(57)【要約】【課題】コモンモードノイズを抑制することのできるスイッチング電源回路を提供する。【解決手段】直流電圧をスイッチングして所定の周波数を有する交流電圧に変換するスイッチング回路１と、このスイッチング回路１によってスイッチングされた交流電圧を所定の電圧値に変換する高周波トランスＴとを備えるスイッチング電源回路であって、スイッチング回路１と高周波トランスＴとの間には、高周波トランスＴの１次巻線の両端に接続された第１および第２共振回路２，３が設けられている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧をスイッチングして所定の周波数を有する交流電圧に変換するスイッチング回路と、このスイッチング回路によってスイッチングされた交流電圧を所定の電圧値に変換するトランスとを備えるスイッチング電源回路であって、
上記スイッチング回路と上記トランスとの間には、上記トランスの１次巻線の両端に接続された共振回路が設けられたことを特徴とする、スイッチング電源回路。
【請求項２】
上記共振回路は、複数からなり、上記トランスの１次巻線の両端に対してそれぞれ直列に接続されている、請求項１に記載のスイッチング電源回路。
【請求項３】
上記スイッチング回路は、複数のスイッチング素子がブリッジ回路を構成することによりなり、
上記各共振回路は、上記ブリッジ回路の接続端に接続された、コンデンサおよびコイルからなる直列回路によって構成されている、請求項２に記載のスイッチング電源回路。
【請求項４】
上記スイッチング回路は、複数のスイッチング素子がブリッジ回路を構成することによりなり、
上記共振回路は、上記ブリッジ回路の接続端にそれぞれ一端が接続された複数のコンデンサと、これらのコンデンサの各他端および上記トランスの１次巻線の両端に接続された結合型コイルとからなる、請求項１に記載のスイッチング電源回路。
【請求項５】
上記共振回路の共振周波数は、少なくとも上記スイッチング回路におけるスイッチングの動作最低周波数に設定されている、請求項１ないし４のいずれかに記載のスイッチング電源回路。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のスイッチング電源回路が備えられたことを特徴とする、スイッチングレギュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源回路およびこの電源回路を備えたスイッチングレギュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スイッチングレギュレータにおけるスイッチング電源回路では、商用交流電源からの交流電圧を整流、平滑化して得られた直流電圧を、スイッチング素子によってスイッチングすることにより高い周波数を有する交流電圧に変換している。そして、この交流電圧から高周波トランスを用いて所望の直流電圧を生成し、この直流電圧がたとえば電子機器の内部電源電圧として用いられている。
【０００３】
図４は、上記スイッチング電源回路の一例を示す図である。この回路図によれば、商用交流電源を整流して直流とされた入力電圧Ｅに対して、スイッチング回路１１が接続されている。スイッチング回路１１は、第１〜第４スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４がフルブリッジ構成されることによりなる。各スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４には、それらの両端にダイオードＤ１１〜Ｄ１４およびコンデンサＣ１１〜Ｃ１４がそれぞれ並列接続されている。なお、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４は、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４自体に内蔵されていてもよく、また、コンデンサＣ１１〜Ｃ１４は、スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４自体の接合容量および／または端子間容量として構成されていてもよい。
【０００４】
第１スイッチング素子ＳＷ１１および第２スイッチング素子ＳＷ１２の中点と、第３スイッチング素子ＳＷ１３および第４スイッチング素子ＳＷ１４の中点とには、高周波トランスＴの１次巻線が接続されている。高周波トランスＴの２次巻線には、整流ダイオードブリッジによって構成された整流回路１４が接続されている。整流回路１４には、チョークコイルＬ１１と、コンデンサＣ１５とからなる平滑回路１５が接続されている。
【０００５】
このようなスイッチング電源回路では、第１および第４スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４同士、第２および第３スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３同士が連動し、それらが交互にオン、オフ動作される。この動作により、高周波トランスＴの１次巻線には、図５の（ａ）　，（ｂ）　に示すように、矩形波状の交流電圧が印加されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記回路構成では、軽負荷時には、高周波トランスＴの１次巻線の入力容量やスイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４に並列接続されたコンデンサＣ１１〜Ｃ１４の容量成分によって、第１ないし第４スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４の負荷が容量性となる。このため、たとえば、第２および第３スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３がオンする際には、コンデンサＣ１２，Ｃ１３にそれまで蓄えられていた電荷がそれぞれ第２および第３スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３を通って急激に放電する。
【０００７】
そのため、図５（ｃ）　に示すように、第２および第３スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３には、急峻なスパイク電流ＩＳが流れることになる。この急峻なスパイク電流ＩＳは、第１ないし第４スイッチング素子ＳＷ１１〜ＳＷ１４のスイッチング損失を増加させるのみならず、ノイズの原因ともなるものである。
【０００８】
また、重負荷時には、たとえば第１および第４スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のオン期間中に、高周波トランスＴの１次巻線の漏れインダクタンス成分に蓄えられた電流（磁気）エネルギーは、第１および第４スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４がオフとなったときに、ダイオード（フライホイルダイオード）Ｄ１２，Ｄ１３を通じて放出され、ダイオードＤ１２，Ｄ１３はオン状態となる。そのため、第２および第３スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３の端子間電圧を低く（略ゼロに）することができる。そして、この状態で、第２および第３スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３をオンすることにより、図５（ｃ）　に示したようなスパイク電流ＩＳを回避することができる。
【０００９】
しかし、この場合でも、高周波トランスＴの１次巻線に印加される電圧波形は、矩形波状である。矩形波状の電圧は、高調波成分を多く含み、ノイズの大きな原因となり得るものである。
【００１０】
ここで、高周波トランスＴに印加される電圧および電流が正弦波状（または余弦波状）であれば、高調波成分も少なく、ノイズの発生を抑えることができる。そこで、図６に示すように、高周波トランスＴの１次巻線の片端に、コンデンサＣ１６とコイルＬ１２とからなる共振回路１２を挿入したスイッチング電源回路が提案されている。
【００１１】
このスイッチング電源回路では、スイッチング回路１１のスイッチング周波数を共振回路１２の共振周波数と等しいか、あるいはやや高めに設定して、高周波トランスＴの１次巻線に流れる電流の位相をずらすことによって、図７（ｃ）　，（ｄ）　に示すように、スパイク電流の発生を回避できるとともに、高周波トランスＴに印加される電圧波形を正弦波状（または余弦波状）にすることができる。そのため、高周波成分の発生を抑制して、他の回路に対するノイズの影響が抑制されたスイッチング電源回路を実現することができる。
【００１２】
しかしながら、図６に示すスイッチング電源回路では、共振回路１２が設けられている、高周波トランスＴの１次巻線の片端（図６のＡ点参照）に印加される電圧波形は、図８（ａ）　に示すように、矩形波と正弦波（または余弦波）とが重畳された波形となっている。これに対して、反対側の片端（図６のＢ点参照）は、第３および第４スイッチング素子ＳＷ１３，ＳＷ１４と直接的に接続されているため、その電圧波形は、図８（ｂ）　に示すように、矩形波となっている。
【００１３】
ここで、高周波トランスＴの１次巻線に印加される電圧のノーマルモード成分は、高周波トランスＴの１次巻線の両端に印加される電圧波形の差であるので、正弦波状（または余弦波状）となり、高周波トランスＴに流れる電流波形も、正弦波状（または余弦波状）となる。しかし、高周波トランスＴの１次巻線に印加される電圧のコモンモード成分は、高周波トランスＴの１次巻線の両端に印加される電圧の平均であるので、図８（ｃ）　に示すように、Ａ点の波形に対して約１／２の振幅を有し、かつ矩形波と正弦波（または余弦波）とが重畳された波形となる。
【００１４】
高周波トランスＴでは、通常、その１次巻線と２次巻線との間、１次巻線とコア（図示せず）との間、あるいは１次巻線とケース（図示せず）との間にそれぞれ容量結合が存在している。そして、電圧の高周波成分は、その容量結合を通じて電流が流れることになる。
【００１５】
容量結合は、通常、高周波トランスＴの１次巻線の巻き始め、１次巻線の巻き終わり、または１次巻線の途中といった部分において分布的に存在する。そのため、この容量結合を通じて流れる電流の大きさは、高周波トランスＴの１次巻線のコモンモード電圧に起因して大きくなる傾向にある。
【００１６】
すなわち、上記電流は、図９の回路図に示すように、高周波トランスＴの１次巻線から２次巻線に流れ込み（ＩＣ１，ＩＣ２参照）、２次側グランドおよび１次側グランド間の容量成分あるいは絶縁抵抗を通して帰還する、いわゆるコモンモードノイズとなる。
【００１７】
したがって、図６および図９に示したスイッチング電源回路では、図４に示したスイッチング電源回路におけるスパイク電流は回避できるものの、高周波トランスＴの１次巻線に加わるコモンモードノイズ成分によって、良好な直流電圧を負荷に供給することができないといった問題点があった。
【００１８】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、コモンモードノイズを抑制することのできるスイッチング電源回路を提供することを、その課題としている。
【００１９】
【発明の開示】
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【００２０】
本発明の第１の側面によって提供されるスイッチング電源回路は、直流電圧をスイッチングして所定の周波数を有する交流電圧に変換するスイッチング回路と、このスイッチング回路によってスイッチングされた交流電圧を所定の電圧値に変換するトランスとを備えるスイッチング電源回路であって、上記スイッチング回路と上記トランスとの間には、上記トランスの１次巻線の両端に接続された共振回路が設けられたことを特徴としている。
【００２１】
好ましい実施の形態によれば、上記共振回路は、複数からなり、上記トランスの１次巻線の両端に対してそれぞれ直列に接続されている。
【００２２】
他の好ましい実施の形態によれば、上記スイッチング回路は、複数のスイッチング素子がブリッジ回路を構成することによりなり、上記各共振回路は、上記ブリッジ回路の接続端に接続された、コンデンサおよびコイルからなる直列回路によって構成されている。
【００２３】
他の好ましい実施の形態によれば、上記スイッチング回路は、複数のスイッチング素子がブリッジ回路を構成することによりなり、上記共振回路は、上記ブリッジ回路の接続端にそれぞれ一端が接続された複数のコンデンサと、これらのコンデンサの各他端および上記トランスの１次巻線の両端に接続された結合型コイルとからなる。
【００２４】
他の好ましい実施の形態によれば、上記共振回路の共振周波数は、少なくとも上記スイッチング回路におけるスイッチングの動作最低周波数に設定されている。
【００２５】
本発明によれば、複数の共振回路がトランスの１次巻線の両端にそれぞれ直列に接続されているので、トランスの１次巻線における電圧波形を対称とすることができ、これによりトランスの１次巻線に入力されるコモンモード電圧を互いに打ち消し合うことができる。そのため、トランスの１次巻線に入力されるコモンモードノイズ成分を抑制することができる。
【００２６】
本発明の第２の側面によって提供されるスイッチングレギュレータは、本発明の第１の側面によって提供されるスイッチング電源回路が備えられたことを特徴としている。
【００２７】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
【００２９】
図１は、本発明に係るスイッチング電源回路を示すブロック図である。このスイッチング電源回路は、安定した電源電圧の出力が可能なスイッチングレギュレータに適用され、スイッチング回路１、第１共振回路２、第２共振回路３、高周波トランスＴ、整流回路４、および平滑回路５を備えている。
【００３０】
スイッチング回路１は、たとえば商用交流電源が整流されることにより得られた直流電圧としての入力電圧Ｅをスイッチングして所定の周波数（たとえば５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）を有する交流電圧に変換するものである。スイッチング回路１は、上記直流電圧Ｅが入力される入力端子ＩＮの両端において、第１ないし第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４がフルブリッジ回路として構成されることによりなる。
【００３１】
詳細には、入力端子ＩＮの両端に、第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が直列に接続され、これらに対して第３および第４スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４が並列に接続されている。そして、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４には、それらの両端にそれぞれダイオード（フライホイルダイオード）Ｄ１〜Ｄ４とコンデンサＣ１〜Ｃ４とが並列接続されている。なお、ダイオードＤ１〜Ｄ４は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４自体に内蔵されていてもよく、また、コンデンサＣ１〜Ｃ４は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４自体の接合容量および／または端子間容量として構成されていてもよい。
【００３２】
第１共振回路２は、スイッチング回路１の出力を共振させ、その出力波形を正弦波状（または余弦波状）にするためのものである。第１共振回路２は、一端が第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の中点に接続されたコンデンサＣ５と、このコンデンサＣ５の他端に直列接続されたコイルＬ１とからなる直列共振回路とされる。
【００３３】
また、第２共振回路３は、第１共振回路２と同様に、スイッチング回路１の出力を共振させ、その出力波形を正弦波状（または余弦波状）にするためのものである。第２共振回路３は、一端が第３および第４スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の中点に接続されたコンデンサＣ６と、このコンデンサＣ６の他端に直列接続されたコイルＬ２とからなる。
【００３４】
高周波トランスＴは、１次巻線に入力された電圧値を所定の電圧値に昇圧して２次巻線から出力させるものである。高周波トランスＴは、１次巻線の片端（図１のＡ点参照）に第１共振回路２が接続され、１次巻線の反対側の片端（図１のＢ点参照）に第２共振回路３が接続されている。
【００３５】
整流回路４は、高周波トランスＴの２次巻線の出力を整流化するためのものであり、ダイオードブリッジ回路として構成された４つのダイオードＤ５〜Ｄ８からなる。
【００３６】
平滑回路５は、整流回路４に接続され、チョークコイルＬ３と、コンデンサＣ７とからなるＬＣ回路によって構成されている。平滑回路５の出力は、電源電圧として出力端子ＯＵＴからたとえば電子機器等の図示しない負荷に対して与えられる。
【００３７】
次に、上記スイッチング電源回路における動作を説明する。このスイッチング電源回路では、商用交流電源からの交流電圧が図示しない整流回路によって整流され、これにより得られ、かつ入力端子ＩＮに入力された直流電圧Ｅがスイッチング回路１によってスイッチングされることにより、所定の周波数（たとえば５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）の交流電圧に変換される。
【００３８】
具体的には、第１および第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４同士、第２および第３スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３同士が連動し、それらが交互にオン、オフ動作される。この動作により、高周波トランスＴの１次巻線の両端にそれぞれ設けられた第１および第２共振回路２，３には、図５の（ａ）　，（ｂ）　に示したような矩形波状の交流電圧が交互に印加されることになる。
【００３９】
ここで、たとえば第１および第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４のオン期間中には、コイルＬ１，Ｌ２や高周波トランスＴの１次巻線の漏れインダクタンスに電流（磁気）エネルギーが蓄えられる。そして、蓄えられたエネルギーは、第１および第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４がオフされることにより、ダイオードＤ２，３を流れ、ダイオードＤ２，３はオン状態となる。そのため、第２および第３スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３（コンデンサＣ２，Ｃ３）の端子間電圧を低く（略ゼロに）することができる。そして、この状態で、第２および第３スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３をオンすることにより、スパイク電流が発生することを防止できる。
【００４０】
スイッチング回路１の出力は、第１および第２共振回路２，３に入力され、これら第１および第２共振回路２，３によって、高周波トランスＴの１次巻線の両端（Ａ，Ｂ点参照）に加わる電圧波形は、図２（ａ）　，（ｂ）　に示すように、矩形波と正弦波（または余弦波）とが重畳された波形となる。
【００４１】
そして、これらの電圧波形は、第１および第４スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ４同士、第２および第３スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３同士が交互にオン、オフ動作されることから、ほぼ対称の波形となる。高周波トランスＴの１次巻線に印加される電圧のコモンモード成分は、高周波トランスＴの１次巻線の両端に印加される電圧波形の平均であるが、この場合のコモンモード電圧成分は、高周波トランスＴの１次巻線において、図２（ｃ）　に示すように、互いにキャンセルされ十分小さくなる。したがって、このスイッチング電源回路では、トランス−コイル間等で生じる容量結合を通じて伝送されるコモンモードノイズの発生を抑制することができる。
【００４２】
また、第１および第２共振回路２，３によってスイッチング回路１の出力が正弦波状（または余弦波状）に変換されるので、高周波トランスＴに流れる電流の高調波成分を抑えることできる。そのため、第１ないし第４スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチングノイズや損失を抑制することができる。
【００４３】
図１に戻り、高周波トランスＴの１次巻線に供給された交流電圧は、所定の電圧値に変圧されて２次巻線から出力される。２次巻線から出力された電圧は、整流回路４によって整流され、平滑回路５によって平滑されて、図示しない負荷に対して電源電圧として供給される。
【００４４】
なお、第１および第２の共振回路２，３の各共振周波数を設定するための定数が同一のときには、コモンモード電圧を最も小さくすることができる。しかし、これらの定数に多少のばらつきがあっても、従来のように第１ないし第２の共振回路２，３のいずれかが、高周波トランスＴの１次巻線の片端のみに設けられた場合（たとえば図６に示す回路）と比較すると、コモンモード電圧に対する十分なキャンセル効果を得ることができる。
【００４５】
また、上記スイッチング電源回路のスイッチング回路１におけるスイッチング特性は、従来の回路（たとえば図４に示す回路）における特性と同様である。すなわち、スイッチング回路１のスイッチング周波数を第１および第２共振回路２，３の共振周波数と同一かもしくはやや高く設定することにより、高周波トランスＴの１次巻線に流れる電流の位相をずらすことができ、図５に示したようなスパイク電流ＩＳが回避された特性を得ることができる。
【００４６】
図３は、本実施形態の変形例のスイッチング電源回路を示す図である。このスイッチング電源回路では、図１に示した第１および第２共振回路２，３に代えて、第３共振回路６が設けられている。
【００４７】
この第３共振回路６は、スイッチング回路１と高周波トランスＴとの間に設けられ、一端が第１および第２スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の中点に接続されたコンデンサＣ８と、同じく一端が第３および第４スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の中点に接続されたコンデンサＣ９と、コンデンサＣ８およびコンデンサＣ９の各他端に直列接続された結合型コイルＬ４とからなる。
【００４８】
詳細には、コンデンサＣ８の他端には、結合型コイルＬ４における一方の巻線の一端が接続されている。結合型コイルＬ４における一方の巻線の他端には、高周波トランスＴの１次巻線の片端が接続されている。また、コンデンサＣ９の他端には、結合型コイルＬ４における他方の巻線の一端が接続されている。結合型コイルＬ４における他方の巻線の他端には、高周波トランスＴの１次巻線における反対側の片端が接続されている。
【００４９】
この結合型コイルを用いることによっても、図１に示したスイッチング電源回路と同様な作用効果を奏する。また、結合型コイルＬ４は、同一コアに巻線が巻回される構成とされているため、コイル自体を複数設けた図１に示したスイッチング電源回路に比べ、部品の軽量小型化を図ることができる。
【００５０】
もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。たとえば、スイッチング電源回路が適用されるスイッチングレギュレータとしては、いわゆるモジュールタイプのものであってもよいし、あるいはオンボードタイプのものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスイッチング電源回路を示す図である。
【図２】図１に示すスイッチング電源回路における波形図である。
【図３】図２に示すスイッチング電源回路の変形例を示す図である。
【図４】従来のスイッチング電源回路を示す図である。
【図５】図４に示す従来のスイッチング電源回路における波形図である。
【図６】従来の他のスイッチング電源回路を示す図である。
【図７】図６に示す従来の他のスイッチング電源回路における波形図である。
【図８】図６に示す従来の他のスイッチング電源回路における波形図である。
【図９】従来の他のスイッチング電源回路を示す図である。
【符号の説明】
１　スイッチング回路
２　第１共振回路
３　第２共振回路
Ｃ１〜Ｃ９　コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４　ダイオード
Ｌ１〜Ｌ３　コイル
Ｌ４　結合型コイル
ＳＷ１〜ＳＷ４　スイッチング素子
Ｔ　高周波トランス
【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】
2004040923.tif 000008
【図７】
2004040923.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004040923.tif 000011