(57)【要約】【課題】コンバータ回路をデジタル制御するデジタル制御方式のスイッチング電源装置に関し、簡単な回路で精度よく出力電圧信号をデジタル制御回路に取り込むことができコストの低減を図ることができる。【解決手段】一次側の入力電圧を二次側の出力電圧に絶縁して変圧するコンバータ回路１２と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路１３と、出力電圧検出回路１３にて検出した出力電圧に基づきコンバータ回路１２の制御を行うデジタル制御回路１４とを備え、出力電圧検出回路１３は、出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報をデジタル制御回路１４に伝達する。【選択図】図２
2007306769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を直流電圧に変換するデジタル制御方式のスイッチング電源装置であって、
一次側の入力電圧を二次側の出力電圧に絶縁して変圧するコンバータ回路と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記出力電圧検出回路にて検出した出力電圧に基づき前記コンバータ回路の制御を行うデジタル制御回路とを備え、
前記出力電圧検出回路は、出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報を前記デジタル制御回路に伝達することを特徴とするデジタル制御方式のスイッチング電源装置。
【請求項２】
交流電圧を直流電圧に変換するデジタル制御方式のスイッチング電源装置であって、
一次側の入力電圧を二次側の出力電圧に絶縁して変圧するコンバータ回路と、一次側に設けられた被制御回路と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記被制御回路の制御ならびに前記出力電圧検出回路にて検出した出力電圧に基づき前記コンバータ回路の制御を行うデジタル制御回路とを備え、
前記デジタル制御回路のグランドを一次側のグランドに接続し、
前記出力電圧検出回路は、出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報を前記デジタル制御回路に伝達することを特徴とするデジタル制御方式のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記出力電圧検出回路における出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報は、"Ｈ"，"Ｌ"の２値信号であることを特徴とする請求項１または２記載のデジタル制御方式のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記デジタル制御回路がワンチップマイコンからなることを特徴とする請求項１ないし３記載のデジタル制御方式の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、コンバータ回路をデジタル制御するデジタル制御方式のスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源装置は、小型軽量かつ高効率等の特長を有しており、各種機器に組み込まれているＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の負荷の電源として幅広く利用されている。これら負荷では、低電圧化及び高速処理化が進み、消費電流が増加する一方である。そのため、スイッチング電源装置では、負荷における処理負荷に応じて、負荷電流が急減に増大したりあるいは減少したりする。また、スイッチング電源装置は、広い入力電圧範囲に対応が容易という特長を有している。スイッチング電源装置では、このような負荷電流や入力電圧の変化に対して安定した出力電圧を保障する必要がある。さらに、負荷電流や入力電圧の急激な変化に対して出力電圧が過渡応答となった場合でも、スイッチング電源装置では、安定した状態に迅速に回復することが求められている。
【０００３】
そのために、例えば、特許文献１に記載のように、デジタル制御方式のコントローラＩＣ（Integrated Circuit）等の制御装置を備え、この制御装置によりＦＥＴ（Field Effect Transistor）等のスイッチング素子を高速にオン／オフするスイッチング電源装置が提案されている。
【特許文献１】特許第３７３９３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
交流電圧を直流電圧に変換するデジタル制御方式のスイッチング電源装置において、出力電圧信号を制御装置に取り込み、制御装置にてコンバータ回路をデジタル制御されている。しかし、出力電圧信号を制御装置に取り込む回路が複雑となり、精度よく出力電圧信号を取り込むにはコスト高になるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のスイッチング電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換するデジタル制御方式のスイッチング電源装置であって、一次側の入力電圧を二次側の出力電圧に絶縁して変圧するコンバータ回路と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記出力電圧検出回路にて検出した出力電圧に基づき前記コンバータ回路の制御を行うデジタル制御回路とを備え、前記出力電圧検出回路は、出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報を前記デジタル制御回路に伝達することを特徴とするものである。
【０００６】
前記出力電圧検出回路における出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報は、例えば"Ｈ"，"Ｌ"の２値信号である。
【０００７】
前記デジタル制御回路は、例えばワンチップマイコンからなる。なお、ワンチップでないマイコンや、マイコン以外のデジタル回路にて構成してもよい。
【０００８】
本発明のスイッチング電源装置によると、出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報だけでコンバータ回路の制御を行う構成にしたので、簡単な回路で精度よく出力電圧信号をデジタル制御回路に伝達することができ、コストの低減を図ることができる。
【０００９】
本発明の他のスイッチング電源装置は、交流電圧を直流電圧に変換するデジタル制御方式のスイッチング電源装置であって、一次側の入力電圧を二次側の出力電圧に絶縁して変圧するコンバータ回路と、一次側に設けられた被制御回路と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記被制御回路の制御ならびに前記出力電圧検出回路にて検出した出力電圧に基づき前記コンバータ回路の制御を行うデジタル制御回路とを備え、前記デジタル制御回路のグランドを一次側のグランドに接続し、前記出力電圧検出回路は、出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報を前記デジタル制御回路に伝達することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の他のスイッチング電源装置によると、上記の効果に加え、デジタル制御回路のグランドを、被制御回路が設けられた一次側のグランドに接続することで、被制御回路の制御等のための信号を絶縁することなくデジタル制御回路に取り込むことができ、絶縁してデジタル制御回路に取り込む信号の数が少なくてすみ、構造が簡単となりより一層コストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡単な回路で精度よく出力電圧信号をデジタル制御回路に取り込むことができ、低コストなデジタル制御方式のスイッチング電源装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の形態について、図1ないし図５を用いて説明する。
【００１３】
図１はスイッチング電源装置のブロック図、図２はスイッチング電源装置の回路図、図３はスイッチング電源装置の出力電圧検出回路図、図４は出力電圧信号のタイミングチャート、図５は制御信号を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施の形態のスイッチング電源装置は、力率改善回路からなる被制御回路１１と、被制御回路１１で平滑した安定な直流電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２と、コンバータ回路１２で変圧され負荷１５に出力される直流の出力電圧を検出する出力電圧検出回路１３と、被制御回路１１の制御および出力電圧検出回路１３で検出した出力電圧に基づきコンバータ回路１２を制御するデジタル制御回路１４とから構成されている。
【００１５】
図２を用いて、図１の各ブロックについて詳細に説明する。
【００１６】
２１は、４個のダイオードをブリッジに接続してなる全波整流回路であり、交流電源１０の交流電圧を整流する。
【００１７】
被制御回路である力率改善回路１１は、昇圧型のチョッパ回路を用い、全波整流回路２１の正端子と負端子に接続される。全波整流回路２１の正端子は、インダクタ２２を経由して、半導体スイッチ２３のドレイン端子とダイオード２４のアノード端子に接続する。ダイオード２４のカソード端子はコンデンサ２５の正端子に接続するとともに、トランス２６の一次巻線を経由して半導体スイッチ２７のドレイン端子に接続する。全波整流回路２１の負端子は、抵抗器５２を経由して、半導体スイッチ２３のソース端子とコンデンサ２５の負端子と半導体スイッチ２７のソース端子に接続する。
【００１８】
コンバータ回路１２は、フライバック方式のＤＣ／ＤＣコンバータであり、トランス２６と半導体スイッチ２７と整流回路２８にて構成されている。半導体スイッチ２７は、力率改善回路１１からの直流電圧を高周波数の交流電圧に変換する。トランス２６は、半導体スイッチ２７にて変換された交流電圧を絶縁して変圧する。整流回路２８は、トランス２６の二次巻線に接続され、トランス２６にて変圧された交流電圧をダイオード２９とコンデンサ３０にて整流平滑する。得られた直流電圧は、出力電圧検出回路１３を経由して負荷１５に供給される。
【００１９】
出力電圧検出回路１３は、負荷１５に供給される直流の出力電圧を検出する検出回路４１と、検出回路４１にて検出した出力電圧信号を絶縁してデジタル制御回路１４に出力する出力回路４２とから構成されている。出力電圧信号を絶縁してデジタル制御回路１４に出力するのは、デジタル制御回路１４のグランドが一次側のグランドに接続してあるからである。図３に示すように、検出回路４１は、スイッチング電源装置の出力端の正端子と負端子の間に接続した抵抗器４３，４４と、負端子にアノード端子を接続したシャントレギュレータ４５とから構成されている。定格出力電圧が、シャントレギュレータ４５の基準電圧に等しくなるように抵抗器４３，４４にて抵抗分割されてシャントレギュレータ４５に入力される。また、出力回路４２は、正端子に接続した抵抗器４６とフォトカプラ４９にて構成されており、フォトカプラ４９は、アノード端子を抵抗器４６に接続しカソード端子をシャントレギュレータ４５のカソード端子に接続した発光素子としてのＬＥＤ４７と、受光素子としてのフォトトランジスタ４８とからなる。シャントレギュレータ４５のゲインは非常に高いため、定格出力電圧より高いか低いかで、シャントレギュレータ４５のカソード端子に接続されているフォトカプラ４９に電流が流れるか流れないかの状態に分かれる。このことにより、定格出力電圧より出力電圧が高いか低いかの情報を絶縁してデジタル制御回路１４に伝達する。
【００２０】
デジタル制御回路１４は、ワンチップマイコン（例えば、ルネサステクノロジー社製。以下、マイコンと称する）３１とL.P.F.（ローパスフィルタ）３２にて構成されており、ＡＣ／ＤＣ３７にてマイコン３１に５ｖの直流電圧が供給され、マイコン３１にて半導体スイッチ２３，２７を制御する。マイコン３１のグランド３９は一次側のグランド３８に接続してある。
【００２１】
半導体スイッチ２３の制御においては、マイコン３１の制御信号端子を半導体スイッチ２３のゲート端子に接続する。また、マイコン３１は、力率改善回路１１の入力側の電圧波形を検知するために、全波整流回路２１の正端子と負端子間に接続した抵抗器３３，３４の間に接続し、入力側の電流を検知するために、全波整流回路２１の負端子と抵抗器５２の間に接続する。コンデンサ２５の電圧を安定化するために、力率改善回路１１の出力側に接続した抵抗器３５，３６の間に接続してコンデンサ２５の電圧を検知して、マイコン３１にフィードバックする。
【００２２】
半導体スイッチ２７の制御においては、マイコン３１の制御信号端子を半導体スイッチ２７のゲート端子に接続する。また、出力電圧検出回路１３にて検出した出力電圧信号の情報であるフォトカプラ４９からの電流の有無を、L.P.F.３２を通すことでアナログの出力電圧信号に変換してマイコン３１にフィードバックする。なお、L.P.F.３２に代えて、マイコン３１内にてデジタルフィルタを形成してもよい。
【００２３】
次に、スイッチング電源装置の動作について説明する。
【００２４】
交流電源１０の交流電圧を全波整流回路２１で全波整流する。整流された直流電圧を力率改善回路１１にて安定した直流電圧に変換する。このとき、マイコン３１に内蔵している基準電圧と、コンデンサ２５に比例検知して抵抗器３５，３６による抵抗分割で得られた電圧とを比較し、それにより得られた誤差信号電圧と、抵抗器３３，３４による抵抗分割で得られた電圧とに基づき、マイコン３１にて高力率になる電流波形の基準信号を得る。この高力率になる電流波形の基準信号と、抵抗器５２の電流信号が同じ波形になるように、半導体スイッチ２３の開閉をマイコン３１にて制御する。これにより、交流電源の電流は、交流電源の電圧波形に比例した電流波形になり、高力率となる。
【００２５】
コンバータ回路１２で、半導体スイッチ２７が閉すると、コンデンサ２５の電圧がトランス２６の一次巻線に印加する。黒点印に負の電圧が印加されるため、トランス２６の二次巻線の電圧はダイオード２９により阻止されて電流は流れない。半導体スイッチ２７が閉している時間は、トランス２６に励起電流が流れる。この励起電流は、時間に比例して値が上昇する。ある時間後に半導体スイッチ２７を開すると、トランス２６の励起電流は流れ続けようと逆起電力が発生する。この逆起電力は黒点印が正電圧であるため、トランス２６の二次巻線よりダイオード２９を経由してコンデンサ３０と負荷１６に電流が流れる。
【００２６】
出力電圧検出回路１３で、シャントレギュレータ４５にて出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかを検出し、高いときにはフォトカプラ４９のＬＥＤ４７に電流が流れて発光し、低いとき（出力電圧が定格出力電圧以下）には流れず発光しない。ＬＥＤ４７が発光するとフォトトランジスタ４８が受光し、デジタル制御回路１４に対して電流が流れる。具体的には、定格出力電圧を例えば２４ｖとすると、出力電圧が２４ｖより高くなるとフォトカプラ４９に電流が流れ、２４ｖより低くなると流れない。このことにより、定格出力電圧２４ｖより出力電圧が高いときにはデジタル制御回路１４に対して"Ｈ"の出力電圧信号が送信され、定格出力電圧２４ｖより出力電圧が低いときにはデジタル制御回路１４に対して"Ｌ"の出力電圧信号が送信されることになる。
【００２７】
デジタル制御回路１４で、力率改善回路１１の入力電圧、入力電流、出力電圧に基づき半導体スイッチ２３のＯＮ時間をマイコン３１で計算し、その結果に基づき半導体スイッチ２３を制御して力率改善回路１１を制御する。
【００２８】
また、出力電圧検出回路１３からの"Ｈ"，"Ｌ"の２値のデジタル信号である出力電圧信号を、L.P.F.３２にて０ｖ〜５ｖのアナログの出力電圧信号に変換してマイコン３１に入力する。具体的には、図４（ａ）に示すように、出力電圧が時刻ｔ1を境に定格出力電圧２４ｖ以上に上昇すると、出力電圧信号は"Ｌ"から"Ｈ"に変わり、L.P.F.３２にて変換されたアナログの出力電圧信号は時刻ｔ1を境に０ｖ〜５ｖの間で上昇する。逆に図４（ｂ）に示すように、出力電圧が時刻ｔ2を境に定格出力電圧２４ｖ以下に下降すると、出力電圧信号は"Ｈ"から"Ｌ"に変わり、L.P.F.３２にて変換されたアナログの出力電圧信号は時刻ｔ2を境に５ｖ〜０ｖの間で下降する。
【００２９】
マイコン３１は、このアナログの出力電圧信号をＡ／Ｄにてデジタル信号に変換し、それに基づき半導体スイッチ２７の開閉を制御する。すなわち、出力電圧検出回路１３からの出力電圧信号が"Ｈ"のときは、図５（ａ）に示すようにマイコン３１から半導体スイッチ２７に送信される制御信号のオフのパルス幅を長くすることで、半導体スイッチ２７のＯＮ時間を短くして出力電圧を下げ、逆に"Ｌ" のときは図５（ｂ）に示すように制御信号のオンのパルス幅を長くすることで、半導体スイッチ２７のＯＮ時間を長くして出力電圧を上げる。一例として、半導体スイッチ２７は１０〜１００ｋＨｚの間にて制御可能であるのに対し、マイコン３１は２０ｋＨｚ毎に制御信号のパルス幅を制御する。
【００３０】
このように構成されたデジタル制御方式のスイッチング電源装置によると、出力電圧が定格出力電圧より高いか低いかの情報だけでコンバータ回路１２の制御を行う構成にしたので、簡単な回路で精度よく出力電圧信号をデジタル制御回路１４に伝達することができ、コストの低減を図ることができる。
【００３１】
また、定格出力電圧より高いか低いかの基準は、温度特性、ばらつきを高精度に抑えられたシャントレギュレータ４５の基準電圧を用いているため、低コストで高精度なスイッチング電源装置を実現できる。
【００３２】
さらに、マイコン３１のグランドを、力率改善回路１１が設けられた一次側のグランドに接続することで、力率改善回路１１の制御等のための入力電圧、入力電流、出力電圧等の信号を絶縁せずに、抵抗分割でマイコン３１のＡ／Ｄ入力電圧範囲を満たす電圧にして取り込むことができ、その結果、絶縁してマイコン３１に取り込む信号の数が少なくてすみ、スイッチング電源装置の構造が簡単となり、より一層コストの低減を図ることができる。
【００３３】
図６に出力電圧検出回路の変形例を示す。なお、図３の例と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。
【００３４】
図６の出力電圧検出回路は、図３のシャントレギュレータの代わりに、コンパレータ５０と直流電圧源５１を用いたものである。すなわち、コンパレータ５０の非反転入力端子に直流電圧源５１で発生された基準電圧が入力され、反転入力端子に定格出力電圧が基準電圧に等しくなるように抵抗器４３，４４にて抵抗分割されて入力される。コンパレータ５０では、抵抗分割された出力電圧と基準電圧を比較し、抵抗分割された出力電圧が基準電圧より大きくなると、っすなわち出力電圧が定格出力電圧より大きくなると"Ｌ"とし、フォトカプラ４９に電流が流れ、逆に出力電圧が定格出力電圧以下になると"Ｈ"とし、フォトカプラ４９に電流が流れない。このことにより、定格出力電圧より出力電圧が高いか低いかの情報を絶縁してデジタル制御回路１４に伝達する。
【００３５】
なお、フォトカプラ４９についても上記構成に限るものではなく、発光素子としてのＬＥＤと、受光素子としてのフォトダイオード等の組み合わせや、さらにフォトカプラに代えてアイソレーションアンプ等の絶縁素子を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、マイコンにてデジタル制御した絶縁型ＡＣ／ＤＣスイッチングコンバータとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態におけるスイッチング電源装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態におけるスイッチング電源装置の回路図
【図３】本発明の実施の形態におけるスイッチング電源装置の出力電圧検出回路図
【図４】本発明の実施の形態における出力電圧信号のタイミングチャート
【図５】本発明の実施の形態における制御信号を示す図
【図６】本発明の変形例における出力電圧検出回路図
【符号の説明】
【００３８】
１０  電源
１１  力率改善回路（被制御回路）
１２  コンバータ回路
１３  出力電圧検出回路
１４  制御回路
１５  負荷
【図１】
2007306769.tif 000003
【図２】
2007306769.tif 000004
【図３】
2007306769.tif 000005
【図４】
2007306769.tif 000006
【図５】
2007306769.tif 000007
【図６】
2007306769.tif 000008