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JP4148760B2 - Switching power supply - Google Patents

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JP4148760B2
JP4148760B2 JP2002329786A JP2002329786A JP4148760B2 JP 4148760 B2 JP4148760 B2 JP 4148760B2 JP 2002329786 A JP2002329786 A JP 2002329786A JP 2002329786 A JP2002329786 A JP 2002329786A JP 4148760 B2 JP4148760 B2 JP 4148760B2
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voltage
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current
switch
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浩之 芳賀
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Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
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Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷急変に対する高速応答性に優れ、低電圧大電流出力に向いたスイッチング電源装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
低電圧出力のスイッチング電源では、変換効率向上のために同期整流方式を適用する例が多いが、例えばフォワードコンバータの場合、いくつかの問題点が存在する。
【0003】
第1の問題点として、貫通電流の問題がある。トランスが励磁されているときに、フライホイール側のスイッチ素子が導通していると、電流を阻止する素子がなくなり、入力電源を短絡することになる。このときに流れる電流が貫通電流であり、貫通電流が流れると素子にストレスを与え、変換効率が低下する問題がある。これを避けるために、フライホイール側のスイッチ素子は、トランスが励磁されるタイミングより早めに非導通とする、いわゆるデッドタイムを設ける必要がある。しかしながらデッドタイムの設定を長くしすぎると、同期整流方式のメリットが薄れて変換効率の低下を招き、短くしすぎると部品のばらつきで貫通電流が流れる危険性が増大する。このことは低電圧大電流出力のスイッチング電源で特に顕著にあらわれる。このため貫通電流を避けつつ変換効率の低下を最小限におさえる最適なデッドタイムの設定が困難である。
【0004】
第2の問題点は、負荷急変に対する高速応答性という観点から見ると、チョークの励磁期間に制約がある点である。負荷電流が急変したときに出力電圧の変動を最小限に抑えるためには、チョーク電流は負荷電流に速やかに追従しなくてはならない。これは(負荷電流−チョーク電流)が出力コンデンサから流れ出すことから明らかである。
【0005】
図13は負荷電流(A)と、それに対する理想のチョーク電流(B)を示した波形である。これはチョークが励磁されるデューティを100%とした場合の波形である。また、制御回路の遅れはないものとしている。しかしながら、フォワードコンバータではトランスの励磁期間とチョークの励磁期間が等しいため、トランスの制約条件からチョークが励磁されるデューティを100%とする事はできない。トランスが飽和する危険性があること、スイッチ素子の印加電圧が増大することから、50〜60%が実用的な最大デューティである。したがって、実際のチョーク電流動作は(C)に示すような波形となる。理想波形(B)と比べると、明らかに応答が遅れていることがわかる。このように、チョークが励磁されるデューティに制約があるため、負荷急変に対する高速応答性にも制約がある問題があった。
【0006】
第3の問題は、大電流出力の場合、チョークが大型化することである。これはリップル分を除き、出力電流とチョーク電流が等しいためである。近年、マイクロプロセッサの電源電圧は低下の一途をたどり、かつ消費電流は増加傾向にあるため、チョークとしても大電流が流せるものが必要となってきた。しかしながら一方で小型化の要求もあるわけだが、チョークを無理に小型化すると、直流抵抗が増えて導通損失が増大するため、チョークが大型化する傾向があった。
【0007】
第4の問題は、出力から入力へエネルギーが逆流することである。これは同期整流により、チョーク電流がマイナスになる状態が成立するためである。エネルギーの逆流があると、並列運転時に問題が発生する場合がある。例えば、同期整流化したフォワードコンバータを並列運転する場合、出力電圧の設定に差があると、設定電圧の高いものから低いものにエネルギーが流れ込み、設定電圧の低いコンバータでは、出力から入力にエネルギーが流れるようになる。各コンバータの入力に保護用のヒューズがあり、逆流しているコンバータのヒューズが何らかの原因により切れた場合、そのコンバータは破損する。これはエネルギーの行き場がなくなって、一次側の電圧が上昇する為である。このような問題を避けるため、例えば軽負荷では同期整流用スイッチ素子の駆動をやめるなど、保護回路を追加する必要があった。
【0008】
これらの問題点を解決する為に出願人等は先に図8、図9、図10及び図11に示す回路を提案した(先行出願1、2、3、4参照)。図11は前記4つの問題点を解決することが可能である。しかしながら従来のフォワードコンバータと比較して、部品点数が大幅に増える点が問題である。特に、絶縁が必要なことから外形寸法が大きくなりがちなトランスが4つ必要であることが、電源の小型化に対する阻害要因となる。
【0009】
図10はこの問題を解決したもので、トランスが2つで済む。これにより、トランスと二次側の整流素子の数が減り、電源の小型化に寄与する。しかしながら、トランスの一次巻線はやはり4つ必要であり、各トランスの構成は図11に比し複雑化している。図9はこれらの対策として、トランスが2つでかつ各トランスの構成を簡単にした回路で、これによりトランスの一次巻線が減り、トランスの小型化に寄与する。唯この回路は、一次側のハイサイドスイッチとローサイドスイッチで異なる耐圧のものが必要となる。
【0010】
図9の方式の動作波形を図12に示す。入力電圧75V、出力電圧1.5V、出力電流100Aとした。Q1、4がローサイドスイッチ、Q2、3がハイサイドスイッチであるが、これを見るとハイサイドスイッチとして100V耐圧の素子が、ローサイドスイッチとして200V耐圧の素子が必要であることがわかる。これはハイサイドスイッチにはチョークの電圧とトランスのフライバック電圧が加算された電圧が印加されるのに対し、ローサイドスイッチには入力電圧とチョークの電圧とトランスのフライバック電圧が加算された電圧が印加される事によるものである。例えば、入力電圧75Vの場合、ハイサイドスイッチとして100V耐圧の素子が、ローサイドスイッチとして200V耐圧の素子が必要である。このためローサイドスイッチは高耐圧の素子である必要があり、導通損失が増える問題があった。
【0011】
図8はこの問題を解決したもので、同じ条件で、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチ共に100V耐圧の素子を使うことが可能である。しかしながらこの方式では、2個のスイッチ素子を直列接続して1パッケージ化した素子を使えない問題がある。ハイサイドスイッチとローサイドスイッチが2直列になっていないことは図8を見れば明らかである。
【0012】
【先行出願1】
特願2001−223213
【先行出願2】
特願2001−166187
【先行出願3】
特願2001−137001
【先行出願4】
特願2001−106829
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記の問題点を解決する回路を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
入力端子、出力端子、入力端子に接続された第一のチョークと第一のトランスの一次巻線と第一のスイッチ素子と第二のスイッチ素子の直列回路、第一のチョークと第一のトランスの一次巻線と第一のスイッチ素子の直列回路に並列に接続された第一の整流素子、第一のトランスの一次巻線と第一のスイッチ素子と第二のスイッチ素子の直列回路に並列に接続された第二のトランスの一次巻線と第三のスイッチ素子と第四のスイッチ素子の直列回路、第一のチョークと第二のトランスの一次巻線と第三のスイッチ素子の直列回路に並列に接続された第二の整流素子、出力端子に接続された第一のコンデンサ、第一のコンデンサに並列に接続された第一のトランスの二次巻線と第三の整流素子の直列回路、第一のコンデンサに並列に接続された第二のトランスの二次巻線と第四の整流素子の直列回路とを備えたスイッチング電源装置により課題を解決する。同期整流にする場合は、第三の整流素子と第四の整流素子にそれぞれ並列にスイッチ素子をつければよい。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例(基本回路)を図1に示す。図1図示実施例は、一次・二次間を絶縁したトランス31,32を2つ設けてある。入力端子に第一のチョーク2と第一のトランス31の一次巻線と第一のスイッチ素子12と第二のスイッチ素子11とを直列に接続してある。第一のチョーク2と第一のトランス31の一次巻線と第一のスイッチ素子12との直列回路と並列に第一の整流素子22を接続してある。第一のトランス31の一次巻線と第一のスイッチ素子12と第二のスイッチ素子11との直列回路と並列に、第二のトランス32の一次巻線と第三のスイッチ素子13と第四のスイッチ素子14との直列回路を接続してある。第一のチョーク2と第二のトランス32の一次巻線と第三のスイッチ素子13との直列回路と並列に第二の整流素子26を接続してある。
【0016】
出力端子に第一のコンデンサ3を接続し、第一のコンデンサ3に並列に、第一のトランス31の二次巻線と第三の整流素子21の直列回路を接続し、第一のコンデンサ3に並列に、第二のトランス32の二次巻線と第四の整流素子23の直列回路を接続してある。
【0017】
スイッチ素子11、14が出力電圧制御を行う為のメインスイッチであり、交互にオンさせる。スイッチ素子12、13はチョーク2のリセット電流を流すルートとトランス31、32のリセット条件を確保するための補助スイッチである。スイッチ素子12、13の動作条件は、スイッチ素子11がオンの時はスイッチ素子12もオンであること、スイッチ素子14がオンの時はスイッチ素子13もオンであること、スイッチ素子11と14が両方オフの時は、スイッチ素子12か13のどちらかがオンしている必要がある事である。また、スイッチ素子12、13のオフ期間は、トランス31、32のリセット条件を確保する様に決める必要がある。上記の条件により以下の動作説明では、スイッチ素子12は一周期の0%〜50%でオン、スイッチ素子13は一周期の50%〜100%でオンすると決める。また、スイッチ素子11は0%〜50%の間でオンさせ、スイッチ素子14は50%〜100%の間でオンさせてパルス幅制御をかけるものとする。尚、パルス幅制御に限らず他の制御方法を用いてもよい。
【0018】
次に動作を説明する。先ず、スイッチ素子11と12がオンすると、入力電源からチョーク2、スイッチ素子12、トランス31の一次巻線、スイッチ素子11のルートで電流が流れ、同時に整流素子21が導通する。チョーク2には(入力電圧−出力電圧×トランス31の一次/二次巻数比)の電圧がかかるため、電流が直線的に増加する。スイッチ素子11がオフすると、チョーク2のリセット電流がスイッチ素子12、トランス31の一次巻線、整流素子22のルートで流れる。整流素子21は導通したままである。チョーク2の電圧は(出力電圧×トランス31の一次/二次巻数比)でクランプされる為、電流が直線的に減少する。次にスイッチ素子13、14がオンすると、入力電源からチョーク2、スイッチ素子13、トランス32の一次巻線、スイッチ素子14のルートで電流が流れ、同時に整流素子23が導通する。チョーク2には(入力電圧−出力電圧×トランス32の一次/二次巻数比)の電圧がかかるため、電流が直線的に増加する。スイッチ素子14がオフすると、チョーク2のリセット電流がスイッチ素子13、トランス32の一次巻線、整流素子26のルートで流れる。整流素子23は導通したままである。チョーク2の電圧は(出力電圧×トランス32の一次/二次巻数比)でクランプされる為、電流が直線的に減少する。
【0019】
この回路ではローサイドスイッチに高耐圧の素子を使う必要はない。これは図1のダイオード22、26により入力電圧以上の電圧が印加されない為である。ローサイドスイッチとハイサイドスイッチが両方オフしたときに、この二つの素子に印加される合計電圧は、入力電圧とチョークの電圧とトランスのフライバック電圧が加算された電圧である。前述したようにローサイドスイッチの印加電圧は最大でも入力電圧であるので、ハイサイドスイッチには残りのチョークの電圧とトランスのフライバック電圧が加算された電圧が印加される。これは従来(図3)におけるハイサイドスイッチと同じ電圧である。したがって、例えば入力電圧36V〜75Vで設計した場合、ローサイドスイッチ、ハイサイドスイッチの両方に耐圧100Vの素子を使うことが可能である。これにより、ローサイドスイッチの導通損失は耐圧200Vの素子を使用した場合と比べて、大幅に減少する。ハイサイドスイッチに流れる電流は増えるが、ローサイドスイッチのオン幅が広い場合、それによる損失増加分を上回るローサイドスイッチの導通損失低減が見込まれる。また、同じ部品が使えるため、部品の種類が減るメリットもある。
【0020】
図2は図1のシミュレーション用の回路図で、図1との相違点は、二次側を同期整流とし(QD1,QD3を追加)、そのために整流素子D1,D3をマイナス側に移動したこと、トランスリセット用の巻線とダイオードD4,D5を追加したこと、MOSFETを想定してスイッチ素子1〜4に並列にダイオードDQ1〜DQ4を接続した事である。なおLm1、Lm2はトランスの励磁インダクタンスを表している。
【0021】
図3は図2のシミュレーション結果を示す各部動作波形図で、図3では二周期の動作波形を示した。シミュレーション回路の入出力条件は、入力電圧48V、出力電圧1.5V、出力電流100Aである。又Q2、Q3は先に説明したようにデューティ50%固定とし、QD1、QD3はそれぞれQ2、Q3と同期させた。図3から前述の動作説明と同じ動作となっていることがわかる。また、図4は入力電圧を75Vとしたときのシミュレーション結果を示す。Q1、Q2、Q3、Q4は全て100V耐圧でよいことがわかる。
【0022】
図2の回路では貫通電流の問題が発生しない。Q1,Q2,Q3,Q4,QD1,QD3のすべてのスイッチ素子が同時にオンしても、D2、D6が短絡電流を阻止するためである。したがって従来の貫通電流を避けつつ変換効率の低下を最小限におさえる様な最適なデッドタイムの設定が困難である、という問題は存在しない。そもそもデッドタイムが不要なので、同期整流方式のメリットが薄れて変換効率の低下を招く事がなく、結果として高効率化に寄与する。
【0023】
またチョークの大型化の問題も解決する。これは、チョークが一次側に存在する為、チョーク電流がトランスによって巻数比変換される事によるものである。このためチョーク電流は大幅に減少し、チョークの大型化を避けることができる。例えば、図2ではトランスの巻数比が16:1であるため、チョーク電流の平均値は100/16=6.25Aとなる。図3のQ2、Q3の電流を合成したものがチョークの電流であるが、ほぼその値となっていることがわかる。
【0024】
又、図2の回路では、チョークの励磁期間、リセット期間共0%から100%まで変えることが可能である。Q1,Q4のオンデューティを50%とすればチョークの励磁期間は100%となり、Q1,Q4のオンデューティを0%とすればチョークのリセット期間は100%となる。したがってチョーク電流動作は制御回路の遅れがない場合、図7の理想波形となり、高速応答性に対する制約はなくなる。
【0025】
図1はチョーク電流を二分割してトランス31、32に流す回路であるが、本発明は分割数が二に限定されるものではない。任意の分割数にすることが可能である。
分割数を三に増やした回路が図5である。このように点線で囲った回路ブロックを追加していけば、分割数をいくらでも増やすことが可能である。
分割数を増やすことにより、チョークのリップル電流が減っていくメリットがある。同じリップル電流でよければチョークのインダクタンス値を下げることができ、高速応答に有利となる。
【0026】
又、本発明ではエネルギーが逆流するという問題が発生しない。これはチョークのリセット電流が流れるルートには整流素子があり、チョーク電流が逆流しないためである。したがって、出力から入力へエネルギーが流れることはない。尚、エネルギーを逆流させたい場合には、図1の整流素子22、26に並列にスイッチ素子を接続すればよい。ただし、貫通電流が流れる事があり得るので、各スイッチ素子の駆動タイミングには注意を払う必要がある。例えば図1の場合、スイッチ素子11と整流素子22に並列に接続したスイッチ素子を同時に導通させると貫通電流が流れる。
【0027】
本発明には、ゼロ電流スイッチングが可能である為に、発生する電圧サージが小さいメリットもある。現実の回路にはトランスの漏れインダクタンスや配線のインダクタンスなど、意図的に挿入したのではない寄生インダクタンスが存在するが、これが通常のスイッチング電源では電圧サージの発生要因となる。これは、寄生インダクタンスに流れる電流が、スイッチング時に流れるルートを失ってハイインピーダンス部に流れるためである。本発明では、ハイサイドスイッチを駆動するタイミングを工夫することにより、この問題を回避することが可能である。
【0028】
図6は図2に対してインダクタンスLL1、2を追加したシミュレーション用回路図である。LL1、2はトランスの漏れインダクタンスを想定している。図7は図6のシミュレーション結果を示す各部動作波形である。二周期の動作波形を示した。図3との相違点は、ハイサイドスイッチをオンさせる期間を0〜50%、50〜100%から0〜55%、50〜105%に変えたことである。
【0029】
ハイサイドスイッチQ2とLL1、Q3とLL2は直列に接続されており、Q2、3のプラス側電流とLL1、2の電流は等しい。したがってQ2、3の電流がプラスの時、即ちLL1、2に電流が流れているときにQ2、3をオフさせるとLL1、2に流れる電流はルートを失い、電圧サージが発生する。図6ではこの問題が回避されている。即ち、Q2、3電流がゼロになってからQ2、3がオフされている。このため、電圧サージが発生しない。
【0030】
このような動作が可能となるのは、LL1、2に電流を減らす向きの電圧が印加される為である。ハイサイドスイッチのオン期間を延長すると、ハイサイドスイッチがオンしている時に、反対側のトランスに接続されたローサイドスイッチがオンするようになる。ローサイドスイッチがオンするとチョークLiの電圧が反転するため、LL1、2にそれまでとは逆向きの電圧が印加されるのである。
【0031】
図8図示の従来例ではスイッチ素子11と12の間にトランス31の一次巻線が挿入されているため、二つのスイッチ素子が直列接続されて1パッケージ化された部品を使用することができなかったが、図1図示実施例ではそれが可能である。このような部品が使えると、個別部品を使う場合と比べて二つのスイッチ素子間の配線をずっと短くすることが可能である。すると、配線によって生ずるインダクタンスが原因となって、スイッチ素子の両端に発生する電圧サージを抑制する事ができ、電源装置の低ノイズ化に寄与する。
【0032】
電圧サージが大きくなって、素子の定格電圧を超えるようなことがあると、素子の破損に至る。二つのスイッチ素子間の配線が長い場合、このような事態を避けるために、電圧サージを吸収する部品が別途必要になって電源装置の大型化を招くが、配線が短ければそのような部品は不要である。
【0033】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、同期整流による貫通電流の問題がなく、負荷急変に対する高速応答性に優れ、チョークの大型化を抑制し、エネルギー逆流の問題のない低電圧大電流出力向けのスイッチング電源を簡素な構成のトランスで、なおかつ二直列にしたスイッチ素子を1パッケージ化した部品を一次側スイッチ素子として使用することが可能となり、電源の小型化、低コスト化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例回路図(基本回路)
【図2】 図1シミュレーション用の回路図
【図3】 図2の各部動作波形図
【図4】 図2の各部動作波形図
【図5】 本発明の他の実施例回路図
【図6】 図1シミュレーション用の回路図
【図7】 図6の各部動作波形図
【図8】 従来の回路図
【図9】 従来の回路図
【図10】 従来の回路図
【図11】 従来の回路図
【図12】 図9の各部動作波形図
【図13】負荷電流とチョーク電流の波形図
【符号の説明】
1 入力電源
2 チョーク
3 コンデンサ
4 負荷
11〜14 スイッチ素子
21〜26 整流素子
31〜34 トランス
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply device that has excellent high-speed response to sudden load changes and is suitable for low-voltage, large-current output.
[0002]
[Prior art]
In a switching power supply with a low voltage output, there are many examples in which a synchronous rectification method is applied to improve conversion efficiency. However, for example, in the case of a forward converter, there are some problems.
[0003]
As a first problem, there is a problem of through current. If the switch element on the flywheel side is conductive when the transformer is excited, there is no element that blocks the current, and the input power supply is short-circuited. The current flowing at this time is a through current, and when the through current flows, there is a problem that the element is stressed and the conversion efficiency is lowered. In order to avoid this, it is necessary to provide a so-called dead time in which the switch element on the flywheel side is turned off earlier than the timing at which the transformer is excited. However, if the dead time is set too long, the merits of the synchronous rectification method are diminished and the conversion efficiency is lowered. If the dead time is set too short, there is an increased risk of through current flowing due to component variations. This is particularly noticeable in switching power supplies with low voltage and large current output. Therefore, it is difficult to set an optimum dead time that avoids a through current and minimizes a decrease in conversion efficiency.
[0004]
The second problem is that the choke excitation period is limited from the viewpoint of high-speed response to sudden load changes. In order to minimize fluctuations in the output voltage when the load current changes suddenly, the choke current must quickly follow the load current. This is evident from the fact that (load current-choke current) flows out of the output capacitor.
[0005]
FIG. 13 is a waveform showing the load current (A) and the ideal choke current (B). This is a waveform when the duty at which the choke is excited is 100%. In addition, there is no delay in the control circuit. However, in the forward converter, since the excitation period of the transformer and the excitation period of the choke are equal, the duty with which the choke is excited cannot be set to 100% due to the constraints of the transformer. Since there is a risk of saturation of the transformer and the applied voltage of the switch element increases, 50 to 60% is a practical maximum duty. Therefore, the actual choke current operation has a waveform as shown in (C). Compared with the ideal waveform (B), it can be seen that the response is clearly delayed. As described above, since the duty with which the choke is excited is limited, there is a problem that the high-speed response to a sudden load change is also limited.
[0006]
The third problem is that the choke becomes large in the case of a large current output. This is because the output current and the choke current are equal except for the ripple. In recent years, the power supply voltage of a microprocessor has been steadily decreasing and the current consumption has been increasing. Therefore, a choke that can carry a large current has become necessary. However, there is also a demand for downsizing, but if the choke is forcibly downsized, the direct current resistance increases and the conduction loss increases, so that the choke tends to increase in size.
[0007]
The fourth problem is that energy flows back from the output to the input. This is because the state where the choke current becomes negative is established by the synchronous rectification. If there is a backflow of energy, problems may occur during parallel operation. For example, when operating synchronously rectified forward converters in parallel, if there is a difference in the output voltage setting, energy flows from the higher setting voltage to the lower setting voltage, and in a converter with a lower setting voltage, energy is output from the output to the input. It begins to flow. There is a protective fuse at the input of each converter, and if the reverse fuse of the converter is blown for some reason, the converter is damaged. This is because there is no place for energy and the voltage on the primary side rises. In order to avoid such a problem, it is necessary to add a protection circuit such as stopping driving of the synchronous rectification switch element in a light load.
[0008]
In order to solve these problems, the applicants previously proposed the circuits shown in FIGS. 8, 9, 10 and 11 (refer to the prior applications 1, 2, 3, and 4). FIG. 11 can solve the above four problems. However, there is a problem in that the number of parts is significantly increased as compared with the conventional forward converter. In particular, the need for four transformers whose outer dimensions tend to be large due to the need for insulation is an impediment to miniaturization of the power supply.
[0009]
FIG. 10 solves this problem, and only two transformers are required. This reduces the number of transformers and rectifiers on the secondary side, contributing to the miniaturization of the power supply. However, four primary windings of the transformer are still necessary, and the configuration of each transformer is more complicated than that in FIG. FIG. 9 shows a circuit in which there are two transformers and the configuration of each transformer is simplified as a countermeasure against these, which reduces the primary winding of the transformer and contributes to miniaturization of the transformer. However, this circuit needs to have different breakdown voltages for the high-side switch and the low-side switch on the primary side.
[0010]
FIG. 12 shows operation waveforms of the method of FIG. The input voltage was 75V, the output voltage was 1.5V, and the output current was 100A. Q1 and 4 are low-side switches, and Q2 and 3 are high-side switches. From this, it can be seen that a 100V breakdown voltage element is required as the high-side switch and a 200V breakdown voltage element is required as the low-side switch. This is because a voltage obtained by adding the choke voltage and the transformer flyback voltage is applied to the high-side switch, whereas a voltage obtained by adding the input voltage, choke voltage, and transformer flyback voltage to the low-side switch. This is due to the fact that is applied. For example, in the case of an input voltage of 75 V, an element with a withstand voltage of 100 V is required as a high side switch and an element with a withstand voltage of 200 V is required as a low side switch. For this reason, the low-side switch needs to be a high breakdown voltage element, and there is a problem that conduction loss increases.
[0011]
FIG. 8 solves this problem. Under the same conditions, it is possible to use a device with a withstand voltage of 100 V for both the high-side switch and the low-side switch. However, this method has a problem that it is not possible to use an element in which two switch elements are connected in series to form one package. It is obvious from FIG. 8 that the high-side switch and the low-side switch are not in series.
[0012]
[Prior Application 1]
Japanese Patent Application No. 2001-223213
[Prior Application 2]
Japanese Patent Application 2001-166187
[Prior Application 3]
Japanese Patent Application 2001-137001
[Prior Application 4]
Japanese Patent Application No. 2001-106829
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a circuit that solves the above problems.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
Input terminal, output terminal, first choke connected to input terminal, primary transformer primary winding, first switch element and second switch element in series circuit, first choke and first transformer A first rectifier element connected in parallel to the series circuit of the primary winding and the first switch element in parallel, and a parallel circuit in the series circuit of the primary winding of the first transformer, the first switch element and the second switch element A primary circuit of the second transformer connected to the third circuit, a series circuit of the third switch element and the fourth switch element, a series circuit of the first choke and the primary winding of the second transformer and the third switch element A second rectifying element connected in parallel to the first capacitor, a first capacitor connected to the output terminal, a second winding of the first transformer connected in parallel to the first capacitor and a third rectifying element in series. Circuit, connected in parallel to the first capacitor SUMMARY The switching power supply device including a second transformer secondary winding and a series circuit of a fourth rectifier element. In the case of synchronous rectification, a switch element may be provided in parallel with each of the third rectifier element and the fourth rectifier element.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment (basic circuit) of the present invention is shown in FIG. The embodiment shown in FIG. 1 is provided with two transformers 31 and 32 that insulate the primary and secondary sides. The first choke 2, the primary winding of the first transformer 31, the first switch element 12, and the second switch element 11 are connected in series to the input terminal. The first rectifier 22 is connected in parallel with the series circuit of the first choke 2, the primary winding of the first transformer 31 and the first switch element 12. In parallel with the primary winding of the first transformer 31 and the series circuit of the first switch element 12 and the second switch element 11, the primary winding of the second transformer 32, the third switch element 13, and the fourth A series circuit with the switch element 14 is connected. A second rectifying element 26 is connected in parallel with the series circuit of the first choke 2 and the primary winding of the second transformer 32 and the third switch element 13.
[0016]
The first capacitor 3 is connected to the output terminal, and the series circuit of the secondary winding of the first transformer 31 and the third rectifier element 21 is connected in parallel to the first capacitor 3, and the first capacitor 3 In parallel, the secondary circuit of the second transformer 32 and the series circuit of the fourth rectifying element 23 are connected.
[0017]
The switch elements 11 and 14 are main switches for performing output voltage control, and are alternately turned on. The switch elements 12 and 13 are auxiliary switches for securing the route through which the reset current of the choke 2 flows and the reset conditions of the transformers 31 and 32. The operating conditions of the switch elements 12 and 13 are that the switch element 12 is also on when the switch element 11 is on, the switch element 13 is on when the switch element 14 is on, and that the switch elements 11 and 14 are When both are off, either switch element 12 or 13 needs to be on. Moreover, it is necessary to determine the OFF period of the switch elements 12 and 13 so as to ensure the reset condition of the transformers 31 and 32. In the following description of the operation based on the above conditions, it is determined that the switch element 12 is turned on at 0% to 50% of one cycle and the switch element 13 is turned on at 50% to 100% of one cycle. Further, the switch element 11 is turned on between 0% and 50%, and the switch element 14 is turned on between 50% and 100% to apply pulse width control. In addition, you may use not only pulse width control but another control method.
[0018]
Next, the operation will be described. First, when the switch elements 11 and 12 are turned on, current flows from the input power source through the choke 2, the switch element 12, the primary winding of the transformer 31, and the route of the switch element 11, and at the same time, the rectifier element 21 becomes conductive. Since a voltage of (input voltage−output voltage × primary / secondary turns ratio of the transformer 31) is applied to the choke 2, the current increases linearly. When the switch element 11 is turned off, the reset current of the choke 2 flows through the route of the switch element 12, the primary winding of the transformer 31, and the rectifier element 22. The rectifying element 21 remains conductive. Since the voltage of the choke 2 is clamped by (output voltage × primary / secondary turns ratio of the transformer 31), the current decreases linearly. Next, when the switch elements 13 and 14 are turned on, current flows from the input power source through the choke 2, the switch element 13, the primary winding of the transformer 32, and the route of the switch element 14, and at the same time, the rectifier element 23 becomes conductive. Since a voltage of (input voltage−output voltage × primary / secondary turns ratio of the transformer 32) is applied to the choke 2, the current increases linearly. When the switch element 14 is turned off, the reset current of the choke 2 flows through the route of the switch element 13, the primary winding of the transformer 32, and the rectifier element 26. The rectifying element 23 remains conductive. Since the voltage of the choke 2 is clamped by (output voltage × primary / secondary turns ratio of the transformer 32), the current decreases linearly.
[0019]
In this circuit, it is not necessary to use a high breakdown voltage element for the low-side switch. This is because a voltage higher than the input voltage is not applied by the diodes 22 and 26 in FIG. When both the low-side switch and the high-side switch are turned off, the total voltage applied to the two elements is a voltage obtained by adding the input voltage, the choke voltage, and the transformer flyback voltage. As described above, since the applied voltage of the low side switch is the input voltage at the maximum, a voltage obtained by adding the remaining choke voltage and the transformer flyback voltage is applied to the high side switch. This is the same voltage as that of the conventional high side switch (FIG. 3). Therefore, for example, when designing with an input voltage of 36 V to 75 V, an element having a withstand voltage of 100 V can be used for both the low side switch and the high side switch. As a result, the conduction loss of the low-side switch is greatly reduced as compared with the case where an element with a withstand voltage of 200 V is used. Although the current flowing through the high-side switch increases, when the on-width of the low-side switch is wide, the conduction loss of the low-side switch is expected to be less than the increase in loss caused thereby. In addition, since the same parts can be used, there is an advantage that the types of parts are reduced.
[0020]
2 is a circuit diagram for the simulation in FIG. 1. The difference from FIG. 1 is that the secondary side is synchronous rectification (QD1, QD3 is added), and the rectifier elements D1, D3 are moved to the negative side for that purpose. The addition of the transformer reset winding and the diodes D4 and D5, and the diodes DQ1 to DQ4 are connected in parallel to the switch elements 1 to 4 assuming a MOSFET. Lm1 and Lm2 represent exciting inductances of the transformer.
[0021]
FIG. 3 is an operation waveform diagram of each part showing the simulation result of FIG. 2, and FIG. 3 shows an operation waveform of two cycles. The input / output conditions of the simulation circuit are an input voltage of 48V, an output voltage of 1.5V, and an output current of 100A. Q2 and Q3 were fixed at 50% duty as described above, and QD1 and QD3 were synchronized with Q2 and Q3, respectively. It can be seen from FIG. 3 that the operation is the same as that described above. FIG. 4 shows a simulation result when the input voltage is 75V. It can be seen that Q1, Q2, Q3, and Q4 all have a withstand voltage of 100V.
[0022]
In the circuit of FIG. 2, the problem of through current does not occur. This is because D2 and D6 prevent short-circuit current even if all the switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, QD1, and QD3 are turned on simultaneously. Therefore, there is no problem that it is difficult to set an optimum dead time so as to minimize a decrease in conversion efficiency while avoiding a conventional through current. In the first place, since dead time is unnecessary, the merit of the synchronous rectification method is not reduced and the conversion efficiency is not lowered, resulting in higher efficiency.
[0023]
It also solves the problem of large choke. This is due to the fact that the choke current is converted into the turns ratio by the transformer because the choke exists on the primary side. For this reason, the choke current is greatly reduced, and an increase in the choke size can be avoided. For example, in FIG. 2, since the transformer turns ratio is 16: 1, the average value of the choke current is 100/16 = 6.25A. The choke current is a combination of the currents Q2 and Q3 in FIG.
[0024]
In the circuit of FIG. 2, the excitation period and reset period of the choke can be changed from 0% to 100%. If the on-duty of Q1 and Q4 is 50%, the excitation period of the choke is 100%, and if the on-duty of Q1 and Q4 is 0%, the reset period of the choke is 100%. Therefore, when there is no delay in the control circuit, the choke current operation has the ideal waveform shown in FIG. 7, and there is no restriction on the high-speed response.
[0025]
Although FIG. 1 shows a circuit in which the choke current is divided into two and flows through the transformers 31 and 32, the present invention is not limited to two. Any number of divisions is possible.
FIG. 5 shows a circuit in which the number of divisions is increased to three. By adding circuit blocks surrounded by dotted lines in this way, the number of divisions can be increased as much as possible.
Increasing the number of divisions has the advantage of reducing the ripple current of the choke. If the same ripple current is acceptable, the inductance value of the choke can be lowered, which is advantageous for high-speed response.
[0026]
Further, in the present invention, there is no problem that the energy flows backward. This is because there is a rectifying element in the route through which the choke reset current flows, and the choke current does not flow backward. Therefore, no energy flows from the output to the input. In addition, what is necessary is just to connect a switch element in parallel with the rectifier elements 22 and 26 of FIG. However, since a through current may flow, it is necessary to pay attention to the drive timing of each switch element. For example, in the case of FIG. 1, when a switch element connected in parallel to the switch element 11 and the rectifying element 22 is simultaneously turned on, a through current flows.
[0027]
The present invention has an advantage that a voltage surge generated is small because zero current switching is possible. In an actual circuit, there are parasitic inductances that are not intentionally inserted, such as transformer leakage inductance and wiring inductance, but this becomes a cause of voltage surge in a normal switching power supply. This is because the current that flows in the parasitic inductance loses the route that flows during switching and flows to the high impedance portion. In the present invention, this problem can be avoided by devising the timing for driving the high-side switch.
[0028]
FIG. 6 is a circuit diagram for simulation in which inductances LL1 and LL2 are added to FIG. LL1 and LL2 assume transformer leakage inductance. FIG. 7 is an operation waveform of each part showing the simulation result of FIG. Two cycles of operation waveforms are shown. The difference from FIG. 3 is that the period during which the high-side switch is turned on is changed from 0-50%, 50-100% to 0-55%, 50-105%.
[0029]
The high-side switches Q2 and LL1, Q3 and LL2 are connected in series, and the positive currents of Q2 and 3 are equal to the currents of LL1 and LL2. Therefore, when the currents of Q2 and 3 are positive, that is, when the currents are flowing through LL1 and LL2, when Q2 and 3 are turned off, the currents flowing through LL1 and 2 lose their roots, and a voltage surge is generated. In FIG. 6, this problem is avoided. That is, Q2 and 3 are turned off after the currents Q2 and 3 become zero. For this reason, a voltage surge does not occur.
[0030]
The reason why such an operation is possible is that a voltage that reduces the current is applied to LL1 and LL2. When the on period of the high side switch is extended, the low side switch connected to the transformer on the opposite side is turned on when the high side switch is on. When the low-side switch is turned on, the voltage of the choke Li is inverted, so that a reverse voltage is applied to LL1 and LL2.
[0031]
In the conventional example shown in FIG. 8, since the primary winding of the transformer 31 is inserted between the switch elements 11 and 12, it is not possible to use a component in which two switch elements are connected in series to form one package. However, this is possible in the embodiment shown in FIG. When such a component can be used, the wiring between the two switch elements can be made much shorter than when individual components are used. Then, the voltage surge generated at both ends of the switch element due to the inductance generated by the wiring can be suppressed, which contributes to the reduction in noise of the power supply device.
[0032]
If the voltage surge increases and exceeds the rated voltage of the device, the device will be damaged. If the wiring between the two switch elements is long, in order to avoid such a situation, a component that absorbs the voltage surge is separately required, resulting in an increase in the size of the power supply device. It is unnecessary.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is no problem of through current due to synchronous rectification, excellent high-speed response to sudden load change, suppression of choke enlargement, and low voltage high current output without problems of energy backflow. It is possible to use a switching power supply with a transformer having a simple configuration and a switch element in which two series switch elements are packaged as a primary switch element, which contributes to the miniaturization and cost reduction of the power supply.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention (basic circuit).
2 is a circuit diagram for simulation. FIG. 3 is an operation waveform diagram of each part of FIG. 2. FIG. 4 is an operation waveform diagram of each part of FIG. 2. FIG. 5 is a circuit diagram of another embodiment of the present invention. Fig. 1 Circuit diagram for simulation [Fig. 7] Operation waveform diagram of each part of Fig. 6 [Fig. 8] Conventional circuit diagram [Fig. 9] Conventional circuit diagram [Fig. 10] Conventional circuit diagram [Fig. 11] Conventional circuit diagram 12 is an operation waveform diagram of each part of FIG. 9. FIG. 13 is a waveform diagram of load current and choke current.
1 Input Power Supply 2 Choke 3 Capacitor 4 Load 11-14 Switch Element 21-26 Rectifier 31-34 Transformer

Claims (6)

一次・二次間を絶縁したトランスを複数設けたスイッチング電源装置において、
入力端子の正側にチョークの一端を接続し、このチョークの他端に前記トランスの一次巻線の一端を接続し、これら各々の一次巻線の他端にスイッチ素子を接続し、これらスイッチ素子の各々にスイッチ素子及び整流素子を接続し、これらスイッチ素子を前記入力端子の負側に接続し、同じく整流素子を前記チョークの一端に接続してあることを特徴とするスイッチング電源装置。
In a switching power supply unit with multiple transformers that isolate primary and secondary,
One end of the choke is connected to the positive side of the input terminal, one end of the primary winding of the transformer is connected to the other end of the choke, and a switch element is connected to the other end of each primary winding. A switching power supply device characterized in that a switch element and a rectifier element are connected to each of these, the switch element is connected to the negative side of the input terminal, and the rectifier element is also connected to one end of the choke.
前記トランスの二次巻線の各々に整流素子を直列に接続し、これらの直列回路を、出力端子に接続された第一のコンデンサに並列に接続したことを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。2. The switching according to claim 1, wherein a rectifier element is connected in series to each of the secondary windings of the transformer, and the series circuit is connected in parallel to a first capacitor connected to an output terminal. Power supply. 前記各々のスイッチ素子のうち、任意のスイッチ素子に並列に整流素子を接続したことを特徴とする請求項1又は2記載のスイッチング電源装置。3. The switching power supply device according to claim 1, wherein a rectifying element is connected in parallel to an arbitrary switching element among the switching elements. 前記スイッチ素子にMOSFETを用いたことを特徴とする請求項1、2、若しくは3記載のスイッチング電源装置。4. The switching power supply device according to claim 1, wherein a MOSFET is used as the switch element. 前記整流素子のうち、任意の整流素子に並列にスイッチ素子を接続したことを特徴とする請求項1、2、3、若しくは4記載のスイッチング電源装置。5. The switching power supply device according to claim 1, wherein a switching element is connected in parallel to an arbitrary rectifying element among the rectifying elements. 前記整流素子のうち、任意の整流素子はMOSFETであることを特徴とする請求項1、2、3、4、若しくは5記載のスイッチング電源装置。6. The switching power supply device according to claim 1, wherein any of the rectifying elements is a MOSFET.
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