JP6136064B2

JP6136064B2 - オーバーシュート低減回路

Info

Publication number: JP6136064B2
Application number: JP2013032623A
Authority: JP
Inventors: 修大竹
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: TWI513156B; JP2014165550A; TW201444246A; KR20140104897A

Description

本発明は、スイッチング電源装置に係り、特にダイナミック負荷状態において出力電圧を予め設定された定格電圧より上昇させない制御に関するものである。

スイッチング電源装置において、交流電源を受電し起動するとき、出力電圧の急激な上昇により設定電圧を大きく超えてしまうことを緩和するためにソフトスタート回路が組み込まれている。
特許文献１においては、フィードバック制御における位相補償定数であるコンデンサ２６，抵抗２４と位相進み要素となる微分回路（２２、２０）のほかにトランジスタ５０とコンデンサ５６を用いた電源起動時のソフトスタートが開示されている。これは、電源起動時にトランジスタ５０のベース電流をコンデンサ５６の充電電流とすることで得て、コレクタ電流を抵抗５２を介して誤差増幅器であるシャントレギュレータ１４のリファレンス端子に入力し、出力電圧の立ち上がりが緩やかになるようにフォトカプラ１８を介して1次側にあるPWM制御回路へフィードバックさせるものである。

米国特開ＵＳ２００３／０１５６４３８公報

特許文献１にあるように、スイッチング電源装置にはソフトスタート回路が搭載されており、電源投入・起動時の出力電圧立ち上がりが急峻になってオーバーシュートしない対策が行われている。
また、負荷急変などのダイナミック負荷変動による出力電圧変動を低減するために、2次側の誤差増幅器であるシャントレギュレータ１４のリファレンス端子Ｒにコンデンサ２６と抵抗２４の直列回路からなる微分回路が接続されている。いわゆる出力電圧の変動分を微分回路で抽出して、抽出した信号を誤差増幅器に入力することで出力電圧変動を積極的に補正するものである。
しかしながら、従来技術においては、誤差増幅器の位相補償定数と前述の微分回路定数との競合が生じやすく、図４に示すように、ダイナミック負荷変動のオンオフ周期により誤差増幅器の位相補償定数の安定性が崩れて出力電圧にリンギングを生じるなどの問題が内在していた。また、ダイナミック負荷変動のオンオフ周期が短くなり、リンギング中に負荷急変が繰り返し起こるとディップ電圧が助長される可能性もあった。

本発明は、上記スイッチング電源装置において、ソフトスタート機能とダイナミック負荷変動による出力電圧変動のオーバーシュート成分を低減し、かつ、誤差増幅器であるシャントレギュレータの制御系の安定性を図ることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るオーバーシュート低減回路は、フォトカプラ
を使用して出力電圧と基準電圧との誤差信号を制御回路へフィードバックする誤差増幅回
路に備えられるオーバーシュート低減回路であって、出力電圧の上昇変化のみ検出して増
幅する増幅器を有し、前記増幅器は、前記出力電圧の上昇変化に応じて前記フォトカプラ
のフォトダイオードに前記誤差増幅器の電流とは異なる電流を流す機能を備え、前記増幅
器は、抵抗とコンデンサからなる微分回路とトランジスタとダイオードから構成され、前
記微分回路は、出力電圧の正極と前記トランジスタのベース間に接続され、前記ダイオー
ドは前記トランジスタのベース・エミッタ間に接続され、前記出力電圧のディップ時に前
記ダイオードを介して放電経路となることを特徴とする。

本発明に係るオーバーシュート低減回路によれば、電源起動時の出力電圧のソフトスタート機能を含め、ダイナミック負荷状態においても所定の電圧に設定された定格電圧より上昇させず、安定した電圧を得ることができる。
また、出力電圧のオーバーシュートが発生しないので、ダイナミック負荷時の出力電圧ディップの１／２相当の電圧を出力電圧設定値に嵩上げすることで、電圧精度の向上を図ることができる。

本発明の実施例１に係るオーバーシュート低減回路を示す構成図である。図１に係るオーバーシュート低減回路の負荷−出力電圧を示す出力特性図である。従来技術に係る誤差増幅器を示す構成図である。従来技術に係る誤差増幅器の負荷−出力電圧を示す出力特性図である。

以下、本発明の実施の形態のオーバーシュート低減回路を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るオーバーシュート低減回路を示す構成図である。

図１を用いて、本実施例に係るオーバーシュート低減回路の構成について説明する。
スイッチング電源装置の全体構成図を図示しないが、図１は、フライバック方式等の絶縁型スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔを検出し、所定の出力電圧に制御するための２次側の誤差増幅回路を示す。誤差増幅回路は出力電圧を検出する抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路と、シャントレギュレータＩＣ及びオーバーシュート低減回路１から構成されている。シャントレギュレータＩＣは、所定の基準電圧を内蔵し、抵抗Ｒ１，Ｒ２の分圧電圧とを比較し、その誤差信号分を増幅してフォトカプラＰＣのフォトダイオードに電流を流す。
図示しないフォトカプラの受光側のフォトトランジスタは、１次側にある制御回路のフィードバック端子に接続され、前述の誤差信号を制御回路に伝達して、出力電圧Ｖｏｕｔが予め設定された出力電圧になるように、スイッチング素子をオンオフ制御する。
ここで、オーバーシュート低減回路１は、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ４からなる微分回路とＮＰＮ型トランジスタＱ、抵抗Ｒ５，Ｒ６、ダイオードＤからなり、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧変動△Ｖｏｕｔを微分回路で検出し、検出した電圧変動△Ｖｏｕｔのうち出力電圧上昇信号のみＮＰＮ型トランジスタＱにより増幅して、フォトカプラＰＣのフォトダイオードに電流を流すことで出力電圧Ｖｏｕｔの電圧上昇を緩やかにさせる機能を備える。

図２は、図１に係るオーバーシュート低減回路１の負荷−出力電圧を示す出力特性図である。
次に、オーバーシュート低減回路１の動作の詳細について、図１及び図２を参照しながら説明する。

オーバーシュート低減回路１は、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ４からなる微分回路はＮＰＮ型トランジスタＱのベース端子に接続され、エミッタ端子はＧＮＤに接続されている。ＮＰＮ型トランジスタＱのベース・エミッタ端子には抵抗Ｒ５とダイオードＤが並列接続され、ダイオードＤのアノードがＧＮＤに接続されている。ＮＰＮ型トランジスタＱのコレクタ端子は、抵抗Ｒ６を介してフォトカプラＰＣのフォトダイオードのカソードに接続され、フォトダイオードのアノードは出力電圧Ｖｏｕｔのラインに接続されている。

フォトダイオードのカソードは、抵抗Ｒ３を介してシャントレギュレータＩＣのカソードに接続されて、シャントレギュレータＩＣからの誤差信号電流は抵抗Ｒ３を通して流れる接続となっている。
従って、オーバーシュート低減回路１の出力電流ＩＱは、シャントレギュレータＩＣからの誤差信号電流とは別の経路でフォトカプラＰＣのフォトダイオードに流れる構成になっている。
なお、図４に示した従来技術に係る誤差増幅器の構成と異なり、図３で示されている出力電圧Ｖｏｕｔライン〜シャントレギュレータＩＣのリファレンス端子Ｒ間に接続された位相進み要素の微分回路は、後述するように回路そのものの効果が半減するため、図１の実施例では削除している。

まず、時刻ｔ０で電源が投入されて出力電圧Ｖｏｕｔが上昇すると、オーバーシュート低減回路１の微分回路を通してＮＰＮ型トランジスタＱのベースに電流が流れ、抵抗Ｒ６を介してフォトカプラＰＣのフォトダイオードに電流を流し、出力電圧Ｖｏｕｔは時間の経過とともに徐々上昇する。出力電圧Ｖｏｕｔが所定の設定電圧傍まで上昇するとシャントレギュレータＩＣからの電流が流れ始める。時刻ｔ１においてオーバーシュート低減回路１からの電流は低下しゼロとなって、シャントレギュレータＩＣの電流に切り替わり、出力電圧Ｖｏｕｔは所定の設定電圧に制御される。ここで、オーバーシュート低減回路１の微分回路のコンデンサＣ２には、出力電圧Ｖｏｕｔが充電されているので、オーバーシュート低減回路１は出力電圧が安定している状態では動作を停止する。

次に、負荷電流が時刻ｔ２〜ｔ３の期間で流れると、シャントレギュレータＩＣのカソード・リファレンス端子Ｒ間に接続されているコンデンサＣ１の位相補償定数値により負荷応答が遅れて出力電圧がディップしてから上昇する。この出力電圧がディップしたとき、オーバーシュート低減回路１の微分回路のコンデンサＣ２からダイオードＤ及び抵抗Ｒ４，Ｒ５を介して出力電圧のディップ電圧分が放電され、次に出力電圧Ｖｏｕｔが上昇に転じるとコンデンサＣ２を電流Ｉｃ２が流れ、ＮＰＮ型トランジスタＱのベースが流れる。従って、ＮＰＮ型トランジスタＱは、電流Ｉｃ２を増幅したコレクタ電流ＩＱを、抵抗Ｒ６を介してフォトカプラＰＣのフォトダイオードに流す。これにより出力電圧Ｖｏｕｔは、オーバーシュート低減回路１からの電流により緩やかに上昇する。時刻ｔ４において、出力電圧が所定の出力電圧傍まで上昇するとシャントレギュレータＩＣからの電流が流れ始め、かつ、コンデンサＣ２は抵抗Ｒ４及びＲ５を介してほぼ出力電圧まで充電されるので、オーバーシュート低減回路１は機能を停止する。

以上のように、オーバーシュート低減回路１は、出力電圧Ｖｏｕｔが上昇している過渡時のみ動作し、出力電圧Ｖｏｕｔが安定状態または下降している場合には機能しない。即ち、出力電圧の上昇変化が無い場合には、フィードバック制御に関与しないので、シャントレギュレータＩＣの位相補償はコンデンサＣ１の定数のみで補償されるので、静的負荷変動、温度変化などによる位相補償を設定しやすく、かつ、フィードバック制御系の位相余裕度を大きく得られることになる。
また、動的負荷変動の場合に出力電圧Ｖｏｕｔの電圧ディップは、前述のコンデンサＣ１の位相補償定数で決定され、また、スイッチング電源装置の過電流制限値により左右されるので、オーバーシュート低減回路１は関与しない。
オーバーシュート低減回路１が関与するのは、出力電圧Ｖｏｕｔの上昇変化のみであり、出力電圧Ｖｏｕｔを所定の設定された電圧より超えさせないことで、出力電圧変動の精度を向上できるという利点がある。
これにより、負荷装置で要求される下限値よりマージンを持たせたい場合には、動的負荷変動における出力電圧Ｖｏｕｔの電圧ディップのピーク値の約１／２の電圧分を出力電圧の設定時に重畳させて、高く設定することで可能になる。
なお、オーバーシュート低減回路１は、図２から明らかなようにソフトスタート機能の効果も兼ね備えている。

以上、本発明の実施例の一例について説明したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
例えば、スイッチング電源装置はフライバック方式を用いて説明したが、フォワード方式等でも、共振型方式でも変更が可能である。
また、オーバーシュート低減回路１のＮＰＮ型トランジスタＱは、NMOSトランジスタに置き換えてもよい。

１オーバーシュート低減回路
Ｃ１、Ｃ２コンデンサ
Ｄダイオード
ＩＣシャントレギュレータ
ＱＮＰＮ型トランジスタ
ＰＣフォトカプラ
Ｒ１〜Ｒ６抵抗

Claims

フォトカプラを使用して出力電圧と基準電圧との誤差信号を制御回路へフィードバック
する誤差増幅回路に備えられるオーバーシュート低減回路であって、
出力電圧の上昇変化のみ検出して増幅する増幅器を有し、
前記増幅器は、前記出力電圧の上昇変化に応じて前記フォトカプラのフォトダイオード
に前記誤差増幅器の電流とは異なる電流を流す機能を備え、
前記増幅器は、抵抗とコンデンサからなる微分回路とトランジスタとダイオードから構
成され、
前記微分回路は、出力電圧の正極と前記トランジスタのベース間に接続され、
前記ダイオードは前記トランジスタのベース・エミッタ間に接続され、前記出力電圧の
ディップ時に前記ダイオードを介して放電経路となることを特徴とするオーバーシュート
低減回路。