JP5447506B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
第1の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図を参照して説明する。図1は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
直流入力電圧が印加される入力電源Viの両端には、インダクタLr、トランスTの1次巻線np、第1スイッチ回路S1が直列接続されている。第1スイッチ回路S1は、第1スイッチング素子Q1、ダイオードD1、キャパシタC1を備える。第1スイッチング素子Q1は、FETからなり、ドレイン端子がトランスTの1次巻線npに接続され、ソース端子が入力電源Viに接続されている。ダイオードD1、およびキャパシタC1は、第1スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間に並列に接続されており、FETである第1スイッチング素子Q1の寄生ダイオードおよび寄生容量により代用することが可能である。第1スイッチング素子Q1は、駆動回路103を介して制御用デジタルIC10から与えられる第1スイッチング制御信号Vgs1によってオン・オフ動作する。
トランスTの2次巻線ns1は、1次巻線npに対して逆極性となるように巻回されており、2次巻線ns1の両端は、電圧出力端子Vout(+),Vout(−)となっている。2次巻線ns1の電圧出力端子Vout(+)側の一方端には、ダイオードDsのアノードが接続され、当該ダイオードDsのカソードが電圧出力端子Vout(+)に接続されている。また、電圧出力端子Vout(+)、Vout(−)の両端子間には、キャパシタCoが接続されている。このような構成により、ダイオードDsとキャパシタCoとによる整流平滑回路が形成される。
制御用デジタルIC10は、例えばDSPやFPGA等からなり、入力されるモニタ信号Vm、検出電圧信号Voに基づいて、第1スイッチング素子Q1をオン・オフ制御する第1スイッチング制御信号Vgs1および第2スイッチング素子Q2をオン・オフ制御する第2スイッチング制御信号Vgs2を生成する。この際、制御用デジタルIC10は、一定のスイッチング周期Tsを保ちながら、所望の出力電圧レベルを得られるように、且つ第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とが同時にオンしないように、第1スイッチング制御信号Vgs1および第2スイッチング制御信号Vgs2を生成する。生成された第1スイッチング制御信号Vgs1および第2スイッチング制御信号Vgs2は、駆動回路103へ出力される。
図4におけるタイミングt0に示すように、第2スイッチング制御信号Vgs2がLowレベルに遷移されると、トランス電圧Vtは立ち上がる。これに応じて、モニタ信号Vmは立ち下がる。
図4におけるタイミングt1に示すように、制御用デジタルIC10は、モニタ信号Vmが閾値V1に達したことによって、トランス電圧Vtの磁束変化を検出すると、予め設定した微小遅延時間TF1の後、第1スイッチング制御信号Vgs1をHiレベルに遷移させる(S103)。これにより、第1スイッチング制御信号Vgs1は、モニタ信号Vmが閾値V1に達したことに検出したタイミングから、さらに、極短い遅延時間TF1後のタイミングt2でHiレベルに遷移する。
制御用デジタルIC10は、第1スイッチング制御信号Vgs1がHiレベルに遷移するタイミングで、第1スイッチング制御信号Vgs1用タイマのカウント値をクリアして、カウントアップを開始する。
制御用デジタルIC10は、制御値u1により設定されたカウント値に、第1スイッチング制御信号Vgs1用タイマのカウント値が達したことを検出すると、図4のタイミングt4に示すように、第1スイッチング制御信号Vgs1をLowレベルに遷移させる(S105)。これにより、制御用デジタルIC10は、第1スイッチング制御信号Vgs1を、所望とするオン時間Ton1に亘り、Hiレベルで第1スイッチング素子Q1へ供給することができる。
図4におけるタイミングt4に示すように、第1スイッチング制御信号Vgs1がLowレベルに遷移されると、トランス電圧Vtは立ち下がる。これに応じて、トランスTの第1スイッチ回路S1側の端部から取得されたモニタ信号Vmは立ち上がる。
図4におけるタイミングt5に示すように、制御用デジタルIC10は、モニタ信号Vmが閾値V2に達したことによって、トランス電圧Vtの磁束変化を検出すると、予め設定した微小遅延時間TF2の後、第2スイッチング制御信号Vgs2をHiレベルに遷移させる(S108)。この際、第2スイッチング制御信号Vgs2は、モニタ信号Vmが閾値V2に達したことに検出したタイミングから、さらに、極短い遅延時間TF2後のタイミングt6でHiレベルに遷移する。
制御用デジタルIC10は、第2スイッチング制御信号Vgs2がHiレベルに遷移するタイミングで、第2スイッチング制御信号Vgs2用タイマのカウント値をクリアして、カウントアップを開始する。
次に、第2の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図6は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第3の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図7は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第4の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図10は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第5の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図13は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第6の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図14は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第7の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図15は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第8の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図16は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第9の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図17は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第10の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図19は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第11の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図20は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第12の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図22は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
次に、第13の実施形態に係るスイッチング電源装置について図を参照して説明する。図24は、本実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
Claims (22)
- 直流入力電圧Viが入力される直流電源入力部と、
一つの磁性部品で構成され、磁気的に結合された第1の1次巻線npと、第1の2次巻
線ns1と、を少なくとも備えたトランスTと、
前記第1の1次巻線npに直列に接続されたインダクタLrと、
第1のスイッチング素子Q1と、第1のキャパシタC1と、第1のダイオードD1の並列回路からなる第1のスイッチ回路S1と、
第2のスイッチング素子Q2と、第2のキャパシタC2と、第2のダイオードD2の並列回路からなる第2のスイッチ回路S2と、
第3のキャパシタCrと、
前記直流電源入力部の両端に接続され、前記第1の1次巻線npと前記第1のスイッチ回路S1とが直列に接続された第1の直列回路と、
前記第1のスイッチ回路S1の両端、または前記第1の1次巻線npの両端に接続され、前記第2のスイッチ回路S2と前記第3のコンデンサCrとが直列に接続された第2の直列回路と、を備え、
前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2は、共にオフである期間を挟んで互いに相補的にオン・オフを繰り返すように動作するように構成され、
前記第1の2次巻線ns1から出力される交流電圧を整流平滑する第1の整流平滑回路を介して2次側に出力電圧Voutが出力されるように構成された電力変換回路を備えたスイッチング電源装置であって、
前記電力変換回路において、前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2のうち、オン状態にある方のスイッチ回路がターンオフされることによって、前記スイッチ回路の導通と非導通とが切り替わることによる電圧もしくは電流変化を検出して、モニタ信号を生成する第1のモニタ信号生成手段と、
前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2を制御するデジタル制御回路と、を有し、
前記デジタル制御回路は、前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2のオン時間を、クロック信号に基づくタイミングで演算処理により設定するとともに、
前記オン時間の開始タイミングは、前記モニタ信号をトリガとして入力し、前記クロック信号に基づくタイミングで決定され、これに基づいて前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2をターンオンさせるための制御信号を生成し、
前記オン時間の停止タイミングは、前記演算処理により設定されたオン時間にしたがって前記クロック信号に基づいたタイミングで決定され、これに基づいて前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2をターンオフさせるための制御信号を生成し、
前記出力電圧Voutが印加される負荷の状態に合わせてデッドタイムが設定され、前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2のオン時間を演算処理によって決定することでスイッチング周波数を一定に保つことを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記第1のスイッチ回路S1が導通状態、または前記第2のスイッチ回路S2が導通状態のときに流れる電流の向きに対して、前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線ns1は、その磁気極性を逆極性としたことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記第1のスイッチ回路S1が導通状態、または前記第2のスイッチ回路S2が導通状態のときに流れる電流の向きに対して、前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線ns1は、その磁気極性を同極性としたことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記トランスTはさらに第2の2次巻線ns2を備え、前記第1の2次巻線ns1と前記第2の2次巻線ns2は直列に接続されており、前記第1のスイッチ回路S1が導通状態、または前記第2のスイッチ回路S2が導通状態のときに流れる電流の向きに対して、前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線ns1、及び前記第1の1次巻線npと前記第2の2次巻線ns2は、その磁気極性を同極性とし、
前記第1の整流平滑回路は、センタータップ型の全波整流回路と、少なくとも1つのフィルタインダクタLoと、少なくとも1つの平滑コンデンサCoからなることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記トランスTはさらに第2の2次巻線ns2を備え、前記第1の2次巻線ns1と前記第2の2次巻線ns2は直列に接続されており、前記第1のスイッチ回路S1が導通状態、または前記第2のスイッチ回路S2が導通状態のときに流れる電流の向きに対して、前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線ns1は、その磁気極性を逆極性とし、前記第1の1次巻線npと前記第2の2次巻線ns2は、その磁気極性を同極性とし、
前記第1の整流平滑回路は、前記第2の2次巻線ns2の両端にそれぞれ整流素子の第1端が接続され、前記整流素子の第2端は共通接続されており、前記第1の2次巻線ns1の他端に少なくとも1つのフィルタインダクタLoの一端が接続され、前記フィルタインダクタLoの他端と前記整流素子の第2端との間に少なくとも1つの平滑コンデンサCoが接続される構成であることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記フィルタインダクタLoとして、前記トランスTの2次側漏れインダクタンスを利用することを特徴とする請求項4または5に記載のスイッチング電源装置。
- 前記第1の2次巻線ns1と前記第2の2次巻線ns2の巻数比が1:2であることを特徴とする請求項5に記載のスイッチング電源装置。
- 前記トランスTはさらに第2の1次巻線nbを備え、前記第2の1次巻線nbの一端は前記直流電源入力部の低電位側に接続され、他端は第2の整流平滑回路を介して前記デジタル制御回路の直流電源電圧として供給されるようにしたことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
- 前記第1の整流平滑回路の整流素子は電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1の整流平滑回路の整流素子が、前記デジタル制御回路によってオン・オフ制御されることを特徴とする請求項9に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記モニタ信号生成手段は、前記インダクタLrに流れる電流を検出するためのカレントトランスであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
- 前記モニタ信号生成手段は、前記第2の1次巻線nbの両端に生じる電圧変化を利用したものであることを特徴とする請求項8に記載のスイッチング電源装置。
- 直流入力電圧Viが入力される直流電源入力部と、
一つの磁性部品で構成されたインダクタLpと、
第1のスイッチング素子Q1と、第1のキャパシタC1と、第1のダイオードD1の並列回路からなる第1のスイッチ回路S1と、
第2のスイッチング素子Q2と、第2のキャパシタC2と、第2のダイオードD2の並列回路からなる第2のスイッチ回路S2と、
第3のキャパシタCrと、
前記直流電源入力部の両端に接続され、前記インダクタLpと前記第1のスイッチ回路S1とが直列に接続された第1の直列回路と、
前記第1のスイッチ回路S1の両端、または前記インダクタLpの両端に接続され、前記第2のスイッチ回路S2と前記第3のコンデンサCrとが直列に接続された第2の直列回路と、を備え、
前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2は、共にオフである期間を挟んで互いに相補的にオン・オフを繰り返すように動作するように構成され、
前記インダクタLpと前記第1のスイッチ回路S1との接続点にアノードが接続される整流素子と、前記整流素子のカソードに一端が接続され、前記インダクタLpに対して並列に接続される第4のキャパシタCoからなる第1の整流平滑回路を介して出力電圧Voutが出力されるように構成されたスイッチング電源装置であって、
前記電力変換回路において、前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2のうち、オン状態にある方のスイッチ回路がターンオフされることによって、前記スイッチ回路の導通と非導通とが切り替わることによる電圧もしくは電流変化を検出して、モニタ信号を生成する第1のモニタ信号生成手段と、
前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2を制御するデジタル制御回路と、を有し、
前記デジタル制御回路は、前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2のオン時間を、クロック信号に基づくタイミングで演算処理により設定するとともに、
前記オン時間の開始タイミングは、前記モニタ信号をトリガとして入力し、前記クロック信号に基づくタイミングで決定され、これに基づいて前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2をターンオンさせるための制御信号を生成し、
前記オン時間の停止タイミングは、前記演算処理により設定されたオン時間にしたがって前記クロック信号に基づいたタイミングで決定され、これに基づいて前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2をターンオフさせるための制御信号を生成し、
前記出力電圧Voutが印加される負荷の状態に合わせてデッドタイムが設定され、前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2のオン時間を演算処理によって決定することでスイッチング周波数を一定に保つことを特徴とするスイッチング電源装置。 - 直流入力電圧Viが入力される直流電源入力部と、
一つの磁性部品で構成されたインダクタLpと、
第1のスイッチング素子Q1と、第1のキャパシタC1と、第1のダイオードD1の並列回路からなる第1のスイッチ回路S1と、
第2のスイッチング素子Q2と、第2のキャパシタC2と、第2のダイオードD2の並列回路からなる第2のスイッチ回路S2と、
前記直流電源入力部の両端に前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2からなる直列回路が接続され、
前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2との接続点に前記インダクタLpの一端が接続され、他端からは前記第1のスイッチ回路S1に対して並列に接続される第3のキャパシタCoを介して出力電圧Voutが出力されるように構成されたスイッチング電源装置であって、
前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2は、共にオフである期間を挟んで互いに相補的にオン/オフを繰り返すように動作するように構成され、
前記電力変換回路において、前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2のうち、オン状態にある方のスイッチ回路がターンオフされることによって、前記スイッチ回路の導通と非導通とが切り替わることによる電圧もしくは電流変化を検出してモニタ信号を生成する第1のモニタ信号生成手段と、
前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2を制御するデジタル制御回路と、を有し、
前記デジタル制御回路は、前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2のオン時間を、クロック信号に基づくタイミングで演算処理により設定するとともに、
前記オン時間の開始タイミングは、前記モニタ信号をトリガとして入力し、前記クロック信号に基づくタイミングで決定され、これに基づいて前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2をターンオンさせるための制御信号を生成し、
前記オン時間の停止タイミングは、前記演算処理により設定されたオン時間にしたがって前記クロック信号に基づいたタイミングで決定され、これに基づいて前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2をターンオフさせるための制御信号を生成し、
前記出力電圧Voutが印加される負荷の状態に合わせてデッドタイムが設定され、前記第1のスイッチング素子Q1及び前記第2のスイッチング素子Q2のオン時間を演算処理によって決定することでスイッチング周波数を一定に保つことを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記スイッチング電源装置は、出力電圧Voutを検出する出力電圧検出手段を備え、
前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2のオン時間は、前記出力電圧検出手段によって検出された値に基づいて決定されることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかに記載のスイッチング電源装置。 - 前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2のうち、他方のオン時間は、設定可能なスイッチング周期Tsから、前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2のいずれか一方のオン時間を減算することによって決定されることを特徴とする請求項15に記載のスイッチング電源装置。
- 前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2は電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1乃至16のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
- 前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2はスイッチ回路両端の電圧が0Vまたは0V付近まで低下してからスイッチング素子Q1またはQ2がターンオンする動作となるゼロ電圧スイッチング動作にて駆動されることを特徴とする請求項17に記載のスイッチング電源装置。
- 前記モニタ信号生成手段は、前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2の少なくとも1つのドレイン−ソース間電圧の変化を利用したものであることを特徴とする請求項17または18に記載のスイッチング電源装置。
- 前記モニタ信号生成手段は、前記第1のスイッチング素子Q1または前記第2のスイッチング素子Q2の少なくとも1つのドレイン−ソース間電流の変化を利用したものであることを特徴とする請求項17または18に記載のスイッチング電源装置。
- 前記デジタル制御回路はDSPであることを特徴とする請求項1乃至20のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
- 前記デジタル制御回路はFPGAであることを特徴とする請求項1乃至20のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
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