(57)【要約】  スイッチモード電源デバイス（１）が開示される。スイッチモード電源デバイス（１）は、ＤＣ入力電圧を受け、ＤＣ出力電圧を供給するよう構成される主回路（６）を有する。主回路（６）は、前記ＤＣ出力電圧を生成するインダクタ素子（１２）、  前記インダクタ素子（１２）に接続されるスイッチング素子（９）及び導通状態及び非導通状態間でスイッチング素子（９）を切換えるよう構成されるコントローラ（７）を有し、スイッチング素子（９）は、接地電位（１０）にパルス直流を供給するよう構成される。スイッチモード電源デバイス（１）はまた、補助電圧を供給するよう構成される補助回路（１６）を有する。補助回路（１６）は、前記パルス直流を受けるよう接続され、インダクタ素子（１２）から磁気的に絶縁される補助インダクタ（１８）を有する。
2017524328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ入力電圧を受け、ＤＣ出力電圧を供給するよう構成される主回路であって、
前記ＤＣ出力電圧を供給するためのインダクタ素子、
前記インダクタ素子に接続されるスイッチング素子、及び
導通状態及び非導通状態間で前記スイッチング素子を切換えるよう構成されるコントローラ、
を有する主回路、及び
補助電圧を供給するよう構成される補助回路であって、補助インダクタを有する、補助回路、
を有するスイッチモード電源デバイスであって、
前記スイッチング素子は、接地電位にパルス直流を供給するよう構成され、
前記補助インダクタは、前記パルス直流を受けるよう接続され、前記インダクタ素子から磁気的に絶縁される、スイッチモード電源デバイス。
【請求項２】
前記補助インダクタは、前記接地電位に接続され、前記ＤＣ入力電圧の負極に接続される、請求項１に記載のスイッチモード電源デバイス。
【請求項３】
前記補助回路はさらに、
前記接地電位に接続されるコンデンサ、及び
前記補助インダクタ及び前記コンデンサに接続されるダイオード
を有し、
前記補助電圧は、前記コンデンサ間の電圧である、請求項２に記載のスイッチモード電源デバイス。
【請求項４】
前記補助電圧は、前記コンデンサと並列に接続されるツェナーダイオードにより制限される、請求項３に記載のスイッチモード電源デバイス。
【請求項５】
前記補助回路はさらに、前記補助インダクタと並列に接続されるダンピング抵抗を有する、請求項１乃至４の何れか一項に記載のスイッチモード電源デバイス。
【請求項６】
前記インダクタ素子は、インダクタである、請求項１乃至５の何れか一項に記載のスイッチモード電源デバイス。
【請求項７】
前記インダクタ素子は、変圧器である、請求項１乃至６の何れか一項に記載のスイッチモード電源デバイス。
【請求項８】
スタートアップ抵抗が、前記コントローラ及び前記ＤＣ入力電圧の正極に接続される、請求項１乃至７の何れか一項に記載のスイッチモード電源デバイス。
【請求項９】
前記主回路は、前記補助電圧に接続される、請求項１乃至８の何れか一項に記載のスイッチモード電源デバイス。
【請求項１０】
前記補助電圧は、当該スイッチモード電源デバイス外の負荷に接続されるよう構成される、請求項１乃至８の何れか一項に記載のスイッチモード電源デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、補助出力電圧を供給するための補助回路を持つスイッチモード電源デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチモード電源は、トランジスタ等のスイッチにより電源の電圧及び電流特性を変換する電子回路である。これらの小さなサイズ及び高いエネルギ効率により、スイッチモード電源は、多種多様なアプリケーションに適している。例えば、携帯電話の充電器及びラップトップの電源等の家庭用電子機器は、通例、主電流源の交流を負荷により必要とされる直流に変換するためのスイッチモード電源を含む。
【０００３】
変換された電圧に加えて、スイッチモード電源はよく、スイッチ又は何らかの他の構成要素を駆動するための低補助電圧を生成するよう構成される。スイッチング電圧レギュレータシステムを制御するために用いられる集積回路のための供給電圧を生成するやり方の一例が、米国特許出願公開第US 2011/0157919 A1号に開示されている。この電圧生成は、エネルギ効率が良く、安価に実現できることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示の広い目的は、改善された又は代替的なスイッチモード電源デバイスを提供することにある。特定の目的は、スイッチモード電源デバイスの構成要素又は発光ダイオード用のドライバのためのコントローラ等の別個の回路のための補助電圧を提供する安価でエネルギ効率の良い補助回路を提供することを含む。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、独立請求項により規定される。実施形態が、従属請求項、明細書及び図面に述べられる。
【０００６】
第１の態様によれば、ＤＣ入力電圧を受け、ＤＣ出力電圧を供給するよう構成される主回路、及び補助電圧を供給するよう構成される補助回路を有するスイッチモード電源デバイスが提供される。前記主回路は、前記ＤＣ出力電圧を供給するためのインダクタ素子、前記インダクタ素子に接続されるスイッチング素子、及び導通状態及び非導通状態間で前記スイッチング素子を切換えるよう構成されるコントローラを有する。前記スイッチング素子は、接地電位にパルス直流(pulsed direct current)を供給するよう構成される。前記補助回路は、前記パルス直流を受けるよう接続され、前記インダクタ素子から磁気的に絶縁される補助インダクタを有する。ゆえに、前記補助インダクタは、前記インダクタ素子に磁気的に結合されない。
【０００７】
“パルス直流”は、変動振幅(varying amplitude)を持つ直流を意味する。略称“ＡＣ”及び“ＤＣ”は、それぞれ“交流”及び“直流”を表す。補助電圧は、通例、実質的に一定の振幅を持つＤＣ電圧である。ＤＣ入力電圧は、典型的には、整流され、バッファリングされたＡＣ電圧である。
【０００８】
一次インダクタ(primary inductor)及び補助インダクタは磁気的に絶縁されるので、上述のデバイスは、ドラムコアインダクタ等の安価な一次インダクタ、及び表面実装型デバイスインダクタ等の小さな補助インダクタを用いて実現されてもよい。前記補助回路は、単純で、エネルギ効率が良い。
【０００９】
当該デバイスの一実施形態によれば、前記主回路及び前記補助回路は、共通接地(common ground)に接続される。前記補助インダクタは、例えば、前記接地電位に接続され、前記ＤＣ入力電圧の負極に接続されてもよい。前記主回路及び前記補助回路を共通接地に接続することは、あるアプリケーションに有利である。なぜなら、さもなくばレベルシフターの使用が必要となるかもしれないからである。
【００１０】
当該デバイスの有利な実施形態によれば、前記補助回路はさらに、前記接地電位に接続されるコンデンサ、及び前記補助インダクタ及び前記コンデンサに接続されるダイオードを有し、前記補助電圧は、前記コンデンサ間の電圧である。前記ダイオードは、安価な低電圧ダイオードであってもよい。前記補助電圧を制限するため、ツェナーダイオードが、前記コンデンサと並列に接続されてもよい。前記補助回路の発振を減らすため、ダンピング抵抗が、前記補助インダクタと並列に接続されてもよい。
【００１１】
当該デバイスの一実施形態によれば、前記インダクタ素子は、インダクタである。斯くして、前記インダクタ素子は、シングルコイル又は巻き線を有してもよい。代替的な実施形態において、前記インダクタ素子は、２つの磁気的に結合されるコイルを持つ変圧器である。
【００１２】
当該デバイスの一実施形態によれば、スタートアップ抵抗が、前記コントローラ及び前記ＤＣ入力電圧の正極に接続される。これは、当該デバイスのスタートアップ特性を改善する。
【００１３】
当該デバイスの一実施形態によれば、前記補助電圧は  前記主回路に接続される。代替的に、前記補助電圧は、前記主回路及び前記補助回路外の負荷に接続される。
【００１４】
本発明は、請求項に列挙される特徴の全てのあり得る組み合わせに関することに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明のこの及び他の態様は、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、より詳細に述べられるであろう。
【図１】スイッチモード電源デバイスの一実施形態の概略回路図を図示する。
【図２】変圧器を持つスイッチモード電源デバイスの一実施形態の概略回路図を図示する。
【図３】動作中のスイッチモード電源デバイスの一実施形態における電流フローを示す概略回路図を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、本発明の目下好ましい実施形態が示される添付の図面を参照して下記でさらに十分に述べられるであろう。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本願明細書で述べられる実施形態に制限されると見なされるべきではない。むしろ、これら実施形態は、徹底さ及び完全さのために提供され、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるものである。
【００１７】
図１は、電源２に接続されるスイッチモード電源デバイス１の概略回路図を図示する。電源２は、スイッチモード電源デバイス１にＡＣ入力電圧を供給するＡＣ電源である。一例として、電源２は、１００Ｖ及び２４０Ｖ間の振幅及び５０Ｈｚ乃至６０Ｈｚの周波数を持つＡＣ入力電圧を供給する主電源(mains electricity supply)である。電源２は、電磁干渉フィルタ等のフィルタ４を典型的には介して、整流器３に接続される。フィルタ４は、電源２からのノイズを減らす助けになり、これにより、スイッチモード電源デバイス１内のセンシティブな構成要素を保護する。整流器３は、ダイオードブリッジ整流器、とりわけ、全波整流ダイオードブリッジ整流器である。しかしながら、半波整流も適用可能な代替例である。整流器３は、正端子３ａ及び負端子３ｂを持ち、正端子３ａ及び負端子３ｂ間の電位差は、ＤＣ入力電圧Ｖ１である。スイッチモード電源デバイスはさらに、入力コンデンサ５を有する。入力コンデンサ５は、正端子３ａを介しＤＣ入力電圧Ｖ１の正極に接続され、負端子３ｂを介しＤＣ入力電圧Ｖ１の負極に接続される。入力コンデンサ５のキャパシタンスは、例えば、約１μＦ乃至約１００μＦの範囲内であってもよい。ＤＣ入力電圧Ｖ１は、リップルを持ち、該リップルは、入力コンデンサ５により平滑化される。他の実施形態によれば、スイッチモード電源デバイス１は、ＤＣ入力電圧を供給する電源２に接続されることが目的とされ、この場合、整流器３は省かれる。
【００１８】
スイッチモード電源デバイス１は、ＤＣ入力電圧Ｖ１を受け、電子機器、例えば、ランプ又はコンピュータを給電するためのＤＣ出力電圧Ｖ２を供給するよう構成される主回路６を持つ。出力電圧Ｖ２の値は、目的とされるアプリケーションに依存するが、典型的には、約２０Ｖ乃至約１４０Ｖの範囲内である。斯くして、主回路６は、バックコンバータ又はブーストコンバータ等のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作してもよい。主回路６は、コントローラ７、例えば、パルス幅変調コントローラを持つ。コントローラ７は、正端子３ａに接続される。コントローラ７は、スタートアップ抵抗８を介して正端子３ａに接続される。ゆえに、スタートアップ抵抗８は、コントローラ７に接続され、ＤＣ入力電圧Ｖ１の正極に接続される。スタートアップ抵抗８の抵抗は、例えば、約１００ｋΩ乃至約１ＭΩの範囲内であってもよい。他の実施形態によれば、スタートアップ抵抗８は省かれる。
【００１９】
コントローラ７は、スイッチング素子９に接続される。コントローラ７は、導通状態及び非導通状態間でスイッチング素子９を切換えるよう構成される。この実施形態において、スイッチング素子９は、トランジスタである。スイッチング素子９は、ＰＮＰトランジスタ又はＮＰＮトランジスタ等のバイポーラトランジスタであってもよい。スイッチング素子９は、ＭＯＳＦＥＴ等の電界効果トランジスタであってもよい。スイッチング素子９は、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等であってもよい。スイッチング素子９は、接地電位１０にパルス直流を供給するよう構成される。スイッチング素子９は、電流測定用の検知抵抗１１を介して接地電位１０に接続されてもよい。検知抵抗１１は、スイッチング素子９のエミッタに接続され、典型的には、約１００ｍΩ以上の抵抗を持つ。スイッチング素子９は、インダクタの形態のインダクタ素子１２に接続される。より正確には、インダクタ素子１２は、シングルコイルを有するインダクタである。インダクタ素子１２は、スイッチング素子９のコレクタに接続される。インダクタ素子１２のインダクタは、例えば、約２００μＨ乃至約１０ｍＨの範囲内であってもよい。インダクタ素子１２は、エネルギを保存することによりＤＣ出力電圧Ｖ２を供給する。ＤＣ出力電圧Ｖ２は、出力電圧Ｖ２を生成するスイッチングサイクル毎に主回路６の出力部に伝達される。
【００２０】
主回路６は、典型的には、他の構成要素も含む。図１に示される実施形態によれば、インダクタ素子１２は、インダクタ素子１２と直列に接続される出力コンデンサ１３を介して正端子３ａに接続される。ＤＣ出力電圧Ｖ２は、出力コンデンサ１３間の電圧である。主回路６は、出力電圧Ｖ２を外部負荷に接続するための出力端子２４を備える。ブロッキングダイオード１４が、出力コンデンサ１３及びインダクタ素子１２と並列に接続される。ブロッキングダイオード１４は、出力コンデンサ１３が、スイッチモード電源デバイス１の動作中スイッチング素子９に放電するのを防止する。ＤＣ出力電圧Ｖ２をモニタするためのフィードバック回路１５が、コントローラ７に接続される。フィードバック回路１５は、例えば、ＤＣ出力電圧Ｖ２が、基準電圧から所定の値を超えてずれた場合にコントローラ７に信号を送るよう構成されてもよい。フィードバック回路１５は、あり得る代替例では省かれる。
【００２１】
スイッチモード電源デバイス１は、補助電圧Ｖ３を供給するよう構成される補助回路１６を持つ。補助電圧Ｖ３は、典型的には、一定の大きさ又は実質的に一定の大きさを持つＤＣ電圧である。補助電圧Ｖ３は、例えば、約５Ｖ乃至約１２Ｖの範囲内であってもよい。補助電圧Ｖ３は、１つ以上の補助出力端子２３を介して負荷１７に供給される。負荷１７は、接地電位１０、すなわち、主回路６と同じ接地電位に接続される。しかしながら、一般には、負荷１７は、必ずしも主回路６と同じ接地電位に接続される必要はない。典型的な負荷１７の例は、制御回路、マイクロプロセッサ、光電子センサ、パッシブ赤外線センサ又は発光ダイオードを駆動するためのコントローラである。負荷１７は、スイッチモード電源デバイス１の構成要素であってもよい。例えば、主回路６は、補助電圧Ｖ３がコントローラ７を駆動するように補助電圧Ｖ３に接続されてもよい。代替的に、負荷１７は、スイッチモード電源デバイス１外にある。すなわち、負荷１７は、スイッチモード電源デバイス１に含まれない回路の部分を形成してもよい。
【００２２】
補助回路１６は、スイッチング素子９により生成されるパルス直流を受けるよう接続される補助インダクタ１８を持つ。補助インダクタ１８のインダクタンスは、通例、インダクタ素子のインダクタンスよりかなり小さい。ある実施形態によれば、補助インダクタ１８のインダクタンスは、約１０μＨ乃至約５００ｍＨの範囲内である。補助インダクタ１８及びインダクタ素子１２は、互いに磁気的に絶縁される、すなわち、補助インダクタ１８及びインダクタ素子１２は、結合されない(uncouple)。補助インダクタ１８は、補助回路１６及び主回路６が共通接地電位に接続されるように接地電位１０及び負端子３ｂに接続される。
【００２３】
補助回路１６は、接地電位１０に接続されるコンデンサ１９を持つ。補助電圧Ｖ３は、コンデンサ１９間の電圧である。補助回路１６はまた、補助インダクタ１８及びコンデンサ１９に接続されるダイオード２０を有する。ダイオード２０は、半導体ダイオードであってもよい。補助回路１６は、補助インダクタ１８と並列に接続されるダンピング抵抗２１を持つ。補助電圧Ｖ３を制限するためのツェナーダイオード２２が、コンデンサ１９と並列に接続される。補助回路１６の他の実施形態は、ダンピング抵抗２１及び／又はツェナーダイオード２２を含まない。
【００２４】
図２は、図１のスイッチモード電源デバイス１と類似のスイッチモード電源デバイス１の概略回路図を図示する。しかしながら、この例においては、インダクタ素子１２が、２つの磁気的に結合されるワイヤコイルを持つ変圧器である。
【００２５】
図３は、矢印により指示される電流フローを示すスイッチモード電源デバイス１の概略回路図である。スイッチモード電源デバイス１の動作中、ＤＣ入力電圧Ｖ１が入力コンデンサ５間に印加される結果、入力電流Ｉ１が、入力コンデンサ５の正極側から主回路６に流れる。これにより、コントローラ７は、導通状態及び非導通状態間でスイッチング素子９を切換え始める。スタートアップ抵抗８が、コントローラ７の始動を助けてもよい。スイッチングの結果、パルス直流Ｉ２が、スイッチング素子９から接地電位１０及び補助インダクタ１８に流れる。スイッチング素子９が導通状態にある場合、補助インダクタ１８は、パルス直流Ｉ２によりチャージされる。スイッチング素子９の非導通状態へのスイッチングの結果、パルス直流Ｉ２の振幅の減少が生じる。これにより、誘導電流Ｉ３が生成される。誘導電流Ｉ３は、補助回路１６内でダイオード２０を通ってコンデンサ１９に流れ、コンデンサ１９が充電される。コンデンサ１９に供給される充電量は、補助インダクタ１８のインダクタンス、出力電流Ｉ２の強さ及びスイッチング素子９のスイッチング周波数に依存する。ダイオード２０は、スイッチング素子９が導通状態に戻された場合にコンデンサ１９が放電するのを防止する。スイッチングプロセスの結果、補助電圧Ｖ３が、コンデンサ１９間に生成される。
【００２６】
当業者は、本発明は、上述の好ましい実施形態に決して限定されないことを認識する。反対に、多くの修正及び変形が、添付の特許請求の範囲の範囲内で可能である。例えば、同じ実施形態によれば、主回路６及び補助回路１６は、共通接地電位に接続されない。この場合、レベルシフターの使用が必要かもしれない。
【００２７】
さらに、開示された実施形態に対するバリエーションが、図面、開示及び添付の特許請求の範囲の研究から、当業者によって理解され、実施され得る。請求項において、"有する"という用語は他の要素又はステップを除外するものではなく、単数表記は複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有効に用いられ得ないことを示すものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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