JP2014064378A - アダプタ電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、待機時の電力を低減したアダプタ電源装置に関する。

商用交流電源（９０〜２６４Ｖac）を入力（ワールドワイド入力）して所定の直流出力電圧を得るアダプタ電源装置は、小型テレビジョン受像機やプリンタ装置、更にはノートブック型パーソナルコンピュータ等の各種の電子機器に直流電圧を供給する外部電源装置として幅広く用いられている。この種のアダプタ電源装置は、例えば図６にその概略構成を示すように、概略的には交流電圧を整流する整流回路ＤＢに絶縁トランスＴの一次巻線Ｔ１を直列に介して接続されたスイッチング素子Ｑと、自励発振して前記スイッチング素子Ｑを所定の周期でスイッチング駆動する制御回路（制御用ＩＣ）ＣＯＮＴを備える。そして前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｔ２に生起された電圧をダイオードＤを介して整流し、出力コンデンサＣoutを介して平滑化して所定の直流出力電圧Ｖoutを得るように構成される（例えば特許文献１を参照）。

前記制御回路（制御用ＩＣ）ＣＯＮＴは、前記絶縁トランスＴの二次側に設けられた電圧検出回路Ｖsensにて検出され、フォトカプラＰＣを介してフィードバックされる前記直流出力電圧Ｖoutの情報、具体的には直流出力電圧Ｖoutと設定電圧との誤差電圧に応じて前記スイッチング素子Ｑのオン幅を制御し、これによって前記直流出力電圧Ｖoutを一定化する役割を担う。尚、図中Ｔ３は、前記絶縁トランスＴの補助巻線である。前記制御回路ＣＯＮＴは、前記スイッチング素子Ｑのスイッチング動作に伴って前記補助巻線Ｔ３に生起される電圧を駆動電源として動作する。

ところで従来、無負荷時または軽負荷時におけるアダプタ電源装置の直流出力電圧Ｖoutを、例えば定格出力電圧［３２Ｖ］から待機時出力電圧［１２Ｖ］に切り替えることで、その待機時電力を低減する工夫がなされている。具体的には、例えば図７に示すように当該アダプタ電源装置の電源供給先である電子機器側から、動作（重負荷）状態であることを示す制御信号を入力してスイッチ素子Ｓを導通（オン）させ、前記制御信号の入力が途絶えたとき（無負荷または軽負荷状態）、前記スイッチ素子Ｓを遮断（オフ）させている。

そして前記スイッチ素子Ｓの導通（オン）により出力電圧検出用の抵抗Ｒ２に補助抵抗Ｒ３を並列接続して前記電圧検出回路Ｖsensによる電圧検出条件を高く設定し、これによって前記直流出力電圧Ｖoutを定格出力である３２Ｖに設定している。また前記スイッチ素子Ｓを遮断（オフ）により前記補助抵抗Ｒ３を切り離すことで前記電圧検出回路Ｖsensによる電圧検出条件を低く設定し、前記直流出力電圧Ｖoutを待機時の１２Ｖに設定している。

特開２０１１−１５５７０号公報

上述した如く無負荷時または軽負荷時におけるアダプタ電源装置の直流出力電圧Ｖoutを低下させれば、確かに待機時における当該アダプタ電源装置の消費電力を低減することが可能となる。しかしながらこのような制御を行うには、前述したように電子機器側から制御信号を取得する必要があり、また２芯の電力ケーブルに代えて、信号伝送線を含む３芯の電力ケーブルを用いることが必要である。しかも電子機器側においては、前記制御信号をアダプタ電源装置に与える為のインターフェースや制御プログラムが必要であり、全体的なシステム構成が複雑化することが否めない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、電源供給先である電子機器側に負担を強いることなく、無負荷時や軽負荷時における待機電力を低減することのできるアダプタ電源装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係るアダプタ電源装置は、入力交流電圧を整流した入力電圧をスイッチングして絶縁トランスの一次巻線に印加するスイッチング素子と、該絶縁トランスの二次巻線に得られた電圧を整流して直流出力電圧を得るダイオードと、前記スイッチング素子または前記ダイオードの発熱温度と外気温との温度差に応じて前記直流出力電圧を可変設定する熱電変換素子とを具備したことを特徴としている。

好ましくは前記熱電変換素子は、前記スイッチング素子または前記ダイオードに装着された放熱器と、前記スイッチング素子を主体として構成されるアブブタ電源装置本体を収納する外囲器との間に装着されて、該外囲器と前記放熱器の温度差、つまり外気温度と前記スイッチング素子または前記ダイオードの発熱温度との差に応じた電圧を生起するように設けられる。

尚、前記スイッチング素子は、前記直流出力電圧を検出する電圧検出回路化が出力するフィードバック電圧に応じてスイッチング制御されるものである。そして前記熱変換素子は、前記温度差に応じて生起する電圧にて、例えば前記電圧検出回路が備える出力電圧検出用の分圧抵抗回路の抵抗値を変更することで、該電圧検出回路の電圧検出特性を変更するスイッチ素子をオン・オフ制御し、これによって前記フィードバック電圧を変更して前記温度差に応じて生起される電圧が設定閾値に満たないときに前記直流出力電圧を低下させるように用いられる。

具体的には前記熱電変換素子としては、例えば１５〜２０℃の温度差において１Ｖ以上の電圧を生起する熱電変換特性を有するものであれば十分である。

上述した構成のアダプタ電源装置によれば、絶縁トランスの一次側におけるスイッチング素子、或いは前記絶縁トランスの二次側におけるダイオードの発熱温度が、無負荷時や軽負荷時においては低くなり、外気温との温度差が小さくなくなることに着目している。そして上記温度差に応じた電圧を生起する熱電変換素子を用い、該熱電変換素子の出力電圧に応じて当該アダプタ電源装置の出力電圧を可変（変更）するものとなっている。

従って電源供給先の電子機器側から制御信号を取得する必要がないので、前述した３芯の電力ケーブルを用いる必要がなく、また電子機器側に余分な制御負担を強いることもない。また前記熱電変換素子を、例えばスイッチング素子またはダイオードに装着された放熱器と、アブブタ電源装置本体を収納する外囲器との間に装着するだけで良いので、簡易にして効果的に待機電力の低減を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るアブブタ電源装置の特徴的な構成部分である出力電圧切替え制御部の概略構成図。 本発明の一実施形態に係るアブブタ電源装置のレイアウト構造例を示す図。 熱電変換素子の温度差に対する変換電圧特性の一例を示す図。 通常動作時と待機時とにおける出力電圧の切り替えパターンを示す図。 待機時の出力電圧低減による消費電力低減効果を示す図。 従来一般的なアダプタ電源装置の全体的な構成例を示す図。 従来のアダプタ電源装置に組み込まれた出力電圧切替え制御部の構成例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るアダプタ電源装置について説明する。

この実施形態に係るアダプタ電源装置は、基本的には図６に示した従来装置と同様に、整流回路ＤＢを介して入力交流電圧Ｖacを整流した入力電圧Ｖinをスイッチングして絶縁トランスＴの一次巻線Ｔ１に印加するスイッチング素子Ｑを備える。そして前記絶縁トランスＴの二次巻線Ｔ２に得られた電圧をダイオードＤを介して整流し、出力コンデンサＣoutを介して平滑化して所定の直流出力電圧Ｖoutを得るように構成される。

また直列接続された分圧抵抗Ｒ１,Ｒ２を含む電圧検出回路Ｖsensは、前記出力コンデンサＣoutに得られる直流出力電圧Ｖoutを検出する。そして前記電圧検出回路Ｖsensは、例えば前記直流出力電圧Ｖoutと設定電圧（比較基準電圧）との誤差電圧を、フォトカプラＰＣを介して制御回路（制御用ＩＣ）ＣＯＮＴにフィードバックしている。前記制御回路（制御用ＩＣ）ＣＯＮＴは、このようにしてフィードバックされる前記直流出力電圧Ｖoutの情報に従って前記スイッチング素子Ｑのスイッチング周波数、或いはそのオン幅を制御することで前記直流出力電圧Ｖoutが前記設定電圧となるように制御する。

基本的にはこのように構成されるアダプタ電源装置において、本発明が特徴とするところは、図１に示すように出力電圧検出用の抵抗Ｒ２に前記補助抵抗Ｒ３を選択的に並列接続するスイッチ素子Ｓをオン・オフ制御する駆動源として、熱電変換素子ＴＣを設けた点にある。具体的には前記熱電変換素子ＴＣの出力電圧Ｖteを前記スイッチ素子（ＭＯＳ-ＦＥＴ）Ｓのゲートに印加し、該スイッチ素子Ｓをオン制御することで前記抵抗Ｒ２に前記補助抵抗Ｒ３を並列接続し、これによって前記直流出力電圧Ｖoutを切り替えるように構成したことを特徴としている。

特に前記熱電変換素子ＴＣは、図２にアブブタ電源装置のレイアウト構造例を示すように、前記絶縁トランスＴの一次側における前記スイッチング素子Ｑに装着された放熱器（ヒートシンク）ＨＳ１、または前記絶縁トランスＴの二次側における前記ダイオードＤに装着された放熱器ＨＳ２と、当該アブブタ電源装置本体を収納する樹脂製の外囲器ＰＡＣとの間に装着される。そして前記熱電変換素子ＴＣは、前記放熱器ＨＳ１,ＨＳ２と外囲器ＰＡＣとの温度差、より具体的には前記放熱器ＨＳ１,ＨＳ２を介して伝熱される前記スイッチング素子Ｑまたは前記ダイオードＤの発熱温度と、前記外囲器ＰＡＣを介して伝熱される外気温との温度差に応じた電圧Ｖteを生起するように設けられる。

尚、図２においてＱは回路基板Ｂに実装されたスイッチング素子、Ｄはダイオードをそれぞれ示している。また図中Ｃin,Ｆin,Ｔ,Ｃoutは、前記回路基板Ｂ上における入力コンデンサ、入力ノイズフィルタ、絶縁トランス、および出力コンデンサの各実装領域をそれぞれ示している。これらの主要部品以外にも、前記回路基板Ｂ上には当該スイッチング電源装置を構成する各種電子部品が搭載されることは言うまでもない。

ちなみに前記熱電変換素子ＴＣは、例えばＮ型半導体とＰ型半導体とをその一端において接合した構造を有し、ゼーベック効果によって前記各半導体の両端の温度差ΔＴに応じた電圧Ｖteを生起する素子である。前記熱電変換素子ＴＣは、図３にその変換電圧特性の一例を示すように、前記温度差ΔＴが大きい程、前記電圧Ｖteが高くなる熱電変換特性を有する。前記スイッチ素子Ｓをオン制御する上での前記熱電変換素子ＴＣとしては、例えば１５〜２０℃の温度差ΔＴにおいて１Ｖ以上の電圧Ｖteを生起する熱電変換特性を有するものが採用される。

ここでアブブタ電源装置における前記スイッチング素子Ｑや前記ダイオードＤの発熱温度は、その仕様や動作条件によって異なるが、例えば定格出力時には７０〜８０℃に達する。これ故、前記放熱器ＨＳ１,ＨＳ２と外囲器ＰＡＣとの温度差として３０〜４０℃を見込むことができる。従ってアブブタ電源装置の定格出力時には前記熱電変換素子ＴＣの出力電圧Ｖteとして１.５〜２Ｖ程度を得ることができ、例えばＦＥＴからなるスイッチ素子Ｓを十分にオン動作させることができる。

そしてアブブタ電源装置の負荷が軽くなり、或いは無負荷になると、前記スイッチング素子Ｑのスイッチング動作が抑制され、これに伴って前記スイッチング素子Ｑや前記ダイオードＤの発熱温度が低下する。すると前記熱電変換素子ＴＣに加わる温度差ΔＴが小さくなり、該熱電変換素子ＴＣの出力電圧Ｖteが低下する。この結果、前記スイッチ素子Ｓがそのオン状態を維持することができなくなり、オフ動作して前記補助抵抗Ｒ３が切り離されることで、前記直流出力電圧Ｖoutが、例えば１２Ｖと低く設定される。

具体的には前記電圧検出回路Ｖsensにおける出力電圧設定用の比較基準電圧Ｖrefが［２.５Ｖ］であるとき、前記出力電圧検出用の抵抗Ｒ１を［２８５ｋΩ］、抵抗Ｒ２を［７５ｋΩ］、そして補助抵抗Ｒ３を［３５ｋΩ］として設定すると、並列接続されたときの前記抵抗Ｒ２と補助抵抗Ｒ３の合成抵抗は［２４ｋΩ］となる。すると前記熱電変換素子ＴＣの出力電圧Ｖteが前記スイッチ素子Ｓの動作閾値電圧Ｖgsthを上回るとき（Ｖte≧Ｖgsth）、該スイッチ素子Ｓのオン動作によって前記直流出力電圧Ｖoutは
Ｖout／Ｖref＝｛Ｒ１＋（Ｒ２//Ｒ３）｝／（Ｒ２//Ｒ３）
なる関係から、
Ｖout＝２.５×（１＋２８５／２４）＝３２（Ｖ）
となる。

また前記出力電圧Ｖteが前記動作閾値電圧Ｖgsthに満たないときには（Ｖte＜Ｖgsth）、該スイッチ素子Ｓのオフ動作によって前記直流出力電圧Ｖoutは
Ｖout＝２.５×（１＋２８５／７５）＝１２（Ｖ）
となる。

一方、前記スイッチ素子Ｓとして用いる低電圧駆動のＭＯＳ-ＦＥＴについて考察してみると、市場にはその動作閾値電圧Ｖgsthが０.９Ｖ、１.２Ｖ、１.５Ｖ、１.８Ｖ、２.５Ｖのものが各種展開されている。従ってこれらの動作閾値電圧Ｖgsthの異なるＭＯＳ-ＦＥＴを前記スイッチ素子Ｓとして選定することにより、例えば図４に示すように負荷に応じて前記出力電圧の切り替えポイントを適宜調整することが可能となる。

尚、前記スイッチング素子Ｑおよび前記ダイオードＤの発熱量は、該スイッチング素子ＱおよびダイオードＤに流れる電流Ｉoutに伴って変化する。そしてスイッチング素子ＱおよびダイオードＤの発熱に伴う前記放熱器（ヒートシンク）ＨＳの温度変化は、該放熱器（ヒートシンク）ＨＳを自然冷却する場合、一般的には温度上昇時には早く、温度下降時には遅い。従って前記直流出力電圧Ｖoutは、実際には前記動作閾値電圧Ｖgsthを基準として、或るヒステリシスを持って切り替えられる。

かくして上述した如く構成されたアダプタ電源装置によれば、図５に出力電圧Ｖoutと入力電力Ｐinとの関係を示すように、無負荷時または軽負荷時にその出力電圧Ｖoutを、例えば１２Ｖに切り替えることによって、前記出力電圧Ｖoutが１９Ｖ〜３２Ｖの定格出力時に比較して大幅に低減することができる。しかも電源供給先の電子機器側から制御信号を取得することなく、自ら前記スイッチング素子Ｑまたは前記ダイオードＤの発熱温度に応じて負荷状態を判定し、無負荷時または軽負荷時にその出力電圧Ｖoutを低く切り替えることができる。従って簡易にして効果的に待機時の電力消費を低減することが可能となる。

また上述した構成のアダプタ電源装置によれば、電源供給先の電子機器側から制御信号を取得する必要がないので、前述したように３芯の電力ケーブルを用いる必要がない。また前記電子機器側に前記制御信号を生成して出力する為の処理負担を強いることもなく、電子機器側の構成を変更する必要もない。故に既存のアダプタ電源装置に本発明を容易に適用することが可能であり、その実用的利点が多大である。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばアブブタ電源装置の直流出力電圧Ｖoutについては、その電力供給先の電子機器の仕様に応じたものであれば良く、必ずしも前述した３２Ｖに特定されないことは言うまでもない。また無負荷または軽負荷時に設定する直流出力電圧Ｖoutについても、当該アダプタ電源装置の動作を保証し得る最低電圧を満たすように定めれば良いものである。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

Ｑ スイッチング素子
Ｔ 絶縁トランス
Ｄ ダイオード
Ｃout 出力コンデンサ
Ｖsens 電圧検出回路
ＰＣ フォトカプラ
ＣＯＮＴ 制御回路
Ｒ１,Ｒ２ 抵抗
Ｓ スイッチ素子（ＭＯＳ-ＦＥＴ）
Ｒ３ 補助抵抗
ＴＣ 熱電変換素子
ＨＣ１,ＨＣ２ 放熱器（ヒートシンク）

Claims (5)

1. 入力交流電圧を整流した入力電圧をスイッチングして絶縁トランスの一次巻線に印加するスイッチング素子と、該絶縁トランスの二次巻線に得られた電圧を整流して直流出力電圧を得るダイオードと、前記スイッチング素子または前記ダイオードの発熱温度と外気温との温度差に応じて前記直流出力電圧を可変設定する熱電変換素子とを具備したことを特徴とするアブブタ電源装置。
2. 前記熱電変換素子は、前記スイッチング素子または前記ダイオードに装着された放熱器と、前記スイッチング素子を主体として構成されるアブブタ電源装置本体を収納する外囲器との間に装着されて前記温度差に応じた電圧を生起するものである請求項１に記載のアダプタ電源装置。
3. 前記スイッチング素子は、前記直流出力電圧を検出する電圧検出回路化が出力するフィードバック電圧に応じてスイッチング制御されるものであって、
   前記熱変換素子は、前記温度差に応じて生起する電圧にて、前記電圧検出回路の電圧検出特性を変更するスイッチ素子をオン・オフ制御して前記フィードバック電圧を制御し、前記温度差に応じて生起される電圧が設定閾値に満たないときに前記直流出力電圧を低下させるものである請求項１に記載のアダプタ電源装置。
4. 前記熱変換素子は、前記電圧検出回路に設けられた出力電圧検出用の分圧抵抗回路の抵抗値を変更する前記スイッチ素子をオン・オフ制御するものである請求項３に記載のアダプタ電源装置。
5. 前記熱電変換素子は、１５〜２０℃の温度差において１Ｖ以上の電圧を生起する熱電変換特性を有するものである請求項１に記載のアダプタ電源装置。