(57)【要約】【課題】スイッチング電源装置の効率を改善する。【解決手段】スイッチングトランスは、コア側の最内層にリセット巻線Ｐ３が配置され、リセット巻線Ｐ３の外側に隣接して１次巻線Ｐ１が配置され、１次巻線Ｐ１の外側に２次巻線Ｓ１が配置され、２次巻線Ｓ１の外側に１次巻線Ｐ２が配置され、１次巻線Ｐ２の外側に２次巻線Ｓ２が配置され、２次巻線Ｓ２の外側に補助巻線Ｂが配置されている。このように、MOSFET１００のドレインにつながる１次巻線Ｐ１に一番近い部分にリセット巻線Ｐ３を配置しているため、MOSFET１００のドレイン電圧のフライバックエネルギーによる上昇を抑える効果、すなわち、スイッチング波形におけるMOSFET１００のドレイン・ソース間のピーク電圧を下げる効果が得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２入力ノードと、容量素子と、スイッチングトランスと、スイッチング素子と、整流素子と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御回路と、整流回路と、平滑回路と、定電圧制御回路と、第１および第２出力ノードとを備えたスイッチング電源装置であって、
前記第１入力ノードと前記第２入力ノードとの間に入力電圧が与えられ、
前記容量素子は、前記第１入力ノードと前記第２入力ノードとの間に接続され、
前記スイッチングトランスは、１次巻線と、２次巻線と、リセット巻線とを含み、
前記１次巻線は、前記第１入力ノードと前記第２入力ノードとの間に前記容量素子と並列に接続され、
前記スイッチング素子は、前記第１入力ノードと前記第２入力ノードとの間に前記１次巻線と直列に接続され、
前記リセット巻線は、前記第１入力ノードと前記第２入力ノードとの間に前記容量素子および前記１次巻線と並列に接続され、
前記整流素子は、前記第１入力ノードと前記第２入力ノードとの間に前記リセット巻線と直列に接続され、
前記２次巻線は、前記第１出力ノードと前記第２出力ノードとの間に接続され、
前記整流回路および前記平滑回路は、前記２次巻線と前記第１および第２出力ノードとの間に設けられ、
前記定電圧制御回路は、前記第１出力ノードと前記第２出力ノードとの間の電圧レベルに応じた制御信号を出力し、
前記ＰＷＭ制御回路は、前記定電圧制御回路からの制御信号に応じて前記スイッチング素子のオン／オフを制御し、
前記スイッチングトランスは、コアの外周に前記１次巻線、前記２次巻線、前記リセット巻線が層状に巻回されており、
前記リセット巻線は、前記１次巻線の内側または外側位置に隣接して配置されている、
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記スイッチングトランスは、
コア側の最内層に前記リセット巻線が配置され、
前記リセット巻線の外側位置に隣接して前記１次巻線が配置されている、
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記１次巻線は、直列に接続された第１および第２巻線を含み、
前記２次巻線は、並列に接続された第３および第４巻線を含み、
前記スイッチングトランスは、
コア側の最内層に前記リセット巻線が配置され、
前記リセット巻線の外側位置に隣接して前記第１巻線が配置され、
前記第１巻線の外側位置に前記第３巻線が配置され、
前記第３巻線の外側位置に前記第２巻線が配置され、
前記第２巻線の外側位置に前記第４巻線が配置されている、
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特に、スイッチングトランスの巻線構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
家庭やオフィスで使用される電子機器の電源としてスイッチング電源が幅広く使用されている。近年では、電子機器の省エネルギー化や小型化に伴い、内蔵されるスイッチング電源にも小型化・長寿命化・高信頼性が求められており、効率の良いスイッチング電源が必要とされている。
【特許文献１】特開２００６−３０４４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、スイッチング電源装置の効率を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によるスイッチング電源装置は、第１および第２入力ノードと、容量素子と、スイッチングトランスと、スイッチング素子と、整流素子と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御回路と、整流回路と、平滑回路と、定電圧制御回路と、第１および第２出力ノードとを備える。
【０００５】
第１入力ノードと第２入力ノードとの間に入力電圧が与えられる。容量素子は、第１入力ノードと第２入力ノードとの間に接続される。スイッチングトランスは、１次巻線と、２次巻線と、リセット巻線とを含む。１次巻線は、第１入力ノードと第２入力ノードとの間に容量素子と並列に接続される。スイッチング素子は、第１入力ノードと第２入力ノードとの間に１次巻線と直列に接続される。リセット巻線は、第１入力ノードと第２入力ノードとの間に容量素子および１次巻線と並列に接続される。整流素子は、第１入力ノードと第２入力ノードとの間にリセット巻線と直列に接続される。２次巻線は、第１出力ノードと第２出力ノードとの間に接続される。整流回路および平滑回路は、２次巻線と第１および第２出力ノードとの間に設けられる。定電圧制御回路は、第１出力ノードと第２出力ノードとの間の電圧レベルに応じた制御信号を出力する。ＰＷＭ制御回路は、定電圧制御回路からの制御信号に応じてスイッチング素子のオン／オフを制御する。
【０００６】
スイッチングトランスは、コアの外周に１次巻線、２次巻線、リセット巻線が層状に巻回されている。リセット巻線は、１次巻線の内側または外側位置に隣接して配置されている。
【０００７】
さらに、スイッチングトランスは、コア側の最内層にリセット巻線が配置され、リセット巻線の外側位置に隣接して１次巻線が配置されている、ことが好ましい。
【０００８】
さらに、１次巻線は、直列に接続された第１および第２巻線を含み、２次巻線は、並列に接続された第３および第４巻線を含み、スイッチングトランスは、コア側の最内層にリセット巻線が配置され、リセット巻線の外側位置に隣接して第１巻線が配置され、第１巻線の外側位置に第３巻線が配置され、第３巻線の外側位置に第２巻線が配置され、第２巻線の外側位置に第４巻線が配置されている、ことが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によるスイッチング電源装置では、リセット巻線および整流素子によりフライバックエネルギーを容量素子に戻すことにより、従来のスイッチング電源装置では損失となっていた電力を再利用可能としている。
【００１０】
また、スイッチングトランスにおいて、スイッチング素子に接続される１次巻線に隣接してリセット巻線を配置しているため、スイッチング素子にかかる電圧のフライバックエネルギーによる上昇を抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図面において同一部分または相当する部分には同じ参照符号を付している。
【００１２】
本発明の実施形態によるスイッチング電源回路の構成を図１に示す。この回路はフォワード方式のスイッチング電源回路であり、一般的なフォワード方式のスイッチング電源回路と異なっている点は、リセット巻線Ｐ３およびダイオード１１０により構成されるリサイクル回路を設けている点である。
【００１３】
また、図１の回路は、スイッチングトランスの巻線構造に特徴を有している。スイッチングトランスの構成を図２に示す。図２（ａ）は巻線の接続関係を示しており、端子番号１〜１１はそれぞれ図１の端子番号１〜１１に対応している。また、図２（ｂ）は巻線の配置構成を示している。図２（ｂ）に示すように、スイッチングトランスは、コア側の最内層にリセット巻線Ｐ３が配置され、リセット巻線Ｐ３の外側に隣接して１次巻線Ｐ１が配置され、１次巻線Ｐ１の外側に２次巻線Ｓ１が配置され、２次巻線Ｓ１の外側に１次巻線Ｐ２が配置され、１次巻線Ｐ２の外側に２次巻線Ｓ２が配置され、２次巻線Ｓ２の外側に補助巻線Ｂが配置されている。
【００１４】
以上のように構成された本実施形態のスイッチング電源回路では、スイッチングトランスのリセット巻線Ｐ３とダイオード１１０によりフライバックエネルギーをコンデンサ１２０に戻すことにより、従来のフォワード方式のスイッチング電源回路では損失となっていた電力を再利用可能としている。ゆえに、フライバックエネルギーの大きい電源仕様（出力電圧が低いなど）において特に効率が改善する。
【００１５】
さらに、MOSFET１００のドレインにつながる１次巻線Ｐ１に一番近い部分にリセット巻線Ｐ３を配置しているため、MOSFET１００のドレイン電圧のフライバックエネルギーによる上昇を抑える効果、すなわち、スイッチング波形におけるMOSFET１００のドレイン・ソース間のピーク電圧を下げる効果が得られる。ゆえに、スイッチング素子としてMOSFET１００の低耐圧品を使用することができ、コストダウン・効率改善につながる。また、MOSFET１００のドレイン端子のピーク電圧を抑制するための部品が不要になるため、コストダウンにつながる。また、MOSFET１００のドレインピーク電圧の低下により、ＡＣ２００Ｖ入力への対応が容易になる。
【００１６】
本実施形態のスイッチング電源回路によれば上記のように効率改善が可能になり、製品の小型化・長寿命化・高信頼性が図れる。
【００１７】
次に、本実施形態のスイッチング電源回路の性能比較結果を示す。
【００１８】
図３は、本実施形態（図１）のスイッチング電源回路の効率値（出力電力／入力電力）と市販の各種標準スイッチング電源（フォワード方式）の効率値との比較結果を示している。図３において縦軸は効率値、横軸は出力電流を示している。ここでは入力電圧ＡＣ１００Ｖ、出力電圧Ｖｏ＝３.３Ｖ，５.０Ｖ，１２Ｖの３種類について比較している。図３から明らかなように、本実施形態のスイッチング電源回路によれば市販標準電源よりも高い効率値が得られる。また、図３から分かるように、出力電圧Ｖｏが低い方が効率値の改善度合いが大きい。近年では、スイッチング電源が搭載される電子機器の低電圧化が要求される傾向になっており、本実施形態のスイッチング電源回路は将来的に有効な技術になっていくものと予想される。
【００１９】
図４は、本実施形態（図１）のスイッチング電源回路と、これと同一基板でリサイクル回路（リセット巻線Ｐ３、ダイオード１１０）を設けていないスイッチング電源回路（リサイクル回路なし）との効率値の比較結果を示している。また、図５（ａ）は、本実施形態（図１）のスイッチング電源回路のスイッチング電圧・電流波形（MOSFET１００のドレイン電圧Ｖｄｓ・ドレイン電流Ｉｄ）を示し、図５（ｂ）は、リサイクル回路なしのスイッチング電源回路のスイッチング電圧・電流波形を示している。図５から明らかなように、本実施形態のスイッチング電源回路によれば、MOSFET１００のドレイン・ソース間のピーク電圧を下げる効果が得られる。
【００２０】
また、本実施形態のスイッチング電源回路によれば、市販の標準的なフォワード方式のスイッチング電源回路と比較して部品点数を増やすことなく効率を改善することが可能である。ここでは図６（ａ）（ｂ）に示すような２種類の市販標準電源と比較してみる。なお、図６中のＩＣ１０１は、図１のMOSFET１００とＰＷＭ制御用ＩＣが一体化されたものである。図１のスイッチング電源回路では、図６（ａ）において点線で示す領域Ａの部品（抵抗１個、ダイオード１個、コンデンサ１個）が不要となる一方、図６（ａ）の市販標準電源においては必要のないリサイクル回路用のダイオード（図１のＤ１１０）が必要となる。これより、図１のスイッチング電源回路は、図６（ａ）の市販標準電源と比べて部品点数を２つ少なくすることができる。また、図１のスイッチング電源回路では、図６（ｂ）において点線で示す領域Ｂの部品（抵抗１個、コンデンサ１個）が不要となる一方、図６（ｂ）の市販標準電源においては必要のないリサイクル回路用のダイオード（図１のＤ１１０）が必要となる。これより、図１のスイッチング電源回路は、図６（ｂ）の市販標準電源と比べて部品点数を１つ少なくすることができる。
【００２１】
次に、本実施形態のスイッチング電源回路と、標準的なフライバック方式のスイッチング電源回路との性能比較結果を示す。比較対象としたフライバック方式のスイッチング電源回路の構成を図７に示す。図７の電源回路の入力電圧はＤＣ２４Ｖ、出力電圧は５.０Ｖである。なお、この比較を行うにあたり、図１のスイッチング電源回路において入力電圧をＡＣ１００ＶからＤＣ２４Ｖに変更した。図８は、本実施形態（図１）のスイッチング電源回路と図７のスイッチング電源（フライバック方式）の効率値の比較結果を示している。図８から分かるように、本実施形態のスイッチング電源回路によればフライバック方式のスイッチング電源よりも高い効率値が得られる。また、図９（ａ）は、本実施形態（図１）のスイッチング電源回路のスイッチング電圧・電流波形（MOSFET１００のドレイン電圧Ｖｄｓ・ドレイン電流Ｉｄ）を示し、図９（ｂ）は、図７のスイッチング電源（フライバック方式）のスイッチング電圧・電流波形を示している。図９から分かるように、本実施形態のスイッチング電源回路によれば、図７のスイッチング電源（フライバック方式）よりも、MOSFET１００のドレイン・ソース間のピーク電圧を下げる効果が得られる。このように本実施形態のスイッチング電源回路はフライバック方式のスイッチング電源に対しても優位性があることが確認された。
【００２２】
なお、本実施形態では本発明をフォワード方式のスイッチング電源回路に適用した例について説明したが、本発明はフライバック方式のスイッチング電源回路にも同様に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明によるスイッチング電源装置はＯＡ機器や家庭電化製品等の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態によるスイッチング電源回路（フォワード方式）の回路図
【図２】図１に示したスイッチングトランスの巻線構造を示す図
【図３】図１のスイッチング電源回路の効率値と市販の各種標準スイッチング電源の効率値との比較結果を示す図
【図４】図１のスイッチング電源回路と、これと同一基板でリサイクル回路を設けていないスイッチング電源回路との効率値の比較結果を示す図
【図５】図１のスイッチング電源回路と、これと同一基板でリサイクル回路を設けていないスイッチング電源回路とのスイッチング電圧・電流波形を示す図
【図６】標準的なフォワード方式のスイッチング電源回路の回路図
【図７】標準的なフライバック方式のスイッチング電源回路の回路図
【図８】図１、図７のスイッチング電源回路の効率値の比較結果を示す図
【図９】図１、図７のスイッチング電源回路のスイッチング電圧・電流波形を示す図
【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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【図８】
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【図９】
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