スイッチング電源の『起動回路』について

スイッチング電源内のトランジスタ(MOSFETやバイポーラトランジスタ)は制御ICから出力されるパルスによって駆動されます。

制御ICが動作を開始するためには、制御ICに対して電力を供給する必要があります。この制御ICに電力を供給するのが起動回路です。

この記事では一般的な起動回路とトランジスタを使用することで電力損失を低減した起動回路について説明します。

一般的な起動回路

構成

抵抗R₁とコンデンサC₁で構成された起動回路です。起動回路は入力電圧V_INの印加時において、制御ICに駆動電力を供給します。補助巻線とダイオードD₁の直列回路は、スイッチングが開始すると制御ICに駆動電力を供給します。起動回路では最も一般的な回路構成となっています。

起動回路の動作

• 時刻0～t₁

入力電圧V_INが印加されると、抵抗R₁を介してコンデンサC₁に電流が流れるため、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1が増加します。なお、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1は制御ICのVCC端子(電源入力端子)に印加される電圧となります。

• 時刻t₁

コンデンサC₁にかかる電圧V_C1が増加し、制御ICの動作開始電圧V_STARTに達すると、制御ICは動作を開始します。

• 時刻t₁～t₂

制御ICが動作すると、コンデンサC₁に蓄えられていた電力が制御ICで消費されるため、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1が減少します。また、制御ICが動作すると、OUT端子(出力端子)からパルスが出力され、トランジスタQ₁ (図ではMOSFET)はスイッチングを開始します。その結果、補助巻線に発生する電圧V_L1が増加します。

• 時刻t₂

コンデンサC₁にかかる電圧V_C1と補助巻線に発生する電圧V_L1が等しくなると、補助巻線からダイオードD₁を介してコンデンサC₁に電流が流れ始めます。その結果、コンデンサC₁には抵抗R₁からのルートとダイオードD₁からのルートの2つのルートから充電電流が流れることになります。

• 時刻t₂以降

やがて、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1はICの動作停止電圧V_STOPよりも高い電圧値で安定します。この安定した時の電圧値は補助巻線に発生する電圧V_L1によって変化します。

メリットとデメリット

メリット

• 回路構成が簡単で安価

デメリット

• 抵抗R₁で常に電力を消費している＆起動時間が比較的に長い

定常状態においても抵抗R₁に電流が流れることによって、電力損失が発生してしまいます。そのため、定常状態において、電力損失を抑えるために、一般的には抵抗R₁の抵抗値を大きく設定します。しかし、抵抗R₁の抵抗値を大きくすると、入力電圧V_INが印加されてからICの起動開始電圧に達するまでの時間(0～t₁までの時間)が伸びてしまいます。すなわち、電力消費と起動時間はトレードオフの関係となっています。
抵抗R₁を大きくすると、起動時間が長くなるという問題に対しては、コンデンサC₁の容量値を小さくすることで、起動時間を短くすることができます。しかし、この場合、コンデンサC₁に蓄えることができる電力が小さくなるため、ICの起動時において、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1の減少量が大きくなり、補助巻線から電力が供給される前にICの動作停止電圧V_STOPに達し、起動に失敗するという可能性があります。

トランジスタを使用することで電力損失を低減した起動回路

構成

シリーズレギュレータ(抵抗R₁、ツェナーダイオードDZ₁、トランジスタQ₂(図ではMOSFET)で構成)、電流制限抵抗R₂、保護ダイオードD₂、コンデンサC₁で構成された起動回路です。起動回路は入力電圧V_INの印加時において、ICに駆動電力を供給します。補助巻線とダイオードD₁の直列回路は、スイッチングが開始するとICに駆動電力を供給します。トランジスタQ₂にはバイポーラトランジスタを使用されることもあります。

保護ダイオードD₂の役割

入力電圧V_INの低下時(例えば、瞬断時や停電時)においては、トランジスタQ₂のゲート電圧が0Vになる一方で、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1が0Vにならない場合があります。この場合、トランジスタQ₂のソースが高く、ゲートが低くなります。つまり、ゲートソース間電圧には逆電圧が印加されることになります。この逆電圧がゲートソース間電圧の絶対最大定格を超えると、トランジスタQ₂が故障される可能性があります。これを防止するために、保護ダイオードD₂が接続されています。

電流制限抵抗R₂

MOSFETのオン時における電流を制限するための抵抗です。

起動回路の動作

• 時刻0～t₁

入力電圧V_INが印加されると、抵抗R₁を介して、ツェナーダイオードDZ₁に電流が流れます。ツェナーダイオードDZ₁のツェナー電圧V_DZ1はトランジスタQ₂のゲート電圧となります。このツェナー電圧V_DZ1によって、トランジスタQ₂がオンします。
トランジスタQ₂がオンすると、抵抗R₂、トランジスタQ₂、ダイオードD₂を介して、コンデンサC₁に電流が流れるため、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1が増加します。なお、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1にかかる電圧はICのVCC端子(電源入力端子)に印加される電圧となります。

• 時刻t₁

コンデンサC₁にかかる電圧V_C1が増加し、ICの動作開始電圧に達すると、ICは動作を開始します。

• 時刻t₁～t₂

ICが動作すると、コンデンサC₁に蓄えられていた電力がICで消費されるため、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1が減少します。また、ICが動作すると、OUT端子(出力端子)からパルスが出力され、トランジスタQ1(図ではMOSFET)はスイッチングを開始します。その結果、補助巻線に発生する電圧V_L1が増加します。

• 時刻t₂

コンデンサC₁にかかる電圧V_C1と補助巻線に発生する電圧V_L1が等しくなると、補助巻線からダイオードD₁を介してコンデンサC₁に電流が流れ始めます。この時、ツェナーダイオードDZ₁のツェナー電圧V_DZ1、トランジスタQ₂のゲート閾値電圧V_TH、ダイオードD₂の順方向電圧V_Fによって決まる定電圧(V=V_DZ1-V_TH-V_F)よりも、補助巻線に発生する電圧V_L1とダイオードD₁によって決まる電圧(V=V_L1-V_F)の方が大きくなるように設計をすれば、定常状態において、トランジスタQ₂のゲートソース間にゲート閾値電圧V_TH以上の電圧が印加されなくなるため、トランジスタQ₂はオフします。これによって、抵抗R₂における電力損失が発生しなくなります。つまり、抵抗R₂とトランジスタQ₂は起動の瞬間のみ電力を消費することになります。

• 時刻t₂以降

やがて、コンデンサC₁にかかる電圧V_C1はICの動作停止電圧よりも高い電圧値で安定します。この安定した時の電圧値は補助巻線に発生する電圧V_L1によって変化します。

メリットとデメリット

メリット

• 定常状態における電力損失が小さい

定常状態においては、抵抗R₁とツェナーダイオードDZ₁によて電力損失が発生するが、抵抗R₁はツェナーダイオードDZ₁にツェナー電流が流れる程度でよいので、比較的に大きい値となります。そのため、定常状態においては電力損失が小さくなります。

デメリット

• 高耐圧のトランジスタが必要になる

トランジスタQ₂のドレインソース間電圧(バイポーラトランジスタの場合にはコレクタエミッタ間電圧)の絶対最大定格は入力電圧V_INよりも大きい必要があります。

• 素子数が多いためコストの増加＆電源装置の大型化となる

まとめ

この記事では起動回路について、以下の内容を説明しました。

お読み頂きありがとうございました。

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