JP3654282B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力電圧が与えられ出力電圧を誘起し負荷装置へ電力を供給する磁性素子と、前記磁性素子に接続するスイッチング手段と、前記スイッチング手段をオンオフするオンオフ制御手段とを備えるスイッチング電源装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5に従来のスイッチング電源装置の一例である電流制御方式のフライバックコンバータの構成図を示す。
同図において、入力電源Vinと、磁性素子であるトランスT1の1次巻線N1と、スイッチング手段Q1と、電流検出の抵抗R1と、は直列に接続する。
【0003】
トランスT1の2次巻線N2は、ダイオードD1に接続し、さらにコンデンサC1に接続し、出力電圧Voとなり、さらにまた負荷装置(図示せず)に接続する。
トランスT1の補助巻線N3は、ダイオードD2に接続し、さらにコンデンサC2に接続し、電源Vccとなり、さらにまたオンオフ制御手段10等に接続する。
【0004】
出力電圧Voは、抵抗R2を介してフォトカプラOC1に接続すると共に、抵抗R3を介して誤差増幅器U2に接続する。また、誤差増幅器U2には、基準電圧Vref、コンデンサC3及びフォトカプラOC1を接続する。
【0005】
オンオフ制御手段10は、電圧帰還信号VFBを介してフォトカプラOC1に接続し、電流検出信号CSを介してフィルタFに接続し、駆動信号OUTを介してスイッチング手段Q1に接続し、電源Vccを介してコンデンサC2に接続する。
【0006】
オンオフ制御手段10の内部回路を詳しく説明する。電圧帰還信号VFBは、電流源U13でプルアップし、ダイオードD10を介して抵抗R11及び抵抗R10で分圧した後コンパレータU11の負入力に接続する。さらに、ツェナーダイオードD11をコンパレータU11の負入力に接続する。また、電流検出信号CSは、コンパレータU11の正入力に接続する。また、発振器U10の出力はフリップフロップU12のセットの入力に接続し、コンパレータU11出力は、フリップフロップU12のリセットの入力に接続し、フリップフロップU12の出力は駆動信号OUTに接続する。
【0007】
次に、それぞれの部分の動作を説明する。オンオフ制御手段10は、駆動信号OUTによりスイッチング手段Q1をオンオフし、トランスT1の1次巻線N1に入力電圧Vinを与える。トランスT1の2次巻線N2に誘起する電圧は、ダイオードD1で整流され、コンデンサC1で平滑され、出力電圧Voとなり、負荷装置(図示せず)の電圧となる。負荷電流Ioは、負荷装置(図示せず)へ電力を供給する。トランスT1の補助巻線N3に誘起する電圧は、ダイオードD2で整流され、コンデンサC2で平滑され、電源Vccとなり、オンオフ制御手段10等へ電力を供給する。
【0008】
出力電圧Voと電源Vccとは相関があり、出力電圧Voが上昇すれば電源Vccも上昇し、出力電圧Voが低下すれば電源Vccも低下する。
【0009】
また、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が増加すると、出力電圧Vo及び電源Vccは上昇し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が減少すると、出力電圧Vo及び電源Vccは低下する。
【0010】
誤差増幅器U2は、出力電圧Voと基準電圧Vrefとの差を増幅し、フォトカプラOC1を介して、オンオフ制御手段10へ、電圧帰還信号VFBとしてフィードバックする。コンデンサC3と抵抗R3とは、フィードバックの周波数応答特性を変化させる。抵抗R2は、フィードバックのゲインを変化させる。
【0011】
電流検出の抵抗R1には、スイッチング手段Q1の電流に比例した電圧が発生する。この電圧は、フィルタFを介してオンオフ制御手段10の電流検出信号CSとなる。
【0012】
コンパレータU11は、電圧帰還信号VFBに基づく負入力と、電流検出信号CSに基づく正入力とが等しくなったときに、フリップフロップU12をリセットし、駆動信号OUTをLowにし、スイッチング手段Q1をオフにする。
【0013】
発振器U10は一定の動作周波数fsで動作し、一定期間ごとにフリップフロップU12をセットする。フリップフロップU12がセットされると、駆動信号OUTはHighとなり、スイッチング手段Q1はオンとなる。
【0014】
スイッチング手段Q1がオンとなると、スイッチング手段Q1の電流は直線的に増加し、抵抗R1に発生する電圧は直線的に増加し、電流検出信号CSは直線的に増加し、コンパレータU11の正入力は直線的に増加し、その値がコンパレータU11の負入力の値に達すると、コンパレータU11は、フリップフロップU12リセットし、駆動信号OUTをLowにし、スイッチング手段Q1はオフにする。
【0015】
このような、図5の従来例の定常のときにおける全体の動作を説明する。
出力電圧Voが基準電圧Vrefよりも低いとき、誤差増幅器U2の出力は増加し、フォトカプラOC1のフォトダイオードの電流は減少し、フォトカプラOC1のフォトトランジスタの電流は減少し、電圧帰還信号VFBは増加し、コンパレータU11の負入力は増加し、コンパレータU11の正入力がコンパレータU11の負入力の値に達するまでの時間は増加し、スイッチング手段Q1のオンの期間は増加し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)は増加し、出力電圧Voは増加する。
【0016】
出力電圧Voが基準電圧Vrefよりも高いとき、誤差増幅器U2の出力は減少し、フォトカプラOC1のフォトダイオードの電流は増加し、フォトカプラOC1のフォトトランジスタの電流は増加し、電圧帰還信号VFBは減少し、コンパレータU11の負入力は減少し、コンパレータU11の正入力がコンパレータU11の負入力の値に達するまでの時間は減少し、スイッチング手段Q1のオンの期間は減少し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)は減少し、出力電圧Voは減少する。
そうして、出力電圧Voと基準電圧Vrefとは等しくなる。
【0017】
出力電圧Voの微小な変動において、コンデンサC3と抵抗R3との時定数はその高域成分を除去する。そして、誤差増幅器U2の出力はその低域成分で変動し、フォトカプラOC1のフォトダイオードの電流は低域成分で変動し、フォトカプラOC1のフォトトランジスタの電流は低域成分で変動し、電圧帰還信号VFBは低域成分で変動し、コンパレータU11の負入力は低域成分で変動し、コンパレータU11の正入力がコンパレータU11の負入力の値に達するまでの時間は低域成分で変動し、スイッチング手段Q1のオンの期間は低域成分で変動し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)は低域成分で変動し、出力電圧Voは低域成分で変動する。
【0018】
よって、スイッチング電源装置の応答特性は、コンデンサC3と抵抗R3との時定数が支配的に影響する。また、フィルタFの帯域はコンデンサC3と抵抗R3との時定数で定まる帯域の3倍以上に設定するため、フィルタFの帯域はスイッチング電源装置の応答特性に影響しない。
このような出力電圧Voの微小な変動において、誤差増幅器U2及びフォトカプラOC1は能動状態で動作する。
【0019】
次に、図5の従来例におけるステップ応答の動作を説明する。負荷電流Ioは、時刻t0において、軽負荷Iolから重負荷Iohへ急峻に変化する。
時刻t0において、負荷電流Ioの急峻な変化の増分は、コンデンサC1に流れる。コンデンサC1の電荷は放電し、出力電圧Voは低下する。また、コンデンサC1内部の寄生要素(等価的な直列抵抗及び等価的な直列インダクタンス)が大きいときは、出力電圧Voの低下は大きい。
【0020】
出力電圧Voが低下すると、上述の定常のときにおける動作の説明と同様に、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が増加し、出力電圧Voが増加するようにフィードバックが作用する。
ただし、このようなステップ応答では、出力電圧Voの低下が大きいため、時刻t0直後では、誤差増幅器U2は飽和状態となり、フォトカプラOC1はオフとなる。
【0021】
詳しくは、時刻t0において、出力電圧Voは低下し、誤差増幅器U2の出力はhighで飽和し、フォトカプラOC1のフォトダイオードはオフし、フォトカプラOC1のフォトトランジスタはオフし、電圧帰還信号VFBはhighで飽和し、コンパレータU11の負入力はツェナーダイオードD11でクランプし、コンパレータU11の正入力がコンパレータU11の負入力の値に達するまでの時間が最大となり、スイッチング手段Q1のオンの期間が最大となり、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が最大となり、出力電圧Voが増加する。
【0022】
ツェナーダイオードD11は、コンパレータU11の負入力の上限を制限し、コンパレータU11の正入力がコンパレータU11の負入力の値に達するまでの時間の最大値を制限し、スイッチング手段Q1のオンの期間における最大値を制限し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)を制限する。また、電流検出信号CSの直線的な増加を制限し、抵抗R1に発生する電圧の直線的な増加を制限し、スイッチング手段Q1の電流の直線的に増加を制限し、よってスイッチング手段Q1の電流のピーク値を制限する。
【0023】
スイッチング手段Q1におけるオンの期間の制限、及びスイッチング手段Q1における電流のピーク値の制限は、トランスT1の磁気飽和を抑制する。
【0024】
図6を用いてその動作を詳しく説明する。図6は、図5の従来例の動作を説明するための特性図である。同図において、Ioは負荷電流、Voは出力電圧、Idはスイッチング手段Q1のドレイン電流である。
【0025】
負荷電流Ioは、時刻t0において、軽負荷Iolから重負荷Iohへ急峻に増加する。出力電圧Voは、時刻t0において、ΔVoだけ急峻に減少し、ほぼ期間Tdを要して定常の出力電圧Vo(=Vref)まで上昇する。
【0026】
スイッチング手段Q1のドレイン電流Idは、軽負荷Iolのときはピーク値がidlであり、重負荷Iohのときはピーク値がidhである。また、時刻t0の後、しばらくはピーク値をithに制限する。
【0027】
ピーク値がidl及びidhのときは、上述の説明のとおり、誤差増幅器U2は能動状態で動作し、スイッチング電源装置の応答特性はコンデンサC3と抵抗R3との時定数が支配的に影響する。
【0028】
ピーク値がithのときは、上述の説明のとおり、誤差増幅器U2の出力はhighで飽和し、スイッチング手段Q1のオンの期間を制限する。スイッチング電源装置の応答特性は、フィルタF、トランスT1の励磁インダクタンス、コンデンサC1及びオンとオフとの時間の割合(デューティ比)が影響する。コンデンサC3と抵抗R3との時定数は影響しない。
【0029】
図6の特性図においては、スイッチング手段Q1のドレイン電流のピーク値がithのとき、オンオフ制御手段10は、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)を約50%に制限する。ピーク値がidl及びidhのときは、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)は共に約33%となる。
【0030】
期間Tdの後、出力電圧Voが基準電圧Vrefまで上昇すると、誤差増幅器U2は能動状態となって出力は減少し、フォトカプラOC1のフォトダイオードは能動状態となって電流は増加し、フォトカプラOC1のフォトトランジスタは能動状態となって電流は増加し、電圧帰還信号VFBは能動状態となって減少し、コンパレータU11の負入力は減少し、コンパレータU11の正入力がコンパレータU11の負入力の値に達するまでの時間が減少し、スイッチング手段Q1のオンの期間が減少し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が減少し、出力電圧Voが減少する。このようにして、出力電圧Voと基準電圧Vrefとは等しくなる。
【0031】
一方、従来のスイッチング電源装置は、遅い検出応答速度で検出する出力電圧検出回路と、速い検出応答速度で検出する上限電圧検出回路と、速い検出応答速度で検出する下限電圧検出回路と、を備え応答特性を改善したものである(例えば、特許文献1参照。)。
【0032】
【特許文献1】
特許第3294211号明細書
【0033】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなスイッチング電源装置は、軽負荷から重負荷へのステップ応答が遅いという課題がある。
【0034】
詳しくは、スイッチング電源装置は、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が大きくなると応答が速くなるという特性があるが、軽負荷から重負荷へのステップ応答の直後では、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)は制限されるため、応答が遅くなる。
【0035】
本発明の目的は、以上説明した課題を解決するものであり、好適な応答特性のスイッチング電源装置を提供することにある。
【0036】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成する本発明は、次の通りである。
(1)入力電圧が与えられ出力電圧を誘起し負荷装置へ電力を供給する磁気素子と、前記磁性素子に接続するスイッチング手段と、前記スイッチング手段をオンオフするオンオフ制御手段とを備えるスイッチング電源装置において、前記磁性素子の補助巻線N3に誘起する電圧の低下に基づき前記スイッチング手段のオンオフの動作周波数を高くする動作周波数変調手段を設け、前記補助巻線N3はダイオードD2及びコンデンサC2を介して前記オンオフ制御手段及び前記動作周波数変調手段に接続し、前記オンオフ制御手段の内部回路は、負入力に前記出力電圧と基準電圧Vrefとの差に基づく電圧帰還信号VFBを接続し正入力に前記スイッチング手段の電流に基づく電流検出信号CSを接続するコンパレータU11と、セット入力に前記動作周波数で発振する発振器の出力を接続しリセット入力に前記コンパレータU11の出力を接続し出力に前記スイッチング手段の駆動信号を接続するフリップフロップU12と、を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
(2)前記オンオフ制御手段と前記動作周波数変調手段とを共通の集積回路素子で形成したことを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下に、図1に基づいて本発明を詳細に説明する。図1は本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例を示す構成図である。なお、図5の従来例と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【0038】
図1の実施例の特徴は、磁性素子であるトランスT1の補助巻線N3に誘起する電圧に基づく電源Vccの値の低下に基づきスイッチング手段Q1のオンオフの動作周波数を高くする動作周波数変調手段20を設ける点にある。
【0039】
動作周波数変調手段20は、コンパレータU20と基準電圧Vr1とから成る。コンパレータU20において、その負入力端は電源Vccに接続し、その正入力端は基準電圧Vr1に接続し、動作周波数変調信号Fmを出力する。動作周波数変調信号Fmは、オンオフ制御手段10内部の発振器U10に接続する。
【0040】
オンオフ制御手段10と動作周波数変調手段20とは共通の集積回路素子で形成してもよく、それぞれ独立した回路素子で形成してもよい。共通の集積回路素子で形成する場合は、スイッチング電源装置を簡便で小形に形成できる。
【0041】
基準電圧Vr1の値は、定常の出力電圧Vo(=Vref)のときにおける電源Vccの値よりも低く設定する。
【0042】
オンオフ制御手段10内部の発振器U10は、電圧帰還信号VFB(コンパレータU20の出力)がLowであれば、図5の従来例と同じ動作周波数fsで発振し、電圧帰還信号VFB(コンパレータU20の出力)がHighであれば、図5の従来例よりも高い動作周波数fshで発振する。
【0043】
このような、図1の実施例の動作を説明する。定常のときにおける動作は、図5の従来例と同様となるため説明を省略する。このとき、コンパレータU20の出力はLowである。
【0044】
図1の実施例におけるステップ応答の動作を説明する。負荷電流Ioは、時刻t0において、軽負荷Iolから重負荷Iohへ急峻に変化し、図5の従来例と同様に、出力電圧Voは低下し、電源Vccも低下し、誤差増幅器U2は飽和状態となり、オンオフ制御手段10はスイッチング手段Q1の電流のピーク値をithに制限する。
【0045】
こうして、電源Vccが基準電圧Vr1よりも低下すると、コンパレータU20の出力はHighとなり、発振器U10は、高い動作周波数fshで発振する。
【0046】
図2を用いてその動作を詳しく説明する。図2は、図1の従来例の動作を説明するための特性図である。なお、図6の特性図と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【0047】
出力電圧Voは、時刻t0において、図6の特性図と同様に、ΔVo=ΔVo1+ΔVo2だけ急峻に減少し、ほぼ期間Td1を要してΔVo1上昇し、その後ほぼ期間Td2を要してΔVo2上昇する。つまり、ほぼ期間Td=Td1+Td2を要して定常の出力電圧Vo(=Vref)まで上昇する。
【0048】
期間Td1では、電源Vccは基準電圧Vr1よりも小さくなり、コンパレータU20の出力はHighとなり、発振器U10は高い動作周波数fshで発振し、スイッチング手段Q1は高い動作周波数fshでオンオフする。
【0049】
期間Td2では、電源Vccは基準電圧Vr1よりも大きくなり、コンパレータU20の出力はLowとなり、発振器U10は動作周波数fsで発振し、スイッチング手段Q1は動作周波数fsでオンオフする。
【0050】
期間Td1及び期間Td2において、オンオフ制御手段10は、スイッチング手段Q1のドレイン電流Idのピーク値を共にithで制限し、トランスT1の磁気飽和を抑制する。ここで、スイッチング手段Q1のドレイン電流Idの直線的な増加の割合(電流の傾き)は変化せず、同じになる。また、図5の従来例と同様に、スイッチング電源装置の応答特性は、フィルタF、トランスT1の励磁インダクタンス、コンデンサC1及びオンとオフとの時間の割合(デューティ比)が影響する。
【0051】
このことにより、期間Td1におけるオンとオフとの時間の割合(デューティ比)は、期間Td2におけるオンとオフとの時間の割合(デューティ比)よりも大きくなり、その低域成分も大きくなる。図2の特性図においては、期間Td1におけるオンとオフとの時間の割合(デューティ比)は約66%となり、期間Td2におけるオンとオフとの時間の割合(デューティ比)の約50%よりも大きくなる。
【0052】
また、期間Td1におけるスイッチング電源装置の応答は、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が大きくなるため、期間Td2のにおける応答よりも、速くなる。
【0053】
そうして、出力電圧Voが上昇し、電源Vccが基準電圧Vr1まで上昇すると、コンパレータU20の出力はLowとなり、発振器U10は動作周波数fsで発振し、スイッチング手段Q1は動作周波数fsでオンオフし、期間Td1は終了し期間Td2となる。期間Td2以降は、図5の従来例と同様に動作するため、説明を省略する。
【0054】
以上のことにより、図1の実施例の応答は、図5の従来例の応答と比較して応答が速くなる。詳しくは、期間Td1において、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が大きくなるため、応答が速くなる。
【0055】
上述の例では、コンパレータU20で動作周波数を2段階に変化させたが、2段階よりも多く変化させてもよい。また、連続的に変化させてもよい。
【0056】
また、上述の例では、磁性素子であるトランスT1の補助巻線N3に誘起する電圧に基づく電源Vccの値の低下に基づき動作周波数を変調したが、これとは別に、出力電圧Voの低下に基づき動作周波数を変調してもよい。出力電圧Voと電源Vccとは相関があるため、同様に動作する。
【0057】
さらにまた、上述の例では、電流検出信号CSは、スイッチング手段Q1の電流に基づく値であったが、これとは別に、トランスT1の1次巻線N1の電流、又はトランスT1の1次巻線N2の電流、又はダイオードD1の電流に基づく値であってもよい。
【0058】
また、上述の例では電流制御方式のフライバックコンバータであったが、電圧制御方式であってもよく、フォワードコンバータ等のその他のコンバータ方式であってもよい。
【0059】
さらにまた、図3は本発明に係るスイッチング電源装置の他の実施例を示す構成図である。同図は電圧制御方式のフォワードコンバータの構成図を示す。なお、図1の実施例と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。
【0060】
図3の実施例の特徴は、負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号Sに基づきスイッチング手段Q1のオンオフの動作周波数を高くする動作周波数変調手段30を設ける点にある。
【0061】
同図において、入力電源Vinと、磁性素子であるトランスT2の1次巻線N1と、スイッチング手段Q1と、電流検出の抵抗R1と、は直列に接続する。トランスT2の2次巻線N2は、ダイオードD3及びダイオードD4に接続し、さらにインダクタL1及びコンデンサC1に接続し、出力電圧Voとなり、さらにまた負荷装置(図示せず)に接続する。負荷電流Ioは、負荷装置(図示せず)へ電力を供給する。
【0062】
オンオフ制御手段40の内部回路を詳しく説明する。動作周波数変調信号Fmは発振器U33に接続し、発振器U33からのランプ出力はPWMコンパレータU31の正入力に接続する。また、電圧帰還信号VFBは、電流源U32でプルアップし、PWMコンパレータU31の負入力に接続する。また、電流検出信号CSは、過電流コンパレータU30の正入力に接続する。過電流コンパレータU30の負入力に基準電圧Vr2を接続する。PWMコンパレータU31の出力と過電流コンパレータU30の出力とは論理回路U34に接続する。論理回路U34の出力は、駆動信号OUTに接続する。基準電圧Vr2の値は、定常の出力電圧Vo(=Vref)のときにおける電流検出信号CSの値よりも高く設定する。
【0063】
動作周波数変調手段30は、コンパレータU40、基準電圧Vr3、フォトカプラOC2及び抵抗R4から成る。コンパレータU40において、その正入力は負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号Sに接続し、その負入力は基準電圧Vr3に接続し、その出力はフォトカプラOC2のフォトダイオードに接続する。フォトカプラOC2において、そのフォトダイオードは抵抗R4を介し出力電圧Voに接続し、そのフォトトランジスタは動作周波数変調信号Fmに接続する。
【0064】
負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号Sは、時刻t0のステップ応答に先立って、時刻t1に負荷電流Ioの変化を負荷装置からスイッチング電源装置に予告するものである。
【0065】
図4を用いて、これを詳しく説明する。図4は、図3の従来例の動作を説明するための特性図である。なお、図2の特性図と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。同図において、Sは負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号である。負荷電流Ioが変化する時刻t0よりも前の時間t1において、負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号Sは、HighからLowへ変化する。
【0066】
また、同図において、負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号SがHighのときは、図5の従来例と同じ動作周波数fsで発振し、負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号SがLowのときは、図5の従来例よりも高い動作周波数fshで発振する。
【0067】
次に、図3の実施例についてそれぞれの部分の動作を説明する。図1の実施例と同様のものは説明を省略する。オンオフ制御手段40は、駆動信号OUTによりスイッチング手段Q1をオンオフし、トランスT2の1次巻線N1に入力電圧Vinを与える。トランスT2の2次巻線N2に誘起する電圧は、ダイオードD3及びダイオードD4で整流され、インダクタL1及びコンデンサC1で平滑され、出力電圧Voとなり、、負荷装置(図示せず)の電圧となる。
【0068】
図1の実施例と同様に、図3の電圧制御方式のフォワードコンバータにおいても、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が増加すると、出力電圧Voは上昇し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)が減少すると、出力電圧Voは低下する。
【0069】
過電流コンパレータU30は、電流検出信号CSに基づく正入力が基準電圧Vr2と等しくなったときに、論理回路U34をリセットし、駆動信号OUTをLowにし、スイッチング手段Q1をオフにする。また、電流検出信号CSの直線的な増加を制限し、抵抗R1に発生する電圧の直線的な増加を制限し、スイッチング手段Q1の電流の直線的に増加を制限し、よってスイッチング手段Q1の電流のピーク値を制限する。スイッチング手段Q1における電流のピーク値の制限は、トランスT2の磁気飽和を抑制する。
【0070】
オンオフ制御手段40内部の発振器U33は、動作周波数変調信号Fm(フォトカプラOC2の出力)がHighであれば、図5の従来例と同じ動作周波数fsで発振し、動作周波数変調信号Fm(フォトカプラOC2の出力)がLowであれば、図5の従来例よりも高い動作周波数fshで発振する。
【0071】
PWMコンパレータU31は、発振器U33からのランプ出力を利用して、電圧帰還信号VFBをパルス幅変調をする。詳しくは、電圧帰還信号VFBが減少すればパルス幅を狭くし、電圧帰還信号VFBが増加すればパルス幅を広くする。そうして、論理回路U34をパルス幅変調し、駆動信号をパルス幅変調し、スイッチング手段Q1のオンとオフとをパルス幅変調する。
【0072】
このような、図3の実施例の定常のときにおける全体の動作を説明する。
出力電圧Voが基準電圧Vrefよりも低いとき、誤差増幅器U2の出力は増加し、フォトカプラOC1のフォトダイオードの電流は減少し、フォトカプラOC1のフォトトランジスタの電流は減少し、電圧帰還信号VFBは増加し、PWMコンパレータU31の負入力は増加し、PWMコンパレータU31の出力のパルス幅は増加し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)は増加し、出力電圧Voは増加する。
【0073】
出力電圧Voが基準電圧Vrefよりも高いとき、誤差増幅器U2の出力は減少し、フォトカプラOC1のフォトダイオードの電流は増加し、フォトカプラOC1のフォトトランジスタの電流は増加し、電圧帰還信号VFBは減少し、PWMコンパレータU31の負入力は減少し、PWMコンパレータU31の出力のパルス幅は減少し、オンとオフとの時間の割合(デューティ比)は減少し、出力電圧Voは減少する。
【0074】
そうして、出力電圧Voと基準電圧Vrefとは等しくなる。このとき、スイッチング手段Q1における電流のピーク値は低く、抵抗R1に発生する電圧も低く、電流検出信号CSも低く、過電流コンパレータU30の正入力も低く、過電流コンパレータU30の出力は常にLowである。また、図3の実施例におけるスイッチング電源装置の応答特性は、図1の実施例と同様に、コンデンサC3と抵抗R3との時定数が支配的に影響する。
【0075】
次に、図3の実施例におけるステップ応答の動作を、図4の特性図を用いて詳しく説明する。図1及び図2の実施例と同様のものは説明を省略する。負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号Sが、時刻t0のステップ応答に先立って、時刻t1にHighからLowに変化すると、コンパレータU40の出力はLowで飽和し、フォトカプラOC2のフォトダイオードはオンで飽和し、フォトカプラOC2のフォトトランジスタはオンで飽和し、動作周波数変調信号FmはLowとなり、オンオフ制御手段40内部の発振器U10は高い動作周波数fshで発振し、スイッチング手段Q1は高い動作周波数fshでオンオフする。
【0076】
そうして、負荷電流Ioは、時刻t0において、軽負荷Iolから重負荷Iohへ急峻に変化する。これ以降の動作は、図1及び図2の実施例と同様となるため説明を省略する。以上のことにより、図3の実施例の応答は、図1の実施例の応答と同様になり、速くなる。
【0077】
また、その後に期間Td1が終了し、負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号SがLowからHighに変化すると、コンパレータU40の出力はHighで飽和し、フォトカプラOC2のフォトダイオードはオフし、フォトカプラOC2のフォトトランジスタはオフし、動作周波数変調信号FmはHighとなり、オンオフ制御手段40内部の発振器U10は動作周波数fsで発振し、スイッチング手段Q1は動作周波数fsでオンオフする。
【0078】
このようにして、図3の実施例では、図1の実施例と同様に、好適な応答特性を得ることができる。
【0079】
また、負荷電流Ioのステップ応答に先立ってスイッチング手段Q1は動作周波数を高くすることができるため、動作周波数変調信号Fm等に遅れがあっても、確実に負荷電流Ioのステップ応答の時刻t0の前にはスイッチング手段Q1の動作周波数を高くできる。よって、好適な応答特性を安定に得ることができる。
【0080】
また、負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号SがLowからHighに変化するタイミング(期間Td1)を大きくすると、期間Td2が減少し、より好適な応答が得られる。ただし、時刻t1から時刻t0までの期間及び期間Td1を過大に大きくすると、スイッチング電源装置が高い動作周波数fshで動作する期間が増加し、損失が増加するため、スイッチング電源装置の仕様を考慮して好適な値を定める。
【0081】
上述の例では、負荷装置(図示せず)からの応答の予告信号Sに基づき動作周波数を変調したが、これとは別に、出力電圧Voの低下に基づき動作周波数を変調してもよい。具体的には、図3において、コンパレータU40の正入力Sを出力電圧Voに接続するように構成する。
【0082】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、軽負荷から重負荷へのステップ応答において、好適な応答特性のスイッチング電源装置を提供できる。また、スイッチング電源装置を簡便で低コストで小形に形成できる。
【0083】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図2】図1の実施例の動作を説明するための特性図である。
【図3】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図4】図3の実施例の動作を説明するための特性図である。
【図5】従来のスイッチング電源装置の構成である。
【図6】図5の従来例の動作を説明するための特性図である。
【符号の説明】
10,40 オンオフ制御手段
20,30 動作周波数変調手段
Q1 スイッチング手段
Vin 入力電圧
Vo 出力電圧
Vcc 電源
Vref,Vr1,Vr2,Vr3 基準電圧
T1,T2 トランス
S 負荷装置からの応答の予告信号
OUT 駆動信号
CS 電流検出信号
VFB 電圧帰還信号
Fm 動作周波数変調信号[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a switching power supply apparatus comprising a magnetic element that receives an input voltage and induces an output voltage to supply power to a load device, a switching means connected to the magnetic element, and an on / off control means for turning on and off the switching means. It is about.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 shows a configuration diagram of a current control type flyback converter which is an example of a conventional switching power supply device.
In the figure, an input power source Vin, a primary winding N1 of a transformer T1, which is a magnetic element, a switching means Q1, and a current detection resistor R1 are connected in series.
[0003]
The secondary winding N2 of the transformer T1 is connected to the diode D1, is further connected to the capacitor C1, becomes the output voltage Vo, and is further connected to a load device (not shown).
The auxiliary winding N3 of the transformer T1 is connected to the diode D2, further connected to the capacitor C2, serves as the power source Vcc, and is further connected to the on / off control means 10 and the like.
[0004]
The output voltage Vo is connected to the photocoupler OC1 through the resistor R2, and is connected to the error amplifier U2 through the resistor R3. Further, a reference voltage Vref, a capacitor C3, and a photocoupler OC1 are connected to the error amplifier U2.
[0005]
The on / off control means 10 is connected to the photocoupler OC1 via the voltage feedback signal VFB, connected to the filter F via the current detection signal CS, connected to the switching means Q1 via the drive signal OUT, and via the power supply Vcc. To the capacitor C2.
[0006]
The internal circuit of the on / off control means 10 will be described in detail. The voltage feedback signal VFB is pulled up by the current source U13, divided by the resistor R11 and the resistor R10 via the diode D10, and then connected to the negative input of the comparator U11. Further, the Zener diode D11 is connected to the negative input of the comparator U11. The current detection signal CS is connected to the positive input of the comparator U11. The output of the oscillator U10 is connected to the input of the set of the flip-flop U12, the output of the comparator U11 is connected to the reset input of the flip-flop U12, and the output of the flip-flop U12 is connected to the drive signal OUT.
[0007]
Next, the operation of each part will be described. The on / off control means 10 turns on / off the switching means Q1 according to the drive signal OUT, and applies the input voltage Vin to the primary winding N1 of the transformer T1. The voltage induced in the secondary winding N2 of the transformer T1 is rectified by the diode D1, smoothed by the capacitor C1, becomes the output voltage Vo, and becomes the voltage of the load device (not shown). The load current Io supplies power to a load device (not shown). The voltage induced in the auxiliary winding N3 of the transformer T1 is rectified by the diode D2, smoothed by the capacitor C2, becomes the power source Vcc, and supplies power to the on / off control means 10 and the like.
[0008]
There is a correlation between the output voltage Vo and the power supply Vcc. When the output voltage Vo increases, the power supply Vcc also increases, and when the output voltage Vo decreases, the power supply Vcc also decreases.
[0009]
Further, when the ratio of time between ON and OFF (duty ratio) increases, the output voltage Vo and the power supply Vcc increase, and when the ratio of time between ON and OFF (duty ratio) decreases, the output voltage Vo and the power supply Vcc. Will decline.
[0010]
The error amplifier U2 amplifies the difference between the output voltage Vo and the reference voltage Vref, and feeds it back to the on / off control means 10 as a voltage feedback signal VFB via the photocoupler OC1. Capacitor C3 and resistor R3 change the frequency response characteristics of the feedback. The resistor R2 changes the feedback gain.
[0011]
A voltage proportional to the current of the switching means Q1 is generated in the current detection resistor R1. This voltage becomes the current detection signal CS of the on / off control means 10 via the filter F.
[0012]
When the negative input based on the voltage feedback signal VFB and the positive input based on the current detection signal CS are equal, the comparator U11 resets the flip-flop U12, sets the drive signal OUT to Low, and turns off the switching means Q1. To do.
[0013]
The oscillator U10 operates at a constant operating frequency fs, and sets the flip-flop U12 at regular intervals. When the flip-flop U12 is set, the drive signal OUT becomes High, and the switching means Q1 is turned on.
[0014]
When the switching means Q1 is turned on, the current of the switching means Q1 increases linearly, the voltage generated in the resistor R1 increases linearly, the current detection signal CS increases linearly, and the positive input of the comparator U11 is When it increases linearly and its value reaches the value of the negative input of the comparator U11, the comparator U11 resets the flip-flop U12, sets the drive signal OUT to Low, and turns off the switching means Q1.
[0015]
The overall operation of the conventional example of FIG. 5 in the steady state will be described.
When the output voltage Vo is lower than the reference voltage Vref, the output of the error amplifier U2 increases, the current of the photodiode of the photocoupler OC1 decreases, the current of the phototransistor of the photocoupler OC1 decreases, and the voltage feedback signal VFB is The negative input of the comparator U11 increases, the time until the positive input of the comparator U11 reaches the negative input value of the comparator U11 increases, the ON period of the switching means Q1 increases, and the ON and OFF The time ratio (duty ratio) increases and the output voltage Vo increases.
[0016]
When the output voltage Vo is higher than the reference voltage Vref, the output of the error amplifier U2 decreases, the current of the photodiode of the photocoupler OC1 increases, the current of the phototransistor of the photocoupler OC1 increases, and the voltage feedback signal VFB is Decreases, the negative input of the comparator U11 decreases, the time until the positive input of the comparator U11 reaches the value of the negative input of the comparator U11 decreases, the ON period of the switching means Q1 decreases, and the ON and OFF states The time ratio (duty ratio) decreases, and the output voltage Vo decreases.
Thus, the output voltage Vo and the reference voltage Vref are equal.
[0017]
In the slight fluctuation of the output voltage Vo, the time constant of the capacitor C3 and the resistor R3 removes the high frequency component. Then, the output of the error amplifier U2 varies in its low frequency component, the photodiode current of the photocoupler OC1 varies in the low frequency component, the current of the phototransistor in the photocoupler OC1 varies in the low frequency component, and voltage feedback. The signal VFB varies with the low frequency component, the negative input of the comparator U11 varies with the low frequency component, and the time until the positive input of the comparator U11 reaches the value of the negative input of the comparator U11 varies with the low frequency component. The on period of the means Q1 varies with a low frequency component, the ratio of time between on and off (duty ratio) varies with the low frequency component, and the output voltage Vo varies with the low frequency component.
[0018]
Therefore, the time constant of the capacitor C3 and the resistor R3 is dominant in the response characteristics of the switching power supply device. Further, since the band of the filter F is set to three times or more of the band determined by the time constant of the capacitor C3 and the resistor R3, the band of the filter F does not affect the response characteristics of the switching power supply device.
In such a minute fluctuation of the output voltage Vo, the error amplifier U2 and the photocoupler OC1 operate in an active state.
[0019]
Next, the step response operation in the conventional example of FIG. 5 will be described. The load current Io changes sharply from the light load Iol to the heavy load Ioh at time t0.
At time t0, an increase in a steep change in the load current Io flows through the capacitor C1. The electric charge of the capacitor C1 is discharged, and the output voltage Vo decreases. Further, when the parasitic elements (equivalent series resistance and equivalent series inductance) inside the capacitor C1 are large, the output voltage Vo is greatly reduced.
[0020]
When the output voltage Vo decreases, the ratio of the ON / OFF time (duty ratio) increases and the feedback acts so that the output voltage Vo increases as in the description of the operation in the steady state described above.
However, in such a step response, the output voltage Vo greatly decreases, so that immediately after time t0, the error amplifier U2 is saturated and the photocoupler OC1 is turned off.
[0021]
Specifically, at time t0, the output voltage Vo decreases, the output of the error amplifier U2 is saturated at high, the photodiode of the photocoupler OC1 is turned off, the phototransistor of the photocoupler OC1 is turned off, and the voltage feedback signal VFB is Saturated at high, the negative input of the comparator U11 is clamped by the Zener diode D11, the time until the positive input of the comparator U11 reaches the negative input value of the comparator U11 is maximized, and the ON period of the switching means Q1 is maximized. The ratio of time between ON and OFF (duty ratio) becomes maximum, and the output voltage Vo increases.
[0022]
The Zener diode D11 limits the upper limit of the negative input of the comparator U11, limits the maximum value of the time until the positive input of the comparator U11 reaches the value of the negative input of the comparator U11, and sets the maximum during the ON period of the switching means Q1. Limits the value and limits the time ratio (duty ratio) between on and off. Further, the linear increase of the current detection signal CS is limited, the linear increase of the voltage generated in the resistor R1 is limited, the linear increase of the current of the switching means Q1 is limited, and thus the current of the switching means Q1 is limited. Limit the peak value of.
[0023]
The restriction of the ON period in the switching means Q1 and the restriction of the peak value of the current in the switching means Q1 suppress the magnetic saturation of the transformer T1.
[0024]
The operation will be described in detail with reference to FIG. FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining the operation of the conventional example of FIG. In the figure, Io is a load current, Vo is an output voltage, and Id is a drain current of the switching means Q1.
[0025]
The load current Io sharply increases from the light load Iol to the heavy load Ioh at time t0. The output voltage Vo decreases steeply by ΔVo at time t0, and rises to a steady output voltage Vo (= Vref) over a period of time Td.
[0026]
The drain current Id of the switching means Q1 has a peak value idl when the load is light Iol, and idh when the load is heavy Ioh. Further, after time t0, the peak value is limited to it for a while.
[0027]
When the peak values are idl and idh, as described above, the error amplifier U2 operates in an active state, and the time constant of the capacitor C3 and the resistor R3 has a dominant influence on the response characteristics of the switching power supply device.
[0028]
When the peak value is “ith”, as described above, the output of the error amplifier U2 is saturated at “high” and limits the ON period of the switching means Q1. The response characteristics of the switching power supply device are affected by the filter F, the exciting inductance of the transformer T1, the capacitor C1, and the on / off time ratio (duty ratio). The time constant between the capacitor C3 and the resistor R3 is not affected.
[0029]
In the characteristic diagram of FIG. 6, when the peak value of the drain current of the switching means Q1 is isth, the on / off control means 10 limits the ratio of time (duty ratio) between on and off to about 50%. When the peak values are idl and idh, the ratio of time between on and off (duty ratio) is about 33%.
[0030]
After the period Td, when the output voltage Vo rises to the reference voltage Vref, the error amplifier U2 becomes active, the output decreases, the photodiode of the photocoupler OC1 becomes active, the current increases, and the photocoupler OC1. The phototransistor becomes active and the current increases, the voltage feedback signal VFB becomes active and decreases, the negative input of the comparator U11 decreases, and the positive input of the comparator U11 becomes the value of the negative input of the comparator U11. The time until it reaches is reduced, the ON period of the switching means Q1 is reduced, the ratio of time between ON and OFF (duty ratio) is reduced, and the output voltage Vo is reduced. In this way, the output voltage Vo and the reference voltage Vref are equal.
[0031]
On the other hand, the conventional switching power supply device includes an output voltage detection circuit that detects at a slow detection response speed, an upper limit voltage detection circuit that detects at a fast detection response speed, and a lower limit voltage detection circuit that detects at a fast detection response speed. The response characteristic is improved (for example, see Patent Document 1).
[0032]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3294211
[0033]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a switching power supply device has a problem that a step response from a light load to a heavy load is slow.
[0034]
Specifically, the switching power supply device has a characteristic that the response becomes faster when the ratio of time between on and off (duty ratio) increases, but immediately after the step response from light load to heavy load, Since the time ratio (duty ratio) is limited, the response becomes slow.
[0035]
An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a switching power supply device having suitable response characteristics.
[0036]
[Means for Solving the Problems]
The present invention which achieves such an object is as follows.
(1) In a switching power supply apparatus comprising: a magnetic element that receives an input voltage and induces an output voltage to supply power to a load device; a switching means that is connected to the magnetic element; and an on / off control means that turns the switching means on and off The magnetic elementAuxiliary winding N3Operating frequency modulation means for increasing the on / off operating frequency of the switching means based on the voltage drop induced inThe auxiliary winding N3 is connected to the on / off control means and the operating frequency modulation means via a diode D2 and a capacitor C2, and the internal circuit of the on / off control means has a negative input between the output voltage and the reference voltage Vref. A comparator U11 for connecting a voltage feedback signal VFB based on the difference and connecting a current detection signal CS based on the current of the switching means to a positive input, an output of an oscillator oscillating at the operating frequency connected to a set input, and the reset input to the reset input And a flip-flop U12 for connecting the output of the comparator U11 and connecting the drive signal of the switching means to the output.The switching power supply device characterized by the above-mentioned.
(2)The on / off control means and the operating frequency modulation means are formed by a common integrated circuit element.It is characterized byClaim 1Switching power supply.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a switching power supply device according to the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same element as the prior art example of FIG. 5, and description is abbreviate | omitted.
[0038]
A feature of the embodiment of FIG. 1 is that the operating frequency modulation means 20 for increasing the on / off operating frequency of the switching means Q1 based on a decrease in the value of the power supply Vcc based on the voltage induced in the auxiliary winding N3 of the transformer T1 which is a magnetic element. Is to provide.
[0039]
The operating frequency modulation means 20 includes a comparator U20 and a reference voltage Vr1. In the comparator U20, the negative input terminal is connected to the power supply Vcc, the positive input terminal is connected to the reference voltage Vr1, and the operating frequency modulation signal Fm is output. The operating frequency modulation signal Fm is connected to an oscillator U10 inside the on / off control means 10.
[0040]
The on / off control means 10 and the operating frequency modulation means 20 may be formed of a common integrated circuit element or may be formed of independent circuit elements. In the case of forming with a common integrated circuit element, the switching power supply device can be formed simply and in a small size.
[0041]
The value of the reference voltage Vr1 is set lower than the value of the power supply Vcc at the steady output voltage Vo (= Vref).
[0042]
If the voltage feedback signal VFB (output of the comparator U20) is Low, the oscillator U10 inside the on / off control means 10 oscillates at the same operating frequency fs as in the conventional example of FIG. 5, and the voltage feedback signal VFB (output of the comparator U20). If is high, it oscillates at a higher operating frequency fsh than the conventional example of FIG.
[0043]
The operation of the embodiment of FIG. 1 will be described. Since the operation in the steady state is the same as that of the conventional example of FIG. At this time, the output of the comparator U20 is Low.
[0044]
The operation of the step response in the embodiment of FIG. 1 will be described. The load current Io changes sharply from the light load Iol to the heavy load Ioh at time t0, the output voltage Vo decreases, the power supply Vcc also decreases, and the error amplifier U2 is saturated, as in the conventional example of FIG. Thus, the on / off control means 10 limits the peak value of the current of the switching means Q1 to ish.
[0045]
Thus, when the power supply Vcc is lower than the reference voltage Vr1, the output of the comparator U20 becomes High, and the oscillator U10 oscillates at a high operating frequency fsh.
[0046]
The operation will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining the operation of the conventional example of FIG. The same elements as those in the characteristic diagram of FIG.
[0047]
At time t0, the output voltage Vo decreases steeply by ΔVo = ΔVo1 + ΔVo2, and increases by ΔVo1 over a period of time Td1, and then increases by ΔVo2 over a period of time Td2. In other words, the voltage rises to the steady output voltage Vo (= Vref) almost taking the period Td = Td1 + Td2.
[0048]
In the period Td1, the power supply Vcc becomes smaller than the reference voltage Vr1, the output of the comparator U20 becomes High, the oscillator U10 oscillates at a high operating frequency fsh, and the switching means Q1 turns on and off at a high operating frequency fsh.
[0049]
In the period Td2, the power supply Vcc becomes larger than the reference voltage Vr1, the output of the comparator U20 becomes Low, the oscillator U10 oscillates at the operating frequency fs, and the switching means Q1 turns on and off at the operating frequency fs.
[0050]
In the period Td1 and the period Td2, the on / off
[0051]
As a result, the ratio of on / off time (duty ratio) in the period Td1 is larger than the ratio of on / off time (duty ratio) in the period Td2, and the low-frequency component also increases. In the characteristic diagram of FIG. 2, the ratio of on / off time (duty ratio) in the period Td1 is about 66%, which is more than about 50% of the ratio of on / off (duty ratio) in the period Td2. growing.
[0052]
In addition, the response of the switching power supply device in the period Td1 is faster than the response in the period Td2 because the ratio of time between ON and OFF (duty ratio) is increased.
[0053]
Then, when the output voltage Vo rises and the power supply Vcc rises to the reference voltage Vr1, the output of the comparator U20 becomes Low, the oscillator U10 oscillates at the operating frequency fs, and the switching means Q1 turns on and off at the operating frequency fs. The period Td1 ends and becomes the period Td2. After the period Td2, the operation is the same as in the conventional example of FIG.
[0054]
As described above, the response of the embodiment of FIG. 1 is faster than the response of the conventional example of FIG. Specifically, in the period Td1, since the ratio of time between on and off (duty ratio) increases, the response becomes faster.
[0055]
In the above-described example, the operating frequency is changed in two stages by the comparator U20. However, the operating frequency may be changed more than two stages. Moreover, you may change continuously.
[0056]
In the above example, the operating frequency is modulated based on the decrease in the value of the power supply Vcc based on the voltage induced in the auxiliary winding N3 of the transformer T1, which is a magnetic element. However, separately from this, the output voltage Vo is decreased. Based on this, the operating frequency may be modulated. Since the output voltage Vo and the power supply Vcc have a correlation, they operate similarly.
[0057]
Furthermore, in the above example, the current detection signal CS is a value based on the current of the switching means Q1, but separately from this, the current of the primary winding N1 of the transformer T1 or the primary winding of the transformer T1. It may be a value based on the current of the line N2 or the current of the diode D1.
[0058]
In the above example, the current control type flyback converter is used. However, a voltage control method may be used, and other converter methods such as a forward converter may be used.
[0059]
FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the switching power supply device according to the present invention. This figure shows a configuration diagram of a voltage-controlled forward converter. Note that the same elements as those in the embodiment of FIG.
[0060]
The feature of the embodiment of FIG. 3 resides in that an operating frequency modulation means 30 for increasing the on / off operating frequency of the switching means Q1 based on a notice signal S of a response from a load device (not shown) is provided.
[0061]
In the figure, an input power source Vin, a primary winding N1 of a transformer T2, which is a magnetic element, a switching means Q1, and a current detection resistor R1 are connected in series. The secondary winding N2 of the transformer T2 is connected to the diode D3 and the diode D4, is further connected to the inductor L1 and the capacitor C1, becomes the output voltage Vo, and is further connected to a load device (not shown). The load current Io supplies power to a load device (not shown).
[0062]
The internal circuit of the on / off control means 40 will be described in detail. The operating frequency modulation signal Fm is connected to the oscillator U33, and the ramp output from the oscillator U33 is connected to the positive input of the PWM comparator U31. The voltage feedback signal VFB is pulled up by the current source U32 and connected to the negative input of the PWM comparator U31. The current detection signal CS is connected to the positive input of the overcurrent comparator U30. The reference voltage Vr2 is connected to the negative input of the overcurrent comparator U30. The output of the PWM comparator U31 and the output of the overcurrent comparator U30 are connected to the logic circuit U34. The output of the logic circuit U34 is connected to the drive signal OUT. The value of the reference voltage Vr2 is set higher than the value of the current detection signal CS when the steady output voltage Vo (= Vref).
[0063]
The operating frequency modulation means 30 includes a comparator U40, a reference voltage Vr3, a photocoupler OC2, and a resistor R4. In the comparator U40, its positive input is connected to the response warning signal S from the load device (not shown), its negative input is connected to the reference voltage Vr3, and its output is connected to the photodiode of the photocoupler OC2. In the photocoupler OC2, the photodiode is connected to the output voltage Vo via the resistor R4, and the phototransistor is connected to the operating frequency modulation signal Fm.
[0064]
The notice signal S of a response from a load device (not shown) is a notice of a change in the load current Io from the load device to the switching power supply device at time t1 prior to the step response at time t0.
[0065]
This will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining the operation of the conventional example of FIG. The same elements as those in the characteristic diagram of FIG. In the figure, S is a notice signal of response from a load device (not shown). At time t1 prior to time t0 when the load current Io changes, the response notice signal S from the load device (not shown) changes from High to Low.
[0066]
Also, in the figure, when the response notice signal S from the load device (not shown) is High, the signal oscillates at the same operating frequency fs as in the conventional example of FIG. 5 and the response from the load device (not shown). When the notice signal S is low, the signal oscillates at an operating frequency fsh higher than that of the conventional example of FIG.
[0067]
Next, the operation of each part in the embodiment of FIG. 3 will be described. Description of the same components as those in the embodiment of FIG. 1 is omitted. The on / off control means 40 turns on / off the switching means Q1 according to the drive signal OUT, and applies the input voltage Vin to the primary winding N1 of the transformer T2. The voltage induced in the secondary winding N2 of the transformer T2 is rectified by the diode D3 and the diode D4, smoothed by the inductor L1 and the capacitor C1, becomes the output voltage Vo, and becomes the voltage of the load device (not shown).
[0068]
As in the embodiment of FIG. 1, in the voltage-controlled forward converter of FIG. 3, the output voltage Vo rises as the time ratio (duty ratio) of on and off increases, and the time of on and off. When the ratio (duty ratio) decreases, the output voltage Vo decreases.
[0069]
When the positive input based on the current detection signal CS becomes equal to the reference voltage Vr2, the overcurrent comparator U30 resets the logic circuit U34, sets the drive signal OUT to Low, and turns off the switching means Q1. Further, the linear increase of the current detection signal CS is limited, the linear increase of the voltage generated in the resistor R1 is limited, the linear increase of the current of the switching means Q1 is limited, and thus the current of the switching means Q1 is limited. Limit the peak value of. Limiting the current peak value in the switching means Q1 suppresses magnetic saturation of the transformer T2.
[0070]
If the operating frequency modulation signal Fm (output of the photocoupler OC2) is High, the oscillator U33 inside the on / off control means 40 oscillates at the same operating frequency fs as in the conventional example of FIG. 5, and the operating frequency modulation signal Fm (photocoupler) If the output (OC2) is Low, oscillation occurs at a higher operating frequency fsh than in the conventional example of FIG.
[0071]
The PWM comparator U31 performs pulse width modulation on the voltage feedback signal VFB using the lamp output from the oscillator U33. Specifically, the pulse width is narrowed when the voltage feedback signal VFB decreases, and the pulse width is widened when the voltage feedback signal VFB increases. Then, the logic circuit U34 is subjected to pulse width modulation, the drive signal is subjected to pulse width modulation, and the switching means Q1 is turned on and off.
[0072]
The overall operation in the steady state of the embodiment of FIG. 3 will be described.
When the output voltage Vo is lower than the reference voltage Vref, the output of the error amplifier U2 increases, the current of the photodiode of the photocoupler OC1 decreases, the current of the phototransistor of the photocoupler OC1 decreases, and the voltage feedback signal VFB is The negative input of the PWM comparator U31 increases, the pulse width of the output of the PWM comparator U31 increases, the time ratio (duty ratio) between ON and OFF increases, and the output voltage Vo increases.
[0073]
When the output voltage Vo is higher than the reference voltage Vref, the output of the error amplifier U2 decreases, the current of the photodiode of the photocoupler OC1 increases, the current of the phototransistor of the photocoupler OC1 increases, and the voltage feedback signal VFB is The negative input of the PWM comparator U31 decreases, the pulse width of the output of the PWM comparator U31 decreases, the time ratio (duty ratio) between ON and OFF decreases, and the output voltage Vo decreases.
[0074]
Thus, the output voltage Vo and the reference voltage Vref are equal. At this time, the peak value of the current in the switching means Q1 is low, the voltage generated in the resistor R1 is low, the current detection signal CS is low, the positive input of the overcurrent comparator U30 is low, and the output of the overcurrent comparator U30 is always low. is there. Further, the response characteristics of the switching power supply device in the embodiment of FIG. 3 are dominated by the time constant of the capacitor C3 and the resistor R3, as in the embodiment of FIG.
[0075]
Next, the step response operation in the embodiment of FIG. 3 will be described in detail with reference to the characteristic diagram of FIG. Description of the same components as those in the embodiment of FIGS. 1 and 2 is omitted. When the notice signal S of the response from the load device (not shown) changes from High to Low at time t1 prior to the step response at time t0, the output of the comparator U40 is saturated at Low, and the photocoupler OC2 photo The diode is saturated when turned on, the phototransistor of the photocoupler OC2 is saturated when turned on, the operating frequency modulation signal Fm becomes Low, the oscillator U10 inside the on / off control means 40 oscillates at a high operating frequency fsh, and the switching means Q1 is high. Turns on and off at operating frequency fsh.
[0076]
Thus, the load current Io changes sharply from the light load Iol to the heavy load Ioh at time t0. The subsequent operation is the same as that of the embodiment of FIGS. From the above, the response of the embodiment of FIG. 3 is similar to the response of the embodiment of FIG.
[0077]
After that, when the period Td1 ends and the notice signal S of the response from the load device (not shown) changes from Low to High, the output of the comparator U40 is saturated at High and the photodiode of the photocoupler OC2 is turned off. Then, the phototransistor of the photocoupler OC2 is turned off, the operating frequency modulation signal Fm becomes High, the oscillator U10 inside the on / off control means 40 oscillates at the operating frequency fs, and the switching means Q1 turns on and off at the operating frequency fs.
[0078]
In this way, in the embodiment of FIG. 3, a suitable response characteristic can be obtained as in the embodiment of FIG.
[0079]
Further, since the switching means Q1 can increase the operating frequency prior to the step response of the load current Io, even if the operating frequency modulation signal Fm or the like is delayed, the step response time t0 of the load current Io is surely obtained. Before, the operating frequency of the switching means Q1 can be increased. Therefore, a suitable response characteristic can be obtained stably.
[0080]
Further, if the timing (period Td1) at which the response notice signal S from the load device (not shown) changes from Low to High is increased, the period Td2 is decreased, and a more suitable response is obtained. However, if the period from time t1 to time t0 and the period Td1 are excessively increased, the period during which the switching power supply device operates at a high operating frequency fsh increases and loss increases. Define a suitable value.
[0081]
In the above-described example, the operating frequency is modulated based on the response notice signal S from the load device (not shown). Alternatively, the operating frequency may be modulated based on the decrease in the output voltage Vo. Specifically, in FIG. 3, the positive input S of the comparator U40 is connected to the output voltage Vo.
[0082]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a switching power supply device having suitable response characteristics in a step response from a light load to a heavy load. In addition, the switching power supply device can be easily formed at a low cost and in a small size.
[0083]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining the operation of the embodiment of FIG. 1;
FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the present invention.
4 is a characteristic diagram for explaining the operation of the embodiment of FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a configuration of a conventional switching power supply device.
6 is a characteristic diagram for explaining the operation of the conventional example of FIG. 5;
[Explanation of symbols]
10, 40 ON / OFF control means
20, 30 Operating frequency modulation means
Q1 Switching means
Vin input voltage
Vo output voltage
Vcc power supply
Vref, Vr1, Vr2, Vr3 reference voltage
T1, T2 transformer
S Notification signal from the load device
OUT drive signal
CS current detection signal
VFB voltage feedback signal
Fm Operating frequency modulation signal
Claims (2)
前記磁性素子の補助巻線N3に誘起する電圧の低下に基づき前記スイッチング手段のオンオフの動作周波数を高くする動作周波数変調手段を設け、
前記補助巻線N3はダイオードD2及びコンデンサC2を介して前記オンオフ制御手段及び前記動作周波数変調手段に接続し、
前記オンオフ制御手段の内部回路は、負入力に前記出力電圧と基準電圧Vrefとの差に基づく電圧帰還信号VFBを接続し正入力に前記スイッチング手段の電流に基づく電流検出信号CSを接続するコンパレータU11と、セット入力に前記動作周波数で発振する発振器の出力を接続しリセット入力に前記コンパレータU11の出力を接続し出力に前記スイッチング手段の駆動信号を接続するフリップフロップU12と、を備えた
ことを特徴とするスイッチング電源装置。In a switching power supply device comprising: a magnetic element that receives an input voltage and induces an output voltage to supply power to a load device; a switching means that is connected to the magnetic element; and an on / off control means that turns the switching means on and off.
An operating frequency modulation means for increasing the on / off operating frequency of the switching means based on a decrease in voltage induced in the auxiliary winding N3 of the magnetic element ;
The auxiliary winding N3 is connected to the on / off control means and the operating frequency modulation means via a diode D2 and a capacitor C2.
The internal circuit of the on / off control means connects a voltage feedback signal VFB based on the difference between the output voltage and the reference voltage Vref to a negative input and a current detection signal CS based on the current of the switching means to a positive input. And a flip-flop U12 that connects the output of the oscillator that oscillates at the operating frequency to the set input, connects the output of the comparator U11 to the reset input, and connects the drive signal of the switching means to the output. > A switching power supply characterized by that.
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