JP3559516B2

JP3559516B2 - Switching power supply

Info

Publication number: JP3559516B2
Application number: JP2000298404A
Authority: JP
Inventors: 知子木下; 吉弘森
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP2002112538A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に、軽負荷時の消費電力を低減できるスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスイッチング電源装置について図２を参照しながら説明する。
【０００３】
図２は軽負荷時の低消費電力化を可能とする従来のスイッチング電源装置の回路構成の一例を示している。
【０００４】
図２に示すように、スイッチング電源装置は、入力端子Ｔｉ、出力端子Ｔｏ、電源端子Ｔｐ及び制御端子Ｔｃを有する基板上形成領域１０に、ドレインが入力端子Ｔｉと接続され、ソースが出力端子Ｔｏと接続されたパワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１１と、入力端子Ｔｉ、電源端子Ｔｐ、制御端子Ｔｃ及びスイッチング素子１１のゲートとそれぞれ接続部を持つスイッチング素子１１の制御回路１２とを有している。
【０００５】
スイッチング電源装置は、さらに、主入力端子５０と接続されたダイオードブリッジ等からなる整流器５１と、入力コンデンサ５２と、電力変換用のトランス５３とを有している。トランス５３の２次巻線５３ｃには、ダイオード５４及び出力コンデンサ５５が接続されている。
【０００６】
出力コンデンサ５５の両端子には、例えば、フォトダイオード５７１ａ及びツェナーダイオード５７２からなる帰還回路としての出力電圧制御回路５７が接続されており、出力電圧Ｖｏを安定化させるための帰還信号を１次側に設けられたフォトトランジスタ５７１ｂに出力する。
【０００７】
以下、前記のように構成されたスイッチング電源装置の動作を説明する。
【０００８】
まず、整流器５１に商用電源からの交流電流が入力されると、整流器５１と入力コンデンサ５２とにより整流され且つ平滑化された直流電圧ＶＩＮはトランス５３の１次巻線５３ａに印加される。直流電圧ＶＩＮが所定値以上、例えば３０Ｖ程度以上になると制御回路１２内のレギュレータ１３を介して電源コンデンサ６０に充電用の電流が流れ込み、電源端子Ｔｐの電圧値が起動停止回路２３により設定された起動電圧値に達すると、制御回路１２が起動して、スイッチング素子１１によるスイッチング動作の制御が開始される。
【０００９】
制御回路１２が起動すると、スイッチング素子１１は所定の周波数、例えば１００ｋＨｚ程度の周波数でスイッチング動作を行なう。このスイッチング動作によって出力電圧Ｖｏが上昇することにより、出力電圧制御回路５７のフォトダイオード５７１ａが導通し、１次側のフォトトランジスタ５７１ｂに帰還信号電流が流れる。続いて、フォトトランジスタ５７１ｂを流れる電流値、すなわち制御端子Ｔｃから流れ出す電流値が、定電流源２５の第１の定電流値を越えると、スイッチング素子１１のスイッチング動作が停止する。
【００１０】
スイッチング素子１１のスイッチング動作が停止すると、今度は、逆に出力電圧Ｖｏが徐々に低下して、フォトトランジスタ５７１ｂを流れる電流値が徐々に低下する。フォトトランジスタ５７１ｂを流れる電流値が定電流源２５の第２の定電流値以下にまで低下すると、スイッチング素子１１のスイッチング動作が再開されて、出力電圧Ｖｏが再び上昇する。
【００１１】
スイッチング素子１１のスイッチング動作中の出力電圧Ｖｏの上昇速度、及びスイッチング素子１１のスイッチング動作の停止中の出力電圧Ｖｏの低下速度は、負荷５６に流れる負荷電流に依存する。すなわち、負荷５６に対する電流供給が小さい、いわゆる軽負荷時には、出力電圧Ｖｏの上昇が速く且つ低下が遅いため、スイッチング素子１１のスイッチング動作期間が短くなる。逆に、軽負荷時よりも負荷電流が多く流れる重負荷時にはスイッチング素子１１のスイッチング動作期間が長くなる。従って、負荷が小さくなる程、スイッチング素子１１のスイッチング回数が減少するため、軽負荷時のスイッチング素子の電力損失が低減できるので、軽負荷時の高効率化を達成できる。
【００１２】
この様子を図示すると、図３（ａ）のタイムチャートに示すように、負荷５６に対する電流供給が小さい軽負荷時には、スイッチング素子１１に電流が流れる期間が短くなり、図３（ｂ）のタイムチャートに示すように、重負荷時には、スイッチング素子１１に電流が流れる期間が長くなる。
【００１３】
従って、制御回路１２は、スイッチング電源の負荷５６に供給される負荷電流に応じて、スイッチング素子１１のスイッチング回数が変化するような制御を行なうため、軽負荷時の消費電力を低減できる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のスイッチング電源装置は、レギュレータ１３がスイッチング素子１１の入力端子Ｔｉと制御回路１２の電源端子Ｔｐとの間に接続されており、入力端子Ｔｉの電圧値が所定値以上になったときに、制御回路１２の内部に回路用電流を供給して、電源端子Ｔｐの電圧値が所定値となるように制御している。このため、スイッチング制御の開始信号又は停止信号が入力される入力端子Ｔｉの電圧を制御回路１２の外部から調整することができない。
【００１５】
これにより、スイッチング電源装置の仕様によっては、入力電圧が不足している状態から動作することがあり、このような状態で動作を開始すると、出力電圧制御回路５７によって決定される所定の出力電圧が得られないため、出力側に設けられた他の回路が誤動作するという問題を生じる。
【００１６】
本発明は、前記従来の問題を解決し、その目的は、スイッチング電源装置の起動動作又は停止動作を決定する入力電圧を、制御回路の外部から調整可能にできるようにすることにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係るスイッチング電源装置は、主入力端子に入力された交流電流を整流及び平滑化して直流電圧に変換し、直流電圧をトランスの１次側に印加して、トランスの２次側に接続された負荷に電力を供給するスイッチング電源装置を対象し、スイッチング電源装置は、入力端子及び出力端子を有し、入力端子に直流電圧を受けるスイッチング素子と、スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御端子及び内部電源が供給される電源端子を有する制御回路と、制御端子と接続され、スイッチング素子のスイッチング動作の起動又は停止に用いる入力電圧を可変に設定する起動停止電圧調整手段とを備え、起動停止電圧調整手段は、主入力端子に並列に接続された第１の抵抗器及び第２の抵抗器を有し、第１の抵抗器は主入力端子と制御端子との間に接続され、第２の抵抗器は制御端子と出力端子との間に第１の抵抗器と直列に接続され、制御回路は、スイッチング素子に供給されるスイッチング信号を生成して出力する発振器と、入力端子から電源端子に制御回路が用いる回路用電流を供給するレギュレータと、スイッチング素子に流れる電流を所定値に保持する電流検出回路と、制御端子を流れる電流値に基づいて、スイッチング素子のスイッチング動作を停止して再開する帰還回路とを有している。
【００１８】
本発明のスイッチング電源装置によると、スイッチング素子のスイッチング動作の起動又は停止に用いる入力電圧を可変に設定する起動停止電圧調整手段を備えているため、動作の開始時に所定の出力電圧が得られないことにより、出力側に設けられた他の回路が誤動作するという事態を回避できる。
【００１９】
本発明のスイッチング電源装置において、帰還回路の入力側には定電流源が接続されており、制御端子の電圧ＶＦＢ及び２の抵抗器を流れる電流ＩＲ２が一定に保持され、制御端子から流れる制御端子電流ＩＦＢは、第１の抵抗器を流れる電流ＩＲ１と電流ＩＲ２の差で決定され、スイッチング素子は、電流ＩＦＢが減少してその値が定電流源により設定された第２の定電流値以下となったときに発振を開始し、一方、電流ＩＦＢが増加してその値が定電流源により設定された第１の定電流値以上となったときに発振を停止することが好ましい。
【００２０】
この場合に、定電流源がヒステリシス特性を有しており、第２の定電流値は、第１の定電流値よりも所定値分だけ低いことが好ましい。
【００２１】
本発明のスイッチング電源装置において、スイッチング素子及び制御回路が、入力端子、出力端子、電源端子及び制御端子が外部接続端子となるように１つのパッケージに収納されて形成されていることが好ましい。このようにすると、スイッチング電源装置の部品点数を削減できると共に小型化を容易に図ることができる。
【００２２】
本発明のスイッチング電源装置において、スイッチング素子及び制御回路は、入力端子、出力端子、電源端子及び制御端子が外部接続端子となるように１つの半導体基板上に集積化されて形成されていることが好ましい。このようにすると、電源装置のさらなる小型化を実現でき、低コスト化をも実現できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の回路構成の一例を示している。
【００２５】
図１に示すように、スイッチング電源装置は、主入力端子５０を有し、該主入力端子５０と並列に接続されたダイオードブリッジ等からなる整流器５１と、主入力端子５０と並列に接続された入力コンデンサ５２とを有している。
【００２６】
電力変換用のトランス５３は、１次巻線５３ａ及び２次巻線５３ｃからなり、１次巻線５３ａの入力側が入力コンデンサ５２の陽極と接続され、１次巻線５３ａの出力側がスイッチング素子１１及び制御回路１２の入力端子Ｔｉと接続されている。
【００２７】
電力変換用のトランス５３の２次巻線５３ｃには、出力側にダイオード５４が順方向で直列に接続され、出力コンデンサ５５が負荷５６に並列に接続されている。
【００２８】
出力コンデンサ５５の陽極と陰極との間に、例えば、順方向に接続されたフォトダイオード５７１ａと、逆方向に接続されたツェナーダイオード５７２とからなる出力電圧制御回路５７が並列に設けられている。
【００２９】
出力電圧制御回路５７は、出力電圧Ｖｏを安定化させるための帰還信号を１次側の制御端子Ｔｃと出力端子Ｔｏとの間に設けられ且つエミッタ接地されたフォトトランジスタ５７１ｂに出力する。
【００３０】
電源端子Ｔｐと出力端子Ｔｏとの間には、電源端子Ｔｐの電圧値を安定させる電源コンデンサ６０を設けている。
【００３１】
基板上形成領域１０には、ドレインが入力端子Ｔｉと接続され、ソースが出力端子Ｔｏと接続されたパワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１１と、入力端子Ｔｉ、電源端子Ｔｐ、制御端子Ｔｃ及びスイッチング素子１１のゲートとそれぞれ接続部を持ち、スイッチング素子１１のスイッチング制御を行なうための制御回路１２とが集積化されて形成されている。電源端子Ｔｐには制御回路１２が動作する電源電圧が供給され、制御端子Ｔｃには２次側からの制御用の帰還信号が供給される。
【００３２】
なお、基板上形成領域１０は、必ずしも、シリコン等からなる半導体基板にモノリシックに形成されている必要はなく、基板上形成領域１０上の機能素子の一部又は全部がディスクリート部品からなり、各ディスクリート部品が１つのパッケージに収納されて形成されていてもよい。
【００３３】
制御回路１２には、入力端子Ｔｉと電源端子Ｔｐとの間に接続され、入力端子Ｔｉの電圧値が所定値以上となったときに、制御回路１２のための回路用電流を供給して、電源端子Ｔｐの電圧値が例えば５Ｖ程度の所定値となるように調節するレギュレータ１３が設けられている。
【００３４】
発振器１４は、スイッチング素子１１の最大デューティサイクルを決定する最大デューティサイクル信号ａと、スイッチング素子１１のスイッチング周波数を決定するクロック信号ｂとを出力する。最大デューティサイクル信号ａの反転信号は、第１のＯＲ回路１５を介して、ＲＳフリップフロップ回路１６のリセット端子Ｒに与えられ、クロック信号ｂは、第１のＡＮＤ回路１７を介して、ＲＳフリップフロップ回路１６のセット端子Ｓに与えられる。
【００３５】
ＲＳフリップフロップ回路１６の出力信号は、ＮＡＮＤ回路１８の３つの入力端子のうちの１つに入力され、該ＮＡＮＤ回路１８の出力信号は、インバータ素子からなるドライブ回路１９に入力されてスイッチング素子１１のゲートに出力される。
【００３６】
正相端子が入力端子Ｔｉとスイッチング素子１１のドレインとの間に接続され、逆相端子が定電圧源に接続され、スイッチング素子１１の素子電流Ｉｄを検出する比較器からなる電流検出回路２０が設けられている。電流検出回路２０は、素子電流Ｉｄが所定値に達すると、第２のＡＮＤ回路２１及び第１のＯＲ回路１５を介してＲＳフリップフロップ回路１６のリセット端子Ｒにリセット信号を出力して、スイッチング素子１１の発振動作を停止させる。すなわち、この電流検出回路２０によって、スイッチング動作中のスイッチング素子１１に流れる素子電流Ｉｄが所定値となるように調節される。
【００３７】
また、ドライブ回路１９からの出力信号は、オン時ブランキングパルス発生回路２２にも入力されており、スイッチング素子１１がオン状態に遷移（ターンオン）した後の、例えば２００ｎｓ程度の所定期間に、オン時ブランキングパルス発生回路２２がローレベルの信号を出力して電流検出回路２０からの出力信号を強制的にローレベルとすることにより、スイッチング素子１１の発振動作がリセット（停止）しないようにしている。これにより、ターンオン時の容量性スパイク電流によって、スイッチング素子１１がオフ状態に遷移（ターンオフ）しないようにしている。
【００３８】
起動・停止回路２３は、その正相端子がレギュレータ１３の出力端子と電源端子Ｔｐとの間に接続され、逆相端子が定電圧源と接続され、出力端子がＮＡＮＤ回路１８の入力端子の１つに接続されており、電源端子Ｔｐの電圧値によって、スイッチング素子１１の発振又は停止を制御する。
【００３９】
Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２４は、帰還回路の一部を構成し、そのドレインが、電源端子Ｔｐからの電流を受ける定電流源２５及び第１のＡＮＤ回路１７の入力端子と接続され、ソースが制御端子Ｔｃと接続され、ゲートが定電圧源と接続されている。ここで、制御端子Ｔｃから流れ出す電流（制御端子電流ＩＦＢ）が定電流源２５により設定された、例えば５０μＡ程度の第１の定電流値を越えると、ドレインから第１のＡＮＤ回路１７に入力される信号がローレベルとなるため、クロック信号ｂが無効にされて、スイッチング素子１１がオフ状態となる。
【００４０】
定電流源２５の電流値はヒステリシス特性を有している。すなわち、第１の定電流値から所定値分だけ小さい、例えば４０μＡ程度の第２の定電流値よりも小さい値となって初めてスイッチング素子１１のスイッチング動作が再開される。
【００４１】
過熱保護回路２７は、基板上形成領域１０の温度が設定値以上になると、停止回路１０のセット端子Ｓに第２のＯＲ回路２８を介して停止信号を出力し、スイッチング素子１１のスイッチング動作を停止させる。過熱保護からの動作の復帰は、再起動トリガ回路３０からのリセット信号が停止回路２９のリセット端子Ｒに出力されたときに行なわれる。
【００４２】
また、本実施形態の特徴として、入力コンデンサ５２と並列に接続され、制御回路１２の起動電圧又は停止電圧を装置ごとに設定できる起動停止電圧調整手段としての起動停止電圧調整用の第１の抵抗器６１及び第２の抵抗器６２が設けられている。
【００４３】
第１の抵抗器６１は、入力コンデンサ５２の陽極と制御端子Ｔｃとの間に接続され、該第１の抵抗器６１と直列接続される第２の抵抗器６２は、制御端子Ｔｃと出力端子Ｔｏとの間に接続されている。ここでは、第１の抵抗器６１及び第２の抵抗器６２を基板上形成領域１０の外部に、いわゆる外付けとして設けたが、少なくとも一方、好ましくは、少なくとも第２の抵抗器６２を基板上形成領域１０に設けることにより、部品点数を削減でき、低コスト化を実現できる。
【００４４】
なお、スイッチング素子１１にパワーＭＯＳＦＥＴを用いたが、これに代えてバイポーラトランジスタを用いてもよい。
【００４５】
以下、前記のように構成されたスイッチング電源装置の動作を説明する。
【００４６】
主入力端子５０に商用電源からの交流電流が入力されると、入力された交流信号は、整流器５１と出力コンデンサ５２とにより、整流及び平滑化されて、直流電圧ＶＩＮに変換される。この変換された直流電圧ＶＩＮがトランス５２の１次巻線５３ａに印加される。
【００４７】
ここで、直流電圧ＶＩＮが例えば３０Ｖ程度の所定値以上になると、制御回路１２内のレギュレータ１３を介して、電源コンデンサ６０に該電源コンデンサ６０を充電する充電電流が流れ、電源端子Ｔｐの電圧値が起動・停止回路２３により設定された起動電圧値に達すると制御回路１２が起動して、スイッチング素子１１によるスイッチング動作の制御が開始される。制御回路１２における動作中の内部電流は、スイッチング素子１１のオフ状態の期間に供給されて、電源端子Ｔｐの電圧値が例えば５Ｖ程度の所定値となるように制御されている。
【００４８】
制御回路１２が起動すると、発振器１４により決定される所定の周波数、例えば１００ｋＨｚ程度のクロック信号ｂによって、スイッチング素子１１がその周波数でスイッチング動作を行なう。このスイッチング動作が繰り返されて、出力電圧Ｖｏが上昇する。その後、出力電圧Ｖｏの電圧値が出力電圧制御回路５７により設定された電圧値以上になると、フォトダイオード５７１ａが導通し、フォトトランジスタ５７１ｂに電流が流れるようになる。
【００４９】
このとき、フォトトランジスタ５７１ｂの制御端子電流Ｉｃが定電流源２５の第１の定電流値を越えると、スイッチング素子１１のスイッチング動作が停止する。これは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２４のドレイン電圧が低下して、第１のＡＮＤ回路１７にローレベルの信号が入力されるからである。
【００５０】
スイッチング素子１１のスイッチング動作が停止すると、トランス５３を介した１次側から２次側への電力供給が停止するため、出力電圧Ｖｏが徐々に低下して、フォトダイオード５７１ａを流れる電流値及びフォトトランジスタ５７１ｂを流れる電流値が徐々に低下する。ここで、フォトトランジスタ５７１ｂを流れる電流値が定電流源２５の第２の定電流値以下にまで低下すると、スイッチング素子１１のスイッチング動作が再開されて、出力電圧Ｖｏが再び上昇する。このようにして、出力電圧Ｖｏの電圧値は帰還制御による安定化が図られている。
【００５１】
次に、起動停止電圧調整用の第１の抵抗器６１及び第２の抵抗器６２について説明する。
【００５２】
第１の抵抗器６１及び第２の抵抗器６２は、制御端子電流ＩＦＢの流出量を調整するために設けられており、各抵抗器６１、６２の抵抗値を変更することにより、制御端子Ｔｃから流れ出す制御端子電流ＩＦＢの電流量が変化するため、電源装置が起動又は停止する際の入力電圧ＶＩＮの値を決定できる。
【００５３】
抵抗器６１、６２の各抵抗値は次のようにして求められる。
【００５４】
第１の抵抗器６１の抵抗値をＲ１とし、第１の抵抗器６１に流れる電流をＩＲ１とする。第２の抵抗器６２の抵抗値をＲ２とし、、第２の抵抗器６２に流れる電流をＩＲ２とする。また、制御端子Ｔｃの電圧をＶＦＢとすると、以下の式（１）及び式（２）に示す関係がある。
【００５５】
ＩＲ２＝ＩＲ１＋ＩＦＢ …（１）
ＶＦＢ：一定 …（２）
例えば、スイッチング電源装置の起動時に、該電源装置の入力電圧ＶＩＮの値が上昇すると、第１の抵抗器６１に流れる電流ＩＲ１が増える。また、式（２）から制御端子Ｔｃの電圧ＶＦＢが一定であるため、第２の抵抗器６２に流れる電流ＩＲ２も一定である。すなわち、式（１）から、第１の抵抗器６１に流れる電流ＩＲ１が増えると、制御端子電流ＩＦＢは減少していき、該制御端子電流ＩＦＢが定電流源２５により設定された第２の定電流値以下となったときに、スイッチング素子１１は発振を開始する。
【００５６】
逆に、スイッチング電源装置の入力電圧ＶＩＮが低下すると、第１の抵抗器６１に流れる電流ＩＲ１が減少する。また、この時、制御端子Ｔｃの電圧ＶＦＢは一定であるため、第２の抵抗器６２に流れる電流ＩＲ２も一定である。すなわち、式（１）から、第１の抵抗器６１に流れる電流ＩＲ１が減少すると、制御端子電流ＩＦＢは増加し、該制御端子電流ＩＦＢが定電流源２５により設定された第１の定電流値以上となったときに、スイッチング素子１１が発振を停止する。また、定電流源２５の電流値の変化にはヒステリシス特性が与えられているため、起動電圧の変化及び停止電圧の変化にもヒステリシス特性が付与されることになる。
【００５７】
以上説明したように、第１の抵抗器６１及び第２の抵抗器６２を設けることにより、所定のヒステリシス特性を持って、装置の起動電圧又は停止電圧を所望に設定できる。
【００５８】
このときの起動電圧又は停止電圧の値は、以下の式（３）及び（４）により表わされる。ここで、Ｖｉｎ（ｓｔａｒｔ）は起動電圧を表わし、Ｖｉｎ（ｓｔｏｐ）は停止電圧を表わし、ＩＦＢ１は第１の定電流値を表わし、ＩＦＢ２は第２の定電流値を表わす。
【００５９】
Ｖｉｎ（ｓｔａｒｔ）＝（Ｒ１／Ｒ２＋１）×ＶＦＢ −Ｒ１×ＩＦＢ２ …（３）
Ｖｉｎ（ｓｔｏｐ）＝（Ｒ１／Ｒ２＋１）×ＶＦＢ −Ｒ１×ＩＦＢ１ …（４）
このように、起動停止電圧調整用の第１の抵抗器６１及び第２の抵抗器６２を設けて、起動電圧Ｖｉｎ（ｓｔａｒｔ）を適当な値に調整することにより、スイッチング素子１１のスイッチング動作を開始又は停止する際の入力電圧ＶＩＮの値が最適化されるように調整することができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に係るスイッチング電源装置は、電源自体の起動電圧又は停止電圧を設定できる起動停止電圧調整手段を設けることにより、スイッチング電源装置が、入力電圧が不足した状態から動作を開始することがなくなるので、出力側に設けた他の回路の誤動作を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の一例を示す回路図である。
【図２】従来のスイッチング電源装置の一例を示す回路図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は従来のスイッチング電源装置におけるスイッチング動作のタイムチャートを示し、（ａ）は軽負荷時のタイムチャートであり、（ｂ）は重負荷時のタイムチャートである。
【符号の説明】
１スイッチング電源制御用デバイス
１０基板上形成領域
１１スイッチング素子
１２制御回路
１３レギュレータ
１４発振器
１５第１のＯＲ回路
１６ＲＳフリップフロップ回路
１７第１のＡＮＤ回路
１８ＮＡＮＤ回路
１９ドライブ回路
２０電流検出回路
２１第２のＡＮＤ回路
２２オン時ブランキングパルス発生回路
２３起動・停止回路
２４Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（帰還回路）
２５定電流源
２７過熱保護回路
２８第２のＯＲ回路
２９停止回路
３０再起動トリガ回路
５０主入力端子
５１整流器
５２入力コンデンサ
５３トランス
５３ａ１次巻線
５３ｃ２次巻線
５４ダイオード
５５出力コンデンサ
５６負荷
５７出力電圧制御回路（帰還回路）
５７１ａフォトダイオード
５７１ｂフォトトランジスタ（帰還回路）
５７２ツェナーダイオード
６０電源コンデンサ
６１第１の抵抗器（起動停止電圧調整手段）
６２第２の抵抗器（起動停止電圧調整手段）
Ｔｉ入力端子（外部接続端子）
Ｔｏ出力端子（外部接続端子）
Ｔｐ電源端子（外部接続端子）
Ｔｃ制御端子（外部接続端子）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply, and more particularly, to a switching power supply that can reduce power consumption at a light load.
[0002]
[Prior art]
A conventional switching power supply will be described with reference to FIG.
[0003]
FIG. 2 shows an example of a circuit configuration of a conventional switching power supply device capable of reducing power consumption under a light load.
[0004]
As shown in FIG. 2, the switching power supply device has an input terminal Ti, an output terminal To, a power supply terminal Tp, and a control terminal Tc. And a control circuit 12 of the switching element 11 having an input terminal Ti, a power supply terminal Tp, a control terminal Tc, a gate of the switching element 11, and a connection part, respectively.
[0005]
The switching power supply further includes a rectifier 51 such as a diode bridge connected to the main input terminal 50, an input capacitor 52, and a transformer 53 for power conversion. The diode 54 and the output capacitor 55 are connected to the secondary winding 53c of the transformer 53.
[0006]
To both terminals of the output capacitor 55, for example, an output voltage control circuit 57 as a feedback circuit including a photodiode 571a and a zener diode 572 is connected, and a feedback signal for stabilizing the output voltage Vo is supplied to the primary side. Is output to the phototransistor 571b provided in the first stage.
[0007]
Hereinafter, the operation of the switching power supply configured as described above will be described.
[0008]
First, when an AC current from a commercial power supply is input to the rectifier 51, the DC voltage VIN rectified and smoothed by the rectifier 51 and the input capacitor 52 is applied to the primary winding 53a of the transformer 53. When the DC voltage VIN becomes a predetermined value or more, for example, about 30 V or more, a charging current flows into the power supply capacitor 60 via the regulator 13 in the control circuit 12, and the voltage value of the power supply terminal Tp is set by the start / stop circuit 23. When the activation voltage value is reached, the control circuit 12 is activated, and control of the switching operation by the switching element 11 is started.
[0009]
When the control circuit 12 is activated, the switching element 11 performs a switching operation at a predetermined frequency, for example, a frequency of about 100 kHz. As the output voltage Vo rises by this switching operation, the photodiode 571a of the output voltage control circuit 57 becomes conductive, and a feedback signal current flows through the primary-side phototransistor 571b. Subsequently, when the current value flowing through the phototransistor 571b, that is, the current value flowing out of the control terminal Tc exceeds the first constant current value of the constant current source 25, the switching operation of the switching element 11 stops.
[0010]
When the switching operation of the switching element 11 stops, the output voltage Vo gradually decreases, and the current value flowing through the phototransistor 571b gradually decreases. When the current value flowing through the phototransistor 571b drops below the second constant current value of the constant current source 25, the switching operation of the switching element 11 is restarted, and the output voltage Vo rises again.
[0011]
The rising speed of the output voltage Vo during the switching operation of the switching element 11 and the decreasing speed of the output voltage Vo while the switching operation of the switching element 11 is stopped depend on the load current flowing through the load 56. That is, when the current supply to the load 56 is small, that is, at the time of a so-called light load, the output voltage Vo increases quickly and decreases slowly, so that the switching operation period of the switching element 11 is shortened. Conversely, the switching operation period of the switching element 11 becomes longer under a heavy load in which a larger load current flows than during a light load. Accordingly, as the load becomes smaller, the number of times of switching of the switching element 11 decreases, and the power loss of the switching element at light load can be reduced, so that high efficiency at light load can be achieved.
[0012]
When this situation is illustrated, as shown in the time chart of FIG. 3A, when the current supply to the load 56 is small and the load is light, the period in which the current flows through the switching element 11 becomes short, and the time chart of FIG. As shown in (1), when a heavy load is applied, the period during which a current flows through the switching element 11 becomes longer.
[0013]
Therefore, the control circuit 12 performs control such that the number of times of switching of the switching element 11 changes in accordance with the load current supplied to the load 56 of the switching power supply, so that power consumption at light load can be reduced.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional switching power supply device, the regulator 13 is connected between the input terminal Ti of the switching element 11 and the power supply terminal Tp of the control circuit 12, and the voltage value of the input terminal Ti is equal to or higher than a predetermined value. At this time, a circuit current is supplied to the inside of the control circuit 12 to control the voltage value of the power supply terminal Tp to be a predetermined value. Therefore, the voltage of the input terminal Ti to which the start signal or the stop signal of the switching control is input cannot be adjusted from outside the control circuit 12.
[0015]
Thus, depending on the specifications of the switching power supply, the switching power supply may operate from a state in which the input voltage is insufficient. When the operation is started in such a state, the predetermined output voltage determined by the output voltage control circuit 57 is reduced. Since it cannot be obtained, there arises a problem that another circuit provided on the output side malfunctions.
[0016]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problem, and an object of the present invention is to make it possible to adjust an input voltage for determining a start operation or a stop operation of a switching power supply from outside a control circuit.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a switching power supply according to the present invention rectifies and smoothes an alternating current input to a main input terminal to convert it into a DC voltage, and applies the DC voltage to a primary side of a transformer. A switching power supply for supplying power to a load connected to a secondary side of a transformer, the switching power supply having an input terminal and an output terminal, receiving a DC voltage at an input terminal, and a switching element. A control circuit having a control terminal for controlling the switching operation of the switching element and a power supply terminal to which the internal power is supplied; and a start / stop voltage connected to the control terminal and variably setting an input voltage used for starting or stopping the switching operation of the switching element. and an adjustment means, the operation stop voltage adjusting means includes a first resistor and a second resistor connected in parallel to the main input terminal, First resistor is connected between the main input terminal and the control terminal, a second resistor is connected in series with the first resistor between the control terminal and the output terminal, the control circuit includes a switching element An oscillator that generates and outputs a switching signal supplied to the power supply, a regulator that supplies a circuit current used by the control circuit from an input terminal to a power supply terminal, a current detection circuit that holds a current flowing through the switching element at a predetermined value, A feedback circuit that stops and restarts the switching operation of the switching element based on the value of the current flowing through the control terminal.
[0018]
According to the switching power supply device of the present invention, since the switching power supply device includes the start / stop voltage adjusting means for variably setting the input voltage used to start or stop the switching operation of the switching element, a predetermined output voltage cannot be obtained at the start of the operation. This can avoid a situation in which another circuit provided on the output side malfunctions.
[0019]
In the switching power supply of the present invention, a constant current source is connected to the input side of the feedback circuit, the voltage VFB of the control terminal and the current IR2 flowing through the resistor of 2 are kept constant, and the control terminal flowing from the control terminal is controlled. The current IFB is determined by the difference between the current IR1 and the current IR2 flowing through the first resistor, and the switching element determines that the value of the current IFB has decreased and is equal to or less than the second constant current value set by the constant current source. It is preferable to start the oscillation when the current value reaches the threshold, and to stop the oscillation when the current IFB increases and becomes equal to or more than the first constant current value set by the constant current source.
[0020]
In this case, it is preferable that the constant current source has a hysteresis characteristic, and the second constant current value is lower than the first constant current value by a predetermined value .
[0021]
In the switching power supply device of the present invention, it is preferable that the switching element and the control circuit are housed in one package so that the input terminal, the output terminal, the power supply terminal, and the control terminal become external connection terminals. With this configuration, the number of components of the switching power supply device can be reduced, and the size can be easily reduced.
[0022]
In the switching power supply device of the present invention, the switching element and the control circuit may be integrated and formed on one semiconductor substrate such that the input terminal, the output terminal, the power supply terminal, and the control terminal become external connection terminals. preferable. With this configuration, the power supply device can be further reduced in size and cost can be reduced.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 shows an example of a circuit configuration of a switching power supply according to an embodiment of the present invention.
[0025]
As shown in FIG. 1, the switching power supply device has a main input terminal 50, and a rectifier 51 such as a diode bridge connected in parallel with the main input terminal 50 and a rectifier 51 connected in parallel with the main input terminal 50. And an input capacitor 52.
[0026]
The transformer 53 for power conversion includes a primary winding 53a and a secondary winding 53c, an input side of the primary winding 53a is connected to an anode of the input capacitor 52, and an output side of the primary winding 53a is a switching element 11a. And the input terminal Ti of the control circuit 12.
[0027]
The secondary winding 53c of the power conversion transformer 53 has a diode 54 connected in series in the forward direction on the output side, and an output capacitor 55 connected in parallel to the load 56.
[0028]
Between the anode and the cathode of the output capacitor 55, for example, an output voltage control circuit 57 including a photodiode 571a connected in the forward direction and a zener diode 572 connected in the reverse direction is provided in parallel.
[0029]
The output voltage control circuit 57 outputs a feedback signal for stabilizing the output voltage Vo to a phototransistor 571b provided between the primary-side control terminal Tc and the output terminal To and having a common emitter.
[0030]
A power supply capacitor 60 for stabilizing the voltage value of the power supply terminal Tp is provided between the power supply terminal Tp and the output terminal To.
[0031]
The on-substrate formation region 10 includes a switching element 11 composed of a power MOSFET having a drain connected to the input terminal Ti and a source connected to the output terminal To, an input terminal Ti, a power supply terminal Tp, a control terminal Tc, and a switching element 11. And a control circuit 12 for controlling the switching of the switching element 11 are integrally formed. A power supply voltage at which the control circuit 12 operates is supplied to the power supply terminal Tp, and a control feedback signal from the secondary side is supplied to the control terminal Tc.
[0032]
The on-substrate formation region 10 does not necessarily need to be monolithically formed on a semiconductor substrate made of silicon or the like, and some or all of the functional elements on the on-substrate formation region 10 are formed of discrete components. The components may be housed in one package and formed.
[0033]
The control circuit 12 is connected between the input terminal Ti and the power supply terminal Tp, and supplies a circuit current for the control circuit 12 when the voltage value of the input terminal Ti becomes a predetermined value or more. A regulator 13 is provided for adjusting the voltage value of the power supply terminal Tp to a predetermined value of, for example, about 5V.
[0034]
The oscillator 14 outputs a maximum duty cycle signal a for determining the maximum duty cycle of the switching element 11 and a clock signal b for determining the switching frequency of the switching element 11. The inverted signal of the maximum duty cycle signal a is supplied to the reset terminal R of the RS flip-flop circuit 16 via the first OR circuit 15, and the clock signal b is supplied to the RS flip-flop circuit via the first AND circuit 17. To the set terminal S of the loop circuit 16.
[0035]
The output signal of the RS flip-flop circuit 16 is input to one of three input terminals of the NAND circuit 18, and the output signal of the NAND circuit 18 is input to the drive circuit 19 including an inverter element and Output to the gate.
[0036]
A positive phase terminal is connected between the input terminal Ti and the drain of the switching element 11, a negative phase terminal is connected to a constant voltage source, and a current detection circuit 20 including a comparator for detecting an element current Id of the switching element 11 is provided. Is provided. When the element current Id reaches a predetermined value, the current detection circuit 20 outputs a reset signal to the reset terminal R of the RS flip-flop circuit 16 via the second AND circuit 21 and the first OR circuit 15, and performs switching. The oscillation operation of the element 11 is stopped. That is, the current detection circuit 20 adjusts the element current Id flowing through the switching element 11 during the switching operation to a predetermined value.
[0037]
The output signal from the drive circuit 19 is also input to the ON-time blanking pulse generation circuit 22, and is turned ON during a predetermined period of, for example, about 200 ns after the switching element 11 transitions to the ON state (turn-on). The time blanking pulse generation circuit 22 outputs a low-level signal to force the output signal from the current detection circuit 20 to a low level, so that the oscillation operation of the switching element 11 is not reset (stopped). I have. This prevents the switching element 11 from transitioning to the off state (turning off) due to the capacitive spike current at the time of turning on.
[0038]
The start / stop circuit 23 has a positive-phase terminal connected between the output terminal of the regulator 13 and the power supply terminal Tp, a negative-phase terminal connected to the constant voltage source, and an output terminal connected to one of the input terminals of the NAND circuit 18. And controls the oscillation or stop of the switching element 11 according to the voltage value of the power supply terminal Tp.
[0039]
The N-type MOSFET 24 constitutes a part of a feedback circuit, and its drain is connected to the constant current source 25 receiving the current from the power supply terminal Tp and the input terminal of the first AND circuit 17, and the source is connected to the control terminal Tc. And the gate is connected to the constant voltage source. Here, when the current flowing out of the control terminal Tc (control terminal current IFB) exceeds the first constant current value set by the constant current source 25, for example, about 50 μA, it is input from the drain to the first AND circuit 17. Signal becomes low level, the clock signal b is invalidated, and the switching element 11 is turned off.
[0040]
The current value of the constant current source 25 has a hysteresis characteristic. That is, the switching operation of the switching element 11 is restarted only when the value of the second constant current value becomes smaller than the first constant current value by a predetermined value, for example, less than the second constant current value of about 40 μA.
[0041]
The overheat protection circuit 27 outputs a stop signal to the set terminal S of the stop circuit 10 via the second OR circuit 28 when the temperature of the on-substrate formation region 10 becomes equal to or higher than the set value, and controls the switching operation of the switching element 11. Stop. The operation from the overheat protection is restored when the reset signal from the restart trigger circuit 30 is output to the reset terminal R of the stop circuit 29.
[0042]
Further, as a feature of the present embodiment, a first resistor for start / stop voltage adjustment as start / stop voltage adjustment means that is connected in parallel with the input capacitor 52 and can set the start voltage or stop voltage of the control circuit 12 for each device. A device 61 and a second resistor 62 are provided.
[0043]
The first resistor 61 is connected between the anode of the input capacitor 52 and the control terminal Tc, and the second resistor 62 connected in series with the first resistor 61 has a control terminal Tc and an output terminal. To. Here, the first resistor 61 and the second resistor 62 are provided outside the on-substrate formation region 10 as so-called external components, but at least one, preferably, at least the second resistor 62 is provided on the substrate. By providing them in the formation region 10, the number of components can be reduced and cost reduction can be realized.
[0044]
Although a power MOSFET is used for the switching element 11, a bipolar transistor may be used instead.
[0045]
Hereinafter, the operation of the switching power supply configured as described above will be described.
[0046]
When an AC current from a commercial power supply is input to the main input terminal 50, the input AC signal is rectified and smoothed by the rectifier 51 and the output capacitor 52, and is converted into a DC voltage VIN. The converted DC voltage VIN is applied to the primary winding 53a of the transformer 52.
[0047]
Here, when the DC voltage VIN becomes equal to or higher than a predetermined value of, for example, about 30 V, a charging current for charging the power supply capacitor 60 flows through the power supply capacitor 60 via the regulator 13 in the control circuit 12, and the voltage value of the power supply terminal Tp When the voltage reaches the start-up voltage value set by the start / stop circuit 23, the control circuit 12 starts and control of the switching operation by the switching element 11 is started. The internal current during operation of the control circuit 12 is supplied during a period in which the switching element 11 is in an off state, and is controlled so that the voltage value of the power supply terminal Tp becomes a predetermined value of, for example, about 5V.
[0048]
When the control circuit 12 is started, the switching element 11 performs a switching operation at a predetermined frequency determined by the oscillator 14, for example, a clock signal b of about 100 kHz at that frequency. This switching operation is repeated, and the output voltage Vo increases. Thereafter, when the voltage value of the output voltage Vo becomes equal to or higher than the voltage value set by the output voltage control circuit 57, the photodiode 571a conducts, and current flows through the phototransistor 571b.
[0049]
At this time, when the control terminal current Ic of the phototransistor 571b exceeds the first constant current value of the constant current source 25, the switching operation of the switching element 11 stops. This is because the drain voltage of the N-type MOSFET 24 decreases and a low-level signal is input to the first AND circuit 17.
[0050]
When the switching operation of the switching element 11 stops, power supply from the primary side to the secondary side via the transformer 53 stops, so that the output voltage Vo gradually decreases, and the current value and the photocurrent flowing through the photodiode 571a decrease. The value of the current flowing through the transistor 571b gradually decreases. Here, when the value of the current flowing through the phototransistor 571b drops below the second constant current value of the constant current source 25, the switching operation of the switching element 11 is restarted, and the output voltage Vo rises again. Thus, the voltage value of the output voltage Vo is stabilized by the feedback control.
[0051]
Next, the first resistor 61 and the second resistor 62 for adjusting the start / stop voltage will be described.
[0052]
The first resistor 61 and the second resistor 62 are provided for adjusting the outflow amount of the control terminal current IFB. By changing the resistance value of each of the resistors 61 and 62, the control terminal Tc Since the amount of the control terminal current IFB flowing out of the power supply changes, the value of the input voltage VIN when the power supply device starts or stops can be determined.
[0053]
Each resistance value of the resistors 61 and 62 is obtained as follows.
[0054]
The resistance value of the first resistor 61 is R1, and the current flowing through the first resistor 61 is IR1. The resistance value of the second resistor 62 is R2, and the current flowing through the second resistor 62 is IR2. When the voltage of the control terminal Tc is VFB, the following equations (1) and (2) are established.
[0055]
IR2 = IR1 + IFB (1)
VFB: constant ... (2)
For example, when the value of the input voltage VIN of the switching power supply increases when the switching power supply starts, the current IR1 flowing through the first resistor 61 increases. Further, since the voltage VFB at the control terminal Tc is constant from the equation (2), the current IR2 flowing through the second resistor 62 is also constant. That is, from the equation (1), when the current IR1 flowing through the first resistor 61 increases, the control terminal current IFB decreases, and the control terminal current IFB is reduced by the second constant current set by the constant current source 25. When the current value becomes equal to or less than the current value, the switching element 11 starts oscillating.
[0056]
Conversely, when the input voltage VIN of the switching power supply decreases, the current IR1 flowing through the first resistor 61 decreases. At this time, since the voltage VFB of the control terminal Tc is constant, the current IR2 flowing through the second resistor 62 is also constant. That is, from the equation (1), when the current IR1 flowing through the first resistor 61 decreases, the control terminal current IFB increases, and the control terminal current IFB becomes the first constant current value set by the constant current source 25. When this occurs, the switching element 11 stops oscillating. In addition, since a change in the current value of the constant current source 25 is given a hysteresis characteristic, a change in the start-up voltage and a change in the stop voltage are also provided with the hysteresis characteristic.
[0057]
As described above, by providing the first resistor 61 and the second resistor 62, the start voltage or the stop voltage of the device can be set as desired with a predetermined hysteresis characteristic.
[0058]
The value of the start voltage or the stop voltage at this time is represented by the following equations (3) and (4). Here, Vin (start) represents a starting voltage, Vin (stop) represents a stop voltage, IFB1 represents a first constant current value, and IFB2 represents a second constant current value.
[0059]
Vin (start) = (R1 / R2 + 1) × VFB−R1 × IFB2 (3)
Vin (stop) = (R1 / R2 + 1) × VFB−R1 × IFB1 (4)
Thus, the switching operation of the switching element 11 is performed by providing the first resistor 61 and the second resistor 62 for adjusting the start / stop voltage and adjusting the start voltage Vin (start) to an appropriate value. It can be adjusted so that the value of the input voltage VIN when starting or stopping is optimized.
[0060]
【The invention's effect】
Since the switching power supply device according to the present invention is provided with the start / stop voltage adjusting means that can set the start voltage or the stop voltage of the power supply itself, the switching power supply device does not start operating when the input voltage is insufficient. In addition, malfunction of other circuits provided on the output side can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a switching power supply according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a conventional switching power supply device.
FIGS. 3A and 3B are time charts of a switching operation in a conventional switching power supply device, FIG. 3A is a time chart at a light load, and FIG. 3B is a time chart at a heavy load. is there.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 switching power supply control device 10 substrate formation area 11 switching element 12 control circuit 13 regulator 14 oscillator 15 first OR circuit 16 RS flip-flop circuit 17 first AND circuit 18 NAND circuit 19 drive circuit 20 current detection circuit 21 2 AND circuit 22 ON-time blanking pulse generation circuit 23 Start / stop circuit 24 N-type MOSFET (feedback circuit)
25 Constant current source 27 Overheat protection circuit 28 Second OR circuit 29 Stop circuit 30 Restart trigger circuit 50 Main input terminal 51 Rectifier 52 Input capacitor 53 Transformer 53a Primary winding 53c Secondary winding 54 Diode 55 Output capacitor 56 Load 57 Output voltage control circuit (feedback circuit)
571a Photodiode 571b Phototransistor (feedback circuit)
572 Zener diode 60 Power supply capacitor 61 First resistor (start-stop voltage adjusting means)
62 second resistor (start / stop voltage adjusting means)
Ti input terminal (external connection terminal)
To output terminal (external connection terminal)
Tp power supply terminal (external connection terminal)
Tc control terminal (external connection terminal)

Claims

The AC current input to the main input terminal is rectified and smoothed and converted to a DC voltage, and the DC voltage is applied to a primary side of a transformer to supply power to a load connected to a secondary side of the transformer. Switching power supply device,
The switching power supply,
A switching element having an input terminal and an output terminal, and receiving a DC voltage at the input terminal;
A control circuit having a control terminal for controlling a switching operation of the switching element and a power supply terminal to which an internal power supply is supplied,
A start / stop voltage adjusting unit connected to the control terminal and variably setting an input voltage used for starting or stopping a switching operation of the switching element;
The start / stop voltage adjusting means has a first resistor and a second resistor connected in parallel to the main input terminal, and the first resistor is connected between the main input terminal and the control terminal. The second resistor is connected in series with the first resistor between the control terminal and the output terminal;
The control circuit includes:
An oscillator that generates and outputs a switching signal supplied to the switching element;
A regulator for supplying a circuit current used by the control circuit from the input terminal to the power supply terminal;
A current detection circuit that holds a current flowing through the switching element at a predetermined value;
A switching power supply device comprising: a feedback circuit that stops and restarts the switching operation of the switching element based on a current value flowing through the control terminal.

A constant current source is connected to the input side of the feedback circuit,
The voltage VFB at the control terminal and the current IR2 flowing through the two resistors are kept constant;
A control terminal current IFB flowing from the control terminal is determined by a difference between the current IR1 flowing through the first resistor and the current IR2,
The switching element starts oscillating when the current IFB decreases and its value becomes equal to or less than a second constant current value set by the constant current source, while the current IFB increases. 2. The switching power supply device according to claim 1, wherein the oscillation is stopped when the value becomes equal to or more than a first constant current value set by the constant current source.

The switching power supply device according to claim 2, wherein the constant current source has a hysteresis characteristic, and the second constant current value is lower than the first constant current value by a predetermined value. .

The said switching element and the said control circuit are accommodated and formed in one package so that the said input terminal, an output terminal, a power supply terminal, and a control terminal may become an external connection terminal, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Switching power supply.

The said switching element and the said control circuit are integrated, and formed on one semiconductor substrate so that the said input terminal, an output terminal, a power supply terminal, and a control terminal may become an external connection terminal. 2. The switching power supply device according to 1.