(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主スイッチング素子のオン、オフ動作に伴ってインダクタンス部品の所定の巻線端に現れた電圧から少なくとも一つの出力電圧を得るスイッチング電源装置において、
主電流路の一端が直流電圧が得られる回路位置に接続され、その制御端子には該インダクタンス部品の所定の巻線位置に現れた電圧による同期駆動信号が供給される補助スイッチング素子と、
該補助スイッチング素子の主電流路の他端と電源出力端子との間に接続された平滑回路と、
その主電流路がコンデンサを介して該補助スイッチング素子の制御端子に接続され、該電源出力端子に現れた出力電圧に応じて動作する制御トランジスタと、を具備する降圧回路を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記制御トランジスタの主電流路に対して並列に接続されたダイオードを具備することを特徴とする、請求項１に記載したスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記直流電圧が得られる回路位置が、整流素子を介して前記インダクタンス部品の所定の巻線端に接続された出力コンデンサの一端であることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載したスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記出力コンデンサの両端に現れた電圧は、前記主スイッチング素子を含む制御系のフィードバック制御動作により安定化されることを特徴とする、請求項３に記載したスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記出力コンデンサの両端に現れた電圧を第１の出力電圧とし、前記出力端子に現れた電圧を第２の出力電圧とするマルチ出力型である事を特徴とする、請求項３あるいは請求項４に記載したスイッチング電源装置。
【請求項６】
供給される入力電圧が前記第１の出力電圧より低く、電源装置が昇圧型であることを特徴とする、請求項５に記載した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、複数の出力電圧を得るためのスイッチング電源装置において、主スイッチング素子を含む制御系のフィードバック制御動作によって電圧の安定化が直接には行われない出力電圧を安定化させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器はその内部に数多くの機能回路や装置を備え、これら機能回路や装置に供給すべき駆動電圧が２以上の種類（電圧値）となることは当然のようになった。
例えば、電圧値の異なる複数の電圧を得るには、その電圧の必要数だけの電源回路を備えた電源装置を使用することも考えられる。しかし、電源回路の数が多くなるとコストは上昇し、形状も大きくなるといった問題がある。このため、電子機器に内蔵する電源装置には、一つの電源から電圧値の異なる複数の出力電圧が得られるマルチ出力型のスイッチング電源装置が要求されることが多い。
このようなマルチ出力型のスイッチング電源装置の一例として、従来においては図３に示すような構成のスイッチング電源装置が存在した。
【０００３】
図３に示す回路は、先ず、高電位側の入力端子１とアースとの間にトランスＴ１の１次巻線Ｎ１と主スイッチングトランジスタＱ１の主電流路を直列に接続し、主スイッチングトランジスタＱ１のベースに制御回路４を接続する。なお、アースは図３に示す回路の基準電位点であり、低電位側の入力端子および低電位側の各出力端子は図示を省略してあるがアースに接続されているものとする。
トランスＴ１の２次巻線Ｎ２の一端ａはダイオードＤ１を介して高電位側の第１の出力端子２に接続し、その出力端子２とアースとの間にコンデンサＣ２を接続し、このダイオードＤ１と出力コンデンサＣ２により電源装置の第１の出力回路５ｂを形成する。
【０００４】
また、２次巻線Ｎ２のタップＣＴはダイオードＤ４を介して高電位側の第２の出力端子３に接続し、その出力端子３とアースとの間にコンデンサＣ６を接続し、このダイオードＤ４とコンデンサＣ６により電源装置の第２の出力回路６ｂを形成する。なお２次巻線Ｎ２の他端ｂはアースに接続する。
そして、入力端子１とアースとの間にはフィルタ用のコンデンサＣ１を接続する。出力端子２とアースとの間には出力電圧検出用の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路を接続し、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点に現れた電圧を制御回路４に入力する、回路構成としている。
【０００５】
このような構成とした図３の回路では、制御回路４が出力する駆動信号に従ってスイッチングトランジスタＱ１がオン、オフ動作を繰り返す。すると、スイッチングトランジスタＱ１の動作に伴ってトランスＴ１の２次巻線Ｎ２に交番電圧が発生する。ここで、２次巻線Ｎ２の一端ａと他端ｂの間に現れた交番電圧は第１の出力回路５ｂにおいて整流、平滑され、これにより、第１の出力端子２の位置に第１の出力電圧ＶＯ１が出現する。また、２次巻線Ｎ２のタップＣＴと他端ｂの間に現れた交番電圧は第２の出力回路６ｂにおいて整流、平滑され、これにより、第２の出力端子３の位置に第２の出力電圧ＶＯ２が出現する。
【０００６】
ところで、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点に現れる電圧信号は第１の出力端子２に出現した第１の出力電圧ＶＯ１の電圧値に応じた大きさとなる。何らかの理由によって第１の出力電圧ＶＯ１が所定の値から変動した場合、制御回路４は抵抗Ｒ１とＲ２の接続点に現れた電圧信号に応じて駆動信号のパルス幅を変化させ、スイッチングトランジスタＱ１のオン、オフ期間の比率、すなわちオンディーティを変化させる。スイッチングトランジスタＱ１のオンデューティが変化すると１次巻線Ｎ１を通過する電流の単位時間当たりの流量が変化し、トランスＴ１の１次側から２次側へ伝達されるエネルギー量が変化する。すると第１の出力電圧ＶＯ１は、変化した伝達エネルギー量に応じてその電圧値を元の所定の電圧値に復元するような作用を受ける。
【０００７】
以上のような出力電圧の大きさに基づくスイッチング動作の制御、いわゆるフィードバック制御によって、図３に示す回路の第１の出力電圧ＶＯ１は所定の値に安定化される。
なお、第２の出力電圧ＶＯ２については、第１の出力電圧ＶＯ１の電圧値がほぼ一定の値で安定していれば、外部要因、すなわち各出力端子にそれぞれ接続された外部負荷の状態や入力電圧ＶＩＮが変化しない限り、その電圧値はほぼ一定の値で安定することになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す回路で、出力端子２または３に接続された外部負荷の状態、あるいは入力電圧ＶＩＮなどが変化した時、第１の出力電圧ＶＯ１については先のフィードバック制御動作によって安定化されているため、電圧値の変動はほとんど起こらない。しかし第２の出力電圧ＶＯ２については、仮令、第１の出力電圧ＶＯ１の電圧値が安定していても、様々な外部要因の変化によって電圧値が変動してしまう。これは、電源回路を構成するトランスＴ１の各巻線間の磁気的結合が完全（結合係数が１．０）ではないこと、各巻線に存在する電気抵抗とそこを流れる電流によって電圧降下を生じること等が原因と考えられている。
【０００９】
そのため、図３に示す回路構成としたスイッチング電源装置は、入力電圧ＶＩＮや外部負荷の状態が大きく変化するような場合、第２の出力電圧ＶＯ２の電圧値に高い安定度は望めない、換言すると、フィードバック制御が作用する第１の出力電圧ＶＯ１の一つしか安定度の高い電圧が得られないとの問題があった。
そこで本発明は、外部要因の変化に対して安定度が高い出力電圧が複数得られるスイッチング電源装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によるスイッチング電源装置は、主スイッチング素子のオン、オフ動作に伴ってインダクタンス部品の所定の巻線端に現れた電圧から少なくとも一つの出力電圧を得るスイッチング電源装置において、主電流路の一端が直流電圧が得られる回路位置に接続され、その制御端子にはインダクタンス部品の所定の巻線位置に現れた電圧による同期駆動信号が供給される補助スイッチング素子と、補助スイッチング素子の主電流路の他端と電源出力端子との間に接続された平滑回路と、その主電流路がコンデンサを介して補助スイッチング素子の制御端子に接続され、電源出力端子に現れた出力電圧に応じて動作する制御トランジスタとを具備する降圧回路を設けたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
主スイッチング素子、インダクタンス部品、ダイオードおよび出力コンデンサを相互に接続して電源回路を構成する。さらに当該電源回路に制御回路等を組み込み、出力コンデンサの端子間電圧を安定化するためのにフィードバック制御系を形成しておく。
安定化された直流電圧が得られる出力コンデンサの一端と所定の電源出力端子との間に補助スイッチング素子と平滑回路を接続する。補助スイッチング素子の制御端子はインピーダンス回路を介してインダクタンス部品の所定の巻線位置に接続し、補助スイッチング素子に同期駆動信号を供給する。補助スイッチング素子の制御端子と基準電位点との間にコンデンサと制御トランジスタの主電流路を直列に接続する。制御トランジスタの制御端子は定電圧素子を介して電源出力端子に接続し、制御トランジスタを出力電圧に応じて動作させる。制御トランジスタの主電流路に対してダイオードを並列に接続し、コンデンサの放電路を確保する。
【００１２】
【実施例】
外部要因の変化に対して安定度が高い出力電圧が複数得られる、本発明の第１の実施例によるスイッチング電源装置の回路を図１に示した。
図１に示す回路は以下のような回路構成としている。
入力端子１とアースとの間にチョークコイルＬ１と主スイッチングトランジスタＱ１を直列に接続し、主スイッチングトランジスタＱ１のベースに制御回路４を接続する。入力端子１とアースとの間にはフィルタ用のコンデンサＣ１を接続する。チョークコイルＬ１の主スイッチングトランジスタＱ１側の一端をダイオードＤ１を介して出力コンデンサＣ２の一端に接続し、出力コンデンサＣ２の他端はアースに接続する。出力コンデンサＣ２の一端はさらに第１の出力端子２に接続し、このダイオードＤ１と出力コンデンサＣ２とにより第１の出力回路５ａを構成する。
【００１３】
出力コンデンサＣ２の一端にＰＮＰ型バイポーラトランジスタによる補助スイッチングトランジスタＱ２のエミッタを接続し、補助スイッチングトランジスタＱ２のコレクタをチョークコイルＬ２を介して第２の出力端子３に接続する。チョークコイルＬ２の両端にはそれぞれ他端がアースに接続された転流ダイオードＤ２とコンデンサＣ３を接続し、平滑回路を構成する。補助スイッチングトランジスタＱ２のベースを抵抗Ｒ３とコンデンサＣ４の並列回路を介してチョークコイルＬ１の主スイッチングトランジスタＱ１側の一端に接続し、さらに補助スイッチングトランジスタＱ２のベースをコンデンサＣ５を介してＮＰＮ型バイポーラトランジスタによる制御トランジスタＱ３のコレクタに接続する。
【００１４】
制御トランジスタＱ３のエミッタはアースに接続し、制御トランジスタＱ３のベースは定電圧ダイオードＤＺ１を介して第２の出力端子３に接続する。制御トランジスタＱ３のコレクタ、エミッタ間に、その順方向が制御トランジスタＱ３と逆となるようにダイオードＤ３を接続する。この補助スイッチングトランジスタＱ２、制御トランジスタＱ３、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ３、Ｃ４、チョークコイルＬ２、転流ダイオードＤ２、ダイオードＤ３および定電圧ダイオードＤＺ１により第２の出力回路６ａを構成する。
そして、第１の出力端子２とアースとの間に抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２を直列に接続し、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点に現れた電圧信号を制御回路４に入力する。
このような構成とした図１の回路の概略の動作は以下のようになる。
【００１５】
主スイッチングトランジスタＱ１がオン状態になると、主スイッチングトランジスタＱ１のコレクタ電圧はほぼ零となり、入力端子１からチョークコイルＬ１に電流が流入する。この間、チョークコイルＬ１にはエネルギーが蓄積される。そして、主スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態に転換すると、チョークコイルＬ１にはフライバック電圧が発生し、入力電圧ＶＩＮとフライバック電圧の合成電圧が主スイッチングトランジスタＱ１のコレクタに現れる。この合成電圧はダイオードＤ１を介して出力コンデンサＣ２に供給され、出力コンデンサＣ２が充電される。この時に出力コンデンサＣ２の端子間に現れた電圧が、第１の出力電圧ＶＯ１として第１の出力端子２より外部の負荷に供給されることになる。なお、第１の出力電圧ＶＯ１は、その電圧値に応じて主スイッチングトランジスタＱ１のオン期間を変化させるといった制御動作を成す、抵抗Ｒ１、Ｒ２と制御回路４、そして主スイッチングトランジスタＱ１によって構成されるフィードバック制御系により安定化される。
【００１６】
一方、第２の出力回路６ａについては、主スイッチングトランジスタＱ１の動作と第２の出力電圧ＶＯ２の電圧値に応じて、以下のような動作を行う。
主スイッチングトランジスタＱ１がオン状態となると、補助スイッチングトランジスタＱ２のベースから抵抗Ｒ３とコンデンサＣ４の並列回路を介して主スイッチングトランジスタＱ１のコレクタへ向けて電流が流れ出す。すると補助スイッチングトランジスタＱ２は順方向バイアスを受け、オン状態となる。補助スイッチングトランジスタＱ２がオン状態となると、チョークコイルＬ２とコンデンサＣ３には、出力コンデンサＣ２から補助スイッチングトランジスタＱ２を介してエネルギーが供給され、第２の出力端子３に第２の出力電圧ＶＯ２が出現する。
【００１７】
やがて、主スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態となると、主スイッチングトランジスタＱ１のコレクタには入力電圧ＶＩＮとチョークコイルＬ１のフライバック電圧との合成電圧が出現する。すると、補助スイッチングトランジスタＱ２のエミッタにはダイオードＤ１を介して、ベースには抵抗Ｒ３とコンデンサＣ４の並列回路を介して、それぞれ同一の合成電圧が供給される。このため、補助スイッチングトランジスタＱ２のベース、エミッタ間には順方向バイアスが供給されなくなり、補助スイッチングトランジスタＱ２はオフ状態へ移行する。補助スイッチングトランジスタＱ２がオフ状態となると出力コンデンサＣ２からのエネルギー供給が途絶え、第２の出力電圧ＶＯ２はチョークコイルＬ２およびコンデンサＣ３にそれまでに蓄積されたエネルギーによって維持されることになる。
【００１８】
このようにして補助スイッチングトランジスタＱ２が主スイッチングトランジスタＱ１のスイッチング動作に対して受動的にオン、オフ動作をすることにより第２の出力電圧ＶＯ２が得られる。
実際の回路においては、補助スイッチングトランジスタＱ２がオン、オフ動作を継続すると第２の出力電圧ＶＯ２の電圧値は徐々に上昇していく。ここで、第２の出力電圧ＶＯ２の電圧値が定電圧ダイオードＤＺ１のツェナー電圧よりも高くなると、第２の出力端子３から制御トランジスタＱ３のベースに定電圧ダイオードＤＺ１を介して電流が流れ込み、制御トランジスタＱ３はオン状態となる。制御トランジスタＱ３がオン状態となると補助スイッチングトランジスタＱ２のベースはコンデンサＣ５を介してアースに接続されることになる。
【００１９】
この時、コンデンサＣ５の充電が完了するまでは、補助スイッチングトランジスタＱ２のベース電流がコンデンサＣ５と制御トランジスタＱ３を介してアースに流れ込み、補助スイッチングトランジスタＱ２はオン状態となる。しかし、所定の遅れ時間（図２中のｔ１）を経てコンデンサＣ５の充電が完了すると、補助スイッチングトランジスタＱ２のベース電流の流通は停止し、補助スイッチングトランジスタＱ２はオフ状態となる。
制御トランジスタＱ３がオン状態にある間、補助スイッチングトランジスタＱ２は、仮令、主スイッチングトランジスタＱ１がオン状態となっても、充電状態にあるコンデンサＣ５の端子間電圧（ＶＣ５）によって順方向バイアスが受けられず、図２に示すようにオフ状態を維持する。その結果、第２の出力電圧ＶＯ２は、外部負荷による電力の消費によって徐々に電圧値が低下していく。
【００２０】
やがて第２の出力電圧ＶＯ２の電圧値が定電圧ダイオードＤＺ１のツェナー電圧より低くなると、制御トランジスタＱ３のベースへの電流の流入は停止し、制御トランジスタＱ３はオフ状態となる。制御トランジスタＱ３がオフ状態となると、コンデンサＣ５はダイオードＤ３を介して放電を行うようになる。
この時、補助スイッチングトランジスタＱ２は、コンデンサＣ５の端子間電圧によって、ほぼオフ状態を維持している。しかし、所定の遅れ時間（ｔ２）を経てコンデンサＣ５の放電が完了すると、補助スイッチングトランジスタＱ２は従前の通り、主スイッチングトランジスタＱ１のスイッチング動作に対して受動的にオン、オフ動作を行うようになる。
【００２１】
その結果、オン、オフ動作を繰り返す補助スイッチングトランジスタＱ２を介して、出力コンデンサＣ２からチョークコイルＬ２、コンデンサＣ３に対してエネルギーが供給され、第２の出力回路６ａには、再び、第２の出力電圧ＶＯ２の電圧値を上昇させようとする作用が働く。
以上のように、主スイッチングトランジスタＱ１の継続したスイッチング動作に対して補助スイッチングトランジスタＱ２が間欠的にオン、オフ動作をすることにより、補助スイッチングトランジスタＱ２を通過するエネルギー量が制御され、第２の出力電圧ＶＯ２が安定化される。このため、スイッチング電源装置を図１に示すような回路構成とすれば、第２の出力電圧ＶＯ２に補助スイッチングトランジスタＱ２の間欠動作に伴うリップルは現れるものの、外部の負荷の状態や入力電圧ＶＩＮなどの外部要因の変化に対して安定度の高い出力電圧が複数（２つ）得られることになる。
【００２２】
なお、図１に示す本発明の実施例では、第１と第２の２つの出力電圧を得るための電源装置に本発明を適用したものであるが、３以上の出力電圧を得る構成の電源装置に本発明を適用しても構わない。また、実施例の回路では、チョークコイルＬ１と主スイッチングトランジスタＱ１と第１の出力回路５ａが昇圧チョッパコンバータの回路構成となっているが、図３のようにトランスを使用した構成としても構わない。さらに実施例では、本発明を昇圧型のスイッチング電源装置に適用したものを例示しているが、昇降圧型のスイッチング電源装置に本発明を適用しても良く、また補助スイッチング素子を含む第２の出力回路の回路部分を降圧チョッパ回路の構成ではなく、極性反転の回路の構成としても構わない。そして、図１の回路では補助スイッチングトランジスタＱ２のエミッタを安定化された直流電圧が現れる出力コンデンサＣ２の一端に接続しているが、非安定の直流電圧が現れる入力端子１に接続しても構わない。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によるスイッチング電源装置は、主スイッチング素子を含むフィードバック制御系の制御動作によってその端子間電圧が安定化される出力コンデンサに対し、補助スイッチング素子と平滑回路を接続する。補助スイッチング素子の制御端子に対して主スイッチング素子と接続されたインダクタンス部品より同期駆動信号を供給する。そして、前記平滑回路に得られる出力電圧に応じてオンオフ動作をする制御トランジスタを設け、補助スイッチング素子の制御端子をコンデンサを介して制御トランジスタの主電流路に接続する構成を特徴としている。
このような本発明によれば、外部の負荷の状態や入力電圧ＶＩＮなどの外部要因の変化に対して安定度の高い出力電圧が複数得られる、マルチ出力型のスイッチング電源装置を構成することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるスイッチング電源装置の回路図。
【図２】図１に示す回路の各部の電圧波形と、２つのスイッチング素子の動作タイミングを示す図。
【図３】従来のマルチ出力型のスイッチング電源装置の一例の回路図。
【符号の説明】
１：入力端子      ２：第１の出力端子      ３：第２の出力端子      ４：制御回路      ５ａ、５ｂ：第１の出力回路      ６ａ、６ｂ：第２の出力回路
Ｃ２：出力コンデンサ      Ｃ５：コンデンサ      Ｄ２：転流ダイオード
Ｄ３：ダイオード      ＤＺ１：定電圧ダイオード      Ｌ１：チョークコイル      Ｑ１：主スイッチングトランジスタ（主スイッチング素子）
Ｑ２：補助スイッチングトランジスタ（補助スイッチング素子）      Ｑ３：制御トランジスタ      ＶＩＮ：入力電圧      ＶＯ１：第１の出力電圧      ＶＯ２：第２の出力電圧
【図１】
0003571959.tif 000002
【図２】
0003571959.tif 000003
【図３】
0003571959.tif 000004