(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器と、
入力端子が前記変圧器の１次巻線と接続され、前記変圧器を介して第１の直流電圧を受けるスイッチング素子と、
前記変圧器の２次巻線と接続され、前記変圧器の２次側の出力電圧を整流し且つ平滑化することにより、前記第１の直流電圧から第２の直流電圧を生成して出力する出力電圧生成回路と、
前記スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、
前記第２の直流電圧の電圧値を検出して出力する出力電圧検出回路と、
前記出力電圧検出回路の出力信号を前記制御回路に帰還信号として絶縁状態で帰還する帰還回路と、
陽極に前記１次巻線の出力を受け、陰極に前記スイッチング素子の出力を受け、前記制御回路用の電源電圧を生成する制御回路用電源コンデンサと、
前記１次巻線の出力側と前記制御回路用電源コンデンサの陽極との間に設けられ、前記電源電圧を所定値に保持する電圧レギュレータとを備え、
前記制御回路は、
前記スイッチング素子に印加するスイッチング信号を生成して出力する発振器と、
前記スイッチング素子を流れる電流を検出し、素子電流検出信号として出力する電流検出回路と、
前記帰還信号から２次側の負荷状態を示す帰還電圧信号に変換して出力する出力負荷検出回路と、
前記帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成して出力する誤差増幅器と、
前記素子電流検出信号と前記誤差電圧信号とを比較し、比較した比較信号を出力する比較器と、
前記比較信号に基づいて前記スイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路と、
前記誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合には前記スイッチング信号制御回路に対して前記スイッチング素子への前記スイッチング信号の出力を停止し、前記誤差電圧信号が上限電圧値よりも大きい場合には前記スイッチング信号制御回路に対して前記スイッチング信号の出力を開始する軽負荷検出回路とを有していることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記帰還回路はフォトカプラを含むことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記軽負荷検出回路は、前記下限電圧又は前記上限電圧の値を可変に設定できる検出電圧可変手段を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子及び前記制御回路は、
前記スイッチング素子の入力端子及び出力端子、並びに前記制御回路における前記制御回路用電源コンデンサの陽極側の入力端子及び前記出力負荷検出回路における前記帰還信号の入力端子が外部接続端子となるように一つの半導体基板上に集積化されて形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
変圧器と、
入力端子が前記変圧器の１次巻線と接続され、前記変圧器を介して第１の直流電圧を受けるスイッチング素子と、
前記変圧器の２次巻線と接続され、前記変圧器の２次側の出力電圧を整流し且つ平滑化することにより、前記第１の直流電圧から第２の直流電圧を生成して出力する出力電圧生成回路と、
前記スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、
前記第２の直流電圧の電圧値を検出して出力する出力電圧検出回路と、
前記出力電圧検出回路の出力信号を前記制御回路に帰還信号として絶縁状態で帰還する帰還回路と、
陽極に前記１次巻線の出力を受け、陰極に前記スイッチング素子の出力を受け、前記制御回路用の電源電圧を生成する制御回路用電源コンデンサと、
前記１次巻線の出力側と前記制御回路用電源コンデンサの陽極との間に設けられ、前記電源電圧を所定値に保持する電圧レギュレータとを備えたスイッチング電源装置を制御するスイッチング電源用半導体装置であって、
前記スイッチング電源用半導体装置は、前記スイッチング素子及び前記制御回路を含み、
前記制御回路は、
前記スイッチング素子に印加するスイッチング信号を生成して出力する発振器と、
前記スイッチング素子を流れる電流を検出し、素子電流検出信号として出力する電流検出回路と、
前記帰還信号から２次側の負荷状態を示す帰還電圧信号に変換して出力する出力負荷検出回路と、
前記帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成して出力する誤差増幅器と、
前記素子電流検出信号と前記誤差電圧信号とを比較し、比較した比較信号を出力する比較器と、
前記比較信号に基づいて前記スイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路と、
前記誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合には前記スイッチング信号制御回路に対して前記スイッチング素子への前記スイッチング信号の出力を停止し、前記誤差電圧信号が上限電圧値よりも大きい場合には前記スイッチング信号制御回路に対して前記スイッチング信号の出力を開始する軽負荷検出回路とを有していることを特徴とするスイッチング電源用半導体装置。
【請求項６】
前記軽負荷検出回路は、前記下限電圧又は前記上限電圧の値を可変に設定できる検出電圧可変手段を有していることを特徴とする請求項５に記載のスイッチング電源用半導体装置。
【請求項７】
前記スイッチング素子及び前記制御回路は、
前記スイッチング素子の入力端子及び出力端子、並びに前記制御回路における前記制御回路用電源コンデンサの陽極側の入力端子及び前記出力負荷検出回路における前記帰還信号の入力端子が外部接続端子となるように一つの半導体基板上に集積化されて形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のスイッチング電源用半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に、軽負荷時の消費電力を低減できるスイッチング電源装置及びスイッチング電源用半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来のスイッチング電源装置について図面を参照しながら説明する。
【０００３】
図５は入力側と出力側とが電気的に絶縁された従来のスイッチング電源装置の回路構成を示している。図５に示すスイッチング電源装置において、例えば、入力端子に入力される商用電源からの交流電流は、ダイオードブリッジ等からなる整流器１０１により整流される。続いて、入力コンデンサ１０２により平滑化されて直流電圧Ｖinとなり、電力変換用のトランス１０３に入力される。トランス１０３は、第１の１次巻線１０３ａ、第２の１次巻線１０３ｂ及び２次巻線１０３ｃを有しており、生成された直流電圧Ｖinが第１の１次巻線１０３ａに入力される。
【０００４】
トランス１０３の第１の１次巻線１０３ａに入力された直流電圧Ｖinは、パワーＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子１０４により制御され、スイッチング素子１０４のスイッチング動作によって、トランス１０３の２次巻線１０３ｃに磁気誘導による起電力が発生する。
【０００５】
２次巻線１０３ｃに発生した起電力による電流は、２次巻線１０３ｃと接続されたダイオード１１０及び出力コンデンサ１１１により整流され且つ平滑化されて、出力電圧Ｖｏの直流電力として負荷１１２に供給される。
【０００６】
トランス１０３の第２の１次巻線１０３ｂにも、第１の１次巻線１０３ａによる直流起電力が発生し、第２の１次巻線１０３ｂから出力される直流電流は、ダイオード１２１及びコンデンサ１２２からなる補助電源部１２０により整流され平滑化されて補助電源電圧Ｖccが生成される。
【０００７】
補助電源電圧Ｖccにより駆動される制御回路１３０は、スイッチング素子１０４のゲートに制御信号を出力する。ここで、補助電源電圧Ｖccは、トランス１０３の２次巻線１０３ｃから負荷１１２に供給される出力電圧Ｖｏと比例しており、該出力電圧Ｖｏを安定させる帰還信号としても用いられる。
【０００８】
制御回路１３０は、スイッチング素子１０４に印加するスイッチング信号を出力する発振器１３１と、補助電源電圧Ｖccと基準電圧との差からなる誤差電圧信号ＶＥＡＯを出力する誤差増幅器１３２と、スイッチング素子１０４を流れるドレイン電流ＩＤを検出して素子電流検出信号ＶＣＬを出力するドレイン電流検出回路１３３と、誤差電圧信号ＶＥＡＯと素子電流検出信号ＶＣＬとを比較し、比較結果を出力する比較器１３４と、比較信号に基づいてスイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路１３５とを有している。
【０００９】
スイッチング信号制御回路１３５は、セット端子に発振器１３１からのクロック信号ＣＬＫを受け、リセット端子に比較器１３４の出力信号を受けるＲＳフリップフロップ回路１３６と、入力端子に発振器１３１からの最大デューティサイクル信号ＭＤＣを受け、他の入力端子にＲＳフリップフロップ回路１３６からの出力信号を受けるＮＡＮＤ回路１３７と、ＮＡＮＤ回路１３７の出力信号を受け、これを反転増幅して、スイッチング素子１０４のゲートに制御信号として出力するゲートドライバ１３８とから構成されている。
【００１０】
以下、前記のように構成された従来のスイッチング電源装置の動作を説明する。
【００１１】
図５において、まず、該装置が起動された直後には、商用電源からの交流電流が整流器１０１に入力されると、入力された交流電流が整流器１０１と入力コンデンサ１０２とにより整流及び平滑化されて、直流電圧Ｖinに変換され、変換された直流電圧Ｖinはトランス１０３の第１の１次巻線１０３ａに印加される。このとき、直流電圧Ｖinは、制御回路１３０に含まれる内部回路電流供給回路１３９を介して電流が供給され、補助電源部１２０のコンデンサ１２２が充電される。
【００１２】
その後、補助電源部１２０において、補助電源電圧Ｖccが制御回路１３０の起動電圧にまで達すると、制御回路１３０が動作を開始する。これにより、スイッチング素子１０４へのスイッチング動作の制御が開始されると共に、起動・停止回路１４０が、内部回路電流供給回路１３９を停止する。
【００１３】
制御回路１３０は、負荷１１２に対する出力電圧Ｖｏが所定の電圧値で安定するように、補助電源電圧Ｖccに基づいてスイッチング素子１０４によるスイッチング動作を制御する。具体的には、負荷１１２に対する出力電圧Ｖｏと補助電源電圧Ｖccとをトランス１０３の第２の１次巻線１０３ｂと２次巻線１０３ｃの巻数比に比例した電圧とすると共に、比較器１３４に、誤差増幅器１３２からの誤差電圧信号ＶＥＡＯと、ドレイン電流検出回路１３３からの素子電流検出信号ＶＣＬとを比較し、両信号ＶＥＡＯ、ＶＣＬが互いに等しくなったときに、ＲＳフリップフロップ回路１３６のリセット端子にハイレベルの出力信号を出力するようにしている。
【００１４】
次に、図６のタイミングチャートに示すように、負荷変動時において、負荷１１２に対する電流供給量が減り、負荷供給電流Ｉｏが低下すると、出力電圧Ｖｏが若干上昇する。これを受けて、帰還側の補助電源部１２０の補助電源電圧Ｖｃｃも上昇し、誤差増幅器１３２からの誤差電圧信号ＶＥＡＯが低下する。
【００１５】
負荷変動時や待機時等の無負荷時及び軽負荷時のように、誤差電圧信号ＶＥＡＯが低下した状態で、誤差電圧信号ＶＥＡＯと素子電流検出信号ＶＣＬとが等しくなると、比較器１３４からＲＳフリップフロップ回路１３６のリセット端子にリセット信号が出力されるため、ＮＡＮＤ回路１３７からは、定常負荷時よりも早いタイミングでスイッチング素子１０４をオフ状態とする信号が出力される。その結果、スイッチング素子１０４は、スイッチング動作時におけるオン状態となる時間が短くなるため、スイッチング素子１０４を流れるドレイン電流ＩＤが減少する。
【００１６】
このように、従来のスイッチング電源装置の制御回路１３０は、負荷１１２に供給される負荷供給電流Ｉｏに応じて、スイッチング素子１０４に流れるドレイン電流ＩＤの大きさを制御することにより、軽負荷時の消費電力を低減することができる電流モード制御方式を採っている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のスイッチング電源装置は、待機時等の軽負荷時にはスイッチング素子１０４に流れるドレイン電流ＩＤが低減されるものの、ドレイン電流ＩＤを完全に０にすることができないため、無負荷時でも、ある程度の電流が流れる。従って、無負荷時においても、スイッチング素子１０４のスイッチング動作によって電流が損失するため、負荷が小さくなる程スイッチング素子１０４における電流損失の割合が大きくなる。その結果、電源の効率が低下して、電源の待機時の省電力化を達成できないという問題がある。
【００１８】
本発明は、前記従来の問題を解決し、その目的は、簡単な構成で、軽負荷時のスイッチング損失を減らして消費電力を削減することにより、スイッチング電源装置における電源効率を確実に向上することができるようにすることにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、スイッチング電源装置を、出力電圧検出回路により検出され且つ制御回路に帰還して生成される出力側の負荷状態を示す帰還電圧に基づいて、スイッチング素子に対するスイッチング信号の出力を停止する構成とする。
【００２０】
具体的に、本発明に係るスイッチング電源装置は、変圧器と、入力端子が変圧器の１次巻線と接続され、変圧器を介して第１の直流電圧を受けるスイッチング素子と、変圧器の２次巻線と接続され、変圧器の２次側の出力電圧を整流し且つ平滑化することにより、第１の直流電圧から第２の直流電圧を生成して出力する出力電圧生成回路と、スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、第２の直流電圧の電圧値を検出して出力する出力電圧検出回路と、出力電圧検出回路の出力信号を制御回路に帰還信号として絶縁状態で帰還する帰還回路と、陽極に１次巻線の出力を受け、陰極にスイッチング素子の出力を受け、制御回路用の電源電圧を生成する制御回路用電源コンデンサと、１次巻線の出力側と制御回路用電源コンデンサの陽極との間に設けられ、電源電圧を所定値に保持する電圧レギュレータとを備え、制御回路は、スイッチング素子に印加するスイッチング信号を生成して出力する発振器と、スイッチング素子を流れる電流を検出し、素子電流検出信号として出力する電流検出回路と、帰還信号から２次側の負荷状態を示す帰還電圧信号に変換して出力する出力負荷検出回路と、帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成して出力する誤差増幅器と、素子電流検出信号と誤差電圧信号とを比較し、比較した比較信号を出力する比較器と、比較信号に基づいてスイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路と、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止し、誤差電圧信号が上限電圧値よりも大きい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング信号の出力を開始する軽負荷検出回路とを有している。
【００２１】
本発明のスイッチング電源装置によると、軽負荷時には消費される電流が減少して装置の出力電圧である第２の直流電圧が上昇すると、２次側出力電圧、すなわち第２の直流電圧の負荷状態を反映する帰還電圧信号の電圧値が高くなる。これにより、帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成する誤差増幅器からの誤差電圧信号の電圧値は低下する。このとき、軽負荷検出回路は、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止するため、スイッチング素子における損失が減り、軽負荷時の消費電力を削減できるので、スイッチング電源装置の電源効率を向上することができる。
【００２２】
その上、１次巻線の出力側と制御回路用電源コンデンサの陽極との間に電圧レギュレータを設けているため、制御回路用電源コンデンサにより生成される制御回路の電源電圧値を所定値に保持できるので、出力負荷検出回路が、２次側の負荷状態を反映した帰還信号から帰還電圧信号を確実に変換できる。
【００２３】
本発明のスイッチング電源装置において、帰還回路がフォトカプラを含むことが好ましい。このようにすると、変圧器により入力側と出力側とが電気的に絶縁されている場合であっても、出力側の負荷状態を入力側に確実に帰還させることができる。
【００２４】
本発明のスイッチング電源装置において、軽負荷検出回路は、下限電圧又は上限電圧の値を可変に設定できる検出電圧可変手段を有していることが好ましい。このようにすると、待機時の負荷電流値を、本装置を組み込むシステムに応じて最適化できるため、組み込むシステムの選択肢を増やすことができる。
【００２５】
本発明のスイッチング電源装置において、スイッチング素子及び前記制御回路が、スイッチング素子の入力端子及び出力端子、並びに前記制御回路における前記制御回路用電源コンデンサの陽極側の入力端子及び前記出力負荷検出回路における前記帰還信号の入力端子が外部接続端子となるように一つの半導体基板上に集積化されて形成されていることが好ましい。このようにすると、スイッチング素子及び制御回路を１チップ化できるため、部品点数を大幅に削減できると共に、スイッチング電源装置のサイズを小型化できる。
【００２６】
本発明に係るスイッチング電源用半導体装置は、変圧器と、入力端子が変圧器の１次巻線と接続され、変圧器を介して第１の直流電圧を受けるスイッチング素子と、変圧器の２次巻線と接続され、変圧器の２次側の出力電圧を整流し且つ平滑化することにより、第１の直流電圧から第２の直流電圧を生成して出力する出力電圧生成回路と、スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、第２の直流電圧の電圧値を検出して出力する出力電圧検出回路と、出力電圧検出回路の出力信号を制御回路に帰還信号として絶縁状態で帰還する帰還回路と、陽極に１次巻線の出力を受け、陰極にスイッチング素子の出力を受け、制御回路用の電源電圧を生成する制御回路用電源コンデンサと、１次巻線の出力側と制御回路用電源コンデンサの陽極との間に設けられ、電源電圧を所定値に保持する電圧レギュレータとを備えたスイッチング電源装置を制御するスイッチング電源用半導体装置を対象とし、スイッチング電源用半導体装置は、スイッチング素子及び制御回路を含み、制御回路は、スイッチング素子に印加するスイッチング信号を生成して出力する発振器と、スイッチング素子を流れる電流を検出し、素子電流検出信号として出力する電流検出回路と、帰還信号から２次側の負荷状態を示す帰還電圧信号に変換して出力する出力負荷検出回路と、帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成して出力する誤差増幅器と、素子電流検出信号と誤差電圧信号とを比較し、比較した比較信号を出力する比較器と、比較信号に基づいてスイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路と、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止し、誤差電圧信号が上限電圧値よりも大きい場合にはスイッチング信号制御回路に対して前記スイッチング信号の出力を開始する軽負荷検出回路とを有している。
【００２７】
本発明のスイッチング電源用半導体装置によると、軽負荷時には消費される電流が減少して装置の出力電圧である第２の直流電圧が上昇すると、２次側出力電圧、すなわち第２の直流電圧の負荷状態を反映する帰還電圧信号の電圧値が高くなる。これにより、帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を生成する誤差増幅器からの誤差電圧信号の電圧値は低下する。このとき、軽負荷検出回路は、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止するため、スイッチング素子における損失が減り、軽負荷時の消費電力を削減できるので、スイッチング電源装置の電源効率を向上することができる。
【００２８】
本発明のスイッチング電源用半導体装置において、軽負荷検出回路が、下限電圧又は上限電圧の値を可変に設定できる検出電圧可変手段を有していることが好ましい。
【００２９】
本発明のスイッチング電源用半導体装置において、スイッチング素子及び制御回路が、スイッチング素子の入力端子及び出力端子、並びに制御回路における制御回路用電源コンデンサの陽極側の入力端子及び出力負荷検出回路における帰還信号の入力端子が外部接続端子となるように一つの半導体基板上に集積化されて形成されていることが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の概略的な回路構成を示している。図１に示すように、本実施形態に係るスイッチング電源装置は、主入力端子１０に印加された、例えば商用電源からの交流電流を整流し平滑化された第１の直流電圧をトランス（変圧器）１３の１次側に印加しながら、スイッチング素子１４のオンオフ動作の繰り返しによるスイッチング動作によって、トランス１３の２次側に設けられた出力電圧生成回路１６により第２の直流電圧である所望の出力電圧Ｖｏを主出力端子１７に出力するスイッチング電源装置である。
【００３２】
以下、スイッチング電源装置を詳細に説明する。
【００３３】
トランス１３は、１次巻線１３ａ及び２次巻線１３ｃを有している。
【００３４】
主入力端子１０には、交流電流を整流するダイオードブリッジ等からなる整流器１１と、整流された信号を平滑化して直流電圧Ｖinを生成する入力コンデンサ１２とがそれぞれ並列に接続されている。生成された直流電圧Ｖinは、トランス１３の１次巻線１３ａに入力された後、例えばＮ型パワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１４のドレイン端子ＴD に入力される。ここで、スイッチング素子１４のソース端子Ｔｓは、入力コンデンサ１２の陰極端子と接続され、そのゲートには、該スイッチング素子１４の動作を制御する制御回路１５から出力される制御信号が入力される。
【００３５】
なお、本スイッチング電源装置は整流器１１を設けない構成であってもよい。その場合は、第１の直流電圧Ｖinをあらかじめ整流してから主入力端子１０に入力すればよい。
【００３６】
トランス１３の２次巻線１３ｃには、出力電圧生成回路１６が接続されている。出力電圧生成回路１６は、１次巻線１３ａに印加され且つスイッチングされた直流電圧Ｖinの磁気誘導により発生した起電力による電流を整流する第１のダイオード１６１と、整流された信号を平滑化する出力コンデンサ１６２とから構成されている。
【００３７】
出力電圧生成回路１６と接続されている主出力端子１７は、そのハイレベル側の端子とローレベル側の端子との間に負荷１８が接続され、該負荷１８には負荷供給電流Ｉｏが流れる。
【００３８】
また、トランス１３の２次巻線１３ｃと並列に接続され、第２の直流電圧である出力電圧Ｖｏを検出する出力電圧検出回路５１と、検出した信号を１次側の制御回路１５に帰還信号として絶縁状態で帰還可能な帰還回路としてのフォトカプラとを備えている。
【００３９】
フォトカプラは、２次側の出力電圧検出回路５１と接続された発光ダイオード部５２ａと、１次側の制御回路１５の帰還信号入力端子ＴFBとソース端子Ｔｓとの間に接続された受光トランジスタ部５２ｂとから構成されている。なお、出力電圧検出回路５１は、例えば、シャントレギュレータと抵抗器との直列体とを含むような構成とすればよい。
【００４０】
本実施形態においては、破線２０で囲まれる領域、すなわちスイッチング素子１４と制御回路１５とを含み、スイッチング素子１４のドレイン端子ＴD 及びソース端子Ｔｓ、並びに制御回路用コンデンサ１９の陽極と接続され、制御回路１５の基準電圧が印加される基準電圧端子ＴREF 及び帰還信号入力端子ＴFBの４端子により外部との入出力が可能となる。ここでは、この４端子ＴD 、Ｔｓ、ＴREF 及びＴFBを含む領域を基板上形成領域２０と呼び、該基板上形成領域２０が１つの半導体チップ上に形成可能であることを表わしている。なお、基板上形成領域２０は、必ずしも１チップ化される必要はなく、複数の半導体基板に分割されていてもよい。この場合も、前述の４端子ＴD 、Ｔｓ、ＴREF 及びＴFBを外部接続端子に持つ１つのパッケージに収容されることが好ましい。
【００４１】
制御回路１５は、スイッチング素子１４に印加する、発振周波数が例えば１００ｋＨｚ程度のスイッチング信号を生成して出力する発振器２１と、共有ソースが基準電圧端子ＴREF と接続され、一方のドレイン及び共有ゲートが帰還信号入力端子ＴREF と接続され、他方のドレインが抵抗を介してソース端子Ｔｓと接続された第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３１及び第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３２からなり、帰還信号から２次側の負荷状態を示す帰還電圧信号ＶＦＢＯに変換して出力する出力負荷検出回路５３と、帰還電圧信号ＶＦＢＯを逆相端子に抵抗を介して受け、正相端子に印加される基準電圧との差からなる誤差電圧信号ＶＥＡＯを生成して出力する誤差増幅器２２とを有している。さらに、スイッチング素子１４を流れるドレイン電流ＩＤを検出し、検出したドレイン電流ＩＤを電圧に変換し、素子電流検出信号ＶＣＬとして出力するドレイン電流検出回路２３と、誤差電圧信号ＶＥＡＯと素子電流検出信号ＶＣＬとを比較し、比較した比較信号を出力するドレイン電流検出用比較器２４と、比較信号に基づいてスイッチング信号の出力を制御するスイッチング信号制御回路２５と、誤差電圧信号ＶＥＡＯが下限電圧値よりも小さい場合にはスイッチング信号制御回路２５に対してスイッチング素子１４へのスイッチング信号の出力を停止し、誤差電圧信号ＶＥＡＯが上限電圧値よりも大きい場合にはスイッチング信号制御回路２５に対してスイッチング信号の出力を開始する軽負荷検出回路４０とを有している。
【００４２】
さらに、制御回路１５は、スイッチング素子１４のドレイン端子ＴD と制御回路１５の基準電圧端子ＴREF との間に接続され、該基準電圧端子ＴREF に対して所定の基準電圧値を保持する電圧レギュレータ２９と、基準電圧端子ＴREF と接続され、制御回路１５の起動又は停止時にスイッチング信号制御回路２５にハイレベルのイネーブル信号又はローレベルのディセーブル信号を送出する起動・停止回路３０とを有している。
【００４３】
スイッチング信号制御回路２５は、セット端子Ｓに軽負荷検出回路４０の出力信号を受け、リセット端子Ｒにドレイン電流検出用比較器２４の出力信号を受けるＲＳフリップフロップ回路２６と、第１の入力端子に起動・停止回路３０の出力信号を受け、第２の入力端子に発振器２１からの最大デューティサイクル信号ＭＤＣを受け、第３の入力端子にＲＳフリップフロップ回路２６からの出力信号を受けるＮＡＮＤ回路２７と、ＮＡＮＤ回路２７の出力信号を受け、受けた出力信号を反転増幅した制御信号をスイッチング素子１４のゲートに出力するインバータからなるゲートドライバ２８とから構成されている。
【００４４】
軽負荷検出回路４０は、基準電圧源４１と、正相入力端子に誤差増幅器２２からの誤差電圧信号ＶＥＡＯを受け、逆相入力端子に基準電圧源４１からの基準電圧ＶＲを受ける軽負荷検出用比較器４２と、一方の入力端子に軽負荷検出用比較器４２の出力信号を受け、他方の入力端子に発振器２１からのクロック信号ＣＬＫを受けるＡＮＤ回路４３とから構成されている。基準電圧源４１は、軽負荷検出用比較器４２の出力を受けて、基準電圧ＶＲの値が変更可能となるように構成されている。
【００４５】
軽負荷検出用比較器４２は、入力される誤差電圧信号ＶＥＡＯと基準電圧ＶＲとを比較して、誤差電圧信号ＶＥＡＯが基準電圧ＶＲよりも大きい場合に、ＡＮＤ回路４３に対してハイレベルの信号を出力する。逆に、誤差電圧信号ＶＥＡＯが基準電圧ＶＲよりも小さい場合には、ＡＮＤ回路４３に対してローレベルの信号を出力するため、ＲＳフリップフロップ回路２６の出力信号がローレベルとなるので、ゲートドライバ２８からの制御信号の出力を停止させることができる。
【００４６】
また、誤差増幅器２２の出力側には、誤差電圧信号ＶＥＡＯの最大値をクランプするＰＮＰ型バイポーラトランジスタからなる過電流保護回路３１が設けられており、誤差電圧信号ＶＥＡＯがクランプ値を超える場合には、スイッチング素子１４のソース端子Ｔｓへ過電流を短絡させることにより、該スイッチング素子１４が保護されるようにしている。
【００４７】
また、本実施形態に係るスイッチング電源装置は、直流電圧Ｖin及び出力電圧Ｖｏの電圧値に制限はない。その上、１パッケージ化さらには１チップ化によってスイッチング電源装置の部品点数を大幅に削減できるため、スイッチング電源装置のサイズをも小さくでき、より小型化及び低価格化を実現できる。
【００４８】
また、スイッチング素子１４にＮ型ＭＯＳＦＥＴを用いたが、代わりにＮＰＮ型バイポーラトランジスタを用いてもよい。
【００４９】
以下、前記のように構成されたスイッチング電源装置の動作について説明する。
【００５０】
まず、本実施形態に係るスイッチング電源装置の起動について説明する。主入力端子１０に交流電源が入力されると、整流及び平滑化されて直流電圧Ｖinとなり、トランス１３の１次巻線１３ａと電圧レギュレータ２９とを介して制御回路用電源コンデンサ１９が充電される。その後、基準電圧端子ＴREF の基準電圧値が起動電圧にまで達すると、制御回路１５が動作し、スイッチング素子１４のオンオフ制御が開始される。
【００５１】
次に、本実施形態に係るスイッチング電源装置の負荷変動時の動作について図２を用いて説明する。
【００５２】
図２は本実施形態のスイッチング電源装置の出力負荷状態の変化に対する動作を表わしている。
【００５３】
図２に示すように、定格負荷（定常負荷）時においては、基準電圧源４１の基準電圧ＶＲの値は下限電圧値ＶＲ１に設定されている。
【００５４】
その後、例えば、負荷供給電流Ｉｏが減少するような軽負荷となる負荷変動が生じると、負荷１８に対する電力供給が過剰となって、出力電圧Ｖｏの電圧値は若干上昇する。この出力電圧Ｖｏの上昇が、出力電圧検出回路５１により検出され、この検出信号はフォトカプラの発光ダイオード部５２ａ及び受光トランジスタ部５２ｂを介して制御回路１５の帰還信号入力端子ＴFBに伝達される。これにより、受光トランジスタ部５２ｂに流れる帰還信号電流が増加するに連れて、第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３１のドレイン及びゲートの電位が低下して、第１及び第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３１、５３２が低インピーダンス状態となる。その結果、基準電圧端子ＴREF の電位は電圧レギュレータ２９を介して所定値に保持されているため、第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴ５３２の出力信号である帰還電圧信号ＶＦＢＯの電圧値が上昇する。さらに、帰還電圧信号ＶＦＢＯの上昇に伴って、誤差増幅器２２から出力される誤差電圧信号ＶＥＡＯの電圧値が低下するため、ドレイン電流検出回路２３からの素子電流検出信号ＶＣＬの電圧値が低くても、ドレイン電流検出用比較器２４からハイレベルの信号が出力される。その結果、ＲＳフリップフロップ回路２６からリセット信号が出力されるタイミングが早くなって、素子電流検出信号ＶＣＬの電圧値が徐々に低下する。
【００５５】
このように、誤差増幅器２２からの誤差電圧信号ＶＥＡＯの電圧値が軽負荷検出の下限電圧値ＶＲ１と等しくなるまでの負荷変動時においては、スイッチング素子１４のスイッチング動作が停止することはなく、該スイッチング素子１４に流れるドレイン電流ＩＤの最大値は線形的に低下する。その結果、負荷変動時におけるスイッチング素子１４の消費電流は、負荷の大きさに合わせて徐々に抑制される。これが、いわゆる電流モードのＰＭＷ制御方式の特徴である。
【００５６】
次に、誤差電圧信号ＶＥＡＯの値が下限電圧値ＶＲ１とほぼ等しくなる軽負荷時には、軽負荷検出回路４０の軽負荷検出用比較器４２は、ＡＮＤ回路４３に対してローレベルの信号を出力するため、スイッチング信号制御回路２５のゲートドライバ２８がローレベルの制御信号のみを出力して、スイッチング素子１４のスイッチング動作が停止する。これとほぼ同時に、軽負荷検出用比較器４２のローレベルの出力信号を受けて基準電圧源４１の出力電圧ＶＲは、下限電圧値ＶＲ１から上限電圧値ＶＲ２に変更される。
【００５７】
次に、待機時のような軽負荷又は無負荷状態となると、スイッチング素子１４に対するスイッチング制御が停止してスイッチング素子１４がオフ状態となり、スイッチング素子１４にドレイン電流ＩＤが流れなくなる。これにより、トランス１３の１次巻線１３ａを介した２次巻線１３ｃへの電力供給が行われなくなるため、負荷１８への電力供給は出力コンデンサ１６２からのみ行なわれるようになるので、出力電圧Ｖｏは徐々に低下する。出力電圧Ｖｏが低下すると、出力電圧検出回路５１が検出してフォトカプラにより１次側に帰還される帰還信号の電流量が減少するため、出力負荷検出回路５３から出力される帰還電圧信号ＶＦＢＯは徐々に低下する。このとき、図３に示すように、基準電圧源４１の出力電圧ＶＲを下限電圧ＶＲ１よりも高い上限電圧ＶＲ２に設定しているため、スイッチング素子１４によるスイッチング動作が直ちに再開されることがない。
【００５８】
さらに、出力電圧Ｖｏが低下して、逆に誤差電圧信号ＶＥＡＯが上限電圧値ＶＲ２を越えると、軽負荷検出用比較器４２からの出力信号が再びハイレベルとなるため、これを受けるＡＮＤ回路４３はハイレベルの出力信号を出力できるようになるので、スイッチング素子１４のスイッチング動作が再開される。これとほぼ同時に、軽負荷検出用比較器４２のハイレベルの出力信号を受けて基準電圧源４１の出力電圧ＶＲは、上限電圧値ＶＲ２から下限電圧値ＶＲ１に再設定される。
【００５９】
スイッチング素子１４によるスイッチング動作が再開されると、スイッチング素子１４に流れるドレイン電流ＩＤは、軽負荷検出時の電流値よりも大きくなっているため、負荷１８への電力供給が過剰となって、再び出力電圧Ｖｏが上昇し、出力負荷検出回路５３からの帰還電圧信号ＶＦＢＯが低下する。従って、前述したように、誤差電圧信号ＶＥＡＯが下限電圧値ＶＲ１よりも小さくなると、スイッチング素子１４に対するスイッチング信号の出力を再度停止する。
【００６０】
このように、基準電圧源４１から出力される基準電圧ＶＲが軽負荷状態を検出することによりスイッチング動作を停止し、さらに、基準電圧ＶＲを下限電圧値ＶＲ１から上限電圧値ＶＲ２へと変更することにより、誤差電圧信号ＶＥＡＯが上昇しても、直ちにスイッチング動作が開始されることがないように基準電圧ＶＲにヒステリシス特性を与えている。これにより、軽負荷又は無負荷を検出している間は、スイッチング素子１４に対するスイッチング制御は、スイッチング動作の停止と再開とが繰り返される間欠発振状態となる。
【００６１】
なお、出力電圧Ｖｏは、間欠発振状態のスイッチング停止期間中に低下するが、この低下の度合いは負荷供給電流Ｉｏに依存する。すなわち、負荷供給電流Ｉｏが小さくなる程、出力電圧Ｖｏの低下が緩やかになる。
【００６２】
また、間欠発振状態におけるスイッチング停止期間は、負荷供給電流Ｉｏが小さくなる程長くなる。すなわち、軽負荷になる程スイッチング素子１４のスイッチング動作が減少することになる。
【００６３】
また、図１に示した軽負荷検出回路４０及び出力負荷検出回路５３の回路構成は、これらに限定されるものではなく、同等の機能を有する回路構成であれば良い。
【００６４】
（実施形態の一変形例）
以下、本実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。
【００６５】
図４は実施形態の一変形例に係るスイッチング電源装置の概略的な回路構成を示している。図４において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００６６】
図４に示すように、本変形例に係るスイッチング電源装置は、一端が基板上形成領域２０の端部に設けられた軽負荷検出電圧調整用端子ＴR を介して、軽負荷検出用比較器４２の逆相入力端子と接続され、他端が主入力端子１０のローレベル側と接続された検出電圧可変手段としての軽負荷検出電圧調整用抵抗器５５を有している。
【００６７】
このように、軽負荷検出電圧調整用抵抗器５５を設けて、軽負荷検出の基準電圧ＶＲの下限電圧値ＶＲ１及び上限電圧値ＶＲ２を適当に調整することができるようになるため、待機時における必要な負荷と併せて、スイッチング素子１４のスイッチング動作が停止又は再開する際の負荷供給電流Ｉｏを最適化することができる。従って、スイッチング素子１４及び制御回路１５が１チップ化されている場合であっても、軽負荷検出回路４０の下限電圧値ＶＲ１又は上限電圧値ＶＲ２を電源装置の用途に応じて変更できるようになる。
【００６８】
なお、本変形例においては、軽負荷検出電圧調整用抵抗器５５を基板上形成領域２０の外部に設けているが、必ずしもこれに限られず、所望の抵抗値を決定した後に、基板上形成領域２０に組み込むようにしても良い。この場合の抵抗値の調整は、トリミング技術、例えば、レーザトリミング法により行なえる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係るスイッチング電源装置によると、出力側から帰還されて生成される帰還電圧信号と基準電圧との差からなる誤差電圧信号を出力する誤差増幅器と、誤差電圧信号が下限電圧値よりも小さい場合にスイッチング信号制御回路に対してスイッチング素子へのスイッチング信号の出力を停止する軽負荷検出回路とを有しているため、スイッチング素子における損失が減り、軽負荷時の消費電力を削減できるので、スイッチング電源用半導体装置の電源効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置を示す概略的な回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置における軽負荷検出用比較器に与える基準電圧を示すタイミングチャート図である。
【図４】本発明の実施形態の一変形例に係るスイッチング電源装置を示す概略的な回路図である。
【図５】従来のスイッチング電源装置を示す概略的な回路図である。
【図６】従来のスイッチング電源装置の動作を示すタイミングチャート図である。
【符号の説明】
１０    主入力端子
１１    整流器
１２    入力コンデンサ
１３    トランス（変圧器）
１３ａ  １次巻線
１３ｃ  ２次巻線
１４    スイッチング素子
１５    制御回路
１６    出力電圧生成回路
１６１  第１のダイオード
１６２  出力コンデンサ
１７    主出力端子
１８    負荷
１９    制御回路用電源コンデンサ
２０    基板上形成領域
２１    発振器
２２    誤差増幅器
２３    電流検出回路
２４    ドレイン電流検出用比較器
２５    スイッチング信号制御回路
２６    ＲＳフリップフロップ回路
２７    ＮＡＮＤ回路
２８    ゲートドライバ
２９    電圧レギュレータ
３０    起動・停止回路
３１    過電流保護回路
４０    軽負荷検出回路
４１    基準電圧源
４２    軽負荷検出用比較器
４３    ＡＮＤ回路
５１    出力電圧検出回路
５２ａ  発光ダイオード部（帰還回路）
５２ｂ  受光トランジスタ部（帰還回路）
５３    出力負荷検出回路
５３１  第１のＰ型ＭＯＳＦＥＴ
５３２  第２のＰ型ＭＯＳＦＥＴ
５５    軽負荷検出電圧調整用抵抗器（検出電圧可変手段）
Ｔs     ソース端子
ＴD     ドレイン端子
ＴREF   基準電圧端子
ＴBF    帰還信号入力端子
ＴR     軽負荷検出電圧調整用端子
【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】
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