JP5184937B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング電源に関し、特に、降圧チョッピングコンバータを備えた降圧チョッピングスイッチング電源に用いることにより、電源の小型化および高出力化を可能とするスイッチング電源に関する。 The present invention relates to a switching power supply, and more particularly to a switching power supply that can be used for a step-down chopping switching power supply including a step-down chopping converter, thereby enabling the power supply to be reduced in size and output.
従来、弱電機器やその他この種の機器の電源として、図7に示すような回路構成を有する降圧チョッパ回路が用いられている。この回路は、交流電源、例えば、商用周波電源の出力電圧を全波整流器10により全波整流し、平滑用コンデンサC1により平滑化した電圧を得る。
Conventionally, a step-down chopper circuit having a circuit configuration as shown in FIG. 7 has been used as a power source for low-power devices and other devices of this type. In this circuit, the output voltage of an AC power source, for example, a commercial frequency power source is full-wave rectified by a full-
そして、この電圧を回路に接続されたスイッチング素子Q1と、トランス20と、フライホイールダイオードD1と、平滑用コンデンサC5とからなる降圧チョッパ回路を介して、負荷に供給する。また、出力電圧を一定にするための出力電圧検出回路やスイッチング素子Q1の駆動を制御する制御手段を備えた制御回路により、スイッチング素子Q1の1制御周期内におけるON周期と制御周期との比率を制御する(例えば、特許文献1参照。)。
ところで、スイッチング電源には、スイッチング素子を一旦OFFの状態に移行させてからONの状態に移行させる電流臨界型のスイッチング電源と、スイッチング素子のスイッチング周期毎にトランス電流をゼロまで戻さずに制御を行う電流連続型のスイッチング電源がある。 By the way, the switching power supply has a current critical type switching power supply that shifts the switching element to the OFF state once and then the ON state, and the control without returning the transformer current to zero every switching cycle of the switching element. There is a continuous current type switching power supply.
しかしながら、上記の電流臨界型のスイッチング電源の場合には、スイッチング電流波形が三角波であるために、負荷が大きくなるとピーク電流が大きくなり、重負荷の場合も考慮すると、スイッチング素子の電流容量やトランスのサイズを大きくする必要があって、電源自体が大型になってしまうという問題があった。 However, in the case of the current critical switching power supply described above, since the switching current waveform is a triangular wave, the peak current increases as the load increases. Considering the case of a heavy load, the current capacity of the switching element and the transformer Therefore, there is a problem that the power supply itself becomes large.
そこで、本発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、重負荷の場合でも、ピーク電流を抑制して、小型で高出力のスイッチング電源を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a small-sized and high-output switching power supply by suppressing the peak current even in the case of a heavy load.
上述の課題を解決するために、本発明は、以下の事項を提案している。 In order to solve the above-described problems, the present invention proposes the following matters.
(1)本発明は、商用電源を整流する整流回路(例えば、図1の整流回路10に相当)と、該整流回路の出力をスイッチング素子を駆動して降圧チョッピングしてトランス(例えば、図1のトランス20に相当)に供給する降圧チョッピングコンバータ(例えば、図1のスイッチングトランジスタQ1および制御回路30に相当)とを備えるスイッチング電源であって、前記スイッチング素子(例えば、図1のスイッチングトランジスタQ1に相当)の駆動を制御する制御回路(例えば、図1の制御回路30に相当)を備え、該制御回路が、軽負荷時には、電流臨界モードで前記スイッチング素子を駆動し、重負荷時には、電流連続モードで前記スイッチング素子を駆動し、前記トランスが制御コイル(例えば、図1の制御巻線Ncに相当)を備え、前記制御回路が該制御コイルの電圧を検出して、前記スイッチング素子をオンさせるトリガ制御手段(例えば、図1の制御回路30におけるZ/C端子に相当)を備えるとともに、前記制御コイルの電圧をコンデンサに充放電して、該充電電圧が所定の閾値を超えたときに、前記スイッチング素子をオンさせるための信号を前記トリガ制御手段に供給するタイマ回路(例えば、図1のタイマ回路60に相当)を備えたことを特徴とするスイッチング電源を提案している。
(1) The present invention provides a rectifier circuit for rectifying commercial power (for example, equivalent to the
この発明によれば、スイッチング素子の駆動を制御する制御回路を備え、制御回路が、軽負荷時には、電流臨界モードでスイッチング素子を駆動し、重負荷時には、電流連続モードでスイッチング素子を駆動する。したがって、重負荷時に問題となるピーク電流を抑制することができるため、スイッチング素子やトランスの小型化、もしくは、現状のスイッチング素子やトランスを用いて電源の電流容量を増加させることができる。 According to the present invention, the control circuit for controlling the driving of the switching element is provided. The control circuit drives the switching element in the current critical mode when the load is light, and drives the switching element in the continuous current mode when the load is heavy. Therefore, since the peak current that becomes a problem at the time of heavy load can be suppressed, the switching element and the transformer can be downsized, or the current capacity of the power supply can be increased by using the current switching element and transformer.
また、この発明によれば、制御回路が制御コイルの電圧を検出して、スイッチング素子をオンさせるトリガ制御手段を備えるとともに、タイマ回路が、制御コイルの電圧をコンデンサに充放電して、充電電圧が所定の閾値を超えたときに、スイッチング素子をオンさせるための信号をトリガ制御手段に供給する。つまり、軽負荷時には、トリガ制御手段により、スイッチング素子をオンさせる電流臨界モードでスイッチング素子を駆動する。一方で、重負荷時には、制御コイルの電圧の周波数が低くなることから、タイマ回路内のC4の充放電による電圧振幅が増大し、この電圧値をモニターすることにより、重負荷状態を検出して、タイマ回路の制御により、スイッチング素子を強制的にオンさせることにより、電流連続モードでスイッチング素子を駆動する。 Further, according to the present invention, the control circuit detects the voltage of the control coil provided with a trigger control means for turning on the switching element, a timer circuit, the voltage of the control coil to charge discharge electric in the capacitor, charging When the voltage exceeds a predetermined threshold value, a signal for turning on the switching element is supplied to the trigger control means. That is, when the load is light, the switching element is driven by the trigger control means in a current critical mode in which the switching element is turned on. On the other hand, when the load is heavy, the frequency of the voltage of the control coil decreases, so the voltage amplitude due to charging / discharging of C4 in the timer circuit increases. By monitoring this voltage value, the heavy load state is detected. The switching element is driven in the current continuous mode by forcibly turning on the switching element under the control of the timer circuit.
(2)本発明は、(1)のスイッチング電源において、前記タイマ回路のコンデンサ(例えば、図1のコンデンサC4に相当)が、前記制御コイルからの電圧信号により前記スイッチング素子のオン期間に発生する入力電圧に比例した負の電圧レベルによりマイナス充電されるとともに、前記スイッチング素子のオフ期間に制御コイルに発生する出力電圧に比例した正の電圧レベルによりプラス充電され、前記制御コイル電圧のオン期間とオフ期間との演算を行い1周期を計時し、発振周期を制御することを特徴とするスイッチング電源を提案している。 ( 2 ) According to the present invention, in the switching power supply of ( 1 ), the capacitor of the timer circuit (for example, equivalent to the capacitor C4 in FIG. 1) is generated during the ON period of the switching element by the voltage signal from the control coil. Negative charging is performed by a negative voltage level proportional to the input voltage, and positive charging is performed by a positive voltage level proportional to an output voltage generated in the control coil during the OFF period of the switching element. There has been proposed a switching power supply characterized by calculating an off period, measuring one period, and controlling an oscillation period.
この発明によれば、タイマ回路のコンデンサが、制御コイルからの電圧信号によりスイッチング素子のオン期間に発生する入力電圧に比例した負の電圧レベルによりマイナス充電されるとともに、スイッチング素子のオフ期間に制御コイルに発生する出力電圧に比例した正の電圧レベルによりプラス充電され、制御コイル電圧のオン期間とオフ期間との演算を行い1周期を計時し、発振周期を制御する。したがって、これにより、スイッチング電流の周波数を略一定に制御することにより、スイッチング電流の電流波形を台形の電流波形とすることができるため、波高値や実効値を低減して、スイッチング素子やトランス、出力平滑回路を小型化することができる。また、大電力化した領域に対して、過電力低減機能を得ることもできる。 According to the present invention, the capacitor of the timer circuit is negatively charged by the negative voltage level proportional to the input voltage generated during the ON period of the switching element by the voltage signal from the control coil, and is controlled during the OFF period of the switching element. The positive voltage level proportional to the output voltage generated in the coil is positively charged, the control coil voltage is calculated between the on period and the off period, one period is counted, and the oscillation period is controlled. Therefore, by controlling the frequency of the switching current to be substantially constant, the current waveform of the switching current can be changed to a trapezoidal current waveform, so that the peak value and the effective value are reduced, and the switching element, transformer, The output smoothing circuit can be reduced in size. In addition, an overpower reduction function can be obtained for a region where power is increased.
(3)本発明は、(1)のスイッチング電源において、前記タイマ回路により出力される信号と、前記制御コイルの電圧から検出されるオントリガ信号とを排他的構成とし、前記タイマ回路により出力される信号と前記オントリガ信号とのうち早い方の信号により、前記スイッチング素子の駆動を制御することを特徴とするスイッチング電源を提案している。 ( 3 ) In the switching power supply of ( 1 ), the present invention has an exclusive configuration of a signal output from the timer circuit and an on-trigger signal detected from the voltage of the control coil, and is output from the timer circuit. A switching power supply is proposed in which driving of the switching element is controlled by an earlier signal of the signal and the on-trigger signal.
この発明によれば、タイマ回路により出力される信号と、制御コイルの電圧から検出されるオントリガ信号とを排他的構成とし、タイマ回路により出力される信号とオントリガ信号とのうち早い方の信号により、スイッチング素子の駆動を制御する。したがって、これにより、重負荷時には、スイッチング素子を強制的にオンさせることにより、電流連続モードでスイッチング素子を駆動することができる。 According to the present invention, the signal output from the timer circuit and the on-trigger signal detected from the voltage of the control coil are exclusively configured, and the signal output from the timer circuit or the on-trigger signal is the earlier signal. , Controlling the driving of the switching element. Therefore, this makes it possible to drive the switching element in the continuous current mode by forcibly turning on the switching element under heavy load.
(4)本発明は、(1)から(3)のいずれかのスイッチング電源において、出力電圧を検出する出力電圧検出回路(例えば、図1の出力電圧検出回路50に相当)と、該出力電圧検出回路の検出電圧に応じて、前記スイッチング素子のオン期間を制御するオン期間制御部(例えば、図1の制御回路30におけるF/B端子に相当)を備えたことを特徴とするスイッチング電源を提案している。
( 4 ) The present invention provides an output voltage detection circuit (for example, equivalent to the output
本発明によれば、重負荷時のピーク電流を抑制することができることから、スイッチング素子やトランス、平滑回路を小型化することができるという効果がある。また、現状のスイッチング素子やトランス、平滑回路を用いた場合でも、電源の大容量化が可能となるという効果がある。 According to the present invention, since the peak current at the time of heavy load can be suppressed, there is an effect that the switching element, the transformer, and the smoothing circuit can be reduced in size. Further, even when the current switching element, transformer, and smoothing circuit are used, there is an effect that the capacity of the power source can be increased.
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。 なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the constituent elements in the present embodiment can be appropriately replaced with existing constituent elements and the like, and various variations including combinations with other existing constituent elements are possible. Therefore, the description of the present embodiment does not limit the contents of the invention described in the claims.
<スイッチング電源の構成>
本実施形態に係るスイッチング電源は、主として、図1に示すように、整流回路10と、チョークコイルNpおよび制御巻線Ncとからなるトランス20と、制御回路30と、出力平滑回路40と、出力電圧検出回路50と、タイマ回路60と、スイッチングトランジスタQ1と、フライホイールダイオードD1と、フォトカプラPH1とから構成されている。
<Configuration of switching power supply>
As shown in FIG. 1, the switching power supply according to the present embodiment mainly includes a
整流回路10は、商用電源の交流を全波整流して得られる脈流をトランス20に供給する。トランス20は、スイッチングトランジスタQ1がONの場合に、負荷に電力を供給するのと同時に、入出力の電圧差に相当する電磁エネルギーをチョークコイルNpに蓄積し、スイッチングトランジスタQ1がOFFの場合に、チョークコイルNpに蓄積した電磁エネルギーを負荷に供給する。制御巻線Ncは、Np端子間にかかる電圧に概ね比例した信号を制御回路30のZ/C端子に供給する。この信号は、制御回路30におけるスイッチングトランジスタQ1をONするためのトリガ信号となる。また、フライホイールダイオードD1は、チョークコイルNpに蓄積されたエネルギーを放出する役割を果たす。
The
制御回路30は、Z/C端子およびF/B端子に入力される信号により、スイッチングトランジスタQ1のONタイミングとON時間幅とを制御する。具体的には、Z/C端子には、ONタイミング調整抵抗R2を介して、制御巻線Ncが接続されている。そして、Z/C端子に「Hi」から「Low」に遷移するトリガ信号を入力すると、DR端子からスイッチングトランジスタQ1のゲートにON信号を出力し、スイッチングトランジスタQ1をONする。また、F/B端子には、フォトカプラPH1の一部をなすフォトトランジスタが接続され、出力電圧検出回路50に設けられた発光ダイオードから射出される光を受光して、スイッチングトランジスタQ1のON時間幅を制御する。出力平滑回路40は、チョークコイルNpから供給される電圧波形を平滑化して出力電圧を得る。
The
出力電圧検出回路50は、出力電圧を検出するための抵抗R4、R5の分圧値を基準電圧と比較して、その比較結果に応じて、フォトカプラPH1の一部をなす発光ダイオードを点灯させる。発光ダイオードから射出される光は、制御回路30のF/B端子に接続されたフォトトランジスタにおいて受光され、スイッチングトランジスタQ1のON時間幅を制御する。
The output
タイマ回路60は、トランス20の制御巻線Ncの一端と、ONトリガ用のタイミング調整抵抗R2とを接続し、計時設定用抵抗R3並びに定電圧ダイオードD2を介してスイッチQ2のベース端子に接続されている。また、スイッチQ2のベースとエミッタ端子間には、計時用コンデンサC4が並列に接続され、スイッチQ2のコレクタ端子は制御回路30のZ/C端子に接続されている。さらに、計時用コンデンサC3の一端は制御巻線Ncの他端とともに制御回路のIC−GNDに接続されている。なお、制御回路のIC−GNDは、D1のカソード側に接続されている。
The
また、スイッチングトランジスタQ1には、直列に電流検出抵抗R1が接続されるとともに、並列にダンパコンデンサC2が接続されている。 The switching transistor Q1 is connected in series with a current detection resistor R1 and in parallel with a damper capacitor C2.
<スイッチング電源の動作>
図2および図3を用いて、本実施形態に係るスイッチング電源の動作について説明する。
図2は、本実施形態に係るスイッチング電源の動作波形図を示している。
本実施形態に係るスイッチング電源は電流臨界型制御を基本回路としているため、スイッチングトランジスタQ1がONすると、トランス20のチョークコイルNpに電磁エネルギーが蓄積される。そして、F/B端子により設定された時間に達し、スイッチングトランジスタQ1がOFFすると、トランス20のチョークコイルNpに蓄えられた電磁エネルギーが出力平滑回路40を経て出力に供給される。そして、トランス20のチョークコイルNpに蓄えられた電磁エネルギーが、すべて供給されるとフライホイールダイオードD1の導通がなくなり、トランス20の制御巻線Ncに発生する電圧も正から負へと反転する。これにより、制御回路30のZ/C端子がトリガを受けて、制御回路20のDR端子から、スイッチングトランジスタQ1へON信号が出力され、スイッチングトランジスタQ1がONする。すなわち、図6の実線に示すように、トランス20のチョークコイルNpから出力する電磁エネルギーが小さい場合にはON期間、OFF期間とも短く(発振周波数が高く)、出力する電磁エネルギーが大きい場合は周期が長く(発振周波数が低く)なるよう動作する。
<Operation of switching power supply>
The operation of the switching power supply according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 shows an operation waveform diagram of the switching power supply according to the present embodiment.
Since the switching power supply according to the present embodiment uses current critical control as a basic circuit, electromagnetic energy is accumulated in the choke coil Np of the
<タイマ回路の動作>
前記一連のスイッチング動作と同時に、タイマ回路60は、以下のように動作する。
つまり、スイッチングトランジスタQ1がONすると、トランス20の制御巻線Ncには、入力電圧に比例した負の電圧が発生し、この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD2の設定により制限された電流によって計時用コンデンサC4を負に充電する。
<Timer circuit operation>
Simultaneously with the series of switching operations, the
That is, when the switching transistor Q1 is turned on, a negative voltage proportional to the input voltage is generated in the control winding Nc of the
一方、スイッチングトランジスタQ1がOFFすると、トランス20の制御巻線Ncには、出力電圧に比例した正の電圧が発生し、この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD2により制限された電流によって計時用コンデンサC4を正に充電し、計時用コンデンサC4端子間には、例えば、図2の計時用コンデンサC4端子間電圧波形に示すような三角波状の電圧が発生する。
On the other hand, when the switching transistor Q1 is turned OFF, a positive voltage proportional to the output voltage is generated in the control winding Nc of the
次に、出力する電磁エネルギーが大きい状態には、発振周期が長くなり、スイッチングトランジスタQ1のOFF期間中に、計時用コンデンサC4が正に充電された結果、計時用コンデンサC4端子間電圧がスイッチQ2のON電圧に達し、スイッチQ2がONすると、例えば、図2の重負荷時の計時用コンデンサC4端子間電圧波形に示すように、制御回路30のZ/C端子にトリガ信号が与えられる。
Next, when the output electromagnetic energy is large, the oscillation period becomes longer, and the clock capacitor C4 is positively charged during the OFF period of the switching transistor Q1, so that the voltage across the clock capacitor C4 terminal is changed to the switch Q2. When the switch Q2 is turned on, for example, a trigger signal is given to the Z / C terminal of the
なお、本実施形態では、スイッチングトランジスタQ1が、MOSFETにより構成されているが、バイポーラトランジスタ、IGBTといった他のスイッチング素子によっても構成することができる。 In the present embodiment, the switching transistor Q1 is configured by a MOSFET, but can also be configured by other switching elements such as a bipolar transistor and an IGBT.
先に説明したように、本実施形態では、出力エネルギーが少ない動作領域、つまり、トランス20の蓄積エネルギーが小さい、短い周期の状態においては、電流臨界モードでスイッチングトランジスタQ1を駆動し、出力するエネルギーが大きく、周期が広がり、タイマ回路60で設定される時間に対し長くなった場合には、トランス20の電磁エネルギーの放出を待たずにタイマ回路60によるトリガ入力が優先され、スイッチングトランジスタQ1をONとする電流連続モードでスイッチングトランジスタQ1が駆動される。
As described above, in the present embodiment, in the operation region where the output energy is low, that is, in the short cycle state where the stored energy of the
一方、タイマ回路60によるトリガ入力が優先される動作の場合には、F/B端子で設定されたスイッチングトランジスタQ1のON期間に、トランス20の制御巻線Ncには、入力電圧に比例した負の電圧が発生する。発生したこの負の電圧は、計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD2の設定により制限された電流となって、計時用コンデンサC4を負に充電する。
On the other hand, in the operation in which the trigger input by the
スイッチングトランジスタQ1がOFFすると、トランス20の制御巻線Ncには、出力電圧に比例した正の電圧が発生する。発生したこの負の電圧は、計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD2により制限された電流となって、計時用コンデンサC4を正に充電する。そして、計時用コンデンサC4端子間電圧が、スイッチQ2のON電圧に達して、スイッチQ2がONすると、制御回路30のZ/C端子にトリガ信号が与えられスイッチングトランジスタQ1がONする。
When the switching transistor Q1 is turned off, a positive voltage proportional to the output voltage is generated in the control winding Nc of the
また、この時、トランス20は、出力平滑回路40に電磁エネルギーを放出し終わる前に、スイッチングトランジスタQ1がONするため、ONする時のスイッチングトランジスタQ1の電流は、例えば、図2の重負荷時TdにおけるスイッチングトランジスタQ1のスイッチング電流波形のように、正にバイアスされた状態となり、バイアスされた状態からトランス20における電磁エネルギーの蓄積を行う。
At this time, since the switching transistor Q1 is turned on before the
タイマ回路60によるトリガ入力が優先される動作においては、スイッチングされた電流波形は台形波となる。つまり、ピーク電流値を電流臨界モードでの三角波の電流波形と同一のピーク電流値において、トランス20に蓄えられる電磁エネルギーが、電流臨界モードに比べて、増加し、出力平滑回路に大きなエネルギーを供給できることになる。したがって、温度による要因を除けば、同一の最大電流・電圧定格のスイッチング素子と、同一のインダクタンス値・巻数・コアサイズのトランスにおいて出力エネルギーを増加することができる。
In the operation in which the trigger input by the
しかし、前記タイマ回路による制御を行った場合、強制的にスイッチングトランジスタQ1をONとするため、共振コンデンサC1の急峻な放電電流及びフライホイールダイオードD1のリカバリ電流による影響で、スイッチングノイズ及びスイッチング損失が増加してしまう。 However, when the control by the timer circuit is performed, the switching transistor Q1 is forcibly turned on. Therefore, the switching noise and the switching loss are caused by the influence of the steep discharge current of the resonance capacitor C1 and the recovery current of the flywheel diode D1. It will increase.
よって、本実施形態に係るスイッチング電源は、特に定常状態の負荷電力は比較的小さく、短いパルスで大きな負荷電力を必要とする負荷に適しており、定常負荷電力まではソフトスイッチングが可能な電流臨界動作とし、パルスでの大きな負荷電力時や異常時等の過電流時に前記タイマ回路による電流連続動作になるよう設定することで、小型で安価に大電力が取れ、定常負荷電力時はスイッチング損失及びノイズの少ないスイッチング電源を提供することができる。 Therefore, the switching power supply according to the present embodiment is particularly suitable for a load that requires a relatively small load power in a steady state and requires a large load power with a short pulse, and a current criticality capable of soft switching up to the steady load power. By setting the operation to be continuous operation by the timer circuit at the time of a large load power with a pulse or an overcurrent such as an abnormality, a large power can be obtained at a small size and at a low cost. A switching power supply with less noise can be provided.
さらに、本実施形態では、制御巻線電圧のON期間とOFF期間との演算により、1周期を計時し、発振周期を制御する方式であるため、大電力化した領域に対しての過電力低減機能も得られる。 In addition, in this embodiment, since one cycle is measured by calculating the ON period and the OFF period of the control winding voltage, the oscillation period is controlled, so that overpower is reduced in a region where power is increased. Function is also obtained.
例えば、大電力出力でのPWM制御動作時で、入力電圧が高い状態の時には、スイッチングトランジスタQ1のON期間中に、トランス20の制御巻線Ncに入力電圧に比例した負の高い電圧が発生する。そして、この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD2により制限された電流によって計時用コンデンサC4を負に充電する。
For example, when the PWM control operation is performed with a high power output and the input voltage is high, a negative high voltage proportional to the input voltage is generated in the control winding Nc of the
トランス20の制御巻線Ncには、入力電圧に比例した負の高い電圧が発生することにより計時用コンデンサC4端子に発生する負の電圧が大きくなるが、OFF期間にトランス20の制御巻線Ncに発生する出力電圧に比例した正の電圧は変わらないため、スイッチQ2がON電圧に達するまでの時間が長くなる。
In the control winding Nc of the
したがって、タイマ回路60で計時される時間が長くなり、トランス20は、出力平滑回路40に電磁エネルギーをより放出し、スイッチングトランジスタQ1が、ONする時の電磁エネルギーによるバイアス電流は小さくなる。これにより、スイッチングトランジスタQ1の電流波形は台形波から三角波に近くなるため、入力電圧が高い時はR1に発生する電圧がより大きくなる傾向となるため、制御回路30のOPC端子の過電流検出回路による出力電力制限が動作しやすくなる。
Therefore, the time counted by the
一般的なPWM制御のスイッチングトランジスタQ1のソース電流検出による過電流保護の場合、入力電圧が高くなるに従い、過電流保護が働く出力電力値は増加するが、本実施形態によれば、入力依存による過電流保護の電力値の増加を低減することが出来る。 In the case of overcurrent protection by detecting the source current of a general PWM control switching transistor Q1, the output power value at which the overcurrent protection works increases as the input voltage increases. An increase in the power value of overcurrent protection can be reduced.
また、スイッチングトランジスタQ1のON期間中は、トランス20の制御巻線Ncには、入力電圧に比例した負の電圧が発生する。この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD2の設定により制限された電流によって計時用コンデンサC4を負に充電する。
Further, during the ON period of the switching transistor Q1, a negative voltage proportional to the input voltage is generated in the control winding Nc of the
一方、スイッチングトランジスタQ1のOFF期間中は、トランス20の制御巻線Ncには、出力電圧に比例した正の電圧が発生する。この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD2により制限された電流によって計時用コンデンサC4を正に充電する。
On the other hand, during the OFF period of the switching transistor Q1, a positive voltage proportional to the output voltage is generated in the control winding Nc of the
そして、計時用コンデンサC4端子間電圧がスイッチQ2のON電圧に達しスイッチQ2がONすると、制御回路30のZ/C端子にトリガ信号が与えられスイッチングトランジスタQ1がONすることにより、電流波形を台形波とし、出力エネルギーが増加可能である。
When the voltage across the capacitor C4 for timekeeping reaches the ON voltage of the switch Q2 and the switch Q2 is turned ON, a trigger signal is given to the Z / C terminal of the
出力過負荷による異常時においては、電流制限回路により出力が低下した場合、OFFの期間時には、制御巻線出力は出力電圧に比例した電圧が発生するため、出力に比例して制御巻線電圧も同時に低下して、計時用コンデンサC4の充電が緩やかとなる。よって、OFF時間が広がることで、スイッチQ2がONするまでの時間が延び、OFF期間が広がることで発振周期が伸びて出力エネルギーが低下する。 In the event of an abnormality due to output overload, if the output is reduced by the current limit circuit, the control winding output generates a voltage proportional to the output voltage during the OFF period, so the control winding voltage is also proportional to the output. At the same time, the timing capacitor C4 is slowly charged. Therefore, when the OFF time is widened, the time until the switch Q2 is turned on is prolonged, and when the OFF period is widened, the oscillation period is prolonged and the output energy is lowered.
そして、さらなる過負荷により出力が低下して、最終的には、OFF期間時の制御巻線出力の低下によりスイッチQ2が、常にONできない状態、つまり、電流連続モードとなり、出力エネルギーが制限されて、出力過負荷時の安全性が保たれる。 Then, the output decreases due to further overload, and finally, the switch Q2 cannot always be turned on due to the decrease in the control winding output during the OFF period, that is, the current continuous mode is entered, and the output energy is limited. Safety during output overload is maintained.
<出力特性>
図4は、本実施形態に係るスイッチング電源の出力特性例を示している。
図中、実線部は、従来回路における出力特性を示し、破線部は、本発明の回路を用いた場合の出力特性を示している。これによると、本発明の回路を用いた場合には、従来の回路を用いた場合に比べて、大電力が得られ、過電流により出力電圧が低下するに従い、出力電力も減少し、従来の回路を用いた場合の過電流特性となることを示している。
<Output characteristics>
FIG. 4 shows an example of output characteristics of the switching power supply according to the present embodiment.
In the figure, the solid line portion shows the output characteristics in the conventional circuit, and the broken line portion shows the output characteristics when the circuit of the present invention is used. According to this, when the circuit of the present invention is used, larger power is obtained than when the conventional circuit is used, and as the output voltage decreases due to overcurrent, the output power also decreases. It shows that overcurrent characteristics are obtained when a circuit is used.
図5は、図4に示した出力特性の各ポイント(図4中の「A」、「B」、「C」、「D」)における電流波形を示している。
この図によれば、図4中の「A」のような軽負荷時には、従来同様、電流臨界モードでスイッチングトランジスタQ1が駆動されるため、そのスイッチング電流波形は、波高値の小さな三角波となっている。図4中の「B」、「C」、「D」は、重負荷状態になっており、タイマ回路60が作動して、電流連続モードでスイッチングトランジスタQ1が駆動されるため、そのスイッチング電流波形は、周波数が概ね一定に制御され(図6参照)、図4中の「B」のON期間が概ね一定に維持された状態で、図4中の「C」、「D」になるにつれて、台形状になっている。つまり、図4中の「C」、「D」では、ON期間が概ね一定に維持されつつ、電流波形の面積が増加するため、トランス20に蓄積される電磁エネルギーが増えることになる。
FIG. 5 shows current waveforms at each point (“A”, “B”, “C”, “D” in FIG. 4) of the output characteristics shown in FIG.
According to this figure, at the time of a light load such as “A” in FIG. 4, since the switching transistor Q1 is driven in the current critical mode as in the prior art, the switching current waveform is a triangular wave with a small peak value. Yes. “B”, “C”, and “D” in FIG. 4 are in a heavy load state, the
<電流連続動作における発振制御>
本実施形態においては、タイマ回路60で動作する電流連続動作において安定した発振状態に制御できる特徴を兼ね備えている。
<Oscillation control in continuous current operation>
The present embodiment also has a feature that it can be controlled to a stable oscillation state in the continuous current operation that is operated by the
図3は、その動作説明図であり、単に、周波数が固定された状態、つまり、ON期間とOFF期間との和(Ton+Toff)が固定された状態から負荷が変化した場合、出力電流が変化しても、スイッチングトランジスタQ1のON期間Tonは一定で、フィードバックによるON期間Ton制御にほぼ関係がなく、応答することになる。 FIG. 3 is an explanatory diagram of the operation. When the load changes from a state where the frequency is fixed, that is, a state where the sum of the ON period and the OFF period (T on + T off ) is fixed, the output current There also vary, with constant oN period T on of the switching transistor Q1, almost no relation to the oN period T on the control by the feedback would respond.
出力電流増加により、出力電圧Voが低下すると、より多くの残留エネルギーをトランス20に保持した状態、つまり、フライホイールダイオードD1の電流で示すと、図3に図示したDa点の電流がより大きい内に、固定周期として設定されたONトリガが入るため、スイッチングトランジスタQ1がONし、次のスイッチングトランジスタQ1のON周期での立ち上がり時の電流Qaが増加する。これにより、この周期では、トランス20に蓄えられるエネルギーが増加し、出力平滑回路40への供給電力が増加して、出力電圧Voが一定に保たれる。
When the output voltage Vo decreases due to the increase in the output current, a state in which more residual energy is held in the
しかし、この動作において、供給電力が過剰となった場合、出力電圧が、図3に図示するVc点まで上昇する。このとき、OFF期間Toffは一定であるため、出力電圧Voの上昇により放出電流の傾斜は急となり、トランス20に蓄えられた電磁エネルギーを放出しやすくなり、トランス20の残留エネルギーが少ない状態、つまり、フライホイールダイオードD1の電流で示すと、Dc点の状態で、固定周期として設定されたONトリガが入ると、スイッチングトランジスタQ1がONし、次のスイッチングトランジスタQ1のON周期に立ち上がり時の電流がQc点のように減少することでトランス20に蓄えられるエネルギーが低下する。これによって、出力平滑回路40への供給電力が低下し、出力電圧Voが低下する動作となり、図3に図示するVe点のように出力電圧Voの低下が過度な場合、前記動作を繰り返すこととなる。さらに、前記動作が収束しない場合は不安定な発振が継続してしまう。
However, in this operation, when the supplied power becomes excessive, the output voltage rises to the point Vc shown in FIG. At this time, since the OFF period Toff is constant, the slope of the emission current becomes steep due to the increase of the output voltage Vo, and the electromagnetic energy stored in the
また、前記の繰り返される周期は、フィードバックによる出力安定化が困難な周波数領域であり、前記、収束しない状態が継続された場合、出力の電圧リップルの増加や、可聴領域での発振周期となった場合にはトランス20からの発振音の発生を引き起こすことになる。
Further, the repeated cycle is a frequency region where it is difficult to stabilize the output by feedback. When the non-converging state is continued, an increase in output voltage ripple or an oscillation cycle in the audible region occurs. In some cases, oscillation sound from the
しかしながら、本実施形態に係るスイッチング電源においては、完全な周波数固定ではなく制御巻線Ncからの信号により周期を発振周期毎に制御している為、フィードバック回路とは別に発振周期毎に補正を行う特別な補正回路を必要とせず安定した発振を実現することが可能となる。 However, in the switching power supply according to the present embodiment, the frequency is controlled for each oscillation period by a signal from the control winding Nc rather than being completely fixed, so that correction is performed for each oscillation period separately from the feedback circuit. A stable oscillation can be realized without requiring a special correction circuit.
つまり、本実施形態に係るスイッチング電源においては、出力電流増加により出力コンデンサC5の電圧が低下すると同時に、スイッチングトランジスタQ1のOFF期間に制御巻線Ncに発生する出力電圧に比例した正の電圧が低下することにより、計時用コンデンサC3の充電が緩やかになりOFF期間が延びる。このように、OFF期間が延びたことにより、出力回路により多くのエネルギーの放出が行われるため、トランス20に蓄えられる電磁エネルギーが低下し、次のスイッチングトランジスタQ1のON時の立ち上がりにおける電流増加を抑えることでき、このON期間にトランス20に蓄えられる電磁エネルギーが低減され急峻な出力への供給を抑える働きとなる。
That is, in the switching power supply according to the present embodiment, the voltage of the output capacitor C5 decreases due to the increase of the output current, and at the same time, the positive voltage proportional to the output voltage generated in the control winding Nc during the OFF period of the switching transistor Q1 decreases. As a result, charging of the timing capacitor C3 is moderated and the OFF period is extended. In this way, since the OFF period is extended, a large amount of energy is released by the output circuit, so that the electromagnetic energy stored in the
また、出力コンデンサC5の電圧の上昇時においても、スイッチングトランジスタQ1のOFF期間に制御巻線Ncに発生する出力電圧に比例した正の電圧が上昇することにより、計時用コンデンサC4の充電電流が増加し、OFF期間が短くなる。このOFF期間が短くなったことによって、出力回路への電磁エネルギーの放出が抑えられ急峻なトランス20の残留エネルギーの減少を抑制し、スイッチングトランジスタQ1がONした時の残留エネルギーを過渡に減少しないようにコントロールされる。以上の動作により、負荷変動に対する過渡的な応答が抑制され、安定した動作が提供できる。
Further, even when the voltage of the output capacitor C5 rises, the positive voltage proportional to the output voltage generated in the control winding Nc during the OFF period of the switching transistor Q1 rises, thereby increasing the charging current of the timing capacitor C4. In addition, the OFF period is shortened. Due to the shortening of the OFF period, the release of electromagnetic energy to the output circuit is suppressed, a steep decrease in the residual energy of the
以上、説明したように、本実施形態によれば、軽負荷時には、電流臨界モードでスイッチング素子を駆動し、重負荷時には、電流連続モードでスイッチング素子を駆動することにより、重負荷時に問題となるピーク電流を抑制することができるため、スイッチング素子やトランスの小型化、もしくは、現状のスイッチング素子やトランスを用いて電源の電流容量を増加させることができる。また、電流連続モードでは、スイッチング電流の周波数を略一定に制御することにより、スイッチング電流の電流波形を台形の電流波形とすることができるため、波高値や実効値を低減して、スイッチング素子やトランス、出力平滑回路を小型化することができる。また、制御巻線による検出を行うことにより、制御の安定性と過電流領域に対する「フの字」の過電流保護特性を得ることもできる。 As described above, according to the present embodiment, when the load is light, the switching element is driven in the current critical mode, and when the load is heavy, the switching element is driven in the current continuous mode. Since the peak current can be suppressed, the switching element and the transformer can be downsized, or the current switching element and the transformer can be used to increase the current capacity of the power source. In the continuous current mode, the switching current frequency can be made to be a trapezoidal current waveform by controlling the frequency of the switching current to be substantially constant. The transformer and the output smoothing circuit can be reduced in size. In addition, by performing detection using the control winding, it is possible to obtain control stability and a “f” -shaped overcurrent protection characteristic for the overcurrent region.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation and application are possible within the range which does not deviate from the summary of this invention.
Np チョークコイル
Nc 制御巻線
Q1 スイッチングトランジスタ
Q2 タイマ回路60内のスイッチ
D1 フライホイールダイオード
D2 タイマ回路60内の定電圧ダイオード
C1 ダンパ用コンデンサ
C2 平滑コンデンサ
C3 ONトリガ用のタイミング調整コンデンサ
C4 タイマ回路60の計時用コンデンサ
C5 出力平滑回路40内の平滑コンデンサ
R1 スイッチングトランジスタQ1電流検出用の抵抗
R2 ONトリガ用のタイミング調整抵抗
R3 タイマ回路60内の計時設定用抵抗
R4,R5 出力電圧設定用抵抗
PH1 フィードバック用フォトカプラ
GND グランド
Vo 出力電圧
10 整流回路
20 トランス
30 スイッチングトランジスタQ1の制御回路
40 出力平滑回路
50 出力電圧検出回路
60 タイマ回路(発振周期制御回路)
Z/C 制御回路30内のONトリガ入力端子
F/B 制御回路30内のON幅制御入力端子
DR 制御回路内30のスイッチングトランジスタQ1のゲート・ドライブ出力
OCP 制御回路30内の過電流検出端子
Np choke coil Nc control winding Q1 switching transistor Q2 switch D1 in
ON trigger input terminal F / B in the Z /
Claims (4)
前記スイッチング素子の駆動を制御する制御回路を備え、
該制御回路が、軽負荷時には、電流臨界モードで前記スイッチング素子を駆動し、重負荷時には、電流連続モードで前記スイッチング素子を駆動し、
前記トランスが制御コイルを備え、
前記制御回路が該制御コイルの電圧を検出して、前記スイッチング素子をオンさせるトリガ制御手段を備えるとともに、
前記制御コイルの電圧をコンデンサに充放電して、該充電電圧が所定の閾値を超えたときに、前記スイッチング素子をオンさせるための信号を前記トリガ制御手段に供給するタイマ回路を備えたことを特徴とするスイッチング電源。 A switching power supply comprising a rectifier circuit for rectifying a commercial power supply, and a step-down chopping converter for driving the switching element to step-down chopping and supplying the output of the rectifier circuit to a transformer,
A control circuit for controlling the driving of the switching element;
The control circuit drives the switching element in a current critical mode at light load, and drives the switching element in a current continuous mode at heavy load ,
The transformer includes a control coil;
The control circuit includes trigger control means for detecting the voltage of the control coil and turning on the switching element;
A timer circuit that charges and discharges a voltage of the control coil to a capacitor and supplies a signal for turning on the switching element to the trigger control means when the charging voltage exceeds a predetermined threshold value ; A switching power supply.
該出力電圧検出回路の検出電圧に応じて、前記スイッチング素子のオン期間を制御するオン期間制御部を備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のスイッチング電源。 4. The switching power supply according to claim 1, further comprising an on period control unit configured to control an on period of the switching element in accordance with a detection voltage of the output voltage detection circuit. .
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