(57)【要約】【課題】スイッチング電源において、入力側から出力側に伝送される電力量に対するスイッチング損失の割合の増加を抑える。【解決手段】スイッチ素子のオンオフを切り替えることにより入力信号をパルス信号列に変換し、パルス信号列に基づく電力を整流・平滑化して得られる直流電圧を出力するスイッチング電源であって、出力された直流電圧の電圧値を検出する出力電圧検出回路と、入力信号の電圧値を検出する入力電圧検出回路と、出力電圧値と目標とする電圧値との差に基づいて算出したパルス幅が所定の第１基準値未満の場合、あるいは、入力電圧値に対する出力電圧値の比が所定の第２基準値未満の場合に、パルス信号のパルス幅が第１基準値以上となるように設定するとともに、パルス信号列の周波数が低下するように制御する制御回路とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2012095449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ素子のオンオフを切り替えることにより入力信号をパルス信号列に変換し、前記パルス信号列に基づく電力を整流・平滑化して得られる直流電圧を出力するスイッチング電源であって、
出力された直流電圧の電圧値を検出する出力電圧検出回路と、
前記入力信号の電圧値を検出する入力電圧検出回路と、
前記出力電圧値と目標とする電圧値との差に基づいて算出したパルス幅が所定の第１基準値未満の場合、あるいは、前記入力電圧値に対する前記出力電圧値の比が所定の第２基準値未満の場合に、前記パルス信号のパルス幅が第１基準値以上となるように設定するとともに、前記パルス信号列の周波数が低下するように制御する制御回路と、を備えたことを特徴とするスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源に係り、特に、スイッチング損失を低減させ、効率を高めたスイッチング電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来のスイッチング電源の構成を示す図である。本図に示すように、スイッチング電源３００は、入力直流電力を目標電圧値に変換して出力する装置であり、スイッチ素子３０１、トランス３０２、ダイオード３０３、コンデンサ３０４、出力電圧検出回路３０５、ＰＷＭ信号発生回路３０６、基準周波数発生器３０７、スイッチ駆動回路３０８を備えて構成される。
【０００３】
スイッチ素子３０１は、ＦＥＴ等を用いて構成することができ、スイッチ駆動回路３０８からのスイッチング信号に従ってオン／オフを繰り返すことで、入力直流信号を高周波方形波信号に変換する。トランス３０２は、入出力間を電気的に絶縁するとともに、高周波方形波信号を出力側に伝送する。ダイオード３０３は、トランス３０２からの高周波方形波信号を整流する。コンデンサ３０４は、ダイオード３０３で整流された高周波方形波信号を平滑化して出力する。
【０００４】
出力電圧検出回路３０５は、目標電圧と実際に出力されている電圧との差を検出し、増幅して誤差信号として出力する。ＰＷＭ信号発生回路３０６は、基準周波数発生器３０７が出力する基準周波数信号に同期した一定の周波数で、誤差信号に応じたパルス幅のＰＷＭ信号を出力する。スイッチ駆動回路３０８は、ＰＷＭ信号発生回路３０６が出力するＰＷＭ信号を、スイッチ素子３０１を駆動するのに適した信号に変換する。
【０００５】
この構成により、スイッチング電源３００において、入力信号はスイッチ素子３０１によって高周波方形波信号に変換された後、トランス３０２によって出力側に伝送される。そして、ダイオード３０３とコンデンサ３０４によって整流・平滑化され、出力される。出力電圧が目標電圧と異なっている場合には、その差が出力電圧検出回路３０５で検出され、誤差信号としてＰＷＭ信号発生回路３０６に伝えられる。
【０００６】
ＰＷＭ信号発生回路３０６では、誤差信号に応じてパルス幅を伸縮させる。この結果、スイッチ素子３０１の開閉比率（デューティー比）が変化し、入力から出力に伝送される電力量も変化して、出力電圧値が目標電圧値になるように負帰還制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１４２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スイッチ素子３０１が理想的であれば、ＰＷＭ信号によりオンした瞬間に、端子間の電位差が０となって電流が流れ始め、オフした瞬間に電流が０となるが、実際のスイッチ素子３０１は、電圧と電流の変化に時間を要する。このため、電圧と電流がともに０でない期間が存在し、この期間で電力を消費して損失が発生する。この損失は一般にスイッチング損失と呼ばれる。
【０００９】
電圧と電流の変化に要する時間は、ＰＷＭ信号のパルス幅には依存しないため、パルス幅が狭いほどスイッチ素子３０１がオンしている時間に対する電圧と電流が変化する時間の割合が大きくなる。すなわち、図６に示すように、パルス幅が狭いほど、スイッチ素子３０１がオンしている期間に対する損失発生期間（図中の網掛け領域）の割合が大きくなる。この結果、入力側から出力側に伝送される電力量に対するスイッチング損失の割合が増え、スイッチング電源３００の効率が悪化する。
【００１０】
そこで、本発明は、スイッチング電源において、入力側から出力側に伝送される電力量に対するスイッチング損失の割合の増加を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明のスイッチング電源は、スイッチ素子のオンオフを切り替えることにより入力信号をパルス信号列に変換し、前記パルス信号列に基づく電力を整流・平滑化して得られる直流電圧を出力するスイッチング電源であって、出力された直流電圧の電圧値を検出する出力電圧検出回路と、前記入力信号の電圧値を検出する入力電圧検出回路と、前記出力電圧値と目標とする電圧値との差に基づいて算出したパルス幅が所定の第１基準値未満の場合、あるいは、前記入力電圧値に対する前記出力電圧値の比が所定の第２基準値未満の場合に、前記パルス信号のパルス幅が第１基準値以上となるように設定するとともに、前記パルス信号列の周波数が低下するように制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スイッチング電源において、入力側から出力側に伝送される電力量に対するスイッチング損失の割合の増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態のスイッチング電源の構成を示す図である。
【図２】スイッチング電源のパルス幅動作について説明するフローチャートである。
【図３】パルス周波数を変化させる方法を説明する図である。
【図４】本発明を非絶縁昇圧型スイッチング電源に適用した場合の構成を示す図である。
【図５】従来のスイッチング電源の構成を示す図である。
【図６】ＰＷＭ信号のパルス幅が狭くなった状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のスイッチング電源の構成を示す図である。本図に示すように、スイッチング電源１００は、入力直流電力を目標電圧値に変換して出力する装置であり、スイッチ素子１０１、トランス１０２、ダイオード１０３、コンデンサ１０４、出力電圧検出回路１０５、ＰＷＭ信号発生回路１０６、基準周波数発生器１０７、スイッチ駆動回路１０８、制御回路１０９、入力電圧検出回路１１０を備えて構成される。
【００１５】
スイッチ素子１０１は、ＦＥＴ等を用いて構成することができ、スイッチ駆動回路１０８からのスイッチング信号に従ってオン／オフを繰り返すことで、入力直流信号を高周波方形波信号に変換する。トランス１０２は、入出力間を電気的に絶縁するとともに、高周波方形波信号を出力側に伝送する。ダイオード１０３は、トランス１０２からの高周波方形波信号を整流する。コンデンサ１０４は、ダイオード１０３で整流された高周波方形波信号を平滑化して出力する。
【００１６】
出力電圧検出回路１０５は、目標電圧と実際に出力されている電圧との差を検出し、増幅して誤差信号として出力する。ＰＷＭ信号発生回路１０６は、基準周波数発生器１０７が出力する基準周波数信号に同期した周波数で、制御回路１０９が設定するパルス幅のＰＷＭ信号を出力する。基準周波数発生器１０７は、制御回路１０９の指示により、出力する基準周波数信号の周波数を変化させることができる。スイッチ駆動回路１０８は、ＰＷＭ信号発生回路１０６が出力するＰＷＭ信号を、スイッチ素子１０１を駆動するのに適した信号に変換する。
【００１７】
入力電圧検出回路１１０は、入力信号の電圧値を検出して制御回路１０９に出力する。
【００１８】
制御回路１０９は、出力電圧検出回路１０５が出力する誤差信号に基づいてＰＷＭ信号のパルス幅を算出する。そして、算出されたパルス幅が所定の基準値未満であれば、スイッチ素子１０１がオンしている期間に対する損失発生期間の割合が大きくなることを防ぐために、パルス幅が基準値以上となるように設定する。このとき、出力電圧値を目標電圧値に近づけるため、ＰＷＭ信号の周波数を低下させる。
【００１９】
また、制御回路１０９は、入力電圧と出力電圧との比（出力電圧／入力電圧）を算出し、その比が所定の基準値未満であれば、パルス幅が狭くなり、損失割合が増加することが予想されるため、予めパルス幅が基準値以上となるように設定するとともに、ＰＷＭ信号の周波数を低下させる。これにより、入力電圧の急激な変化に対応して損失割合の増加を抑えることができる。
【００２０】
図２は、本実施形態におけるスイッチング電源３００のパルス幅制御動作について説明するフローチャートである。
【００２１】
スイッチング動作を開始すると、入力電圧検出回路１１０が入力電圧を検出し、出力電圧検出回路１０５が、出力電圧値を検出する（Ｓ１０１）。そして出力電圧検出回路１０５は、出力電圧値と目標電圧値との差に基づいて誤差信号を出力する。この誤差信号に基づいて、制御回路１０９が、出力電圧値が目標電圧値に近づくようなＰＷＭ信号のパルス幅を算出する（Ｓ１０２）。
【００２２】
そして、算出されたパルス幅が、予め定められた第１基準値未満かどうかを判定する（Ｓ１０３）。ここで、第１基準値は、パルス幅に対するスイッチング損失が生じる期間の割合が許容できる最小のパルス幅値と定めることができる。
【００２３】
その結果、算出されたＰＷＭ信号のパルス幅が第１基準値未満となった場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）は、ＰＷＭ信号のパルス幅として第１基準値以上の値を設定するとともに、ＰＷＭ信号の周波数を低下させるように制御する（Ｓ１０４）。
【００２４】
これにより、ＰＷＭ信号のパルス幅が第１基準値未満となることを防ぐことができる。また、ＰＷＭ信号の周波数を低下させることで、ＰＷＭ信号のパルス幅を狭めたのと同等の効果を得ることができ、出力電圧を目標電圧に近づけることができる。
【００２５】
ここで、ＰＷＭ信号のパルス幅として設定する値と、低下させるＰＷＭ信号の周波数との関係は、算出されたパルス幅における開閉比率を保つように設定してもよいし、簡易的に所定の値を設定するようにしてもよい。
【００２６】
なお、ＰＷＭ信号の周波数を低下させる方法としては、例えば、図３（ａ）の期間Ａに示すように、基準周波数発生器１０７が出力する基本周波数信号の周波数を低下させることがあげられる。あるいは、図３（ｂ）の期間Ａに示すように、基準周波数発生器１０７が出力する基本周波数信号の周波数は変化させずに、同期して出力するパルス信号を適切な比率で間引くようにしてもよい。
【００２７】
一方、算出されたＰＷＭ信号のパルス幅が第１基準値未満でない場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）にも、入力電圧の急激な変化にも対応できるようにするため、入力電圧値と出力電圧値との比が、予め定められた第２基準値未満かどうかを判定する（Ｓ１０５）。第２基準値は、スイッチング電源３００の効率、目標電圧値等に基づいて、パルス幅が第１基準値以下となることが予想される入出力比を定めておくようにする。
【００２８】
その結果、入力電圧値と出力電圧値との比が第２基準値未満となった場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）は、ＰＷＭ信号のパルス幅として第１基準値以上の値を設定するとともに、ＰＷＭ信号の周波数を低下させるように制御する（Ｓ１０７）。
【００２９】
これにより、ＰＷＭ信号のパルス幅が第１基準値未満となることを防ぐことができる。また、ＰＷＭ信号の周波数を低下させることで、ＰＷＭ信号のパルス幅を狭めたのと同等の効果を得ることができ、出力電圧を目標電圧に近づけることができる。
【００３０】
一方、入力電圧値と出力電圧値との比が第２基準値未満でない場合（Ｓ１０５：Ｎｏ）は、ＰＷＭ信号のパルス幅が第１基準値未満となるおそれがないものとして、処理（Ｓ１０２）で算出されたパルス幅をＰＷＭ信号のパルス幅として設定するとともに、パルス周波数を通常の値に設定する（Ｓ１０６）。
【００３１】
スイッチング電源３００は、以上の処理を繰り返し行なうことで、負荷の変化、入力電圧値の急激な変化が生じた場合であっても、ＰＷＭ信号のパルス幅が所定の基準値未満になることを防ぐことができるため、入力側から出力側に伝送される電力量に対するスイッチング損失の割合の増加を抑えることができる。
【００３２】
なお、上記実施形態では、フライバック型と呼ばれるスイッチング電源１００を例に説明したが、本発明は、パルス幅を変化させることによって入力側から出力側に伝送される電力量を制御するタイプのスイッチング電源であれば、非絶縁型、フォワード型、プッシュ・プル型等に限られず適用することができる。
【００３３】
図４は、本発明を非絶縁昇圧型スイッチング電源に適用した場合の構成を示す図である。本図の例では、スイッチング電源２００は、スイッチ素子２０１、ダイオード２０３、コンデンサ２０４、出力電圧検出回路２０５、ＰＷＭ信号発生回路２０６、基準周波数発生器２０７、スイッチ駆動回路２０８、制御回路２０９、入力電圧検出回路２１０、コイル２１１を備えて構成される。出力電圧検出回路２０５、ＰＷＭ信号発生回路２０６、基準周波数発生器２０７、スイッチ駆動回路２０８、制御回路２０９、入力電圧検出回路２１０の動作は、上記実施形態と同様である。
【００３４】
以上説明したように、本発明によれば、ＰＷＭ信号のパルス幅が所定の値より狭くならないように制御することによって、入力側から出力側に伝送される電力量に対するスイッチング損失の割合の増加を抑え、効率を改善することが可能となる。加えて、出力電圧のみならず入力電圧も監視してパルス幅制御を行なうため、入力電圧の急激な変化に対しても高速に応答することが可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１００…スイッチング電源、１０１…スイッチ素子、１０２…トランス、１０３…ダイオード、１０４…コンデンサ、１０５…出力電圧検出回路、１０６…ＰＷＭ信号発生回路、１０７…基準周波数発生器、１０８…スイッチ駆動回路、１０９…制御回路、１１０…入力電圧検出回路、２００…スイッチング電源、２０１…スイッチ素子、２０３…ダイオード、２０４…コンデンサ、２０５…出力電圧検出回路、２０６…ＰＷＭ信号発生回路、２０７…基準周波数発生器、２０８…スイッチ駆動回路、２０９…制御回路、２１０…入力電圧検出回路、２１１…コイル、３００…スイッチング電源、３０１…スイッチ素子、３０２…トランス、３０３…ダイオード、３０４…コンデンサ、３０５…出力電圧検出回路、３０６…ＰＷＭ信号発生回路、３０７…基準周波数発生器、３０８…スイッチ駆動回路
【図１】
2012095449.tif 000003
【図２】
2012095449.tif 000004
【図３】
2012095449.tif 000005
【図４】
2012095449.tif 000006
【図５】
2012095449.tif 000007
【図６】
2012095449.tif 000008