(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被充電電池を充電する充電装置の電源であるスイッチング電源において、スイッチングの切り換え時を共振動作で行い周波数制御により出力を調整するスイッチング制御手段と、入力電圧が印加される入力巻線と数種の出力巻線を有する高周波トランスと、該高周波トランスの出力巻線は被充電電池を充電する電力供給用の出力巻線と、スイッチング制御手段の電源を生成する出力巻線と、零Ｖスイッチングを可能とする共振信号を生成する出力巻線を備え、前記スイッチング制御手段の電源を生成する出力巻線は入力電圧が印加される入力巻線と同極性であり、前記被充電電池を充電する電力供給用の出力巻線と前記零Ｖスイッチングを可能とする共振信号を生成する出力巻線は入力電圧が印加される入力巻線とは逆極性の構成としたことを特徴とする充電装置の電源回路。
【請求項２】
前記高周波トランスのスイッチング制御手段の電源を生成する出力巻線において、その出力巻線からの出力電圧を定電圧化する定電圧回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の充電装置の電源回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は携帯用機器等の電源として用いられている２次電池を充電する充電装置の電源回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ニッケル水素電池やニカド電池の高容量化及び大電流による充電特性の改善
により、これら電池を短時間で充電する充電装置の出力容量は大きくなっている。そのため、出力容量のアップに伴う充電装置の大型化を抑制するため、充電装置の電源回路にスイッチング電源を用いたものが多くなっている。
【０００３】
スイッチング電源には種々の方式があるが、近年ではスイッチング素子のオン及びオフ時の電力損失及びスイッチングノイズを低減させることを目的とした共振型電源が提案され実用化されている。共振型電源は名前に示すとおりに、電流あるいは電圧波形をコイルとコンデンサによって共振させサイン波状としてスイッチングさせるものである。
【０００４】
その共振型電源において、特にスイッチング時の短期間においてのみ共振現象を利用する部分共振型電源（疑似共振型電源とも言う。）が比較的容易に制御回路を構成できるという利点から、定電圧出力用の電源として用いられている。
【０００５】
図４に定電圧出力用の部分共振型電源の回路構成の一例を示す。図において、１は交流電源、５は出力電圧の信号を後述するスイッチングＩＣ１０１に帰還するフォトカプラ等からなる出力制御信号伝達手段である。６はスイッチングＩＣ１０１を起動するための起動抵抗、７はＦＥＴからなるスイッチング素子であり、高周波トランス１３０の入力電圧が印加される１次巻線１３１との直列回路で構成されている。８は高周波トランス１３０の１次巻線１３１に連なる共振用コンデンサであり、１次巻線１３１の蓄積エネルギーの放出終了後に１次巻線１３１のインダクタンスと共振回路を形成する。１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２からなる１次側整流平滑回路、２０はダイオード２１、平滑用コンデンサ２２、放電抵抗２３からなる２次側整流平滑回路であり、ダイオード２１はスイッチング素子７のオフ期間にオンになる方向性を有する。９０はツェナーダイオード９１、抵抗９２、９３からなる出力電圧制御回路であり、ツェナーダイオード９１のツェナー電圧により出力は制御される。１００はスイッチングＩＣ１０１、ダイオード１０２、１０３、抵抗１０４〜１０７、コンデンサ１０８、１０９、ツェナーダイオード１１０からなるスイッチング制御手段であり、スイッチングＩＣ１０１は電源端子１０１ａ、グランド端子１０１ｂ、フィードバック端子１０１ｃ、制御パルス出力端子１０１ｄを有する。１３０はダイオード１３１、コンデンサ１３２からなる整流平滑回路であり、スイッチングＩＣ１０１の電源となり、ＡＣ電源が投入すると同時にスイッチングＩＣ１０１が動作可能な電圧を出力する。ダイオード１２１はスイッチング素子１０２のオン期間にオンになる方向性を有する。１３０は１次巻線１３１、２次巻線１３２、３次巻線１３３からなる高周波トランスであり、直流の入力電圧が印加される１次巻線１３１に対し、２次巻線１３２は定電圧出力をするための出力巻線、３次巻線１３３はスイッチングＩＣ１０１の電源用、及び遅延制御を可能とする共振信号を出力する出力巻線である。なお１次巻線１３１に対し、２次巻線１３２、３次巻線１３３は逆極性の構成であり、スイッチング素子７のオフ期間に２次巻線１３２、３次巻線１３３にフライバック電圧を生成する。この電圧により２次側に定電圧と、図５の１次巻線１３１の電圧（Ｖ１３１）、及びスイッチング素子７の両端電圧（ＶＤＳ）に示すように、スイッチング素子７をターンＯＮさせるタイミングをトランスがエネルギーを放出した後の電圧共振波形のボトム点、すなわち高周波トランス１３０の１次巻線１３１のインダクタンス（Ｌ１３１）と共振コンデンサの容量（Ｃ８）で決まる共振周波数の１／２周期と一致させるため、３次巻線１３３の出力電圧から生成する共振信号を遅延回路であるコンデンサ１０８、ダイオード１０２、１０３、抵抗１０５の作用により零Ｖスイッチングが可能になる。それ故２次巻線１３２、３次巻線１３３は１次巻線１３１に対し逆極性の構成としなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の部分共振型電源を異なるセル数の電池パックを充電可能な充電装置の電源回路として用いた場合、充電装置の多くは定電流充電を行うので、その２次巻線１３２から生成される出力電圧は上記図４の電源回路のような定電圧出力ではなく、定電流充電時の電池電圧に応じて可変になる。
【０００７】
それ故、例えばセル数の少ない電池パックを充電するときは、図４の２次巻線１３２の出力電圧は当然低電圧になり、またセル数の多い電池パックを充電するときは、２次巻線１３２の出力電圧は当然高電圧になる。
【０００８】
同様に、３次巻線１３３の出力電圧も２次巻線１３２と同じフライバック電圧であるので、図４のスイッチング制御を行うスイッチングＩＣ１０１の電源端子１０１ａに印加される電圧は、２次巻線１３２の出力電圧Ｖ１３２、２次巻線１３２の巻数Ｎ１３２、３次巻線の出力電圧Ｖ１３３、３次巻線１３３の巻数Ｎ１３３とすると次式の関係が成り立つ。
【０００９】
Ｖ１３３＝（Ｎ１３３／Ｎ１３２）×Ｖ１３２・・・・（１）
その結果、（１）式からも分かるように、３次巻線１３３の出力電圧は充電される電池パックの充電電圧に比例する。それ故、スイッチングＩＣ１０１の電源端子１０１ａに印加される電圧を、例えばセル数の少ない電池パックに併せ３次巻線１３３の巻数を設定した場合、セル数の多い電池パックを充電する際にスイッチングＩＣ１０１の最大定格を越えた電圧が印加される恐れがあり、逆にセル数の多い電池パックに併せ３次巻線１３３の巻数を設定した場合、セル数の少ない電池パックを充電する際にスイッチングＩＣ１０１が動作する電圧が出力されない恐れがあるといった問題が生じる。
【００１０】
また同様に、３次巻線１３３はスイッチング時の共振信号も出力し、上記と同様に充電されている電池パックの充電電圧に比例して変動し、その結果スイッチングＩＣ１０１のフィードバック端子１０１Ｃに印加される電圧が変動し、共振動作が不安定になるといった問題が生じる。
【００１１】
本発明の目的は上記した従来技術の欠点をなくし、電源の起動及びスイッチング制御を安定化した部分共振型電源を電源回路に用いた充電装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、スイッチングの切り換え時を共振動作で行い周波数制御により出力を調整するスイッチング制御手段と、入力電圧が印加される入力巻線と数種の出力巻線を有する高周波トランスと、該高周波トランスの出力巻線は被充電電池を充電する電力供給用の出力巻線と、スイッチング制御手段の電源を生成する出力巻線と、零Ｖスイッチングを可能とする共振信号を生成する出力巻線を備え、前記スイッチング制御手段の電源を生成する出力巻線は入力電圧が印加される入力巻線と同極性であり、前記被充電電池を充電する電力供給用の出力巻線と前記零Ｖスイッチングを可能とする共振信号を生成する出力巻線は入力電圧が印加される入力巻線とは逆極性の構成にすることにより達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例である。図において、１は交流電源、２は複数の充電可能な素電池を直列に接続した電池パック、３は電池パック２に流れる充電電流を検出する電流検出手段、４は充電電流を設定する充電電流設定手段であって、マイコン５０の出力ポート５６からの信号に対応して演算増幅器６２の反転入力端に印加する電圧値を変えるものである。５は出力電圧の信号及び充電電流の信号を後述するスイッチングＩＣ１０１に帰還するフォトカプラ等からなる出力制御信号伝達手段である。６はスイッチングＩＣ１０１を起動するための起動抵抗、７はＦＥＴからなるスイッチング素子であり、高周波トランス８０の入力電圧が印加される１次巻線８１との直列回路で構成されている。８は高周波トランス８０の１次巻線８１に連なる共振用コンデンサであり、１次巻線８１の蓄積エネルギーの放出終了後に１次巻線８１のインダクタンスと共振回路を形成する。１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２からなる１次側整流平滑回路、２０はダイオード２１、平滑用コンデンサ２２、放電抵抗２３からなる２次側整流平滑回路であり、ダイオード２１はスイッチング素子１０２のオフ期間にオンになる方向性を有する。３０はダイオード３１、３２、ツェナーダイオード３３、トランジスタ３４、抵抗３５、コンデンサ３６、３７からなる第一定電圧回路であり、スイッチングＩＣ１０１の電源となり、ＡＣ電源が投入すると同時にスイッチングＩＣ１０１が動作する電圧を出力する。ダイオード３１はスイッチング素子７のオン期間にオンになる方向性を有する。４０は抵抗４１、４２からなる電池電圧検出手段で電池組２の端子電圧を分圧する。５０は演算手段（ＣＰＵ）５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、タイマ５４、Ａ／Ｄコンバータ５５、出力ポート５６、リセット入力５７からなるマイコンである。６０は演算増幅器６１、６２、抵抗６３、６４、６５、６６、６７、ダイオード６８からなる充電電流制御手段、７０はダイオード７１、コンデンサ７２、７３、３端子レギュレータ７４、リセットＩＣ７５からなる第二定電圧回路であり、マイコン５０、充電電流制御手段６０等の電源となる。リセットＩＣ７５はマイコン５０を初期状態にするためにリセット入力７５にリセット信号を出力する。８０は１次巻線８１、２次巻線８２、３次巻線８３、４次巻線８４、５次巻線８５からなる高周波トランスであり、直流の入力電圧が印加される１次巻線８１に対し、２次巻線８２は電池パック２を充電するための出力巻線、３次巻線８３はスイッチングＩＣ１０１の電源用の出力巻線、４次巻線８４は共振信号を出力する出力巻線、５次巻線８５はマイコン５０、充電電流制御手段６０等の電源用の出力巻線である。なお１次巻線８１に対し、２次巻線８２、４次巻線８４は逆極性の構成であり、３次巻線８３、５次巻線８５は同極性である。９０はツェナーダイオード９１、抵抗９２、９３、ダイオード９４からなる出力電圧制御回路であり、ツェナーダイオード９１は電池パック２の電圧より高く設定されたツェナー電圧であり、電池パック２が充電装置に実装されたいないときは、このツェナー電圧により出力は制御される。１００はスイッチングＩＣ１０１、ダイオード１０２、１０３、抵抗１０４、１０５、１０６、１０７、コンデンサ１０８、１０９、ツェナーダイオード１１０からなるスイッチング制御手段であり、スイッチングＩＣ１０１は電源端子１０１ａ、グランド端子１０１ｂ、フィードバック端子１０１ｃ、制御パルス出力端子１０１ｄを有する。
【００１４】
図１のスイッチングＩＣ１０１は、図２に示すブロック図で構成されている。２０１は電源端子１０１ａからの入力電圧を定電圧化する定電圧回路、２０２は制御パルス出力端子１０１ｄを介しスイッチング素子７を駆動するためのドライブ電圧を出力するドライブ回路、２０３はドライブ回路２０２を介しスイッチング素子７をオン・オフさせる制御パルス信号を出力する発振回路、２０４は第一比較器、２０５は第二比較器であり、フィードバック端子１０１ｃに印加された電圧をそれぞれ所定の電圧値と比較し、比較器の出力に応じて発振回路２０３は制御パルス信号の出力を制御する。２０６は所定の電圧値Ｖｔｈ（１）を発する基準電源であり、第一比較器２０４の非反転入力端に印加されてる。２０７は所定の電圧値Ｖｔｈ（２）（  Ｖｔｈ（２）＞  Ｖｔｈ（１））を発する基準電源であり、第一比較器２０４の非反転入力端に印加されている。２０８はスイッチング素子７のドライブ電流を制限する制限抵抗である。
【００１５】
次に本発明の実施例に係わる部分共振型電源の制御動作について図１、図２及び図３の動作波形を参照して説明する。
【００１６】
ここで説明する部分共振動作とは、図３の１次巻線８１の電圧（Ｖ８１）、及びスイッチング素子７の両端電圧（ＶＤＳ）に示すように、スイッチング素子７をターンＯＮさせるタイミングをトランスがエネルギーを放出した後の電圧共振波形のボトム点、すなわち高周波トランス８０の１次巻線８１のインダクタンス（Ｌ８１）と共振コンデンサの容量（Ｃ８）で決まる共振周波数の１／２周期と一致させることである。
【００１７】
まづ、ＡＣ電源を投入すると起動抵抗６を介し、第一定電圧回路３０のコンデンサ３７が充電され、スイッチングＩＣ１０１が動作する所定の電圧に達したら、スイッチングＩＣは動作し、電源は起動する。
【００１８】
起動と同時に高周波トランス８０の３次巻線８３に電圧が生じ、この電圧を第一定電圧回路３０により、スイッチングＩＣ１０１の電源端子１０１ａにスイッチングＩＣ１０１が動作する電圧を印加する。
【００１９】
出力の制御は、電池パック２が充電装置に実装され電源の出力に接続されている場合は、電池パック２に充電電流が流れるので、この充電電流を電流検出手段３により検出し、この充電電流に対応する電圧と、マイコン５０の出力ポート５６の出力に応じて充電電流設定手段８０が出力する所定の充電電流に対応する充電電流設定基準との差を充電電流制御手段６０より、出力制御信号伝達手段５を介してスイッチングＩＣ１０１のフィードバック端子１０１ｃに帰還をかけることにより、所定の電流値に制御される。
【００２０】
また、電池パック２が充電装置に実装されていない場合は、出力電圧制御回路９０により、出力制御信号伝達手段５を介して、スイッチングＩＣ１０１のフィードバック端子１０１ｃに帰還をかけることにより所定の電圧に制御される。この時、制御される電圧は、電池パック２が充電されているときに、出力電圧制御回路９０が動作しない電圧に設定しなければならない。
【００２１】
スイッチングの制御方法は、フィードバック端子１０１ｃに印加される電圧が、高周波トランス８０の４次巻線８４の出力電圧から、ダイオード１０２、抵抗１０５、ダイオード１０３を介しスイッチングＩＣ１０１のフィードバック端子１０１ｃへ接続されているため、図４に示すように、スイッチング素子７がオフしたときに、４次巻線８４に発生するフライッバック電圧（Ｖ８４）から共振信号が生成される。これにより、フィードバック端子の電圧（Ｖ１０１ｃ）は、図４に示すように、オン・オフ制御回路１０１の第一比較器２０４、第二比較器２０５が動作し（Ｖｔｈ（２）以上）、第二比較器２０５が動作すると発振回路２０３のオフ時間は、基準電圧Ｖｔｈ（１）以上の電圧を保持している間は発振回路の出力によりスイッチング素子７はオフし続ける。この時高周波トランス８０のエネルギー放出が終わっても、フィードバック端子１０１ｃに印加される電圧（共振信号）は遅延回路であるコンデンサ１０８、ダイオード１０２、１０３、抵抗１０５の作用により直ぐに降下せず、コンデンサ１０８及びコンデンサ１０９に充電された電荷が抵抗１０７とスイッチングＩＣ１０１の内部インピーダンスとの合成インピーダンスによって放電され一定時間後に、基準電圧Ｖｔｈ（１）以下に下がるためである。この一定時間をスイッチング素子７が最も低くなったときにターンＯＮするようにコンデンサ１０８を調整すれば零Ｖスイッチングが可能になりスイッチングロスは低減できる。
【００２２】
ターンＯＮ後は出力制御信号伝達手段５を流れるフィードバック電流が抵抗１０６に流れ、これによって生じる電圧に、スイッチング素子７に流れる電流（ＩＤ）によって抵抗１０７に生じる電圧降下がフィードバック端子１０１ｃに印加され、この電圧が第一比較器２０４の基準電圧Ｖｔｈ（１）に達すると第一比較器２０４が動作し、発振回路２０３はドライブ回路２０２にスイッチング素子７をオフする信号を出力しスイッチング素子７をオフさせる。
【００２３】
この回路構成において、高周波トランス８０の４次巻線８４に生成する出力電圧は、２次巻線８２の出力電圧と同じフライバック電圧であり、その電圧値は比例関係にある。それ故共振動作を安定化するためには、充電装置に最もセル数の少ない電池パック、すなわち電池電圧が最少電池パックを充電するときにスイッチングＩＣ１０１のフィードバック端子１０１ｃには図２の第二比較器２０５の基準電圧電圧Ｖｔｈ（２）以上の電圧が印加されるように４次巻線８４の巻数、抵抗１０５の抵抗値を調整する。また電池パック２が充電装置に実装されていない場合は、出力電圧は出力電圧制御回路９０により、充電中の出力電圧より高い電圧が出力しているので、スイッチングＩＣ１０１のフィードバック端子１０１ｃには先の出力電圧が低いときとは逆に大きな電圧が印加されるので、ツェナーダイオード１１０で所定の電圧以下になるようクランプする。
【００２４】
一方、高周波トランス８０の３次巻線８３は、高周波トランス８０の２次巻線８２とは逆極性であり、１次巻線８１とは同極性であるので、２次巻線８２の出力電圧の影響は少ない。そこで３次巻線８３は１次巻線８１の巻数に対しスイッチングＩＣ１０１が起動可能な所定の電圧になるよう調整し、さらに入力電圧や出力変動に対する影響を少なくするため３次巻線８３の出力を第一定電圧回路３０により定電圧化すれば、スイッチングＩＣ１０１の電源端子１０１ａの印加電圧は一定であり、電源動作に問題は生じない。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、部分共振型電源を充電装置の電源回路として用いても、電源の起動及びスイッチング制御を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を示す回路図。
【図２】図１及び図４のスイッチングＩＣを説明する回路ブロック図。
【図３】図１の各部の状態を示す動作波形図。
【図４】従来技術の１実施例を示す回路図。
【図５】図４の共振動作を説明する動作波形図。
【符号の説明】
２は電池パック、７はスイッチング素子、８は共振コンデンサ、３０は第一定電圧回路、５０はデータの演算、充電の開始停止信号、及びスイッチング制御方式の切換信号を出力する等の機能を持つ充電制御手段としてのマイコン、８０は高周波トランス、１００はスイッチング制御手段である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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