スイッチング電源装置
【課題】簡単な構成で小型化が容易であり、高効率で高精度、高応答のスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】トランスＴ１の１次巻線Ｎ１に接続された入力電源１０と、メインスイッチング素子ＴＲ１と、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２に接続された整流回路１８と、整流回路１８の出力を平滑するチョークコイルＬｏとコンデンサＣ１から成る平滑回路２０を有する。平滑回路２０の出力電圧がフィードバックされ出力電圧を制御するためのフィードバック制御回路１２を備える。平滑回路２０のチョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubに、サブスイッチング素子Ｑ１とコンデンサＣ１を接続し、メインスイッチング素子ＴＲ１のオフ期間に、サブ巻線Ｎsubに接続されたサブスイッチング素子Ｑ１をオンさせて、サブ巻線Ｎsubに発生するチョークコイルＬｏの誘起電圧を電圧信号として、フィードバック制御回路１２へ帰還させる。
【解決手段】トランスＴ１の１次巻線Ｎ１に接続された入力電源１０と、メインスイッチング素子ＴＲ１と、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２に接続された整流回路１８と、整流回路１８の出力を平滑するチョークコイルＬｏとコンデンサＣ１から成る平滑回路２０を有する。平滑回路２０の出力電圧がフィードバックされ出力電圧を制御するためのフィードバック制御回路１２を備える。平滑回路２０のチョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubに、サブスイッチング素子Ｑ１とコンデンサＣ１を接続し、メインスイッチング素子ＴＲ１のオフ期間に、サブ巻線Ｎsubに接続されたサブスイッチング素子Ｑ１をオンさせて、サブ巻線Ｎsubに発生するチョークコイルＬｏの誘起電圧を電圧信号として、フィードバック制御回路１２へ帰還させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧を所望の電圧に変換し電子機器に供給するためのスイッチング電源装置に関するもので、特に、フィードバック制御回路を備えたスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１〜３に開示されているように、フォワード型コンバータの出力チョークコイルにメイン巻線と結合するようにサブ巻線を設け、出力チョークコイルに発生する誘起電圧を、サブ巻線からダイオードを介して電圧信号として取り出し、この電圧信号をフィードバック制御回路に入力して出力電圧制御を行なうスイッチング電源装置が提案されていた。各特許文献に開示された電源回路は、出力チョークコイルを含む整流平滑回路の整流素子としてダイオードを用いた例が開示されている。
【０００３】
一方、低電圧出力のスイッチング電源を高効率化するために、近年、整流回路として同期整流回路が一般的に用いられるようになっている。従って、各特許文献に開示された従来例の電源回路において、スイッチング電源の高効率化のために、整流回路に同期整流回路を適用することは容易に推測できる。
【０００４】
そこで、同期整流回路を備えたスイッチング電源回路に、上記従来の出力チョークコイルに発生する誘起電圧を検知することでフィードバック制御を行なう電源装置の回路について、図７を基にして説明する。図７に示すスイッチング電源装置は、直流入力電源１０の出力端子間にトランスＴ１の１次巻線Ｎ１と、メインスイッチング素子ＴＲ１が直列に接続され、メインスイッチング素子ＴＲ１の制御端子には、フィードバック制御回路１２の出力により出力パルス幅を制御するメインスイッチング素子駆動回路１４の出力が接続されている。
【０００５】
トランスＴ１の２次巻線Ｎ２には、直列に接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ等の同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３を備え、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３のゲートには同期整流素子駆動回路１６の出力が接続されている。同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３と同期整流素子駆動回路１６により同期整流回路１８を構成している。同期整流素子ＴＲ３のドレイン−ソース間には、出力コンデンサＣｏと出力チョークコイルＬｏから構成される平滑回路２０が接続され、出力コンデンサＣｏの両端に負荷２２が接続されている。
【０００６】
出力チョークコイルＬｏには、メイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubが設けられ、ここに、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１から構成される出力チョークコイル誘起電圧検出回路１５が接続されている。コンデンサＣ１は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフの期間に出力チョークコイルＬｏに発生する誘起電圧を取り出して蓄えるもので、コンデンサＣ１の電圧は、フィードバック制御回路１２の誤差アンプ１３の反転入力端子に接続されている。誤差アンプ１３の非反転入力端子には、基準電圧Ｖrefが入力している。
【０００７】
このスイッチング電源装置は、メインスイッチング素子駆動回路１４が、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を制御することにより、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏの制御を行なう。メインスイッチング素子駆動回路１４は、フィードバック制御回路１２がコンデンサＣ１の電圧ＶC1と基準電圧Ｖrefが等しくなるように、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を決定する。
【特許文献１】特開平６−２８４７１４号公報
【特許文献２】特開２００３−３３０２４号公報
【特許文献３】特開２００３−３３０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来例に同期整流回路を組み合わせると、出力電圧制御に問題が生じ、スイッチング電源としての特性が悪化する。即ち、図７のスイッチング電源装置は、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦの温度特性の影響がスイッチング電源装置の出力電圧に現れるため、周囲温度の影響を受けて、出力電圧Ｖｏが変化する特性のスイッチング電源装置になってしまうと言った問題がある。図７のスイッチング電源装置が周囲温度の影響を受けて、出力電圧Ｖｏが変化する特性について、以下で説明する。
【０００９】
出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubに発生する誘起電圧Ｖflsubは、出力チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubの巻数比とスイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏから、式（１）のように表される。
【数１】
【００１０】
出力チョークコイル誘起電圧検出回路１５のコンデンサＣ１は、出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubに発生する誘起電圧Ｖflsubを、ダイオードＤ１を介して蓄える。ダイオードＤ１は順方向電圧ＶFの電圧降下を発生させるため、コンデンサＣ１の電圧ＶC1は、式（２）で表される。
【数２】
【００１１】
このスイッチング電源装置は、出力チョークコイル誘起電圧検出回路１５のコンデンサＣ１の電圧ＶC1の電圧を基準電圧Ｖrefと同じになるように制御を行なっているため、式（３）が成り立つ。
【数３】
【００１２】
式（３）を変形すると式（４）が得られる。
【数４】
【００１３】
基準電圧Ｖrefは、通常、一定値であることから、式（５）が得られる。
【数５】
【００１４】
式（５）から、出力電圧Ｖｏは、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶFの影響を受けて変化することがわかる。
【００１５】
ここで、出力チョークコイル誘起電圧検出回路１５のダイオードＤ１は、ＰＮ接合のダイオードやショットキーバリアダイオードが用いられるが、これらのダイオードは、周囲温度が高いと順方向電圧ＶFが低くなり、周囲温度が低いと順方向電圧ＶFが高くなるように変化する。従って、図７のような構成のスイッチング電源装置は、周囲温度で出力電圧Ｖｏが変動する特性を持つことになる。一般に、スイッチング電源装置は、周囲温度が変化しても出力電圧Ｖｏが一定であることが求められることから、周囲温度の変化で、出力電圧Ｖｏが変化してしまうことは好ましくないものである。
【００１６】
特に、この問題は、低電圧・大電流出力のスイッチング電源で顕著になる。例えば、出力電圧が１Ｖで大電流出力のスイッチング電源では、出力チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainは１ターンで設計されることが多い。これは、低電圧出力であるため、インダクタンスが小さくても良いから巻数を減らせることと、巻数を減らすことで、電流が流れる経路を短くすることができるため抵抗成分を減少させることが可能となり、損失を低減することができるためである。
【００１７】
仮に、このスイッチング電源の出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubを１ターンとすると、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶFが変化した分だけ、出力電圧Ｖｏが変化するスイッチング電源となってしまう。もし、ダイオードＤ１にＰＮ接合のダイオードを用いたとすると、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶFは、周囲温度が−４０℃では約０．８Ｖ、２０℃では約０．６Ｖ、８０℃では約０．４Ｖとなると予測され、高温から低温で約０．４Ｖの温度変動を持つ。従って、−４０℃から８０℃では１Ｖ出力のうち、０．４Ｖも出力電圧が変動するスイッチング電源となってしまう。
【００１８】
そこで、このスイッチング電源の出力電圧変動を小さくするためには、式（５）から、出力チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainに対してサブ巻線Ｎsubの巻数を大きくすることで改善できる。もし、スイッチング電源装置の出力電圧変動を０．１％以下にしたいとすると、式（６）のようになる。
【数６】
【００１９】
出力電圧変動を０．１％以下にしたいとすると、出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubは４００ターンも必要となり、出力チョークコイルの巻線スペースを多く占拠し、その分だけ、メイン巻線Ｎmainのスペースが削られ、メイン巻線Ｎmainの抵抗成分の増加につながる。抵抗成分の増加は、スイッチング電源の損失の増加につながり、スイッチング電源の効率を低下させることになる。
【００２０】
また、近年のスイッチング電源では、プリント基板上にトランスや出力チョークコイルのコイルパターンを形成して、制御回路と一体化することで小型化・高性能化を実現する構造が用いられることがあるが、プリント基板上のコイルパターンでサブ巻線Ｎsubを４００ターンも設けることは不可能であり、従来例の回路では、このスイッチング電源は現実的には作れないことになる。
【００２１】
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、簡単な構成で小型化が容易であり、高効率で高精度のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
この発明は、１次巻線と２次巻線を有したトランスと、前記トランスの１次巻線に接続された入力電源と、前記１次巻線に印加される前記入力電源電圧をオン／オフするメインスイッチング素子と、前記トランスの２次巻線に接続され、前記２次巻線の出力電力の同期整流を行う整流回路と、この整流回路の出力を平滑するチョークコイルとコンデンサから成る平滑回路と、前記平滑回路の出力電圧がフィードバックされ前記出力電圧を所定の電圧に制御するためのフィードバック制御回路と、前記フィードバック制御回路の出力により前記メインスイッチング素子をオン／オフするメインスイッチング素子駆動回路と、前記メインスイッチング素子駆動回路の出力信号に同期して動作する同期整流素子駆動回路と、この同期整流素子駆動回路によりオン／オフする同期整流素子を備え、前記メインスイッチング素子駆動回路の出力により前記メインスイッチング素子の駆動パルス幅を制御することによって、前記平滑回路の出力電圧が所定の電圧になるように制御するスイッチング電源装置であって、前記平滑回路のチョークコイルには、メイン巻線とサブ巻線が設けられ、前記サブ巻線にサブスイッチング素子とコンデンサを接続し、前記メインスイッチング素子のオフ期間に、前記サブ巻線に接続された前記サブスイッチング素子をオンさせて、前記サブ巻線に発生する前記チョークコイルの誘起電圧を電圧信号として取り出し、前記電圧信号を前記フィードバック制御回路に入力することにより、前記出力電圧を所定の電圧に制御するスイッチング電源装置である。
【００２３】
前記サブスイッチング素子は、前記メインスイッチング素子がオフしてから所定の第１のデットタイムの後オンし、前記サブスイッチング素子がオフした後、所定の第２のデットタイムを経て前記メインスイッチング素子がオンするように制御されるものである。
【００２４】
前記メインスイッチング素子がオフしてから前記サブスイッチング素子がオンするまでの前記第１のデットタイムは、前記メインスイッチング素子がオフしてから前記同期整流素子がオンし、その後、前記サブスイッチング素子がオンするまでの期間に設定されており、前記サブスイッチング素子がオフしてから前記メインスイッチング素子がオンするまでの前記第２のデットタイムは、前記サブスイッチング素子がオフしてから前期同期整流素子がオフし、その後、メインスイッチング素子がオンするまでの期間に設定されている。
【００２５】
また、前記同期整流素子及び前記サブスイッチング素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴであり、前記同期整流素子の寄生ダイオードの順方向に発生し得る電圧に、前記チョークコイルのメイン巻線とサブ巻線の巻数比を掛けた値が、前記サブスイッチング素子の寄生ダイオードの順方向電圧以下となるように、前記巻数比を選定したものである。
【００２６】
その他、前記サブ巻線に発生する前記チョークコイルの誘起電圧を電圧信号として取り出し、前記電圧信号をスイッチング電源保護回路に入力することで、スイッチング電源の異常動作の検出に用いるようにしても良い。また、前記チョークコイルは、プリント基板上にコイルパターンが形成されて成るものである。
【発明の効果】
【００２７】
この発明は、出力チョークコイルのサブ巻線を利用して、出力電圧のフィードバック制御を行い、出力チョークコイル誘起電圧検出回路に、従来例のダイオードに代えてＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子を用いて、本願発明の制御を行うことにより、容易に電源装置を小型化高性能化することができ、高効率で高精度のスイッチング電源装置を提供することができる。さらに、スイッチング電源装置の負荷電流急変時の出力電圧低下に対するスイッチング電源装置のフィードバック回路の応答性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の第一実施形態のスイッチング電源装置を示すもので、図７に示す回路と同様の部材は同一符号を付して説明する。このスイッチング電源装置は、直流入力電源１０の出力端子間にトランスＴ１の１次巻線Ｎ１と、ＭＯＳ−ＦＥＴ等のメインスイッチング素子ＴＲ１が直列に接続され、メインスイッチング素子ＴＲ１の制御端子には、フィードバック制御回路１２の出力により出力パルス幅を制御するメインスイッチング素子駆動回路２４の出力が接続されている。メインスイッチング素子駆動回路２４には、後述するサブスイッチング素子駆動回路２６も設けられている。
【００２９】
トランスＴ１の２次巻線Ｎ２には、直列に接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ等の同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３を備え、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３のゲートには、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３を相補的にオン／オフする同期整流素子駆動回路１６の出力が接続されている。同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３と同期整流素子駆動回路１６により、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２による出力を同期整流する同期整流回路１８を構成している。同期整流素子ＴＲ３のドレイン−ソース間には、出力コンデンサＣｏと出力チョークコイルＬｏから構成される平滑回路２０が接続され、出力コンデンサＣｏの両端に負荷２２が接続されている。
【００３０】
出力チョークコイルＬｏには、メイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubが設けられ、メイン巻線Ｎmainのドットのある側が同期整流素子ＴＲ２を介して２次巻線Ｎ２のドットのない側の端子に接続され、メイン巻線Ｎmainのドットのない側は負荷２２に接続されている。また、サブ巻線Ｎsubは、サブスイッチング素子Ｑ１に接続されている。サブスイッチング素子Ｑ１は、図７に示す従来例のダイオードＤ１の代わりに設置されたもので、コンデンサＣ１とともに出力チョークコイル誘起電圧検出回路２５を形成している。コンデンサＣ１は、サブスイッチング素子Ｑ１を介してサブ巻線Ｎsubの両端間に接続され、コンデンサＣ１の一端がフィードバック制御回路１２内の誤差アンプ１３の反転入力端子に接続され、他端が接地している。
【００３１】
サブスイッチング素子Ｑ１には、メインスイッチング素子駆動回路２４内に設けられたサブスイッチング素子駆動回路２６の出力が接続されている。出力チョークコイル誘起電圧検出回路２５は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフの期間に、サブスイッチング素子Ｑ１がオンして、出力チョークコイルＬｏに発生する誘起電圧をコンデンサＣ１に蓄えるものである。コンデンサＣ１の電圧は、フィードバック制御回路１２内の誤差アンプ１３の反転入力端子に接続され、誤差アンプ１３の非反転入力端子には、基準電圧Ｖrefが接続されている。
【００３２】
この実施形態のスイッチング電源装置の動作は、メインスイッチング素子駆動回路２４がメインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を制御することにより、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏの制御を行なう。メインスイッチング素子駆動回路２４は、フィードバック制御回路１２が、出力チョークコイル誘起電圧検出回路２５のコンデンサＣ１の電圧ＶC1と基準電圧Ｖrefが等しくなるように、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を決定する。
【００３３】
この実施形態のスイッチング電源装置は、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３が理想的に動作し、サブスイッチング素子Ｑ１も理想的な動作をしたとすると、図２に示すタイミングチャートのように動作する。メインスイッチング素子ＴＲ１がオンのときに、同期整流素子ＴＲ２がオンし、同期整流素子ＴＲ３はオフしている。そして、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフすると同時に、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３はオン／オフが反転する。
【００３４】
また、サブスイッチング素子駆動回路２６は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフの時にサブスイッチング素子Ｑ１をオンする制御を行い、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンのときにサブスイッチング素子Ｑ１がオフするように制御する。
【００３５】
この実施形態のスイッチング電源装置によれば、出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubを利用して、出力電圧のフィードバック制御を正確に行うことができ、従来のダイオードによる電圧低下がなく、温度による変動も生じないものである。さらに、低電圧で大電流のスイッチング電源装置においても、高効率の電源装置を提供することができる。
【００３６】
次に、この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置について図３〜図５を基にして説明する。ここで上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態では、実際の同期整流回路１８内の同期整流素子駆動回路１６が、同期整流素子ＴＲ３をオンさせるのに時間遅れを持つことを考慮した構成及び動作としたものである。この実施形態の出力チョークコイル誘起電圧検出回路２５は、NチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴのサブスイッチング素子Ｑ１のドレインをサブ巻線Ｎsubのドットのない側の端子に接続し、ソースをコンデンサＣ１の接地端子に接続している。
【００３７】
この実施形態のスイッチング電源素子の動作は、図４に示すように、同期整流素子ＴＲ３の駆動がメインスイッチング素子ＴＲ１の動作に対して、デッドタイムを持って動作する。この動作により、スイッチング電源装置の出力電圧精度に影響を及ぼすので、これを避けた動作としている。このスイッチング電源の出力電圧精度に影響を及ぼすのは同期整流素子ＴＲ３の動作であり、同期整流素子ＴＲ３は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフしてから、同期整流素子ＴＲ３がオンするまでに若干の時間遅れ（期間Ａ）を持つ。これは、実際の同期整流素子駆動回路１６は、同期整流素子ＴＲ３をオンさせるのに時間遅れを持つためである。
【００３８】
また、実際の同期整流回路１８は、同期整流素子ＴＲ３がオフしてから、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンするまでに若干の時間遅れ（期間Ｃ）を持つように制御が行なわれる。これは、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンしたときに、同期整流素子ＴＲ３がオンしている状態にあると、入力電源１０の両端がメインスイッチング素子ＴＲ１、トランスＴ１、同期整流素子ＴＲ３を介して短絡された状態となるため、大きな損失を発生する。そこで、メインスイッチング素子ＴＲ１と同期整流素子ＴＲ３が確実に同時オンしないようにするために、若干の時間遅れを持つように制御が行なわれるものである。
【００３９】
期間Ａおよび期間Cでは、メインスイッチング素子ＴＲ１と同期整流素子ＴＲ３が同時にオフしている期間である。このとき、出力チョークコイルＬｏには、誘起電圧が発生し、図５（ａ）に示すように、同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードＤb3が導通している状態となる。この期間では、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧は、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏに同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードＤb3の順方向電圧ＶF3を足した電圧となる。
【００４０】
同期整流素子ＴＲ３がオンしている期間Ｂでは、図５（ｂ）に示すように、同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードＤb3に電流が流れないため、順方向電圧ＶF3は発生しない。従って、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧は、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏとなる。
【００４１】
従って、図３に示す電源回路において、サブスイッチング素子Ｑ１を、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフすると同時にオンし、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンすると同時にサブスイッチング素子Ｑ１をオフする制御を行なうと、期間Ａおよび期間Ｃの出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動がそのままコンデンサＣ１に現れる。一方、スイッチング素子駆動回路２４は、コンデンサＣ１の電圧が基準電圧Ｖrefと同じになるように、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を制御する。コンデンサＣ１に、期間Ａおよび期間Ｃの出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動がそのまま現れたとすると、期間Ａおよび期間Ｃの影響を受けない場合に比べて、コンデンサＣ１の平均電圧が上昇することになる。従って、スイッチング素子駆動回路２４は、期間Ａおよび期間Ｃの影響分だけ、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏが低くなるように、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を制御する。期間Ａおよび期間Ｃは、短い時間であるため、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏが極端に低くなるような制御が行なわれることはないが、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏの精度が悪化する原因となる。
【００４２】
そこで、この実施形態の電源装置では、図４のように、出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubに接続されたサブスイッチング素子Ｑ１は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフしてから、期間Ａより僅かに長いデットタイムＴ１を持ってオンし、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンする前であって期間Ｃより僅かに早いタイミングでサブスイッチング素子Ｑ１がオフするように制御されたデットタイムＴ２を持ってメインスイッチング素子ＴＲ１がオンする。
【００４３】
この制御を行なうことにより、期間Ａおよび期間Ｃの影響をなくし、出力電圧Ｖｏの制御精度を高いものにすることができる。なお、サブスイッチング素子Ｑ１は、オフ状態のときは、その寄生ダイオードＤbq1のみが導通できる状態となっているため、期間Ａおよび期間Ｃの出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動は、サブスイッチング素子Ｑ１の寄生ダイオードＤbq1の順方向電圧を超えた場合のみ、コンデンサＣ１に影響を与える。これについては、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動は、同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードDb3の順方向電圧ＶF3に出力チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubの巻数比を掛けた値となるため、同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードＤb3の順方向に発生し得る電圧に、チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubの巻数比を掛けた値が、サブスイッチング素子Ｑ１の寄生ダイオードＤbq1の順方向電圧以下となるように巻数比を選定すれば、期間Ａおよび期間Ｃの出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動は、コンデンサＣ１に全く影響を及ぼさない。
【００４４】
また、従来例のように、ダイオードＤ１を用いて出力チョークコイルＬｏの誘起電圧を検出すると、スイッチング電源装置の負荷電流急変時にスイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが低下しても、コンデンサＣ１の電圧が即座には低下しない。これは、ダイオードＤ１は、カソードからアノードに電流を流すことができないためである。従って、従来の回路では、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが低下すると、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧が低下するが、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが低下する前の出力チョークコイルＬｏの誘起電圧がコンデンサＣ１に蓄えられているため、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の低下を瞬時に反映できない。つまり、従来例の回路では、スイッチング素子駆動回路内のフィードバック制御回路が、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏの低下を瞬時に検出することができないものであった。
【００４５】
これに対して、この実施形態の電源装置では、負荷電流の急変にも瞬時に追従可能な電源装置を形成することができる。即ち、この実施形態の電源装置では、ダイオードＤ１をサブスイッチング素子Ｑ１に換えてＭＯＳ−ＦＥＴとすることにより、ＭＯＳ−ＦＥＴがオン期間中は、ドレインからソース、ソースからドレインへと双方向に電流を流すことができる。このため、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧が低下すると、コンデンサＣ１の電圧が瞬時に低下し、スイッチング素子駆動回路内のフィードバック制御回路が、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏの低下を瞬時に検出することが可能となり、負荷電流急変時の出力電圧低下に対するフィードバック制御回路の応答性を向上させることができる。
【００４６】
また、この発明の電源装置の回路は、プリント基板上にトランスや出力チョークコイルのコイルパターンを形成して、制御回路と一体化することで小型化・高性能化を実現した構成のスイッチング電源について特に有効であり、少ない出力チョークコイルのサブ巻線の巻数で、スイッチング電源の出力電圧を高精度に制御することが可能となる。
【００４７】
なお、この実施形態のサブスイッチング素子Ｑ１は、図６のようにＰチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴを用いた回路で構成しても良い。この実施形態でも上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
上記の実施例では、出力チョークコイルに発生する誘起電圧をサブスイッチング素子Ｑ１およびコンデンサＣ１を介して、フィードバック制御回路に入力し、スイッチング電源装置の出力電圧の安定化制御に用いた例のみを示したが、コンデンサＣ１の電圧をスイッチング電源保護回路に入力してスイッチング電源装置の異常動作を検出し、過電圧保護回路や不足電圧保護回路等のスイッチング電源装置の保護回路の制御に用いることも可能である。
【００４９】
また、上記の実施形態での回路は、シングルフォワードコンバータによるものであるが、プッシュプルコンバータ、フルブリッジコンバータ、ハーフブリッジコンバータ等の出力チョークコイルと同期整流回路を備える何れのコンバータ回路においても同様の効果が得られる。また、同期整流回路は、カレントダブラー同期整流回路を用いた場合でも同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の第一実施形態のスイッチング電源装置の概略ブロック図である。
【図２】この発明の第一実施形態のスイッチング電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置の概略回路図である。
【図４】この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置の出力チョークコイルの発生電圧を示す概略回路図である。
【図６】この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置の変形例の概略回路図である。
【図７】従来のスイッチング電源装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 直流入力電源
１２ フィードバック制御回路
１６ 同期整流素子駆動回路
１８ 同期整流回路
２０ 平滑回路
２２ 負荷
２４ フィードバック制御回路
２５ 出力チョークコイル誘起電圧検出回路
２６ サブスイッチング素子駆動回路
ＴＲ１ メインスイッチング素子
ＴＲ２，ＴＲ３ 同期整流素子
Ｑ１ サブスイッチング素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧を所望の電圧に変換し電子機器に供給するためのスイッチング電源装置に関するもので、特に、フィードバック制御回路を備えたスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１〜３に開示されているように、フォワード型コンバータの出力チョークコイルにメイン巻線と結合するようにサブ巻線を設け、出力チョークコイルに発生する誘起電圧を、サブ巻線からダイオードを介して電圧信号として取り出し、この電圧信号をフィードバック制御回路に入力して出力電圧制御を行なうスイッチング電源装置が提案されていた。各特許文献に開示された電源回路は、出力チョークコイルを含む整流平滑回路の整流素子としてダイオードを用いた例が開示されている。
【０００３】
一方、低電圧出力のスイッチング電源を高効率化するために、近年、整流回路として同期整流回路が一般的に用いられるようになっている。従って、各特許文献に開示された従来例の電源回路において、スイッチング電源の高効率化のために、整流回路に同期整流回路を適用することは容易に推測できる。
【０００４】
そこで、同期整流回路を備えたスイッチング電源回路に、上記従来の出力チョークコイルに発生する誘起電圧を検知することでフィードバック制御を行なう電源装置の回路について、図７を基にして説明する。図７に示すスイッチング電源装置は、直流入力電源１０の出力端子間にトランスＴ１の１次巻線Ｎ１と、メインスイッチング素子ＴＲ１が直列に接続され、メインスイッチング素子ＴＲ１の制御端子には、フィードバック制御回路１２の出力により出力パルス幅を制御するメインスイッチング素子駆動回路１４の出力が接続されている。
【０００５】
トランスＴ１の２次巻線Ｎ２には、直列に接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ等の同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３を備え、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３のゲートには同期整流素子駆動回路１６の出力が接続されている。同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３と同期整流素子駆動回路１６により同期整流回路１８を構成している。同期整流素子ＴＲ３のドレイン−ソース間には、出力コンデンサＣｏと出力チョークコイルＬｏから構成される平滑回路２０が接続され、出力コンデンサＣｏの両端に負荷２２が接続されている。
【０００６】
出力チョークコイルＬｏには、メイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubが設けられ、ここに、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１から構成される出力チョークコイル誘起電圧検出回路１５が接続されている。コンデンサＣ１は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフの期間に出力チョークコイルＬｏに発生する誘起電圧を取り出して蓄えるもので、コンデンサＣ１の電圧は、フィードバック制御回路１２の誤差アンプ１３の反転入力端子に接続されている。誤差アンプ１３の非反転入力端子には、基準電圧Ｖrefが入力している。
【０００７】
このスイッチング電源装置は、メインスイッチング素子駆動回路１４が、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を制御することにより、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏの制御を行なう。メインスイッチング素子駆動回路１４は、フィードバック制御回路１２がコンデンサＣ１の電圧ＶC1と基準電圧Ｖrefが等しくなるように、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を決定する。
【特許文献１】特開平６−２８４７１４号公報
【特許文献２】特開２００３−３３０２４号公報
【特許文献３】特開２００３−３３０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記従来例に同期整流回路を組み合わせると、出力電圧制御に問題が生じ、スイッチング電源としての特性が悪化する。即ち、図７のスイッチング電源装置は、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦの温度特性の影響がスイッチング電源装置の出力電圧に現れるため、周囲温度の影響を受けて、出力電圧Ｖｏが変化する特性のスイッチング電源装置になってしまうと言った問題がある。図７のスイッチング電源装置が周囲温度の影響を受けて、出力電圧Ｖｏが変化する特性について、以下で説明する。
【０００９】
出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubに発生する誘起電圧Ｖflsubは、出力チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubの巻数比とスイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏから、式（１）のように表される。
【数１】
【００１０】
出力チョークコイル誘起電圧検出回路１５のコンデンサＣ１は、出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubに発生する誘起電圧Ｖflsubを、ダイオードＤ１を介して蓄える。ダイオードＤ１は順方向電圧ＶFの電圧降下を発生させるため、コンデンサＣ１の電圧ＶC1は、式（２）で表される。
【数２】
【００１１】
このスイッチング電源装置は、出力チョークコイル誘起電圧検出回路１５のコンデンサＣ１の電圧ＶC1の電圧を基準電圧Ｖrefと同じになるように制御を行なっているため、式（３）が成り立つ。
【数３】
【００１２】
式（３）を変形すると式（４）が得られる。
【数４】
【００１３】
基準電圧Ｖrefは、通常、一定値であることから、式（５）が得られる。
【数５】
【００１４】
式（５）から、出力電圧Ｖｏは、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶFの影響を受けて変化することがわかる。
【００１５】
ここで、出力チョークコイル誘起電圧検出回路１５のダイオードＤ１は、ＰＮ接合のダイオードやショットキーバリアダイオードが用いられるが、これらのダイオードは、周囲温度が高いと順方向電圧ＶFが低くなり、周囲温度が低いと順方向電圧ＶFが高くなるように変化する。従って、図７のような構成のスイッチング電源装置は、周囲温度で出力電圧Ｖｏが変動する特性を持つことになる。一般に、スイッチング電源装置は、周囲温度が変化しても出力電圧Ｖｏが一定であることが求められることから、周囲温度の変化で、出力電圧Ｖｏが変化してしまうことは好ましくないものである。
【００１６】
特に、この問題は、低電圧・大電流出力のスイッチング電源で顕著になる。例えば、出力電圧が１Ｖで大電流出力のスイッチング電源では、出力チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainは１ターンで設計されることが多い。これは、低電圧出力であるため、インダクタンスが小さくても良いから巻数を減らせることと、巻数を減らすことで、電流が流れる経路を短くすることができるため抵抗成分を減少させることが可能となり、損失を低減することができるためである。
【００１７】
仮に、このスイッチング電源の出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubを１ターンとすると、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶFが変化した分だけ、出力電圧Ｖｏが変化するスイッチング電源となってしまう。もし、ダイオードＤ１にＰＮ接合のダイオードを用いたとすると、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶFは、周囲温度が−４０℃では約０．８Ｖ、２０℃では約０．６Ｖ、８０℃では約０．４Ｖとなると予測され、高温から低温で約０．４Ｖの温度変動を持つ。従って、−４０℃から８０℃では１Ｖ出力のうち、０．４Ｖも出力電圧が変動するスイッチング電源となってしまう。
【００１８】
そこで、このスイッチング電源の出力電圧変動を小さくするためには、式（５）から、出力チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainに対してサブ巻線Ｎsubの巻数を大きくすることで改善できる。もし、スイッチング電源装置の出力電圧変動を０．１％以下にしたいとすると、式（６）のようになる。
【数６】
【００１９】
出力電圧変動を０．１％以下にしたいとすると、出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubは４００ターンも必要となり、出力チョークコイルの巻線スペースを多く占拠し、その分だけ、メイン巻線Ｎmainのスペースが削られ、メイン巻線Ｎmainの抵抗成分の増加につながる。抵抗成分の増加は、スイッチング電源の損失の増加につながり、スイッチング電源の効率を低下させることになる。
【００２０】
また、近年のスイッチング電源では、プリント基板上にトランスや出力チョークコイルのコイルパターンを形成して、制御回路と一体化することで小型化・高性能化を実現する構造が用いられることがあるが、プリント基板上のコイルパターンでサブ巻線Ｎsubを４００ターンも設けることは不可能であり、従来例の回路では、このスイッチング電源は現実的には作れないことになる。
【００２１】
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、簡単な構成で小型化が容易であり、高効率で高精度のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
この発明は、１次巻線と２次巻線を有したトランスと、前記トランスの１次巻線に接続された入力電源と、前記１次巻線に印加される前記入力電源電圧をオン／オフするメインスイッチング素子と、前記トランスの２次巻線に接続され、前記２次巻線の出力電力の同期整流を行う整流回路と、この整流回路の出力を平滑するチョークコイルとコンデンサから成る平滑回路と、前記平滑回路の出力電圧がフィードバックされ前記出力電圧を所定の電圧に制御するためのフィードバック制御回路と、前記フィードバック制御回路の出力により前記メインスイッチング素子をオン／オフするメインスイッチング素子駆動回路と、前記メインスイッチング素子駆動回路の出力信号に同期して動作する同期整流素子駆動回路と、この同期整流素子駆動回路によりオン／オフする同期整流素子を備え、前記メインスイッチング素子駆動回路の出力により前記メインスイッチング素子の駆動パルス幅を制御することによって、前記平滑回路の出力電圧が所定の電圧になるように制御するスイッチング電源装置であって、前記平滑回路のチョークコイルには、メイン巻線とサブ巻線が設けられ、前記サブ巻線にサブスイッチング素子とコンデンサを接続し、前記メインスイッチング素子のオフ期間に、前記サブ巻線に接続された前記サブスイッチング素子をオンさせて、前記サブ巻線に発生する前記チョークコイルの誘起電圧を電圧信号として取り出し、前記電圧信号を前記フィードバック制御回路に入力することにより、前記出力電圧を所定の電圧に制御するスイッチング電源装置である。
【００２３】
前記サブスイッチング素子は、前記メインスイッチング素子がオフしてから所定の第１のデットタイムの後オンし、前記サブスイッチング素子がオフした後、所定の第２のデットタイムを経て前記メインスイッチング素子がオンするように制御されるものである。
【００２４】
前記メインスイッチング素子がオフしてから前記サブスイッチング素子がオンするまでの前記第１のデットタイムは、前記メインスイッチング素子がオフしてから前記同期整流素子がオンし、その後、前記サブスイッチング素子がオンするまでの期間に設定されており、前記サブスイッチング素子がオフしてから前記メインスイッチング素子がオンするまでの前記第２のデットタイムは、前記サブスイッチング素子がオフしてから前期同期整流素子がオフし、その後、メインスイッチング素子がオンするまでの期間に設定されている。
【００２５】
また、前記同期整流素子及び前記サブスイッチング素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴであり、前記同期整流素子の寄生ダイオードの順方向に発生し得る電圧に、前記チョークコイルのメイン巻線とサブ巻線の巻数比を掛けた値が、前記サブスイッチング素子の寄生ダイオードの順方向電圧以下となるように、前記巻数比を選定したものである。
【００２６】
その他、前記サブ巻線に発生する前記チョークコイルの誘起電圧を電圧信号として取り出し、前記電圧信号をスイッチング電源保護回路に入力することで、スイッチング電源の異常動作の検出に用いるようにしても良い。また、前記チョークコイルは、プリント基板上にコイルパターンが形成されて成るものである。
【発明の効果】
【００２７】
この発明は、出力チョークコイルのサブ巻線を利用して、出力電圧のフィードバック制御を行い、出力チョークコイル誘起電圧検出回路に、従来例のダイオードに代えてＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子を用いて、本願発明の制御を行うことにより、容易に電源装置を小型化高性能化することができ、高効率で高精度のスイッチング電源装置を提供することができる。さらに、スイッチング電源装置の負荷電流急変時の出力電圧低下に対するスイッチング電源装置のフィードバック回路の応答性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の第一実施形態のスイッチング電源装置を示すもので、図７に示す回路と同様の部材は同一符号を付して説明する。このスイッチング電源装置は、直流入力電源１０の出力端子間にトランスＴ１の１次巻線Ｎ１と、ＭＯＳ−ＦＥＴ等のメインスイッチング素子ＴＲ１が直列に接続され、メインスイッチング素子ＴＲ１の制御端子には、フィードバック制御回路１２の出力により出力パルス幅を制御するメインスイッチング素子駆動回路２４の出力が接続されている。メインスイッチング素子駆動回路２４には、後述するサブスイッチング素子駆動回路２６も設けられている。
【００２９】
トランスＴ１の２次巻線Ｎ２には、直列に接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ等の同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３を備え、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３のゲートには、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３を相補的にオン／オフする同期整流素子駆動回路１６の出力が接続されている。同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３と同期整流素子駆動回路１６により、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２による出力を同期整流する同期整流回路１８を構成している。同期整流素子ＴＲ３のドレイン−ソース間には、出力コンデンサＣｏと出力チョークコイルＬｏから構成される平滑回路２０が接続され、出力コンデンサＣｏの両端に負荷２２が接続されている。
【００３０】
出力チョークコイルＬｏには、メイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubが設けられ、メイン巻線Ｎmainのドットのある側が同期整流素子ＴＲ２を介して２次巻線Ｎ２のドットのない側の端子に接続され、メイン巻線Ｎmainのドットのない側は負荷２２に接続されている。また、サブ巻線Ｎsubは、サブスイッチング素子Ｑ１に接続されている。サブスイッチング素子Ｑ１は、図７に示す従来例のダイオードＤ１の代わりに設置されたもので、コンデンサＣ１とともに出力チョークコイル誘起電圧検出回路２５を形成している。コンデンサＣ１は、サブスイッチング素子Ｑ１を介してサブ巻線Ｎsubの両端間に接続され、コンデンサＣ１の一端がフィードバック制御回路１２内の誤差アンプ１３の反転入力端子に接続され、他端が接地している。
【００３１】
サブスイッチング素子Ｑ１には、メインスイッチング素子駆動回路２４内に設けられたサブスイッチング素子駆動回路２６の出力が接続されている。出力チョークコイル誘起電圧検出回路２５は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフの期間に、サブスイッチング素子Ｑ１がオンして、出力チョークコイルＬｏに発生する誘起電圧をコンデンサＣ１に蓄えるものである。コンデンサＣ１の電圧は、フィードバック制御回路１２内の誤差アンプ１３の反転入力端子に接続され、誤差アンプ１３の非反転入力端子には、基準電圧Ｖrefが接続されている。
【００３２】
この実施形態のスイッチング電源装置の動作は、メインスイッチング素子駆動回路２４がメインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を制御することにより、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏの制御を行なう。メインスイッチング素子駆動回路２４は、フィードバック制御回路１２が、出力チョークコイル誘起電圧検出回路２５のコンデンサＣ１の電圧ＶC1と基準電圧Ｖrefが等しくなるように、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を決定する。
【００３３】
この実施形態のスイッチング電源装置は、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３が理想的に動作し、サブスイッチング素子Ｑ１も理想的な動作をしたとすると、図２に示すタイミングチャートのように動作する。メインスイッチング素子ＴＲ１がオンのときに、同期整流素子ＴＲ２がオンし、同期整流素子ＴＲ３はオフしている。そして、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフすると同時に、同期整流素子ＴＲ２、ＴＲ３はオン／オフが反転する。
【００３４】
また、サブスイッチング素子駆動回路２６は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフの時にサブスイッチング素子Ｑ１をオンする制御を行い、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンのときにサブスイッチング素子Ｑ１がオフするように制御する。
【００３５】
この実施形態のスイッチング電源装置によれば、出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubを利用して、出力電圧のフィードバック制御を正確に行うことができ、従来のダイオードによる電圧低下がなく、温度による変動も生じないものである。さらに、低電圧で大電流のスイッチング電源装置においても、高効率の電源装置を提供することができる。
【００３６】
次に、この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置について図３〜図５を基にして説明する。ここで上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態では、実際の同期整流回路１８内の同期整流素子駆動回路１６が、同期整流素子ＴＲ３をオンさせるのに時間遅れを持つことを考慮した構成及び動作としたものである。この実施形態の出力チョークコイル誘起電圧検出回路２５は、NチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴのサブスイッチング素子Ｑ１のドレインをサブ巻線Ｎsubのドットのない側の端子に接続し、ソースをコンデンサＣ１の接地端子に接続している。
【００３７】
この実施形態のスイッチング電源素子の動作は、図４に示すように、同期整流素子ＴＲ３の駆動がメインスイッチング素子ＴＲ１の動作に対して、デッドタイムを持って動作する。この動作により、スイッチング電源装置の出力電圧精度に影響を及ぼすので、これを避けた動作としている。このスイッチング電源の出力電圧精度に影響を及ぼすのは同期整流素子ＴＲ３の動作であり、同期整流素子ＴＲ３は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフしてから、同期整流素子ＴＲ３がオンするまでに若干の時間遅れ（期間Ａ）を持つ。これは、実際の同期整流素子駆動回路１６は、同期整流素子ＴＲ３をオンさせるのに時間遅れを持つためである。
【００３８】
また、実際の同期整流回路１８は、同期整流素子ＴＲ３がオフしてから、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンするまでに若干の時間遅れ（期間Ｃ）を持つように制御が行なわれる。これは、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンしたときに、同期整流素子ＴＲ３がオンしている状態にあると、入力電源１０の両端がメインスイッチング素子ＴＲ１、トランスＴ１、同期整流素子ＴＲ３を介して短絡された状態となるため、大きな損失を発生する。そこで、メインスイッチング素子ＴＲ１と同期整流素子ＴＲ３が確実に同時オンしないようにするために、若干の時間遅れを持つように制御が行なわれるものである。
【００３９】
期間Ａおよび期間Cでは、メインスイッチング素子ＴＲ１と同期整流素子ＴＲ３が同時にオフしている期間である。このとき、出力チョークコイルＬｏには、誘起電圧が発生し、図５（ａ）に示すように、同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードＤb3が導通している状態となる。この期間では、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧は、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏに同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードＤb3の順方向電圧ＶF3を足した電圧となる。
【００４０】
同期整流素子ＴＲ３がオンしている期間Ｂでは、図５（ｂ）に示すように、同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードＤb3に電流が流れないため、順方向電圧ＶF3は発生しない。従って、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧は、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏとなる。
【００４１】
従って、図３に示す電源回路において、サブスイッチング素子Ｑ１を、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフすると同時にオンし、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンすると同時にサブスイッチング素子Ｑ１をオフする制御を行なうと、期間Ａおよび期間Ｃの出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動がそのままコンデンサＣ１に現れる。一方、スイッチング素子駆動回路２４は、コンデンサＣ１の電圧が基準電圧Ｖrefと同じになるように、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を制御する。コンデンサＣ１に、期間Ａおよび期間Ｃの出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動がそのまま現れたとすると、期間Ａおよび期間Ｃの影響を受けない場合に比べて、コンデンサＣ１の平均電圧が上昇することになる。従って、スイッチング素子駆動回路２４は、期間Ａおよび期間Ｃの影響分だけ、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏが低くなるように、メインスイッチング素子ＴＲ１の駆動パルス幅を制御する。期間Ａおよび期間Ｃは、短い時間であるため、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏが極端に低くなるような制御が行なわれることはないが、スイッチング電源の出力電圧Ｖｏの精度が悪化する原因となる。
【００４２】
そこで、この実施形態の電源装置では、図４のように、出力チョークコイルＬｏのサブ巻線Ｎsubに接続されたサブスイッチング素子Ｑ１は、メインスイッチング素子ＴＲ１がオフしてから、期間Ａより僅かに長いデットタイムＴ１を持ってオンし、メインスイッチング素子ＴＲ１がオンする前であって期間Ｃより僅かに早いタイミングでサブスイッチング素子Ｑ１がオフするように制御されたデットタイムＴ２を持ってメインスイッチング素子ＴＲ１がオンする。
【００４３】
この制御を行なうことにより、期間Ａおよび期間Ｃの影響をなくし、出力電圧Ｖｏの制御精度を高いものにすることができる。なお、サブスイッチング素子Ｑ１は、オフ状態のときは、その寄生ダイオードＤbq1のみが導通できる状態となっているため、期間Ａおよび期間Ｃの出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動は、サブスイッチング素子Ｑ１の寄生ダイオードＤbq1の順方向電圧を超えた場合のみ、コンデンサＣ１に影響を与える。これについては、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動は、同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードDb3の順方向電圧ＶF3に出力チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubの巻数比を掛けた値となるため、同期整流素子ＴＲ３の寄生ダイオードＤb3の順方向に発生し得る電圧に、チョークコイルＬｏのメイン巻線Ｎmainとサブ巻線Ｎsubの巻数比を掛けた値が、サブスイッチング素子Ｑ１の寄生ダイオードＤbq1の順方向電圧以下となるように巻数比を選定すれば、期間Ａおよび期間Ｃの出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の変動は、コンデンサＣ１に全く影響を及ぼさない。
【００４４】
また、従来例のように、ダイオードＤ１を用いて出力チョークコイルＬｏの誘起電圧を検出すると、スイッチング電源装置の負荷電流急変時にスイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが低下しても、コンデンサＣ１の電圧が即座には低下しない。これは、ダイオードＤ１は、カソードからアノードに電流を流すことができないためである。従って、従来の回路では、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが低下すると、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧が低下するが、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが低下する前の出力チョークコイルＬｏの誘起電圧がコンデンサＣ１に蓄えられているため、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧の低下を瞬時に反映できない。つまり、従来例の回路では、スイッチング素子駆動回路内のフィードバック制御回路が、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏの低下を瞬時に検出することができないものであった。
【００４５】
これに対して、この実施形態の電源装置では、負荷電流の急変にも瞬時に追従可能な電源装置を形成することができる。即ち、この実施形態の電源装置では、ダイオードＤ１をサブスイッチング素子Ｑ１に換えてＭＯＳ−ＦＥＴとすることにより、ＭＯＳ−ＦＥＴがオン期間中は、ドレインからソース、ソースからドレインへと双方向に電流を流すことができる。このため、出力チョークコイルＬｏの誘起電圧が低下すると、コンデンサＣ１の電圧が瞬時に低下し、スイッチング素子駆動回路内のフィードバック制御回路が、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏの低下を瞬時に検出することが可能となり、負荷電流急変時の出力電圧低下に対するフィードバック制御回路の応答性を向上させることができる。
【００４６】
また、この発明の電源装置の回路は、プリント基板上にトランスや出力チョークコイルのコイルパターンを形成して、制御回路と一体化することで小型化・高性能化を実現した構成のスイッチング電源について特に有効であり、少ない出力チョークコイルのサブ巻線の巻数で、スイッチング電源の出力電圧を高精度に制御することが可能となる。
【００４７】
なお、この実施形態のサブスイッチング素子Ｑ１は、図６のようにＰチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴを用いた回路で構成しても良い。この実施形態でも上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
上記の実施例では、出力チョークコイルに発生する誘起電圧をサブスイッチング素子Ｑ１およびコンデンサＣ１を介して、フィードバック制御回路に入力し、スイッチング電源装置の出力電圧の安定化制御に用いた例のみを示したが、コンデンサＣ１の電圧をスイッチング電源保護回路に入力してスイッチング電源装置の異常動作を検出し、過電圧保護回路や不足電圧保護回路等のスイッチング電源装置の保護回路の制御に用いることも可能である。
【００４９】
また、上記の実施形態での回路は、シングルフォワードコンバータによるものであるが、プッシュプルコンバータ、フルブリッジコンバータ、ハーフブリッジコンバータ等の出力チョークコイルと同期整流回路を備える何れのコンバータ回路においても同様の効果が得られる。また、同期整流回路は、カレントダブラー同期整流回路を用いた場合でも同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】この発明の第一実施形態のスイッチング電源装置の概略ブロック図である。
【図２】この発明の第一実施形態のスイッチング電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置の概略回路図である。
【図４】この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置の出力チョークコイルの発生電圧を示す概略回路図である。
【図６】この発明の第二実施形態のスイッチング電源装置の変形例の概略回路図である。
【図７】従来のスイッチング電源装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 直流入力電源
１２ フィードバック制御回路
１６ 同期整流素子駆動回路
１８ 同期整流回路
２０ 平滑回路
２２ 負荷
２４ フィードバック制御回路
２５ 出力チョークコイル誘起電圧検出回路
２６ サブスイッチング素子駆動回路
ＴＲ１ メインスイッチング素子
ＴＲ２，ＴＲ３ 同期整流素子
Ｑ１ サブスイッチング素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線と２次巻線を有したトランスと、前記トランスの１次巻線に接続された入力電源と、前記１次巻線に印加される前記入力電源電圧をオン／オフするメインスイッチング素子と、前記トランスの２次巻線に接続され、前記２次巻線の出力電力の同期整流を行う整流回路と、この整流回路の出力を平滑するチョークコイルとコンデンサから成る平滑回路と、前記平滑回路の出力電圧がフィードバックされ前記出力電圧を所定の電圧に制御するためのフィードバック制御回路と、前記フィードバック制御回路の出力により前記メインスイッチング素子をオン／オフするメインスイッチング素子駆動回路と、前記メインスイッチング素子駆動回路の出力信号に同期して動作する同期整流素子駆動回路と、この同期整流素子駆動回路によりオン／オフする同期整流素子を備え、前記メインスイッチング素子駆動回路の出力により前記メインスイッチング素子の駆動パルス幅を制御することによって、前記平滑回路の出力電圧が所定の電圧になるように制御するスイッチング電源装置において、
前記平滑回路のチョークコイルには、メイン巻線とサブ巻線が設けられ、前記サブ巻線にサブスイッチング素子とコンデンサを接続し、前記メインスイッチング素子のオフ期間に、前記サブ巻線に接続された前記サブスイッチング素子をオンさせて、前記サブ巻線に発生する前記チョークコイルの誘起電圧を電圧信号として取り出し、前記電圧信号を前記フィードバック制御回路に入力することにより、前記出力電圧を所定の電圧に制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記サブスイッチング素子は、前記メインスイッチング素子がオフしてから所定の第１のデットタイムの後オンし、前記サブスイッチング素子がオフした後、所定の第２のデットタイムを経て前記メインスイッチング素子がオンするように制御されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記メインスイッチング素子がオフしてから前記サブスイッチング素子がオンするまでの前記第１のデットタイムは、前記メインスイッチング素子がオフしてから前記同期整流素子がオンし、その後、前記サブスイッチング素子がオンするまでの期間に設定され、前記サブスイッチング素子がオフしてから前記メインスイッチング素子がオンするまでの前記第２のデットタイムは、前記サブスイッチング素子がオフしてから前期同期整流素子がオフし、その後、メインスイッチング素子がオンするまでの期間に設定されていることを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記同期整流素子及び前記サブスイッチング素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴであり、前記同期整流素子の寄生ダイオードの順方向に発生し得る電圧に、前記チョークコイルのメイン巻線とサブ巻線の巻数比を掛けた値が、前記サブスイッチング素子の寄生ダイオードの順方向電圧以下となるように、前記巻数比を選定したことを特徴とする請求項１、２または３記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記サブ巻線に発生する前記チョークコイルの誘起電圧を電圧信号として取り出し、前記電圧信号をスイッチング電源保護回路に入力することで、スイッチング電源の異常動作の検出に用いることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記チョークコイルは、プリント基板上にコイルパターンが形成されて成ることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のスイッチング電源装置。
【請求項１】
１次巻線と２次巻線を有したトランスと、前記トランスの１次巻線に接続された入力電源と、前記１次巻線に印加される前記入力電源電圧をオン／オフするメインスイッチング素子と、前記トランスの２次巻線に接続され、前記２次巻線の出力電力の同期整流を行う整流回路と、この整流回路の出力を平滑するチョークコイルとコンデンサから成る平滑回路と、前記平滑回路の出力電圧がフィードバックされ前記出力電圧を所定の電圧に制御するためのフィードバック制御回路と、前記フィードバック制御回路の出力により前記メインスイッチング素子をオン／オフするメインスイッチング素子駆動回路と、前記メインスイッチング素子駆動回路の出力信号に同期して動作する同期整流素子駆動回路と、この同期整流素子駆動回路によりオン／オフする同期整流素子を備え、前記メインスイッチング素子駆動回路の出力により前記メインスイッチング素子の駆動パルス幅を制御することによって、前記平滑回路の出力電圧が所定の電圧になるように制御するスイッチング電源装置において、
前記平滑回路のチョークコイルには、メイン巻線とサブ巻線が設けられ、前記サブ巻線にサブスイッチング素子とコンデンサを接続し、前記メインスイッチング素子のオフ期間に、前記サブ巻線に接続された前記サブスイッチング素子をオンさせて、前記サブ巻線に発生する前記チョークコイルの誘起電圧を電圧信号として取り出し、前記電圧信号を前記フィードバック制御回路に入力することにより、前記出力電圧を所定の電圧に制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記サブスイッチング素子は、前記メインスイッチング素子がオフしてから所定の第１のデットタイムの後オンし、前記サブスイッチング素子がオフした後、所定の第２のデットタイムを経て前記メインスイッチング素子がオンするように制御されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記メインスイッチング素子がオフしてから前記サブスイッチング素子がオンするまでの前記第１のデットタイムは、前記メインスイッチング素子がオフしてから前記同期整流素子がオンし、その後、前記サブスイッチング素子がオンするまでの期間に設定され、前記サブスイッチング素子がオフしてから前記メインスイッチング素子がオンするまでの前記第２のデットタイムは、前記サブスイッチング素子がオフしてから前期同期整流素子がオフし、その後、メインスイッチング素子がオンするまでの期間に設定されていることを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記同期整流素子及び前記サブスイッチング素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴであり、前記同期整流素子の寄生ダイオードの順方向に発生し得る電圧に、前記チョークコイルのメイン巻線とサブ巻線の巻数比を掛けた値が、前記サブスイッチング素子の寄生ダイオードの順方向電圧以下となるように、前記巻数比を選定したことを特徴とする請求項１、２または３記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記サブ巻線に発生する前記チョークコイルの誘起電圧を電圧信号として取り出し、前記電圧信号をスイッチング電源保護回路に入力することで、スイッチング電源の異常動作の検出に用いることを特徴とする請求項１、２、３または４記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記チョークコイルは、プリント基板上にコイルパターンが形成されて成ることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載のスイッチング電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２７８６３９（Ｐ２００８−２７８６３９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１９５０４（Ｐ２００７−１１９５０４）
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（０００１０３２０８）コーセル株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（０００１０３２０８）コーセル株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]