JPH1141922A

JPH1141922A - スイッチング電源回路

Info

Publication number: JPH1141922A
Application number: JP21006197A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kojima; 秀樹小島
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1999-02-12

Abstract

(57)【要約】【課題】回路に適用される入力電圧範囲の全域に渡っ
て安定した垂下特性が得られるスイッチング電源回路を
提供する。【解決手段】制御回路３のＶＦ端子に接続した電圧検
出回路４に対し、制御回路３のＯＵＴ端子からスイッチ
ングトランジスタＱ１を駆動するための駆動信号Ｖ_OUT
と、補助巻線Ｎ３に接続された補助バイアス回路５から
入力電圧に応じた第１の電圧信号Ｖ₅を入力する。する
と、電圧検出回路４からＶＦ端子に入力される第２の電
圧信号Ｖ_VFは、入力電圧によって駆動信号Ｖ_OUTのオン
デューティが変化しても補助バイアス回路５から提供さ
れる第１の電圧信号Ｖ₅により補正を受けるため、その
電圧レベルが大きく変化することが無くなる。

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
回路に設けられた制御回路の、過電流保護動作時におけ
る出力特性を改善するための技術に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング電源回路には電流・電圧の
低下、回路の短絡等の異常事態に備えて様々な保護機能
が付加されている。この中で、過電流に対する保護機能
については回路を保護する目的のみならず、保護動作時
に現れる出力側の電流・電圧の垂下特性を利用してスイ
ッチング電源回路を定電流源にするなど、他の目的に積
極的に使用することも多い。このような過電流保護機能
を有した従来のスイッチング電源回路の一例を図４に示
した。図４に示すスイッチング電源回路は、入力端子１
ａ、１ｂ間にトランスＴの１次巻線Ｎ１、スイッチング
トランジスタＱ１及び検出抵抗Ｒ１を直列に接続し、出
力端子２ａ、２ｂ間にチョークコイルＬ、整流ダイオー
ドＤ１及び２次巻線Ｎ２の直列回路と平滑コンデンサＣ
１を並列に接続し、さらにチョークコイルＬと整流ダイ
オードＤ１の接続点と出力端子２ｂとの間に転流ダイオ
ードＤ２を接続し、これによりフォワードコンバータを
形成している。なお、１次巻線Ｎ１に並列接続された抵
抗Ｒ２、コンデンサＣ２、ダイオードＤ３による回路は
スナバ回路である。

【０００３】ここで、回路中に設けられた制御回路３の
信号出力端子（ＯＵＴ端子）は抵抗Ｒ３を介してスイッ
チングトランジスタＱ１のゲートに接続し、制御回路３
のグランド端子（ＧＮＤ端子）は低電位側の入力端子１
ｂに接続している。制御回路３の電源供給端子（Ｖ_CC端
子）は抵抗Ｒ４を介して高電位側の入力端子１ａに接続
し、さらにＶ_CC端子と入力端子１ｂとの間に、ダイオー
ドＤ４と補助巻線Ｎ３の直列回路、コンデンサＣ３及び
定電圧ダイオードＤＺ１を並列に接続している。そして
制御回路３のＯＵＴ端子と入力端子１ｂとの間に抵抗Ｒ
５とコンデンサＣ４の直列回路による電圧検出回路４を
接続し、その抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４の接続点と制御
回路３の周波数制御端子（ＶＦ端子）を接続し、さらに
スイッチングトランジスタＱ１と抵抗Ｒ１の接続点と過
電流検出端子（ＣＬＭ端子）を接続している。

【０００４】以上のような構成としたスイッチング電源
回路では、運転中に回路中を流れる電流が大きくなる
と、抵抗Ｒ１の端子間電圧が増大し、ＣＬＭ端子に入力
される信号が大きくなる。すると制御回路３の内部では
保護回路が起動し、その過電流保護動作により回路中を
流れる電流を抑制するよう、ＯＵＴ端子からスイッチン
グトランジスタＱ１に供給される駆動信号のオンデュー
ティを低下させる。その結果、出力端子２ａ、２ｂを流
れる出力電流の増加が抑えられ、出力電流の値はほぼ一
定になる代わりに出力端子２ａ、２ｂ間に現れる出力電
圧は低下するという、出力の定電流垂下特性が示現す
る。しかし、このＣＬＭ端子に入力される信号に応じて
駆動信号のオンデューティを下げるという動作のみで過
電流保護を行おうとすると、図５に示す線（イ）のよう
に、出力電圧が小さい所では出力電圧の低下に伴って出
力電流が急激に増加していくという現象が起こる。これ
は、制御回路３の内部に構成された論理回路の応答速度
や信号の位相回転などの要因により、駆動信号のオン期
間の実体時間を所定より短くすることができなくなり、
回路中を流れる電流の大きさとオンデューティのバラン
スが崩れるのが原因とされている。

【０００５】そこで図４に示すスイッチング電源回路で
は、特に、ＶＦ端子に入力される信号に応じてスイッチ
ング周波数を変化させる機能を有した制御回路３を使用
することとしている。このような制御回路３では、過電
流保護動作が行われている時、ＶＦ端子に入力される電
圧信号が所定の値（しきい値）よりも小さくなると、Ｏ
ＵＴ端子から出力される駆動信号のスイッチング周波数
を低下させるという動作が行われる。駆動信号のスイッ
チング周波数が低下すると、同じオンデューティであっ
てもオン期間の実体時間は長くなることから、オン期間
に短縮可能な時間的余裕ができ、出力電圧が小さい所で
も回路中を流れる電流の大きさとオンデューティのバラ
ンスを取ることが可能になる。従って、このような制御
回路３を使用したスイッチング電源回路によれば、図５
に示す線（ロ）のように、出力電圧が小さい所でも出力
電流が増加することのない好適な垂下特性を得ることが
できる。

【０００６】ちなみに、このような機能を有した制御回
路３の例としては、スイッチングレギュレータコントロ
ール用ＩＣ、Ｍ５１９９５ＡＰ（三菱電機製）等が存在
する。このようなコントロールＩＣでは、具体的には、
ＶＦ端子に入力される電圧信号に応じて駆動信号のオフ
期間を延長し、実質的に駆動信号のスイッチング周波数
とオンデューティを低下させるという動作が行われる。
なお、この他にも、例えば、周波数制御端子に準じた所
定の端子に入力される電圧信号に応じて、スイッチング
周波数を分周する、あるいは信号出力を間欠にする、等
の手段により、実質的にスイッチング周波数を低下させ
るという機能を有した制御回路も存在する。とりあえず
ここでは、制御回路３に上記のようなコントロールＩＣ
を使用した場合を想定して、以下に議論を展開する。

【０００７】ところで、市場の国際化に伴い、スイッチ
ング電源回路に印加される入力電圧も多様化している。
入力電圧に対するスイッチング電源回路の汎用性を高め
る（ワイド入力対応）ために、スイッチング電源回路を
構成する素子、部品類には広範な電圧値に対応できるよ
うなものが使用され、また回路自体も広範な電圧値に対
応できるように構成される。その具体例として図４に示
す回路においては、コンデンサＣ３と定電圧ダイオード
ＤＺ１の並列回路を補助巻線Ｎ３とダイオードＤ４の直
列回路に対して並列に接続している。これは、補助巻線
Ｎ３から制御回路３のＶ_CC端子に供給される電圧を入力
電圧に関わりなくほぼ一定になるようにするためであ
り、以下のような意味を持つ。スイッチング素子に特別
なバイアスが必要である場合を除けば、一般的な制御回
路３では、ＯＵＴ端子から出力される駆動信号のハイレ
ベルがほぼＶ_CC端子に印加される電圧と同じとなるよ
う、回路が形成される。そのためスイッチングトランジ
スタＱ１のゲート、ソース間にはＶ_CC端子に印加される
電圧と同じ電圧が印加されることになる。

【０００８】ところが、制御回路３のＶ_CC端子に供給す
る電圧の最大定格とスイッチングトランジスタＱ１のゲ
ート、ソース間電圧の最大定格は必ずしも同じになると
は限らない。ある仕様の電源回路で、制御回路３の最大
供給電圧が３５〔Ｖ〕であるのに対してスイッチングト
ランジスタＱ１の最大ゲート、ソース間電圧が３０
〔Ｖ〕であった場合、制御回路３のＶ_CC端子に３３
〔Ｖ〕の電圧が印加されると、制御回路３には問題無い
がスイッチングトランジスタＱ１は破壊される恐れが出
てくる。電源回路がワイド入力対応型であれば入力電圧
によって補助巻線Ｎ３に現れる電圧が変化することは自
明であり、入力電圧が異なる場合でもＶ_CC端子に供給さ
れる電圧は制御回路３とスイッチングトランジスタＱ１
の双方に支障の無い値にする必要が有る。このために図
４の回路ではワイド入力対応の一環として、定電圧ダイ
オードＤＺ１によって電圧の安定化を図っているのであ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図６には、同一の出力
電圧で入力電圧が低い時（低入力時）と高い時（高入力
時）における、図４に示す制御回路３のＯＵＴ端子に現
れる駆動信号とＶＦ端子に入力される電圧信号の変化を
模型的に示した。一般に、「スイッチング素子のオンデ
ューティが同じであっても入力電圧が高くなるほどトラ
ンスの１次巻線から２次巻線への電力伝達量は大きくな
るため、出力電圧を一定にする制御回路の動作により、
スイッチング素子のオンデューティは入力電圧が低い時
よりも高い時の方が小さくなる」という現象が発生す
る。このため、図６の波形図を見て分かるように、低入
力時にＯＵＴ端子から出力される駆動信号Ｖ_OUT1のオン
期間は広く、オンデューティは大きくなるのに対し、高
入力時の駆動信号Ｖ_OUT2のオン期間は狭く、オンデュー
ティは小さくなる。

【００１０】ここで、図４に示す回路の構成では、電圧
検出回路４からＶＦ端子に入力される電圧は、ＯＵＴ端
子から出力される駆動信号Ｖ_OUTのハイレベル値が定電
圧ダイオードＤＺ１により安定化されているため、ほぼ
駆動信号Ｖ_OUTのオンデューティに応じた電圧となって
いる。その結果、低入力時と高入力時にそれぞれＶＦ端
子に入力される電圧信号Ｖ_VFを比較すると、オンデュー
ティの変化に伴って高入力時の電圧信号Ｖ_VF2の方が低
入力時の電圧信号Ｖ_VF1よりも低くなり、入力電圧によ
って電圧信号Ｖ_VFが変化するという不都合を生じる。い
ま仮に、図４に示すスイッチング電源回路に回路の適用
範囲の最大値の入力電圧が印加された場合を想定する。
制御回路３が駆動信号Ｖ_OUTのオフ期間延長の動作を開
始するしきい値電圧Ｖ_THに対して、ＶＦ端子に入力され
る電圧信号Ｖ_VFは、通常、定格条件において最良な保護
動作が行われるような所定の電圧値に設定される。とこ
ろが、入力電圧によってＶＦ端子の電圧信号Ｖ_VFが変化
した結果、入力電圧の大きさや負荷状態によっては、図
６に示すように過電流状態でないにも係わらず、高入力
時の電圧信号Ｖ_VF2はしきい値電圧Ｖ_THよりも低くなっ
てしまうという事態が起こり得た。

【００１１】このような場合に回路が過電流状態になる
と、点ａにおいて過電流状態になった途端、過電流保護
動作とオフ期間延長動作が同時に起動してしまい、出力
電圧と電流は点ｂまで不連続に変化し、回路全体として
フの字型に近い特性となってしまう。なお、低入力時に
は、点ｃにおいて過電流状態になると先ず過電流保護機
能が起動して出力電圧を下げ、次に点ｄにおいてオフ期
間の延長動作が起動し、望ましい形の垂下特性が得られ
ることになる。従って図４に示す回路では、高入力時に
は垂下特性が得られないために必要な大きさの電流を供
給することができなくなり、誘導性あるいは容量性の負
荷の始動に支障を生じたり、本回路が充電器用電源には
使用できない場合が発生するなど、入力電圧によって使
用条件が制限されるという問題が有った。そこで本発明
は、適用される入力電圧の全範囲において安定した垂下
特性が得られるスイッチング電源回路を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のスイッチング電
源回路は、インダクタンス部品の所定の巻線にスイッチ
ング素子を接続し、スイッチング素子にオン、オフ動作
を行わせた時にインダクタンス部品の所定の巻線に発生
する電圧より所望の出力電圧を得る、ワイド入力対応型
のスイッチング電源回路において、過電流検出端子に入
力される信号に応じて過電流保護動作を行い、また過電
流保護動作時に周波数制御端子に入力される信号に応じ
てスイッチング素子のスイッチング周波数を変更する機
能を有する保護回路が内部に構成された、該スイッチン
グ素子を駆動するための制御回路と、入力電圧に応じて
第１の電圧信号を出力する補助バイアス回路と、スイッ
チング素子を駆動するための駆動信号と第１の電圧信号
を受け、第２の電圧信号を出力する電圧検出回路とを具
備し、第２の電圧信号を周波数制御端子に入力するよう
にしたことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】過電流保護動作時において駆動信
号のスイッチング周波数を変化させる機能を有した制御
回路をスイッチング電源回路に使用する。スイッチング
素子を駆動するための駆動信号を出力する制御回路のＯ
ＵＴ端子と基準電位点との間に電圧検出回路を設置す
る。スイッチング素子の所定の動作期間に、電源回路に
印加された入力電圧に相当する電圧が得られる回路位
置、具体的にはトランスの補助巻線に補助バイアス回路
を接続する。このＯＵＴ端子に発生した駆動信号と補助
バイアス回路に発生した入力電圧に相当する第１の電圧
信号を電圧検出回路に入力し、この電圧検出回路に発生
した第２の電圧信号を、制御回路のＶＦ端子に入力す
る。

【００１４】

【実施例】適用される入力電圧の全範囲において出力電
圧と電流に垂下特性が得られる、本発明によるスイッチ
ング電源回路の回路図を図１に示した。なお図１におい
て図４に示されたのと同じ構成要素に対しては同一の符
号を付与してある。図１に示す回路では、補助巻線Ｎ３
の端子間に整流用のダイオードＤ５と分圧用の抵抗Ｒ
６、Ｒ７を直列に接続し、この抵抗Ｒ６とＲ７の接続点
（分圧点）を定電圧ダイオードＤＺ２を介して電圧検出
回路４の抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４の接続点に接続して
おり、このダイオードＤ５、抵抗Ｒ６、Ｒ７及び定電圧
ダイオードＤＺ２により補助バイアス回路５を形成して
いる。この補助バイアス回路５以外の回路構成について
は、図１の回路と図４の回路でほぼ同一である。

【００１５】このような構成とした図１の回路における
補助バイアス回路５は、ダイオードＤ５の整流方向と補
助巻線Ｎ３の極性方向との関係で、スイッチングトラン
ジスタＱ１がオン状態の時に補助巻線Ｎ３に発生する入
力電圧に応じた（比例した）電圧を検出する。ここで、
この入力電圧に応じた電圧は抵抗Ｒ６、Ｒ７で分圧さ
れ、さらに定電圧ダイオードＤＺ２でレベルシフトされ
た後に電圧検出回路４に入力される。この動作の結果、
補助バイアス回路５は、入力電圧が所定の電圧値以上の
時に、その入力電圧値に応じた電圧信号を電圧検出回路
４に供給することになる。この補助バイアス回路５の作
用によって、図１に示す制御回路３のＯＵＴ端子に現れ
る駆動信号とＶＦ端子に入力される電圧信号の変化は図
２に示すようになる。

【００１６】図２において、入力電圧がトランスＴの１
次巻線Ｎ１と補助巻線Ｎ３の巻数比、抵抗Ｒ６とＲ７の
分圧比及び定電圧ダイオードＤＺ２のツェナー電圧で定
まる所定の電圧値以下の低入力時には、定電圧ダイオー
ドＤＺ２のツェナー電圧以下の電圧信号の阻止作用によ
って補助バイアス回路５から電圧検出回路４に電圧信号
は供給されない。そのため図１の回路は図４の回路と同
じ動作を行うことになり、各信号Ｖ_OUT1、Ｖ_VF1は同じ
波形となる。一方、入力電圧が前記所定の電圧値以上の
高入力である時については、補助バイアス回路５から電
圧検出回路４に、入力電圧の大きさに応じた電圧信号Ｖ
₅が供給されるようになる。この電圧信号Ｖ₅はスイッ
チングトランジスタＱ１がオン状態の時に発生するため
に制御回路３のＯＵＴ端子から出力される駆動信号Ｖ
_OUT2と同期した信号となる。このため電圧検出回路４の
中では、受信した駆動信号Ｖ_OUT2のハイレベルがさらに
電圧信号Ｖ₅の分だけ高くなるようバイアスされた形と
なる。従って、電圧検出回路４からＶＦ端子に供給され
る電圧信号Ｖ_VF2は、駆動信号Ｖ_OUT2だけが供給された
時よりも電圧レベルが高くなり、従来のように低入力時
の電圧信号Ｖ_VF1よりも大幅に低下するということが無
くなる。

【００１７】このように、仮令入力電圧によって駆動信
号Ｖ_OUTのオンデューティが変化することになっても、
ＶＦ端子に入力される電圧信号Ｖ_VFの電圧レベルは補助
バイアス回路５からの電圧Ｖ₅によって入力電圧に応じ
た補正を受けることになる。従って、高い入力電圧を印
加すると電圧信号Ｖ_VFが低下してしまうという現象が防
止され、図１に示す回路の出力特性は、図３に示すよう
に、低入力時、高入力時共に好適な垂下特性を示現する
ことになる。このように入力電圧の適用範囲全域に渡っ
て垂下特性が得られれば、図１に示すスイッチング電源
回路は誘導性、容量性の負荷の起動に問題を生じること
もなく、また充電器用電源回路に適用することも可能
で、使用条件の制限が少なく、汎用性の高い定電流電源
回路として使用することができる。

【００１８】なお、本発明は実施例の回路に限定される
ものでは無く、本発明の要旨を損なわない範囲での回路
の変更が可能であり、例えば図１の回路では補助巻線Ｎ
３に補助バイアス回路５を接続し、補助巻線Ｎ３を制御
回路３のＶ_CC端子への電源供給用と、補助バイアス回路
５への入力電圧に相当する電圧信号の供給用で併用して
いるが、補助巻線をさらに増やし、電源供給用と信号供
給用で巻線を分けても構わない。ここで、トランスの巻
線から入力電圧に相当する電圧を得なければならないも
のでは無く、他の方法によって入力電圧に相当する電圧
を得ても良い。また、図１のスイッチング電源回路はフ
ォワード・コンバータの構成となっているが、フライバ
ック型や他の方式の回路構成についても本発明が適用で
きることは言うまでもない。さらに、上記説明において
は、制御回路３として市販のコントロールＩＣを使用し
た場合を例示したが、これに限定されるものではなく、
所定の端子と、そこに入力される信号に応じてスイッチ
ング周波数を変化させる機能とを有した制御回路であれ
ば本発明を適用することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によるスイッ
チング電源回路は、制御回路の周波数制御端子に接続し
た電圧検出回路に対し、制御回路からスイッチング素子
に供給される駆動信号の他に補助バイアス回路からの入
力電圧に応じた第１の電圧信号を入力するようにしたこ
とを特徴としている。この本発明によれば、制御回路の
周波数制御端子に入力される第２の電圧信号の電圧レベ
ルが入力電圧に応じて補正されるために、高入力時に第
２の電圧信号の電圧レベルが低下してスイッチング電源
回路の出力特性がフの字形になることが防止される。そ
して、スイッチング電源回路の出力特性が高入力時でも
安定した垂下特性を示現するようになり、入力電圧によ
って使用条件が制限されることが無くなる。従って本発
明によれば、適用される入力電圧の全範囲において安定
した垂下特性が得られるスイッチング電源回路を提供す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるスイッチング電源回路
の回路図。

【図２】図１に示す回路に発生する各電圧信号の波形
図。

【図３】図１に示す回路の出力特性。

【図４】従来のスイッチング電源回路の回路図。

【図５】オフ期間の延長機能の有無の差を説明する出
力特性。

【図６】図４に示す回路に発生する各電圧信号の波形
図。

【図７】図４に示す回路の出力特性。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ入力端子２ａ、２ｂ出力端子３制御回路４電圧検出回路５補助バイアス回路ＴトランスＮ３補助巻線ＯＵＴ（駆動）信号出力端子ＣＬＭ過電流検出端子ＶＦＶＦ端子Ｖ_OUT 駆動信号Ｖ_VT 制御回路のＶＴ端子に入力される電圧信号
（第２の電圧信号）Ｖ₅ 補助バイアス回路から出力される電圧信号
（第１の電圧信号）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インダクタンス部品の所定の巻線にスイ
ッチング素子を接続し、該スイッチング素子にオン、オ
フ動作を行わせた時に該インダクタンス部品の所定の巻
線に発生する電圧より所望の出力電圧を得る、ワイド入
力対応型のスイッチング電源回路において、過電流検出端子に入力される信号に応じて過電流保護動
作を行い、また過電流保護動作時に周波数制御端子に入
力される信号に応じてスイッチング素子のスイッチング
周波数を変更する機能を有する保護回路が内部に構成さ
れた、該スイッチング素子を駆動するための制御回路、入力電圧に応じて第１の電圧信号を出力する補助バイア
ス回路及び、該スイッチング素子を駆動するための駆動信号と該第１
の電圧信号を受け、第２の電圧信号を出力する電圧検出
回路、を具備し、該第２の電圧信号を該周波数制御端子に入力するように
したことを特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項２】前記電圧検出回路が、前記スイッチング
素子の制御端子と回路の基準電位点との間に接続された
抵抗とコンデンサの直列回路より成り、該抵抗と該コン
デンサとの接続点より前記第２の電圧信号を得ることを
特徴とする、請求項１に記載したスイッチング電源回
路。
【請求項３】前記補助バイアス回路が、前記インダク
タンス部品の補助巻線に接続された整流素子と複数の分
圧抵抗を具備し、前記スイッチング素子のオン期間に該
補助巻線に発生した電圧を前記第１の電圧信号として出
力することを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に
記載したスイッチング電源回路。
【請求項４】前記補助バイアス回路にさらに電圧レベ
ルシフト手段を設け、入力電圧が所定の値より大きい場
合のみ前記第１の電圧信号が出力されるようにしたこと
を特徴とする、請求項３に記載したスイッチング電源回
路。
【請求項５】前記電圧レベルシフト手段が定電圧ダイ
オードより成ることを特徴とする、請求項４に記載した
スイッチング電源回路。