スイッチ素子Ｑ１の後段に接続される。
【００６３】
上記回路構成によれば、スイッチ素子Ｑ１を通って流れた電流により、抵抗Ｒ０１を通してコンデンサＣ０１が充電される。このコンデンサＣ０１の端子電圧を、電流に対応する電圧信号として出力する。コンデンサＣ０１の端子電圧はスイッチ素子Ｑ１を通って流れた電流Ｉinの値に対応する時間で、所定の値まで上昇するから、スイッチ素子Ｑ１のオフタイミングを、電流Ｉinの値、即ち、負荷の状態に応じて設定することができる。
【００６４】
図示は省略するが、図７、図９及び図１０に示した実施例の具体的な回路構成は、図２に示した回路を基本として、若干の変更を加えることによって容易に実現できる。
【００６５】
図１１は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１〜図６に示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。この実施例は、昇圧チョッパ回路を利用し、直流出力電圧Ｖoutを出力するスイッチング電源を示している。インダクタＬは、メインのスイッチ素子Ｑ１から出力端子３１に至るエネルギー伝送ラインに直列に接続されている。この種のスイッチング電源は、よく知られているように、インダクタＬのフライバックエネルギー（電圧）ＶＦと、直流入力電圧Ｖinを加算した電圧値とほぼ等しい直流出力電圧Ｖoutを生じる。他の回路構成及び作用は、図１〜図６を参照して説明した点とほぼ重なるので、説明は省略する。
【００６６】
図１２は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１〜図１１に示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。この実施例は、昇圧チョッパ回路を利用し、直流出力電圧Ｖoutを出力するスイッチング電源の別の例を示している。インダクタＬは、エネルギー伝送ラインに直列に接続されている。メインのスイッチ素子Ｑ１はインダクタＬの後段において、エネルギー伝送ライン間に接続されている。この種のスイッチング電源も、よく知られているように、インダクタＬのフライバックエネルギー（電圧）ＶＦと、直流入力電圧Ｖinを加算した電圧値とほぼ等しい直流出力電圧Ｖoutを生じる。他の回路構成及び作用は、図１１を参照して説明した点とほぼ重なるので、説明は省略する。
【００６７】
図１３は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。この実施例は、変換トランスＴを用いたスイッチング電源を示している。変換トランスＴの一次巻線Ｎ１の両端間にオフ保持回路１３が接続されており、一次巻線Ｎ１の両端に生じるフライバックエネルギーＶＦを、オフ保持回路１３を通して放出させる。インダクタンス成分は、一次巻線Ｎ１から見たインダクタンス（一次側換算値）で与えられる。一次巻線Ｎ１からフライバックエネルギーＶＦが放出されている間、トランジスタＱ６がオフに保たれるので、スイッチ素子Ｑ１も、オフ状態を保持する。
【００６８】
出力回路を構成するダイオードＤ２は、スイッチ素子Ｑ１のオン時に２次巻線Ｎ２に生じる電圧に対して逆極性となり、スイッチ素子Ｑ１のオフ時に２次巻線Ｎ２に生じるフライバック電圧に対して順方向となるように、方向付けられている。他の回路構成及び作用は、図１〜図１１を参照して説明した点とほぼ重なるので、説明は省略する。
【００６９】
図１４は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。この実施例も、変換トランスＴを用いたスイッチング電源を示している。図１３との違いは、スイッチ素子Ｑ１が、変換トランスＴの一次巻線Ｎ１よりも前段に挿入されていることである。他の回路構成及び作用は、図１〜図１３を参照して説明した点とほぼ重なるので、説明は省略する。
【００７０】
図１３及び図１４に図示したように、変換トランスを用いたタイプのスイッチング電源の場合は、一次巻線Ｎ１を、インダクタとして利用できる。従って、従来と異なって、帰還巻線を有する変換トランスを用いる必要がない。このため、従来よりも一段と小型化することが可能になる。
【００７１】
図１５は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図２に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図２に示された実施例と異なる点は、オフ保持回路１３において、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との接続点に、抵抗Ｒ１４の一端を接続し、抵抗Ｒ１４の他端を、トランジスタＱ６のベースに接続してある点である。
【００７２】
上記構成によれば、フライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、ダイオードＤ１に生じる順方向電圧降下が、抵抗Ｒ１４によるレベルシフトを受ける。このレベルシフトを受けた電圧によって、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間が逆バイアスされ、トランジスタＱ６がオフに保たれる。従って、抵抗Ｒ１４によるレベルシフト電圧に応じて、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持することができる。即ち、オフ保持時間を、抵抗Ｒ１４によるレベルシフトによってコントロールすることができる。
【００７３】
図１６は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１３に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図１３に示された実施例と異なる点は、オフ保持回路１３において、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との接続点に、抵抗Ｒ１４の一端を接続し、抵抗Ｒ１４の他端を、トランジスタＱ６のベースに接続してある点である。
【００７４】
上記構成によれば、巻線ＮＩに生じるフライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、ダイオードＤ１に生じる順方向電圧降下が、抵抗Ｒ１４によるレベルシフトを受け、このレベルシフトさせた電圧によって、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間が逆バイアスされ、トランジスタＱ６がオフに保たれる。従って、抵抗Ｒ１４によるレベルシフト電圧に応じて、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持することができる。
【００７５】
図１７は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１４に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図１４に示された実施例と異なる点は、オフ保持回路１３において、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との接続点に、抵抗Ｒ１４の一端を接続し、抵抗Ｒ１４の他端を、トランジスタＱ６のベースに接続してある点である。
【００７６】
図１７に示した実施例の場合も、図１６に示した実施例と同様に、巻線ＮＩに生じるフライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、ダイオードＤ１に生じる順方向電圧降下が、抵抗Ｒ１４によるレベルシフトを受け、このレベルシフトさせた電圧によって、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間が逆バイアスされ、トランジスタＱ６がオフに保たれる。従って、抵抗Ｒ１４によるレベルシフト電圧に応じて、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持することができる。
【００７７】
図示は省略するが、図１１〜図１７に示した実施例の具体的な回路構成は、当業者であれば、図２に示した回路を基本として、若干の変更を加えることによって容易に実現できる。また、各実施例を組み合わせた変形例が多数存在し得ることは自明である。
【００７８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、小型で、安価な自励式のスイッチング電源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスイッチング電源の電気回路図である。
【図２】本発明に係るスイッチング電源の更に具体的な電気回路図を示している。
【図３】駆動回路と起動回路との関係を抜き出した回路図である。
【図４】駆動回路と出力電圧検出回路との関係を抜き出して示した回路図である。
【図５】駆動回路とオフ保持回路との関係を抜き出して示した回路図である。
【図６】駆動回路と出力電圧検出回路との関係を抜き出して示した回路図である。
【図７】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図８】図７に示したスイッチング電源の動作を説明する図である。
【図９】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１０】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１１】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１２】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１３】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１４】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１５】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１６】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１７】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【符号の説明】
１ 制御回路
１０ 起動回路
１１ 駆動回路
１２ 電流検出回路
１３ オフ保持回路
１４ 出力電圧検出回路
Ｑ１ スイッチ素子
Ｌ インダクタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、自励式のスイッチング電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自励式のスイッチング電源は、例えば、特公平７ー３２６０１号公報に開示されているように、変換トランスに備えられた帰還巻線を利用して、メインのスイッチ素子のスイッチング動作を継続する。
【０００３】
このタイプの自励式スイッチング電源の問題点は、帰還巻線を有する変換トランスが必要であるため、小型化に限度があることである。
【０００４】
他励式スイッチング電源としては、チョッパ回路を用いたものも知られている。このタイプの他励式スイッチング電源は、ＩＣ等で構成された制御回路を用いて、チョッパ回路を構成するスイッチ素子にスイッチング動作をさせるため、コスト高になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、小型で、安価な自励式のスイッチング電源を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を達成するため、本発明に係るスイッチング電源は、スイッチ素子と、インダクタと、出力回路と、制御回路とを含み、自励動作をする。
【０００７】
前記スイッチ素子は、直流入力電圧をスイッチングして出力する。前記インダクタは、前記スイッチ素子のオン期間にエネルギーが蓄積され、前記エネルギーは前記スイッチ素子のオフのときに放出される。前記出力回路は、前記インダクタから放出される前記エネルギーを整流し、平滑して直流出力電圧を生成する。
【０００８】
前記制御回路は、定常時には前記直流出力電圧を検出して前記スイッチ素子をオフさせ、前記スイッチ素子がオフになったときに前記インダクタから放出される前記エネルギを利用して、前記スイッチ素子のオフ状態を保持する。
【０００９】
上述した本発明に係るスイッチング電源において、直流入力電圧が投入された直後の起動時の動作は次の通りである。まず、直流入力電圧が供給されると、制御回路は、直流入力電圧に基づいてスイッチ素子をオンさせる。スイッチ素子がオンになると、オン期間に流れる電流によって、インダクタにエネルギーが蓄積される。
【００１０】
制御回路は、起動時には、直流入力電圧に基づいてスイッチ素子をオンさせた後、スイッチ素子を通って流れる電流を検出してスイッチ素子をオフさせる。これにより、スイッチ素子がオンしてからオフするまでのオン時間が設定される。
【００１１】
スイッチ素子がオフになると、スイッチ素子のオン期間にインダクタに蓄積されたエネルギーが放出される。出力回路はインダクタから放出されるエネルギーを整流し、平滑して直流出力電圧を生成する。この直流出力電圧が負荷に供給される。
【００１２】
制御回路は、スイッチ素子がオフになったとき、インダクタから放出されるエネルギを利用して、スイッチ素子のオフ状態を保持する。これにより、スイッチ素子は、インダクタのエネルギー放出時間に対応したオフ期間を持つことになる。
【００１３】
インダクタの蓄積エネルギーの放出が進むと、スイッチ素子に対する強制的なオフ制御が解除される。そして、オフ状態が解除されたことを条件にして、前記スイッチ素子をオンさせる。上述したオン、オフの動作が繰り返され、直流出力電圧が上昇して行き、起動状態から定常状態に移行して行く。
【００１４】
次に、定常時の動作について説明する。定常動作状態でも、制御回路が、直流入力電圧に基づきスイッチ素子をオンさせる点、及び、スイッチ素子がオフになったときにインダクタから放出されるエネルギを利用して、スイッチ素子のオフ状態を保持する点は、起動時と異なるところはない。定常動作状態において、起動時と異なる点は、スイッチ素子をオフさせる回路動作である。即ち、定常時には、制御回路は、直流出力電圧を検出してスイッチ素子をオフさせる。これにより、自励的なスイッチング動作に必要なオフ駆動とともに、直流出力電圧を安定化する回路作用が得られる。
【００１５】
本発明に係るスイッチング電源は、トランスを用いたタイプのスイッチング電源であっても、チョッパ回路を用いたスイッチング電源であっても、適用が可能である。変換トランスを用いたタイプのスイッチング電源の場合は一次巻線を、インダクタとして利用できる。従って、従来と異なって、帰還巻線を有する変換トランスを用いる必要がない。このため、従来よりも一段と小型化することが可能になる。しかも、帰還巻線を有する場合と同様の回路作用を得ることができる。
【００１６】
また、スイッチング方式をチョッパ回路とした場合は、チョッパ回路に通常備えられるインダクタを利用することができる。このインダクタに蓄積されたエネルギーを利用して、スイッチ素子のオフ時間を設定することができる。従って、ＩＣ等で構成された制御回路を用いる必要がなくなるので、コストが安価になる。
【００１７】
しかも、インダクタまたはトランス巻線に蓄積されるエネルギーは、負荷に供給される電流情報を含んでいる。本発明において、このような特性を持つインダクタまたはトランス巻線の蓄積エネルギーを利用して、スイッチ素子のオフ時間を設定する。従って、負荷の状態に応じたスイッチング制御を行うことができる。
【００１８】
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図を参照し、更に具体的に説明する。添付図面は単に例を示すに過ぎない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るスイッチング電源の電気回路図である。本発明に係るスイッチング電源は、スイッチ素子Ｑ１と、インダクタＬと、出力回路と、制御回路１とを含む。実施例は、反転チョッパ回路を利用し、負の直流出力電圧（−Ｖout）を出力するスイッチング電源を示している。このスイッチング電源は、入力端子２１に、接地側出力端子２２を基準にして、正電位にある直流入力電圧Ｖinが与えられたとき、チョッパ回路の作用により、出力端子３１に、接地側出力端子３２を基準にして負電位にある負の直流出力電圧（−Ｖout）を出力する。
【００２０】
スイッチ素子Ｑ１は、直流入力電圧Ｖinをスイッチングして出力する。インダクタＬには、スイッチ素子Ｑ１のオン期間に、電流ＩＬが流れ、エネルギーが蓄積される。スイッチ素子Ｑ１のオン期間に、インダクタＬに蓄積されたエネルギーはスイッチ素子Ｑ１のオフのときに放出される。
【００２１】
出力回路は、インダクタＬから放出されるエネルギーを、ダイオードＤ２で整流し、コンデンサＣ３で平滑して、直流出力電圧（−Ｖout）を生成する。実施例の場合、ダイオードＤ２は、スイッチ素子Ｑ１がオンとなったときに、その両端に印加される電圧に対して逆極性となり、インダクタＬから放出されるフライバックエネルギーＶＦに対して順方向の極性となるように方向付けられている。
【００２２】
制御回路１は、直流入力電圧Ｖinに基づいて、スイッチ素子Ｑ１をオンさせる。制御回路１は、また、起動時に、スイッチ素子Ｑ１を通って流れる入力電流Ｉinを検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる。定常時には、直流出力電圧（−Ｖout）を検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる。制御回路１は、更に、スイッチ素子Ｑ１がオフになったときにインダクタＬから放出されるエネルギーを利用して、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持する。
【００２３】
より具体的には、制御回路１は、駆動回路１１と、起動回路１０と、電流検出回路１２と、出力電圧検出回路１４と、オフ保持回路１３とを含んでいる。駆動回路１１は、スイッチング動作により、スイッチ素子Ｑ１をオン、オフさせる回路であり、一般には、例えばトランジスタ等の３端子スイッチ素子を含む。この３端子スイッチ素子の制御電極に制御信号を加えることにより、上述した動作を行わせる。
【００２４】
起動回路１０は、直流入力電圧Ｖinに基づき、駆動回路１１に、スイッチ素子Ｑ１をオンさせる信号を供給する。
【００２５】
電流検出回路１２は、直流入力電圧Ｖinが投入される起動時に、スイッチ素子Ｑ１を通って流れる入力電流Ｉinを検出し、駆動回路１１に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせるための信号を供給する。実施例において、電流検出回路１２は電流検出抵抗Ｒ２を含み、電流検出抵抗Ｒ２に生じる電圧降下を利用して入力電流Ｉinを検出する。電流検出回路１２は、電流検出抵抗Ｒ２に生じる端子電圧が予め定められた値になったとき、駆動回路１１に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせるための信号を供給する。
【００２６】
出力電圧検出回路１４は、定常時に、直流出力電圧（−Ｖout）を検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる信号を、駆動回路１１に供給する。駆動回路１１は、電流検出回路１２または出力電圧検出回路１４の何れか一方から、スイッチ素子Ｑ１をオフにさせる信号が供給された場合、スイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせる論理和動作をする。
【００２７】
オフ保持回路１３は、スイッチ素子Ｑ１がオフになったときに、インダクタＬから放出されるエネルギーを利用して、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持する信号を駆動回路１１に供給する。このようなオフ保持回路１３は、インダクタＬにフライバックエネルギーを放出する回路を付加し、その回路の電圧信号を駆動回路１１に供給することによって実現できる。
【００２８】
次に、図１に示したスイッチング電源の回路動作について説明する。
【００２９】
＜起動時の動作＞
起動に当たり、入力端子２１、２２に直流入力電圧Ｖinが供給されると、制御回路１を構成する駆動回路１１は、起動回路１０を通して与えられる直流入力電圧Ｖinに基づいて、スイッチ素子Ｑ１をオンさせる。スイッチ素子Ｑ１がオンになると、そのオン期間に、インダクタＬに電流ＩＬが流れ込み、エネルギーが蓄積される。実施例の場合、スイッチ素子Ｑ１がオンとなったとき、ダイオードＤ２は、その両端に印加される電圧に対して逆極性となる。
【００３０】
次に、制御回路１に含まれる電流検出回路１２は、スイッチ素子Ｑ１を通って流れる入力電流Ｉinを検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる信号を、駆動回路１１に供給する。スイッチ素子Ｑ１のオン時に、インダクタＬに流れる電流ＩＬは時間とともに増加する波形になる。電流検出回路１２は、電流値が予め定められた値になった時に、スイッチ素子Ｑ１をオフにするためのオフ信号を生成し、オフ信号を駆動回路１１に供給する。
【００３１】
スイッチ素子Ｑ１がオフになると、スイッチ素子Ｑ１のオン期間にインダクタＬに蓄積されたエネルギーが放出される。出力回路はインダクタＬから放出されるエネルギーを整流し、平滑して、直流出力電圧（−Ｖout）を生成する。この直流出力電圧（−Ｖout）が、出力端子３１、３２を介して、負荷（図示しない）に供給される。
【００３２】
オフ保持回路１３は、スイッチ素子Ｑ１がオフになったとき、インダクタＬから放出されるエネルギを利用して、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持する。これにより、スイッチ素子Ｑ１は、インダクタＬのエネルギー放出時間に対応したオフ期間を持つことになる。この間、起動回路１０から入力される信号は無効になるので、安定したオフ期間を設定できる。
【００３３】
インダクタＬの蓄積エネルギーがなくなると、スイッチ素子Ｑ１に対する強制的なオフ制御が解除される。インダクタの蓄積エネルギーが放出されると、スイッチ素子に対する強制的なオフ制御が解除される。そして、上述した回路作用により、スイッチ素子Ｑ１がターン．オンする。上述したオン、オフの動作が繰り返され、直流出力電圧（−Ｖout）が上昇して行き、起動状態から定常状態に移行して行く。
【００３４】
＜定常時の動作＞
定常動作状態でも、制御回路１が、直流入力電圧Ｖinに基づきスイッチ素子Ｑ１をオンさせる点、及び、スイッチ素子Ｑ１がオフになったときにインダクタＬから放出されるエネルギを利用して、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持する点は、起動時と異なるところはない。定常動作状態において、起動時と異なる点は、スイッチ素子Ｑ１をオフさせる回路動作である。即ち、定常時には、出力電圧検出回路１４により、直流出力電圧（−Ｖout）を検出してスイッチ素子Ｑ１をオフさせる。出力電圧検出回路１４は、直流出力電圧（−Ｖout）が、予め設定されたレベルを越えたとき、駆動回路１１を通して、スイッチ素子Ｑ１をオフさせる。従って、スイッチング動作とともに、直流出力電圧（−Ｖout）を安定化する回路作用が得られる。
【００３５】
上述したように、スイッチング方式をチョッパ回路とした場合は、インダクタＬに対するエネルギーの蓄積及び放出を利用して、スイッチ素子Ｑ１にオン／オフ動作をさせることができる。従って、制御回路１をＩＣ等で構成する必要がなくなるので、コストが安価になる。しかも、インダクタＬに蓄積されるエネルギーは、負荷に供給される電流情報を含んでいる。実施例においては、このような特性を持つインダクタＬの蓄積エネルギーを利用して、スイッチ素子Ｑのオフ時間を設定する。従って、負荷の状態に応じたスイッチング制御を行うことができる。
【００３６】
更に、駆動回路１１は、電流検出回路１２または出力電圧検出回路１４の何れか一方から、スイッチ素子Ｑ１をオフにさせる信号が供給された場合、スイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせる論理和動作をする。従って、起動時にスイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせるための信号を得るために設けられている電流検出回路１２を、定常時において、過電流が生じた場合に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせる過電流保護回路としても、動作させることができる。
【００３７】
図２は本発明に係るスイッチング電源の更に具体的な電気回路図を示している。図３〜図６は図２に示されたスイッチング電源の構成及び作用の理解のために添付されたものである。図３は駆動回路１１と起動回路１０との関係を抜き出した回路図、図４は駆動回路１１と電流検出回路１２との関係を抜き出して示した回路図、図５は駆動回路１１とオフ保持回路１３との関係を抜き出して示した回路図、図６は駆動回路１１と出力電圧検出回路１４との関係を抜き出して示した回路図である。
【００３８】
まず、図２及び図３を参照すると、制御回路１を構成する駆動回路１１は、トランジスタＱ６、抵抗Ｒ１２等を含んでいる。トランジスタＱ６は、コレクタがメインのスイッチ素子Ｑ１のベースに導かれている。
【００３９】
起動回路１０は、入力端子２１に供給される直流入力電圧Ｖinを、抵抗Ｒ１３を介して、トランジスタＱ６のベースに供給する回路を構成する。
【００４０】
次に、図２及び図４を参照すると、電流検出回路１２は、電流検出抵抗Ｒ２、トランジスタＱ４及び抵抗Ｒ９等を含んでいる。トランジスタＱ４は、ＰＮＰトランジスタであり、エミッタ及びベースを、電流検出抵抗Ｒ２の両端に接続してある。トランジスタＱ４のコレクタは、抵抗Ｒ９を介して、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５のベースに接続されている。トランジスタＱ５は、コレクタがトランジスタＱ６のベースに接続され、エミッタが、トランジスタＱ６のエミッタに接続されている。抵抗Ｒ１０はトランジスタＱ５のベース・エミッタ間に接続されている。
【００４１】
次に、図２及び図５を参照すると、オフ保持回路１３は、インダクタＬの両端にダイオードＤ１と抵抗Ｒ１の直列回路を接続し、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との接続点を、トランジスタＱ６のベースに接続してある。ダイオードＤ１はインダクタＬに生じるフライバックエネルギーＶＦに対して順方向となるように、方向付けられている。また、ダイオードＤ１は、順方向電圧が、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間を逆バイアスする関係で、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間に接続されている。
【００４２】
更に、図２及び図６を参照すると、出力電圧検出回路１４は、分圧抵抗Ｒ３、Ｒ４、基準電圧源となるツエナーダイオードＺＤ１、トランジスタＱ２、トランジスタＱ３及び抵抗Ｒ５〜Ｒ８等を含んでいる。抵抗Ｒ３、Ｒ４は直列に接続され、出力端子３１ー３２間に接続されている。抵抗Ｒ３、Ｒ４の接続点はトランジスタＱ２のベースに接続されている。ツェナーダイオードＺＤ１はトランジスタＱ２のエミッタと出力端子３１との間に接続されている。抵抗Ｒ５はツェナーダイオートＺＤ１及びトランジスタＱ２のエミッタの接続点と、出力端子３２との間に接続されている。トランジスタＱ２のコレクタは抵抗Ｒ６を介してＰＮＰトランジスタＱ３のベースに接続されている。
【００４３】
トランジスタＱ３は、エミッタが入力端子２１に接続され、コレクタが抵抗Ｒ８を介して、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５のベースに接続されている。トランジスタＱ３のエミッタ・ベース間には抵抗Ｒ７が接続されている。
【００４４】
次に、上記実施例に示されたスイッチング電源の動作を、起動時と定常時とに分けて説明する。
【００４５】
＜起動時の動作＞
まず、図２及び図３を参照して、起動時のスイッチ素子Ｑ１のターン．オン動作について説明する。入力端子２１、２２に直流入力電圧Ｖinが供給されると、直流入力電圧Ｖinが、起動回路１０を構成する抵抗Ｒ１３を介して、トランジスタＱ６のベースに供給され、トランジスタＱ６がターン．オンする。トランジスタＱ６のターン．オンにより、スイッチ素子Ｑ１を通して、電流Ｉinが流れる。また、インダクタＬにインダクタ電流ＩＬが流れ、インダクタＬにエネルギーが蓄積される。インダクタ電流ＩＬは、時間とともに、ほぼ直線的に増加する領域を有する。実施例の場合、電流Ｉinはインダクタ電流ＩＬとほぼ等しくなるので、電流Ｉinも、時間とともに、ほぼ直線的に増加する領域を有する。
【００４６】
次に、図２及び図４を参照して、起動時のスイッチ素子Ｑ１のターン．オフ動作について説明する。スイッチ素子Ｑ１を通って流れる電流Ｉinが、予め定められた値になり、電流検出抵抗Ｒ２の端子電圧が所定値になると、トランジスタＱ４がオンする。トランジスタＱ４がオンすると、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５がオンになるので、トランジスタＱ６がオフになる。トランジスタＱ６がオフになると、スイッチ素子Ｑ１もオフとなる。
【００４７】
トランジスタＱ６がオフになると、そのオフ期間の間、抵抗Ｒ１３（図２、３参照）によって構成される起動回路１０に起動電流が流れなくなる。このため、スイッチ素子Ｑ１のオフ時に、起動回路１０による電力消費を回避し、効率を向上させることができる。
【００４８】
次に、図２及び図５を参照して、エネルギー伝送及びオフ保持の回路動作について説明する。メインのスイッチ素子Ｑ１がオフになると、インダクタＬにフライバックエネルギーＶＦが発生する。インダクタＬのフライバックエネルギーＶＦは、出力回路を構成するダイオードＤ２に対して順方向となる。従って、フライバックエネルギーは、ダイオードＤ２によって整流され、コンデンサＣ３によって平滑され、出力端子３１、３２から負の直流出力電圧（−Ｖout）として取り出される。
【００４９】
一方、インダクタＬのフライバックエネルギーＶＦは、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通しても放出される。フライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、ダイオードＤ１に順方向電圧降下を生じる。この順方向電圧降下によって、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間が逆バイアスされ、トランジスタＱ６がオフに保たれる。従って、インダクタＬのフライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、スイッチ素子Ｑ１もオフ状態を保持する。オフの保持時間は、フライバックエネルギーが消滅するまでの時間となる。
【００５０】
上述したオン、オフの動作が繰り返され、直流出力電圧（−Ｖout）が上昇（負側に深くなる）して行き、起動状態から定常状態に移行して行く。
【００５１】
＜定常時の動作＞
次に、図２及び図６を参照して、定常時の動作について説明する。上述した起動時の回路動作により、出力端子３１に現れる直流出力電圧（−Ｖout）が負側に深くなり、トランジスタＱ２が導通する。トランジスタＱ２が導通すると、トランジスタＱ３が導通する。トランジスタＱ３が導通すると、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５が導通するので、トランジスタＱ６がオフし、続いて、スイッチ素子Ｑ１がオフする。トランジスタＱ６がオフ状態を保持している間、抵抗Ｒ１３（図２、３参照）によって構成される起動回路１０に、起動電流が流れず、スイッチ素子Ｑ１のオフ時の起動回路１０（図３参照）による電力消費を回避し、効率を向上させることができることは前述した通りである。
【００５２】
スイッチ素子Ｑ１がオフした後、オフ保持回路１３（図５参照）に含まれるインダクタＬの蓄積エネルギーが放出されるまでスイッチ素子Ｑ１に強制的なオフ制御が加わる点、及び、インダクタＬの蓄積エネルギーが放出された後、起動回路１０（図３参照）によりスイッチ素子Ｑ１がターン．オンする点は、起動時の動作と同じである。上述した動作を繰り返すことにより、自励動作をするスイッチング電源が得られる。
【００５３】
出力電圧検出回路１４は、直流出力電圧（−Ｖout）が、予め設定されたレベルを越えたとき、駆動回路１１を通して、スイッチ素子Ｑ１をオフさせるから、出力端子３１ー３２間に現れる直流出力電圧（−Ｖout）が一定の値に制御される。
【００５４】
再び、図１及び図２を参照して説明する。駆動回路１１は、電流検出回路１２または出力電圧検出回路１４の何れか一方から、スイッチ素子Ｑ１をオフにさせる信号が供給された場合、スイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせる論理和動作をする。スイッチ素子Ｑ１を通って流れる電流Ｉinが過電流になり、電流検出抵抗Ｒ２の端子電圧が、過電流に対応した値になると、トランジスタＱ４がオンする。トランジスタＱ４がオンすると、駆動回路１１を構成するトランジスタＱ５がオンになるので、トランジスタＱ６がオフになる。トランジスタＱ６がオフになると、スイッチ素子Ｑ１もオフとなる。従って、起動時にスイッチ素子Ｑ１にオフ動作をさせるための信号を得るために設けられている電流検出回路１２を、定常時において、過電流が生じた場合に、スイッチ素子Ｑ１をオフさせる過電流保護回路としても、動作させることができる。
【００５５】
図２に示された実施例では、メインのスイッチ素子Ｑ１のエミッタ・ベース間に、スピードアップ回路１５が備えられている。このスピードアップ回路１５は、スイッチ素子Ｑ１のターン．オフ時のスピードを上げるために備えられたもので、トランジスタＱ７、ダイオードＤ３、抵抗Ｒ１１及びコンデンサＣ１を含んでいる。
【００５６】
トランジスタＱ６がオン状態であるとき、スイッチ素子Ｑ１のベース電流は、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２及びトランジスタＱ６を通って流れる。同時に、ダイオードＤ３、コンデンサＣ１及びトランジスタＱ６を通して流れる電流により、コンデンサＣ１が充電される。トランジスタＱ６がオフになると、コンデンサＤ１に蓄積された電荷により、トランジスタＱ７のベース．エミッタ間がバイアスされ、トランジスタＱ７がオンするので、スイッチ素子Ｑ１のベース．エミッタ間容量の蓄積電荷が放電される。これにより、スイッチ素子Ｑ１のターン．オフ．スピードが上がる。
【００５７】
図７は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図、図８は図７に示したスイッチング電源の動作を説明する図である。この実施例は、直流出力電圧（−Ｖout）の値に応じた異なる値の電流Ｉinで、スイッチ素子Ｑ１のオフタイミングを設定する回路構成を示す。電流検出回路１２は比較回路として構成されている。比較回路１２に電流検出抵抗Ｒ２で得られた電圧信号と、出力電圧検出回路１４で得られた電圧信号とを入力し、両電圧信号を比較して得られた比較信号を駆動回路１１に供給し、駆動回路１１によってスイッチ素子Ｑ１をオフさせる。
【００５８】
図８に示すように、負荷が軽く、直流出力電圧（−Ｖout）の値Ｖ０１が低い場合は、それに見合った低い電流Ｉinで、比較回路１２から比較信号が出力され、スイッチ素子Ｑ１にオフ制御が加わる。
【００５９】
また、負荷が重くなった場合には、負荷が軽い時の直流出力電圧値Ｖ０１よりも高い電圧Ｖ０２に見合った電流ＩＱ２で、比較回路１２から比較信号が出力され、スイッチ素子Ｑ１にオフ制御が加わる。
【００６０】
更に、過電流の場合には、負荷が重いときの直流出力電圧値Ｖ０２も更に高い電圧Ｖ０３に見合った電流ＩＱ２で、比較回路１２から比較信号が出力され、スイッチ素子Ｑ１にオフ制御が加わる。過電流に対応する直流出力電圧Ｖ０３は、このスイッチング電源で許容される最大電圧に設定しておく。
【００６１】
図９は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。この実施例では、電流検出回路１２に含まれる電流検出抵抗Ｒ２が、スイッチ素子Ｑ１の出力側（後段）において、エネルギー伝送ラインに直列に接続されている。この電流検出抵抗Ｒ２はスイッチ素子Ｑ１を通って流れる電流Ｉinを、電圧信号として検出し、かつ、出力する。
【００６２】
図１０は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。この実施例では、電流検出回路１２は、時定数回路を含む。時定数回路は抵抗Ｒ０１及びコンデンサＣ０１の直列回路を含む。抵抗Ｒ０１及びコンデンサＣ０１の直列回路は、スイッチ素子Ｑ１の後段に接続される。
【００６３】
上記回路構成によれば、スイッチ素子Ｑ１を通って流れた電流により、抵抗Ｒ０１を通してコンデンサＣ０１が充電される。このコンデンサＣ０１の端子電圧を、電流に対応する電圧信号として出力する。コンデンサＣ０１の端子電圧はスイッチ素子Ｑ１を通って流れた電流Ｉinの値に対応する時間で、所定の値まで上昇するから、スイッチ素子Ｑ１のオフタイミングを、電流Ｉinの値、即ち、負荷の状態に応じて設定することができる。
【００６４】
図示は省略するが、図７、図９及び図１０に示した実施例の具体的な回路構成は、図２に示した回路を基本として、若干の変更を加えることによって容易に実現できる。
【００６５】
図１１は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１〜図６に示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。この実施例は、昇圧チョッパ回路を利用し、直流出力電圧Ｖoutを出力するスイッチング電源を示している。インダクタＬは、メインのスイッチ素子Ｑ１から出力端子３１に至るエネルギー伝送ラインに直列に接続されている。この種のスイッチング電源は、よく知られているように、インダクタＬのフライバックエネルギー（電圧）ＶＦと、直流入力電圧Ｖinを加算した電圧値とほぼ等しい直流出力電圧Ｖoutを生じる。他の回路構成及び作用は、図１〜図６を参照して説明した点とほぼ重なるので、説明は省略する。
【００６６】
図１２は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１〜図１１に示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。この実施例は、昇圧チョッパ回路を利用し、直流出力電圧Ｖoutを出力するスイッチング電源の別の例を示している。インダクタＬは、エネルギー伝送ラインに直列に接続されている。メインのスイッチ素子Ｑ１はインダクタＬの後段において、エネルギー伝送ライン間に接続されている。この種のスイッチング電源も、よく知られているように、インダクタＬのフライバックエネルギー（電圧）ＶＦと、直流入力電圧Ｖinを加算した電圧値とほぼ等しい直流出力電圧Ｖoutを生じる。他の回路構成及び作用は、図１１を参照して説明した点とほぼ重なるので、説明は省略する。
【００６７】
図１３は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。この実施例は、変換トランスＴを用いたスイッチング電源を示している。変換トランスＴの一次巻線Ｎ１の両端間にオフ保持回路１３が接続されており、一次巻線Ｎ１の両端に生じるフライバックエネルギーＶＦを、オフ保持回路１３を通して放出させる。インダクタンス成分は、一次巻線Ｎ１から見たインダクタンス（一次側換算値）で与えられる。一次巻線Ｎ１からフライバックエネルギーＶＦが放出されている間、トランジスタＱ６がオフに保たれるので、スイッチ素子Ｑ１も、オフ状態を保持する。
【００６８】
出力回路を構成するダイオードＤ２は、スイッチ素子Ｑ１のオン時に２次巻線Ｎ２に生じる電圧に対して逆極性となり、スイッチ素子Ｑ１のオフ時に２次巻線Ｎ２に生じるフライバック電圧に対して順方向となるように、方向付けられている。他の回路構成及び作用は、図１〜図１１を参照して説明した点とほぼ重なるので、説明は省略する。
【００６９】
図１４は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。この実施例も、変換トランスＴを用いたスイッチング電源を示している。図１３との違いは、スイッチ素子Ｑ１が、変換トランスＴの一次巻線Ｎ１よりも前段に挿入されていることである。他の回路構成及び作用は、図１〜図１３を参照して説明した点とほぼ重なるので、説明は省略する。
【００７０】
図１３及び図１４に図示したように、変換トランスを用いたタイプのスイッチング電源の場合は、一次巻線Ｎ１を、インダクタとして利用できる。従って、従来と異なって、帰還巻線を有する変換トランスを用いる必要がない。このため、従来よりも一段と小型化することが可能になる。
【００７１】
図１５は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図２に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図２に示された実施例と異なる点は、オフ保持回路１３において、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との接続点に、抵抗Ｒ１４の一端を接続し、抵抗Ｒ１４の他端を、トランジスタＱ６のベースに接続してある点である。
【００７２】
上記構成によれば、フライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、ダイオードＤ１に生じる順方向電圧降下が、抵抗Ｒ１４によるレベルシフトを受ける。このレベルシフトを受けた電圧によって、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間が逆バイアスされ、トランジスタＱ６がオフに保たれる。従って、抵抗Ｒ１４によるレベルシフト電圧に応じて、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持することができる。即ち、オフ保持時間を、抵抗Ｒ１４によるレベルシフトによってコントロールすることができる。
【００７３】
図１６は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１３に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図１３に示された実施例と異なる点は、オフ保持回路１３において、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との接続点に、抵抗Ｒ１４の一端を接続し、抵抗Ｒ１４の他端を、トランジスタＱ６のベースに接続してある点である。
【００７４】
上記構成によれば、巻線ＮＩに生じるフライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、ダイオードＤ１に生じる順方向電圧降下が、抵抗Ｒ１４によるレベルシフトを受け、このレベルシフトさせた電圧によって、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間が逆バイアスされ、トランジスタＱ６がオフに保たれる。従って、抵抗Ｒ１４によるレベルシフト電圧に応じて、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持することができる。
【００７５】
図１７は本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。図において、図１４に図示された構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図１４に示された実施例と異なる点は、オフ保持回路１３において、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１との接続点に、抵抗Ｒ１４の一端を接続し、抵抗Ｒ１４の他端を、トランジスタＱ６のベースに接続してある点である。
【００７６】
図１７に示した実施例の場合も、図１６に示した実施例と同様に、巻線ＮＩに生じるフライバックエネルギーＶＦが、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を通して放出されている間、ダイオードＤ１に生じる順方向電圧降下が、抵抗Ｒ１４によるレベルシフトを受け、このレベルシフトさせた電圧によって、トランジスタＱ６のベース・エミッタ間が逆バイアスされ、トランジスタＱ６がオフに保たれる。従って、抵抗Ｒ１４によるレベルシフト電圧に応じて、スイッチ素子Ｑ１のオフ状態を保持することができる。
【００７７】
図示は省略するが、図１１〜図１７に示した実施例の具体的な回路構成は、当業者であれば、図２に示した回路を基本として、若干の変更を加えることによって容易に実現できる。また、各実施例を組み合わせた変形例が多数存在し得ることは自明である。
【００７８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、小型で、安価な自励式のスイッチング電源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスイッチング電源の電気回路図である。
【図２】本発明に係るスイッチング電源の更に具体的な電気回路図を示している。
【図３】駆動回路と起動回路との関係を抜き出した回路図である。
【図４】駆動回路と出力電圧検出回路との関係を抜き出して示した回路図である。
【図５】駆動回路とオフ保持回路との関係を抜き出して示した回路図である。
【図６】駆動回路と出力電圧検出回路との関係を抜き出して示した回路図である。
【図７】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図８】図７に示したスイッチング電源の動作を説明する図である。
【図９】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１０】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１１】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１２】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１３】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１４】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１５】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１６】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【図１７】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施例を示す電気回路図である。
【符号の説明】
１ 制御回路
１０ 起動回路
１１ 駆動回路
１２ 電流検出回路
１３ オフ保持回路
１４ 出力電圧検出回路
Ｑ１ スイッチ素子
Ｌ インダクタ
Claims (1)
- スイッチ素子と、インダクタまたはトランス巻線と、出力回路と、制御回路とを含み、自励動作をするスイッチング電源であって、
前記スイッチ素子は、直流入力電圧をスイッチングして出力し、
前記インダクタまたはトランス巻線は、前記スイッチ素子のオン期間にエネルギーが蓄積され、前記エネルギーは前記スイッチ素子のオフのときに放出されるフライバックエネルギーであり、
前記出力回路は、前記インダクタまたはトランス巻線から放出される前記エネルギーを整流し、平滑して直流出力電圧を生成し、
前記制御回路は、起動回路と、電流検出回路と、出力電圧検出回路と、オフ保持回路と、駆動回路とを含んでおり、
前記起動回路は、前記直流入力電圧に基づき前記スイッチ素子をオンさせる信号を生成し、
前記電流検出回路は、前記スイッチ素子を通って流れる電流を検出し、この電流が所定値となったときに前記スイッチ素子をオフさせる信号を生成し、
前記出力電圧検出回路は、定常時に、前記直流出力電圧を検出して前記スイッチ素子をオフさせる信号を生成し、
前記オフ保持回路は、
抵抗と、この抵抗にカソード側で直列接続されたダイオードとを含む回路であって、
前記エネルギーによって発生する電圧に対して前記ダイオードが順方向となるように、前記インダクタまたはトランス巻線と並列接続され、
前記抵抗と前記ダイオードの接続点の電圧信号を前記駆動回路へ供給することによって、前記スイッチ素子がオフになったときに前記エネルギーが前記インダクタまたはトランス巻線から放出されている間、前記スイッチ素子のオフ状態を保持させ、
前記駆動回路は、前記起動回路、前記電流検出回路、前記出力電圧検出回路及び前記オフ保持回路から供給される信号に基づいて、前記スイッチ素子をオン、オフさせる
スイッチング電源。
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