(57)【要約】【課題】入力電圧が制御回路部の起動電圧付近の低電圧でも起動可能であり、入力電圧にかかわらず起動時間を一定とすることができるとともに、起動後の電力損失を小さくする。【解決手段】１次巻線に供給される電力を２次巻線および３次巻線に伝達するトランスと、入力電圧を断続的にトランスの１次巻線に供給するスイッチング素子と、電源端子に起動電圧が印加されることでスイッチング素子のスイッチング動作の制御を開始する制御回路部と、制御回路部の電源端子に接続されたコンデンサと、３次巻線に伝達される電力を制御回路部の電源端子に導く整流素子と、入力電圧に基づいて定電流を生成し、コンデンサに出力する定電流回路部と、制御回路部の起動後に、定電流回路部の動作を停止させる定電流制御回路部とを備えたスイッチング電源。【選択図】図１
2011125074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次巻線に供給される電力を２次巻線および３次巻線に伝達するトランスと、
入力電圧を断続的に前記トランスの１次巻線に供給するスイッチング素子と、
電源端子に起動電圧が印加されることで前記スイッチング素子のスイッチング動作の制御を開始する制御回路部と、
前記制御回路部の電源端子に接続されたコンデンサと、
前記３次巻線に伝達される電力を前記制御回路部の電源端子に導く整流素子と、
前記入力電圧に基づいて定電流を生成し、前記コンデンサに出力する定電流回路部と、
前記制御回路部の起動後に、前記定電流回路部の動作を停止させる定電流制御回路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】
前記定電流回路部は、起動用抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、ｐｎｐトランジスタＱ２、ｐｎｐトランジスタＱ３を備えており、
前記入力電圧の入力端子に前記起動用抵抗Ｒ１と、前記抵抗Ｒ２と、前記ｐｎｐトランジスタＱ３のエミッタとが接続され、
前記起動用抵抗Ｒ１の他端に、前記ｐｎｐトランジスタＱ２のエミッタと、前記ｐｎｐトランジスタＱ３のベースとが接続され、
前記抵抗Ｒ２の他端に、前記ｐｎｐトランジスタＱ２のベースと、前記ｐｎｐトランジスタＱ３のコレクタと、抵抗Ｒ３が接続され、
前記ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタは、前記制御回路部の電源端子に接続されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源に係り、特に、入力電圧が低電圧でも起動可能であり、入力電圧にかかわらず起動時間を一定とすることができるとともに、電力損失を小さくすることができるスイッチング電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源を動作させるためには、最初に制御回路ＩＣに電源を供給して制御回路ＩＣを起動させる必要がある。スイッチング電源の起動回路関連の従来の構成について、図３（ａ）の回路図を参照して説明する。
【０００３】
スイッチング電源に入力電圧Ｖａが印加されると、起動用抵抗Ｒ１を介して接続されたコンデンサＣ１に電流が流れ込み、電荷が蓄積され、端子電圧が上昇していく。この端子電圧は、制御回路ＩＣ（Ｕ１）の電源端子Ｖｃｃに印加されており、制御回路ＩＣ（Ｕ１）の起動電圧に達すると、制御回路ＩＣ（Ｕ１）が動作を開始して、トランジスタＱｓのオン／オフを制御することにより、スイッチング電源が起動する。
【０００４】
制御回路ＩＣ（Ｕ１）が動作してスイッチング電源が起動した後は、トランスＴ１の３次巻線、ダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１に電流が流れ込み、電力が供給される。このときも、入力電圧ＶａとコンデンサＣ１の端子電圧との差により、起動用抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１に電流が流れ込む。このため、スイッチング電源の動作時に、起動用抵抗Ｒ１での電力損失が発生する。
【０００５】
この起動用抵抗Ｒ１での電力損失を低減するために、図３（ｂ）に示すような回路構成とする場合がある。本図の例では、起動用抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との間に、電界効果トランジスタＱ１と、これをオン／オフさせるための回路としてトリガ回路ＴＲＧおよび抵抗Ｒ４を追加する。
【０００６】
起動時にはＴＲＧ回路をハイインピーダンス状態にしておく。この状態で、入力電圧Ｖａを印加すると、抵抗Ｒ４を介して電界効果トランジスタＱ１のゲートに電圧が上昇するため、電界効果トランジスタＱ１がオンする。すると、起動用抵抗Ｒ１と電界効果トランジスタＱ１とを介してコンデンサＣ１に電流が流れ込み、端子電圧が上昇していく。この端子電圧が、制御回路ＩＣ（Ｕ１）の起動電圧に達すると、制御回路ＩＣ（Ｕ１）が動作を開始して、トランジスタＱｓのオン／オフを制御することにより、スイッチング電源が起動する。
【０００７】
制御回路ＩＣ（Ｕ１）が動作してスイッチング電源が起動した後は、ＴＲＧ回路をローインピーダンス状態に切り替える。すると、電界効果トランジスタＱ１がオフとなり、起動用抵抗Ｒ１からコンデンサＣ１への電力供給経路が切断されるため、起動用抵抗Ｒ１での電力損失は発生しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１９８４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
スイッチング電源が起動するまでの時間は、入力電圧Ｖａを印加してから、起動用抵抗Ｒ１からコンデンサＣ１に流れ込む電流により、コンデンサＣ１の端子電圧が制御回路ＩＣ（Ｕ１）の起動電圧に達するまでの時間となる。
【００１０】
ここで、入力電圧Ｖａの値が一定ではなく電圧範囲が広い場合は、低電圧の入力電圧Ｖａが印加された場合と、高電圧の入力電圧Ｖａが印加された場合とで、コンデンサＣ１に流れ込む電流に大きな差が生じるため、スイッチング電源の起動時間にも大きな差が発生することになる。
【００１１】
また、図３（ｂ）に示した起動用抵抗Ｒ１における損失低減のための構成において、スイッチング電源の起動時は、電界効果トランジスタＱ１をオンにするため、電界効果トランジスタＱ１のゲート端子に入力電圧Ｖａを印加するが、この電圧値は、電界効果トランジスタＱ１のソース端子電圧値、すなわち、コンデンサＣ１の端子電圧と、電界効果トランジスタＱ１のゲート閾値電圧との合計値よりも高くなければならない。
【００１２】
仮に、電界効果トランジスタＱ１のゲート閾値電圧を５Ｖとし、制御回路ＩＣ（Ｕ１）の起動電圧を１８Ｖとすると、入力電圧Ｖａは、２３Ｖ以上であることが必要とされ、この電圧より低いとスイッチング電源は起動しないことになる。
【００１３】
そこで、本発明は、入力電圧が制御回路部の起動電圧付近の低電圧でも起動可能であり、入力電圧にかかわらず起動時間を一定とすることができるとともに、起動後の電力損失を小さ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とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明のスイッチング電源は、１次巻線に供給される電力を２次巻線および３次巻線に伝達するトランスと、入力電圧を断続的に前記トランスの１次巻線に供給するスイッチング素子と、電源端子に起動電圧が印加されることで前記スイッチング素子のスイッチング動作の制御を開始する制御回路部と、前記制御回路部の電源端子に接続されたコンデンサと、前記３次巻線に伝達される電力を前記制御回路部の電源端子に導く整流素子と、前記入力電圧に基づいて定電流を生成し、前記コンデンサに出力する定電流回路部と、前記制御回路部の起動後に、前記定電流回路部の動作を停止させる定電流制御回路部とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明では、定電流回路部からの定電流により制御回路部の電源端子に接続されたコンデンサを充電するため、入力電圧にかかわらずスイッチング電源の起動時間を一定とすることができる。スイッチング電源の起動後は、定電流制御回路部により定電流回路部の動作が停止されるため、定電流回路部における電力損失を削減することができる。
【００１６】
より具体的には、前記定電流回路部は、起動用抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３、ｐｎｐトランジスタＱ２、ｐｎｐトランジスタＱ３を備えており、前記入力電圧の入力端子に前記起動用抵抗Ｒ１と、前記抵抗Ｒ２と、前記ｐｎｐトランジスタＱ３のエミッタとが接続され、前記起動用抵抗Ｒ１の他端に、前記ｐｎｐトランジスタＱ２のエミッタと、前記ｐｎｐトランジスタＱ３のベースとが接続され、前記抵抗Ｒ２の他端に、前記ｐｎｐトランジスタＱ２のベースと、前記ｐｎｐトランジスタＱ３のコレクタと、抵抗Ｒ３が接続され、前記ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタは、前記制御回路部の電源端子に接続された構成とすることができる。
【００１７】
このように構成することで、入力電圧が、制御回路部の起動電圧＋ｐｎｐトランジスタＱ３のベース・エミッタ間電圧＋ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ飽和電圧を満たせば、スイッチング電源を起動することができる。すなわち、入力電圧が制御回路部の起動電圧付近の低電圧でも起動可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、入力電圧が制御回路部の起動電圧付近の低電圧でも起動可能であり、入力電圧にかかわらず起動時間を一定とすることができるとともに、起動後の電力損失を小さくすることができるスイッチング電源が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態のスイッチング電源の起動回路関連の構成を示す回路図である。
【図２】本実施形態のスイッチング電源の起動回路関連の構成の別例を示す回路図である。
【図３】スイッチング電源の起動回路関連の従来の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のスイッチング電源の起動回路関連の構成を示す回路図である。本図に示すように、スイッチング電源は、ｐｎｐトランジスタＱ２およびＱ３、起動用抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３により構成される起動用定電流回路１０と、電界効果トランジスタＱ１、ｎｐｎトランジスタＱ４、抵抗Ｒ４、抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６により構成される定電流制御回路２０を備えている。その他の構成については従来と同様とすることができる。
【００２１】
すなわち、１次巻線に供給される電力を２次巻線および３次巻線に伝達するトランスＴ１と、入力電圧Ｖａを断続的にトランスＴ１の１次巻線に供給するスイッチング素子である電界効果トランジスタＱｓと、電源端子Ｖｃｃに起動電圧が印加されることで電界効果トランジスタＱｓのスイッチング動作の制御を開始する制御回路ＩＣ（Ｕ１）と、制御回路ＩＣ（Ｕ１）の電源端子Ｖｃｃに一端が接続され、他端が接地されたコンデンサＣ１と、３次巻線に伝達される電力を制御回路ＩＣ（Ｕ１）の電源端子Ｖｃｃに導く整流素子であるダイオードＤ１とを備えている。
【００２２】
なお、制御回路ＩＣ（Ｕ１）は、起動後に、例えば、５Ｖの基準電圧を出力するＶｒｅｆ端子を備えているものとする。
【００２３】
起動用定電流回路１０は、入力電圧Ｖａに基づいて定電流を生成し、コンデンサＣ１に定電流を供給する動作を行ない、定電流制御回路２０は、起動用定電流回路１０の回路動作を停止させる動作を行なう。
【００２４】
すなわち、スイッチング電源の起動時には、起動用定電流回路１０によりコンデンサＣ１に定電流を供給することで、入力電圧Ｖａの値にかかわらず、起動時間を一定とし、スイッチング電源の起動後には、定電流制御回路２０によって、起動用定電流回路１０の回路動作を停止させることで、電力損失を低減するようにしている。
【００２５】
本図の例において、起動用定電流回路１０は、入力電圧Ｖａの入力端子に起動用抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、ｐｎｐトランジスタＱ３のエミッタが接続されている。また、起動用抵抗Ｒ１の他端に、ｐｎｐトランジスタＱ２のエミッタと、ｐｎｐトランジスタＱ３のベースが接続され、抵抗Ｒ２の他端に、ｐｎｐトランジスタＱ２のベースと、ｐｎｐトランジスタＱ３のコレクタと、抵抗Ｒ３が接続されている。ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタは、制御回路ＩＣ（Ｕ１）の電源端子Ｖｃｃに接続されている。ただし、起動用定電流回路１０は、他の回路により構成してもよい。
【００２６】
定電流制御回路２０は、入力電圧Ｖａの入力端子に抵抗Ｒ４が接続されている。抵抗Ｒ４は、起動用抵抗Ｒ１と異なり、十分大きくすることができる。また、電界効果トランジスタＱ１は、定電流制御回路２０の抵抗Ｒ３に流れる電流を制御するスイッチとして機能し、ゲートに抵抗Ｒ４の他端が接続されている。
【００２７】
電界効果トランジスタＱ１のゲートは、さらに、ｎｐｎトランジスタＱ４のコレクタに接続されている。ｎｐｎトランジスタＱ４のベースは、抵抗Ｒ５を介して制御回路ＩＣ（Ｕ１）のＶｒｅｆ端子に接続されるとともに、抵抗Ｒ６を介してエミッタに接続されるとともに接地されている。ただし、定電流制御回路２０は、他の回路により構成してもよい。
【００２８】
次に、本実施形態のスイッチング電源の動作について説明する。入力電圧Ｖａが印加されると、抵抗Ｒ４を介して電界効果トランジスタＱ１のゲート電圧が上昇し、電界効果トランジスタＱ１がオンすることにより、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３に電流が流れ始める。
【００２９】
抵抗Ｒ２の電圧降下により、ｐｎｐトランジスタＱ２のエミッタ・ベース間電圧が０．６〜０．７Ｖになると、ｐｎｐトランジスタＱ２が導通する。すると、起動用抵抗Ｒ１、ｐｎｐトランジスタＱ２を経由して電流がコンデンサＣ１に流れ込み、コンデンサＣ１の端子電圧が上昇する。
【００３０】
一方、起動用抵抗Ｒ１に流れる電流が増加して、起動用抵抗Ｒ１の電圧降下により、ｐｎｐトランジスタＱ３のエミッタ・ベース間電圧が０．６〜０．７Ｖになると、ｐｎｐトランジスタＱ３が導通する。これにより、抵抗Ｒ２の電圧降下が減少し、ｐｎｐトランジスタＱ２のベース電流が減少することになり、起動用抵抗Ｒ１、ｐｎｐトランジスタＱ２を経由してコンデンサＣ１に流れ込む電流が抑制される。
【００３１】
すると、起動用抵抗Ｒ１の電圧降下が減少し、ｐｎｐトランジスタＱ３のベース電流が減少する。これにより、再度、抵抗Ｒ２の電圧降下が大きくなるため、ｐｎｐトランジスタＱ２のベース電流が増加し、起動用抵抗Ｒ１、ｐｎｐトランジスタＱ２を経由してコンデンサＣ１に流れ込む電流が増加する。
【００３２】
このような動作を繰り返すことにより、起動用抵抗Ｒ１、ｐｎｐトランジスタＱ２を流れる電流は、
Ｉｃｎｔ＝（Ｑ３のベース・エミッタ間電圧）／起動用抵抗Ｒ１
で表わされる定電流Ｉｃｎｔとなる。
【００３３】
この値は、入力電圧Ｖａとは無関係で一定である。スイッチング電源の起動時において、コンデンサＣ１は、この定電流Ｉｃｎｔで充電されるため、端子電圧が、制御回路ＩＣ（Ｕ１）の起動電圧に達するまでの時間は一定となる。すなわち、入力電圧Ｖａにかかわらず、スイッチング電源の起動時間を一定にすることができる。
【００３４】
制御回路ＩＣ（Ｕ１）が動作を開始すると、Ｖｒｅｆ端子から電圧が出力され、ｎｐｎトランジスタＱ４がオンになる。これにより、電界効果トランジスタＱ１のゲート電圧が低下するため、電界効果トランジスタＱ１がオフとなる。したがって、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３を流れる電流が遮断され、ｐｎｐトランジスタＱ２がオフする。これにより、起動用抵抗Ｒ１、ｐｎｐトランジスタＱ２を経由してコンデンサＣ１に流れ込む電流が流れなくなるため、起動用抵抗Ｒ１における電力損失をなくすことができる。
【００３５】
スイッチング電源の起動用定電流回路１０において、ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間電圧および起動用抵抗Ｒ１にかかる電圧をＶｂとすると、電界効果トランジスタＱ１がオン状態であれば、電圧Ｖｂが、
Ｖｂ＞（ｐｎｐトランジスタＱ３のベース・エミッタ間電圧）＋（ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ飽和電圧）
を満たしていれば、起動用定電流回路１０は定電流動作を行なうことができる。
【００３６】
すなわち、入力電圧Ｖａの値が、以下に示すＶｔｈ以上であれば、起動用定電流回路１０は定電流動作を行なうことができ、スイッチング電源が動作を開始することができることになる。
Ｖｔｈ＝（制御回路ＩＣ（Ｕ１）の起動電圧）＋（ｐｎｐトランジスタＱ３のベース・エミッタ間電圧）＋（ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ飽和電圧）
例えば、制御回路ＩＣ（Ｕ１）の起動電圧を１８Ｖとし、ｐｎｐトランジスタＱ３のベース・エミッタ間電圧を０．６Ｖとし、ｐｎｐトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ飽和電圧を０．４Ｖとすれば、入力電圧Ｖａが１９Ｖ以上であれば、定電流動作が行なわれ、スイッチング電源が動作を開始することができることになる。
【００３７】
このように、本実施形態のスイッチング電源によれば、入力電圧が制御回路部の起動電圧付近の低電圧でも起動可能であり、入力電圧にかかわらず起動時間を一定とすることができるとともに、起動後の電力損失を小さくすることができる。
【００３８】
次に、本実施形態のスイッチング電源の別構成について、図２の回路図を参照して説明する。本別例は、制御回路ＩＣ（Ｕ１）が、基準電圧を出力するＶｒｅｆ端子を備えていない場合に効果的に適用することができる。
【００３９】
本別例では、定電流制御回路２０に代えて、ツェナーダイオードＺＤ１を備えた定電流制御回路３０を用いている。
【００４０】
すなわち、３次巻線の出力にダイオードＤ２とコンデンサＣ２を追加し、ダイオードＤ２のカソードをツェナーダイオードＺＤ１のカソードに接続する。そして、ツェナーダイオードＺＤ１のアノードを、抵抗Ｒ５を介してｎｐｎトランジスタＱ４のベースに接続する。他の構成は、上記の実施形態と同様である。
【００４１】
本構成により、制御回路ＩＣ（Ｕ１）が、基準電圧を出力するＶｒｅｆ端子を備えていない場合にも、スイッチング電源の起動後に、起動用定電流回路１０の動作を停止させることができるようになる。
【００４２】
すなわち、スイッチング電源が起動して、３次巻線に電力が伝達されると、コンデンサＣ２を充電し、その端子電圧が、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧以上になると、ｎｐｎトランジスタＱ４がオンになる。
【００４３】
これにより、電界効果トランジスタＱ１のゲート電圧が低下するため、電界効果トランジスタＱ１がオフとなる。したがって、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３を流れる電流が遮断され、ｐｎｐトランジスタＱ２がオフする。
【００４４】
これにより、起動用抵抗Ｒ１、ｐｎｐトランジスタＱ２を経由してコンデンサＣ１に流れ込む電流が流れなくなるため、起動用抵抗Ｒ１における電力損失をなくすことができる。
【００４５】
また、本別例では、スイッチング電源が起動して即座に起動用定電流回路１０の動作を停止させるのではなく、コンデンサＣ２の端子電圧がツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧まで上昇してから起動用定電流回路１０の動作を停止させるようにしている。このため、起動用定電流回路１０の動作の停止タイミングを調整することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…起動用定電流回路、２０…定電流制御回路、３０…定電流制御回路、Ｃ１…コンデンサ、Ｃ２…コンデンサ、Ｄ１…ダイオード、Ｄ２…ダイオード、Ｕ１…制御回路ＩＣ、Ｑ１…電界効果トランジスタ、Ｑ２…ｐｎｐトランジスタ、Ｑ３…ｐｎｐトランジスタ、Ｑ４…ｎｐｎトランジスタ、Ｑｓ…電界効果トランジスタ、Ｒ１…起動用抵抗、Ｒ２…抵抗、Ｒ３…抵抗、Ｒ４…抵抗、Ｒ５…抵抗、Ｒ６…抵抗、Ｔ１…トランス、ＴＲＧ…トリガ回路、ＺＤ１…ツェナーダイオード
【図１】
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【図２】
2011125074.tif 000004
【図３】
2011125074.tif 000005