(57)【要約】【課題】  安定した直流電圧を簡単な回路構成で提供することを目的とする。【解決手段】  交流電源を直流電圧に変換し、スイッチング素子で断続してトランスに電力を供給する一次回路と、前記一次回路からの電力で動作する第１のコンバータ、及び第２のコンバータとを備え、前記第１のコンバータでは出力直流電圧と基準電圧とで電圧比較を行い、前記一次回路に帰還をかけて出力直流電圧を安定化する手段を備え、前記第２のコンバータでは出力直流電圧と基準電圧とで電圧比較を行い、該第２のコンバータのスイッチング導通デューティを制御して出力直流電圧を安定化する手段を備えることを特徴とするスイッチング電源を提供する。【選択図】  図１
2006187054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を直流電圧に変換し、スイッチング素子で断続してトランスに電力を供給する一次回路と、
前記一次回路からの電力で動作する第１のコンバータ、及び第２のコンバータとを備え、
前記第１のコンバータでは出力直流電圧と基準電圧とで電圧比較を行い、前記一次回路に帰還をかけて出力直流電圧を安定化する手段を備え、
前記第２のコンバータでは出力直流電圧と基準電圧とで電圧比較を行い、該第２のコンバータのスイッチング導通デューティを制御して出力直流電圧を安定化する手段を備えることを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】
二次電池を電源として動作する第３のコンバータと、
前記交流電源の停電及び復電を検出して前記第２のコンバータと前記第３のコンバータとを切り換えて停電時にバックアップ動作をするバックアップ手段とを備え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。
【請求項３】
前記バックアップ手段は、前記第２のコンバータ及び第３のコンバータの直流出力端子が共通に接続され、その直流出力端子の直流電圧と基準電圧とで比較を行い、前記第２のコンバータのスイッチング導通デューティを制御する手段と、
前記第３のコンバータのスイッチング素子を制御して直流出力端子の直流電圧を安定化し、前記交流電源の停電及び復電を検出して前記第２のコンバータと前記第３のコンバータとを切り換える手段を備えることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の直流電圧出力を備え、交流電源が停電した場合に、二次電池を電源として安定化直流電圧を負荷に供給するスイッチング電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来のスイッチング電源の構成を示した図である。図３において、１は交流電源、２は一次側整流回路、３は一次側平滑コンデンサ、４は交流電源電圧検出回路、５は一次側スイッチング素子、６は一次側ＰＷＭ制御回路、７、５７はフォトカプラ、８はトランス、９、３４は整流ダイオード、１０、３５、４９、５８は転流ダイオードである。
【０００３】
１１、３６、４０、５０はコイル、１２、３７、４１、５１は平滑コンデンサ、１３、１４、４２、４３、５２、５３は抵抗器、１５は第１の負荷（負荷ａ）、１６、２７、５５は誤差増幅器、１７、２８、５４は基準電圧、３９、４８はＰＷＭ制御回路、３８、４７はスイッチング素子、２６は第２の負荷（負荷ｂ）、５６はインバータ、３３は充電回路、４６は二次電池、４４、４５はダイオードである。
【０００４】
このようなスイッチング電源は、交流電源１から電力を供給された交流電圧を一次側整流回路２で整流し、一次側平滑コンデンサ３で平滑された直流電圧を一次側スイッチング素子５でスイッチングしてトランス８に電力を供給する一次回路を構成し、前記トランス８から電力を供給されて第１の負荷１５に直流電圧を供給するための第１のコンバータと、前記トランス８から電力を供給されて第２の負荷２６に直流電圧を供給するための第２のコンバータと、充電回路３３で充電される二次電池４６より電力供給されて第２の負荷２６に直流電圧を供給するための第３のコンバータとを備えて構成されている。
【０００５】
交流電源１から電源が供給されている場合は、交流電源電圧検出回路４により交流電源から電力が供給されていることを検出し、フォトカプラ５７、インバータ５６を通してＰＷＭ制御回路４８を停止させることで、第３のコンバータの動作を停止させる。
第１のコンバータは、トランス８から電力供給を受け整流平滑され、抵抗器１３、１４で分圧された電圧が基準電圧１７と誤差増幅器１６とで比較されたあと、一次／二次間絶縁のためのフォトカプラ７を通して一次側ＰＷＭ制御回路６に帰還をかけてスイッチング素子５をＰＷＭ制御することで出力電圧を安定化してから第１の負荷１５に直流電圧を供給している。
【０００６】
第２のコンバータは、トランス８から電力供給を受け整流平滑して得られる直流電圧をスイッチング素子３８でスイッチングした後に再度整流平滑され、抵抗器４２、４３で分圧された電圧が基準電圧２８と誤差増幅器２７とで比較されたあと、ＰＷＭ制御回路３９に帰還をかけて前記スイッチング素子３８をＰＷＭ制御することで出力電圧を安定化してからダイオード４４を介して第２の負荷２６に直流電圧を供給している。充電回路３３はトランス８から電力供給を受けて二次電池４６を充電している。
【０００７】
交流電源１が停電になり電力供給されない場合は、交流電源電圧検出回路４により交流電源から電力が供給されていないことを検出し、第３のコンバータを動作させる。第３のコンバータは、二次電池４６から電力供給を受けスイッチング素子４７でスイッチングしたあと整流平滑され、抵抗器５２、５３で分圧された電圧が基準電圧５４と誤差増幅器５５とで比較されたあと、ＰＷＭ制御回路４８に帰還をかけて前記スイッチング素子４７をＰＷＭ制御することで出力電圧を安定化してからダイオード４５を介して第２の負荷２６に直流電圧を供給している。
【０００８】
前述のように、交流電源１が正常な場合に直流電圧の供給が必要な第１の負荷１５には第１のコンバータが安定化直流電圧を供給し、交流電源１が停電時にも直流電圧の供給が必要な第２の負荷２６には、交流電源１が正常な場合には第２のコンバータが、交流電源１が停電時には第３のコンバータが安定化直流電圧を供給することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来のスイッチング電源では、第２のコンバータと第３のコンバータは、ダイオードを介して第２の負荷２６に電力供給されるので、電流が大きい場合、ダイオードの電圧降下による電力損失が大きくなる問題がある。
交流電源１から電力供給されている場合、一次回路に帰還がかけられて出力電圧が安定化されているのは、第１の負荷１５に直流電圧を供給している第１のコンバータだけであり、第２の負荷２６に供給する系は、トランス８からのパルス電圧を整流平滑して直流電圧を得たあと、さらにクロスレギュレーション問題解決のために、第２のコンバータにより定電圧化しているため、系全体の電力損失が大きくなる問題がある。
【００１０】
また、交流電源１から電力供給されている場合に第２の負荷２６に直流電圧を供給するための第２のコンバータと、交流電源１が停電などにより供給されず、二次電池４６から電力供給され動作する第３のコンバータとが独立した回路となっているため回路が複雑になる欠点があった。
【００１１】
さらに、第２のコンバータと第３のコンバータとで独立した電圧比較器があり、順電圧降下ＶＦの異なるダイオードを介している。このため、交流電源１から電力供給されて第２のコンバータから直流電圧が供給されている場合と、交流電源が停電となり二次電池４６から電力供給されて第３のコンバータから直流電圧が供給されている場合とで、第２の負荷２６に供給される直流電圧が異なる。したがって、交流電源１が通電から停電、または停電から復電となり、第２のコンバータと第３のコンバータとの切り換わりが行われると、電圧変動が発生する問題がある。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、安定した直流電圧を簡単な回路構成で提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明は、交流電源を直流電圧に変換し、スイッチング素子で断続してトランスに電力を供給する一次回路と、前記一次回路からの電力で動作する第１のコンバータ、及び、第２のコンバータを備え、前記第１のコンバータでは出力直流電圧と基準電圧とで電圧比較を行い、前記一次回路に帰還をかけて出力直流電圧を安定化する手段と、前記第２のコンバータでは出力直流電圧と基準電圧とで比較を行い、該第２のコンバータのスイッチング導通デューティを制御して出力直流電圧を安定化する手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、部品点数が少なく、電力損失が少ない、高変換効率で小型なスイッチング電源を低価格で提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態のスイッチング電源の構成の一例を示す図である。
同図において１は交流電源、２は一次側整流回路、３は一次側平滑コンデンサ、４は交流電源電圧検出回路、５は一次側スイッチング素子、６は一次側ＰＷＭ制御回路、７、３２はフォトカプラ、８はトランス、９は整流ダイオード、１０、２１は転流ダイオード、１１、２２はコイル、１２、２３は平滑コンデンサ、１３、１４、２４、２５は抵抗器、１５は第１の負荷（負荷ａ）、１６、２７は誤差増幅器、１７、２８は基準電圧、１８、２９はＰＷＭ制御回路、１９、２０はスイッチング素子、２６は第２の負荷（負荷ｂ）、３０はインバータ、３３は充電回路、３１は二次電池である。
【００１６】
本実施形態のスイッチング電源は、交流電源１から電力を供給された交流電圧を一次側整流回路２で整流し、一次側平滑コンデンサ３で平滑された直流電圧を一次側スイッチング素子５でスイッチングしてトランス８に電力を供給する一次回路を構成し、前記トランス８から電力を供給されて第１の負荷１５に直流電圧を供給するための第１のコンバータと、前記トランス８から電力を供給されて第２の負荷２６に直流電圧を供給するための第２のコンバータと、充電回路３３により充電される二次電池３１から電力を供給されて第２の負荷２６に直流電圧を供給するための第３のコンバータとを備えて構成されている。
【００１７】
交流電源１から電源が供給されている場合は、交流電源電圧検出回路４により交流電源から電力が供給されていることを検出し、フォトカプラ３２、インバータ３０を通してＰＷＭ制御回路２９を停止させることで、第３のコンバータの動作を停止させる。
第１のコンバータは、トランス８から電力供給を受け整流平滑され、抵抗器１３、１４で分圧された電圧が基準電圧１７と誤差増幅器１６で比較された後、一次／二次間絶縁のためのフォトカプラ７を通して一次側ＰＷＭ制御回路６に帰還をかけてスイッチング素子５をＰＷＭ制御することで出力電圧を安定化してから第１の負荷１５に直流電圧を供給している。
【００１８】
第２のコンバータは、トランス８からの出力を更にスイッチング素子１９でスイッチングしたあと整流平滑され、抵抗器２４、２５で分圧された電圧が基準電圧２８と誤差増幅器２７で比較された後、ＰＷＭ制御回路１８に帰還をかけて前記スイッチング素子１９をＰＷＭ制御することで出力電圧を安定化してから第２の負荷２６に直流電圧を供給している。充電回路３３はトランス８から電力供給を受け二次電池３１を充電している。
交流電源１が停電になり電力供給されない場合は、交流電源電圧検出回路４により交流電源から電力が供給されていないことを検出し、第３のコンバータを動作させる。第３のコンバータは二次電池３１から電力供給を受けスイッチング素子２０でスイッチングした後に整流平滑され、抵抗器２４、２５で分圧された電圧が基準電圧２８と誤差増幅器２７で比較された後、ＰＷＭ制御回路２９に帰還をかけて前期スイッチング素子２０をＰＷＭ制御することで出力電圧を安定化してから第２の負荷２６に直流電圧を供給している。
【００１９】
図２は、本実施形態のスイッチング電源の動作の一例を説明するタイミングチャートである。
同図において図２（ａ）は、トランス８の出力波形を示す。図２（ｂ）は、ランプ波形をつくるタイミングを説明する波形を示す。図２（ｃ）は、誤差増幅器２７の出力であるＶｅｒｒｏｒ波形と、ＰＷＭ制御回路１８でＰＷＭパルスを生成するためのランプ波形Ｖｒａｍｐを示す。図２（ｄ）は、ＰＷＭ制御回路１８の出力波形を示す。図２（ｅ）は、スイッチング素子１９が実際に導通状態になっていることを表している波形を示す。
【００２０】
第１のコンバータは、トランス８から電力供給を受け整流平滑され、抵抗器１３、１４で分圧された電圧が、基準電圧１７と誤差増幅器１６で比較された後、一次／二次間絶縁のためのフォトカプラ７を通して一次側ＰＷＭ制御回路６に帰還をかけてスイッチング素子５をＰＷＭ制御することで出力電圧を安定化しており、このときのトランス８の出力波形は図２（ａ）に示したものである。トランス８の出力が無くなってから時間Ｔｄが経過してから一定電圧を維持し、トランス８から電圧が出力される瞬間から発生させたランプ波形Ｖｒａｍｐ（図２（ｃ）を参照）と、誤差増幅器１６の出力波形とを比較することでスイッチング素子１９のＰＷＭ制御を行うパルスである波形（図２（ｄ）を参照）を発生している。トランス８からの出力状態である図２（ａ）の出力波形と、スイッチング素子１９のオン／オフ状態とから、スイッチング素子１９が実際に導通している状態を示している波形が図２（ｅ）であり、このデューティが制御されることで第２のコンバータの直流電圧が安定化されて第１の負荷２６に直流電圧を供給している。
【００２１】
前述のように、交流電源１が正常な場合にのみ直流電圧の供給が必要な第１の負荷１５には第１のコンバータが安定化直流電圧を供給し、交流電源１が正常な場合だけでなく、交流電源１が停電時にも直流電圧の供給が必要な第２の負荷２６には、交流電源１が正常な場合には第２のコンバータが、交流電源１が停電時には第３のコンバータが安定化直流電圧を供給することができる。
【００２２】
交流電源１が停電から復電、または復電から停電になって第２のコンバータと第３のコンバータとの動作を切り換える場合、スイッチング素子１９とスイッチング素子２０とのＰＷＭ動作を、切り換え直前までスイッチングしていたスイッチング素子がオフ状態になったタイミングで切り換えることと、第２のコンバータと第３のコンバータとの誤差増幅器を共用することで各コンバータ出力間の電圧差をなくし、切り換え時の出力電圧変動や切り換え雑音の発生を防止することができる。
【００２３】
なお、第２のコンバータと同じ構成の回路を設けることで、更に多出力の電源を構成することも可能である。また、交流電源１が停電時には全ての出力が停止可能な場合には、第３のコンバータは省略可能である。
そして、本実施形態では、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタを使用しているが、ＭＯＳＦＥＴなどを使用して、更に電力損失を低減した回路構成とすることも可能である。また、ダイオードの代わりにＭＯＳＦＥＴなどを使用した同期整流回路方式への応用も可能であり、更に電力損失の小さな回路構成とすることもできる。
さらに、本実施形態では、複数の二次巻線を有するトランスからの各出力電力を第１のコンバータと第２のコンバータとに供給することで動作しているが、トランスのひとつの二次巻線に複数のコンバータを接続して回路を構成することも可能である。
【００２４】
以上の説明で明らかなように、ひとつのトランスの出力に接続された２つ或いはそれ以上のコンバータの出力直流電圧がクロスレギュレーションの問題もなく安定化する回路を少ない部品点数で構成し、電力損失が少なく、低価格で小型化が可能となる。また、本来の無停電電源として備えられているべき第３のコンバータに必要な構成部分である、転流ダイオード２１、コイル２２、平滑コンデンサ２３を第２のコンバータと共用することで、少ない部品点数で回路を構成し、電力損失が少なく、低価格で小型化が可能なスイッチング電源を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態を示し、スイッチング電源の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態を示し、スイッチング電源の動作の一例を説明するタイミングチャートである。
【図３】従来の技術を示し、スイッチング電源の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  交流電源
２  一次側整流回路
３  一次側平滑コンデンサ
４  交流電源電圧検出回路
５  一次側スイッチング素子
６  一次側ＰＷＭ制御回路
７、３２  フォトカプラ
８  トランス
９  整流ダイオード
１０、２１  転流ダイオード
１１、２２  コイル
１２、２３  平滑コンデンサ
１３、１４、２４、２５  抵抗器
１５  第１の負荷
１６、２７  誤差増幅器
１７、２８  基準電圧
１８、２９  ＰＷＭ制御回路
１９、２０  スイッチング素子
２６  第２の負荷
３０  インバータ
３１  二次電池
３３  充電回路
【図１】
2006187054.tif 000003
【図２】
2006187054.tif 000004
【図３】
2006187054.tif 000005