(57)【要約】【課題】ポータブルラジオやラジカセ（カセット録音テープ内蔵ラジオ）など、ラジオ受信機が内蔵された電子機器は、ノイズ発生が発生するために、スイッチング方式の電源回路は採用されない。珪素鋼板トランスのリニア方式が採用されている。  この珪素鋼板トランスのリニア方式は、待機時の消費電力を１．５Ｗ以下にすることが困難であった。このリニア方式の変換効率は４５％程度で悪かった。このリニア方式は交流電源の電圧が変動すると、負荷の直流電圧も比例して変動していた。【解決手段】正弦波の波形に近い電圧であるところの近似共振電圧成分と、直流電圧成分以外の電圧成分以外は含まない電圧で動作させることで、高調波ノイズを削除したスイッチング電源回路。【効果】待機時の消費電力は０．３Ｗ以下に改善できる。変換効率は７５％以上に改善できる。交流電源が±１０％変動しても、負荷の電圧変動は±１％以内に安定できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を直流電圧に変換する電源回路において、ダイオードとコンデンサで構成の１次の整流平滑回路と、逆非導通の半導体スイッチと、トランスと、ダイオードとコンデンサで構成の２次の整流平滑回路を備えて、前記トランスの電圧が、通常時は、近似正弦波の１周期と直流電圧以外は含まない電圧で動作することを特徴とした電源回路。
【請求項２】
低電圧ダイオードとトランジスタなどで構成の電圧比較回路と、トランジスタとダイオードとコンデンサなどの構成の制御回路を備えて、負荷電圧を安定化したことを特徴とする請求項１の電源回路。
【請求項３】
逆導通の半導体スイッチとダイオードを組合せることで、逆非導通特性にした半導体スイッチを備えることを特徴とする請求項１の電源回路。
【請求項４】
リーケージトランスを備えることを特徴とする請求項１の電源回路。
【請求項５】
トランス部分にインダクタを備えることを特徴とする請求項１の電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ポータブルラジオやラジカセ（カセット録音テープ内蔵ラジオ）のラジオ受信機が内蔵された電子機器など、ノイズ電波に敏感な機器に使用されている電源回路である。高調波ノイズを発生せずに、待機時消費電力を改善した電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、従来の電源のブロック回路図（図２）のスイッチング式の電源回路が採用されることが多い。
従来のスイッチング式の電源回路は、軽量、小型、高効率、低損失の利点があるものの、トランスの電圧に高調波を多く含んでいるため、ＡＭラジオ受信機内蔵機器には採用できずに、非スイッチング式の電源回路を採用していた。
しかし、非スイッチング方式の電源回路は、重く、大きく、効率が悪く、損失が多く、待機時でも消費電力が多いなどの問題があった。近年、特に環境問題より、待機時を含めて低損失の電源回路を強く求められている。【０００３】  図２に、従来の電源回路のブロック図を示す。交流電源８の電圧を、整流平滑回路９と半導体スイッチ１０とパルストランス１１と整流平滑回路１２で構成するスイッチング電源回路で、直流電圧を負荷１３に電力を供給する。
交流電源８の電圧を、ダイオードとコンデンサで構成した整流平滑回路９で、直流電圧に変換する。この直流電圧は半導体スイッチ１０を経由してパルストランス１１に接続する。半導体スイッチ１０が約５０ｋＨｚで開閉すると、パルストランス１１に半導体スイッチ１０の開閉周波数の交流電圧が発生する。
この交流電圧をパルストランス１１で変圧して、整流平滑回路１２で直流電圧に変換して、負荷１３に供給する。負荷１３の電圧を検知して、半導体スイッチ１０の開閉を制御すれば、負荷１３の電圧は安定する。【０００４】  図５に、従来の電源回路図を示す。図２と比較する。交流電源４９は、交流電源８である。ブリッジ構成のダイオード５０〜５３とコンデンサ５４は。整流平滑回路９である。半導体スイッチ５９は、半導体スイッチ１０である。抵抗５６とコンデンサ５７とダイオード５８は、余分な電圧を吸収するためのスナバー回路である。
トランス６４は、パルストランス１１である。ダイオード６６とコンデンサ６７は、整流回路１２である。負荷６８は、負荷１３である。
抵抗５５とダイオード６０と抵抗６１とコンデンサ６２と集積回路６３とフォトカプラ６５と抵抗６９と定電圧ダイオード７０と抵抗７１は、負荷６８の電圧を安定化するための制御回路である。
図６を用いて、図５の動作を説明する。波形７２は半導体スイッチ５９のドレイン電圧である。波形７３は半導体スイッチ５９のゲート電圧である。波形７４は半導体スイッチ５９のドレイン電流である。波形７５はダイオード６６の電流である。波形７６は、トランス６４の２次巻線電圧をダイオード６６で整流した電圧である。【０００５】  ダイオード５０〜５３とコンデンサ５４の働きで、交流電源４９の電圧を直流電圧に変換する。コンデンサ５４の直流電圧を半導体スイッチ５９の開閉動作でトランス６４の１次巻線に波形７２の矩形波電圧を加える。
半導体スイッチ５９が閉しているとき、トランス６４は黒点が正の電圧になり、波形７４の半導体スイッチ５９のドレイン電流は、波形７４の通り、トランス６４の１次巻線の励磁電流でもあり、時間に比例して上昇する電流である。半導体スイッチ５９が開すると、トランス６４の励磁電流は流れ続けようと、逆起電力で黒点が負の電圧が発生するため、トランス６４の２次巻線にダイオード６６を通して、コンデンサ６７と負荷６８に電流が転流する。【０００６】  このとき、トランス６４の構造上、１次巻線と２次巻線の結合は完全でないために、１次巻線に鋭く高い電圧が発生する。この鋭く高い電圧を吸収して、半導体スイッチ５９を保護するために、抵抗５６とコンデンサ５７とダイオード５８のスナバー回路がある。半導体スイッチ５９が開閉を続けると、コンデンサ６７と負荷６８の電圧が上昇する。定電圧ダイオード７０の電圧以上に上昇すると、抵抗６９と定電圧ダイオード７０とフォトカプラ６５の発光ダイオード端子と抵抗７１に電流が流れる。フォトカプラ６５は、絶縁されているが、発光ダイオード端子の電流値に比例した電流が、フォトトランジスタ端子に流れる。集積回路６３はフォトカプラ６５の電流信号を受けて、半導体スイッチ５９の開閉比率を制御する。フォトカプラ６５の電流信号が大きいときは、閉時間を短くすることで、負荷６８の電圧を下げる動作をする。この動作により、負荷６８の電圧は、定電圧ダイオード７０の電圧に近い値に安定する。【０００７】  従来のスイッチング電源回路は、シリーズドロッパ回路などのリニア動作電源に比較して、小型、軽量、高効率であるため、近年、採用する機器が増えている。
しかし、従来スイッチング電源回路は、半導体スイッチの開閉が原因で、不要な高調波ノイズを発生している。この高調波ノイズは、電源線などに伝導して伝わり、妨害電波として放射することで、ラジオ受信機に雑音として妨害していた。
また、デジタル機器に飛び込み誤動作させるなど、障害を与えていた。このため、高感度受信機や高機能オーディオ装置などには、従来のスイッチング電源回路は採用できなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  近年、省エネルギー、省電力の要求が強まり、待機時の消費電力と変換効率の値を国際規格で「０．５Ｗ以下」に規制することになる。この規制値「０．５Ｗ」は従来のスイッチング電源回路でも厳しい値である。リニア動作（非スイッチング式）の電源回路は、この規制値を満足させることは不可能な値である。
特に、待機時の消費電力は、無負荷でも、トランスの１次巻線に交流電源が印加されているため、トランスの鉄損と励磁電流の銅損があり、１Ｗ以下は困難であった。従来のスイッチング電源回路は、トランスの電圧が正弦波でなく、矩形波電圧であったために、高調波電圧が多く含まれていた。この高調波電圧はノイズとして、周辺機器に、悪影響を与えていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明は絶縁トランスの動作電圧に高調波成分を含まない電圧を印加することで、高調波ノイズの発生を極端に少なくしたスイッチング式の電源回路である。スイッチング式であるため、待機時の消費電力を軽減するとともに、負荷電圧も安定化できるなどの特徴である電源回路を提供するものである。
【発明の効果】  本発明の伝導ノイズと不要輻射ノイズの測定値は、絶縁トランスの動作電圧は、近似正弦波成分の１周期と直流電圧成分の電圧であるため、高調波成分が極端に少ない電圧である。このため、従来のスイッチング電源回路と異なり、発生ノイズは、従来の非スイッチング式の電源回路に近い値で、測定不可能なほどの低いレベルである。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００１０】  図１に、本発明によるブロック回路図を示す。交流電源１の電圧を、整流平滑回路２と逆非導通の半導体スイッチ３と共振トランス５と整流平滑回路６で構成するスイッチング電源回路で、直流電圧に変換して負荷７に電力を供給する。
交流電源１の電圧を、ダイオードとコンデンサで構成した整流平滑回路２で、直流電圧に変換する。この直流電圧は逆非導通の半導体スイッチ３を経由して、共振トランス５に接続する。逆非導通の半導体スイッチ３が約５０ｋＨｚで開閉すると、共振トランス５に逆非導通の半導体スイッチ３の開閉周波数で交流電圧が発生する。
ここで、共振トランス５で電圧共振する。共振トランス５で変圧して、整流平滑回路６で直流電圧に変換して、負荷７に供給する。
本発明実施例の回路図の図３と、本発明によるブロック回路図の図１を比較する。交流電源１４は、交流電源１である。ダイオード１５〜１８とコンデンサ１９は、整流平滑回路２である。ダイオード２２と半導体スイッチ２１は、逆非導通の半導体スイッチ３である。コンデンサ２３とリーケージトランス３９は、共振トランス５である。ダイオード４０とコンデンサ４１は、整流平滑回路６である。負荷４２は、負荷７である。抵抗２０と抵抗２４とコンデンサ２５と抵抗２６とダイオード２７と抵抗２８とコンデンサ２９とトランジスタ３０と抵抗３１とトランジスタ３２と抵抗３３と抵抗３４と抵抗３５と定電圧ダイオード３６とダイオード３７とコンデンサ３８は、電圧安定化の制御回路である。【００１１】  図４に、本発明の動作説明チャート図を示す。波形４３は、ダイオード２２のアノード電圧である。波形４４は、半導体スイッチ２１のゲート電圧である。波形４５は、コンデンサ２３の電流である。波形４６は、ダイオード２２と半導体スイッチ２１のドレイン電流である。波形４７は、ダイオード４０のアノード電圧である。波形４８は、負荷４２の電圧である。波形４３がゼロボルト以下のときに、半導体スイッチ２１の逆導通を防ぐ目的でダイオード２２を備えている。ダイオード２２により逆非導通となり波形４３は、負電圧に共振電圧（近似正弦波）で動作できる。共振電圧を妨げないために、リーケージトランス３９を備えている。近似正弦波電圧は、リーケージトランス３９の１次巻線３９１とコンデンサ２３の共振電圧である。
図４の動作説明チャート図を用いて、図３の本発明実施例回路図の動作を説明する。
交流電源１４の電圧をブリッジ構成のダイオード１５〜１８で全波整流してコンデンサ１９で平滑することで、直流電圧に変換する。半導体スイッチ２１が閉すると、コンデンサ１９の直流電圧が、コンデンサ２３とリーケージトランス３９の１次巻線に印加されている。半導体スイッチ２１に流れる電流は、波形４６の通り、時間に比例して上昇する。このとき、黒点が正の電圧が印加されるため、補助巻線３９３にも、黒点が正の電圧が発生する。トランジスタ３０と抵抗２８と抵抗３１とコンデンサ２９の働きで、波形４４の通り、抵抗３１とコンデンサ２９の積分時定数で遅れた電圧が、抵抗２６とコンデンサ２５を経由して、半導体スイッチ２１のゲート端子に印加される。【００１２】  半導体スイッチ２１のゲート端子電圧が低下して、閾値電圧まで降下したときに、半導体スイッチ２１が開する。半導体スイッチ２１が開すると、リーケージトランス３９の１次巻線３９１の電流は流れ続けようと、波形４５の通りコンデンサ２３に転流する。黒点が負の電圧に変化するため、半導体スイッチ２１のゲート端子電圧は急速に降下することで、半導体スイッチ２１は開する。リーケージトランス３９の１次巻線３９１のインダクタンスとコンデンサ２３の共振電圧を示す。
よって、ダイオード２２のアノード電圧は、波形４３を示す。リーケージトランス３９の補助巻線３９３の黒丸が正のときは、抵抗３１とコンデンサ２９の積分回路の遅れ電圧で、トランジスタ３０と抵抗２６とコンデンサ２５を経由して、半導体スイッチ２１のゲートに正電圧を印加する。これは正帰還回路であり、自励発振で動作する。この構成はＲＣＣ式の自励発振と同じ動作である。図３は、自励発振回路であるが、擬似共振制御ＩＣ（集積回路）を採用しても、同様な動作が可能である。近年、この擬似共振制御ＩＣは、容易に入手できる。図３は、コンデンサ２３を設けているが、リーケージトランス３９に静電シールドを設けたりすることで、発生する分布容量分が、このコンデンサ２３の働きをする場合は、コンデンサ２３は不要である。【００１３】  リーケージトランス３９の検出巻線３９４より、ダイオード３７を経由して、コンデンサ３８の電圧として、負荷４２の電圧を間接的に検出する。コンデンサ３８の電圧は、負荷４２の電圧に比例する。コンデンサ３８の電圧が上昇すると、定電圧ダイオード３６と抵抗３５を経由して、抵抗３４とトランジスタ３２のベース端子に電流が流れる。トランジスタ３２は、ベース電流を増幅してコレクタ電流が流れる。
これにより、半導体スイッチ２１のゲート電圧は下がり、開時間に対して閉時間が短くなる。その結果、半導体スイッチ２１のドレイン電流（波形４６）のピーク値が下がり、ドレイン電圧（波形４３）の波高値電圧も下がる。この構成で、交流電源１４の電圧が変動しても、負荷４２の電圧は安定動作する。リーケージトランス３９の構造は、図８に示す。ボビン１１２は、１次巻線３９１と２次巻線３９２を分離できるように、中央部分に分離壁が設けてある。１次巻線断面１１３の部分には、１次巻線３９１と補助巻線３９３を巻き、２次巻線断面１１４の部分には、２次巻線３９２と検出巻線３９４を巻く。フェライトコア１１１の中央部分に、空隙ギャップ１１５を設けている。【００１４】  この構造であるため、１次巻線３９１と２次巻線３９２の間は、リーケージインダクタンス値が大きくなる。このことで、１次巻線３９１の電圧は、波形４３であるのに対して、２次巻線３９２の電圧は、波形４７となり、異なる電圧波形で動作する。補助巻線３９３は、１次巻線３９１と同じ波形４３が望ましいため、１次巻線３９１に近い巻線断面１１３に巻く。一方、検出巻線３９４は、２次巻線３９２と同じ波形４７が望ましいため、２次巻線３９２に近い巻線断面１１４に巻く。
本発明の図３は、図８のような特殊なトランス（リーケージトランス）を採用したが、一般的トランスでも、本発明は構成できる。
次に、図７の本発明実施例回路図の動作を説明する。交流電源７８（１４）と、ダイオード７９〜８２（１５〜１８）と、コンデンサ８３（１９）と、抵抗８４（２０）と、半導体スイッチ８５（２１）と、ダイオード８６（２２）と、コンデンサ８７（２３）と、抵抗８８（２４）と、コンデンサ８９（２５）と、抵抗９０（２６）と、ダイオード９１（２７）と、抵抗９２（２８）と、コンデンサ９３（２９）と、トランジスタ９４（３０）と、抵抗９５（３１）と、トランジスタ９９（３２）と、抵抗１００（３３）と、ダイオード１０４（４０）と、コンデンサ１０５（４１）と、負荷１０６（４２）は、図３と同じ構成で同じ動作をする。【００１５】  トランス１０２とインダクタ１０３の構成は、図３のリーケージトランス３９の代わりに働く。抵抗１０７と定電圧ダイオード１０８と抵抗１０９は、負荷１０６の電圧を検知して、定電圧ダイオード１０８の電圧と比較している。フォトカプラ１１０は、絶縁して信号を伝達する。ダイオード９６と抵抗９７とコンデンサ９８は、フォトカプラ１１０駆動の直流電源を作っている。負荷１０６の電圧が、定電圧ダイオード１０８の電圧より高いとき、抵抗１０７と定電圧ダイオード１０８を経由して、フォトカプラ１１０の発光ダイオード端子に電流が流れる。この電流信号は光信号を経て、フォトカプラ１１０のフォトトランジスタ端子に比例した電流が流れる。この電流は、トランジスタ９９のベースに流れるため、図３と同様に、トランジスタ９９のベース電流を増幅してコレクタ電流が流れることで、半導体スイッチ８５のゲート電圧は下がり、開時間に対して閉時間が短くなる。その結果、半導体スイッチ８５のドレイン電流（波形４６）のピーク値が少なくなり、ドレイン電圧（波形４３）も下がる。この構成で、交流電源７８の電圧が変動しても、負荷１０６の電圧は安定する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】  本発明によるブロック回路図である。
【図２】  従来のブロック回路図である。
【図３】  本発明の回路図である。
【図４】  本発明の動作説明チャート図である。
【図５】  従来の回路図である。
【図６】  従来の動作説明チャート図である。
【図７】  本発明の回路図である。
【図８】  トランスの構造図である。
【符号の説明】
【００１７】１：交流電源                    ２：整流平滑回路
３：逆非導通の半導体スイッチ    ５：共振トランス
６：整流平滑回路                ７：負荷
８：交流電源                    ９：整流平滑回路
１０：半導体スイッチ            １１：パルストランス
１２：整流平滑回路              １３：負荷
１４：交流電源                  １５〜１８：ダイオード
１９：コンデンサ                ２０：抵抗
２１；半導体スイッチ            ２２：ダイオード
２３：コンデンサ                ２４：抵抗
２５：コンデンサ                ２６：抵抗
２７：ダイオード                ２８：抵抗
２９：コンデンサ                ３０：トランジスタ
３１：抵抗                      ３２：トランジスタ
３３〜３５：抵抗                ３６：定電圧ダイオード
３７：ダイオード                ３８：コンデンサ
３９：リーケージトランス        ４０：ダイオード
４１：コンデンサ                ４２：負荷
４３〜４８：波形                ４９：交流電源
５０〜５３：ダイオード          ５４：コンデンサ
５５、５６：抵抗                ５７：コンデンサ
５８：ダイオード                ５９：半導体スイッチ
６０：ダイオード                ６１：抵抗
６２：コンデンサ                ６３：集積回路
６４：トランス                  ６５：フォトカプラ
６６：ダイオード                ６７：コンデンサ
６８：負荷                      ６９：抵抗
７０：定電圧ダイオード          ７１：抵抗
７２〜７７：波形                ７８：交流電源
７９〜８２：ダイオード          ８３：コンデンサ
８４：抵抗                      ８５：半導体スイッチ
８６：ダイオード                ８７：コンデンサ
８８：抵抗                      ８９：コンデンサ
９０：抵抗                      ９１：ダイオード
９２：抵抗                      ９３：コンデンサ
９４：トランジスタ              ９５：抵抗
９６：ダイオード                ９７：抵抗
９８：コンデンサ                ９９：トランジスタ
１００、１０１：抵抗            １０２：トランス
１０３：インダクタ              １０４：ダイオード
１０５：コンデンサ              １０６：負荷
１０７：抵抗                    １０８：定電圧ダイオード
１０９：抵抗                    １１０：フォトカプラ
１１１：フェライトコア          １１２：ボビン
１１３：巻線断面                １１４：巻線断面
１１５：空隙ギャップ            ３９１：１次巻線
３９２：２次巻線                ３９３：補助巻線
３９４：検出巻線
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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