(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線と２次巻線を有するトランスＴの１次巻線と第１のスイッチ回路と入力電源とが直列に接続され、第２のスイッチ回路とキャパシタＣの直列回路が前記第１のスイッチ回路の一端に接続され、前記トランスＴの２次巻線に整流平滑回路が設けられ、第１のスイッチ回路を第１のスイッチ素子Ｑ１、第１のダイオードＤ１、および第１のキャパシタＣ１の並列接続回路で構成し、第２のスイッチ回路を第２のスイッチ素子Ｑ２、第２のダイオードＤ２、および第２のキャパシタＣ２の並列接続回路で構成し、前記トランスは、前記第１のスイッチ素子Ｑ１を導通させる電圧を発生する第１の駆動巻線と、前記第２のスイッチ素子Ｑ２を駆動させる電圧を発生する第２の駆動巻線とを有し、第１・第２のスイッチ素子Ｑ１・Ｑ２を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオン／オフし、前記第１のスイッチ素子Ｑ１のオン時間を制御して出力電圧の安定化制御を行うスイッチング制御回路を備え、第１のスイッチ素子Ｑ１がオンしている期間にトランスの１次巻線にエネルギーを蓄え、第１のスイッチ素子Ｑ１がオフしている期間にトランスの２次巻線からエネルギーを放出して自励発振するスイッチング電源装置において、
前記スイッチング制御回路は、前記第１のスイッチ素子Ｑ１の制御端子と前記第１の駆動巻線との間に接続される第１のスイッチング制御回路と、前記第２のスイッチ素子Ｑ２の制御端子と前記第２の駆動巻線との間に接続される第２のスイッチング制御回路とを備え、
前記第１のスイッチング制御回路は、軽負荷時に出力電圧が所定の電圧に達すると前記第１の駆動巻線に発生する電圧によって前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンするのを阻止して発振を停止させ、定格負荷もしくは重負荷時には、前記第１の駆動巻線に発生する電圧によって前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンし、前記第１のスイッチ素子Ｑ１のオン時間を制御する第１のオン時間制御回路を備え、
前記第２のスイッチング制御回路は、軽負荷時に、前記第２のスイッチ素子のオン時間終了後に前記２次巻線からのエネルギー放出が終了するように前記第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間を制御する第２のオン時間制御回路を備え、
軽負荷時に、発振期間と停止期間を交互に繰り返す間欠発振動作を行わせることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記第１のスイッチング制御回路は、前記第１の駆動巻線に電圧が発生してから、前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンするまでの遅延時間を決める第１の遅延回路を備え、前記第１のオン時間制御回路は、前記第１のスイッチ素子Ｑ１の制御端子に接続された第１の制御トランジスタと該トランジスタの制御端子に接続された第１のインピーダンス回路とコンデンサとからなる第１の時定数回路を備え、前記第１のインピーダンス回路のインピーダンス値を変化させて、軽負荷時には、前記遅延回路よりも前記第１の時定数回路の時定数を短くして、前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンする前に前記第１の制御トランジスタを導通させて前記第１の駆動巻線に発生する電圧によって前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンするのを阻止して発振を停止させ、定格負荷もしくは重負荷時には、前記遅延回路よりも前記第１の時定数回路の時定数を長くして、前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンしてから前記第１の制御トランジスタが導通するまでの前記第１のスイッチ素子Ｑ１のオン時間を制御して出力電圧の安定化動作を行うことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記第２のオン時間制御回路は、前記第２のスイッチ素子Ｑ２の制御端子に接続された第２の制御トランジスタと該トランジスタの制御端子に接続された第２のインピーダンス回路とコンデンサとからなる第２の時定数回路を備え、該第２のインピーダンス回路のインピーダンス値を変化させて、軽負荷時には、前記第２の時定数回路の時定数を短くして、前記第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間終了後に前記２次巻線からのエネルギー放出が終了し、定格負荷もしくは重負荷時には、前記第２の時定数回路の時定数を長くして、前記２次巻線からのエネルギー放出が終了してから前記第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間が終了するように、前記第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間を制御することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
１次巻線と２次巻線を有するトランスＴの１次巻線と第１のスイッチ回路と入力電源とが直列に接続され、第２のスイッチ回路とキャパシタＣの直列回路が前記第１のスイッチ回路の一端に接続され、前記トランスＴの２次巻線に整流平滑回路が設けられ、第１のスイッチ回路を第１のスイッチ素子Ｑ１、第１のダイオードＤ１、および第１のキャパシタＣ１の並列接続回路で構成し、第２のスイッチ回路を第２のスイッチ素子Ｑ２、第２のダイオードＤ２、および第２のキャパシタＣ２の並列接続回路で構成し、前記トランスは、前記第１のスイッチ素子Ｑ１を導通させる電圧を発生する第１の駆動巻線と、前記第２のスイッチ素子Ｑ２を駆動させる電圧を発生する第２の駆動巻線とを有し、第１・第２のスイッチ素子Ｑ１・Ｑ２を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオン／オフするスイッチング制御回路を備え、第１のスイッチ素子Ｑ１がオンしている期間にトランスの１次巻線にエネルギーを蓄え、第１のスイッチ素子Ｑ１がオフしている期間にトランスの２次巻線からエネルギーを放出して自励発振するスイッチング電源装置において、
前記スイッチング制御回路は、前記第１のスイッチ素子Ｑ１の制御端子と前記第１の駆動巻線との間に接続される第１のスイッチング制御回路と、前記第２のスイッチ素子Ｑ２の制御端子と前記第２の駆動巻線との間に接続される第２のスイッチング制御回路とで構成され、
前記第２のスイッチング制御回路は、軽負荷検出時に、前記第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間が定格負荷時よりも短くなって前記第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間終了後に前記２次巻線からのエネルギー放出が終了するように時定数が変更されるようにインピーダンスが変化する第２のインピーダンス回路を備え、
前記第１のスイッチング制御回路は、
前記第１の駆動巻線に電圧が発生してから、前記第１のスイッチ素子が前記第１の駆動巻線に発生した電圧によってターンオンするまでの時間を決める第１の遅延回路と、
駆動することによって前記第１のスイッチ素子Ｑ１を強制的にターンオフさせるか、もしくは前記第１のスイッチ素子Ｑ１のターンオンを阻止することのできる第１の制御素子と、
軽負荷検出時以外の定格負荷時もしくは重負荷時には前記第１の駆動巻線に発生する電圧によって前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンした後に前記第１の制御素子を駆動して前記第１のスイッチ素子Ｑ１をターンオフさせ、軽負荷検出時に、前記第２のスイッチング制御回路の前記第２のインピーダンス回路のインピーダンスが変化して時定数が変更されると同時に、前記第１の駆動巻線に発生する電圧によって前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンする前に前記第１の制御素子を駆動して前記第１のスイッチ素子Ｑ１のターンオンを阻止するように時定数を変更するようにインピーダンスが変化する第１のインピーダンス回路と、を備え、
軽負荷検出時に、前記第１のインピーダンス回路及び前記第２のインピーダンス回路のインピーダンス変化による時定数変更により、発振期間と停止期間を交互に繰り返す間欠発振動作を行わせることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記第１、第２のインピーダンス回路のインピーダンスを変化させるのにフォトカプラを用いたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
出力電圧を検出し、その検出電圧に応じて前記フォトカプラにより前記第１のインピーダンス回路のインピーダンスを変化させる信号を前記第１のスイッチング制御回路に帰還させ、これにより出力電圧を安定化する出力電圧安定化回路を備え、
前記出力電圧安定化回路は、間欠発振時に、前記フォトカプラを構成するフォトダイオードに直列に接続された抵抗値を小さくして、該フォトカプラによる帰還の利得を大きくするゲイン調整回路を備えたことを特徴とする、請求項５に記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記第１のスイッチ素子Ｑ１に直列に接続される電流検出手段により該第１のスイッチ素子Ｑ１に流れる１次電流を検出し、該電流が所定の電流ピーク値に達すると前記第１のスイッチ素子Ｑ１をターンオフさせるピーク電流制限回路を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【請求項８】
前記第１および第２のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の少なくともいずれか一方を電界効果トランジスタで構成したことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【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装置、特に、軽負荷時（待機時）に省電力化を図ることの出来る自励発振式の共振型スイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
共振型のスイッチング電源装置としては、例えば、特開平１１−１８７６６４号公報に示されるものがある。
【０００３】
この電源装置は、ソフトスイッチング動作をし、２石のスイッチ素子を交互にオンオフさせて、零電圧スイッチング動作をさせることによりスイッチング損失を大幅に低減し、定格負荷時の高効率化を図ることが出来る。図１０に、この形態の従来の回路図を示す。
【０００４】
この電源装置では、スイッチ素子Ｑ１およびＱ２は零電圧でターンオンし、スイッチ素子Ｑ２は零電流付近でターンオフするため、スイッチング損失が大幅に低減される。また、２次側の整流素子Ｄｓは零電流でターンオンし、且つその電流波形は零電流から比較的急峻に立ち上がり、電流の変化率が零となるピーク点に達した後、再び零電流となってターンオフする波形となるため、整流素子に流れる電流波形が方形波的となってピーク電流値が低く抑えられ、実効電流値が低減されて導通損が低減される。これらにより、高効率化を図ることができる。
【０００５】
また、軽負荷時に間欠発振動作をさせるようにしたものとして、特開２０００−３５０４４９号公報に示されるものがある。
【０００６】
この電源装置は、一般にリンギングチョークコンバータと呼ばれる１石式のスイッチング電源で、軽負荷時に間欠発振動作をさせることにより軽負荷時の高効率化を図ることができる。図１３に、この形態の従来の回路図を示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の各従来技術では、以下に示す問題があった。
【０００８】
▲１▼特開平１１−１８７６６４号公報
（ア）図１１は、軽負荷時の動作波形図を示す。図１１において、Ｓ１，Ｓ２はスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフを表す信号、Ｖｄｓ１は、キャパシタＣ１の両端電圧波形、Ｉｄ１は、スイッチ素子Ｑ１の電流波形である。
【０００９】
同図に示すように、スイッチ素子Ｑ２のオン時間が負荷によらずほぼ一定の場合、軽負荷時にはトランスに蓄えたエネルギーの一部を入力電源に回生させるため、循環電流が増加し、導通損失により効率が低下するという課題があった。図の斜線で示す領域が回生電流に相当する。
【００１０】
（イ）図１２は、軽負荷時にスイッチ素子Ｑ２のオン時間を短くして、循環電流を低減するように工夫をしたときの動作波形図である。しかし、この場合、スイッチ素子Ｑ１およびＱ２は零電圧スイッチング動作を行っているものの、スイッチング周波数が上昇するために駆動回路におけるスイッチング損失等が増加し、効率が低下するという課題があった。
【００１１】
▲２▼特開２０００−３５０４４９号公報
図１４は、軽負荷時の動作波形図を示す。図１４において、Ｓ１はスイッチ素子Ｑ１のオンオフを表す信号、Ｖｄｓ１は、スイッチ素子Ｑ１の両端電圧波形、Ｉｄ１は、スイッチ素子Ｑ１の電流波形である。
【００１２】
同図に示すように、軽負荷時に間欠発振を行うが、間欠発振時に大きなスイッチングサージ電圧が発生し、高耐圧のスイッチング素子が必要となり、高効率化の妨げとなる。また、出力電圧リップルが大きく、接続された電子機器が誤動作するという問題点を有しており、出力電圧リップルを除去するフィルタ回路が必要であった。
【００１３】
さらにスイッチング損失のため、ソフトスイッチング電源と比較し高効率化を図ることが困難であった。
【００１４】
本発明の目的は、スイッチ素子をオンオフ制御するスイッチング制御回路におけるオン時間制御回路のオン時間を決める時定数を軽負荷時と定格負荷もしくは重負荷時とで適正に変化させることで動作モードを変更し、軽負荷時に間欠発振動作を行わせて、軽負荷時の高効率化を図ることのできる少ない部品数でシンプルに構成された自励発振式のスイッチング電源装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下のように構成したものである。
本発明は、自励発振する２石式のスイッチング電源装置において、第１のスイッチング制御回路と第２のスイッチング制御回路それぞれに工夫を施している。
【００１６】
すなわち、第２のスイッチング制御回路においては次のように構成する。
【００１７】
軽負荷時に、前記第２のスイッチ素子のオン時間が定格負荷時よりも短くなって前記第２のスイッチ素子のオン時間終了後に前記２次巻線からのエネルギー放出が終了するように第２のスイッチ素子のオン時間を制御する第２のオン時間制御回路を備える。
【００１８】
従来の特開平１１−１８７６６４号公報に示される電源装置では、軽負荷時に、導通損失を低減するために第２のスイッチ素子のオン時間が定格負荷時よりも短く制御することは出来ているが（図１２参照）、第２のスイッチ素子のオン時間終了タイミング（ターンオフタイミング）は、２次巻線からのエネルギー放出が終了するタイミング以下には設定されていない。つまり、２次巻線からのエネルギー放出が終了しても、まだ、第２のスイッチ素子のオン時間が持続している。このため、第２のスイッチ素子がターンオフすると、第１のスイッチ素子に並列に接続されているダイオードに電流が流れる。この状態は、第１のスイッチ素子が見かけ上導通していることと同等となり、第１のスイッチ素子をオフすることができないことを意味し、次に述べる第１のスイッチング制御回路の動作による間欠発振モードに移行することを妨げる。これに対し、本発明は、２次巻線からのエネルギー放出が終了する前に第２のスイッチ素子がターンオフする。
【００１９】
また、第１のスイッチング制御回路においては次のように構成する。
【００２０】
前記第１のスイッチング制御回路は、軽負荷時に出力電圧が所定の電圧に達すると前記第１の駆動巻線に発生する電圧によって前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンするのを阻止して発振を停止させ、定格負荷もしくは重負荷時には、前記第１の駆動巻線に発生する電圧によって前記第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンし、前記第１のスイッチ素子Ｑ１のオン時間を制御する第１のオン時間制御回路を備えている。
【００２１】
定格負荷時もしくは重負荷時には、第１の駆動巻線に発生する電圧によって第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンした後に第１の制御トランジスタを駆動して第１のスイッチ素子Ｑ１をターンオフさせる動作を行う。この動作は、従来の回路の動作と同様である。
【００２２】
軽負荷時には、第２のオン時間制御回路により、第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間が変更されることにより、上記第２のスイッチ素子のターンオフタイミングにおいて、上記エネルギー放出が続いている。また、上記エネルギー放出が終わって２次側巻線の整流素子に電流が流れなくなり、トランスに逆電圧が発生したときには、第１のスイッチ素子Ｑ１に並列に接続されているダイオードには電流が流れない。このとき、第１のスイッチ素子Ｑ１をオフ状態とすることにより第１のスイッチ回路を非導通とすることが出来、第１のスイッチング制御回路による間欠発振動作の制御が可能になる。従来回路では、第２のスイッチ素子Ｑ２がターンオフしてトランスに逆電圧が発生したとき、第１のスイッチ素子Ｑ１に並列に接続されているダイオードが導通するため、第１のスイッチ回路を非導通とすることができない。このため、間欠発振動作の制御が出来なかった。
【００２３】
間欠発振動作は、次のような動作となる。
【００２４】
発振動作により出力電圧が所定の電圧になると、第１の駆動巻線に発生する電圧によって第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンする前に第１の制御トランジスタを導通させて第１のスイッチ素子Ｑ１のターンオンを阻止して発振を停止させる。発振停止により出力電圧が低下し、該出力電圧が所定の電圧以下になると、起動抵抗を介して第１のスイッチ素子Ｑ１の制御端子に電圧が供給され発振が開始する。この動作を周期的に繰り返すことで間欠発振動作となる。第１のスイッチング制御回路は、軽負荷時にこのような動作が行われる第１のオン時間制御回路を備える。
【００２５】
以上の動作により、２石式の自励発振式のスイッチング電源装置において、軽負荷時に間欠発振動作を行わせることが可能となる。
【００２６】
本発明は、また、次のように構成する。
【００２７】
出力電圧を検出し、その検出電圧に応じて前記フォトカプラにより前記第１のインピーダンス回路のインピーダンスを変化させる信号を前記第１のスイッチング制御回路に帰還させ、これにより出力電圧を安定化する出力電圧安定化回路を備え、
前記出力電圧安定化回路は、間欠発振時に、前記フォトカプラを構成するフォトダイオードに直列に接続された抵抗値を小さくして、該フォトカプラによる帰還の利得を大きくするゲイン調整回路を備える。
【００２８】
スイッチング電源回路の連続発振時は停止期間がないため出力リップル電圧は小さいが、間欠スイッチング動作時は、発振期間で出力電圧が上昇し、停止期間で出力電圧が低下するため、間欠発振の周期にて出力電圧のリップルが大きくなるという問題がある。
【００２９】
そこで、本発明では、間欠発振時にフォトダイオードに流れる電流変化を大きくして、ゲインを高くするようにした。これにより、小さな電圧変動にも敏感に反応するためリップル電圧を低減できる。
【００３０】
本発明は、さらに、次のように構成することも出来る。
【００３１】
前記第１のスイッチ素子に直列に接続される電流検出手段を介して該第１のスイッチ素子に流れる１次巻線電流を検出し、該電流が所定の電流ピーク値に達すると前記第１のスイッチ素子をターンオフさせるピーク電流制限回路を設ける。
【００３２】
上記構成により、１次巻線電流が増大した場合でもピーク電流値を制限し、トランスの飽和を抑制する。また、電流ピーク値を低減することによりスイッチ素子Ｑ１のターンオフ時のスイッチング損失を低減するとともに、発振期間での発振パルス数を増加させて間欠発振の周期を短くし、リップル電圧を低減することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
【００３４】
第１のスイッチ回路Ｓ１は、第１のスイッチ素子Ｑ１、第１のダイオードＤ１、および第１のキャパシタＣ１の並列接続回路で構成され、第２のスイッチ回路Ｓ２は、第２のスイッチ素子Ｑ２、第２のダイオードＤ２、および第２のキャパシタＣ２の並列接続回路で構成される。第１のスイッチ回路Ｓ１とトランスＴの１次巻線Ｔ１と入力電源Ｖｉｎとは直列に接続されている。また、第２のスイッチ回路Ｓ２とキャパシタＣとの直列回路はトランスＴの１次巻線Ｔ１と並列に接続されている。
【００３５】
第１のスイッチ素子Ｑ１と第２のスイッチ素子Ｑ２には、この実施形態の装置では電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴと称する）が使用される。
【００３６】
トランスＴの第１の駆動巻線Ｔ３は、１次巻線Ｔ１の電圧に略比例した電圧を発生し、この駆動巻線電圧は第１のスイッチング制御回路に入力される。この第１のスイッチング制御回路は、第１の駆動巻線Ｔ３と第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）との間に接続されたコンデンサＣ３と抵抗Ｒ３の直列回路からなる第１の遅延回路３と、第１のスイッチ素子Ｑ１をターンオフさせるための第１の制御トランジスタＴｒ１と、出力安定化回路５からのフィードバック信号を受けるフォトトランジスタＰＣ１と抵抗Ｒ４の直列回路と、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ４からなる時定数回路とで構成され、この時定数回路は、トランジスタＴｒ１の制御端子（ベース）に接続されている。また、トランジスタＴｒ１と、フォトトランジスタＰＣ１および抵抗Ｒ４と、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ４からなる時定数回路とは、第１のオン時間制御回路１を構成している。上記時定数回路の抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ４、フォトトランジスタＰＣ１は第１のインピーダンス回路１０を構成している。
【００３７】
トランスＴの第２の駆動巻線Ｔ４は、１次巻線Ｔ１の電圧に略比例した第１の駆動巻線Ｔ３とは逆極性の電圧を発生し、この駆動巻線電圧は第２のスイッチング制御回路に入力される。この第２のスイッチング制御回路は、第２の駆動巻線Ｔ４と第２のスイッチング素子Ｑ２の制御端子（ゲート）との間に接続されたコンデンサＣ１１と抵抗Ｒ１１の直列回路からなる第２の遅延回路４と、第２のスイッチ素子Ｑ２をターンオフさせるための第２の制御トランジスタＴｒ２と、Ｑ２オン時間切替回路６からのフィードバック信号を受けるフォトトランジスタＰＣ２と抵抗Ｒ１４とダイオード１４の直列回路と、抵抗Ｒ１２およびコンデンサＣ１２からなる時定数回路とで構成され、この時定数回路は、トランジスタＴｒ２の制御端子（ベース）に接続されている。また、トランジスタＴｒ２と、フォトトランジスタＰＣ２と抵抗Ｒ１４とダイオード１４の直列回路と、抵抗Ｒ１２およびコンデンサＣ１２からなる時定数回路は、第２のオン時間制御回路２を構成している。上記時定数回路の抵抗Ｒ１２、抵抗Ｒ１４、フォトトランジスタＰＣ２、ダイオードＤ１４は第２のインピーダンス回路２０を構成している。
【００３８】
入力電源Ｖｉｎと第１のスイッチ素子Ｑ１の制御端子（ゲート）との間には、起動抵抗Ｒ１が接続されている。
【００３９】
トランスＴの２次巻線Ｔ２には、整流素子Ｄｓが接続され、また、整流素子Ｄｓには、並列にキャパシタＣｓが接続されている。また、整流素子Ｄｓの出力側には、平滑用コンデンサＣｏと出力安定化回路５とＱ２オン時間切替回路６とが接続されている。
【００４０】
出力安定化回路５は、出力電圧検出抵抗Ｒ２０、Ｒ２１と、これらの抵抗の分圧点Ｖａが基準電圧入力端子Ｖｒに接続されるシャントレギュレータＩＣ１と、このシャントレギュレータＩＣ１に直列に接続されるフォトダイオードＰＣ１と、抵抗Ｒ２２ｊを備えている。シャントレギュレータＩＣ１は、基準電圧入力端子Ｖｒの電圧が一定になるようにカソード−アノード間の電流を制御し、この電流の変化は、フォトダイオードＰＣ１の光の強弱に変換され、第１のインピーダンス回路を構成するフォトトランジスタＰＣ１に入光する。この回路では、フォトダイオードＰＣ１に流れる電流の大小によってフォトトランジスタＰＣ１を介して第１の制御トランジスタＴｒ１のオンタイミングを制御し、結果として第１のスイッチ素子Ｑ１のオン時間の制御を行う。すなわち、出力電圧が高くなってフォトダイオードＰＣ１の電流が大きくなろうとすると、第１のスイッチ素子Ｑ１のオン時間が短くなり、出力電圧を下げようとし、反対に、出力電圧が低くなってフォトダイオードＰＣ１に流れる電流が小さくなろうとすると、第１のスイッチ素子Ｑ１のオン時間が長くなって出力電圧を上げようとする。この動作によって、出力電圧の安定化が図られる。
【００４１】
Ｑ２オン時間切替回路６は、フォトダイオードＰＣ２と、該フォトダイオードＰＣ２に直列に接続されている抵抗Ｒ３０とトランジスタＴｒ３０と、該トランジスタＴｒ３０の制御端子（ベース）に接続されている抵抗Ｒ３１とで構成されている。抵抗Ｒ３１には、軽負荷時信号入力端子Ｓが接続されている。この端子Ｓには、外部から、軽負荷時に信号が入力する。
【００４２】
軽負荷時に端子Ｓに信号が入力すると、トランジスタＴｒ３０がオンして、フォトダイオードＰＣ２の電流が増大し、これに光結合している第２のインピーダンス回路２０内のフォトトランジスタＰＣ２の電流も増大してトランジスタＴｒ２のオンタイミングが早くなる。後述のように、この回路により、軽負荷時に、第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間が定格負荷時よりも短くなって第２のスイッチ素子Ｑ２のオン時間終了後に前記２次巻線からのエネルギー放出が終了する。すなわち、第２のインピーダンス回路２０は、このように動作するよう、軽負荷時と定格負荷または重負荷時に、その時定数が変更される。
【００４３】
次に上記のスイッチング電源装置の動作を説明する。
【００４４】
（１）定格負荷時または重負荷時
図２は、定格負荷時の動作波形図である。
【００４５】
図２において、Ｑ１、Ｑ２はスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフを表す信号、Ｖｄｓ１、Ｖｄｓ２、Ｖｓは、それぞれキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃｓの両端電圧波形信号、ｉｄ１、ｉｄ２、ｉｓは、それぞれスイッチ回路Ｓ１、Ｓ２、制御素子Ｄｓの電流波形信号である。
【００４６】
本回路の起動後のスイッチング動作は、１スイッチング周期Ｔにおいて、主に時間ｔ１〜ｔ５の４つの動作状態に分けることができる。まず、起動時（発振開始時）について説明し、次に各状態における動作を示す。
【００４７】
（起動時）
入力電源Ｖｉｎが印加されると、起動抵抗Ｒ１によってスイッチ素子Ｑ１がオン状態となる。
【００４８】
スイッチ素子Ｑ１がオン状態からの最適な定格条件での１スイッチング周期Ｔにおける時間ｔ１〜ｔ５の４つの動作状態は次に示す通りである。
【００４９】
＜状態１＞ｔ１〜ｔ２
駆動巻線Ｔ３に発生した電圧が第１のスイッチ素子Ｑ１の制御端子に印加され、第１のスイッチ素子Ｑ１はオンしており、トランスＴの１次巻線に入力電圧が印加され、トランスＴの１次巻線電流が直線的に増加し、トランスＴに励磁エネルギーが蓄えられる。このときフォトトランジスタと抵抗Ｒ４を介してコンデンサＣ４が充電され、時間ｔ２でコンデンサＣ４の電圧がトランジスタＴｒ１のしきい電圧（約０．６Ｖ）に達して、トランジスタＴｒ１がオンして、第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオフすると、状態２に遷移する。
【００５０】
＜状態２＞ｔ２〜ｔ３
スイッチ素子Ｑ１がターンオフすると、トランスＴの１次巻線Ｔ１とインダクタＬは、キャパシタＣ１およびＣ２と共振し、キャパシタＣｌを充電し、キャパシタＣ２を放電する。また、２次側ではトランスＴの２次巻線Ｔ２とキャパシタＣｓが共振し、キャパシタＣｓを放電する。Ｖｄｓｌの立ち上がり部分の曲線は、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とインダクタＬおよび１次巻線Ｔ１のインダクタとの共振による正弦波の一部である。ｉｄｌの立ち下がり部分は、Ｖｄｓｌの９０度位相進みの波形である。Ｖｄｓ２の立ち下がり部分の曲線は、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とインダクタＬおよび１次巻線Ｔ１のインダクタとの共振による正弦波の一部である。ｉｄ２の立ち下がり部分は、Ｖｄｓ２の９０度位相進みの波形である。このとき、２次側ではキャパシタＣｓの両端電圧Ｖｓが零電圧まで下降し、整流素子Ｄｓが導通し、零電圧ターンオン動作となる。このＶｓの立ち下がり部分の曲線は、Ｃｓと２次巻線Ｔ２のインダクタとの共振による正弦波の一部である。キャパシタＣ２の両端電圧Ｖｄｓ２が下降し零電圧となると、ダイオードＤ２が導通する。このときコンデンサＣ１１と抵抗Ｒ１１による第２の遅延回路４により、駆動巻線Ｔ４に発生した電圧が電圧発生から少し遅れてスイッチ素子Ｑ２の制御端子に印加され、スイッチ素子Ｑ２がターンオンされる。これにより零電圧スイッチング動作し、状態３に遷移する。
【００５１】
＜状態３＞ｔ３〜ｔ４
状態３では、ダイオードＤ２またはスイッチ素子Ｑ２が導通し、インダクタＬとキャパシタＣは共振する。このとき、２次側では整流素子Ｄｓは導通し、トランスＴに蓄えられた励磁エネルギーを２次巻線Ｔ２から放出し、整流平滑回路を介して出力される。このとき整流素子Ｄｓに流れる電流ｉｓは、１次側のインダクタＬとキャパシタＣによる共振電流ｉｄ２に対し、直線的に減少する励磁電流ｉｍを加えた値と相似形となる。このため、電流ｉｓは、キャパシタＣｓの作用により零電流から急峻に立ち上がり、正弦波状の曲線を有する波形となる。また、電流ｉｓは電流変化率が零となるピーク点に達した後、零電流に向かって下降する。時間ｔ４でトランスの励磁電流ｉｍと電流ｉｄ２の関係が−ｉｍ＝ｉｄ２となり、２次側電流ｉｓが０となると、整流素子Ｄｓはターンオフし、整流素子Ｄｓの零電流ターンオフ動作が実現され、状態３は終了する。
【００５２】
＜状態４＞ｔ４〜ｔ５
整流素子Ｄｓがオフすると、１次側ではキャパシタＣとインダクタＬとの共振が終了し、キャパシタＣの放電により励磁電流ｉｍのみが流れ、状態１とは逆方向にトランスＴを励磁する。ｔ４からｔ５にかけての直線的に上昇する電流ｉｄ２がその励磁電流−ｉｍである。
【００５３】
＜状態５＞ｔ５〜ｔ６
駆動巻線Ｔ４に発生した電圧により、抵抗Ｒ１２を介してコンデンサＣ１２が充電され、コンデンサＣ１２の電圧がトランジスタＴｒ２のしきい電圧（約０．６Ｖ）に達して、トランジスタＴｒ２がオンして、時間ｔ５でスイッチ素子Ｑ２がターンオフすると、２次側の整流素子Ｄｓに逆電圧が印加され、トランスＴの２次巻線Ｔ２とキャパシタＣｓとが共振し、キャパシタＣｓが充電される。また、１次側では、トランスＴの１次巻線Ｔ１とインダクタＬがキャパシタＣ１およびＣ２と共振し、キャパシタＣｌを放電し、キャパシタＣ２を充電する。キャパシタＣ１の両端電圧Ｖｄｓｌが下降し、零電圧になると、ダイオードＤ１が導通する。このときコンデンサＣ３と抵抗Ｒ３による第１の遅延回路３により、駆動巻線Ｔ３に発生した電圧が電圧発生してから少し遅れてスイッチ素子Ｑ１の制御端子に印加され、時間ｔ６でスイッチ素子Ｑ１がターンオンされ零電圧スイッチング動作を実現し、状態５が終了する。このとき、２次側ではキャパシタＣｓの両端電圧Ｖｓが零電圧から上昇し、２次巻線電圧と出力電圧との和の電圧にクランプされる。
【００５４】
定格負荷時には、１スイッチング周期あたり以上のような動作を行い、次のスイッチング周期も同様の動作を行い、以降この動作を繰り返す。
【００５５】
上述したスイッチング電源回路では、スイッチ素子Ｑ１およびＱ２は零電圧でターンオンし、スイッチ素子Ｑ２は零電流付近でターンオフするため、スイッチング損失が大幅に低減される。また、２次側の整流素子Ｄｓは零電流でターンオンし、且つその電流波形は零電流から比較的急峻に立ち上がり、電流の変化率が零となるピーク点に達した後、再び零電流となってターンオフする波形となるため、整流素子に流れる電流波形が方形波的となってピーク電流値が低く抑えられ、実効電流値が低減されて導通損が低減される。これらにより、高効率化を図ることができる。
なお、定格負荷時には、軽負荷信号入力端子Ｓに信号入力がない。このため、トランジスタＴｒ３０はオフしていて、第２のインピーダンス回路２０では、フォトトランジスタＰＣ２はオフ状態である。
【００５６】
（２）軽負荷時
次に軽負荷検出時の動作を説明する。
図３は、軽負荷検出時の動作波形図である。
【００５７】
軽負荷検出時に端子Ｓに信号電圧（軽負荷検出信号）が印加されると、トランジスタＴｒ３０がオンしてフォトダイオードＰＣ２が導通し、フオトトランジスタＰＣ２がオンする。これにより、フォトトランジスタＰＣ２、抵抗Ｒ１４、ダイオードＤ１４を通り電流が流れるため、コンデンサＣ１２の充電時間が短くなり第２のスイッチＱ２のオン時間が短くなる。ここで、オン時間に蓄えられた励磁エネルギーを２次側から放出する時間であるリセット時間Ｔｒに対し、スイッチ素子Ｑ２のオン時間が短くなるように、第２のインピーダンス回路２０の時定数が設定されている。
【００５８】
時間ｔｌ〜ｔ４までの動作は、図２の定格負荷時の動作と同様で、時間ｔ４となるタイミングが従来と異なるため状態４から説明する。
【００５９】
＜状態４＞ｔ４〜ｔ５
スイッチ素子Ｑ２のオン時間はリセット時間Ｔｒよりも短くなるように設定している。このため、駆動巻線Ｔ４に発生した電圧により、抵抗Ｒ１２およびＲ１４を介してコンデンサＣ１２が充電され、コンデンサＣ１２の電圧がトランジスタＴｒ２のしきい電圧（約０．６Ｖ）に達して、トランジスタＴｒ２がオンして、時間ｔ４でスイッチ素子Ｑ２がターンオフする。このとき、２次側からのエネルギー放出が終了していないため、整流素子Ｄｓの導通状態が続き、トランスの電圧は反転しない。時間ｔ５で２次側からのエネルギー放出が終了すると状態５に移行する。
【００６０】
＜状態５＞ｔ５〜ｔ６
時間ｔ５で２次側からのエネルギー放出が終了し、２次側の整流素子Ｄｓに逆電圧が印加されるとトランスの電圧は反転を始め、トランスＴの２次巻線Ｔ２とキャパシタＣｓとが共振してキャパシタＣｓが充電される。また、１次側では、トランスＴの１次巻線Ｔ１とインダクタＬがキャパシタＣ１およびＣ２と共振し、キャパシタＣ１を放電し、キャパシタＣ２を充電する。キャパシタＣｌの両端電圧Ｖｄｓｌが零電圧付近まで下降する。このときコンデンサＣ３と抵抗Ｒ３による第１の遅延回路３により、駆動巻線Ｔ３に発生した電圧が電圧発生してから少し遅れて第１のスイッチ素子Ｑ１の制御端子に印加され、時間ｔ６で第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンされ、状態５が終了する。このとき、２次側ではキャパシタＣｓの両端電圧Ｖｓが零電圧から上昇し、２次巻線電圧と出力電圧との和の電圧にクランプされる。
【００６１】
１スイッチング周期あたり以上のような動作を行い、次のスイッチング周期も同様の動作を行い、以降この動作を繰り返す。
【００６２】
（３）軽負荷時の間欠発振動作
間欠発振動作は、上記第２のインピーダンス回路２０の時定数の変動とともに、第１のインピーダンス回路１０の時定数の変更によって行われる。
【００６３】
この第１のインピーダンス回路１０は、以下のように構成されている。
【００６４】
定格負荷もしくは重負荷時においては、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧によって第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンした後に前記トランジスタＴｒ１を導通させて第１のスイッチ素子Ｑ１をターンオフさせる。
【００６５】
一方、軽負荷検出時には、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧によって第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンする前に第１の制御トランジスタＴｒ１を導通させて第１のスイッチ素子Ｑ１のターンオンを阻止して発振を停止するように時定数が変化する。
【００６６】
軽負荷時には、第１のインピーダンス回路１０の時定数と、第２のインピーダンス回路２０の時定数とが上記のように変更されることにより、次のメカニズムにより、間欠発振動作が行われる。
【００６７】
図１において、駆動巻線Ｔ３に電圧が発生してから第１の遅延回路３によりスイッチ素子Ｑ１の制御端子に電圧が印加され、スレッショルド電圧に達してスイッチ素子Ｑ１がターンオンするまでの時間を遅延時間Ｔａとする。また、駆動巻線Ｔ３に電圧が発生してから、フォトトランジスタＰＣ１と抵抗Ｒ４を通って電流が流れ、コンデンサＣ４を充電して、トランジスタＴｒｌのベース電位がしきい値電圧（約０．６Ｖ）に達するまでの時間をＴｂとする。
【００６８】
軽負荷時において、出力電圧Ｖｏが上昇して、フォトトランジスタＰＣ１のインピーダンスが小さくなると時間Ｔｂが短くなる。遅延時間Ｔａは負荷によらずほぼ一定のため、出力電圧が所定の電圧まで上昇すると、時間Ｔａより時間Ｔｂが短くなり、スイッチ素子Ｑ１がターンオンする前にトランジスタＴｒｌが先に導通する。このため、スイッチ素子Ｑ１のゲート電位が上昇しないことから、駆動巻線Ｔ３に発生する電圧によってスイッチ素子Ｑ１はターンオンせず、スイッチング動作が一時的に停止してしまう。そして、トランジスタＴｒｌはコンデンサＣ４に蓄積された電荷が放電されることによって再びオフになる。コンデンサＣ４に蓄積された電荷が放電され、トランジスタＴｒ１がオフとなり、一定時間後に起動抵抗Ｒ１を介して流れ込む電流によってスイッチ素子Ｑ１がターンオンし再びスイッチング動作が始まる。そして、起動抵抗Ｒ１を介して流れ込む電流によってスイッチング動作が始まるときには出力電圧は一時的に低下しているため、しばらくの期間は連続にスイッチング動作が行われる。そして、再び出力電圧が上昇し、所定の電圧となると上記の発振停止動作が再び繰り返される。ここで、起動抵抗Ｒ１を介した電流によってスイッチ素子Ｑ１がターンオンするまでの起動時間は、駆動巻線Ｔ３に発生する電圧によってスイッチ素子Ｑ１がターンオンするまでの時間に比べて十分に長いため、結果的にスイッチ素子Ｑ１は連続スイッチング期間とスイッチング停止期間を周期的に繰り返す間欠的なスイッチング動作を行うことになる。
【００６９】
このように、本発明により、軽負荷時にスイッチング動作の連続と停止を周期的に繰り返す間欠スイッチング動作を少ない部品点数で実現することができる。そして、間欠スイッチング動作をさせることによって、スイッチング損失などの電力損失を低減し、スイッチング素子の発熱を抑えることができる。そして、それを簡単な構成で実現することができるため、スイッチング電源回路の高効率化や小型化、低価格化を図ることができる。
【００７０】
また、従来回路において、スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時に発生していた電圧サージはキャパシタＣに吸収されクランプされるため電圧サージは発生せず、スイッチング損失を低減できるとともに、オン抵抗の小さい低耐圧のスイッチ素子を適用することができ導通損失を低減でき、電源の高効率化を図ることができる。また、第１のオン時間制御回路を適正に設定しておくことにより、フォトトランジスタＰＣ２のオンオフのみによって軽負荷時に間欠発振と連続発振を切り替えることが出来る。さらに間欠発振の周期もスイッチング電源回路の起動時間やフォトカプラＰＣ１による帰還の利得等を調整することによって任意に設定することができるため、間欠スイッチングの周期が可聴周波数の範囲に入って、スイッチング電源回路から音が発生するのを防止または低減したり、リップル電圧を低減することができる。
【００７１】
図４は、本発明の第２の実施形態を示す。
【００７２】
この例では、図１の構成に、ゲイン調整回路７と、ピーク電流制限回路８とを設けている。
【００７３】
ゲイン調整回路７は、出力安定化回路５の抵抗Ｒ２２に、トランジスタＴｒ６を介して並列に抵抗Ｒ３２を接続し、このトランジスタＴｒ６の制御端子（ベース）を抵抗Ｒ３３を介してＱ２オン時間切替回路６のトランジスタＴｒ３０のコレクタに接続して構成される。これにより、端子Ｓの軽負荷検出信号により、トランジスタＴｒ６が導通し、フォトトランジスタＰＣ１に流れる電流変化を大きくする。このことは、出力安定化回路５からトランス１次側へのフィードバックのゲインを高くすることを意味する。
【００７４】
以上の構成では、間欠発振時のリップル電圧を低減することができる。以下、図５を参照して、このことについて説明する。
【００７５】
スイッチング電源回路の連続発振時は停止期間がないため出力リップル電圧は小さいが、間欠スイッチング動作時は、発振期間で出力電圧が上昇し、停止期間で出力電圧が低下するため、間欠発振の周期にて出力電圧のリップルが大きくなるという問題がある。
【００７６】
そこで、間欠発振時にフォトダイオードＰＣ１に流れる電流変化を大きくして、ゲインを高くすると、小さな出力電圧変動にも敏感に反応するためリップル電圧を低減できる。なお、定格、重負荷時の連続発振時は流れる電流が大きく、ゲインが高いと異常発振動作となってしまう場合がある。このため間欠発振時はゲインが高く、連続発振時はゲインが低いことが望ましい。
【００７７】
本実施形態では、フォトダイオードＰＣ１と直列に接続されている抵抗値を間欠発振時に小さくしてゲインを大きくし、連続発振時には抵抗値を大きくしてゲインが小さくなるように切り替えているため、図５のように、間欠発振時のリップル電圧を小さくすることが出来る。
【００７８】
ピーク電流制限回路８は、第１のスイッチ素子Ｑ１に直列に接続された電流検出手段である抵抗Ｒ６と、この抵抗Ｒ６の両端電圧（電流Ｉｄ１に比例）を分圧する抵抗Ｒ７、Ｒ８と、抵抗Ｒ８の両端電圧がベース端子に印加され、コレクタ端子が第１のスイッチ素子Ｑ１の制御端子（ゲート）に接続されるトランジスタＴｒ３とで構成されている。
【００７９】
ピーク電流制限回路８の動作について説明する。図６（Ａ）は、ピーク電流制限回路８がある場合の動作波形図である。比較のため、図６（Ｂ）は、ピーク電流制限回路８がない場合の動作波形図を示している。
【００８０】
スイッチング電源回路の間欠スイッチング動作時は、停止期間で出力電圧が低下するため、次の発振期間では出力電圧を上昇させるためオン時間が大きく広がり、１次巻線電流が増大する。また、入力電圧が低い場合はさらに１次巻線電流が増大するためトランスの飽和余裕が小さくなり、場合によっては飽和現象によりスイッチング電源が破壊する場合がある。また、１次巻線電流が増大するとスイッチング損失は大きくなり、１パルス当たりのエネルギーが大きくなるため、発振期間での発振パルス数が少なくなり、間欠の周期が長くなって出力リップル電圧が大きくなるという問題がある。
【００８１】
そこで、１次巻線電流ピーク値を制限するピーク電流制限回路８を備えることにより、１次巻線電流が増大した場合でもピーク電流値を制限し、トランスの飽和を抑制する。また、電流ピーク値を低減することにより第１のスイッチ素子Ｑ１のターンオフ時のスイッチング損失を低減するとともに、発振期間での発振パルス数を増加させて間欠発振の周期を短くし、リップル電圧を低減することができる。
【００８２】
図７は、入力に商用電源を用いた場合の実施形態を示している。商用電源を整流平滑して直流電圧Ｖｉｎを形成する。
【００８３】
図８は、他の実施形態である。この例では、第２のスイッチ回路Ｓ２とキャパシタＣの直列回路を第１のスイッチ回路Ｓ１と並列に接続している。キャパシタＣに印加される電圧が第１の実施形態に比較し大きくなるが、回路動作、効果は同様に考察できる。
【００８４】
図９は、さらに、他の実施形態である。この例では、キャパシタＣがトランスの１次巻線に対して直列に接続されており、第１および第２のスイッチ回路Ｓ１、Ｓ２に印加される電圧が入力電圧と等しくなる。第１の実施形態に比較し低電圧ストレスとなり、回路動作、効果は同様に考察できる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明では、軽負荷時に、第２のオン時間制御回路により、第２のスイッチ素子のオン時間終了後に前記２次巻線からのエネルギー放出が終了するように動作し、また、同じく軽負荷時に、第１のインピーダンス回路により、第１の駆動巻線に発生する電圧によって第１のスイッチ素子Ｑ１がターンオンする前に第１の制御トランジスタを導通させて第１のスイッチ素子Ｑ１のターンオンを阻止してスイッチング動作を停止させる。これにより、２石式の従来の自励発振式のスイッチング電源装置で出来なかった軽負荷時の間欠発振を少ない部品の追加により行わせることが出来る。
【００８６】
したがって、軽負荷時に導通損失およびスイッチング損失を大幅に低減することが出来、高効率動作を行わせることが出来る。
【００８７】
また、間欠発振時には、スイッチングサージ電圧がクランプされることにより、低耐圧のスイッチング素子を適用でき、導通損失を低減して低損失化を図ることが出来る。
【００８８】
また、ゲイン調整回路を設けることにより、間欠発振時に増大していた出力リップル電圧を大幅に抑制することが出来る。
【００８９】
また、ピーク電流制限回路を設けることにより、トランスの飽和を抑制でき、かつ、スイッチング損失の低減、出力リップル電圧の低減を図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の回路構成図
【図２】定格負荷時の動作波形図
【図３】間欠発振動作波形図
【図４】第２の実施形態の回路構成図
【図５】ゲイン調整回路の動作を説明する図
【図６】ピーク電流制限回路の有無による動作波形図の相違を示す図
【図７】第３の実施形態の回路構成図
【図８】第４の実施形態の回路構成図
【図９】第５の実施形態の回路構成図
【図１０】従来の回路構成図
【図１１】軽負荷時の動作波形図
【図１２】軽負荷時の動作波形図
【図１３】他の従来の回路構成図
【図１４】間欠発振時の動作波形図
【符号の説明】
１：Ｑ１オン時間制御回路
２：Ｑ２オン時間制御回路
３：第１の遅延回路
４：第２の遅延回路
５：出力安定化回路
６：Ｑ２オン時間切替回路
１０：第１のインピーダンス回路
２０：第２のインピーダンス回路
Ｓ１：第１のスイッチ回路
Ｓ２：第２のスイッチ回路
【図１】
0003627708.tif 000002
【図２】
0003627708.tif 000003
【図３】
0003627708.tif 000004
【図４】
0003627708.tif 000005
【図５】
0003627708.tif 000006
【図６】
0003627708.tif 000007
【図７】
0003627708.tif 000008
【図８】
0003627708.tif 000009
【図９】
0003627708.tif 000010
【図１０】
0003627708.tif 000011
【図１１】
0003627708.tif 000012
【図１２】
0003627708.tif 000013
【図１３】
0003627708.tif 000014
【図１４】
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