(57)【要約】【課題】電力伝達用のトランスを用いて、信号伝達もすることができる絶縁型スイッチング電源装置を実現する。【解決手段】トランスにより１次巻線側と２次巻線側とが絶縁された絶縁型スイッチング電源装置に関する。１次巻線側から２次巻線側へ伝達する信号を出力する信号出力手段と、信号出力手段から出力された信号に応じてスイッチング素子をオンオフ動作させる制御パルスの周波数を変化させるスイッチング制御手段と、トランスの２次巻線に誘起するパルス電圧から信号出力手段で出力した信号を抽出する信号抽出手段とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスにより１次巻線側と２次巻線側とが絶縁され、前記トランスの１次巻線に印加される電圧をスイッチング素子でオンオフ動作させることにより、前記トランスの２次巻線から整流平滑回路を介して直流電圧の出力を取り出す絶縁型スイッチング電源装置において、
１次巻線側から２次巻線側へ伝達する信号を出力する信号出力手段と、
該信号出力手段から出力された信号に応じて前記スイッチング素子をオンオフ動作させる制御パルスの周波数を変化させるスイッチング制御手段と、
前記トランスの２次巻線に誘起するパルス電圧から前記信号出力手段で出力した信号を抽出する信号抽出手段と、
を有することを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。
【請求項２】
前記信号出力手段は、ｎ進数のデータを出力し、前記スイッチング制御手段は、ｎ進数のそれぞれの値に対応した周波数の制御パルスを生成して出力することを特徴とする請求項１記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【請求項３】
前記信号出力手段は、データの属性を示す命令を出力し、前記スイッチング制御手段は、命令ごとに定められた周波数の制御パルスを生成して出力することを特徴とする請求項１又は２記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【請求項４】
前記信号出力手段は、アナログ値を出力し、前記スイッチング制御手段は、アナログ値のレベルに応じて定められた周波数の制御パルスを生成して出力することを特徴とする請求項１記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【請求項５】
前記スイッチング制御手段は、前記信号出力手段からの信号がない場合には、所定の周波数の制御パルスを出力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【請求項６】
前記スイッチング制御手段は、負荷に供給する出力電圧に応じて制御パルスのデューティ比を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の絶縁型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、トランスにより１次巻線側と２次巻線側とが絶縁された絶縁型スイッチング電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０は従来の絶縁型スイッチング電源装置における電力伝達及び信号伝達の説明図であり、図１１は従来の絶縁型スイッチング電源装置の動作を説明するための波形図である。
絶縁型スイッチング電源装置の一例としてプッシュプルコンバータについて説明する。プッシュプルコンバータの１次側と２次側とは、トランスＴＲ１により絶縁されている。
【０００３】
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２をスイッチングさせることにより、トランスの１次巻線Ｎｐ１，Ｎｐ２に印加される電圧を制御し、トランスの２次巻線Ｎｓから整流平滑回路Ｕ２１を介して直流電圧の出力Ｖｏを取り出す。
【０００４】
発振器Ｕ１１からは図１１のようにデューティ比一定のパルス信号ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２が出力されており、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２はパルス信号ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２に従いそれぞれオン／オフ動作を行う。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、例えば、トランジスタ、ＦＥＴ等で構成される。
【０００５】
スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２とはそれぞれ逆の動作となり、スイッチング素子ＳＷ１がオンの場合スイッチング素子ＳＷ２はオフ、スイッチング素子ＳＷ１がオフの場合スイッチング素子ＳＷ２はオンとなる。
２次巻線Ｎｓには、スイッチング素子ＳＷ１がオンのときＶｉ×Ｎｓ／Ｎｐ１の電圧が正側に発生し、スイッチング素子ＳＷ２がオンのときＶｉ×Ｎｓ／Ｎｐ２の電圧が負側に発生し、整流平滑回路Ｕ２１で整流平滑されて直流電圧の出力Ｖｏを出力する。
【０００６】
１次側から２次側への信号伝達は、フォトカプラＰＣ１を介して行われている。論理信号生成器Ｕ１２からの信号は、フォトカプラＰＣ１内でＬＥＤにより電気信号から光信号へ変えられ、受光素子で光信号を電気信号に戻すことで電気的に絶縁している。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１５３５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
絶縁型スイッチング電源装置において、１次側の信号を２次側に伝達するためには、信号伝達用にフォトカプラ等の絶縁素子を使用しなければならず、信号のデータ量等に応じて絶縁素子の数も増やす必要があった。
【０００９】
また、これら信号伝達用の部品は、絶縁部分に配置する必要があり、プリント基板上の実装密度を均一にできないという問題点があった。
【００１０】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、電力伝達用のトランスを用いて、信号伝達もすることができる絶縁型スイッチング電源装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を達成するために、本発明は次のとおりの構成になっている。
（１）トランスにより１次巻線側と２次巻線側とが絶縁され、前記トランスの１次巻線に印加される電圧をスイッチング素子でオンオフ動作させることにより、前記トランスの２次巻線から整流平滑回路を介して直流電圧の出力を取り出す絶縁型スイッチング電源装置において、
１次巻線側から２次巻線側へ伝達する信号を出力する信号出力手段と、
該信号出力手段から出力された信号に応じて前記スイッチング素子をオンオフ動作させる制御パルスの周波数を変化させるスイッチング制御手段と、
前記トランスの２次巻線に誘起するパルス電圧から前記信号出力手段で出力した信号を抽出する信号抽出手段と、
を有することを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。
【００１２】
（２）前記信号出力手段は、ｎ進数のデータを出力し、前記スイッチング制御手段は、ｎ進数のそれぞれの値に対応した周波数の制御パルスを生成して出力することを特徴とする（１）記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【００１３】
（３）前記信号出力手段は、データの属性を示す命令を出力し、前記スイッチング制御手段は、命令ごとに定められた周波数の制御パルスを生成して出力することを特徴とする（１）又は（２）記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【００１４】
（４）前記信号出力手段は、アナログ値を出力し、前記スイッチング制御手段は、アナログ値のレベルに応じて定められた周波数の制御パルスを生成して出力することを特徴とする（１）記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【００１５】
（５）前記スイッチング制御手段は、前記信号出力手段からの信号がない場合には、所定の周波数の制御パルスを出力することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【００１６】
（６）前記スイッチング制御手段は、負荷に供給する出力電圧に応じて制御パルスのデューティ比を調整することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば次のような効果がある。
トランスにより電力伝達に加え、信号伝達を行うことができるようになり、絶縁部分の部品を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図であり、図２は図１の信号伝達を説明するための波形図である。前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
絶縁型スイッチング電源装置の一例としてプッシュプルコンバータについて説明する。
プッシュプルコンバータの１次側と２次側とは、トランスＴＲ１により絶縁されている。
【００１９】
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２をスイッチングさせることにより、トランスの１次巻線Ｎｐ１，Ｎｐ２に印加される電圧を制御し、トランスの２次巻線Ｎｓから整流平滑回路Ｕ２１を介して直流電圧の出力Ｖｏを取り出す。
【００２０】
スイッチング制御手段Ｕ３１は、信号出力手段Ｕ３２からの「０」，「１」の論理信号を受け、論理信号をパルス信号に変換する。
図２に示すように、スイッチング制御手段Ｕ３１は、信号出力手段Ｕ３２からの論理信号が「０」の場合に周波数Ｆ０のパルスを生成し、論理信号が「１」の場合に周波数Ｆ１のパルスを生成して、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２に対してパルス信号ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２を出力する。
【００２１】
トランスの２次巻線Ｎｓにはパルス信号ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２と同期したパルス電圧が発生する。信号抽出手段Ｕ２２は、トランスの２次巻線Ｎｓに発生したパルス電圧ＶＮｓを受け、パルス電圧ＶＮｓを論理信号に変換する。信号抽出手段Ｕ２２は、パルス電圧ＶＮｓの周波数がＦ０であれば論理信号「０」、パルス電圧ＶＮｓの周波数がＦ１であれば論理信号「１」であるとして信号を抽出する。
【００２２】
図３は本発明の絶縁型スイッチング電源装置における電圧制御例を示す構成図であり、図４は図３の電圧制御を説明するための波形図である。
絶縁型スイッチング電源装置の２次側に配置された誤差増幅器Ｕ２３により、出力電圧Ｖｏと基準電圧Ｖｒとの差分を検出し、差分信号を絶縁素子Ｕ２４を介して１次側へフィードバックする。スイッチング制御手段Ｕ３１のパルス幅変調（ＰＷＭ）回路により、出力電圧Ｖｏは基準電圧Ｖｒと一致するように制御され、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉや負荷に依存しない安定した電圧となる。
【００２３】
図４に示すように、スイッチング制御手段Ｕ３１のＰＷＭ回路は、周波数Ｆ０，Ｆ１は一定とし、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の短絡時間（ｔｏｎ）となるオンデューティを制御する。出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒより小さい場合はｔｏｎが長くなるように制御し、出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｖｒより大きい場合はｔｏｎが短くなるように制御する。
【００２４】
このように、スイッチング制御手段Ｕ３１によりスイッチング素子へ供給するパルス信号の周波数及びオンデューティを制御することにより、１つの絶縁トランスＴＲ１で電力の伝達と情報の伝達をすることができるようになり、情報の伝達のために特別に絶縁素子を設ける必要がなくなる。
【００２５】
図５は本発明の他の信号伝達例を示す波形図である。
整流平滑回路Ｕ２１を介して出力電圧Ｖｏを出力し続けるためには、信号出力手段Ｕ３２から信号がない場合にもスイッチング制御手段Ｕ３１は何らかのパルスを出力する必要がある。このため、信号出力手段Ｕ３２から論理信号「０」，「１」が出力されない場合に、スイッチング制御手段Ｕ３１が周波数Ｆ０，Ｆ１以外の周波数Ｆ２のパルス信号を生成し出力するようにしたものである。
【００２６】
これにより、信号出力手段Ｕ３２から論理信号がない場合であっても、電源装置を正常に制御することができる。また、信号抽出手段Ｕ２２で検出した周波数がＦ２であれば論理信号がないと認識することができ、論理信号「０」，「１」の信号列の先頭と最終を明確にすることができる。
【００２７】
図６は本発明の他の信号伝達例を示す波形図である。
信号出力手段Ｕ３２がプロセッサ等であり、データとその属性を示す命令等を生成し出力する場合について説明する。
スイッチング制御手段Ｕ３１は、データが「０」の場合に周波数Ｆ０のパルスを生成し、データが「１」の場合に周波数Ｆ１のパルスを生成し、命令をＦ０，Ｆ１以外の周波数のパルスに変換して、データと命令をパルス信号ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２としてスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２に対して出力する。
【００２８】
図６では、スイッチング制御手段Ｕ３１が信号出力手段Ｕ３２から受信した命令がリード命令のときに周波数Ｆ２のパルスを生成し、ライト命令のときに周波数Ｆ３のパルスを生成する。
トランスの２次巻線Ｎｓの電圧ＶＮｓには、ライト命令を示す周波数Ｆ３のパルスの後に、ライトすべき場所を示すアドレスデータとライトすべきデータの周波数Ｆ０，Ｆ１によるパルス列が続き、リード命令を示す周波数Ｆ２のパルスの後に、リードすべき場所を示すアドレスデータの周波数Ｆ０，Ｆ１によるパルス列が続いている。
【００２９】
信号抽出手段Ｕ２２で２次巻線Ｎｓに発生した電圧ＶＮｓのパルスの周波数を検出することにより、電力伝達用のトランスを用いてデータと命令を伝達することができる。
【００３０】
図７は本発明の他の信号伝達例を示す波形図である。
信号出力手段Ｕ３２がプロセッサ等であり、ｎ進数のデータを生成し出力する場合について説明する。
スイッチング制御手段Ｕ３１は、ｎ進数のデータの０からｎに対応して、それぞれを周波数Ｆ０からＦｎのｎ個の周波数のパルスに変換して、ｎ進数のデータをパルス信号ＰＯＵＴ１，ＰＯＵＴ２としてスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２に対して出力する。
【００３１】
図７では、０から７のデータに対してＦ０からＦ７の周波数のパルスを割り当てている。
このようにすることで、ｎ進数のデータを２進数に変換せず、そのまま伝達することが可能となり、複雑な処理がなくなり伝送効率を上げることができる。
【００３２】
また、信号出力手段Ｕ３２がアナログ値を出力するものであってもよく、この場合、スイッチング制御手段Ｕ３１は、アナログ値のレベルに応じて定められた周波数の制御パルスを生成して出力する。
【００３３】
図８は本発明の絶縁型スイッチング電源装置を並列接続した実施例を示す図である。
本発明の絶縁型スイッチング電源装置の出力を突き合わせダイオードを介して並列接続している。突き合わせダイオードにより、各電源装置への出力電流の回り込みを防止している。
【００３４】
本発明の電源装置を並列接続することにより、パラレル伝送として複数ビットの信号伝達をすることができる。また、電源装置ごとに伝達する信号を決め、役割ごとに伝送することもできる。
また、各電源装置で同じ信号を伝達し、２次側で受信した信号を比較することにより、伝達されてきた信号の正当性を判断することもできる。
【００３５】
図９は本発明の他の電源方式例を示す構成図である。
絶縁型スイッチング電源装置としてハーフブリッジ方式とした場合の回路例を示している。スイッチング周波数を制御して信号伝達をしているので、この他にも、フルブリッジ方式、フォワード方式、フライバック方式等、他の方式のコンバータへも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】図１の信号伝達を説明するための波形図である。
【図３】本発明の絶縁型スイッチング電源装置における電圧制御例を示す構成図である。
【図４】図３の電圧制御を説明するための波形図である。
【図５】本発明の他の信号伝達例を示す波形図である。
【図６】本発明の他の信号伝達例を示す波形図である。
【図７】本発明の他の信号伝達例を示す波形図である。
【図８】本発明の絶縁型スイッチング電源装置を並列接続した実施例を示す図である。
【図９】本発明の他の電源方式例を示す構成図である。
【図１０】従来の絶縁型スイッチング電源装置における電力伝達及び信号伝達の説明図である。
【図１１】従来の絶縁型スイッチング電源装置の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｎｐ１，Ｎｐ２  １次巻線
Ｎｓ  ２次巻線
ＳＷ１，ＳＷ２  スイッチング素子
ＴＲ１，ＴＲ２  トランス
Ｕ２１  整流平滑回路
Ｕ２２  信号抽出手段
Ｕ３１  スイッチング制御手段
Ｕ３２  信号出力手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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