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発明の名称 効率的な線形レギュレータを備える低雑音多重出力電源回路及びその設計方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2004−80991(P2004−80991A)
公開日 平成16年3月11日(2004.3.11)
出願番号 特願2003−293269(P2003−293269)
出願日 平成15年8月14日(2003.8.14)
代理人
発明者 ロバート・ルイス・ステイガーウォルド / チェスター・フランク・サジ
要約 課題
 複数の効率的な線形レギュレータ(18)を備える低雑音多重出力電源回路を提供する。

解決手段
 該電源回路は、一次変圧器入力巻線(N1)を有する一次回路(6)と複数の二次回路(8)とを有する変圧器(12)を含む。各二次回路は、同一巻き数の二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線(N2〜N6)を有する。可飽和リアクトル鉄心(Lsat)が、少なくとも1つの選択された二次回路の少なくとも1つの選択された出力巻線に対して直列に置かれ、該選択された出力巻線の出力電圧から少量の平均電圧(V−秒)を差し引いて、同一巻き数をもつ別個の出力巻線から異なる整流DC電圧を得ることを可能にする。
特許請求の範囲
【請求項1】
複数の効率的な線形レギュレータ(18)を備える低雑音多重出力電源回路であって、
 一次変圧器入力巻線(N1)を有する一次回路(6)と、各々が少なくとも1巻きの二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線(N2〜N6)を有する複数の二次回路(8)とを有する変圧器(12)を含み、
 可飽和リアクトル鉄心(Lsat)が、少なくとも1つの選択された二次回路の少なくとも1つの選択された出力巻線に対して直列に置かれ、該選択された出力巻線の出力電圧から少量の平均電圧(V−秒)を差し引いて、別個の出力巻線から異なる整流DC電圧を得ることを可能にする、
ことを特徴とする電源回路。
【請求項2】
前記二次回路(8)の各々が、同一巻き数の二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線を有することを特徴とする、請求項1に記載の電源回路。
【請求項3】
前記出力巻線の各々が、単一巻きをもつことを特徴とする、請求項2に記載の電源回路。
【請求項4】
別個の出力巻線が、異なる断面積の可飽和リアクトル鉄心(Lsat)を有し、該可飽和リアクトル鉄心の飽和時間に異なる遅延量を導入することによって異なる電圧量を差し引くことを特徴とする、請求項1に記載の電源回路。
【請求項5】
前記一次回路(6)が、パルス幅変調(28)を与えて二次フィードバック回路の出力電圧を調整する移相フルブリッジ回路(10)を含み、前記二次フィードバック回路の出力電圧が、前記一次回路の動作を制御するための電圧フィードバック信号(14)を形成することを特徴とする、請求項1に記載の電源回路。
【請求項6】
前記二次回路(8)の少なくとも1つが、平均整流出力巻線電圧を半分し、平均整流出力電流を2倍にする電流2倍整流回路(16)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の電源回路。
【請求項7】
前記二次回路(8)の各々が、コンデンサ(24)を充電して整流二次出力電圧を生成する整流電圧を生成するためのダイオード整流回路(20)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の電源回路。
【請求項8】
前記二次回路(8)の各々が、各整流二次出力電圧を更に調整する線形レギュレータ(18)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の電源回路。
【請求項9】
前記二次回路(8)の少なくとも1つが、前記二次出力巻線の整流出力電圧に等しい整流出力電圧を生成する従来型のダイオード・ブリッジ(26)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の電源回路。
【請求項10】
前記一次回路(6)が、前記二次回路によって生成された前記電圧を制御するためのパルス幅変調器制御回路(28)を含み、該パルス幅変調器によって与えられた信号のパルス幅の増大により前記二次巻線上のパルス幅を増大させて、前記整流二次出力電圧を増大させ、またその逆も同様であることを特徴とする、請求項1に記載の電源回路。
【請求項11】
複数の効率的な線形レギュレータ(18)と、一次変圧器入力巻線(N1)を有する一次回路(6)及び複数の二次回路(8)を有する変圧器(12)とを備える低雑音多重出力電源回路を設計する方法であって、該方法が、前記二次回路の各々に少なくとも1巻きの二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線(N2〜N6)を設ける段階と、少なくとも1つの選択された二次回路の少なくとも1つの選択された出力巻線に対して可飽和リアクトル鉄心(Lsat)を直列に置いて、該選択された出力巻線の出力電圧から少量の平均電圧(V−秒)を差し引くことによって、別個の出力巻線から異なる整流DC電圧を発生させる段階とを含むことを特徴とする方法。
【請求項12】
前記二次回路(8)の各々に、同一巻き数の二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線を設ける段階を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項13】
前記出力巻線の各々を単一巻きとする段階を含むことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
【請求項14】
異なる断面積の可飽和リアクトル鉄心(Lsat)を有する別個の出力巻線を設け、該可飽和リアクトル鉄心の飽和時間に異なる遅延量を導入することによって異なる電圧量を差し引くようにする段階を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項15】
前記一次回路(6)に、パルス幅変調(28)を与えて二次フィードバック回路の出力電圧を調整するための移相フルブリッジ回路(10)を設ける段階と、前記二次フィードバック回路の出力電圧により、前記一次回路の動作を制御するための電圧フィードバック信号(14)を形成する段階と含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項16】
前記二次回路(8)の少なくとも1つに、平均整流出力巻線電圧を半分し、平均整流出力電流を2倍にする電流2倍整流回路(16)を設ける段階を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項17】
前記二次回路(8)の各々に、コンデンサ(24)を充電して整流二次出力電圧を生成する整流電圧を生成するためのダイオード整流回路(20)を設ける段階を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項18】
前記二次回路(8)の各々に、各整流二次出力電圧を更に調整する線形レギュレータ(18)を設ける段階を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項19】
前記二次回路(8)の少なくとも1つに、前記二次出力巻線の整流出力電圧に等しい整流出力電圧を生成する従来型のダイオード・ブリッジ(26)を設ける段階を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項20】
前記一次回路(6)に、前記二次回路によって生成された前記電圧を制御するためのパルス幅変調器制御回路(28)を設け、該パルス幅変調器によって与えられた信号のパルス幅の増大によって前記二次巻線上のパルス幅を増大させて、前記整流二次出力電圧を増大させ、またその逆も同様であるようにする段階を含むことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
【請求項21】
複数の効率的な線形レギュレータ(18)を備える低雑音多重出力電源回路であって、
 一次変圧器入力巻線(N1)を有する一次回路(6)と、同一巻き数の二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線(N2〜N6)を有する複数の二次回路(8)とを有する変圧器を含み、
 可飽和リアクトル鉄心(Lsat)が、少なくとも1つの選択された二次回路の少なくとも1つの選択された出力巻線に対して直列に置かれ、該選択された出力巻線の出力電圧から少量の平均電圧(V−秒)を差し引いて、別個の出力巻線から異なる整流DC電圧を得ることを可能にし、また別個の出力巻線が、異なる断面積の可飽和リアクトル鉄心を有して、該可飽和リアクトル鉄心の飽和時間に異なる遅延量を導入することによって異なる電圧量を差し引く、
ことを特徴とする電源回路。
【請求項22】
複数の効率的な線形レギュレータ(18)と、一次変圧器入力巻線(N1)を有する一次回路(6)及び複数の二次回路(8)を有する変圧器(12)とを備える低雑音多重出力電源回路を設計する方法であって、該方法が、前記二次回路の各々に同一巻き数の二次巻線をもつ二次変圧器出力巻線(N2〜N6)を設ける段階と、少なくとも1つの選択された二次回路の少なくとも1つの選択された出力巻線に対して可飽和リアクトル鉄心(Lsat)を直列に置いて、該選択された出力巻線の出力電圧から少量の平均電圧(V−秒)を差し引くことによって、別個の出力巻線から異なる整流DC電圧を発生させる段階とを含み、更に、異なる断面積の可飽和リアクトル鉄心を有する別個の出力巻線を設け、該可飽和リアクトル鉄心の飽和時間に異なる遅延量を導入することによって異なる電圧量を差し引くようにする段階を含むことを特徴とする方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
 本発明は、一般的に効率的な線形レギュレータを備える低雑音多重出力電源回路及び該低雑音多重出力電源回路の設計方法に関する。この電源回路及び方法は、多重出力電源の選択されたAC出力巻線に対して直列に置かれた小型の可飽和リアクトル鉄心を設けて、選択された巻線の各々から少量の平均電圧(V−秒)を差し引く。このことが、別個の二次巻線が同一巻き数(殆どの場合、単一巻き)をもつにも拘わらず、該別個の二次巻線から異なる整流DC電圧を得ることを可能にする。
【背景技術】
【0002】
 多数の線形レギュレータを使用する、多重出力の低雑音電源において高い効率を達成するためには、各線形調整要素の両端における低下した電圧はできる限り小さいことが望ましい。必要とされる高周波及び低出力電圧のために、通常は単一巻きのみ(又は、場合によっては2巻き)の二次巻線が必要とされる。このことは、僅かに異なる出力電圧を得ることができないような高きな「精度粗さ」を生じる。例えば、二次巻き数が1巻きから2巻きに増大されると、出力電圧は2倍になり、多くの場合、線形レギュレータ両端における電圧低下を極めて大きくすることが必要になり、従って、線形レギュレータの電力損失を極めて大きく増大させる。
【0003】
 他方、各線形レギュレータ両端における電圧低下は少なくとも数百ミリボルト程度にして、レギュレータがその役目を果たすことができるようにすることが必要である。或る電源二次出力電圧が従来型のフィードバック方式(線形レギュレータを使用しない)で調整される場合に、その他の出力電圧(それらが同じレベルに調整されることが必要な場合)は、適切に動作する上で十分な「オーバヘッド」電圧を有しないことになる。変圧器の巻き数を変更することなく、僅かに異なる変圧器二次出力電圧を得ることは望ましいと言える。このことは、線形レギュレータの全てが最低限度のオーバヘッド電圧を使用して動作することを可能にし、従って高い効率で動作することを可能にすることになる。
【0004】
 多重出力電圧の低雑音電源は、一般的に各異なる出力電圧電源に対し、個々の一次回路と変圧器とを1つ宛使用してきた。それに代わるものとしては、多数の二次巻線を有する1つの変圧器が使用され、この方法につきものの高いオーバヘッド電圧及び大きな効率の悪さと共にその精度の粗さ(granularity)が受容されてきた。これらの方法の両方が、複雑さ及び費用の増大をもたらしている。変圧器二次間の密接な磁気結合と出力フィルタ・インダクタ巻線の結合とを、一般的に多重高出力に対する電圧調整の要求を満たすのに必要な程度にまでは達成することができない。
【特許文献1】米国特許第4,864,479号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
 低雑音多重出力電源回路及びその設計方法は、効率的な線形レギュレータを備え、多重出力電源の選択されたAC出力巻線に対して直列に置かれた小型の可飽和リアクトル鉄心を設けて、選択された巻線の各々から少量の平均電圧(V−秒)を差し引く。このことは、たとえ別個の二次巻線が同一の巻き数(殆どの場合、単一巻きである)をもっていたとしても、該別個の二次巻線から異なる整流DC電圧を得ることを可能にする。これは、二次巻線における巻き数が少ないと言う「精度粗さ」の問題(例えば、巻き数を1巻きから2巻きにすると出力電圧が2倍になる)を克服し、低雑音低電圧出力において使用される各線形レギュレータの直列制御要素の両端における電圧低下を減少させ、それによって線形レギュレータの効率を増大させる。異なる断面積のリアクトル鉄心は、それらが該リアクトル鉄心の飽和時間に異なる遅延量を導入し、従って出力回路に対して異なる電圧「ホールドオフ」量を導入するので、異なる電圧量を差し引く。この技術を使用することによって、単一の一次電源回路を使用して、二次巻線における少ない巻き数が有する精度粗さの問題によって制約されることがない最低限度のオーバヘッド電圧を多数の線形レギュレータに供給して、安価、効率的、多重出力、低雑音、かつ比較的低電圧の電源を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
 低雑音多重出力電源回路及びその設計方法は、効率的な線形レギュレータを備え、全ての線形レギュレータに対して最低限度のオーバヘッド電圧を与える(結果として高い効率になる)単一の一次回路を使用する。他の個別の制御用巻線を必要としない可飽和リアクトルは、適当な断面積の鉄心を使用してその各々が設定されたレギュレータに供給される平均電圧を低下させて、可飽和鉄心を使用して効率的な変圧器巻き数の分数的変化を形成し、低い二次巻き数を有する多数の二次巻きにおいて通常直面する精度の粗さの制約を減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
 効率的な線形レギュレータを備える低雑音多重出力電源回路及びその設計方法に対する本発明の前述の目的及び利点は、図面に示す本発明の様々な実施形態についての以下の詳細説明を参照することで当業者には一層容易に理解できるであろう。
【0008】
 図1は、変圧器12を介して複数の二次回路8に接続された一次回路6を有する、本発明の1つの実施形態である第1の例示的設計を示す。一次側移相フルブリッジ回路10は、電源変圧器12の二次側における1つの出力電圧V3を調整するために必要なパルス幅変調を与える。図示の場合においては、二次巻線N3の整流出力電圧Vrecは、一次側制御回路に対する電圧フィードバック信号14によって調整される。一次側移相フルブリッジ10は、Steigerwald他による米国特許第4,864,479号に説明されているが、よく知られた他のあらゆるPWM一次回路を使用することができる。
【0009】
 低電圧出力変換器において、巻線N3は、一般的に一巻きである。図1においては、N3の出力は、電流2倍整流回路16に供給される。よく知られているように、この型の整流器は、平均整流巻線電圧を半分し、平均整流電流を2倍にする。コンデンサCの両端でとられた整流電圧Vrecは、負荷に対して直接的に供給されることができ、或いは、図1に示されるように、インダクタ22を通過してコンデンサ24へ至り、十分に調整された最終出力電圧V3をコンデンサ24の両端に発生する線形レギュレータ18によって更に調整されることができる。整流を行うダイオード20は、電源が遮断された場合又は線形レギュレータ18が止められた場合に、インダクタ電流に対する通路を形成する。
【0010】
 二次巻線N2、N5a及びN5b用の二次回路の設計と動作とは、上で説明したような二次巻線N3用の二次回路と類似している。
【0011】
 その他の二次巻線N2、N4、N5a、N5b、N6a及びN6b全てにおけるその他の出力電圧全ては、二次巻線N3の電圧に緊密に追随することが望ましい。しかし実際問題として、磁気結合はとても完全なものとは言い難く、その他の線形出力の全ては、図示するように線形レギュレータを用いて調整されることになる。
【0012】
 各線形レギュレータは、該レギュレータを効率的に動作させるようにする場合には、所望の出力電圧よりも僅かに高いが高過ぎない入力電圧を必要とする。1つの巻線における高電流は、別の巻線の出力電圧を引き下げる可能性がある。
【0013】
 例として、変圧器は、1巻きあたり12ボルトが二次巻線の各々に発生されるように巻かれていると仮定する。Vrecが所望出力V3よりも僅かに高く(例えば、Vrec=5.5Vdc>5Vdc)く、かつV4を+12Vdcに等しくすることが望まれる場合、V4の線形レギュレータに対する入力は、+12ボルトを超える(例えば12.5ボルト)ことが必要である。しかし、N4が1巻きである場合には、該N4は約11ボルトを発生するのみである。N4は、整流出力電圧が該巻線N4の整流出力電圧に等しくなるように、従来型のダイオード・ブリッジ26に送られることに注目されたい。
【0014】
 従来技術においては、12ボルトより高い電圧を得るために、通常はもう1つ巻きが追加されることになる。これにより、線形レギュレータへ22ボルトの電圧が与えられることになる。その場合、レギュレータ両端の高いオーバヘッド電圧Voh(22−12=10Vdc)に起因して高い損失が生じることになる。これは、損失が、Ploss=Voh*Iload=(Vin−Vload)*Iload(ここで、Vin=線形レギュレータに対する入力電圧、Vload=出力負荷電圧、ILoad=負荷電流)であるので、線形レギュレータの高い損失を生じることになる。
【0015】
 電圧Vrec4を、線形レギュレータの効率を大きく増大させることになる11ボルトから12.5ボルトに引き上げることが望まれる。+12ボルトのレギュレータに対するこの電圧は、以下のように、巻き数比を変えることなく若干量上昇させることができる。小型の可飽和リアクトル鉄心Lsat3が、図示するように、N3巻線に対して直列に置かれる。鉄心は、スイッチング・サイクルの小区画部分の間、出力Vrecに対する電圧の印加を遅延させる(このことは平均出力電圧を減少させる)「無損失」スイッチとして働く。従って、出力電圧を所望の調整された値に上昇させるために、一次側PWM変調器28のパルス幅は、フィードバック信号14に応答して増大されて等価的な「通電時間」を増大させる。
【0016】
 N3巻線回路のこの調整は、巻線N4を通る電圧パルス幅を増大させる作用を有し、このことが次に、平均整流電圧Vrec4を12ボルトより上に上昇させ、まさしく所望の作用を行う。従って、出力巻線N3の出力を減少させることにより、パルス幅を増大させ、出力巻線N4の出力電圧を増大させる。
【0017】
 出力巻線N4は、必ずしも直列の可飽和インダクタLsat4を必要としないが、適当な断面積を有する可飽和インダクタを使用して、調整されたV4出力電圧を微調整することができる。巻線二次の全てにおいて可変断面を有するリアクトル・インダクタを使用することによって、出力の全てを微調整して、線形レギュレータ18の全てに対する入力に対してそれらを効率的に動作させるのに十分な(しかし、大きい過ぎない)オーバヘッドを有する出力電圧を発生させることができる。一部の巻線は、可飽和リアクトル・インダクタを必要としないが、残りの巻線は、変化する断面積の可飽和リアクトル・インダクタを(様々な電圧ホールドオフ時間を得るために)使用してもよいことに注目されたい。
【0018】
 二次巻線N6a及びN6b用の二次回路は、設計と動作とが、上で説明したような二次巻線N4用の二次回路に類似している。
【0019】
 本発明の重要な特徴は、単一の一次側回路10、28、N1が、高い効率を生じる最低限度のオーバヘッド電圧を多数の二次線形レギュレータ18に供給することである。この方法は、多重出力低電圧供給に通常つきものの「精度粗さ」の問題を克服する。低雑音多重出力は、二次回路に対する分数的巻き数に等価なものを提供する。巻線の二次の一部又は全てに可変断面積を有する可飽和リアクトル・インダクタLsatsを使用することによって、出力を微調整して、線形レギュレータ18の全ての入力に対してそれらを効率的に作動させるのに十分な(しかし、大き過ぎない)オーバヘッドを有する出力電圧を与えることができる。一部の巻線は、可飽和インダクタを必要としないが、残りの巻線は、変化する断面積の可飽和インダクタを(様々な電圧ホールドオフ時間を得るために)使用してもよい。
【0020】
 本発明は、少ない巻き数の二次巻線が有する精度の問題によって制約されることがない最低限度のオーバヘッド電圧を、多数の線形レギュレータ18に供給する単一の一次電源回路10、28、N1を提供し、また比較的低電圧の電源を形成することができる、安価な低雑音で効率的な解決方法を提供する。
【0021】
 図1の実施形態は、二次回路の各々内に1巻きの二次巻線を有するように設計されており、全整流電圧又は半整流電圧(電流を2倍にしながら)を生成するための種々のダイオード・ブリッジ配列を示しており、また次に、選択された出力巻線に対して可飽和リアクトル鉄心を直列に置き、選択された出力巻線の出力電圧から少量の平均電圧(V−秒)を差し引いて、同一巻き数を有する別個の出力巻線から異なる整流DC電圧を得ることを可能にする。
【0022】
 更に、選択された出力巻線に対して可飽和リアクトル鉄心を直列に置くこの技術的方法は、例えば一部の二次巻線が単一巻きをもち他の二次巻線が2巻きをもつような、別個の二次回路が異なる巻き数の二次巻線を有するような回路に対して適用することもできる。様々なダイオード・ブリッジ配列を使用することによって、付加的な設計自由度が得られる。
【0023】
 本明細書には、効率的な線形レギュレータを備える本発明の低雑音多重出力電源回路及びその設計方法についての幾つかの実施形態と変更形態を詳細に説明してきたが、本発明の開示及び教唆は、当業者に対して多くの代替的設計を示唆するものであることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】一次側移相フルブリッジ回路が電源変圧器の二次側出力電圧を調整するために必要とされるパルス幅変調を与える、電源回路の1つの実施形態についての第1の例示的な設計を示す図。
【符号の説明】
【0025】
 6 一次回路
 8 二次回路
 10 移相フルブリッジ回路
 12 変圧器
 14 電圧フィードバック信号
 16 電流2倍整流回路
 18 線形レギュレータ
 26 ダイオード・ブリッジ
 28 PWM変調器
 Lsat 可飽和リアクトル鉄心
 N1 一次側回路
 N2〜N6 二次巻線




 

 


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