特開 2024-27839 スイッチング電源システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024027839

(43)【公開日】2024-03-01

(54)【発明の名称】スイッチング電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240222BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 C

H02M3/28 W

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022130976

(22)【出願日】2022-08-19

(71)【出願人】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】茂森 才耀

(72)【発明者】

【氏名】海野 晶裕

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA20

5H730AS01

5H730BB23

5H730BB43

5H730BB82

5H730DD04

5H730EE02

5H730EE07

5H730EE57

5H730EE59

5H730FD01

5H730FD41

5H730FF19

5H730XC02

5H730XX02

5H730XX03

5H730XX15

5H730XX16

5H730XX22

5H730XX23

5H730XX35

5H730XX43

5H730XX45

(57)【要約】

【課題】並列接続するのに適したスイッチング電源回路を提供する。
【解決手段】スイッチング電源回路１００は、スイッチング回路１１０と、スイッチング回路１１０の出力ノードＮ２に現れる電圧に基づくフィードバック情報Ｆをスイッチング回路１１０に供給するフィードバック回路１２０と、出力ノードＮ２に現れる電圧が所定値を超えてから所定時間が経過した後に、出力スイッチ１４０をオンさせる起動回路１３０とを備える。スイッチング回路１１０は、フィードバック情報Ｆに基づいて出力ノードＮ２に現れる電圧を所定のレベルに調整する。フィードバック回路１２０は、出力ノードＮ２に現れる電圧とフィードバック情報Ｆとの関係を調整可能な調整機構を含む。これにより、複数のスイッチング電源回路を並列接続した場合であっても、特定のスイッチング電源回路が過電流状態又は過負荷状態となることがない。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力ノードが入力電源端子に接続され、出力ノードが出力スイッチを介して出力電源端子に接続されたスイッチング回路と、
前記出力ノードに現れる電圧に基づく情報を前記スイッチング回路にフィードバックするフィードバック回路と、
前記出力ノードに現れる電圧が所定値を超えてから所定時間が経過した後に、前記出力スイッチをオンさせる起動回路と、を備え、
前記スイッチング回路は、フィードバックされた前記情報に基づいて、前記出力ノードに現れる電圧を所定のレベルに調整し、
前記フィードバック回路は、前記出力ノードに現れる電圧と前記情報との関係を調整可能な調整機構を含む、スイッチング電源回路。

【請求項2】

前記フィードバック回路は、前記出力ノードに現れる電圧を分圧する分圧回路を含み、
前記調整機構は、前記分圧回路に含まれる可変抵抗からなる、請求項１に記載のスイッチング電源回路。

【請求項3】

前記スイッチング回路は、前記入力ノードに接続された１次巻線及び前記出力ノードに接続された２次巻線を含むトランスと、前記１次巻線に接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路とを含み、
前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング素子に流れる電流が過電流であると判定した場合に、前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる、請求項１に記載のスイッチング電源回路。

【請求項4】

前記スイッチング制御回路は、前記情報が過負荷状態を示していると判定した場合に、前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる、請求項３に記載のスイッチング電源回路。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスイッチング電源回路を複数備え、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記出力電源端子は、互いに短絡され、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記起動回路は、前記出力スイッチを直接的又は間接的に制御する起動制御端子を含み、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記起動制御端子は、互いに短絡される、スイッチング電源システム。

【請求項6】

前記複数のスイッチング電源回路に含まれる前記入力電源端子にそれぞれ接続された複数の電力源をさらに備える、請求項５に記載のスイッチング電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はスイッチング電源回路に関し、特に、並列接続することによってスイッチング電源システムを構成するのに適したスイッチング電源回路に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、複数のスイッチング電源回路を並列接続してなるスイッチング電源システムが開示されている。特許文献１に開示されたスイッチング電源システムは、各スイッチング電源回路に含まれるＰＷＭ制御ＩＣのオン／オフ制御端子を互いに短絡することにより、各スイッチング電源回路の再起動タイミングを一致させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－１６９４７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、複数のスイッチング電源回路を並列に接続した場合、各スイッチング電源回路の出力電圧に差が存在すると、出力電圧の高いスイッチング電源回路が過電流状態又は過負荷状態となることがある。このため、特許文献１に記載のスイッチング電源システムでは、各スイッチング電源回路を同時に再起動しても、出力電圧の高いスイッチング電源回路において過電流又は過負荷が発生し、直ちにスイッチング動作が停止するという現象が生じるおそれがあった。

【0005】

したがって、本発明は、並列接続することによってスイッチング電源システムを構成するのに適したスイッチング電源回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によるスイッチング電源回路は、入力ノードが入力電源端子に接続され、出力ノードが出力スイッチを介して出力電源端子に接続されたスイッチング回路と、出力ノードに現れる電圧に基づく情報をスイッチング回路にフィードバックするフィードバック回路と、出力ノードに現れる電圧が所定値を超えてから所定時間が経過した後に、出力スイッチをオンさせる起動回路とを備え、スイッチング回路は、フィードバックされた情報に基づいて出力ノードに現れる電圧を所定のレベルに調整し、フィードバック回路は、出力ノードに現れる電圧と情報との関係を調整可能な調整機構を含む。

【0007】

本発明によれば、出力ノードに現れる電圧とフィードバックされる情報との関係を調整可能な調整機構を用いることにより、出力電源端子から出力される出力電圧のレベルを調整することができる。これにより、並列接続することによってスイッチング電源システムを構成した場合に、特定のスイッチング電源回路が優先的に過電流状態又は過負荷状態となる現象を防止することが可能となる。

【0008】

本発明において、フィードバック回路は、出力ノードに現れる電圧を分圧する分圧回路を含み、調整機構は、分圧回路に含まれる可変抵抗からなるものであっても構わない。これによれば、出力電圧のレベルを容易に調整することが可能となる。

【0009】

本発明において、スイッチング回路は、入力ノードに接続された１次巻線及び出力ノードに接続された２次巻線を含むトランスと、１次巻線に接続されたスイッチング素子と、スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路とを含み、スイッチング制御回路は、スイッチング素子に流れる電流が過電流であると判定した場合に、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させても構わない。これによれば、過電流状態を解消することが可能となる。

【0010】

本発明において、スイッチング制御回路は、情報が過負荷状態を示していると判定した場合に、スイッチング素子のスイッチング動作を停止させても構わない。これによれば、過負荷状態を解消することが可能となる。

【0011】

本発明によるスイッチング電源システムは、上記のスイッチング電源回路を複数備え、複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる出力電源端子は互いに短絡され、複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる起動回路は、出力スイッチを直接的又は間接的に制御する起動制御端子を含み、複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる起動制御端子は互いに短絡されていても構わない。これによれば、複数のスイッチング電源回路を同時に再起動することが可能となる。

【0012】

本発明によるスイッチング電源システムは、複数のスイッチング電源回路に含まれる入力電源端子にそれぞれ接続された複数の電力源をさらに備えていても構わない。これによれば、複数の電力源から供給される入力電圧のレベルに差が存在する場合であっても、特定のスイッチング電源回路が優先的に過電流状態又は過負荷状態となることがない。

【発明の効果】

【0013】

このように、本発明によれば、並列接続することによってスイッチング電源システムを構成するのに適したスイッチング電源回路を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の一実施形態によるスイッチング電源システム１０の構成を説明するためのブロック図である。

【図2】図２は、スイッチング電源回路１００の回路図である。

【図3】図３は、変形例によるスイッチング電源回路１００Ａの回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

【0016】

図１は、本発明の一実施形態によるスイッチング電源システム１０の構成を説明するためのブロック図である。

【0017】

図１に示すように、本実施形態によるスイッチング電源システム１０は、複数のスイッチング電源回路１００が並列に接続された構成を有している。各スイッチング電源回路１００は、入力電圧Ｖｉｎが供給される入力電源端子１０１と、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する出力電源端子１０２と、起動制御端子１０３とを有している。各スイッチング電源回路１００にそれぞれ含まれる出力電源端子１０２は互いに短絡され、負荷１２に共通に接続されている。各スイッチング電源回路１００にそれぞれ含まれる入力電源端子１０１については、それぞれ異なる電力源１１に接続されている。電力源１１としては、高圧送電線の周囲に生じる磁場を利用して電力を取り出す電力ピックアップトランスであっても構わない。各スイッチング電源回路１００にそれぞれ含まれる起動制御端子１０３についても、互いに短絡されている。

【0018】

図２は、スイッチング電源回路１００の回路図である。

【0019】

図２に示すように、スイッチング電源回路１００は、スイッチング回路１１０、フィードバック回路１２０、起動回路１３０及び出力スイッチ１４０を含んでいる。スイッチング回路１１０は、１次巻線１１１及び２次巻線１１２を含むトランスＴと、１次巻線１１１の一端に接続されたスイッチング素子１１３と、スイッチング素子１１３を制御するスイッチング制御回路１１４とを含んでいる。１次巻線１１１の他端はスイッチング回路１１０の入力ノードＮ１を構成し、入力電源端子１０１に接続される。２次巻線１１２の一端は、ダイオード１１６を介して出力ノードＮ２に接続される。出力ノードＮ２は、出力スイッチ１４０を介して出力電源端子１０２に接続される。２次巻線１１２の他端は、グランドに接地される。出力ノードＮ２とグランド間には、キャパシタ１１７が接続される。

【0020】

スイッチング制御回路１１４は例えばコントローラＩＣからなり、電源ノードＮ１１、接地ノードＮ１２、制御ノードＮ１３及びフィードバックノードＮ１４，Ｎ１５を有している。スイッチング制御回路１１４は、電源ノードＮ１１と接地ノードＮ１２の間に供給される電圧によって動作し、フィードバックノードＮ１４に供給されるフィードバック情報Ｆに基づき、制御ノードＮ１３から出力するスイッチング信号Ｓの周波数やデューディを制御することにより、出力ノードＮ２に現れる電圧を所定のレベルに調整する。スイッチング信号Ｓが供給されるスイッチング素子１１３は、例えばＮチャンネル型ＭＯＳトランジスタからなる。

【0021】

また、スイッチング素子１１３に流れる電流は、抵抗１１５を介して、スイッチング制御回路１１４のフィードバックノードＮ１５に供給される。スイッチング制御回路１１４は、フィードバックノードＮ１５に供給される電流をモニタし、スイッチング素子１１３に流れる電流が過電流であると判定した場合、スイッチング信号Ｓを非活性レベル（例えばグランドレベル）に固定することによって、スイッチング素子１１３のスイッチング動作を停止させる。これにより、過電流によるスイッチング素子１１３の破損を防止することができる。さらに、スイッチング制御回路１１４は、フィードバック情報Ｆが過負荷状態を示していると判定した場合も、スイッチング信号Ｓを非活性レベルに固定することによって、スイッチング素子１１３のスイッチング動作を停止させる。スイッチング動作が停止すると、スイッチング制御回路１１４は再起動され、所定時間後にスイッチング動作を再開する。

【0022】

フィードバック回路１２０は、出力ノードＮ２に現れる電圧に基づいてフィードバック情報Ｆを生成し、これをスイッチング回路１１０にフィードバックする回路である。出力ノードＮ２に現れる電圧は、出力スイッチ１４０がオンしている場合、出力電圧Ｖｏｕｔとほぼ一致する。フィードバック回路１２０は、固定抵抗１２１，１２４、可変抵抗１２２、シャントレギュレータ１２３、フォトダイオード１２５及びフォトトランジスタ１２６を含んでいる。固定抵抗１２１と可変抵抗１２２は、出力ノードＮ２とシャントレギュレータ１２３のアノードの間に直列に接続されることによって分圧回路を構成し、その接続点の電圧は、シャントレギュレータ１２３のリファレンスノードに供給される。また、固定抵抗１２４とフォトダイオード１２５は、出力ノードＮ２とシャントレギュレータ１２３のカソードの間に直列に接続される。フォトダイオード１２５とフォトトランジスタ１２６はフォトカブラを構成し、１次側と２次側の間の絶縁を確保しつつ、フィードバック情報Ｆを２次側から１次側に伝達する役割を果たす。

【0023】

フィードバック情報Ｆのレベルは、出力ノードＮ２に現れる電圧のみならず、固定抵抗１２１と可変抵抗１２２からなる分圧回路の分圧比によっても変化する。設計段階においては、出力ノードＮ２に現れる電圧があらかじめ定められた所定のレベル（例えば２４Ｖ）となるよう、分圧回路の分圧比が定められるが、製造ばらつきなどに起因する個体差によって、出力ノードＮ２に実際に現れる電圧があらかじめ定められた所定のレベルに対してずれが生じることがある。可変抵抗１２２は、このようなずれを解消するための調整機構であり、可変抵抗１２２の抵抗値を調整することによって、出力ノードＮ２に現れる電圧とフィードバック情報Ｆの関係を製造後に微調整し、これにより、出力ノードＮ２に現れる電圧を所定のレベル（例えば２４Ｖ）に合わせる。

【0024】

起動回路１３０は、固定抵抗１３１，１３２、タイマーＩＣ１３３、キャパシタ１３４及びＮチャンネル型ＭＯＳトランジスタ１３５を含んでいる。固定抵抗１３１，１３２は出力ノードＮ２とグランド間に直列に接続されることによって分圧回路を構成し、その接続点の電圧は、タイマーＩＣ１３３の入力ノードＮ２１に供給される。タイマーＩＣ１３３は、入力ノードＮ２１に供給される電圧が所定値を超えた場合、所定時間が経過した後に、出力ノードＮ２２からハイレベルの起動信号Ａを出力する。起動信号Ａは、トランジスタ１３５のゲート電極に供給される。トランジスタ１３５は、Ｐチャンネル型ＭＯＳトランジスタからなる出力スイッチ１４０のゲート電極とグランド間に接続されている。このため、起動信号Ａがハイレベルに活性化すると、出力スイッチ１４０を構成するＰチャンネル型ＭＯＳトランジスタのゲート電極が接地され、出力スイッチ１４０がオンする。したがって、出力ノードＮ２に現れる電圧が所定値を超えてから所定時間が経過した後に、出力スイッチ１４０がオンすることになる。ここで、タイマーＩＣ１３３により計時される所定時間は、調整ノードＮ２３に接続されるキャパシタ１３４のキャパシタンスによって調整することができる。

【0025】

また、起動信号Ａは、起動制御端子１０３にも供給される。上述の通り、起動制御端子１０３は、複数のスイッチング電源回路１００間において共通に接続される。このため、複数のスイッチング電源回路１００にそれぞれ含まれるスイッチング回路１１０が起動した後、最初に活性化した起動信号Ａが起動制御端子１０３を介して各スイッチング電源回路１００に共通に供給される。その結果、各スイッチング電源回路１００にそれぞれ含まれる出力スイッチ１４０がほぼ同時にオンする。尚、図２に示す例では、起動信号Ａはトランジスタ１３５を介して出力スイッチ１４０を間接的に制御しているが、出力スイッチ１４０を直接制御するものであっても構わない。

【0026】

このような構成を有するスイッチング電源回路１００は、図１に示すように、複数台を並列接続することによってスイッチング電源システム１０を構成することができる。この場合、可変抵抗１２２を調整することによって、各スイッチング電源回路１００の出力電圧レベルをほぼ一致させることができるため、一部のスイッチング電源回路１００が過負荷状態となることがない。

【0027】

また、あるスイッチング電源回路１００において過電流状態又は過負荷状態が生じると、当該スイッチング電源回路１００においてスイッチング動作が停止し、出力電圧Ｖｏｕｔがゼロになる。その結果、残りのスイッチング電源回路１００においても過電流状態又は過負荷状態が生じ、最終的に全てのスイッチング電源回路１００においてスイッチング動作が停止する。その後、スイッチング制御回路１１４の再起動によって、各スイッチング電源回路１００内の出力ノードＮ２の電圧が上昇する。そして、出力ノードＮ２の電圧が最も早く所定値に達したスイッチング電源回路１００内で起動信号Ａが活性化し、これが他のスイッチング電源回路１００に供給されることによって、全てのスイッチング電源回路１００がほぼ同時に電力の出力を開始する。このため、起動時に一部のスイッチング電源回路１００において過電流状態又は過負荷状態が生じることもない。

【0028】

また、図１に示す例では、各スイッチング電源回路１００がそれぞれ異なる電力源１１に接続されているため、各スイッチング電源回路１００に入力される入力電圧Ｖｉｎのレベルは、必ずしも互いに一致しない。このような条件であっても、本実施形態によるスイッチング電源システム１０によれば、各スイッチング電源回路１００の出力電圧Ｖｏｕｔのレベルがほぼ一致することから、一部のスイッチング電源回路１００が過負荷状態となることがない。

【0029】

図３は、変形例によるスイッチング電源回路１００Ａの回路図である。

【0030】

図３に示す変形例によるスイッチング電源回路１００Ａは、起動回路１３０が出力ノードＮ３に接続されている点において、図２に示したスイッチング電源回路１００と相違している。その他の基本的な構成は、図２に示したスイッチング電源回路１００と同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0031】

出力ノードＮ３は、トランスＴの２次巻線１１２の一端、つまり、ダイオード１１６のアノードである。出力ノードＮ３のレベルは、ダイオード１１６の順方向電圧分だけ出力ノードＮ２よりもレベルが高いが、両者のレベルはほぼ連動しているため、フィードバック回路１２０及び起動回路１３０の動作に関しては、出力ノードＮ２と出力ノードＮ３はほぼ同一視することができる。このため、変形例によるスイッチング電源回路１００Ａが例示するように、フィードバック回路１２０については出力ノードＮ２に接続し、起動回路１３０については出力ノードＮ３に接続しても構わない。

【0032】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0033】

１０ スイッチング電源システム
１１ 電力源
１２ 負荷
１００ スイッチング電源回路
１０１ 入力電源端子
１０２ 出力電源端子
１０３ 起動制御端子
１１０ スイッチング回路
１１１ １次巻線
１１２ ２次巻線
１１３ スイッチング素子
１１４ スイッチング制御回路
１１５ 抵抗
１１６ ダイオード
１１７ キャパシタ
１２０ フィードバック回路
１２１，１２４ 固定抵抗
１２２ 可変抵抗
１２３ シャントレギュレータ
１２５ フォトダイオード
１２６ フォトトランジスタ
１３０ 起動回路
１３１，１３２ 固定抵抗
１３３ タイマーＩＣ
１３４ キャパシタ
１３５ トランジスタ
１４０ 出力スイッチ
Ａ 起動信号
Ｆ フィードバック情報
Ｎ１ 入力ノード
Ｎ２，Ｎ３ 出力ノード
Ｎ１１ 電源ノード
Ｎ１２ 接地ノード
Ｎ１３ 制御ノード
Ｎ１４，Ｎ１５ フィードバックノード
Ｎ２１ 入力ノード
Ｎ２２ 出力ノード
Ｎ２３ 調整ノード
Ｓ スイッチング信号
Ｔ トランス
Ｖｉｎ 入力電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2023-12-15

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のスイッチング電源回路を備えるスイッチング電源システムであって、
前記複数のスイッチング電源回路のそれぞれは、
入力ノードが入力電源端子に接続され、出力ノードが出力スイッチを介して出力電源端子に接続されたスイッチング回路と、
前記出力ノードに現れる電圧に基づく情報を前記スイッチング回路にフィードバックするフィードバック回路と、
前記出力ノードに現れる電圧が所定値を超えてから所定時間が経過した後に、前記出力スイッチをオンさせる起動回路と、を備え、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記スイッチング回路は、フィードバックされた前記情報に基づいて、前記出力ノードに現れる電圧を所定のレベルに調整し、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記フィードバック回路は、前記出力ノードに現れる電圧と前記情報との関係を調整可能な調整機構を含み、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記出力電源端子は、互いに短絡され、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記起動回路は、前記出力スイッチを直接的又は間接的に制御する起動制御端子を含み、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記起動制御端子は、互いに短絡される、スイッチング電源システム。

【請求項2】

前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記フィードバック回路は、前記出力ノードに現れる電圧を分圧する分圧回路を含み、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記調整機構は、前記分圧回路に含まれる可変抵抗からなる、請求項１に記載のスイッチング電源システム。

【請求項3】

前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記スイッチング回路は、前記入力ノードに接続された１次巻線及び前記出力ノードに接続された２次巻線を含むトランスと、前記１次巻線に接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路とを含み、
前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記スイッチング制御回路は、前記スイッチング素子に流れる電流が過電流であると判定した場合に、前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる、請求項１に記載のスイッチング電源システム。

【請求項4】

前記複数のスイッチング電源回路にそれぞれ含まれる前記スイッチング制御回路は、前記情報が過負荷状態を示していると判定した場合に、前記スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる、請求項３に記載のスイッチング電源システム。

【請求項5】

前記複数のスイッチング電源回路に含まれる前記入力電源端子にそれぞれ接続された複数の電力源をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスイッチング電源システム。