(57)【要約】【課題】入力電圧を一旦落として再投入した場合にも制御用ＩＣが誤動作を起こすことがなくシステムが正常に起動することができる直流電源装置を提供する。【解決手段】補助巻線を有する電圧変換用のトランス（Ｔ１）と、該トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路（１２）と、補助巻線に誘起された交流を直流に変換する整流手段と平滑容量を有する整流回路（Ｄ３）とを備え、前記制御回路は前記整流回路で生成された電圧を電源電圧として動作可能に構成された直流電源装置において、トランスの一次側巻線の入力電圧（Ｖｉｎ）が所定の電位よりも低くなった場合に前記整流回路の平滑容量の電荷を引き抜いて前記制御回路に供給される電圧を降下させる電圧降下手段（Ｒ３，Ｒ４，Ｑ２）を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
補助巻線を有する電圧変換用のトランスと、該トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路と、前記補助巻線に誘起された交流を直流に変換する整流手段と平滑容量とを有する整流回路とを備え、前記制御回路は前記整流回路で生成された電圧を電源電圧として動作可能に構成された直流電源装置であって、
前記トランスの一次側巻線の入力電圧が所定の電位よりも低くなった場合に前記整流回路の平滑容量の電荷を引き抜いて前記制御回路に供給される電圧を降下させる電圧降下手段を備えることを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
前記電圧降下手段は、前記入力電圧が印加される端子と基準電位点との間に直列に接続された分圧用の抵抗と、前記整流手段と前記平滑容量との接続ノードと基準電位点との間に接続された３端子スイッチング素子とを有し、該３端子スイッチング素子の制御端子に前記分圧用の抵抗により分圧生成された電圧に依存した電圧が印加されていることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項３】
前記３端子スイッチング素子は、バイポーラ・トランジスタであり、該バイポーラ・トランジスタのベース端子に前記分圧用の抵抗により分圧生成された電圧が耐圧保護用素子を介して印加されていることを特徴とする請求項２に記載の直流電源装置。
【請求項４】
前記電圧降下手段は、前記入力電圧が印加される端子と基準電位点との間に直列に接続された分圧用の抵抗と、前記整流手段と前記平滑容量との接続ノードと前記分圧用の抵抗の接続ノードとの間に接続された２端子スイッチング素子とからなることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記トランスの一次側巻線に間歇的に電流を流すためのスイッチング素子と、該スイッチング素子をオン、オフ駆動するスイッチング制御回路とからなることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の直流電源装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子と前記スイッチング制御回路とが１つの半導体チップ上に半導体集積回路として形成されていることを特徴とする請求項５に記載の直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧変換用トランスを備えた絶縁型直流電源装置の起動安定化技術に関し、例えばＡＣアダプタのような電源装置に用いられる一次側制御回路に利用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＣアダプタは、交流電源を整流するダイオード・ブリッジ回路と、該回路で整流された直流電圧を降圧して所望の電位の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータなどで構成される。このＤＣ−ＤＣコンバータとしては、例えば電圧変換用トランスの一次側巻線に流れる電流をスイッチング制御することで二次側巻線に誘起される電圧を制御するようにしたスイッチング電源装置が用いられている。
【０００３】
ＡＣアダプタは、小型化および低コスト化が進められており、そのためには部品点数の削減が重要である。そこで、一次側巻線に電流を流すスイッチング・トランジスタを制御する制御用ＩＣが開発されている。従来のスイッチング制御用ＩＣは、二次巻線側の出力電圧を制御用ＩＣにフィードバックするためのフォトカプラや容量、抵抗などの外付け素子が比較的多かった。
【０００４】
そこで、電圧変換用トランスに補助巻線を設けて、該補助巻線に誘起された電圧に基づいて一次側巻線に電流を流すスイッチング・トランジスタを制御するようにした電源装置に関する発明が提案されている。このような発明として、例えば特許文献１や特許文献２に開示されているものなどがある。
【特許文献１】特開平５−１３０７７３号公報
【特許文献２】特開平８−１２６３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＡＣアダプタには、日本ではＡＣ１００Ｖ、海外では２００Ｖ程度のＡＣ電圧を、数１０Ｖあるいは１０Ｖ以下の直流電圧に変換する機能が必要とされる。前述のように一次側制御用ＩＣを有するＡＣアダプタにおいては、ＩＣの耐圧が入力電圧に比べてかなりに低い。そこで、特許文献１に開示されている発明では、一次側入力電圧を抵抗で降圧して制御用ＩＣに電源電圧として供給するようにしている。
【０００６】
しかしながら、一次側入力電圧を抵抗で降圧して一次側制御用ＩＣに電源電圧として供給するようにした場合、電圧が安定しないという不具合がある。そこで、図４に示すように、電圧変換用トランスＴ１に補助巻線Ｎｂを設けて、該補助巻線に誘起された交流をダイオードＤ３で直流に変換してコンデンサＣ３で平滑し、平滑された電圧Ｖｂを一次側制御用ＩＣ１２に電源電圧として供給して、一次側巻線に電流を流すスイッチング・トランジスタＱ１を制御するように電源装置を構成する。そして、起動時には抵抗Ｒ１で降圧した電圧を一次側制御用ＩＣに供給してスイッチング・トランジスタＱ１を動作させて一次側巻線Ｎｐに電流を流し、補助巻線Ｎｂに電圧が誘起された後は、入力電圧を使用せずに補助巻線に誘起された交流電圧を整流した直流電圧Ｖｂで一次側制御用ＩＣを動作させる技術について検討した。
【０００７】
その結果、ＡＣアダプタのプラグをコンセントより引き抜いて直ちに再投入すると、一次側制御用ＩＣが誤動作してシステムが正常に起動しない場合があることが明らかとなった。これは、ＡＣアダプタの一次側制御用ＩＣは、初期状態で入力電圧が０Ｖから立ち上がると正常に動作するように設計されているが、上記のように、プラグをコンセントより引き抜いて直ちに再投入すると、制御用ＩＣ内部のどこか（おそらく電源切替え部）のノードの電位が充分に下がる前に電圧が入ってくるため、電源電圧入力ノードが補助巻線の誘起電圧から一次側入力電圧に切り替わらないためであると考えられる。
【０００８】
この発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、入力電圧を一旦落として再投入した場合にも制御用ＩＣが誤動作を起こすことがなくシステムが正常に起動することができる直流電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、補助巻線を有する電圧変換用のトランスと、該トランスの一次側巻線の電流を制御する制御回路と、前記補助巻線に誘起された交流を直流に変換する整流手段と平滑容量とを有する整流回路とを備え、前記制御回路は前記整流回路で生成された電圧を電源電圧として動作可能に構成された直流電源装置において、前記トランスの一次側巻線の入力電圧が所定の電位よりも低くなった場合に前記整流回路の平滑容量の電荷を引き抜いて前記制御回路に供給される電圧を降下させる電圧降下手段を設けるようにしたものである。
【００１０】
上記した手段によれば、入力電圧が立ち下がると、電圧降下手段が整流回路の平滑容量の電荷を引き抜いて前記制御回路に供給される電圧を速やかに降下させるため、内部回路のノードの電位も立ち下がり、入力電圧が再度立ち上がる際に制御回路が誤動作するのを防止することができる。
【００１１】
ここで、望ましくは、前記電圧降下手段は、前記入力電圧が印加される端子と基準電位点との間に直列に接続された分圧用の抵抗と、前記整流手段と前記平滑容量との接続ノードと基準電位点との間に接続された３端子スイッチング素子とを有し、該３端子スイッチング素子の制御端子に前記分圧用の抵抗により分圧生成された電圧に依存した電圧が印加されるように構成する。これにより、入力電圧が一定以上下がると３端子スイッチング素子が導通して、整流回路の平滑容量の電荷を引き抜いて前記制御回路に供給される電圧を速やかに降下させることができるようになる。
【００１２】
さらに、望ましくは、前記３端子スイッチング素子は、バイポーラ・トランジスタであり、該バイポーラ・トランジスタのベース端子に前記分圧用の抵抗により分圧生成された電圧が耐圧保護用素子を介して印加されるように構成する。これにより、分圧用の抵抗に流れる電流を減らしつつ入力電圧が一定以上下がった場合に、整流回路の平滑容量の電荷を引き抜いて前記制御回路に供給される電圧を速やかに降下させることができる。
【００１３】
また、望ましくは、前記電圧降下手段は、前記入力電圧が印加される端子と基準電位点との間に直列に接続された分圧用の抵抗と、前記整流手段と前記平滑容量との接続ノードと前記分圧用の抵抗の接続ノードとの間に接続された２端子スイッチング素子とから構成する。これにより、少ない数の素子の追加で電圧降下手段を構成し、入力電圧が一定以上下がった場合に、整流回路の平滑容量の電荷を引き抜いて前記制御回路に供給される電圧を速やかに降下させることが可能となる。
【００１４】
さらに、望ましくは、前記制御回路は、前記トランスの一次側巻線に間歇的に電流を流すためのスイッチング素子と、該スイッチング素子をオン、オフ駆動するスイッチング制御回路とから構成する。これにより、スイッチング素子をＰＷＭ制御等で駆動することによって電圧変換効率を向上させることができる。
【００１５】
また、前記スイッチング素子と前記スイッチング制御回路とは１つの半導体チップ上に半導体集積回路として構成する望ましい。これにより、一次側回路の部品数を減らして装置を小型化することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に従うと、入力電圧を一旦落として再投入した場合にも制御用ＩＣが誤動作を起こすことがなくシステムが正常に起動することができる直流電源装置を実現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下では、本発明を適用して有効な直流電源装置の一例としてＡＣアダプタに適用した例を説明するが、本発明を適用可能な直流電源装置はこれに限定されるものではない。
＜実施形態１＞
図１は、本発明の第１の実施形態のＡＣアダプタを示す回路構成図である。
【００１８】
この実施形態のＡＣアダプタ１０は、交流電圧（ＡＣ）を整流し直流電圧に変換するダイオード・ブリッジ回路１１および平滑用コンデンサＣ１と、一次側コイルＮｐおよび補助コイルＮｂと二次側コイルＮｓとを有する電圧変換用のトランスＴ１と、このトランスＴ１の一次側コイルＮｐと直列に接続されたスイッチング・トランジスタＱ１と、該スイッチング・トランジスタＱ１を駆動するスイッチング制御回路１２を有する。この実施形態では、スイッチング制御回路１２は、単結晶シリコンのような１個の半導体チップ上に半導体集積回路（以下、制御用ＩＣと称する）として形成されている。
【００１９】
上記トランスＴ１の二次側には二次側コイルＮｓと直列に接続された整流用ダイオードＤ２と、このダイオードＤ２のカソード端子と二次側コイルＮｓの他方の端子との間に接続された平滑用コンデンサＣ２とが設けられ、一次側コイルＮｐに間歇的に電流を流すことで二次側コイルＮｓに誘起される交流電流を整流し平滑することによって一次側コイルＮｐと二次側コイルＮｓとの巻線比に応じた直流電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【００２０】
また、この実施形態のＡＣアダプタ１０は、一次側に、上記補助コイルＮｂと直列に接続された整流用ダイオードＤ３と、このダイオードＤ３のカソード端子と補助コイルＮｂの他方の端子との間に接続された平滑用コンデンサＣ３とを有し、平滑された電圧Ｖｂが上記制御用ＩＣ１２の所定の端子に印加されている。これとともに、抵抗Ｒ１を介して入力電圧Ｖｉｎが制御用ＩＣ１２の他の端子に印加されている。平滑用コンデンサＣ３は、１５０μＦ程度の容量値とされる。
【００２１】
制御用ＩＣ１２内には、図示しないが、上記補助コイル側の平滑電圧Ｖｂまたは入力電圧Ｖｉｎを電源電圧として内部回路に供給する電圧切替え回路が設けられている。電圧切替え回路は、電源投入直後の、まだ補助コイルＮｂが充分な電力を供給することができない初期段階では、内部回路が動作できるように入力電圧Ｖｉｎを電源電圧として供給し、制御用ＩＣ１２がスイッチング・トランジスタＱ１を動作させて一次側コイルに電流を流し、補助コイルＮｂに電圧が誘起された後は、入力電圧を使用せずに補助巻線Ｎｂに誘起された交流電圧を整流した電圧で制御用ＩＣ１２の内部回路を動作させるようになっている。
【００２２】
そして、制御用ＩＣ１２は、上記補助コイル側の平滑電圧Ｖｂをサンプリングして所定の参照電圧との電位差を増幅する誤差増幅回路や、所定の周波数の波形信号（三角波）を発生する発振器の出力と上記誤差増幅回路の出力とを比較するコンパレータなどを備え、例えばＰＷＭ方式で上記スイッチング・トランジスタＱ１をオン、オフ制御する制御パルスを生成し出力するように構成されている。
【００２３】
さらに、この実施形態のＡＣアダプタ１０には、上記ダイオードＤ３と平滑コンデンサＣ３との接続ノードＮ３にエミッタが接続され、コレクタが抵抗Ｒ２を介してグランドＧＮＤに接続されたｐｎｐバイポーラ・トランジスタＱ２と、ダイオード・ブリッジ１１の出力ノードＮ１とグランドＧＮＤとの間に直列に接続された分圧用の抵抗Ｒ３，Ｒ４が設けられている。また、この実施形態のＡＣアダプタ１０は、抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続ノードＮ２に、逆方向接続のダイオードＤ４を介して上記トランジスタＱ２のベース端子が接続されている。このダイオードＤ４は、トランジスタＱ２のベース端子に耐圧以上の電圧が印加されないように保護する耐圧保護素子として機能する。
【００２４】
なお、図１の実施形態では、一次側コイルに電流を流すスイッチング・トランジスタＱ１を、制御用ＩＣ１２とは別個の素子として図示しているが、このトランジスタＱ１は制御用ＩＣ１２内に取り込むことも可能である。
【００２５】
次に、上記トランジスタＱ２の作用について説明する。
【００２６】
この実施形態のＡＣアダプタは、上記補助コイルの平滑電圧Ｖｂが例えば２４Ｖのような電圧になるように、一次巻線Ｎｐと補助巻線Ｎｂの巻線比が設定されているとともに、定常状態において、ノードＮ２の電位Ｖ２がＶｂ（＝２４Ｖ）よりも少し高い３０Ｖ程度になるように抵抗Ｒ３とＲ４の抵抗比が設定されている。また、定常状態における一次側回路の消費電流を小さくするため、抵抗Ｒ３とＲ４の抵抗値はトータルで数ＭΩとなるように決定される。
【００２７】
ＡＣアダプタのプラグが抜かれて入力電圧Ｖｉｎが立ち下がりノードＮ２の電位Ｖ２がＶｂ−２Ｖｆ以下になる（ＶｆはＰＮ接合の順方向電圧）と、トランジスタＱ２がオンされて平滑コンデンサＣ３の電荷がＱ２および抵抗Ｒ２を通してグランドＧＮＤへ引き抜かれることで、Ｖｂが速やかに立ち下がるようにされている。具体的には、Ｑ２に３００ｍＡ程度のコレクタ電流を流してＶｂを立ち下げるように、抵抗Ｒ２の抵抗値は約８００Ωとされる。
【００２８】
抵抗Ｒ２〜Ｒ４が上記のような値に設定されることによって、この実施形態のＡＣアダプタは、入力電圧Ｖｉｎが１８０Ｖ以上の高電圧となるような場合にも、定常時の無駄な消費電流を抑えつつ、入力電圧オフ時に制御用ＩＣ１２の電源電圧（Ｖｂ）を速やかに立ち下げることができる。そして、制御用ＩＣ１２の電源電圧が立ち下がれば、内部回路のノードの電位も立ち下がるため、電源再投入時に制御用ＩＣ１２が誤動作するのを防止することができる。
＜実施形態２＞
この実施形態は、第１の実施形態における電荷引抜き用のトランジスタＱ２とそのエミッタ抵抗Ｒ２を省略してダイオードＤ４’のみとし、入力電圧Ｖｉｎが立ち下がったときに、ダイオードＤ４’を通して平滑コンデンサＣ３の電荷をグランドＧＮＤへ引き抜き、Ｖｂを立ち下げるようにしたものである。この実施形態では、ダイオードＤ４’は耐圧保護用素子としてではなく、２端子スイッチング素子として機能する。
【００２９】
上記のように構成した場合、抵抗Ｒ３，Ｒ４の抵抗値が第１の実施形態と同じであると、平滑コンデンサＣ３の電圧Ｖｂの立ち下がりが遅くなってしまうが、抵抗Ｒ３，Ｒ４に流れる電流の許容値が大きい場合や、電圧Ｖｂの立ち下がり時間がそれほど厳しくない場合であれば、Ｒ４の抵抗値を小さくして、本実施形態のようにダイオードＤ４’を通して平滑コンデンサＣ３の電荷を引き抜いてノードＮ３の電位Ｖｂを立ち下げるようにすることが可能である。
【００３０】
また、この第２実施形態では、出力端子間に分圧用の直列抵抗Ｒ５，Ｒ６を接続するとともに、二次側の出力電圧を検出する過電圧検出回路１３を設け、該過電圧検出回路１３により出力の過電圧が検出された場合に制御用ＩＣ１２によるスイッチング・トランジスタＱ１の駆動を停止するように構成されている。この実施形態の電源装置は、トランスを使用した絶縁型、つまり一次側と二次側の基準電位が分離されているため、上記過電圧検出回路１３からの信号は、フォトカプラＰＣを介して一次側制御用ＩＣ１２へ入力されるように構成される。
【００３１】
図３には、第１の実施形態のＡＣアダプタの変形例を示す。この変形例は、第２実施形態と同様に過電圧検出回路１３を設けるとともに、一方の出力線の途中に電流検出用の抵抗Ｒｓｎｓを設け、該抵抗Ｒｓｎｓの端子間電圧から出力電流を検出する過電流検出回路１５を設け、出力の過電流を検出した場合にも一次側制御用ＩＣ１２によるスイッチング・トランジスタＱ１の駆動を停止するように構成したものである。
【００３２】
また、この変形例では、過電圧検出回路１３の出力と過電流検出回路１５の出力との論理和を取ってフォトカプラＰＣに供給することで、１つのフォトカプラＰＣを共用させるようにしている。なお、過電圧検出回路１３による電圧検出や過電流検出回路１５による電流検出は、図３に示されているものに限定されず、種々変更可能である。
【００３３】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能である。例えば、前記実施形態では、一次側コイルに電流を流すスイッチング・トランジスタＱ１と平滑コンデンサＣ３の電荷引抜き用のトランジスタＱ２としてバイポーラ・トランジスタを使用したが、ＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を使用することも可能である。この場合、使用するＭＯＳＦＥＴの耐圧が充分に高いものであれば、図１におけるダイオードＤ４を省略することができる。
【００３４】
また、前記実施形態では、電荷引抜き用のトランジスタＱ２と直列の抵抗Ｒ２を、Ｑ２のコレクタ側に接続しているが、Ｑ２のエミッタ側に接続することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるＡＣアダプタに適用した場合について説明したが、本発明はそれに限定されず、トランスを使用し補助巻線に誘起された交流電圧を整流して制御回路の電源電圧を生成するようにした直流電源装置に広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態のＡＣアダプタを示す回路構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態のＡＣアダプタを示す回路構成図である。
【図３】第１の実施形態のＡＣアダプタの変形例を示す回路構成図である。
【図４】補助巻線を有する電圧変換用のトランスを備えた従来のＡＣアダプタの一例を示す回路構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ＡＣアダプタ
１１  ダイオード・ブリッジ回路
１２  スイッチング制御回路（一次側制御用ＩＣ）
１３  過電圧検出回路
１４  フォトカプラ
１５  過電流検出回路
Ｔ１  トランス
Ｑ１  スイッチング・トランジスタ
Ｑ２  電荷引抜き用のトランジスタ（３端子スイッチング素子）
Ｒ３，Ｒ４  分圧用の抵抗
Ｄ２，Ｄ３  整流用ダイオード
Ｄ４  耐圧保護用ダイオード
Ｄ４’ 電荷引抜き用のダイオード（２端子スイッチング素子）
【図１】
2010011563.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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