(57)【要約】【課題】パソコンなどデジタル電子機器に使用されているＡＣアダプタはコンデンサインプット整流による高調波電流が電源供給の障害なり問題になっている。力率改善回路を追加すると、力率は改善するものの、効率が悪化する。その原因は、交流⇒直流⇒交流⇒直流⇒交流⇒直流と何度も変換しているためである。効率を改善するとともに、力率も改善できるスイッチング電源を提供する。【解決手段】コンデンサインプットの平滑を止めて、入力電流を入力電圧に比例制御することで、力率を改善するコンバータ回路にフライバックコンバータなどの絶縁タイプを採用することで、ワンコンバータ化する。【効果】効率は、８３％から８７％に改善できる。力率は、０．９５以上に改善できる。部品点数が少なくなるため信頼性が向上する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を直流電圧に変換する電源回路において、誤差増幅回路とパルス幅変換回路を含めた制御回路と、整流回路と、半導体スイッチと、絶縁トランスと、整流回路と、コンデンサと、負荷電圧検知回路と、入力電流検知回路を備えたことを特徴とした高力率スイッチング電源回路。
【請求項２】
入力電圧検知回路と、カケ算回路を備えたことを特徴とする請求項１の高力率スイッチング電源回路。
【請求項３】
整流回路に電界効果トランジスタを備えたことを特徴とする請求項１の高力率スイッチング電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、パソコンなど電子機器に使用されるスイッチング電源回路で、力率を改善したＡＣアダプタなどの高力率スイッチング電源回路に関する。
【背景技術】  図２に、従来の高力率スイッチング電源のブロック回路図を示す。交流電源１３の電圧を整流回路１４とインダクタ１５と半導体スイッチ１６と整流回路１７とコンデンサ１８と電流検知回路２４と電圧検知回路２５と制御回路２６と電圧検知回路２７と誤差増幅回路２８で力率改善コンバータを構成する。制御回路２６は、電圧検知回路２７の信号と誤差増幅回路２８内の基準電圧と比較して、その誤差を誤差増幅回路２８で誤差を増幅した信号を電圧検知回路２５の信号をカケ算（×）回路で、電流の基準信号に変換する。この基準信号と電流検知回路２４の信号を比較して、その誤差を増幅した信号をパルス幅信号に変換して、半導体スイッチ１６を駆動する。【０００２】  インダクタ１５と半導体スイッチ１６と整流回路１７とコンデンサ１８は昇圧コンバータ回路を構成する。この昇圧コンバータ回路は力率改善が目的であり、コンデンサ１８の平均値電圧を一定に保ち、入力電流は電圧に比例する電流波形に制御される。これにより、力率は０．９５以上の値に改善できる。
コンデンサ１８の電圧は、半導体スイッチ１９とトランス２０と整流回路２１とコンデンサ２２で構成のフライバックコンバータ回路により、絶縁して負荷２３に電圧を供給する。制御回路２９は、負荷２３の電圧と同じコンデンサ２２電圧を電圧検知回路３０で検知した信号と誤差増幅回路３１内の基準電圧を比較して、その誤差を誤差増幅回路３１で増幅した信号をパルス幅信号に変換して、半導体スイッチ１９を駆動する。
次に、従来の回路図の図５を従来のブロック回路図の図２を比較する。交流電源５７は交流電源１３である。サーミスタ５８とダイオード５９、６０、６１、６２で整流回路１４を構成する。インダクタ７１はインダクタ１５である。半導体スイッチ７３は半導体スイッチ１６である。ダイオード７２は整流回路１７である。コンデンサ７４はコンデンサ１８である。半導体スイッチ７６は半導体スイッチ１９である。トランス７８はトランス２０である。ダイオード８１は整流回路２１である。コンデンサ８４はコンデンサ２２である。抵抗器６７は電流検知回路２４である。【０００３】  抵抗器６３と抵抗器６４で電圧検知回路２５を構成する。抵抗器６５と抵抗器６６で電圧検知回路２７を構成する。基準電圧も含んだ誤差増幅回路６８は誤差増幅回路２８である。カケ算回路６９と制御回路７０で制御回路２６を構成する。制御回路７０内に誤差増幅回路とパルス幅変換回路を含んむ。負荷８５は負荷２２である。抵抗器８２と抵抗器８３で電圧検知回路３０を構成する。シャントレギュレータ８０と抵抗器７９で誤差増幅回路３１を構成する。フォトカプラ７７は誤差増幅回路３１の信号を絶縁して制御回路２９へ送る。
図６は、従来の動作説明チャート図を示す。波形８６は交流電源５７の電圧である。波形８７は交流電源５７の電流である。波形８８はダイオード５９、６０、６１、６２で整流した電圧である。波形８９は半導体スイッチ７３のドレイン端子電圧である。波形９０はコンデンサ７４の電圧である。波形９１はトランス７８の電圧である。波形９２はコンデンサ８４の電圧である。【０００４】  図５を動作説明する。交流電源５７の電圧はサーミスタ５８を経由して、ダイオード５９、６０、６１、６２で全波整流する。サーミスタ５８は交流電源５７の投入時にインダクタ７１とダイオード７２を経由してコンデンサ７４に流れる突入電流を制限するために備えている。インダクタ７１と半導体スイッチ７３とダイオード７２とコンデンサ７４は昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路である。半導体スイッチ７３が閉するとインダクタ７１に全波整流の電圧が印加する。インダクタ７１に流れる電流は時間に比例して増える。半導体スイッチ７３が開するとインダクタ７１に流れていた電流は流れ続けようと逆起電力を発生する。この逆起電力によりインダクタ７１の電流はダイオード７２を経由してコンデンサ７４を充電する。半導体スイッチ７３が開閉を繰り返すことで、コンデンサ７４の電圧はダイオード５９、６０、６１、６２で全波整流した電圧より高い電圧に昇圧する。【０００５】  コンデンサ７４の電圧を抵抗器６５と抵抗器６６で分圧検知して、誤差増幅回路６８に内蔵された基準電圧と比較して、その誤差増幅信号をカケ算回路６９へ送る。カケ算回路６９では、この誤差増幅信号と抵抗器６３と抵抗器６４で分圧検知した電源電圧信号をカケ算した信号を制御回路７０へ送る。このカケ算した信号は電源電圧信号に比例した信号であり、その平均値はコンデンサ７４の電圧が一定に制御する信号である。交流電源５７の電流を抵抗器６７は検知している。抵抗器６７の電流検知信号と前記のカケ算して、その信号を制御回路７０へ送る。制御回路７０では、前記２つの信号（電流検知信号とカケ算した信号）を比較して、その誤差増幅信号をパルス幅信号に変換して半導体スイッチ７３へ送る。半導体スイッチ７３の開閉時間はコンデンサ７４の平均電圧が一定で、かつ、交流電源５７に流れる電流は交流電源５７の電圧に比例する。よって、力率は０．９５以上の１．０に近い値にできる。【０００６】  トランス７８の１次巻線は半導体スイッチ７６を経由してコンデンサ７４に接続している。半導体スイッチ７６が閉するとトランス７８に黒印が正の電圧が印加する。２次巻線電圧はダイオード８１で阻止されるために、１次巻線には時間に比例して増える励磁電流が流れる。半導体スイッチ７６が開すると、トランス７８の１次巻線に流れていた電流は流れ続けようと、黒印が負の逆起電力が発生するために、２次巻線からダイオード８１を通してコンデンサ８４に充電電流を流す。半導体スイッチ７６の開閉することでコンデンサ７４の電圧をコンデンサ８４の電圧に変圧して電力を変換する。コンデンサ８４に負荷８５を接続する。コンデンサ８４の電圧を抵抗器８２と抵抗器８３で分圧検知して、シャントレギュレータ８０の内部基準電圧と比較して、その誤差信号を増幅する。この誤差増幅信号は抵抗器７９とフォトカプラ７７を経由して制御回路７５へ送る。制御回路７５でパルス幅信号に変換して半導体スイッチ７６へ送る。この一連の動作でコンデンサ８４の電圧は波形９１の通り一定に安定する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  従来、回路構成が単純であることから、コンデンサインプット方式の整流回路がスイッチング電源に採用されていた。しかし、このコンデンサインプット方式は、高調波電流を多く含んだ電流が流れるために、その力率は、０．６程度で無駄な電流を余分に流して、交流電源に負担をさせていた。近年、この無駄な高調波電流を削減する目的に、力率改善回路を備えるスイッチング電源の需要が増えている。
一方、スイッチング電源の変換効率は、当然、良いものを要求されている。力率改善回路を備えると、力率は、０．９５以上（近似１．０）に改善されるが、この力率改善回路の損失も加わり、変換効率は、８３％程度である。そこで、力率を悪化させずに、効率向上を強く求められている。
効率を悪くしている原因は、整流回路１４とインダクタ１５と半導体スイッチ１と整流回路１７とコンデンサ１８で構成される力率改善回路と、半導体スイッチ１９とトランス２０と整流回路２１とコンデンサ２２で構成されるフライバックコンバータがあり、２回の電力変換しているためである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  ＡＣアダプタなどスイッチング電源は、パソコンや液晶テレビなどの電子機器に用いられる。これら電子機器は、リップル電圧が大きくても許容できるバックライトインバータや、リップル電圧が大きくてはいけないデジタル演算回路が混在している。実際のこれら電子機器を調べると、デジタル演算回路の電源は、１６Ｖ電圧を３．３Ｖに、ＤＣ／ＤＣコンバータ変換している。ＤＣ／ＤＣコンバータは低周波リップル電圧を低減する能力を備えているため、１６Ｖの低周波リップル電圧は１Ｖ以上でも許容できる。本発明は、この点に着目して、力率改善機能と入力出力の絶縁機能と出力電圧安定機能を持ちながら、１回路のコンバータ構成により、高効率のスイッチング電源回路を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】  例えば、１００Ｖ交流電源を直流１６Ｖ５Ａ８０ＷのＡＣアダプタの場合に、従来、変換効率＝８３％であったが、本発明は、変換効率＝８７％に改善できた。力率は従来と同等の０．９５以上であった。無負荷時の消費電力は、従来、１．２Ｗであったのに対して、本発明は、０．３Ｗに低減できた。さらに、部品点数も約３０％少なくできた。
【発明を実施するための最良の形態】  コンデンサインプットの平滑を止めて、入力電流を入力電圧に比例制御することで、力率を改善するコンバータ回路にフライバックコンバータなどの絶縁タイプを採用することで、ワンコンバータ化する。
【実施例】
【００１０】  図１に、本発明によるブロック回路図を示す。交流電源１のを整流回路２で整流して、半導体スイッチ３の開閉により、トランス４に交流電力を送る。トランス４は絶縁トランスである。トランス４の２次巻線電圧を整流回路５で直流電圧に整流して、コンデンサ６で平滑して、負荷７へ電力を供給する。負荷７の電圧と同じコンデンサ６の電圧を電圧検知回路１２で検知して、誤差増幅回路１１で基準電圧と比較して、その誤差を増幅した信号をフォトカプラで絶縁して制御回路１０へ送る。制御回路１０の内部では、この誤差増幅信号と電圧検知回路９の信号をカケ算回路でカケ算する。このカケ算した信号と電流検知回路８の信号を比較して、その誤差を増幅した信号をパルス幅信号に変換して半導体スイッチ３へ送る。【００１１】  図３に、本発明実施例の回路図を示す。交流電源３１は、ダイオード３３、３４、３５、３６で構成する全波整流回路の交流端子に接続する。ダイオード３３、３４、３５、３６はブリッジ回路に接続している。ダイオード３３のカソード端子とダイオード３５のカソード端子の接続点が正端子である。この正端子は、抵抗器３７に接続するとともに、トランス４４の１次巻線を経由して、半導体スイッチ４２のドレイン端子に接続する。ダイオード３４のアノード端子とダイオード３６のアノード端子の接続点が負端子である。この負端子は抵抗器３８に接続するとともに、抵抗器３９を経由して、半導体スイッチ４２のソース端子に接続する。抵抗器３９の両端子をそれぞれ制御回路４１に接続する。抵抗器３７と抵抗器３８の接続点にカケ算回路４０を接続する。カケ算回路４０と制御回路４１を接続する。フォトカプラ４３のエミッタとコレクタをそれぞれカケ算回路４０に接続する。トランス４４の２次巻線は、ダイオード４７を経由してコンデンサ５０に接続するとともに負荷５１に接続する。コンデンサ５０の正端子にフォトカプラ４３のアノード端子と抵抗器４８に接続する。コンデンサ５０負端子に抵抗器４９とシャントレギュレータ４６のアノード端子に接続する。シャントレギュレータ４６のカソード端子から抵抗器４５を経由して、フォトカプラ４３のカソード端子に接続する。シャントレギュレータ４６のリファレンス端子に抵抗器４８と抵抗器４９を接続する。【００１２】  本発明実施例の回路図の図３と本発明によるブロック回路図の図１を比較する。交流電源３２が交流電源１である。ダイオード３３、３４、３５、３６が整流回路２である。容量が大きい電解コンデンサは１次側に存在しないため、サーミスタなど突入電流の制限部品は不要である。抵抗器３７と抵抗器３８が電圧検知回路９である。抵抗器３９が電流検知回路８である。カケ算回路４０と制御回路４１が制御回路１０である。半導体スイッチ４２が半導体スイッチ３である。トランス４４がトランス４である。抵抗器４５とシャントレギュレータ４６が誤差増幅回路１１である。抵抗器４８と抵抗器４９が電圧検知回路１２である。ダイオード４７が整流回路５である。コンデンサ５０がコンデンサ６である。負荷５１が負荷７である。【００１３】  図４に、本発明の動作説明チャート図を示す。波形５２は交流電源３２の電圧を示す。波形５３は交流電源３２の電流���示す。波形５４はダイオード３３、３４、３５、３６のブリッジ整流後の電圧を示す。波形５５はトランス４４の１次巻線の電圧を示す。波形５６はコンデンサ５０の電圧を示す。
本発明実施例の図３の動作を説明する。交流電源３２の電圧をダイオード３３、３４、３５、３６のブリッジ整流回路で整流する。この整流電圧を半導体スイッチ４２でスイッチングしてトランス４４の１次巻線に印加する。半導体スイッチ４２が閉するとトランス４４に黒印が正の電圧が印加する。２次巻線電圧はダイオード４７で阻止されるために、１次巻線には時間に比例して増える励磁電流が流れる。【００１４】  半導体スイッチ４２が開すると、トランス４４の１次巻線に流れていた電流は流れ続けようと、黒印が負の逆起電力が発生するために、２次巻線からダイオード４７を通してコンデンサ５０に充電電流を流す。半導体スイッチ４２は開閉を繰り返している。半導体スイッチ４２の開時間と閉時間を制御することでコンデンサ５０の平均電圧は安定できるとともに、交流電源３２の電圧に比例した電流にできる。つまり、高調波電流が少ない高力率にできる。その制御方法を以下に述べる。コンデンサ５０の電圧を抵抗器４８と抵抗器４９で分圧検知する。この分圧検知電圧はシャントレギュレータ４６のリファレンス端子に接続している。【００１５】  シャントレギュレータ４６は内部基準電圧とリファレンス端子電圧を比較してその誤差を増幅した信号をカソード端子より出力する。この誤差増幅信号は抵抗器４５とフォトカプラ４３を経由してカケ算回路４０に送る。フォトカプラ４３は発光ダイオードとフォトトランジスタを組み合わせた部品であり、信号は光で伝えるため絶縁されている。カケ算回路４０では、ダイオード３３、３４、３５、３６の全波整流電圧を抵抗器３７と抵抗器３８で分圧した信号と、前記誤差増幅信号をカケ算して制御回路４１に送る。カケ算回路４０は一方の入力信号をパルス幅信号に変換して、もう一方の入力信号をそのパルス幅に変調合成後に平滑することで、２つの入力信号のカケ算信号に変換する。制御回路４１内部の誤差増幅器で、カケ算回路４０からの信号を基準信号として、抵抗器３９で検知した電流信号を比較して、その誤差信号を増幅する。制御回路４１内部の誤差増幅信号はパルス幅信号に変換して、半導体スイッチ４２を駆動する。コンデンサ５０の電圧が設定された電圧より高いときは、フォトカプラ４３では下げる信号を伝えている。この信号はカケ算回路４０で波形５４の信号と合成された信号の平均値は下がる。これにより、交流電源３２の電流は波形５３の形でその平均値が下がる。この動作によりコンデンサ５０の電圧の平均値は一定に安定する。このため、低周波リップル電圧は、従来と比較して大きい。この低周波リップル電圧はコンデンサ５０の容量を増やすことで、５％以下に低減できる。【００１６】  図１は、電圧検知回路９で入力電圧波形を検知して、交流電源１の電流を比例制御しているが、入力電圧波形を検知しなくても、トランス４の電圧を検知して、半導体スイッチ３の開時間を制御することで、交流電源１の電流を電圧に比例させる方式もある。また、図３のダイオード４７をＦＥＴ（電界効果トランジスタ）に置換えて、半導体スイッチ４２の開閉に同期させると、変換効率を向上できる。
図３のダイオード３３、３４、３５、３６も、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）に置換えて、交流電源３２に同期開閉させると、さらに変換効率を向上できる。この実施例を図７に示す。電界効果トランジスタ９３、９４、９５、９６がそれぞれダイオード３３、３４、３５、３６の代わりである。その他部品は、電界効果トランジスタ９３、９４、９５、９６を同期開閉させるための駆動回路である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】  本発明によるブロック回路図である。
【図２】  従来のブロック回路図である。
【図３】  本発明実施例の回路図である。
【図４】  本発明の動作説明チャート図である。
【図５】  従来の回路図である。
【図６】  従来の動作説明チャート図である。
【図７】  効率改善の整流回路図である。
【符号の説明】
【００１８】  １：交流電源                    ２：整流回路
３：半導体スイッチ              ４：トランス
５：整流回路                    ６：コンデンサ
７：負荷                        ８：電流検知回路
９：電圧検知回路                １０：制御回路
１１：誤差増幅回路              １２：電圧検知回路
１３：交流電源                  １４：整流回路
１５：インダクタ                １６：半導体スイッチ
１７：整流回路                  １８：コンデンサ
１９：半導体スイッチ            ２０：トランス
２１：整流回路                  ２２：コンデンサ
２３：負荷                      ２４：電流検知回路
２５：電圧検知回路              ２６：制御回路
２７：電圧検知回路              ２８：誤差増幅回路
２９：制御回路                  ３０：電圧検知回路
３１：誤差増幅回路              ３２：交流電源
３３〜３６：ダイオード          ３７〜３９：抵抗器
４０：カケ算回路                ４１：制御回路
４２：半導体スイッチ            ４３：フォトカプラ
４４：トランス                  ４５：抵抗器
４６：シャントレギュレータ      ４７：ダイオード
４８、４９：抵抗器              ５０：コンデンサ
５１：負荷                      ５２〜５６：波形
５７：交流電源                  ５８：サーミスタ
５９〜６２：ダイオード          ６３〜６７：抵抗器
６８：誤差増幅回路              ６９：カケ算回路
７０：制御回路                  ７１：インダクタ
７２：ダイオード                ７３：半導体スイッチ
７４：コンデンサ                ７５：制御回路
７６：半導体スイッチ            ７７：フォトカプラ
７８：トランス                  ７９：抵抗器
８０：シャントレギュレータ      ８１：ダイオード
８２、８３：抵抗器              ８４：コンデンサ
８５：負荷                      ８６〜９２：波形
９３〜９６：電界効果トランジスタ
【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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【図６】
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【図７】
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