JPH0389851A - 共振型スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、オフィスオートメーション（ＯＡ）機器等の
電源として使用される共振型スイッチング電源に関する
。

（従来の技術） 入力電圧を断続するスイッチング素子に共振回路を並列
に結合させ、電流または電圧を正弦波状に変化させるこ
とにより、ターンオン時およびターンオフ時の電圧と電
流の重なりを小さく抑えることが考えられ、この手法を
用いたスイッチング電源は共振型スイッチング電源と呼
ばれている。

このような共振型スイッチング電源は、急峻な電圧変化
および電流変化を伴わないために、低損失のみならず低
ノイズの特徴も合せ持っている。

第５図は、このような共振型スイッチング電源を示すも
ので、符号Ｖｌｎは電池またはＡＣ入力が整流平滑され
たＤＣの入力電源からの入力電圧、符号Ｑ１１はパワー
トランジスタやパワーＭｏ５−ＰＥＴ等からなるスイッ
チング素子、符号１は共振周波数の変化による制御ある
いは入力端子Ｖｉｎの変化と後述するダイオードＤａの
電流の大きさによりスイッチング素子Ｑ■のオンパルス
幅を制御する周波数変調器（ＦＭ）、符号２はスイッチ
ング素子Ｑｓのオンパルス幅を制御するドライバＣＤ）
をそれぞれ示している。

また同図において、符号Ｔは一次巻線Ｔａおよび二次巻
線Ｔｂ１−Ｔｂｎを有し二次巻線側が多出力とされるト
ランス、符号ＣＩはその一次巻線Ｔａのインダクタンス
Ｌとともに共振する共振コンデンサ、符号り一はトラン
スＴのエネルギを入力電源へ回生するダイオード、符号
Ｒは周波数変調器１へ負荷電流の大きさを知らせるため
の抵抗、符号ＤＩ−Ｄｎはフライバック時に負荷側へ電
流を流す整流ダイオード、符号Ｃ１〜Ｃｎは負荷への出
力電圧を平滑する平滑コンデンサ、符号ｖＯ１〜ＶＯｎ
は各出力端からの出力電圧をそれぞれ示している。

そしてこのような共振型スイッチング電源では、スイッ
チング素子Ｑｍに並列に接続された共振コンデンサＣｍ
とダイオードＤＩによって、スイッチング素子Ｑｗのタ
ーンオンおよびターンオフ時のスイッチング損失をゼロ
にすることができ、さらにはスイッチング索子Ｑ−が発
生するノイズも低減することができる。

またこのような共振型スイッチング電源では、出力電圧
ＶＯＩの出力ａを周波数変調器１にフィードバックする
ことにより、スイッチング素子Ｑｓのオンパルス幅を制
御することができ、これにより各出力電圧ＶＯ１＝ＶＯ
ｎを安定化している。

しかし、このような共振型スイッチング電源では、出力
電圧ＶＯＩの負荷電流が大きく変化した場合、各出力電
圧ＶＯＩ〜ＶＯｎの出力を精度よく一定に保つためには
限界がある。このような場合には、二次側にドロッパ回
路Ｄｒｌ〜Ｄｒｎを組込むことによってその限界を緩和
することはできるが、そのドロッパ回路Ｄ　ｒｌ＝　Ｄ
　ｒｎが高価であるためコストアップとなったり、ドロ
ッパ回路Ｄｒｌ−Ｄｒｎでの消費電力が増加することに
より効率が低下してしまう。

また入力電圧Ｖｉｎや負荷の変動により、共振条件を維
持することに関しても限界あった。

（発明が解決しようとする課題） このように、上述した従来の共振型スイッチング電源で
は、出力電圧の負荷電流等が大きく変化した際、各出力
電圧を安定させるためには限界があり、このような場合
には二次側にドロッパ回路を組込むことによってその限
界を緩和することはできるが、そのドロッパ回路が高価
であるためコストアップとなったり、ドロッパ回路での
消費電力が増加することにより効率が低下したりしてし
まう。

また入力端子や負荷の変動により、共振条件を維持する
ことに関しても限界あった。

本発明は、このような事情に対処して成されたもので、
共振条件の維持、高周波化における高効率化および高安
定出力化を図ることができる共振型スイッチング電源を
提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の共振型スイッチング電源は、上記目的を遠戚す
るために、入力端子を断続する一次側スイッチング手段
と、この一次側スイッチング手段に並列に接続され、こ
の一次側スイッチング手段のオン／オフ時にこの端子間
電圧を零に保つ共振回路と、一次側スイッチング手段に
よって断続された電圧を変圧する変圧手段と、この変圧
手段によって変圧された電圧を平滑して出力する平滑手
段と、この平滑手段と変圧手段との間に設けられ、平滑
手段に印加される電圧を断続する二次側スイッチング手
段と、この二次側スイッチング手段のオン／オフ動作を
、安定化目標電圧と二次側の出力とに基づき、安定化目
標電圧より二次側の出力が小さいときオンとし、安定化
目標電圧より二次側の出力が大きいときオフとするよう
に制御する制御手段とを具備するものである。

（作　用） 本発明の共振型スイッチング電源では、共振回路によっ
て端子間電圧が零に保たれている一次側スイッチング手
段により断続された入力端子は、変圧手段により変圧さ
れと、平滑手段によって平滑された後に出力される。

このとき、制御手段が平滑手段と変圧手段との間に設け
られている二次側スイッチング手段のオン／オフ動作を
、安定化目標電圧と二次側の出力とに基づき、安定化目
標電圧より二次側の出力が小さいときオンとし、安定化
目標電圧より二次側の出力が大きいときオフとするよう
に制御する。

従って、一定期間内の共振波形の数を変化させることが
でき、これにより二次側スイッチング手段の出力側に生
ずる共振波形の見かけのデユーティサイクルを制御する
ことができるので、入力電圧や負荷の大きな変動があっ
ても常に安定した電圧を出力することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例の詳細を図面に基づいて説明する
。

第１図は、本発明の共振型スイッチング電源の一実施例
を示すものである。なお、第５図と共通する部分には同
一符号を付し重複する説明を省略する。

同図において、符号ＶＩｎは入力電源の入力電圧、符号
ＱＩｌはスイッチング素子、符号１は周波数変調器（Ｐ
Ｍ）、符号２はドライバ（Ｄ）、符号Ｔは一次巻線Ｔａ
および二次巻線Ｔｂ１−Ｔｂｎを有するトランス、符号
Ｃ−は共振コンデンサ、符号Ｄａはダイオード、符号Ｒ
は抵抗、符号ＤＩ−Ｄｎは整流ダイオード、符号ＣＩ−
Ｃｎは平滑コンデンサ、符号Ｖ　Ｏｌ−Ｖ　Ｏｎは出力
電圧をそれぞれ示している。

また同図において、符号Ｑｌ　＝Ｑｎは平滑コンデンサ
Ｃ１＝Ｃｎに印加される電圧をオン／オフ動作によって
間引く二次側スイッチング素子を示している。

第２図は、二次側スイッチング素子Ｑｌ　−Ｑｎのオン
／オフ動作を制御する制御回路を示すものである。

同図において、Ｅ＾１〜ＥＡｎは安定化目標電圧Ｖ「ｅ
「１と二次側の出力Ａとを比較する比較器、３ａｌ〜３
ａｎは比較器ＥＡＩ〜ＥＡｎの出力に基づいて後述する
第４図のＤに示すタイミングパルスを発生する制御部（
ＣＯＮＴＩ　−ＣＯＮＴｎ　）　、４　ａｌ〜４　ａ２
は二次側スイッチング素子Ｑｌ−Ｑｎのオンパルス幅を
制御するドライバ（ＤＩ　−Ｄｎ　）をそれぞれ示して
いる。

次に、このような構成の共振型スイッチング電源の動作
を第４図を用いて説明する。

まず、周波数変調器１に入力端子Ｖｉｎの変化および負
荷の変動の情報を人力する。

ツマリ、入力端子ｖｌｎカＡＣノ場合１１：Ａｃ９０Ｖ
　−ＡＣ２６０ｖあルイはＡＣ９０Ｖ　〜ＡＣＩＩＯＶ
まマノ間の変動、入力端子ＶｉｎがＤＣノ場合１．：　
１００Ｖ　−１５０Ｖ（７）間の変動、負荷変動（出力
電圧ＶＯｆ−ＶＯｎの負荷電流の変動）により共振条件
を満足させるために、 共振周波数−１／２πＩ「 （但し、ＬはトランスＴの見かけ上のインダクダンス、
ＣはコンデンサＣｍのキャバスタンスをそれぞれ示して
いる） を入力し、スイッチング素子ＱＩのオンパルス幅を決定
する。

そして、スイッチング素子Ｑ＋ｇによって断続された入
力電圧Ｖｌｎは、トランスＴの一次巻線Ｔａを介して各
二次巻ｍＴｂ１−Ｔｂｎに伝達された後、平滑コンデン
サＣＩ−Ｃｎによって平滑され、出力端からＶＯＩ〜Ｖ
Ｏｎの定電圧として出力される。

このとき、トランスＴへのエネルギは、共振周波数に応
じ、スイッチング素子Ｑｍのオンパルス幅が大のとき大
とされ、逆に小のとき小とされ、各二次巻線Ｔｂ１−Ｔ
ｂｎからはＶ　ＴＯＩ　〜Ｖ　Ｔｏｎの電圧が出力され
る。

つまり、第４図に示すように、制御回路の各比較器ＥＡ
Ｉ〜ＥＡｎが、安定化目標電圧Ｖｒｅ「ｎ（１−１，２
，・・・）と二次側の出力Ａ、Ｃとに基づき、安定化目
標電圧Ｖｒｅｌ’ｎより出力電圧ＶＯｎが小さいとき、
各制御部３ａ１〜３ａｎはドライバ４ａ１〜４ａ２に対
し、二次側スイッチング素子Ｑ　ｎ（ｎ＝　　１，２＋
・・・）をオンさせるように指示し、逆に安定化目標電
圧Ｖ　ｒｅｆ’ｎより出力電圧ＶＯｎが大きいとき、二
次側スイッチング素子Ｑｎをオフさせるように指示する
。

このときの電圧比較タイミングは、図中Ｘ部分の２６〜
３１であり、例えばタイミング２６においては、出力電
圧ＶＯｎの安定化目標電圧Ｖ　ｒｅｆｎより大きいため
、ドライバ４ａｎの出力たるＤはオフレベルとされる。

これにより、二次側スイッチング素子Ｑｎがオフとなる
ので、トランス出力電圧ＶＴＯｎの２２−１のエネルギ
は平滑コンデンサＣｎに供給されず、出力電圧ＶＯｎは
２Ｂ〜２７のごとく下がる。

またタイミング２７においては、安定化目標電圧Ｖ　ｒ
ｅｒｎより低い電圧となるため、ドライバ４ａｎの出力
たるＤはオンレベルとなる。これにより、トランス出力
電圧Ｖ　Ｔｏｎの２２−２のエネルギは平滑コンデンサ
Ｃｎに供給される。

同様にして、各タイミング２８〜３１にて二次側スイッ
チング素子Ｑｎへのオン／オフが指示され、タイミング
電圧波形２４は、安定化目標電圧Ｖ　ｒｅｒｎに近づく
ため、安定化された出力電圧ＶＯＩ−ＶＯｎが得られる
。

ここで、これらの制御がされないときは、破線で示す電
圧波形２５のごとく、出力電圧ＶＯｎは上昇するため、
安定化された出力電圧ＶＯＩ〜ＶＯｎが得られないこと
になる。

第３図は、第２図の制御回路の構成を変えた場合の他の
実施例を示すものである。

同図において、符号５は二次側の出力Ａ−Ｃの電圧をデ
ィジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器、符号６はＡ／Ｄ変
換器５からの出力に基づいて各ドライ／＜　７　ａｌ〜
７ａｎの出力を制御するマイクロコンピュータ（マイコ
ン）制御部をそれぞれ示している。

そして、このような構成の制御回路では、Ａ／Ｄ変換器
５が二次側の出力Ａ−Ｃの電圧をディジタル値に変換し
この値をマイコン制御部６に送出すると、マイコン制御
部６は第４図に示した安定化目標電圧Ｖ　ｒｅｒｎに対
する大小を計算により判定し、上記同様にして各ドライ
バ７ａ１〜７ａｎの出力を制御し、各二次側スイッチン
グ索子Ｑ１〜Ｑｎのオン／オフ動作を制御する。

このように、本実施例では、制御回路が、安定化目標電
圧と二次側の出力とに基づき、二次側スイッチング素子
のオン／オフ動作を、安定化目標電圧より出力電圧が小
さいときオンとし、逆に安定化目標電圧より出力電圧が
大きいときオフとするようにしたので、入力端子や負荷
の大きな変動があっても、安定化した出力電圧を確実に
得ることができる。

なお、本実施例では、周波数変調器に入力電圧の変化お
よび負荷の変動の情報を予め入力した場合について説明
したが、この例に限らず周波数変調器の周波数を同一と
しかつ一次側のスイッチング素子を一定のオン幅で動作
させ、二次側のスイッチング素子にてオン／オフ動作を
行わせるようにしても安定した出力電圧を得ることがで
きる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の共振型スイッチング電源
によれば、共振条件の維持、高周波化における高効率化
および高安定出力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の共振型スイッチング電源の一実施例を
示す回路図、第２図は第１図の二次側スイッチング素子
のオン／オフ動作を制御する制御回路を示すブロック図
、第３図は第２図の制御回路の構成を変えた場合の他の
実施例を示すブロック図、第４図は第１図の共振型スイ
ッチング電源の動作を示す波形図、第５図は従来め共振
型スイッチング電源を示す回路図である。 Ｖｉｎ・・・入力電圧、Ｑｌ・・・スイッチング素子、
１・・・周波数変調器（ＦＭ）　、２・・・ドライバ（
Ｄ）　、Ｔ・・・トランス、Ｔａ・・・−次巻線Ｔａ　
、　Ｔｂ１−Ｔｂｎ・・・二次巻線、Ｃ１１・・・共振
コンデンサ、Ｄａ・・・ダイオード、Ｒ・・・抵抗、Ｄ
Ｉ−Ｄｎ・・・整流ダイオード、Ｃ１−Ｃｎ・・・平滑
コンデンサ、ＶＯ１〜ＶＯｎ・・・出力電圧、Ｑｌ−Ｑ
ｎ・・・二次側スイッチング素子、ＥＡｌ−ＥＡｎ−・
・比較器、３　ａｔ　〜３　ａｎ・・・制御部（ＣＯＮ
ＴＩ〜Ｃ０ＮＴｎ　）　、４　ａｔ　〜４　ａ２−・・
ドライバ（ＤＩ−Ｄｎ）５・・・Ａ／Ｄ変換器、６・・
・マイクロコンピュータ（マイコン） 制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力電圧を断続する一次側スイッチング手段と、 この一次側スイッチング手段に並列に接続され、この一
   次側スイッチング手段のオン／オフ時にこの端子間電圧
   を零に保つ共振回路と、 前記一次側スイッチング手段によって断続された電圧を
   変圧する変圧手段と、 この変圧手段によって変圧された電圧を平滑して出力す
   る平滑手段と、 この平滑手段と前記変圧手段との間に設けられ、前記平
   滑手段に印加される電圧を断続する二次側スイッチング
   手段と、 この二次側スイッチング手段のオン／オフ動作を、安定
   化目標電圧と二次側の出力とに基づき、安定化目標電圧
   より二次側の出力が小さいときオンとし、安定化目標電
   圧より二次側の出力が大きいときオフとするように制御
   する制御手段とを具備することを特徴とする共振型スイ
   ッチング電源。