(57)【要約】【課題】  スイッチング電源装置において力率改善用に用いられる昇圧コンバータの電流検出回路であって、ＩＣに内蔵することが可能な小型の電流検出回路を提供する。【解決手段】昇圧コンバータ３１の電流検出回路３２であって、インダクタ５とスイッチング素子６との間を流れる電流を検出するカレントトランス２０と、カレントトランス２０で検出された電流Iaを電圧Vaに変換する電流電圧変換部２２と、コンデンサを備え、スイッチング素子６がオンする期間に電流電圧変換部２２から出力される電圧Vaによりコンデンサ充電して当該電圧を保持し、スイッチング素子６がオフする期間に一対の昇圧電圧出力端子２９の電圧と整流装置２の一対の出力端子間の電圧との差電圧に応じた電流でコンデンサを放電させ、且つ当該コンデンサの電圧をスイッチング素子６のオン期間とオフ期間とに渡る電流検出信号Va_aveとして出力するよう構成された電流検出信号生成回路２３と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換する整流装置の一対の出力端子間に互いに直列に接続されたインダクタ及びオン及びオフするスイッチング素子と、前記インダクタと前記スイッチング素子との接続点に逆流防止素子を介して接続された一対の昇圧電圧出力端子とを備えた昇圧コンバータの電流検出回路であって、
前記インダクタと前記スイッチング素子との間を流れる電流を検出するカレントトランスと、
前記カレントトランスで検出された電流を電圧に変換する電流電圧変換部と、
コンデンサを備え、前記スイッチング素子がオンする期間に前記電流電圧変換部から出力される電圧により前記コンデンサ充電して当該電圧を保持し、前記スイッチング素子がオフする期間に前記一対の昇圧電圧出力端子の電圧と前記整流装置の一対の出力端子間の電圧との差電圧に応じた電流で前記コンデンサを放電させ、且つ当該コンデンサの電圧を前記スイッチング素子のオン期間とオフ期間とに渡る電流検出信号として出力するよう構成された電流検出信号生成回路と、を備えた昇圧コンバータの電流検出回路。
【請求項２】
前記電流検出信号生成回路は、前記コンデンサと、
前記スイッチング素子のオン及びオフを制御する制御信号に基づいて、前記スイッチング素子のオン期間にのみ前記電流電圧変換部と前記コンデンサとを接続する第１のスイッチと、
前記一対の昇圧電圧出力端子の電圧と前記整流装置の一対の出力端子間の電圧との差電圧に応じた電流を前記コンデンサを放電させるように流す電流源と、
前記制御信号に基づいて、前記スイッチング素子のオフ期間にのみ前記コンデンサと前記電流源とを接続する第２のスイッチと、を備えた請求項１に記載の昇圧コンバータの電流検出回路。
【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の力率改善に使用される昇圧コンバータの電流検出回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、スイッチング電源装置は、電子機器の低価格化、小型化、高性能化、及び省エネルギー化に伴い、より小型で高効率のものが求められている。さらにスイッチング電源装置は、外部電源の電圧を電子機器が必要とする所定の電圧に変換するもので、多くは、商用電源に接続される。そのため、多くの安全規格、環境規格、省エネルギー規格等に適合するように開発及び設計されることが求められている。
【０００３】
交流電力を直流電力に変換する場合、ダイオードブリッジ等により全波整流を行い、平滑コンデンサを用いて直流電力として電子機器に供給される。負荷に電力が供給されるとその分平滑コンデンサからの放電により電圧が下がる。それと同時に外部電源から充電電流が平滑コンデンサに補充されるが、この充電電流が高調波成分となって電源ラインを通って外部に流れると他の電子機器において問題を起こす。
【０００４】
この対策として昇圧コンバータを用いてスイッチング電源装置の力率を改善する試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図４は、このような従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。図４は、特許文献１に図２として示された図である。また、図４における参照符号は本願の出願人が付与し直した。
【０００６】
図４のスイッチング電源装置では、商用電源１０１からの交流電力をダイオードブリッジで構成された整流回路１０２で整流することで、整流回路１０２から直流電圧Vinが出力される。この直流電圧Vinがインダクタ１０３とスイッチング素子としてのMOS型FET１０４とにより構成された昇圧コンバータに印加される。MOS型FET１０４がオンするとエネルギーがインダクタ１０３に蓄えられ、MOS型FET１０４がオフするとこの蓄えられたエネルギーがダイオード１０５により逆流しないようにして平滑コンデンサ１０６に出力される。これにより、入力される直流電圧Vinより高い直流電圧Voutが平滑コンデンサ１０６から出力される。
【０００７】
一方、直流電圧Voutが電圧検出回路１０７により検出され、誤差増幅器１０８により基準電圧との誤差が増幅される。また、昇圧コンバータの入力電流が抵抗１０９により検出され、この検出信号が抵抗１１１及び抵抗１１２を介して誤差増幅器１１０に入力され、当該誤差増幅器１１０により誤差増幅器１０８からの誤差増幅信号と比較されて増幅される。この誤差増幅器１１０からの誤差増幅信号に基づいてパルス幅制御回路１１３がMOS型FET１０４のDutyを制御する。これにより、入力される直流電圧Vinに比例した入力電流を得て、高調波成分を低減することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開平６−０３６３８５公報（特に図１及び図２参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来のスイッチング電源装置の構成では、昇圧コンバータの入力電流の経路に電流検出器として抵抗１０９が挿入されており、大電流が流れた場合に電力損失が発生して効率を悪化させるという問題があった。
【００１０】
なお、特許文献１の図１には、電流検出器として、インダクタとMOS型FETとの間に挿入されたカレントトランスとインダクタに設けられた二次巻線とを用いる構成が提案されているが、間欠な電流波形のため、安定なトータルな電流の検出が難しいという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、スイッチング電源装置において力率改善に用いられる昇圧コンバータの電流検出回路であって、安定でＩＣに内蔵することが可能な小型の電流検出回路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】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明のある形態(aspect)に係る昇圧コンバータの電流検出回路は、交流電力を直流電力に変換する整流装置の一対の出力端子間に互いに直列に接続されたインダクタ及びオン及びオフするスイッチング素子と、前記インダクタと前記スイッチング素子との接続点に逆流防止素子を介して接続された一対の昇圧電圧出力端子とを備えた昇圧コンバータの電流検出回路であって、前記インダクタと前記スイッチング素子との間を流れる電流を検出するカレントトランスと、前記カレントトランスで検出された電流を電圧に変換する電流電圧変換部と、コンデンサを備え、前記スイッチング素子がオンする期間に前記電流電圧変換部から出力される電圧により前記コンデンサ充電して当該電圧を保持し、前記スイッチング素子がオフする期間に前記一対の昇圧電圧出力端子の電圧と前記整流装置の一対の出力端子間の電圧との差電圧に応じた電流で前記コンデンサを放電させ、且つ当該コンデンサの電圧を前記スイッチング素子のオン期間とオフ期間とに渡る電流検出信号として出力するよう構成された電流検出信号生成回路と、を備える。
【００１３】
前記電流検出信号生成回路は、前記コンデンサと、前記スイッチング素子のオン及びオフを制御する制御信号に基づいて、前記スイッチング素子のオン期間にのみ前記電流電圧変換部と前記コンデンサとを接続する第１のスイッチと、前記一対の昇圧電圧出力端子の電圧と前記整流装置の一対の出力端子間の電圧との差電圧に応じた電流を前記コンデンサを放電させるように流す電流源と、前記制御信号に基づいて、前記スイッチング素子のオフ期間にのみ前記コンデンサと前記電流源とを接続する第２のスイッチと、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スイッチング電源装置において力率改善に用いられる昇圧コンバータの電流検出回路であって、安定でＩＣに内蔵することが可能な小型の電流検出回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係る昇圧コンバータの電流検出回路が用いられるスイッチング電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【図２】図２は図１のスイッチング電源装置における昇圧コンバータの電流検出回路の構成の一例を示す回路図である。
【図３】図３は電流検出回路の動作の一例を示す波形図である。
【図４】図４は従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１７】
［構成］
図１は本発明の実施の形態に係る昇圧コンバータの電流検出回路が用いられるスイッチング電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【００１８】
図１に示すように、スイッチング電源装置は、交流電源１からの交流電力を直流電力に変換する整流装置２と、整流装置２から入力される直流電圧（以下、直流入力電圧という）Vinを昇圧し、この昇圧された直流電圧（以下、直流出力電圧という）Voutを出力する昇圧コンバータ３１と、昇圧コンバータ３１の入力電流を検出する電流検出回路３２とを備える。
【００１９】
整流装置２は、交流電力を直流電力に変換するものであれば特に限定されない。整流装置２は、本実施の形態では、例えば、全波整流回路で構成されるが、半波整流回路等であっても構わない。
【００２０】
昇圧コンバータ３１は、整流装置２の一対の出力端子間に互いに直列に接続されたインダクタ５及びスイッチング素子６と、インダクタ５とスイッチング素子６との接続点に逆流防止素子７を介して接続された一対の昇圧電圧出力端子２９とを備える。スイッチング素子６は、制御信号Vgに従ってオン及びオフするものであれば特に限定されない。本実施の形態では、例えば、MOS型FETで構成されている。なお、スイッチング素子６のスイッチング周期は、整流装置２から出力される全波整流波形の電圧の変動周期より十分短い。逆流防止素子７は、逆流しないようにして電力を通過させる素子であれば特に限定されない。本実施の形態では、例えば、ダイオードで構成されているが、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子で構成しても構わない。逆流防止素子７（ここではダイオードのカソード）と整流装置２の一対の出力端子のうちの負極側の端子との間に、平滑コンデンサ８が接続されている。この平滑コンデンサ８の両端に一対の昇圧電圧出力端子２９が接続されている。昇圧電圧出力端子２９は、昇圧コンバータ３１で昇圧された電圧が出力される部分を意味し、特に形態上、「端子」として他の回路素子と区別できることは必要でない。例えば、ここでは、平滑コンデンサ８の両端が昇圧電圧出力端子２９を構成しているともいえる。この構成により、スイッチング素子６のオン期間にインダクタ５に蓄えられたエネルギーがスイッチング素子６のオフ期間に逆流防止素子７を介して平滑コンデンサ８に出力されて当該平滑コンデンサ８が充電され、直流入力電圧Vinより高い直流出力電圧Voutが得られる。
【００２１】
平滑コンデンサ８の両端間には抵抗１１と抵抗１２とが直列に接続されていて、直流出力電圧Voutが抵抗１１と抵抗１２とで分圧されて得られる電圧Voが、直流出力電圧Voutの電圧検出信号として電圧誤差増幅器１３の反転入力端子に入力される。電圧誤差増幅器１３は、非反転入力端子に入力される基準電圧（基準電圧源１４の電圧）に対する電圧Voの誤差を増幅する。この増幅された誤差電圧Veが乗算器９に入力される。
【００２２】
また、整流装置２の一対の出力端子間には、インダクタ５及びスイッチング素子６に並列に、抵抗３と抵抗４とが直列に接続されている。直流入力電圧Vinが抵抗３と抵抗４とで分圧されて得られる電圧Viが、直流入力電圧Vinの電圧検出信号として乗算器９に入力される。また、電圧Viは、フィードフォワード制御としてレベル検出回路１０に入力され、レベル検出回路１０で検出された直流入力電圧レベルが乗算器９に入力される。乗算器９は、これらの入力を、全波整流された直流入力電圧Vinの電圧検出信号を基準電圧として直流出力電圧Voutの大きさに合わせるように乗算して出力し、電流検出の基準電圧を生成する。
この基準電圧は電流誤差増幅器１８に入力される。
【００２３】
一方、電流検出回路３２は、昇圧コンバータ３１の入力電流を検出し、この電流検出信号Va_aveを電流誤差増幅器１８に入力する。なお、電流検出回路３２の構成の一例を後で詳しく説明する。
【００２４】
電流誤差増幅器１８は、電流検出回路３２から入力される電流検出信号Va_aveを乗算器９から入力される基準電圧と比較し、その誤差を増幅してこれをパルス幅制御回路１９に入力する。パルス幅制御回路１９は、電流誤差増幅器１８の出力に基づいて、スイッチング素子６のDuty（スイッチング周期（オン期間とオフ期間との合計期間）に対するオン期間の比率）を規定するＰＷＭ信号からなる制御信号Vgを生成する。制御信号Vgはスイッチング素子６に入力され、スイッチング素子６は当該制御信号Vgに従ってオン及びオフする。これにより、昇圧コンバータ３１において、直流入力電圧Vinに比例した入力電流が得られ、その高調波成分が低減される。
【００２５】
＜電流検出回路３２の構成＞
次に、電流検出回路３２の構成を詳しく説明する。
【００２６】
図２は図１のスイッチング電源装置における昇圧コンバータ３１の電流検出回路３２の構成の一例を示す回路図である。
【００２７】
図２に示すように、電流検出回路３２は、インダクタ５とスイッチング素子６との間を流れる電流を検出するカレントトランス２０と、カレントトランス２０で検出された電流Iaを電圧Vaに変換する電流電圧変換部２２と、電流電圧変換部２２から出力される電圧Vaと直流入力電圧Vinと直流出力電圧Voと制御信号Vgとに基づいてスイッチング素子６のオン期間とオフ期間とに渡る電流検出信号Va_aveを生成するよう構成された電流検出信号生成回路２３とを主な要素として備えている。
【００２８】
具体的には、カレントトランス２０は、インダクタ５とスイッチング素子６との間に介挿されている。カレントトランス２０の二次側巻線には逆流防止素子としてのダイオード２１と電流電圧変換部２２としての抵抗とが直列に接続されている。この抵抗の両端電圧が、カレントトランス２０で検出された電流を電圧に変換した電圧Vaとして電流検出信号生成回路２３に入力される。
【００２９】
電流検出信号生成回路２３は、第１のスイッチ２４と、サンプルホールド用コンデンサ２５と、カレントアンプ２６と、電流源２７と、第２のスイッチ２８とを備える。
【００３０】
サンプルホールド用コンデンサ２５は、第１のスイッチ２４を介して電流電圧変換部２２の抵抗と互いに並列に接続されている。このサンプルホールド用コンデンサ２５の両端電圧が電流検出信号Va_aveとして出力される。
【００３１】
第１のスイッチ２４は、制御信号Vgに従って、スイッチング素子６のオン期間にオンして電流電圧変換部２２とサンプルホールド用コンデンサ２５とを接続し、スイッチング素子６のオフ期間にオフして電流電圧変換部２２とサンプルホールド用コンデンサ２５とを遮断する。
【００３２】
カレントアンプ２６は、直流入力電圧Vinの電圧検出信号としての電圧Viに対する直流出力電圧Voutの電圧検出信号としての電圧Voの差電圧を増幅してこれを電流信号に変換する。
【００３３】
電流源２７は、カレントアンプ２６から出力される電流信号に応じた電流Idをサンプルホールド用コンデンサ２５を放電させる方向に流す。
【００３４】
第２のスイッチ２８は、制御信号Vgを反転してなる信号に従って、スイッチング素子６のオン期間にオフしてサンプルホールド用コンデンサ２５と電流源２７とを遮断し、スイッチング素子６のオフ期間にオンしてサンプルホールド用コンデンサ２５と電流源２７とを接続する。第１のスイッチ２４及び第２のスイッチ２８として、例えば、半導体スイッチング素子を用いることができる。
【００３５】
＜電流源２７による放電電流＞
次に、電流源２７が流すべき放電電流Idについて詳しく説明する。
【００３６】
本実施の形態では、電流検出回路３２はスイッチング素子６のオン期間における昇圧コンバータ３１の入力電流をカレントトランス２０により検出している。しかし、カレントトランス２０にはスイッチング素子６のオフ期間には電流が流れないため、スイッチング素子６のオフ期間における昇圧コンバータ３１の入力電流を別途検出する必要がある。
【００３７】
ところで、スイッチング素子６のオフ期間にインダクタ５に流れる電流IL(t)は、
IL(t)＝ILpk-(Vout-Vin)t/L・・・式（１）となる。
【００３８】
ILpkはスイッチング素子６のオン期間終了時におけるインダクタ５の電流値であり、Lはインダクタ５のインダクタンスである。
【００３９】
スイッチング素子６のオン期間終了時において、サンプルホールド用コンデンサ２５に保持されている電圧は、スイッチング素子６のオン期間終了時におけるインダクタ５の電流値ILpkに対応している。そこで、サンプルホールド用コンデンサ２５の容量をCとし、カレントトランス２０と電流電圧変換部２２の抵抗とによる電流−電圧変換ゲインをKとした場合に、
(Vout-Vin)/L=KxId/C・・・式（２）
の関係を満たす放電電流Idによってサンプルホールド用コンデンサ２５を放電させると、サンプルホールド用コンデンサ２５の電圧はスイッチング素子６のオフ期間におけるインダクタ５の電流値IL(t)に対応するものとなる。
【００４０】
そこで、本実施の形態では、電圧Viに対する電圧Voの差電圧に対して、電流源２７による放電電流Idが、式（２）の関係を満たすものとなるよう、インダクタ５のインダクタンスL、上記電流電圧変換ゲインK、及びサンプルホールド用コンデンサ２５の容量C、及びカレントアンプ２６のゲインを設定することによりこれが可能となる。
【００４１】
［動作］
昇圧コンバータ３１の動作は周知であるので、その説明を省略し、電流検出回路３２の動作を詳しく説明する。
【００４２】
図３は電流検出回路３２の動作の一例を示す波形図である。
【００４３】
図３において、Vgはスイッチング素子６の制御信号を示す。VgのHighレベルの期間がスイッチング素子６のオン期間を示し、VgのLowレベルの期間がスイッチング素子６のオフ期間を示す。ILはインダクタ５に流れる電流（昇圧コンバータ３１の入力電流）を示す。Iaはカレントトランス２０により検出される電流（二次巻線の電流）を示す。Vaは電流電圧変換部２２から出力される電圧を示す。SW1は、第１のスイッチ２４のオン期間を示す。Va_s/hは、サンプルホールド用コンデンサ２５の電圧をサンプルホールドしたと仮定した場合の電圧を示す。換言すると、Va_s/hは、サンプルホールド用コンデンサ２５がスイッチング素子６のオフ期間に放電しないと仮定した場合におけるその両端電圧を示す。SW2は、第２のスイッチ２８のオン期間を示す。Va_aveは、電流検出信号としてのサンプルホールド用コンデンサ２５の両端電圧を示す。
【００４４】
また、図３において、期間mは、スイッチング素子６のDutyが50％である場合の波形を示し、期間nは、スイッチング素子６のDutyが50％以下である場合の波形を示し、期間oは、スイッチング素子６のDutyが50％以上である場合の波形を示す。
【００４５】
昇圧コンバータ３１では、制御信号Vgに従い、スイッチング素子６がオンするとインダクタ５の電流ILは略直線的に増加し、スイッチング素子６がオフするとインダクタ５の電流ILは略直線的に減少する。従って、インダクタ５の電流ILの波形は、このような略直線的増加及び略直線的減少を繰り返す三角波状の波形となる。
【００４６】
カレントトランス２０の二次巻線にはスイッチング素子６のオン期間にのみ検出電流Iaが流れ、その波形はインダクタ５の電流Iaに対応した波形となる。電流電圧変換部２２からはこの検出電流Iaに対応した電圧Vaが出力され、その波形は検出電流Iaに対応した波形となる。電圧Vaはスイッチング素子６のオン期間にのみオンする第１のスイッチ２４を介してサンプルホールド用コンデンサ２５に印加される。従って、スイッチング素子６のオン期間におけるサンプルホールド用コンデンサ２５の両端電圧の波形はインダクタ５の電流Iaに対応した波形となる。そして、サンプルホールド用コンデンサ２５がスイッチング素子６のオフ期間に放電しないと仮定した場合におけるその両端電圧の波形はVa_s/hに示すように電圧Vaがサンプルホールドされた波形となる。
【００４７】
しかしながら、本実施の形態では、カレントアンプ２６が、電圧Viに対する電圧Voの差電圧を上述の所定のゲインで増幅してこれを電流に変換し、これを電流源２７に出力する。一方、第２のスイッチ２８はスイッチング素子６のオフ期間のみにオンする。また、第１のスイッチ２４はスイッチング素子６のオフ期間にはオフする。これにより、サンプルホールド用コンデンサ２５が、スイッチング素子６のオフ期間において、電流源２７により上述の式（２）の関係を満たす放電電流Idで放電される。よって、サンプルホールド用コンデンサ２５の両端電圧は、スイッチング素子６のオフ期間において、上述のように、スイッチング素子６のオフ期間におけるインダクタ５の電流値IL(t)に対応するものとなる。これにより、電流検出信号Va_aveとしてのサンプルホールド用コンデンサ２５の両端電圧は、スイッチング素子６のオン期間とオフ期間とを通じて、インダクタ５の電流ILに対応するものとなる。
【００４８】
また、この電流検出信号Va_aveは、図３に期間m、期間n、及び期間oとして示すように、Dutyが変わっても、インダクタ５の電流ILに対応したものとなる。
【００４９】
この電流検出回路３２は、特許文献１の図２に記載の従来例のように昇圧コンバータ３１の入力電流を検出するために抵抗を用いていないので、大電流を流すことが可能となり、電力損失を低減した、安定で小型の電流検出回路を構成できる。
【００５０】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の昇圧コンバータの電流検出回路は、ＩＣに内蔵可能な小型の昇圧コンバータの電流検出回路等として有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１  交流電源
２  整流装置
３  抵抗
４  抵抗
５  インダクタ
６  スイッチング素子
７  逆流防止素子
８  平滑コンデンサ
９  乗算器
１０  レベル検出回路
１１  抵抗
１２  抵抗
１３  電圧誤差増幅器
１４  基準電圧源
１８  電流誤差増幅器
１９  パルス幅制御回路
２０  カレントトランス
２１  ダイオード
２２  電流電圧変換部
２３  電流検出信号生成回路
２４  第１のスイッチ
２５  サンプルホールド用コンデンサ
２６  カレントアンプ
２７  電流源
２８  第２のスイッチ
２９  昇圧電圧出力端子
３１  昇圧コンバータ
３２  電流検出回路
１０１  商用電源
１０２  整流回路
１０３  インダクタ
１０４  MOS型FET
１０５  ダイオード
１０６  平滑コンデンサ
１０７  電圧検出回路
１０８  誤差増幅器
１０９  抵抗
１１０  誤差増幅器
１１１  抵抗
１１２  抵抗
１１３  パルス幅制御回路
【図１】
2012175828.tif 000003
【図２】
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【図３】
2012175828.tif 000005
【図４】
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