(57)【要約】【課題】スイッチング電源の平滑回路を小型化する。【解決手段】制御回路１１、トランジスタＱ１，Ｑ２を含むスイッチング回路１３、インダクタＬ１とキャパシタＣ１とを含む共振回路１４、インダクタＬ２とキャパシタＣ２とを含む平滑回路１５、並びに、抵抗器Ｒで形成される出力電流検出負荷１６により構成され、主電源側にスイッチング電源を駆動する直流入力電圧ＶIN2出力の降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を設け、制御回路１１の出力検出手段１７は、出力端子ＶOUTおよび出力電流検出負荷１６により出力電圧ＶOUTと負荷への出力電流ＩOUTとを検知し、軽負荷の際でもリップル対策を不必要とするように出力の共振周波数を所定値以上に制御し、かつ出力電圧ＶOUTを所定値に維持するように、検知した出力値ＶOUT／ＩOUTに基づいて、直流入力電圧ＶIN2を制御する。コンバータはＡＣ／ＤＣコンバータでもよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流入力電圧で稼動する制御回路とスイッチング回路とで生成するパルス状の電流または電圧から共振回路および平滑回路を介して安定した直流出力を得る共振型スイッチング電源装置において、
前記直流入力電圧を出力して前記制御回路と前記スイッチング回路とに供給する直流出力コンバータと、前記直流出力の電圧値と電流値との少なくとも一方を出力値として検出する出力検出手段とを更に備え、
前記制御回路は、前記出力検出手段から前記出力値を受け、この出力値により、前記直流出力コンバータを制御して前記直流入力電圧を変化させると共に前記スイッチング回路の出力周波数を一定値以上となるように維持するように制御する
ことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の共振型スイッチング電源装置において、
前記スイッチング回路は、前記制御回路の制御を受けて、パルス状出力の振幅を変化させ、前記直流出力の電圧を所定値に維持するように調整する
ことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の共振型スイッチング電源装置において、
前記出力検出手段は前記制御回路に含まれると共に出力電流検出負荷を含み、
当該負荷は、前記共振回路の出力と接続される平滑回路内部で出力電流の流れる線に挿入されてその両端の電位を前記制御回路に通知するものであり、
前記制御回路がグランドと前記負荷の両端電位とから前記電源装置の出力電流を、かつグランドと出力端子とから出力電圧を、それぞれ検出して出力値とする
ことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
【請求項４】
請求項１に記載の共振型スイッチング電源装置において、前記直流出力コンバータは、直流（ＤＣ）および交流（ＡＣ）のうちの一つを主電源電圧として入力するＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
【請求項５】
請求項１に記載の共振型スイッチング電源装置において、前記スイッチング回路は二つのＣＭＯＳＦＥＴから構成されたものであることを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
【請求項６】
請求項１に記載の共振型スイッチング電源装置において、前記出力電流検出負荷は抵抗器であることを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
【請求項７】
主電源電圧から直流入力電圧を生成して出力する直流出力コンバータと、
このコンバータから前記直流入力電圧を受けて所定間隔で所定時間幅のパルス制御信号を出力する制御回路と、
この制御回路から前記パルス制御信号を受けてスイッチング動作し、所定の共振周波数を有するパルス状の電流または電圧を出力するスイッチング回路および共振回路と、
前記共振周波数を有するパルス状の電流または電圧を受けて、直流出力するための平滑回路と、
出力端子に接続され出力電流を通過させて両端の電位を前記制御回路に通知する出力電流検出負荷とを備え、
前記制御回路は、前記出力端子とグランドとの電位差から出力電圧を、かつ、出力電流検出負荷からグランドに対する両端電位の通知を受けて出力電流を、それぞれ検出し、出力電圧または出力電流の変化を前記コンバータに通知してその出力する直流入力電圧を変化させ、この直流入力電圧の変化により前記出力電圧を所定値に維持するように制御する手段を有する
ことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
【請求項８】
直流入力電圧から安定した直流出力を得る共振型スイッチング電源装置において、
主電源電圧から前記直流入力電圧を得る直流出力コンバータと、
前記直流出力の電圧値と電流値との少なくとも一方を出力値として検出する出力検出手段と、
前記出力検出手段から前記出力値を受け、この出力値に応じ前記直流出力コンバータを制御して前記直流入力電圧を変化させると共にスイッチング周波数を一定値以上になるように制御して、前記直流出力の電圧を所定値に維持するように調整する制御手段と
を備えることを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流入力電圧から安定した直流出力を容易に得ることができる小型化された共振型スイッチング電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のスイッチング電源装置には、固定周期でスイッチング・トランジスタのオン時間とオフ時間との割合を変えて出力電圧を制御することにより、直流出力電圧を安定化させるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御と、トランジスタのオン時間を固定しておいてオフ時間を変化させることにより、直流出力電圧を安定化させるＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御とがある。
【０００３】
ＰＷＭ制御では、出力電圧が低下するとオン時間を長くし、上昇すると短くすることによって、負荷に見合う出力電流を供給し、常に一定の出力電圧を保つことができる。一方、ＰＦＭ制御では、入力電圧が高くなったり出力電流が増加すると周波数を下げ、逆の条件で周波数を上げることにより出力調整を行うが、現状では通常のスイッチング電源にはあまり採用されず、共振型電源装置の制御に採用されることが多い。
【０００４】
すなわち、共振型電源では、トランジスタのスイッチングにより生じたパルス状の電流または電圧が出力側に接続されたＬＣ素子による共振回路で共振期間を設定されるので、オン時間を変更するＰＷＭではその制御が難しい。従って、共振型電源装置には、一般にＰＦＭ制御が用いられている。
【０００５】
例えば、図１に示される電源装置は、ＩＣ（集積回路）で形成され直流定電圧ＶINの供給を受ける制御回路１０、直流定電圧ＶINとインダクタＬ１の一端との間に接続されたトランジスタＱ１、およびインダクタＬ１の他端とグランド電位との間に接続されたトランジスタＱ２の二つのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなるスイッチング回路、トランジスタＱ１と出力端子ＴOUTとの間に直列接続されるインダクタＬ１・Ｌ２、およびインダクタＬ１・Ｌ２それぞれの出力端子ＴOUT側に接続される平滑キャパシタＣ１・Ｃ２により構成される。インダクタＬ１とキャパシタＣ１とが共振回路を形成する。
【０００６】
制御回路１０は、その二つの制御端子をトランジスタＱ１・Ｑ２のゲートに接続し、また出力端子ＴOUTに接続してその電位とグランドとの間の出力電圧ＶOUTを検出する。更に、制御回路１０は、検出した出力電圧ＶOUTの電圧変動に従ってトランジスタＱ１・Ｑ２へ供給する制御信号のパルス周期を制御してスイッチング回路のスイッチング周波数を変化させ、スイッチングされた出力電流ｉを制御して出力電圧ＶOUTを一定に維持する。トランジスタＱ１・Ｑ２は、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）ＦＥＴであり、トランジスタＱ１のドレインが直流定電圧ＶINの供給を受け、トランジスタＱ２のソースが接地される。
【０００７】
従って、図２に示されるように、制御回路１０は、軽負荷でそのパルス状の出力電流ｉの電流量が少なくてよい場合、一定量のオン時間に対してオフ時間を長くしてスイッチング回路のスイッチング周波数を低くし、他方、重負荷でその出力電流ｉを増す必要がある場合、一定量のオン時間に対してオフ時間を短くしてスイッチング回路のスイッチング周波数を高めるという、いわゆるＰＦＭ制御を行う。
【０００８】
このような構成によるスイッチング電源装置は、所定の範囲での変動に対しては実用上十分であった。しかし、軽負荷でスイッチング周波数が下がった場合、パルスの間隔が広がるので、このリップル対策のため、出力側のキャパシタＣ２の容量を確保する必要があり、キャパシタＣ２などの小型化が困難であるという欠点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
解決しようとする課題は、電流共振型電源出力のリップル対策で平滑キャパシタなどの小型化ができず、装置の大型化が避けられないことである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述したように従来の電流共振型スイッチング電源では、直流定電圧ＶINを供給される制御回路が、同一時間幅で同一振幅のパルスによる制御信号を発生するので、スイッチング回路のスイッチング周波数を変化させて出力電圧を所定値に維持している。
【００１１】
しかし、本発明による共振型スイッチング電源では、制御回路の制御により、スイッチング回路のスイッチング周波数を一定にして、制御回路およびスイッチング回路に供給される直流入力電圧を電源装置の出力状態に応じて変化させることにより、パルス状の出力電流の振幅を変化させている。
【００１２】
すなわち、本発明は、直流入力電圧（ＶIN2）から安定した直流出力を得る共振型スイッチング電源装置において、直流出力が軽負荷の際に、低いスイッチング周波数のためのリップル対策を不必要とするため、直流入力電圧（ＶIN2）を受けて直流出力を制御する制御回路（１１）が、出力電圧（ＶOUT）と共に負荷へ供給する出力電流（ＩOUT）の値を検知し、軽負荷の際でもリップル対策を不必要とするように、検知した出力電圧（ＶOUT）および出力電流（ＩOUT）に基づいて、本制御回路（１１）に入力する直流入力電圧（ＶIN2）を制御して、出力するスイッチング周波数を所定値に維持しつつ、パルス状の出力電流（ｉ）の振幅を変化させて出力電圧（ＶOUT）を所定値に維持することを主要な特徴とする。
【００１３】
すなわち、制御回路は、出力電流値を定期的に得てその増減を制御する際、自己に入力する直流入力電圧を制御している。従って、この共振型電源を駆動する電源は対応するコンバータを備えれば、ＤＣ／ＡＣ（直流／交流）の何れでもよい。また、スイッチング電源は電流共振型でもまた電圧共振型にでも適用可能である。
【００１４】
例えば、本発明は、大容量の主電源電圧ＶINから本スイッチング電源における直流入力電圧ＶIN2を生成して出力する直流出力コンバータ（１１）と、このコンバータから直流入力電圧ＶIN2を受けて所定間隔で所定時間幅のパルス制御信号を出力する制御回路（１２）と、この制御回路からパルス制御信号を受けてスイッチング動作し周期的なパルス状の電流を出力するスイッチング回路（１３）と、このスイッチング回路の周期的出力を受けて所定の共振周波数を有するパルス状の電流を出力する共振回路（１４）と、直流出力のための平滑回路（１５）と、かつ出力端子に接続され出力電流を通過させて両端の電位を制御回路に通知する出力電流検出負荷（１６）とを備えて入る。そして、上記制御回路が、出力端子とグランドとの電位差から出力電圧ＶOUTを、また出力電流検出負荷と協同しその両端の電位とグランド電位とから出力電流ＩOUTを、それぞれ検出する出力検出手段（１７）を含み、出力電圧ＶOUTと出力電流ＩOUTとの変化をコンバータに通知してその出力する直流入力電圧ＶIN2を変化させて出力電圧ＶOUTを所定値に維持するように制御する。
【００１５】
また、本発明では、スイッチング周波数を所定値以上となるように制御して出力電圧ＶOUTを所定値に維持するように制御する手段も含まれる。
【００１６】
上記括弧内の符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の共振型スイッチング電源装置は、主電源電圧を直流入力電圧に変換して出力する直流出力コンバータを備え、制御回路が、電源装置の出力電圧および出力電流の情報を得ることによってコンバータを制御し、その出力の直流入力電圧を変化させることができる。このように、制御回路およびスイッチング回路へ供給される直流入力電圧を制御することができるので、電源装置の出力状態に応じて、発生するパルス状の電流のスイッチング周波数を所定値以上に維持しつつ、出力電圧を所定値に安定して維持させるように制御できるという効果がある。
【００１８】
従って、パルス周期が大きくならないので、平滑回路の小型化に伴い、直流出力コンバータを付加したにかかわらず、電源装置の小型化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明では、直流入力電圧から安定した直流出力を得る共振型スイッチング電源装置において、電源装置の直流出力が軽負荷の際、低周波数のためのリップル対策を不必要とするという目的を達成する。すなわち、直流入力電圧ＶIN2を受けて直流出力を制御する制御回路は、出力電圧ＶOUTと共に負荷へ供給する出力電流ＩOUTを検知し、検知した出力電圧ＶOUTまたは出力電流ＩOUTの値に基づいて、本制御回路に入力する直流入力電圧ＶIN2を制御して、軽負荷の際でもリップル対策を不必要とするように出力する共振周波数を所定値以上に維持しつつ、出力電圧ＶOUTを所定値に維持するように制御している。
【００２０】
このため、電源装置には直流出力コンバータが追加して設けられ、電源装置の内部回路が供給を受ける直流入力電圧を、この直流出力コンバータが外部の主電源電圧から生成する。従って、上記制御回路は、この直流出力コンバータを制御して、直流出力コンバータから出力され制御回路に入力する直流入力電圧を変化させ、出力電圧を所定値に維持するように調整している。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例１について図３を参照して説明する。
【００２２】
図３は、本発明による共振型スイッチング電源装置における実施例１のブロック回路を示す説明図である。
【００２３】
図示されるスイッチング電源装置は、電流共振型であり、制御回路１１、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、トランジスタＱ１，Ｑ２を含むスイッチング回路１３、インダクタＬ１とキャパシタＣ１とを含む共振回路１４、インダクタＬ２とキャパシタＣ２とを含む平滑回路１５、並びに、抵抗器Ｒで形成される出力電流検出負荷１６により構成される。トランジスタＱ１から出力端子ＴOUTまでは、インダクタＬ１，Ｌ２および抵抗器Ｒの順で直列に接続されている。
【００２４】
制御回路１１は、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２により出力される直流入力電圧ＶIN2を入力し、出力電流検出負荷１６両端を引き込みグランドとの電位差を求めることにより、出力電流検出負荷１６の一端に接続する出力端子ＴOUTにおける出力電圧ＶOUTと、出力電流検出負荷１６を流れる負荷へ供給する出力電流ＩOUTを検出して、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２およびスイッチング回路１３それぞれへ制御信号を出力することにより、出力電圧ＶOUTを所定値に維持するように調整する。
【００２５】
すなわち、制御回路１１は、例えば、ＩＣ（集積回路）で形成され、スイッチング回路１３と共振回路１４とを用いて所定のスイッチング周波数によるパルス状の電流を生成するが、この際の生成電流ｉを、軽負荷の場合には小さく、重負荷の場合には大きくする必要がある。
【００２６】
このため、制御回路１１は、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に制御信号を送り、出力される直流入力電圧ＶIN2を、軽負荷の場合には低く、重負荷の場合には高くするように制御する。この場合、制御回路１１は、最大負荷の際に出力される直流入力電圧ＶIN2を主電源電圧ＶINになるように制御する。また、制御回路１１は、制御端子がスイッチング回路１３のトランジスタＱ１，Ｑ２それぞれのゲートに接続され所定間隔で所定時間幅のパルス制御信号を送出する。
【００２７】
降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、直流例えばバッテリのような主電源による直流定電圧ＶINを入力してＩＣを制御する直流電源を形成し、直流入力電圧ＶIN2を出力する。更に、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、制御回路１１から受ける制御信号に基づいて、直流入力電圧ＶIN2を変化させ、最大負荷の際に出力する直流入力電圧ＶIN2が主電源の直流定電圧ＶINになるように制御される。
【００２８】
スイッチング回路１３は、直列のＣＭＯＳＦＥＴによるトランジスタＱ１，Ｑ２により構成され、制御回路１１と同様に降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から出力される直流入力電圧ＶIN2を供給され、スイッチングされたパルス状の生成電流ｉをトランジスタＱ１から共振回路１４へ出力する。
【００２９】
共振回路１４は、直列構成のインダクタＬ１とキャパシタＣ１とを接続し、インダクタＬ１とキャパシタＣ１との接続点からインダクタＬ１とキャパシタＣ１とにより決定される共振周波数をスイッチング周波数としてパルス状の電流により出力する。
【００３０】
平滑回路１５は、共振回路１４のキャパシタＣ１に並列に、直列のインダクタＬ２とキャパシタＣ２とを接続し、インダクタＬ２とキャパシタＣ２との接続点を出力端子に接続して、共振回路１４から出力されたスイッチング周波数を有するパルス状の電流を直流へ平滑する。
【００３１】
出力電流検出負荷１６は、抵抗器Ｒにより構成されており、平滑回路１５のインダクタＬ２と、出力端子ＴOUTおよびキャパシタＣ２の接続点との間に挿入、接続される。出力電流検出負荷１６の両端は制御回路１１に引き込まれて出力検出手段１７を形成し、出力検出手段１７は、出力電流検出負荷１６の両端および出力端子側端それぞれとグランドとの間の電位差から電源装置の出力電圧ＶOUTと出力電流ＩOUTとを検出して降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２へ上述した制御信号を出力すると共にスイッチング回路１３のスイッチング動作を制御する。
【００３２】
次に、図４を参照して図３に示される制御回路１１の動作機能について説明する。
【００３３】
先に、図２を参照して説明したように直流定電圧ＶINを供給される従来の電流共振型スイッチング電源では制御回路が同一振幅の電流パルスを発生するので、そのスイッチング周波数を変化させている。すなわち、ＰＦＭ制御が行われる。
【００３４】
しかし、本発明による電流共振型スイッチング電源では、パルス状電流の周期を一定にする条件で、制御回路およびスイッチング回路に供給される直流入力電圧を電源装置の出力状態に応じて変化させている。すなわち、軽負荷に際しては小電流の供給でよいので、制御回路１１に印加される入力電源は低電位でよい。一方、重負荷の際には大電流を必要とするので、高電位が必要である。
【００３５】
従って、制御回路１１は、電源装置の出力電圧ＶOUTと出力電流ＩOUTとから負荷状態を検出して、主電源電圧ＶINの側に設けられた降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に制御信号を送り、制御回路１１へ供給される直流入力電圧ＶIN2を上述したように制御して、出力電圧ＶOUTを所定値に維持している。
【００３６】
上記説明では、制御回路にＩＣを、スイッチング回路に二つのＣＭＯＳＦＥＴを、また、電流検出負荷に抵抗器を、それぞれ用いているが、同一機能を有するものであれば、他の素子で構成してもよい。また、電流共振型で説明したが、上記説明の電流振幅を電圧振幅に変換して制御することができるので、電圧共振型にも適用可能なことは明らかである。
【００３７】
このような形態による構成を採用したので、軽負荷に際して出力されるパルス状電流の間隔を所定値に固定することができる。従って、リップルに対応する平滑キャパシタの容量が従来と比較して少量にできるので、コンバータを付加してもなお、電源装置を小型化できるという効果がある。
【００３８】
また、軽負荷に際して出力されるパルス状電流の間隔を所定値以下としてその振幅を調整する制御方法においても、リップルに対して同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００３９】
本発明の実施例２について図５を参照して説明する。
【００４０】
図５の実施例２は、実施例１の降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１２に代わり、ＡＣ／ＤＣコンバータ１８を備えることである。このため、ＡＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側に平滑キャパシタＣ０が挿入されている。
【００４１】
このような構成により、主電源を例えば商用の交流電源とし、電源装置の入力に交流定電圧ＶACを使用することができる。他の構成要素は図４を参照して説明されたと同一であり、その説明は省略する。
【００４２】
この機能は、本発明がスイッチング電源装置に供給する主電源電圧をＤＣまたはＡＣの何れでも選択できることを意味する。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
共振型スイッチング電源装置で主電源の入力部分にＤＣ／ＤＣまたはＡＣ／ＤＣコンバータを用いて、制御回路が容易にスイッチング電源部分のパルス発生周期を所定値に固定する一方その振幅を可変でき、またはそのパルス発生周期を所定値以上にしてその振幅を調整できるので、スイッチング回路を用いて出力パルスを平滑化することが必要な電源用途の小型化に適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来の共振型スイッチング電源装置における回路ブロック構成の一例を示した説明図である。
【図２】図１でＰＦＭ制御による共振波形の一例を示す説明図である。
【図３】本発明による共振型スイッチング電源装置における回路ブロック構成の実施の一形態を示した説明図である。（実施例１）
【図４】図３の回路における生成電流ｉの共振波形の一形態を示した説明図である。（実施例１）
【図５】本発明による共振型スイッチング電源装置における回路ブロック構成の実施の一形態を示した説明図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００４５】
１１    制御回路
１２    降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流出力コンバータ）
１３    スイッチング回路
１４    共振回路
１５    平滑回路
１６    出力電流検出負荷
１７    出力検出手段
１８    ＡＣ／ＤＣコンバータ（直流出力コンバータ）
Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２    キャパシタ
Ｌ１、Ｌ２    インダクタ
Ｑ１、Ｑ２    トランジスタ
Ｒ    抵抗器
【図１】
2006187159.tif 000003
【図２】
2006187159.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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