JPH11308861A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スイッチング電源は、低負荷時に効率が低下
する。低負荷時に出力トランスの１サイクル当りの電力
の減少を制限して、スイッチング周波数を低減すること
によって、軽負荷時、相対的に電源発熱が増加し、電源
の効率が低下することを抑制する。 【解決手段】 定められた出力電圧を供給するための、
出力電圧を出力するスイッチング回路と、スイッチング
回路を制御するパルス幅制御回路と、負荷電力を検出す
る回路と、発振周波数可変発振回路を設け、スイッチン
グ周波数を変化させ、低負荷時の電源の効率低下を抑制
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング電源
に関するものであり、負荷電力が低下した場合の効率の
低下、すなわち低負荷時のスイッチング損失を抑制する
ことに特徴を有するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来のスイッチング電源の回路
を図３に示す。３１は直流入力電圧をスイッチングして
交流に変換し、安定した出力電圧を出力するスイッチン
グ素子である。３２は出力電圧を検出して得られた帰還
量により、スイッチング素子のオンオフを制御するパル
ス幅変調回路である。３３は出力状態を検出し、出力電
圧が所定の電圧より高い場合は出力電圧を下げるよう
に、出力電圧が低い場合は出力電圧を高くするように帰
還する出力電圧検出回路である。

【０００３】３４は出力電圧検出回路３３より得た信号
を、一次側のパルス幅変調回路３２に信号を伝える帰還
用フォトカプラである。３５は帰還電流によって負荷電
力が定められた負荷以下になると発振周波数が低下し、
定められた負荷以上になると発振周波数が高くなるよう
に変化する周波数可変発振回路である。３６はトラン
ス、３７は電源、３８は整流ダイオード、３９は整流コ
ンデンサ、４０は負荷である。

【０００４】従来のスイッチング電源は、出力電圧が所
定の電圧より高くなったり、低くなったりすることで変
化する帰還量でもって、スイッチング周波数を低くした
り高くしたりする制御をしており、この帰還量は、出力
電圧で決定されるトランジスタのオン時間に深く関係し
ている。スイッチング電源の負荷電力は、以下の内容で
表わすことができる。なおトランジスタのオン時間をＴ
１、入力電圧をＶｉ、出力電圧をＶｏ、出力トランス逆
起電力発生時間をＴ２、トランスインダクタンスをＬ、
発振周波数をＦ、負荷電力をＰとする。

【０００５】まず負荷電力が臨界電流以上の場合、すな
わち負荷電力が大きい場合は、トランスに連続した電流
が流れており、次の式が成り立つ。

【０００６】Ｖｉ＊Ｔ１＝Ｖｏ＊Ｔ２ （１） Ｆ＝１／（Ｔ１＋Ｔ２） （２） この臨界電流以上の負荷電力の場合で、発振周波数Ｆが
一定であるときは、パルス幅Ｔ１とＴ２は、トランスの
巻き線の出力電圧の波高値と、入力電圧の波高値によっ
て変化する。トランスの出力電圧の波高値は出力電圧と
等しく、トランスの入力電圧の波高値は入力電圧と等し
くなる。また、トランスの巻き線には直流電圧は発生し
ない。

【０００７】このためＶｉ＊Ｔ１−Ｖｏ＊Ｔ２＝０、同
じくＶｉ＊Ｔ１＝Ｖｏ＊Ｔ２が原理的に成り立つ。電力
の変化によってパルス幅が変化することは無く、周波数
が一定であるときは、パルス幅Ｔ１とＴ２は、入力電圧
Ｖｉと出力電圧Ｖｏにのみ関係し、負荷電力Ｐには関係
しない。したがって図４の臨界電流以上の負荷時の波形
図に示すように、負荷電力Ｐと帰還量（Ｔ１、Ｔ２）と
には全く関係が無い。図４（ａ）は負荷が大きい時の、
図４（ｂ）は負荷が小さいときのものであり、電流波形
が変化するのみである。

【０００８】さて負荷電力が臨界電流以下の場合、すな
わち負荷電流が少なく、トランスに連続した電流が流れ
ていない場合は以下の式が成り立つ。

【０００９】 Ｐ＝（１／２）＊Ｆ＊Ｔ２2＊Ｖｏ2／Ｌ （３） Ｐ＝（１／２）＊Ｆ＊Ｔ１2＊Ｖｉ2／Ｌ （４） Ｖｉ＊Ｔ１＝Ｔ２＊Ｖｏ （５） が成り立つ。なお（３）式は、トランスからの出力電力
を出力から見た場合であり、（４）式は、トランスへの
入力電力を入力から見た場合であり、（５）式は入力、
出力電圧とパルス幅の関係を示している。

【００１０】このように出力電力Ｐは、発振周波数Ｆと
トランスのインダクタンスＬとが一定で、かつトランジ
スタのオン時間Ｔ１（帰還量）が一定の場合は、出力電
力Ｐは（４）式より入力電圧Ｖｉの二乗に関係すること
が分かる。

【００１１】ここで帰還量による周波数制御は、予め定
められた帰還量で、すなわち、トランジスタのオン時間
Ｔ１が一定のときに周波数制御が開始されるので、入力
電圧Ｖｉが低い場合は、低い電力で周波数制御が開始
し、入力電圧Ｖｉが高い場合は、高い電力で周波数制御
が開始する。すなわち臨界電流以下の負荷の電圧波形を
示す図５において、入力電圧が高い場合でＴ１が一定の
ときは（図５（ａ））、大きい電力で周波数制御が開始
し、入力電圧が低い場合は（図５（ｂ））、小さな電力
で周波数制御が開始される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来のスイッチング電
源において、負荷電力の検出は、帰還量を検出すること
で行っているが、帰還量は、負荷電力が一定の場合、す
なわち（３）式のＰが一定の場合には、出力電圧と入力
電圧とによって変化する。そしてさらに負荷電力と出力
電圧とが一定の場合、すなわち出力電圧Ｖｏとパルス幅
Ｔ２が一定の場合には入力電圧で変化する。

【００１３】このため一定の帰還量で周波数を制御しよ
うとすると、（４）式に示したように負荷電力が入力電
圧の二乗に比例するため、一定であるべき周波数制御の
開始負荷電力が入力電圧の二乗に比例して変化し、理想
的な周波数制御開始電力の定められた負荷電力での周波
数制御が行われない。臨界電流以下でＴ２が一定時にお
いて入力電圧が異なる場合の電圧波形を図６に示してい
る。図６（ａ）に示すように入力電圧が高い時は、大き
な負荷電力で周波数制御が開始し、図６（ｂ）に示すよ
うに入力電圧が低い時は、小さな負荷電力で周波数制御
が開始する問題がある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、出力トランスのパルス電圧波形を検出する
ことで、所定の負荷電力を下回る状態では、予め定めた
周波数までスイッチング周波数を低下させるようにした
スイッチング電源において、この予め定めた周波数まで
低下した場合に、パルス幅制御するようにしたものであ
る。

【００１５】低負荷時の負荷電力は、（４）式で示され
るように、出力トランスのパルス幅に密接に関係してい
る。よってトランスの巻き線電圧のパルス波形からパル
ス幅を検出することで、負荷電力を検出し、定められた
負荷以下では、スイッチング周波数を低下させるように
制御することで、低負荷時の効率の低下を抑制すること
を特徴とするものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、出力トランスのパルス電圧波形を検出することで、
所定の負荷電力を下回る状態では、予め定めた周波数ま
でスイッチング周波数を低下させるようにしたスイッチ
ング電源において、前記予め定めた周波数まで低下した
場合に、パルス幅制御することで、低負荷時のスイッチ
ング電源の効率低下を抑制している。

【００１７】スイッチング電源の負荷電力は、低負荷時
には、その多くが臨界電流以下であり、上述の（３）式
が成り立つ。したがって、周波数が一定のスイッチング
電源の負荷電力は、出力側のインダクタンスＬ、出力電
圧Ｖｏが一定である場合は、トランスの逆起電力発生時
間（Ｔ２）に依存することが分かる。

【００１８】そこで、出力トランスの逆起電力発生時間
（Ｔ２）で、負荷電力を検出して、パルス幅制御するこ
とで、負荷電力が少ない場合でも、入力電圧の変動に無
関係に、精度良くスイッチング周波数を下げることが可
能となる。

【００１９】また本発明の請求項２に記載の発明は、出
力トランス巻き線の位相に無関係に負荷電力を検出する
ようにした請求項１に記載のスイッチング電源であり、
Ｖｏ＊Ｔ２を検出する回路であり、Ｖｏ一定の安定化電
源の場合Ｔ２を検出することとなるが、巻き線の位相を
逆接続すると、Ｖｉ＊Ｔ１を検出する回路でもある。
（５）式より、トランスの巻き線の位相が逆であっても
負荷電力を検出できるという作用を有する。

【００２０】（実施の形態１）以下本発明の実施の形態
について、図面を参照しながら説明する。図１は一実施
の形態におけるスイッチング電源の回路図を示すもので
あり、出力トランスの巻き線に、パルス幅検出回路を設
け、その出力を発振器に接続している。そして出力トラ
ンスの逆起電力発生時間が定められた時間以下になる
と、発振周波数を低下させるようにしたものであり、一
次、二次の絶縁の無い簡素化した構成を示している。

【００２１】図において、１は入力電力を供給する直流
電源、２は出力を変換するトランス、３は入力される直
流を交流に変換するスイッチング素子、４は交流を直流
に変換する整流ダイオード、５は整流ダイオード４で脈
流に変換された直流を平滑して安定な直流に変換する整
流コンデンサ、６は出力電圧を検出する出力電圧検出回
路であり、定電圧ダイオードよりなる。７は出力電圧の
検出回路で検出された誤差信号を一次側に帰還する帰還
用フォトカプラ、８は外部信号で発振周波数可変な周波
数可変発振回路、９は帰還量でパルス幅を制御するパル
ス幅変調回路、１０は整流ダイオード、１１は整流コン
デンサ、１２はスタート抵抗、１３は周波数が低下しす
ぎることを制限する最低周波数決定抵抗、１４は周波数
を制御するとともに、最高周波数を制限する周波数制御
抵抗である。１５はトランスの一次巻き線、１６はトラ
ンスの補助巻き線、１７は発振用コンデンサ、１８は負
荷抵抗、１９は補助巻き線の波形によって逆起電力時間
（Ｔ２）で負荷電力を検出する負荷電力検出回路であ
る。

【００２２】補助巻き線１６には、一次巻き線１５と相
似波形が出力されるように接続する。そしてこれに接続
された負荷電力検出回路１９は、一次巻き線１５のパル
ス波形によって、逆起電力発生時間（Ｔ２）を検出し、
逆起電力発生時間が一定時間幅以下となると、その負荷
条件によって発振周波数を最高周波数から、最低周波数
まで下げるように周波数可変発振回路８の周波数を制御
する。

【００２３】周波数可変発振回路８は、定められた動作
周波数に設定できるように構成する。この動作周波数
は、周波数可変発振回路８に接続された発振用コンデン
サ１７と、最低周波数決定抵抗１３と、周波数制御抵抗
１４とで定める。

【００２４】負荷電力が低い場合は、負荷電力検出回路
１９で検出された信号で周波数を下げるよう構成する。
周波数制御抵抗１４に流れる電流で、動作周波数を決定
する。また、周波数制御抵抗で定められた周波数以上に
はならないように制限する。

【００２５】また周波数可変発振回路８は、周波数が十
分低下しても、定められた周波数以下には下がらないよ
うに構成する。すなわち負荷電力検出回路１９が動作
し、周波数制御抵抗１４の電流が低下し零の状態になっ
ても、最低周波数決定抵抗１３で最低周波数は制限され
る。

【００２６】さらに周波数可変発振回路８は、負荷電力
検出回路１９で制御し、発振周波数が定められた周波数
まで低下しても、負荷電力が低下し周波数制御によって
出力電圧を抑制しても、出力電圧が高くなる程負荷電力
が低下した場合は、パルス幅制御により出力パルスを制
限し、出力電圧を安定に制御できるように構成してい
る。

【００２７】図２に負荷電力検出回路１９の詳細例を示
す。周波数が十分低下しても、出力負荷電力がより低い
場合は、パルス幅変調回路９が動作し、パルス幅を狭く
制御することで出力電圧の安定化をはかる。

【００２８】図において、２１は負荷抵抗、２２はトラ
ンジスタ、２３は積分コンデンサ、２４はダイオード、
２５は積分抵抗、２６はトランスの補助巻き線、２７は
積分コンデンサ、２８は電源を示す。

【００２９】図の回路において、巻き線の電圧は、積分
抵抗２５と積分コンデンサ２３で積分され三角波とな
る。この信号をトランジスタ２２のＶＢＥでパルス幅検
出する。出力電力が大きく、補助巻き線２６の逆起電力
が大きい場合、逆起電力発生時間（Ｔ２）が広がり、三
角波の波高値も増加するので、トランジスタ２２は導通
して負荷抵抗に電流を流す。逆起電力が大きければ大き
いほど、トランジスタの導通は強くなる。

【００３０】負荷電力が少なくなると逆起電力発生時間
（Ｔ２）は狭くなり、三角波の波高値も減少するので、
トランジスタ２２は遮断し負荷電流が停止する。これら
の動作により、負荷電力を定められた値で検出すること
が可能とできる。

【００３１】本実施の形態では、Ｖｏ＊Ｔ２を検出する
回路であり、この回路の場合Ｖｏが一定であることによ
り、Ｔ２を検出する回路でもある。トランスの巻き線位
相が逆の場合では、Ｔ１＊Ｖｉを検出することも可能で
あるので、（５）式によるように出力電力検出の為の補
助巻き線出力の位相は、どちらであっても同様に、定め
られた負荷電力検出が可能である。

【００３２】これにより、一次巻き線、二次巻き線に無
関係にどの巻き線でも、どの位相であっても同様に電力
検出できる。一次巻き線のみの、コイルによるスイッチ
ング電源であっても負荷電力検出可能である。

【００３３】（実施の形態２）本発明の他の実施の形態
について、図７を参照しながら説明する。図７は図１の
実施の形態１を更に電力軽減させたもので、図１の同一
部品には同じ符号を付して説明を略する。追加した構成
としては、５１は起動抵抗、５２は起動検出回路、５３
はスイッチ素子（ＴＲ）である。

【００３４】直流電源１をスタートさせた時、起動抵抗
５１にてスイッチ素子５３はオンして、スタート抵抗１
２をへて電源を供給する。起動した後は、整流ダイオ−
ド１０、整流コンデンサ１１より電源が供給されて動作
を継続させるため、スイッチ素子５３をオフさせる。こ
れにより、スタ−ト抵抗１２による電力損失を防いでい
る。

【００３５】起動検出回路５２は負荷電力検出回路１９
と同様の回路構成でも可能であり、出力パルスを検出
し、スイッチ素子５３のベース電圧を下げてオフさせ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明は、入力電圧の変化
に対し、定められた負荷電力を安定に検出することが可
能であり、定められた負荷電力以下での電源の効率を安
定に向上させることができる。また定められた電力以上
では、本来の電源動作で、安定に出力を供給することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態におけるスイッチング電
源の回路図

【図２】同電源における負荷電力検出回路の回路図

【図３】従来のスイッチング電源の回路図

【図４】同電源の動作を説明する波形図

【図５】同電源の動作を説明する波形図

【図６】同電源の動作を説明する波形図

【図７】本発明の他の実施の形態におけるスイッチング
電源の回路図

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ 出力トランス ３ スイッチング素子 ６ 出力電圧検出回路 ７ 帰還用フォトカプラ ８ 周波数可変発振回路 ９ パルス幅変調回路 １３ 最低周波数決定抵抗 １４ 周波数制御抵抗 １５ トランス一次巻き線 １６ トランス補助巻き線 １７ 発振用コンデンサ １９ 負荷電力検出回路 ３１ スイッチング素子 ３２ パルス幅変調回路 ３３ 出力電圧検出回路 ３４ 帰還用フォトカプラ ３５ 周波数可変発振回路 ３６ 出力トランス ５１ 起動抵抗 ５２ 起動検出回路 ５３ スイッチ素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力トランスのパルス電圧波形を検出す
   ることで、所定の負荷電力を下回る状態では、予め定め
   た周波数までスイッチング周波数を低下させるようにし
   たスイッチング電源において、前記予め定めた周波数ま
   で低下した場合に、パルス幅制御するようにしたスイッ
   チング電源。
2. 【請求項２】 出力トランス巻き線の位相に無関係に負
   荷電力を検出するようにした請求項１に記載のスイッチ
   ング電源。