JP5042879B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、入力電源側と絶縁された直流安定化電圧・電流を出力するスイッチング電源装置に関し、特にスイッチング素子の損失低減、および小型・低コスト化を図るとともに、安定した起動性を得られるものに関する。 The present invention relates to a switching power supply device that outputs a DC stabilized voltage / current that is insulated from an input power supply side, and in particular, can achieve a reduction in switching element loss, a reduction in size and cost, and stable startability. About.
従来、上述のような小型高効率のスイッチング電源として、複合共振型の直列コンバータ回路が知られ、特許文献1など多くの公知技術が示されている。図12にその従来技術による主回路構成を、図13に主な部位の波形を示す。 Conventionally, a composite resonance type series converter circuit is known as a small-sized and high-efficiency switching power supply as described above. FIG. 12 shows a main circuit configuration according to the prior art, and FIG. 13 shows waveforms of main parts.
このスイッチング電源装置では、直流入力電源Eの両端子間に、スイッチング素子Q1とQ2(以下、パワーMOSFETで記述)との直列回路が接続されるとともに、コンデンサC0が接続される。そして、前記パワーMOSFETQ1,Q2の接続点と前記直流入力電源Eの一端との間に、インダクタLと出力トランスTの1次巻線L11とコンデンサC1との直列共振回路を形成し、前記パワーMOSFETQ1またはQ2の何れかと並列にコンデンサC2が接続される(図12では、直流入力電源Eの一端は低圧側に、コンデンサC2はパワーMOSFETQ2に並列に接続した例を示している)。また、パワーMOSFETQ1,Q2には、それぞれ逆並列にダイオードD1,D2が接続される(パワーMOSFETQ1,Q2のボデイダイオードで兼用される場合が多い)。 In this switching power supply device, a series circuit of switching elements Q1 and Q2 (hereinafter referred to as power MOSFET) is connected between both terminals of the DC input power supply E, and a capacitor C0 is connected. A series resonant circuit of an inductor L, a primary winding L11 of the output transformer T, and a capacitor C1 is formed between the connection point of the power MOSFETs Q1 and Q2 and one end of the DC input power supply E, and the power MOSFET Q1 Alternatively, a capacitor C2 is connected in parallel with either Q2 (in FIG. 12, one end of the DC input power supply E is connected to the low voltage side, and the capacitor C2 is connected in parallel to the power MOSFET Q2). Also, diodes D1 and D2 are connected in antiparallel to power MOSFETs Q1 and Q2, respectively (in many cases, they are also used as body diodes for power MOSFETs Q1 and Q2).
さらに前記出力トランスTの出力巻線に中間タップを設けて2分割(L21,L22)し、それらの出力を整流するダイオードD3,D4で全波整流回路を形成し、前記中間タップとの間に平滑コンデンサC3および直流負荷Loadが接続される。前記のパワーMOSFETQ1,Q2は、ブロックで示した制御部1によって、複合共振条件を加味して予め設定された周波数で交互にON/OFFされる。したがって、制御部1には、高周波発振機能、2つのパワーMOSFETQ1,Q2を交互に駆動する機能、および2つのパワーMOSFETQ1,Q2を共にOFFするデットタイム期間を設定する機能、必要に応じて入出力電圧や電流、電力を制御する為のフィードフォワードやフィードバック制御機能ならびに出力可変機能などが備えられる。
Further, an intermediate tap is provided in the output winding of the output transformer T and divided into two (L21, L22), and a full-wave rectifier circuit is formed by diodes D3 and D4 that rectify their outputs, and between the intermediate taps. A smoothing capacitor C3 and a DC load Load are connected. The power MOSFETs Q1 and Q2 are alternately turned ON / OFF at a preset frequency in consideration of the complex resonance condition by the
図13を参照して、Vg1,Vg2は制御部1によって予め設定されたパワーMOSFETQ1,Q2の駆動信号を示す。交互にON/OFFさせるとともに、両方共にOFFするデットタイム期間が設定されている。VQ1,IQ1およびVQ2,IQ2は、パワーMOSFETQ1,Q2のドレイン−ソース間電圧およびドレイン電流を示す。駆動信号Vg1がHighの時、パワーMOSFETQ1にはドレイン電流IQ1が流れ、Lowの時は略直流入力電源Eに等しい電圧VQ1が印加される(パワーMOSFETQ2の場合も同様)。なお、デットタイム期間においては、コンデンサC2とインダクタLおよび出力トランスTの励磁インダクタンスとによる効果から、ドレイン−ソース間電圧VQ1,VQ2は任意の傾斜を持った立上がり、立下り波形となる。また、ドレイン電流IQ1,IQ2は、略インダクタLとコンデンサC1とで設定される直列共振電流波形となり、これらの合成電流がインダクタLと出力トランスTの1次巻線L11とコンデンサC1との直列共振回路の電流となる。VC1はコンデンサC1の電圧波形を表しており、前記の直列共振回路の電流より位相の遅れた波形となる。ID3,ID4は出力整流のダイオードD3,D4の電流波形を示すもので、前記のパワーMOSFETQ1,Q2の駆動周波数と、インダクタLおよびコンデンサC1の直列共振周波数との関係を、「共振周波数>駆動周波数」の条件を満足させることによって、ダイオードD3,D4の一方の電流が流れ終わった後に他方の電流が流れ始めるように設定が可能で、両方のダイオード電流が流れない期間は出力側へ電力が伝達されない。すなわち、前記ダイオードD3,D4に電流が流れない期間では、出力トランスTの2次側は無負荷と考えられ、1次側の直列共振回路にトランスTの1次側励磁インダクタンスLが直列に挿入されて直列共振条件が切り替わる結果、ドレイン電流IQ1およびIQ2の波形にも変曲点が見られる。
Referring to FIG. 13, Vg1 and Vg2 indicate drive signals for power MOSFETs Q1 and Q2 set in advance by
このような複合共振型直列コンバータでは、ZVS(ゼロ電圧スイッチング)、すなわちスイッチング素子Q1,Q2の印加電圧が低下した後に電流が流れ始めるような条件設定が可能とされ、スイッチング損失が極めて少ないこと、および2次側整流ダイオードD3,D4のリカバリ損失を回避できることから、高効率で高周波化が可能となる。また、スイッチング時の電圧・電流波形が安定しているとともに、2次側整流ダイオードD3,D4のリンギングも抑制できることから、雑音面でも優れている。 In such a complex resonance type series converter, ZVS (zero voltage switching), that is, a condition setting such that a current starts to flow after the applied voltage of the switching elements Q1 and Q2 is reduced is possible, and switching loss is extremely small. Since the recovery loss of the secondary side rectifier diodes D3 and D4 can be avoided, high frequency can be achieved with high efficiency. Further, since the voltage / current waveform at the time of switching is stable and the ringing of the secondary side rectifier diodes D3 and D4 can be suppressed, the noise is also excellent.
上述の従来技術は、このような数々の特徴を有しながらも、周波数を予め発振器で設定し、2つのスイッチング素子Q1,Q2を駆動する所謂他励式のスイッチング電源装置であり、その場合、高電位側のスイッチング素子Q1,Q2へのレベルシフタが必要で、その周波数追従性や損失の観点から、高周波化に対する技術課題を有し、またコスト面での課題などから、たとえば特許文献2〜4で示すような自励式の検討もなされている。
The above-described prior art is a so-called separately-excited switching power supply that drives the two switching elements Q1 and Q2 by setting the frequency in advance with an oscillator while having such various features. A level shifter is required for the potential side switching elements Q1 and Q2. From the viewpoint of frequency followability and loss, there is a technical problem with high frequency, and from a cost viewpoint, for example,
図14は、電流帰還型の前記自励式複合共振直列コンバータの公知例を示す電気回路図である。主回路構成は概ね図12と同様であるが、この従来技術では、スイッチング素子Q1,Q2(パワーMOSFETにて構成)の駆動は、電流帰還トランスCTの2次巻線l2および3次巻線l3を利用し、抵抗R1〜R3,R4〜R6およびコンデンサC4,C5等により、波形整形しながら、適切なゲート駆動信号としている。電流帰還型の場合は、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタが用いられる場合が多いが、動作周波数を高く設定したい場合には、上記のようにパワーMOSFETを用いることもある。このような構成では、正弦波状の共振電流を帰還して、電圧駆動型のパワーMOSFETを駆動するには、ゲート回路に工夫を要し、損失が大きくなる傾向にある。 FIG. 14 is an electric circuit diagram showing a known example of the current feedback type self-excited composite resonance series converter. The main circuit configuration is substantially the same as that shown in FIG. 12, but in this prior art, the switching elements Q1 and Q2 (configured by a power MOSFET) are driven by the secondary winding l2 and the tertiary winding l3 of the current feedback transformer CT. , And an appropriate gate drive signal while shaping the waveform by resistors R1 to R3, R4 to R6 and capacitors C4 and C5. In the current feedback type, a bipolar transistor is often used as the switching element. However, when it is desired to set the operating frequency high, the power MOSFET may be used as described above. In such a configuration, in order to drive a voltage-driven power MOSFET by feeding back a sinusoidal resonance current, the gate circuit needs to be devised, and the loss tends to increase.
一方、図15は、電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータの公知例を示す電気回路図である。この従来技術では、スイッチング素子Q1,Q2(パワーMOSFETにて構成)の駆動には、出力トランスT1の補助巻線L13,L12をそれぞれ利用し、抵抗R1〜R3,R4〜R6およびコンデンサC4,C5等により波形整形しながら、適切なゲート駆動信号を得ている。このように出力トランスT1の補助巻線L12,L13から帰還信号を得る場合、矩形波状の帰還電圧が得られることから、電圧駆動型素子であるパワーMOSFETQ1,Q2に適した方法であると言える。
しかしながら、上述の従来技術では、単に出力トランスT1の帰還巻線L13,L12で発振させているので、特にスイッチングOFF動作が緩慢となり、スイッチング損失が大きくなるという問題がある。自励式の場合、スムーズなスイッチングOFF動作が安定性を左右するので、種々の工夫が加えられるが、精度良く安定した動作を得ようとするほど回路構成が大きくなり、他励式に対する優位性が乏しくなる。 However, the above-described prior art simply oscillates with the feedback windings L13 and L12 of the output transformer T1, so that there is a problem that the switching OFF operation is particularly slow and the switching loss is increased. In the case of the self-excited type, the smooth switching OFF operation affects the stability, so various ideas are added, but the circuit configuration becomes larger and the superiority over the other-excited type is scarce as it tries to obtain a stable operation with high accuracy. Become.
本発明の目的は、電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータにおいて、本来の特徴である低損失・低雑音化を維持しながら、他励式に比べて大幅な回路の簡素化、低コスト化を実現することができるスイッチング電源装置を提供することである。 The object of the present invention is to greatly simplify the circuit and reduce the cost of a self-excited composite resonant series converter of voltage feedback type compared to other types of excitation while maintaining the original characteristics of low loss and low noise. It is to provide a switching power supply device that can be realized.
本発明のスイッチング電源装置は、直流入力電源の両端子間に第1および第2のスイッチング素子から成る直列回路が接続され、前記第1および第2のスイッチング素子の接続点と前記直流入力電源の一方の端子との間に、インダクタ、コンデンサおよびトランスの1次巻線から成る直列回路が接続され、起動回路が前記第1および第2のスイッチング素子の何れかに起動パルスを与えることでスイッチングを開始し、そのスイッチングにより得られたトランスの2次側誘起電流をダイオードおよび平滑コンデンサによって整流・平滑化して出力し、前記平滑コンデンサの充電完了によって2次側誘起電流が流れなくなったことを第1および第2の制御回路が前記トランスの一方の補助巻線電圧の低下から検知して前記第1および第2のスイッチング素子の内のONしていた側をOFF駆動するとともに、他方の補助巻線電圧の上昇で前記第1および第2のスイッチング素子の内のOFFしていた側をONさせることでスイッチングが継続するようにした電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータから成るスイッチング電源装置であって、前記平滑コンデンサは、相互に並列で、相対的に小容量の第1のコンデンサと、大容量の第2のコンデンサとに分割され、前記第1のコンデンサと第2のコンデンサとの間に設けられ、前記第1のコンデンサを2次巻線側、前記第2のコンデンサを出力端側として、それらの間を、前記第1のコンデンサの充電量が予め定めるレベル以上となるまで高インピーダンスに保持するインピーダンス回路を含むことを特徴とする。 In the switching power supply device of the present invention, a series circuit composed of first and second switching elements is connected between both terminals of the DC input power supply, and the connection point between the first and second switching elements and the DC input power supply A series circuit composed of an inductor, a capacitor, and a primary winding of a transformer is connected to one terminal, and switching is performed by the start-up circuit applying a start-up pulse to one of the first and second switching elements. First, the secondary side induced current of the transformer obtained by the switching is rectified and smoothed by a diode and a smoothing capacitor, and the secondary side induced current stops flowing due to the completion of charging of the smoothing capacitor. And a second control circuit detects from a drop in the voltage of one auxiliary winding of the transformer and detects the first and second switches. Switching is continued by turning off the ON side of the chucking element and turning on the OFF side of the first and second switching elements by increasing the other auxiliary winding voltage. A switching power supply comprising a voltage feedback type self-excited composite resonant series converter configured as described above, wherein the smoothing capacitors are in parallel with each other, a first capacitor having a relatively small capacity, and a second capacitor having a large capacity. And is provided between the first capacitor and the second capacitor, with the first capacitor as the secondary winding side and the second capacitor as the output end side. Is maintained at a high impedance until the charge amount of the first capacitor reaches a predetermined level or more.
上記の構成によれば、補助巻線の誘起電圧をスイッチング素子のON/OFF駆動に用いる電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータから成るスイッチング電源装置において、2次側の平滑コンデンサを、相互に並列で、相対的に、小容量で2次巻線側に設けられる第1のコンデンサと、大容量で出力端側に設けられる第2のコンデンサとに分割し、それらの間に、第1のコンデンサの充電量が予め定めるレベル以上となるまで高インピーダンスに保持するインピーダンス回路を設ける。 According to the above configuration, in the switching power supply device including the voltage feedback self-excited complex resonance series converter that uses the induced voltage of the auxiliary winding for ON / OFF driving of the switching element, the secondary-side smoothing capacitors are connected to each other. In parallel, the first capacitor provided on the secondary winding side with a relatively small capacity and the second capacitor provided on the output end side with a large capacity are divided into the first capacitor between them. An impedance circuit that maintains a high impedance until the charge amount of the capacitor reaches a predetermined level or more is provided.
したがって、起動時に2次側に誘起された電圧により生じる2次電流は前記インピーダンス回路によって負荷側へ急速に流れず、第1のコンデンサを充電するとともに、その充電中に補助巻線を介して1次側に帰還される電圧信号によって、第1および第2のスイッチング素子の内のONしていた側をOFF駆動し、OFFしていた側をON駆動させる。こうして、低損失・低雑音で、さらに他励式に比べて大幅な回路の簡素化、低コスト化を実現することができる電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータにおいて、起動性を改善することができる。 Therefore, the secondary current generated by the voltage induced on the secondary side at the time of start-up does not flow rapidly to the load side by the impedance circuit, charges the first capacitor, and 1 during the charging through the auxiliary winding. Of the first and second switching elements, the ON side is turned OFF and the OFF side is turned ON by the voltage signal fed back to the next side. In this way, in the voltage feedback self-excited complex resonance series converter, which can realize low-loss and low-noise, and further simplification of the circuit and cost reduction compared to the separately excited type, the startability can be improved. it can.
好ましくは、前記インピーダンス回路は、前記第1のコンデンサに並列に設けられるツエナーダイオードと抵抗との直列回路と、前記第1および第2のコンデンサの一方の端子間に介在され、前記ツエナーダイオードと抵抗との接続点の電圧が一定値以上になるとONするスイッチとを備えて構成されることを特徴とする。 Preferably, the impedance circuit is interposed between a series circuit of a Zener diode and a resistor provided in parallel with the first capacitor, and one terminal of the first and second capacitors, and the Zener diode and the resistor And a switch that is turned on when the voltage at the connection point of the switch becomes a certain value or more.
また好ましくは、前記インピーダンス回路は、前記第1のコンデンサに並列に設けられる第1および第2のインピーダンス素子の直列回路と、前記第1および第2のコンデンサの一方の端子間に介在され、前記第1および第2のインピーダンス素子による分圧電圧が一定値以上になるとONするスイッチとを備えて構成されることを特徴とする。 Preferably, the impedance circuit is interposed between a series circuit of first and second impedance elements provided in parallel with the first capacitor and one terminal of the first and second capacitors, And a switch that is turned on when the divided voltage by the first and second impedance elements exceeds a certain value.
さらにまた好ましくは、前記インピーダンス回路は、前記第1のコンデンサに並列に設けられる抵抗とコンデンサとの直列時定数回路と、前記第1および第2のコンデンサの一方の端子間に介在され、前記コンデンサの充電電圧が一定値以上になるとONするスイッチとを備えて構成されることを特徴とする。 More preferably, the impedance circuit is interposed between a series time constant circuit of a resistor and a capacitor provided in parallel with the first capacitor, and one terminal of the first and second capacitors, and the capacitor And a switch that is turned on when the charging voltage becomes equal to or higher than a certain value.
また好ましくは、前記スイッチと並列にさらにインピーダンス素子を備え、前記第1および第2のコンデンサ間に、起動直後は該インピーダンス素子が挿入され、前記コンデンサの充電電圧が一定値以上になると前記スイッチで該インピーダンス素子が短絡されることを特徴とする。 Further preferably, an impedance element is further provided in parallel with the switch, and the impedance element is inserted between the first and second capacitors immediately after startup, and when the charging voltage of the capacitor becomes a predetermined value or more, the switch The impedance element is short-circuited.
さらにまた好ましくは、前記インピーダンス回路は、前記第2のコンデンサに直列に設けられるインピーダンス素子から成ることを特徴とする。 More preferably, the impedance circuit is composed of an impedance element provided in series with the second capacitor.
また好ましくは、前記インピーダンス回路は、前記第1のコンデンサに並列に設けられるツエナーダイオードと抵抗との直列回路と、前記第2のコンデンサと直列に介在され、前記ツエナーダイオードと抵抗との接続点の電圧が一定値以上になるとONするスイッチとを備えて構成されることを特徴とする。 Further preferably, the impedance circuit is interposed in series with the second capacitor and a series circuit of a Zener diode and a resistor provided in parallel with the first capacitor, and is connected to a connection point of the Zener diode and the resistor. It is characterized by comprising a switch that turns on when the voltage exceeds a certain value.
また、本発明のスイッチング電源装置は、負荷の異常を検出すると前記スイッチをOFFする異常検出回路をさらに備えることを特徴とする。 The switching power supply device of the present invention further includes an abnormality detection circuit that turns off the switch when a load abnormality is detected.
上記の構成によれば、上記のように起動時に大容量な第2のコンデンサを切離しておくスイッチを、負荷の異常を検出した際に該負荷を切り離す異常保護スイッチに兼用することができる。 According to said structure, the switch which isolate | separates a large capacity | capacitance 2nd capacitor | condenser at the time of starting as mentioned above can be combined with the abnormality protection switch which isolate | separates this load, when the abnormality of a load is detected.
さらにまた、本発明のスイッチング電源装置では、前記インピーダンス回路は、前記第1のコンデンサと第2のコンデンサとを切離すスイッチから成り、前記スイッチに、その制御回路、チョークコイルおよびダイオードをさらに備えて、降圧または昇圧チョッパ回路を構成することを特徴とする。 Furthermore, in the switching power supply device of the present invention, the impedance circuit includes a switch that disconnects the first capacitor and the second capacitor, and the switch further includes a control circuit, a choke coil, and a diode. The step-down or step-up chopper circuit is configured.
上記の構成によれば、定電圧や定電流制御の為に2次側の信号を1次側へフィードバックする必要がなくなるとともに、自励式複合共振直列コンバータの動作波形を最適に保つことが可能となる。 According to the above configuration, there is no need to feed back the secondary signal to the primary side for constant voltage or constant current control, and the operation waveform of the self-excited composite resonance series converter can be kept optimal. Become.
また、本発明のスイッチング電源装置は、負荷がLEDであることを特徴とする。 In the switching power supply device of the present invention, the load is an LED.
上記の構成によれば、負荷としてLEDを用いると、該LEDの順方向電圧以上の電圧(直列構成の場合はそのn倍)が印加されるまでは電流が流れず、起動時はいわゆる無負荷状態にあるため、電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータの起動性を改善するとともに、LED負荷着脱時などに発生するLEDへのラッシュ電流を抑制する効果がある。 According to the above configuration, when an LED is used as a load, no current flows until a voltage equal to or higher than the forward voltage of the LED (n times that in the case of a series configuration) is applied. Therefore, the start-up property of the voltage feedback type self-excited composite resonance series converter is improved, and the rush current to the LED generated when the LED load is attached / detached is suppressed.
本発明のスイッチング電源装置は、以上のように、補助巻線の誘起電圧をスイッチング素子のON/OFF駆動に用いる電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータから成るスイッチング電源装置において、2次側の平滑コンデンサを、相互に並列で、相対的に、小容量で2次巻線側に設けられる第1のコンデンサと、大容量で出力端側に設けられる第2のコンデンサとに分割し、それらの間に、第1のコンデンサの充電量が予め定めるレベル以上となるまで高インピーダンスに保持するインピーダンス回路を設ける。 As described above, the switching power supply according to the present invention is a switching power supply comprising a voltage feedback type self-excited complex resonance series converter that uses the induced voltage of the auxiliary winding for ON / OFF driving of the switching element. The smoothing capacitor is divided into a first capacitor provided on the secondary winding side with a relatively small capacity in parallel with each other, and a second capacitor provided on the output end side with a large capacity, In the meantime, an impedance circuit is provided that maintains a high impedance until the charge amount of the first capacitor becomes equal to or higher than a predetermined level.
それゆえ、起動時に2次側に誘起された電圧により生じる2次電流は前記インピーダンス回路によって負荷側へ急速に流れず、第1のコンデンサを充電するとともに、その充電中に補助巻線を介して1次側に帰還される電圧信号によって、第1および第2のスイッチング素子の内のONしていた側をOFF駆動し、OFFしていた側をON駆動させる。こうして、低損失・低雑音で、さらに他励式に比べて大幅な回路の簡素化、低コスト化を実現することができる電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータにおいて、起動性を改善することができる。 Therefore, the secondary current generated by the voltage induced on the secondary side at start-up does not flow rapidly to the load side by the impedance circuit, charges the first capacitor, and passes through the auxiliary winding during the charging. By the voltage signal fed back to the primary side, the ON side of the first and second switching elements is driven OFF, and the OFF side is driven ON. In this way, in the voltage feedback self-excited complex resonance series converter, which can realize low-loss and low-noise, and further simplification of the circuit and cost reduction compared to the separately excited type, the startability can be improved. it can.
また、本発明のスイッチング電源装置は、以上のように、前記第1および第2のコンデンサの間にインピーダンス回路として設けられるスイッチを、異常検出回路が負荷の異常を検出するとOFFする。 In addition, as described above, the switching power supply device of the present invention turns off the switch provided as an impedance circuit between the first and second capacitors when the abnormality detection circuit detects a load abnormality.
それゆえ、起動時に大容量な第2のコンデンサを切離しておくスイッチを、負荷の異常を検出した際に該負荷を切り離す異常保護スイッチに兼用することができる。 Therefore, the switch that disconnects the large-capacity second capacitor at the time of start-up can also be used as an abnormality protection switch that disconnects the load when an abnormality of the load is detected.
さらにまた、本発明のスイッチング電源装置は、以上のように、前記インピーダンス回路を、前記第1のコンデンサと第2のコンデンサとを切離すスイッチで構成し、前記スイッチに、その制御回路、チョークコイルおよびダイオードをさらに備えて、降圧または昇圧チョッパ回路を構成する。 Furthermore, in the switching power supply device of the present invention, as described above, the impedance circuit is configured by a switch that separates the first capacitor and the second capacitor, and the control circuit, choke coil is included in the switch. And a diode are further provided to constitute a step-down or step-up chopper circuit.
それゆえ、定電圧や定電流制御の為に2次側の信号を1次側へフィードバックする必要がなくなるとともに、自励式複合共振直列コンバータの動作波形を最適に保つことが可能となる。 Therefore, it is not necessary to feed back the secondary side signal to the primary side for constant voltage and constant current control, and the operation waveform of the self-excited composite resonance series converter can be kept optimal.
また、本発明のスイッチング電源装置は、以上のように、負荷をLEDとする。 Moreover, the switching power supply device of this invention makes load into LED as mentioned above.
それゆえ、LEDの順方向電圧以上の電圧が印加されるまでは電流が流れず、起動時はいわゆる無負荷状態にあるため、電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータの起動性を改善するとともに、LED負荷着脱時などに発生するLEDへのラッシュ電流を抑制する効果がある。 Therefore, current does not flow until a voltage higher than the forward voltage of the LED is applied, and it is in a so-called no-load state at the time of start-up, so that the start-up property of the voltage feedback type self-excited complex resonance series converter is improved. There is an effect of suppressing the rush current to the LED generated when the LED load is attached / detached.
図16は、本発明の前提となる改良された電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータの回路構成を示す図であり、図17はその主な動作波形を示す図である。このスイッチング電源装置は、スイッチング素子Q1,Q2の損失低減、および小型・低コスト化を図り、さらに動作の高周波化を可能とするものである。図16において、直流入力電源Eの両端子間に、スイッチング素子Q1とQ2(以下、パワーMOSFETで記述)との直列回路が接続されるとともに、コンデンサC0が接続される。そして、前記パワーMOSFETQ1,Q2の接続点と前記直流入力電源Eの一端との間に、インダクタLと出力トランスT1の1次巻線L11とコンデンサC1との直列共振回路を形成し、前記パワーMOSFETQ1,Q2の何れかと並列にコンデンサC2が接続される(図16では、直流入力電源Eの一端は低圧側に、コンデンサC2はパワーMOSFETQ2に並列に接続した例を示している)。また、パワーMOSFETQ1,Q2には、それぞれ逆並列にダイオードD1,D2が接続される。なお、コンデンサC2は、パワーMOSFETQ1,Q2の接合容量で代用される場合もあり、ダイオードD1,D2も、前記パワーMOSFETQ1,Q2のボデイダイオードで兼用される場合もある。 FIG. 16 is a diagram showing a circuit configuration of an improved voltage feedback type self-excited complex resonance series converter which is a premise of the present invention, and FIG. 17 is a diagram showing main operation waveforms thereof. This switching power supply device is intended to reduce the loss of the switching elements Q1 and Q2, and to reduce the size and cost, and to increase the operation frequency. In FIG. 16, a series circuit of switching elements Q1 and Q2 (hereinafter referred to as power MOSFET) is connected between both terminals of the DC input power supply E, and a capacitor C0 is connected. A series resonant circuit of an inductor L, a primary winding L11 of the output transformer T1, and a capacitor C1 is formed between the connection point of the power MOSFETs Q1 and Q2 and one end of the DC input power supply E, and the power MOSFET Q1 , Q2 and a capacitor C2 are connected in parallel (FIG. 16 shows an example in which one end of the DC input power source E is connected to the low voltage side and the capacitor C2 is connected to the power MOSFET Q2 in parallel). Also, diodes D1 and D2 are connected in antiparallel to power MOSFETs Q1 and Q2, respectively. Capacitor C2 may be substituted by the junction capacitance of power MOSFETs Q1 and Q2, and diodes D1 and D2 may also be used as body diodes of power MOSFETs Q1 and Q2.
さらに前記出力トランスT1の出力巻線に中間タップを設けて2分割(L21,L22)し、それらの出力を整流するダイオードD3,D4で全波整流回路を形成し、前記中間タップとの間に平滑コンデンサC3および直流負荷Loadが接続される。また、前記出力トランスT1に補助巻線L12を設け、1次の主巻線L11と逆極性側をゲート抵抗R12を介してパワーMOSFETQ2のゲートに接続し、補助巻線L12に生じる電圧でパワーMOSFETQ2を駆動できるように構成する。高圧側のパワーMOSFETQ1のゲート駆動回路についても同様に、出力トランスT1に第2の補助巻線L13を設け、1次の主巻線L11と同一極性側をゲート抵抗R11を介して前記パワーMOSFETQ1のゲートに接続し、第2の補助巻線L13に生じる電圧でパワーMOSFETQ1を駆動できるように構成する。こうして、2つの補助巻線L13,L12からの帰還電圧によって、パワーMOSFETQ1,Q2が交互にON/OFFして自励発振する。 Further, an intermediate tap is provided in the output winding of the output transformer T1 and divided into two (L21, L22), and a full-wave rectifier circuit is formed by diodes D3 and D4 that rectify their outputs, and between the intermediate taps. A smoothing capacitor C3 and a DC load Load are connected. Further, an auxiliary winding L12 is provided in the output transformer T1, and the reverse polarity side of the primary main winding L11 is connected to the gate of the power MOSFET Q2 via the gate resistor R12, and the power MOSFET Q2 is generated by the voltage generated in the auxiliary winding L12. Is configured to be driven. Similarly, for the gate drive circuit of the high-voltage side power MOSFET Q1, a second auxiliary winding L13 is provided in the output transformer T1, and the same polarity side as the primary main winding L11 is connected to the power MOSFET Q1 via the gate resistor R11. The power MOSFET Q1 is configured to be connected to the gate and driven by the voltage generated in the second auxiliary winding L13. Thus, the power MOSFETs Q1 and Q2 are alternately turned on and off by the feedback voltages from the two auxiliary windings L13 and L12, and self-oscillate.
さらにまた、各パワーMOSFETQ1,Q2には、そのOFFタイミングを設定するための制御回路Cont1,Cont2が設けられる。これらの制御回路Cont1,Cont2は、前記パワーMOSFETQ1,Q2のゲート−ソース間を短絡し、該パワーMOSFETQ1,Q2をOFFさせるためのスイッチ素子SW1と、ダイオードD5とコンデンサC4とで構成したピークホールド回路と、前記ダイオードD5の逆電圧を検出し、前記スイッチ素子SW1をONさせるための比較器Compと、次のサイクルに備えてコンデンサC4の電荷を放電するための遅延回路2およびスイッチSW2とを備えて構成される。
Furthermore, the power MOSFETs Q1 and Q2 are provided with control circuits Cont1 and Cont2 for setting the OFF timing. These control circuits Cont1 and Cont2 are short-circuited between the gates and sources of the power MOSFETs Q1 and Q2, and the peak hold circuit composed of a switch element SW1 for turning off the power MOSFETs Q1 and Q2, a diode D5, and a capacitor C4. And a comparator Comp for detecting the reverse voltage of the diode D5 and turning on the switch element SW1, and a
図17に基づいて回路動作を説明する。図中VQ1,VQ2はパワーMOSFETQ1,Q2のドレイン−ソース間電圧、IQ1,IQ2はパワーMOSFETQ1,Q2のドレイン電流、VC1はコンデンサC1の電圧、ID3,ID4は出力整流ダイオードD3,D4のダイオード電流、VL11は出力トランスT1の1次巻線L11の電圧、VL13は出力トランスT1の補助巻線L13の電圧、cont1,cont2は制御回路Cont1,Cont2内で前記スイッチ素子SW1を駆動するための信号をそれぞれ表しており、何れも図13にて説明した他励式複合共振直列コンバータの動作波形と近似している。 The circuit operation will be described with reference to FIG. In the figure, VQ1 and VQ2 are drain-source voltages of the power MOSFETs Q1 and Q2, IQ1 and IQ2 are drain currents of the power MOSFETs Q1 and Q2, VC1 is a voltage of the capacitor C1, ID3 and ID4 are diode currents of the output rectifier diodes D3 and D4, VL11 is a voltage of the primary winding L11 of the output transformer T1, VL13 is a voltage of the auxiliary winding L13 of the output transformer T1, and cont1 and cont2 are signals for driving the switch element SW1 in the control circuits Cont1 and Cont2, respectively. These are approximated to the operation waveforms of the separately excited composite resonant series converter described in FIG.
すなわち、2次側の整流ダイオードD3,D4の電流ID3,ID4が途切れるタイミングで発生する補助巻線L13,L12の電圧の降下点を、ダイオードD5とコンデンサC4とで構成したピークホールド回路によって求められる直流電圧と、そのままの巻線電圧とを比較器Compで比較することによって検出し、その時点でスイッチ素子SW1をONしてパワーMOSFETQ1,Q2をターンオフさせる。このことはスイッチングOFFの条件を設定することになり、安定した自励発振を可能にするとともに、ゲート電圧の立下りを急峻にして、パワーMOSFETQ1,Q2のスイッチング損失の低減を可能とする。そのターンオフ後、遅延回路2において所定時間が経過するとスイッチSW2がONされ、コンデンサC4の電荷が放電される。
That is, the voltage drop point of the auxiliary windings L13 and L12 generated at the timing when the currents ID3 and ID4 of the secondary side rectifier diodes D3 and D4 are interrupted is obtained by a peak hold circuit constituted by the diode D5 and the capacitor C4. The DC voltage is detected by comparing the coil voltage as it is with a comparator Comp. At that time, the switch element SW1 is turned on to turn off the power MOSFETs Q1 and Q2. This sets a switching-off condition, which enables stable self-excited oscillation and makes the gate voltage fall steep to reduce the switching loss of the power MOSFETs Q1 and Q2. After the turn-off, when a predetermined time elapses in the
ここで、前述の図15の構成では、主回路の共振動作に連動してスイッチングを反転させており、帰還巻線L13,L12に共振動作に伴う安定した信号が含まれる場合は特に問題はないが、共振が不安定な場合、異常発振が生じる。これに対して、本願発明の複合共振の場合、主共振を電流共振(直列共振)としてその間はスイッチングOFFさせず、その後のダイオードD3,D4に電流が流れない期間においてスイッチングOFFさせようとするもので、前記共振の不安定さに対する動作の安定を確保することができる。しかしながら、前記ダイオードD3,D4に電流が流れない期間は、インダクタLに蓄積したエネルギでスイッチング素子Q2と並列のコンデンサC2を充電するが、共振としては弱く、一般的にはインダクタLのエネルギが放出された段階での緩慢なスイッチングとなる。これに対して、上記図16の構成では、緩慢なスイッチングOFFを待つのではなく、ダイオードD3,D4に電流が流れない期間に入った直後のタイミングで、比較器Compからスイッチ素子SW1によってスイッチングOFFを行う。これによって、前述のようにスイッチング損失の低減を図っている。 Here, in the configuration of FIG. 15 described above, switching is inverted in conjunction with the resonance operation of the main circuit, and there is no particular problem when the feedback windings L13 and L12 include a stable signal accompanying the resonance operation. However, when the resonance is unstable, abnormal oscillation occurs. On the other hand, in the case of the composite resonance of the present invention, the main resonance is set as the current resonance (series resonance), and the switching is not turned off during that time, and the switching is turned off during the subsequent period in which no current flows through the diodes D3 and D4. Thus, it is possible to ensure the stability of the operation against the instability of the resonance. However, during the period in which no current flows through the diodes D3 and D4, the energy stored in the inductor L charges the capacitor C2 in parallel with the switching element Q2. However, the resonance is weak and generally the energy of the inductor L is released. It becomes slow switching at the stage where it is done. On the other hand, in the configuration of FIG. 16, the switching OFF is not performed by the switch element SW1 from the comparator Comp at a timing immediately after the period in which no current flows in the diodes D3 and D4, rather than waiting for the slow switching OFF. I do. As a result, the switching loss is reduced as described above.
図18は、前記図16の制御回路Cont1,Cont2の具体的な一構成例である制御回路Conta,Contbの回路図である。図18(a)で示す制御回路Contaでは、端子P11−P13;P21−P23間に入力される電圧帰還信号を、抵抗r1,r2で分圧し、その分圧された電圧をコンパレータIC1の−端子へ供給している。またこの分圧電圧で、ダイオードd5およびツエナーダイオードzdを介してコンデンサc2を充電するとともに、その充電電圧を前記コンパレータIC1の+端子に供給している。このような構成によって、帰還電圧が所定値以下に低下した場合、前記分圧点の電位も低下し、−端子の電位が+端子の電位以下となってコンパレータIC1の出力がハイレベルとなり、これによってスイッチ素子q1がONし、端子P12−P13;P22−P23間を短絡、すなわちパワーMOSFETQ1,Q2をOFFさせることができる。図中、ダイオードd2とコンデンサc1とは、コンパレータIC1の電源を形成し、またダイオードd3,d4および抵抗r3は、コンデンサc2の電荷を引き抜く回路を形成している。このようなダイオードd5およびツエナーダイオードzdによって、前記コンパレータIC1の閾値設定の自由度が高くなっている。
FIG. 18 is a circuit diagram of the control circuits Conta and Cont, which is a specific configuration example of the control circuits Cont1 and Cont2 of FIG. In the control circuit Conta shown in FIG. 18A, the voltage feedback signal inputted between the terminals P11-P13; P21-P23 is divided by the resistors r1 and r2, and the divided voltage is minus-terminal of the comparator IC1. To supply. The divided voltage charges the capacitor c2 via the diode d5 and the Zener diode zd, and supplies the charging voltage to the + terminal of the comparator IC1. With such a configuration, when the feedback voltage decreases below a predetermined value, the potential at the voltage dividing point also decreases, the potential at the − terminal becomes equal to or less than the potential at the + terminal, and the output of the comparator IC1 becomes high level. As a result, the switch element q1 is turned ON, and the terminals P12-P13; P22-P23 are short-circuited, that is, the power MOSFETs Q1, Q2 can be turned OFF. In the figure, the diode d2 and the capacitor c1 form a power source for the comparator IC1, and the diodes d3 and d4 and the resistor r3 form a circuit for extracting the charge of the capacitor c2. Such a diode d5 and a Zener diode zd increase the degree of freedom in setting the threshold value of the comparator IC1.
また、図18(b)で示す制御回路Contbでは、前記端子P11−P13;P21−P23間に入力される電圧帰還信号を、抵抗r11とダイオードd11とを介してコンデンサc11に蓄積し、前記帰還電圧がMOSFETq11のゲートスレシホールド電圧以上に低下した場合に前記MOSFETq11をONさせて、該コンデンサc11の電荷を放出させるとともに、その放電電流でpnp型のバイポーラトランジスタから成るスイッチ素子q12をONさせ、端子P12−P13;P22−P23間を短絡、すなわちパワーMOSFETQ1,Q2をOFFさせている。なお、各端子P11〜P13;P21〜P23の対応関係は、図16に示す。 Further, in the control circuit Contb shown in FIG. 18B, a voltage feedback signal input between the terminals P11-P13; P21-P23 is accumulated in the capacitor c11 via the resistor r11 and the diode d11, and the feedback When the voltage drops below the gate threshold voltage of the MOSFET q11, the MOSFET q11 is turned on to release the charge of the capacitor c11 and the switch element q12 composed of a pnp bipolar transistor is turned on by the discharge current, Terminals P12-P13; P22-P23 are short-circuited, that is, the power MOSFETs Q1, Q2 are turned OFF. In addition, the correspondence of each terminal P11-P13; P21-P23 is shown in FIG.
図19は、前述の図16の実際の回路構成を示す図である。図16の構成によって安定した定常動作が可能であるが、図16の構成では、最初に入力電源が供給された場合の起動性に課題を有する。詳しくは、商用電源Vacを整流ブリッジDBとコンデンサC0とで整流・平滑することで前記直流入力電源Eを構成し、パワーMOSFETに並列の起動抵抗R0を介して予めコンデンサC1を充電しておき、抵抗R10とコンデンサC10およびダイアックQ10から成る起動回路(弛張発振回路)IGNが発振し、その出力を前記パワーMOSFETQ2のゲート端子に供給すると、該パワーMOSFETQ2が一瞬ONし、前記コンデンサC1の電荷が出力トランスT1の1次巻線L11を介して放出されるために、出力トランスT1の補助巻線L13にパワーMOSFETQ1をONさせる方向に起電力を生じて、継続した自励発振の動作が開始される。 FIG. 19 is a diagram showing an actual circuit configuration of FIG. 16 described above. Although stable steady operation is possible with the configuration of FIG. 16, the configuration of FIG. 16 has a problem in the startability when input power is first supplied. Specifically, the DC input power supply E is configured by rectifying and smoothing the commercial power supply Vac with the rectifying bridge DB and the capacitor C0, and the capacitor C1 is charged in advance via the starting resistor R0 in parallel with the power MOSFET. When a starting circuit (relaxation oscillation circuit) IGN comprising a resistor R10, a capacitor C10 and a diac Q10 oscillates and its output is supplied to the gate terminal of the power MOSFET Q2, the power MOSFET Q2 is turned on momentarily, and the charge of the capacitor C1 is output. Since it is discharged through the primary winding L11 of the transformer T1, an electromotive force is generated in the auxiliary winding L13 of the output transformer T1 in the direction of turning on the power MOSFET Q1, and the operation of continuous self-oscillation is started. .
しかしながら、起動時においては出力側の平滑コンデンサC3に蓄積電荷が存在せず、起動パルスによる出力トランスT1の補助巻線L13,L12の誘起電圧が吸収され易い。すなわち、平滑コンデンサC3が満充電となってからは前記補助巻線L13,L12に電圧が誘起されるが、それまではパワーMOSFETQ1,Q2の駆動信号(電圧パルス)が得られないことになる。また、ゲート回路にコンデンサC4による平滑要素が含まれることでも、誘起電圧を吸収する要因となり、パワーMOSFETQ1,Q2のゲートスレシホールド電圧に達するような帰還信号が得にくい。 However, at the time of startup, there is no accumulated charge in the output-side smoothing capacitor C3, and the induced voltages of the auxiliary windings L13 and L12 of the output transformer T1 due to the startup pulse are easily absorbed. That is, after the smoothing capacitor C3 is fully charged, a voltage is induced in the auxiliary windings L13 and L12, but the drive signals (voltage pulses) for the power MOSFETs Q1 and Q2 cannot be obtained until then. In addition, even if the gate circuit includes a smoothing element by the capacitor C4, it becomes a factor to absorb the induced voltage, and it is difficult to obtain a feedback signal that reaches the gate threshold voltage of the power MOSFETs Q1 and Q2.
このため図20には、1つの試みとして提案された事例(信学技報IEICE Technical Report EE2006−53(2007−01)自励駆動共振形コンバータのディジタル制御について)を示す。この先行技術は、デジタル・シグナル・プロセッサ3によるディジタル制御を用いて、起動状況を確認しながらパルス条件を変化させるもので、複雑な制御を必要とするアナログ制御に対して、容易に解決可能としている。しかしながら、本来、複合共振直列コンバータを自励で構成する主目的の1つは、簡易な構成による小型・低コスト化であり、この観点からすれば、ディジタル化以外の簡易な方法が望まれる。
For this reason, FIG. 20 shows a case proposed as one attempt (for digital control of the IEICE Technical Report EE2006-53 (2007-01) self-excited drive type resonant converter). This prior art uses digital control by the
そこで、図1は、本発明の実施の一形態に係るスイッチング電源装置の電気的構成を示すブロック図である。このスイッチング電源装置は、前述の図16および図19で示すスイッチング電源装置に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示す。このスイッチング電源装置でも、直流入力電源Eの両端子間に、スイッチング素子Q1とQ2(以下、パワーMOSFETで記述)との直列回路が接続されるとともに、コンデンサC0が接続される。そして、前記パワーMOSFETQ1,Q2の接続点と前記直流入力電源Eの一端との間に、インダクタLと出力トランスT1の1次巻線L11とコンデンサC1との直列共振回路を接続し、前記パワーMOSFETQ1またはQ2の何れか一方と並列にコンデンサC2が、他方と並列に起動抵抗R0が接続される。(図1では、直流入力電源Eの一端は低圧側に、コンデンサC2はパワーMOSFETQ2に、起動抵抗R0はパワーMOSFETQ1に並列に接続した例を示している)。前述のように、コンデンサC2は、パワーMOSFETQ1,Q2の接合容量で代用される場合もあり、ダイオードD1,D2も、前記パワーMOSFETQ1,Q2のボデイダイオードで兼用される場合もある。 FIG. 1 is a block diagram showing an electrical configuration of the switching power supply device according to the embodiment of the present invention. This switching power supply apparatus is similar to the switching power supply apparatus shown in FIGS. 16 and 19 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals. Also in this switching power supply device, a series circuit of switching elements Q1 and Q2 (hereinafter referred to as power MOSFET) is connected between both terminals of the DC input power supply E, and a capacitor C0 is connected. A series resonance circuit of an inductor L, a primary winding L11 of the output transformer T1, and a capacitor C1 is connected between a connection point of the power MOSFETs Q1 and Q2 and one end of the DC input power supply E, and the power MOSFET Q1. Alternatively, a capacitor C2 is connected in parallel with either one of Q2 and a starting resistor R0 is connected in parallel with the other. (FIG. 1 shows an example in which one end of the DC input power source E is connected to the low voltage side, the capacitor C2 is connected to the power MOSFET Q2, and the starting resistor R0 is connected in parallel to the power MOSFET Q1). As described above, the capacitor C2 may be substituted by the junction capacitance of the power MOSFETs Q1 and Q2, and the diodes D1 and D2 may also be shared by the body diodes of the power MOSFETs Q1 and Q2.
さらに前記出力トランスT1の出力巻線に中間タップを設けて2分割(L21,L22)し、それらの出力を整流するダイオードD3,D4で全波整流回路を形成し、注目すべきは、本実施の形態では、前記中間タップとの間に小容量の第1のコンデンサC31が接続され、さらにインピーダンス回路Zを介して大容量の第2のコンデンサC32および直流負荷Loadが接続されることである。すなわち、前述の図16および図19で示す前提構成において、平滑コンデンサC3がC31とC32とに分割され、それらの間にインピーダンス回路Zが介在される。前記出力トランスT1には補助巻線L13,L12が設けられ、それぞれ前記ゲート抵抗R11,R12および制御回路Cont1,Cont2を介してパワーMOSFETQ1,Q2を駆動する。制御回路Cont1,Cont2および起動回路IGNは、前述の図19で説明したのと同様な回路を構成している。 Furthermore, an intermediate tap is provided in the output winding of the output transformer T1 and divided into two (L21, L22), and a full-wave rectifier circuit is formed by diodes D3 and D4 that rectify their outputs. In this form, a first capacitor C31 having a small capacity is connected to the intermediate tap, and a second capacitor C32 having a large capacity and a DC load Load are further connected via the impedance circuit Z. That is, in the premise configuration shown in FIGS. 16 and 19, the smoothing capacitor C3 is divided into C31 and C32, and the impedance circuit Z is interposed between them. The output transformer T1 is provided with auxiliary windings L13 and L12, and drives the power MOSFETs Q1 and Q2 via the gate resistors R11 and R12 and the control circuits Cont1 and Cont2, respectively. The control circuits Cont1, Cont2 and the starting circuit IGN constitute a circuit similar to that described with reference to FIG.
このように構成されるスイッチング電源装置において、直流入力電源Eから起動抵抗R0を介してコンデンサC2が充電された状態で、起動回路IGNからパワーMOSFETQ2のゲートに起動パルスが供給されると、該パワーMOSFETQ2が一瞬ONし、コンデンサC1の電荷が出力トランスT1の1次巻線L11を介して放電され、該出力トランスT1の各巻線L21,L22;L13,L12に電圧が誘起される。2次巻線L21,L22の誘起電圧は、ダイオードD3またはD4とコンデンサC31とで先ず整流・平滑されるが、本発明では、このコンデンサC31は、上述のような起動性に支障のない程度の容量値とし、その出力側にインピーダンス回路Zを介して本来の第2のコンデンサC32が接続される。そして、起動パルスによって誘起された2次電圧は、インピーダンス回路Zの分だけ第2のコンデンサC32に吸収されにくくなり、補助巻線L13,L12からの帰還信号も発生し易くなる。その結果、パワーMOSFETをONさせ易くなり、電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータにおいて、本来の特徴である低損失・低雑音化を維持しながら、他励式に比べて大幅な回路の簡素化、低コスト化を実現するとともに、起動性を改善することができる。 In the switching power supply configured as described above, when a starting pulse is supplied from the starting circuit IGN to the gate of the power MOSFET Q2 in a state where the capacitor C2 is charged from the DC input power source E via the starting resistor R0, the power The MOSFET Q2 is turned ON for a moment, the electric charge of the capacitor C1 is discharged through the primary winding L11 of the output transformer T1, and a voltage is induced in each of the windings L21, L22; L13, L12 of the output transformer T1. The induced voltage of the secondary windings L21 and L22 is first rectified and smoothed by the diode D3 or D4 and the capacitor C31. However, in the present invention, the capacitor C31 has a degree that does not hinder the startability as described above. The capacitance value is set, and the original second capacitor C32 is connected to the output side via the impedance circuit Z. The secondary voltage induced by the start pulse is less likely to be absorbed by the second capacitor C32 by the amount corresponding to the impedance circuit Z, and a feedback signal from the auxiliary windings L13 and L12 is also likely to be generated. As a result, it becomes easy to turn on the power MOSFET, and in the voltage feedback type self-excited complex resonance series converter, the circuit is greatly simplified compared to the other excitation type while maintaining the low loss and low noise which are the original features. In addition, the cost can be reduced and the startability can be improved.
図2〜図6は、図1で示したインピーダンス回路Zの具体的な一構成例を示す図であり、スイッチQ31(MOSFETで表示)を用いる。図2においては、ツエナーダイオードZDと抵抗R31とによって第1のコンデンサC31の電圧が一定値以上になった後にスイッチQ31をONさせて、第2のコンデンサC32による平滑と負荷Loadへの直流電流出力を行うように構成している。 2 to 6 are diagrams showing a specific configuration example of the impedance circuit Z shown in FIG. 1, and a switch Q31 (indicated by a MOSFET) is used. In FIG. 2, the switch Q31 is turned on after the voltage of the first capacitor C31 becomes equal to or higher than a certain value by the Zener diode ZD and the resistor R31, and the smoothing by the second capacitor C32 and the direct current output to the load Load are performed. Is configured to do.
また、図3は、図2のツエナーダイオードZDに代えて、インピーダンス素子Z1とZ2との分圧電圧でスイッチQ31をONさせるように構成した例である。さらにまた、図4は、抵抗R32とコンデンサC33による直列時定数回路を用い、前記コンデンサC33の充電電圧が一定値以上になることで、起動後は速やかにスイッチQ31をONさせるように構成した例である。また、図5は、スイッチQ31と並列にインピーダンス素子Z1を設けたもので、図1のインピーダンス回路Zを一定時間後に短絡して突入電流を抑制できる構成とした例である。さらに、図6は、異常検出回路11によって負荷Loadの異常を検出した際に、スイッチQ31をOFFとし、該負荷Loadを切り離す異常保護とスイッチQ31を兼用した例である。
FIG. 3 shows an example in which the switch Q31 is turned on by the divided voltage of the impedance elements Z1 and Z2 instead of the Zener diode ZD of FIG. Furthermore, FIG. 4 shows an example in which a series time constant circuit composed of a resistor R32 and a capacitor C33 is used, and the switch Q31 is quickly turned on after startup when the charging voltage of the capacitor C33 exceeds a certain value. It is. FIG. 5 shows an example in which an impedance element Z1 is provided in parallel with the switch Q31, and the impedance circuit Z shown in FIG. Further, FIG. 6 shows an example in which when the
これに対して、図7は静電容量の大きい方の第2のコンデンサC32と直列にインピーダンス素子Z1を設けた例であり、図8は前記第2のコンデンサC32と直列にスイッチQ31を設けた例であり、図1〜図6の場合と同様な効果が得られる。 On the other hand, FIG. 7 shows an example in which an impedance element Z1 is provided in series with the second capacitor C32 having a larger capacitance, and FIG. 8 shows a switch Q31 provided in series with the second capacitor C32. This is an example, and the same effect as in the case of FIGS.
図9は、負荷LoadとしてLEDを用いた場合の全体回路を示す図である。この構成では、出力トランスT1の出力をダイオードD3,D4とコンデンサC31とで整流・平滑化し、その直流出力をLED負荷Loadおよび電流検出抵抗R15の直列回路へ供給するとともに、前記第1のコンデンサC31と並列に、第2のコンデンサC32とスイッチQ31(MOSFETで記載)との直列回路を構成し、基準電圧源Vrefとコンパレータcomp1とによって前記電流検出抵抗R15での電圧降下が一定値以上となった場合に、スイッチQ31をONさせて第2のコンデンサC32によって出力電圧の平滑度を確保するものである。 FIG. 9 is a diagram illustrating an entire circuit when an LED is used as the load load. In this configuration, the output of the output transformer T1 is rectified and smoothed by the diodes D3 and D4 and the capacitor C31, the DC output is supplied to the series circuit of the LED load Load and the current detection resistor R15, and the first capacitor C31 is provided. A series circuit of a second capacitor C32 and a switch Q31 (described as a MOSFET) is formed in parallel with the reference voltage source Vref and the comparator comp1, and the voltage drop at the current detection resistor R15 becomes a certain value or more. In this case, the switch Q31 is turned on to ensure the smoothness of the output voltage by the second capacitor C32.
このような構成では、LEDの順方向電圧Vf以上の電圧(直列構成の場合はそのn倍)が印加されるまでは電流が流れず、起動時はいわゆる無負荷状態にあるため、電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータの起動性を改善するとともに、LED負荷着脱時などに発生するLEDへのラッシュ電流を抑制する効果がある。 In such a configuration, a current does not flow until a voltage equal to or higher than the forward voltage Vf of the LED (n times in the case of a series configuration) is applied, and a so-called no-load state is established at the time of startup. The self-excited composite resonance series converter has an effect of suppressing the rush current to the LED generated when the LED load is attached and detached.
これに対して、図10および図11は、前記電圧帰還型の自励式複合共振直列コンバータにおいて、2次側のスイッチQ3を用いて、負荷Loadへの電圧・電流・電力などを出力トランスT1の2次側で制御する例を示すものである。図10は、前記スイッチQ3およびその制御回路cont3、チョークコイルL2、ダイオードD5で降圧型チョッパを構成した例であり、図11は同様な素子の配列を変えて昇圧チョッパを構成した例である。このような構成によれば、定電圧や定電流制御の為にトランスT1の2次側の信号を1次側へフィードバックする必要がなくなるとともに、自励式複合共振直列コンバータの動作波形を最適に保つことが可能となる。
In contrast, FIGS. 10 and 11, in the self-excited composite resonance series converter of the voltage feedback, using the secondary
ここで、特開2006−333555号公報には、出力トランスの2次側で、整流ダイオードおよび平滑コンデンサの後段に、チョークコイルおよびコンデンサを設けた構成が示されているけれども、スパイクノイズを除去するためのものであり、本発明とは逆に、出力トランス側の平滑コンデンサの容量が大きく、出力端側のコンデンサの容量が小さく、またチョークコイルのインピーダンスも常時小さい。 Here, Japanese Patent Laid-Open No. 2006-333555 discloses a configuration in which a choke coil and a capacitor are provided after the rectifier diode and the smoothing capacitor on the secondary side of the output transformer, but spike noise is removed. Contrary to the present invention, the capacity of the smoothing capacitor on the output transformer side is large, the capacity of the capacitor on the output end side is small, and the impedance of the choke coil is always small.
11 異常検出回路
C0,C1,C2 コンデンサ
C31 第1のコンデンサ
C32 第2のコンデンサ
C33 コンデンサ
Comp 比較器
comp1 コンパレータ
Cont1,Cont2,Cont3;Conta,Contb 制御回路
D1,D2,D3,D4,D20 ダイオード
E 直流入力電源
IGN 起動回路
L インダクタ
L2 チョークコイル
L11 1次巻線
L12,L13 補助巻線
L21,L22 2次巻線
Load 直流負荷
Q1,Q2 スイッチング素子(パワーMOSFET)
Q31 スイッチ
R0 起動抵抗
R11,R12ゲート抵抗
R15 電流検出抵抗
T1 出力トランス
Vref 基準電圧源
Z インピーダンス回路
Z1,Z2 インピーダンス素子
ZD ツエナーダイオード
11 Abnormality detection circuit C0, C1, C2 Capacitor C31 First capacitor C32 Second capacitor C33 Capacitor Comp Comparator Comp1 Comparator Cont1, Cont2, Cont3; Conta, Contb Control circuit D1, D2, D3, D4, D20 Diode E DC Input power source IGN Start circuit L Inductor L2 Choke coil L11 Primary winding L12, L13 Auxiliary winding L21, L22 Secondary winding Load DC load Q1, Q2 Switching element (power MOSFET)
Q31 switch R0 start resistor R11, R12 gate resistor R15 current detection resistor T1 output transformer Vref reference voltage source Z impedance circuit Z1, Z2 impedance element ZD Zener diode
Claims (10)
前記平滑コンデンサは、相互に並列で、相対的に小容量の第1のコンデンサと、大容量の第2のコンデンサとに分割され、
前記第1のコンデンサと第2のコンデンサとの間に設けられ、前記第1のコンデンサを2次巻線側、前記第2のコンデンサを出力端側として、それらの間を、前記第1のコンデンサの充電量が予め定めるレベル以上となるまで高インピーダンスに保持するインピーダンス回路を含むことを特徴とするスイッチング電源装置。 A series circuit composed of first and second switching elements is connected between both terminals of the DC input power supply, and between the connection point of the first and second switching elements and one terminal of the DC input power supply, A series circuit composed of an inductor, a capacitor, and a primary winding of a transformer is connected, and the start circuit starts switching by giving a start pulse to one of the first and second switching elements, and is obtained by the switching. The first and second control circuits indicate that the secondary induced current of the transformer has been rectified and smoothed by a diode and a smoothing capacitor, and the secondary induced current has stopped flowing due to the completion of charging of the smoothing capacitor. One of the first and second switching elements detected from a decrease in the voltage of one auxiliary winding of the transformer and the ON side A voltage feedback type self-excited composite that is driven to be turned off and that switching is continued by turning on the off-side of the first and second switching elements by increasing the other auxiliary winding voltage. A switching power supply device comprising a resonant series converter,
The smoothing capacitor is divided into a first capacitor having a relatively small capacity and a second capacitor having a large capacity in parallel with each other;
The first capacitor is provided between the first capacitor and the second capacitor, and the first capacitor is used as a secondary winding side and the second capacitor is used as an output end side. A switching power supply comprising an impedance circuit that maintains a high impedance until the amount of charge of the battery becomes equal to or higher than a predetermined level.
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