(57)【要約】【課題】従来のスイッチング電源では、入力電圧に瞬停が発生したときの出力電圧保持時間を長くするためにはコンデンサ１２の容量を大きくしなければならないので、ＡＣ２０Ｖ〜ＡＣ２６４Ｖのような広い入力電圧範囲を要求される電源では、装置を小型化することが困難であった。本発明は小型化が可能で、保持時間を長くすることができるスイッチング電源を提供することを目的にする。【解決手段】トランス３２の巻線Ｔｐ３の巻数を巻線Ｔｐ１より多くして昇圧し、この昇圧した電圧でコンデンサ３５を充電して、コンデンサ１２両端の電圧が低下したときに、コンデンサ３５に蓄積された電力でコンデンサ１２を充電するようにした。高圧で電力を蓄積するので、コンデンサ３５の容量を小さくできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流が入力され、この直流を断続してトランスの第１の巻線に印加し、このトランスの第２の巻線に誘起された交流電圧を整流、平滑し、直流に変換して出力するスイッチング電源において、
前記トランスに配置され、前記第１の巻線よりも巻数が多い第３の巻線と、
前記直流が遮断されたときに、出力電圧を保持するための電力を供給する第１のコンデンサと、
前記第３の巻線の出力電圧が入力され、前記直流が供給されているときに、入力された電圧に基づいて電力を蓄積し、前記第１のコンデンサの電圧が所定の値以下になったときに、蓄積された電力を用いて前記第１のコンデンサを充電する高圧蓄積部と、
を備えたことを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】
前記高圧蓄積部は、
電力を蓄積する第２のコンデンサと、
前記第３の巻線の出力を整流するダイオードと、
前記第１のコンデンサの電圧が所定の値以下になったときに前記第２のコンデンサを前記第３の巻線から切り離し、前記直流が復帰したときに前記第２のコンデンサを前記第３の巻線に接続する第１のスイッチング素子と、
前記第１のコンデンサの電圧が所定の値以下になったときに前記第２のコンデンサを前記第１のコンデンサに接続し、前記直流が復帰したときに前記第２のコンデンサを前記第１のコンデンサから切り離す第２のスイッチング素子と、
前記第１および第２のスイッチング素子を制御するスイッチ制御部と、
を具備したことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。
【請求項３】
交流が入力され、この交流を直流に変換する交流入力電源部を具備したことを特徴とする請求項１若しくは請求項２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、入力電圧が低い場合でも瞬停時の出力電圧維持時間を長く取ることができ、かつ小型化が可能なスイッチング電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４に、交流を直流に変換するスイッチング電源の構成を示す。図４において、交流電源１０の出力はブリッジ型の整流器１１で整流され、コンデンサ１２で平滑されて直流に変換される。
【０００３】
この直流はトランス１３の１次側巻線Ｔｐ１に印加される。１次側巻線Ｔｐ１には直列にスイッチング素子１４が配置されており、このスイッチング素子１４は制御部１５によって周期的にオン、オフされる。
【０００４】
このため、トランス１３の巻線Ｔｐ１に流れる電流は断続され、巻線Ｔｐ２に交流が発生する。この交流はダイオード１６で整流され、コンデンサ１７で平滑されて負荷１８に供給される。なお、制御部１５でスイッチング素子１４のオン、オフを制御して、入力交流電圧が変化しても負荷１８に供給する電圧が変化しないようにしているが、詳細な説明は省略する。
【０００５】
このようなスイッチング電源は、入力される交流電力が短時間停電する瞬停が発生しても、負荷１８に供給する電圧を所定の時間一定値に保持しなければならない。瞬停が発生したときのコンデンサ１２両端の電圧と負荷１８に供給される電圧の変化を図５に示す。
【０００６】
図５において、（Ａ）はコンデンサ１２両端の電圧変化、（Ｂ）は負荷１８に供給される電圧の変化を表した図である。時刻ｔ１で瞬停が発生し、時刻ｔ２で復帰したとする。ｔ１とｔ２の時間間隔は、例えば２０ｍＳとする。なお、Ｖ１は瞬停が発生する前のコンデンサ１２両端の電圧である。
【０００７】
瞬停が発生と、負荷１８に供給する電力はコンデンサ１２に蓄積された電力を用いて供給される。このため、コンデンサ１２両端の電圧は時刻ｔ１から徐々に低下し、時刻ｔ２でＶ２になる。時刻Ｔ２で瞬停から復帰すると、コンデンサ１２両端の電圧はＶ１に戻る。
【０００８】
瞬停の間、トランス１３の１次側巻線Ｔｐ１に供給される電圧は徐々に低下するが、制御部１５の働きによって、（Ｂ）に示すように負荷１８に供給される電圧は変化しない。
【０００９】
瞬停の継続時間をＴ、瞬停前のコンデンサ１２両端の電圧をＶ１、負荷１８に定電圧を供給できる最低電圧をＶ２、コンデンサ１２の容量をＣ１、負荷１８の消費電力をＷとすると、瞬停後時間Ｔの間負荷１８に定電圧を供給するためには、に下記（１）式が成立しなければならない。
Ｔ＝Ｃ１×（Ｖ１−Ｖ２）２／（２Ｗ）  ・・・・・・・  （１）
【００１０】
コンデンサ１２に要求される容量Ｃ１は、前記（１）式を変形した下記（２）式で算出することができる。
Ｃ１＝２×Ｔ×Ｗ／（Ｖ１２−Ｖ２２）  ・・・・・・  （２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−１９７５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、このようなスイッチング電源は、入力される交流電力の電圧範囲をＡＣ２０Ｖ〜ＡＣ２６４Ｖのように広くしようとすると、コンデンサ１２として大容量のコンデンサが必要になるという課題があった。
【００１３】
例えば、Ｗ＝１５Ｗ、Ｖ１＝２０Ｖ、Ｖ２＝１５Ｖ、Ｔ＝２０ｍＳとすると、前記（２）式から、コンデンサ１２に必要な容量Ｃ１は３４２８．５μＦになる。交流入力電圧の最大値を２６４Ｖとするとピーク電圧は３７３Ｖになるので、コンデンサ１２として、耐圧４００Ｖ、容量３５００μＦのコンデンサが必要になる。
【００１４】
現実的には、耐圧４００Ｖ、３３０μＦのコンデンサを１１個並列接続して、この容量を確保しなければならない。このため、大きな実装スペースが必要になり、機器の小型化が困難であるという課題があった。
【００１５】
また、コンデンサ１２とは別に、高い電圧を蓄える第２のコンデンサを設け、入力電圧の低下時にこの第２のコンデンサからスイッチング電源部に電力を供給して、電圧保持時間を長くするようにした例（特許文献１）もあるが、第２のコンデンサに対する充電時定数が大きく、次の瞬停に備えるために、第２のコンデンサを急速に充電することができない。
【００１６】
本発明の目的は、長い電圧保持時間を確保し、かつ小型化が可能なスイッチング電源を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
直流が入力され、この直流を断続してトランスの第１の巻線に印加し、このトランスの第２の巻線に誘起された交流電圧を整流、平滑し、直流に変換して出力するスイッチング電源において、
前記トランスに配置され、前記第１の巻線よりも巻数が多い第３の巻線と、
前記直流が遮断されたときに、出力電圧を保持するための電力を供給する第１のコンデンサと、
前記第３の巻線の出力電圧が入力され、前記直流が供給されているときに、入力された電圧に基づいて電力を蓄積し、前記第１のコンデンサの電圧が所定の値以下になったときに、蓄積された電力を用いて前記第１のコンデンサを充電する高圧蓄積部と、
を備えたものである。入力電圧が遮断されたときの出力電圧保持時間を長くすることができる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記高圧蓄積部は、
電力を蓄積する第２のコンデンサと、
前記第３の巻線の出力を整流するダイオードと、
前記第１のコンデンサの電圧が所定の値以下になったときに前記第２のコンデンサを前記第３の巻線から切り離し、前記直流が復帰したときに前記第２のコンデンサを前記第３の巻線に接続する第１のスイッチング素子と、
前記第１のコンデンサの電圧が所定の値以下になったときに前記第２のコンデンサを前記第１のコンデンサに接続し、前記直流が復帰したときに前記第２のコンデンサを前記第１のコンデンサから切り離す第２のスイッチング素子と、
前記第１および第２のスイッチング素子を制御するスイッチ制御部と、
を具備したものである。入力電圧が遮断されたときの出力電圧保持時間を長くすることができる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２に記載の発明において、
交流が入力され、この交流を直流に変換する交流入力電源部を具備したものである。入力される交流の電圧範囲を広くすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、および３の発明によれば、入力された直流を断続してトランスの第１の巻線に印加し、このトランスの第２の巻線に誘起した電圧を整流、平滑して出力するスイッチング電源であって、第３の巻線で昇圧した電圧に基づいて電力を蓄積し、入力電圧が遮断されたときに、この蓄積した電力で出力電圧を保持するコンデンサを充電するようにした。
【００２１】
トランスで昇圧してコンデンサに電力を蓄積するようにしたので、コンデンサの容量を小さくすることができる。このため、コンデンサの形状を小さくすることができるので実装面積が大幅に削減され、装置の小型化を図ることができるという効果がある。特に、２０Ｖ〜２６４Ｖのような広い入力電圧範囲を要求される電源に用いると、効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】図１実施例の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図４】従来のスイッチング電源の構成図である。
【図５】従来のスイッチング電源の動作を説明するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図４従来例のスイッチング電源は、交流電源１０の出力電圧が低いとき（例えばＡＣ２０Ｖ）であっても、瞬停時に負荷１８に供給する電圧を一定時間保持するために、コンデンサ１２の容量を大きくしなければならなかった。
【００２４】
但し、交流電源１０の出力電圧が高いときは、コンデンサ１２の容量は小さくてもよい。例えば、交流電源１０の出力電圧がＡＣ１００Ｖのときは、コンデンサ１２の容量が６１．３μＦあれば、２０ｍＳの保持時間を確保できる。この点に着目し、本発明はコンデンサに充電する電圧を昇圧することにより、コンデンサの容量を削減するようにしたものである。
【００２５】
図１は本発明に係るスイッチング電源の一実施例を示した構成図である。なお、図４と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【００２６】
図１において、２０は交流入力電源部であり、交流電源１０およびブリッジ型整流器１１で構成される。交流入力電源部２０は、交流を整流して直流に変換する。この直流は巻線Ｔｐ１に印加される。
【００２７】
３０はスイッチング電源であり、コンデンサ１２および１７、スイッチング素子１４、制御部１５、ダイオード１６、高圧蓄電部３１、トランス３２で構成される。
【００２８】
コンデンサ１２は第１のコンデンサに相当する。コンデンサ１２は、交流電源１０に瞬停が発生し、直流が供給されなくなったときに、負荷１８に供給する出力電圧を保持するための電力を供給する。
【００２９】
トランス３２にはＴｐ１〜Ｔｐ３の３つの巻線が巻かれている。巻線Ｔｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐ３はそれぞれ第１、第２、第３の巻線の相当する。また、巻線Ｔｐ３の巻数は、巻線Ｔｐ１の巻線よりも多く（例えば１．５倍）なるようにされる。
【００３０】
高圧蓄電部３１は、交流電源１０に瞬停が発生せず、巻線Ｔｐ１に直流が印加されているときに巻線Ｔｐ３の出力電圧により電力を蓄積し、コンデンサ１２の両端電圧が所定の値以下になったときに、蓄積した電力を用いてコンデンサ１２を充電する。
【００３１】
コンデンサ１２両端の電圧は巻線Ｔｐ１に印加される。巻線Ｔｐ１に流れる電流は、制御部１５でオンオフが制御されるスイッチング素子１４で断続される。このため、２次側巻線Ｔｐ２には電圧が発生する。この電圧はダイオード１６、コンデンサ１７で整流、平滑され、負荷１８に供給される。
【００３２】
高圧蓄電部３１はダイオード３３および３７、スイッチング素子３４、３６、コンデンサ３５、スイッチ制御部３８で構成され、巻線Ｔｐ３の出力電圧が入力される。コンデンサ３５は第２のコンデンサに相当し、瞬停時にコンデンサ１２を充電する電力を蓄電する。また、スイッチング素子３４、３６は、それぞれ第１、第２のスイッチング素子に相当する。
【００３３】
巻線Ｔｐ３の一端はダイオード３３のアノードに接続される。ダイオード３３のカソードはスイッチング素子３４の一端に接続され、このスイッチング素子の他端とスイッチング素子３６の一端は共通接続される。
【００３４】
スイッチング素子３４と３６の共通接続点と巻線Ｔｐ３の他端にはコンデンサ３５が接続され、コンデンサ３５のマイナス端子とコンデンサ１２のマイナス端子は接続される。スイッチング素子３６の他端はダイオード３７のアノードに接続され、このダイオード３７のカソードはコンデンサ１２のプラス側に接続される。
【００３５】
スイッチ制御部３８にはダイオード３７のアノードの電圧が入力される。スイッチ制御部３８は、この入力された電圧に基づいてスイッチング素子３４、３６のオン、オフを制御する。
【００３６】
次に、図２を用いてこの実施例の動作を説明する。図２において、（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれスイッチング素子３４、３６の状態、（Ｃ）はコンデンサ１２両端の電圧、（Ｄ）は負荷１８に供給される電圧、すなわちスイッチング電源３０の出力電圧である。
【００３７】
交流入力電源部２０に入力される交流電圧、すなわちコンデンサ１２の両端電圧が正常なときは、スイッチング素子３４はオン、３６はオフに制御される。コンデンサ１２両端の電圧はＶ１であり、負荷１８には電圧Ｖｏが供給される。また、巻線Ｔｐ３の出力電圧はダイオード３３で整流され、コンデンサ３５はこの電圧で充電される。
【００３８】
時刻ｔ３で瞬停が発生すると、コンデンサ１２両端の電圧は低下を始める。時刻ｔ４でこの電圧がＶｓ以下になると、スイッチング素子３４がオフ、３６がオンになる。コンデンサ３５は巻線Ｔｐ３から切り離され、コンデンサ１２に接続される。コンデンサ１２はコンデンサ３５に充電された電荷で充電される。Ｖｓは、負荷１８に供給される電圧を一定値に維持する下限電圧より若干高い電圧に設定する。
【００３９】
このため、コンデンサ１２両端の電圧はＶ３まで上昇し、その後一定速度で低下する。時刻ｔ５で瞬停から回復すると、スイッチング素子３４がオン、３６がオフに変化する。コンデンサ３５はコンデンサ１２から切り離され、巻線Ｔｐ３に接続される。コンデンサ３５は巻線Ｔｐ３の出力電圧で充電される。交流入力電源部２０の出力電圧は回復するので、コンデンサ１２両端の電圧はＶ１に戻る。
【００４０】
巻線Ｔｐ３の巻数は巻線Ｔｐ１の巻数より大きいので、巻線Ｔｐ３を整流した電圧は交流入力電源部２０の出力電圧より大きくなる。このため、コンデンサ３５にはより多くの電荷が蓄積されるので、同じ電荷量を蓄積するためには、コンデンサ３５の容量を小さくすることができる。なお、電荷の蓄積は主としてコンデンサ３５で行うので、コンデンサ１２の容量は小さくてもよい。
【００４１】
例えば、交流入力電源部２０の出力電圧が２０Ｖであり、巻線Ｔｐ３でこの２０Ｖを３０Ｖに昇圧してコンデンサ３５を充電すると、コンデンサ３５の必要容量は８８８．８μＦになる。ダイオード３４、３７、スイッチング素子３６の電圧降下（約３Ｖ）を考慮しても、コンデンサ３５として１１９０μＦの容量があれば、２０ｍＳの保持時間を確保することができる。すなわち、コンデンサの容量を従来の１／３程度に小さくすることができる。巻線Ｔｐ３の巻数を大きくしてその出力電圧を増加させれば、コンデンサ３５の容量を更に小さくすることができる。
【００４２】
このため、コンデンサの形状を小さくすることができるので、その実装面積を削減することができ、スイッチング電源の小型化を図ることができる。
【００４３】
また、コンデンサ３５は、同期してオンオフするスイッチング素子３４、３６を介して巻線Ｔｐ３およびコンデンサ１２に選択的に接続されるので、コンデンサ３５が常に電源の負荷となることはなく、コンデンサ３５の充電時定数を小さくすることができ、電源が復旧した際に、コンデンサ３５をいち早く充電して、次の瞬停に備えることができる。
【００４４】
なお、図１の構成では交流入力電源部２０の出力電圧が高くなると巻線Ｔｐ３の出力電圧も高くなり、コンデンサ３５として耐圧が高いコンデンサを用いなければならない。このため、ダイオード３３とスイッチング素子３４の間に定電圧回路を設け、巻線Ｔｐ３の出力電圧が高いときに電圧を下げてコンデンサ３５に供給するようにすればよい。このようにするとコンデンサ３５として耐圧が低い小型のものを使用することができる。
【００４５】
例えば、電圧を３０Ｖに降圧してコンデンサ３５を充電すると、コンデンサ３５として耐圧５０Ｖのものを使用できる。瞬停の発生頻度は低いので、コンデンサ３５の充電電流を小さくすることができる。このため、定電圧回路は極簡単な構成のものが使用できる。
【００４６】
また、ダイオード３７は必ずしも必要ではないが、交流入力電源部２０の出力電圧がコンデンサ３５の電圧より高くなったときに、電流が逆流することを防止できる。このため、スイッチング素子３６として耐圧が低いものを使用できる。
【００４７】
図３に本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図３において、４０はスイッチング電源であり、コンデンサ１２および１７、スイッチング素子１４、制御部１５、トランス３２、高圧蓄電部３１で構成される。
【００４８】
スイッチング電源４０は、図１のスイッチング電源３０と同じ構成を具備している。スイッチング電源４０には直流電圧（例えばＤＣ２４Ｖ）が入力され、負荷１８に直流電圧を供給する。
【００４９】
この実施例でも巻線Ｔｐ３で昇圧された電圧でコンデンサ３５を充電し、コンデンサ１２の電圧が低下したときに、コンデンサ３５に蓄積された電荷でコンデンサ１２を充電するようにする。
【００５０】
入力される直流電圧が短時間切断されても、一定時間負荷１８に供給する電圧を保持することができる。また、昇圧した電圧でコンデンサ３５を充電するので、コンデンサ３５の容量を小さくすることができ、電源の小型化を図ることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１２、１７、３５  コンデンサ
１４、３４、３６  スイッチング素子
１５  制御部
１６、３３、３７  ダイオード
１８  負荷
２０  交流入力電源部
３０、４０  スイッチング電源
３１  高圧蓄電部
３２  トランス
３８  スイッチ制御部
Ｔｐ１〜Ｔｐ３  巻線
【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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