CN1052586C - 开关电源装置及其数字控制装置 - Google Patents

Abstract

提供采用数字控制方式的新的开关电源装置。该开关电源装置包括切换输入功率的开关电路40、将开关输出变换为直流而输出的输出电路50和数字控制部70。数字控制部70输入输出电压模拟信号AS1和输出电流模拟信号AS2，并将输入的两模拟信号AS1、AS2变换为数字信号。并且，根据两数字信号计算决定主开关42的开关频率、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值。根据该指令值控制主开关42的开关动作。另外，根据信号AS1、AS2的数字信号推算电源输入电压或负载端子电压信息。

Description

开关电源装置及其数字控制装置

本发明涉及开关电源装置。特别是，本发明涉及具有切换输入的功率形成脉冲状的波形的开关电路、控制开关动作并将由该开关电路形成的脉冲状的输出变换为直流而输出、同时由控制电路监视直流输出电压以使直流输出电压一定的开关电源装置。更详细地，本发明涉及使用数字电路作为控制电路的开关电源装置。

在先有的开关电源装置中，控制电路通常由模拟电路构成。这时，表示输出电压或输出电流的信号是模拟信号的形式，该模拟信号作为模拟量进行处理，根据该处理结果得到控制开关动作所需要的控制信号。

通常，在开关电源装置中，为了实现控制的最佳化，有时根据输入电压或负载电流的变化改变功率变换电路的动作模式。这时，必须预先准备与各动作模式相应的多个控制算法，通过适当地切换使用该算法而进行最佳控制。但是，在先有的使用模拟控制电路的开关电源装置中，由于控制电路的信号处理都是利用作为硬件的电路结构进行的，所以，为了根据功率变换电路的动作模式的变化切换控制算法实现最佳控制，必须预先准备与各控制算法对应的控制电路即硬件，并根据动作模式切换使用该控制电路。这就意味着必须准备多个作为硬件的控制电路。因此，电路结构非常复杂，从而该结构难于实现。

在使用扼流圈输入方式平滑电路构成输出电路的一般的开关电源装置中，根据负载电流的大小，对于流过电感线圈的电流，存在连续状态和不连续状态的2个动作模式。在先有的使用模拟控制电路的开关电源装置中，通常即使在电感线圈电流的不连续状态下也采用使用连续状态的控制模型的信号处理的方法和步骤。其理由在于，根据负载状态改变信号处理的方法和步骤是困难的，或者是复杂而不经济的。因此，电感线圈电流成为不连续状态时，控制模型就不适当了，从而就不能满足输出电压的稳定度及控制系统的稳定度。

在开关电源装置中，以降低开关损失为主要目的而开发的共振型电源也还是发展过程中的技术，至今电路方式还没有统一。因此，与电路方式对应的控制算法也未统一，从而对于各电路方式，控制电路也不同。这就成了使控制电路部标准化从而置换为控制IC时的大问题。

共振型电源的电路方式，通常具有多个动作模式。因此，为了使用模拟控制电路进行所希望的稳定化控制，必须预先准备用于实现与各动作模式对应的控制算法的多个控制电路，并根据动作模式切换使用这些控制电路。然而，在实际中，该方法的问题是控制电路复杂。

在电池充电器那样的特殊用途的开关电源装置中，除了使输出电压一定的恒压特性外，还要求使输出电流一定的恒流特性及使输出功率一定的恒定功率特性。这时，对于各种特性，动作模式不同，所以，需要与各动作模式对应的多个控制算法。因此，在使用模拟控制电路的开关电源装置中，如上所述，必须准备与控制算法对应的多个控制电路，并根据动作模式切换使用这些控制电路。但是，在实际中，该结构的问题和共振型电源的情况一样，控制电路复杂。

在使用模拟控制电路的先有的开关电源装置中，进行与输入电压、输出电压和输出电流对应的控制时，控制所需要的输入电压、输出电压和输出电流的各信息都必须通过实际设置检测电路而得到。特别是，在将输入输出间绝缘的电源装置中，将各信息读入控制电路时，必须与某个信号馈电系统进行绝缘。因此，电路结构将复杂化，同时电路零部件数也增加。

如上所述，在使用模拟控制电路的开关电源装置中，为了进行控制算法的切换或变更，必须变更电路结构及电路零部件等硬件。这就意味着显著地妨碍硬件的标准化，结果，不得不进行少量多品种生产，从而存在设计效率和生产效率低下的问题。

此外，作为一般的问题，还必须考虑开关电源装置也负载装置的关系。通常，开关电源装置的输出通过负载线与负载装置连接。这时，开关电源装置供给的电压，本来理想的情况是控制为加到负载装置的两端的负载端子电压一定。但是，在多数开关电源装置中，电压检测电路设置在开关电源装置的内部，由开关电源装置的输出部控制使输出电压一定。在这种控制方式中，由于负载线的电阻引起的电压降低，将使加到负载装置的两端的负载端子电压降低。

虽然人们考虑了几个解决该问题的方法，但是，在控制使开关电源装置的输出部的电压一定的方式中，对于负载的变化不能获得可以充分满足的控制。在利用模拟电路进行开关电源装置的开关动作控制的先有的方式中，这些问题的对策有一定限制。

在日本特开平2-74152号公报中，公开了在开关电源装置中使用数字控制装置进行开关电路的控制的技术。该公开专利的公报所公开的开关电源装置具有切换输入功率的开关电路和将该开关电路的输出平滑化后输出的平滑化电路，为了进行该开关电路的控制而设置数字控制器。该数字控制器根据开关电源装置的输出电压值而生成指定的占空比的控制脉冲信号，将该控制脉冲信号供给开关电路，控制该开关电路的动作。

该公开专利公报提供了在具有这种数字控制装置的开关电源装置中，与向该开关电源装置供给输入的电源的输出变化时发生的开关电源装置的输入电压的变化对应地可以进行适当的开关控制的技术。即，该公开专利公报所推荐的结构，为了进行开关电路的控制准备了多个运算形式，根据开关电源装置的输入电压的检测值从该多个运算形式中选择使用所希望的形式。这时，输入电压由输入电压检测装置进行检测。

本发明的一个目的旨在克服现有技术的缺点，提供可以容易地在不同方式下操作的开关电源装置。

本发明的第2个目的在于提供可以对各动作模式切换控制算法并且即使增加控制算法的数目电路也并复杂的新的开关电源装置。

本发明的另一个目的在于提供可以实现硬件标准化的开关电源装置。

本发明的其他目的在于提供可以减少获得控制指令值所需要的信号的检测电路的数目从而可以使电路结构简化、同时可以减少电路零部件数的开关电源装置。

为了达到上述目的，本发明的开关电源包括切换输入的功率的开关电路、将开关输出变换为直流而输出的输出电路和数字控制电路。该数字控制电路输入从输出电路输出的电压和/或电流的模拟信号，将该模拟信号变换为数字信号，根据得到的输出电压数字信号和/或输出电流数字信号计算决定开关电路的开关频率、接通时间或断开时间中的至少一种的指令值，根据该指令值生成脉冲，将该脉冲供给开关电路，控制其开关动作。

在本发明的一个实施例中，输出电压模拟信号和/或输出电流模拟信号与开关电路的开关周期同步地以开关周期的同相位读入，根据该模拟信号而得到输出电压数字信号和/或输出电流数字信号。输出电流模拟信号可以是流过输出部的某一部分的电流。例如，在输出电路中设置用于将输出进行整流而平滑化的平滑化电路并在该电路中具有电感线圈时，检测流过该电感线圈的电感线圈电流，便可获得输出电流模拟信号。

指令值运算的周期采用开关周期的整数倍，模拟信号的读入至少在每个指令值运算的周期进行1次。在开关电源装置中，虽然由输出电路进行了平滑化的输出也与开关电路的开关周期对应地伴有某种程度的周期性的变化，但是，通过根据以开关周期的同相位读入的模拟信号生成数字信号并应用于指令值的运算，便可抑制这种周期性的变化。因此，在本发明的实施例中，可以省略数据的平均化这种的数据前处理。

在本发明的其他实施例中，数字控制部具有根据输出电压数字信号和输出电流数字信号推算电源输入电压和/或负载装置的负载端子电压的功能。按照本发明的实施例，不必设置电源输入电压检测装置和负载检测装置。

如上所述，由于本发明的开关电源装置具有开关控制用的数字控制部，所以，利用软件可以很容易地切换各动作模式的控制算法。另外，即使增加控制算法的数目也可以利用软件进行处置，所以，电路不会复杂化。此外，这样的数字控制方式对于改善控制系统的稳定性是有效的。而且，由于所需要的控制算法可以通过软件而执行，所以，可以使作为硬件的数字控制部实现标准化。

在本发明的上述实施例中，电源输入电压信息和/或负载端子电压信息不是使用检测电路进行检测，而是使用根据输出电压数字信号和输出电流数字信号而推算的信息。通过采用数字控制方式，就可以进行这种推算。这样，不需要输入电压检测电路就可以获得输入电压信息，从而可以减少检测电路数、简化电路结构和减少电路零部件数。

所推算的电源输入电压信息的一个理想的利用形式，就是将推算的电源输入电压信息和/或负载端子电压信息与输出电压数字信号和输出电流数字信号一起作为计算决定开关电路的开关频率、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值的要素使用。并且，根据该指令值生成控制脉冲，并将该控制脉冲供给开关电路，控制其开关动作。

在本发明中，决定开关频率、接通时间或断开时间中的至少一个这样的问题，典型的情况具有个别地决定它们的情况、决定开关频率和接通时间的情况和决定开关频率和断开时间的情况。

所推算的电源输入电压信息和/或负载端子电压信息的其他的利用形式，就是根据电源输入电压信息判断输入电压例如判断电源输入异常等和根据负载端子电压信息判断负载端子电压例如判断过大负载等。在判定电源输入异常时，就将输出电压数字信号和输出电流数字信号应用于电源控制。

本发明的其他目的、结构和优点，通过以下参照附图的实施例的详细说明即可明白。这里，附图对本发明的范围没有任何限定。

图1是表示本发明的开关电源装置的一个实施例的框图。

图2是图1所示的开关电源装置的等效电路图。

图3是表示本发明的开关电源装置更具体的一个实施例的框图。

图4是表示本发明的开关电源装置的控制步骤的一个实施例的流程图。

图5是说明本发明的开关电源的脉冲生成部的动作的时间图。

图6是表示本发明的开关电源装置的控制步骤的一个实施例的流程图。

图7是表示本发明的开关电源装置的控制步骤的一个实施例的流程图。

图8是表示本发明的开关电源装置的其他实施例的框图。

图9是表示本发明的开关电源装置的其他实施例的框图。

图10是表示本发明的开关电源装置的其他实施例的框图。

图11是表示本发明的开关电源装置的其他实施例的框图。

图12是表示与进行负载装置的负载端子电压的推算的实施例的图1对应的框图。

图1表示本发明的开关电源装置的电路图。本发明的开关电源装置包括切换输入的功率从而形成脉冲状的波形的开关电路40、将开关电路40的脉冲状波形的输出变换为直流而输出的输出电路50和数字控制部70。

在本实施例中，开关电源装置具有输入交流电的输入端子IN1、IN2，供给该输入端子IN1、IN2的交流电通过输入滤波器10后加到整流平滑电路20上。整流平滑电路20包括全波整流二极管21和平滑电容器22。整流平滑电路20的输出供给开关电路40。

开关电路40控制从整流平滑电路20供给的电力通/断。开关电路40具有由场效应晶体管(FET)构成的开关元件42和将其通/断输出与输出电路50耦合的主变压器41。开关元件42的漏极与主变压器41的初级线圈411的一边的端子串联连接。主变压器41的初级线圈411的另一边的端子与整流平滑电路20连接。

输出电路50是整流平滑电路，将从开关电路40供给的开关输出变换为直流而输出。直流输出V₀从输出端子OUT1、OUT2供给负载Z。检测输出电流I的输出电流检测电路60与输出电路50的电源供给线耦合。为了得到稳定的输出，输出电路50由扼流圈输入方式平滑电路构成。图示的平滑电路的结构包括二极管51、52和电感53以及电容器54。一边的二极管51的阳极与主变压器41的次级线圈的一边的端子串联连接。另一边的二极管52与主变压器41的次级线圈412并联，阴极与二极管51的阴极连接。电感53与二极管51和二极管52的接点连接。电容器54与电感53的输出端连接。

输出电路50的输出作为电压模拟信号AS1而取出，输出电流检测电路60的输出作为电流模拟信号AS2而取出，这些模拟信号供给数字控制部70。并且，该数字控制部70的控制输出供给构成开关电路40的开关元件42。开关元件42的动作用以决定可以作为接通时间和断开时间之和而定义的开关周期的该接通时间与断开时间之比即占空比。

数字控制部70将从输出电路50输出的电压模拟信号AS1和从输出电流检测电路60输出的电流模拟信号AS2作为输入而接受，并将这些模拟信号AS1、AS2分别变换为数字信号。数字控制部70根据所得到的输出电压数字信号和输出电流数字信号阴极输入电压信息计算决定开关电路40的接通时间和断开时间的指令值。取代决定开关电路40的接通时间和断开时间或者除此之外也可以利用指令值来决定开关周期。指令值计算的循环时间(以下，有时也称为「控制周期」)采用开关周期的整数倍，每隔多次的开关周期进行一次指令值的计算。

在指令值计算中，在使用输入电压信息的形式下，所需要的输入电压信息可以通过根据输出电压数字信号和输出电流数字信号进行推算而得到。在数字控制部70中，还可以具有根据所推算的电源输入电压信息判断输入电压异常的功能。这样，在输入电压异常时就可以正确地进行处置。

在指令值计算中，在使用负载端子电压信息的形式下，所需要的负载端子电压信息可以通过根据输出电压数字信号还是输出电流数字信号进行推算而得到。这里，所谓「负载」，是指通过负载线与开关电源装置连接的负载装置。在数字控制部70中，还可以具有根据所推算的负载端子电压信息判断负载端子电压的功能。这时，例如也可以判断负载端子电压异常。此外，在该形式下，可以将负载线的直流电阻值输入数字控制部，另外，也可以改变输入的直流电阻值。这样，在本发明的该形式下，不必改变硬件，利用软件就可以输入或变更负载的端子电压推算所需要的负载线的直流电阻值。

其次，数字控制部70根据通过计算而得到的指令值生成脉冲，并将该脉冲供给开关电路40，控制其开关动作。这样，便可控制在输出端子OUT1、OUT2中出现的直流输出电压V₀及输出电流I。

如上所述，本发明的开关电源装置采用具有数字控制部70的数字控制方式，所以，可以利用软件很容易地执行各动作模式的控制算法。另外，对于控制算法的数的增加，可以通过软件与其对应，所以，不会使电路复杂化。此外，由于所需要的控制算法可以利用软件而执行，所以，可以使数字控制部70的硬件实现标准化。

在数字控制部70中，计算决定开关电路40的开关频率、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值时，输出电压数字信号和输出电流数字信号实际上可以通过将使用检测电路所检测的模拟信号进行数字变换而得到，但是，在本实施例中，电源输入电压信息不是使用检测电路进行检测，而是使用根据输出电压数字信号和输出电流数字信号所推算的信息。通过利用数字控制，就可以进行这样的推算。这样，便可减少为了得到控制指令值所需要的检测电路数，从而可以简化电路结构，减少电路零部件数。

下面，说明输入电压信息的推算方法的一例。图2是图1所示的开关电源装置的等效电路图。根据该等效电路图可以得到如下电路方程式(1)。

Vi(t)＝L(di(t)/dt)+e(t)                 (1)

若将式(1)改写为适用于数字处理的离散值系列，则可得到下式。

Vi(n-1)＝L(i(n)-i(n-1))/Tc+(n-1)        (2)

其中，

Vi(n-1)：时刻(n-1)与时刻n之间的平均电压

      L：电感53的电感

   i(n)：时刻n的电感电流

 i(n-1)：时刻(n-1)的电感电流

     Tc：采样周期

 e(n-1)：时刻(n-1)的输出电压

这里，将采样周期Tc取为开关周期T的m倍(m为整数)，设在开关周期T中开关的接通时间宽度为Ton，则在平均电压Vi(n-1)与输入电压V(n-1)之间，如下(3)式成立。

Vi(n-1)＝mTon·V(n-1)/Tc                 (3)

根据式(2)和式(3)，可得采样点(时刻)n的实电流i(n)为

i(n)＝i(n-1)+Tc·[mTon·V(n-1)/Tc

-e(n-1)]/L                               (4)

另一方面，未设置输入电压的检测电路时，在数字控制部70中，就不能知道输入电压V的正确的值，所以，使用其推算值Ve(n-1)，根据式(4)，按照下式(5)计算采样点n的电流ie(n)。

ie(n)＝i(n-1)+Tc·[mTon·Ve(n-1)/Tc-e(n-1)]/L                                 (5)

根据式(4)和式(5)计算电流推算误差Δi(n)时，可以得到下式(6)。

Δi(n)＝i(n)-ie(n)＝mTon·ΔV(n-1)/L           (6)

其中，ΔV(n-1)是电压推算误差，由如下式(7)定义。

ΔV(n-1)＝V(n-1)-Ve(n-1)                       (7)

根据上述情况，由检测电路间采样点n的输出电压e(n)和流过电感53的电感电流i(n)，在数字控制部70中，通过进行根据式(6)和式(7)的计算，便可推算输入电压V(n-1)的正确的值。因此，在本发明的实施例中，不需要用于与各采样周期对应的输入电压V(n-1)的检测电路。

图3是表示本发明的开关电源装置的更具体的电路图。图中，和图1相同的结构部分，标以相同的参照符号，并省略其说明。在本实施例中，起动电路30与整流平滑电路20连接。起动电路30在电源接通后的开始时间内，发生使数字控制部70动作的功率。驱动电路90与起动电路30的输出侧连接。

辅助电源电路80与主变压器41连接。该辅助电源电路80构成数字控制部70的电源，包括整流平滑电路的电路82与设的主变压器40上的辅助线圈81连接。辅助电源电路80生成供给数字控制部70的电源电压，该电源电压供给数字控制部70所具有的电源端子T5～T7。

输出电流检测电路60具有间电感电流I的电流传感器61和将电流变换为电压值的电阻62。有时电流传感器61连接为与电感53串联。在本实施例中，输出电路50为扼流圈输入整流平滑电路，所以，输出电流检测电路60以电压值的形式间输出电路50中所包含的电感53的电感电流。下面，将输出电流检测电路60称为电感电流检测电路60。

其次，数字控制部70具有A/D变换部72、数字信号处理部71和脉冲生成部73。数字控制部70，作为主要元素包括被称为DSP的数字信号处理器。作为DSP，有时在其结构中也包含A/D变换部72。作为数字控制部70，使用DSP时，脉冲生成部73可以作为DSP的内部元素，也可以将其一部分或全部作为外部元素而附加到DSP上。

A/D变换部72将输出电压模拟信号AS1、电感电流模拟信号AS2分别变换为数字信号DS1、DS2。A/D变换部72也可以包含A/D变换部721和A/D变换部722。这里，输出电压模拟信号AS1供给A/D变换部721，电感电流模拟信号AS2供给A/D变换部722。

数字控制部70的数字信号处理部71具有程序存储器713、数据存储器714、715和主运算部(以下，称为CPU)711。数据存储器714、715暂时存储从A/D变换部72供给的各数字信号DS1、DS2的数据。A/D变换部72的数字信号的供给可以在各开关周期进行，也可以在指令值计算的循环时间即控制周期而进行。不论按哪种情况进行，最好是与开关周期或控制周期同步地供给同相位的数据。通过根据同相位的数据进行指令值的计算，可以省略数据的平均化那样的数据前处理。CPU711通过总线712从数据存储器714、715中读入数据，并进行四则运算、逻辑运算等必要的运算。

脉冲生成部73具有计数器731、计数器732、计数器733、锁存电路734和输出电路735。计数器731根据从数字信号处理部71供给的指令值决定主开关42的断开定时。计数器732根据从数字信号71供给的指令值决定主开关42的接通定时。计数器733决定指令值计算的循环时间即控制周期。

锁存电路734在由计数器732设定的接通定时置位(逻辑值1)，在计数器731的断开〖一时复位(逻辑值0)。这样，就从锁存电路734输出驱动主开关42的脉冲。

驱动电路90具有将驱动信号向开关电路40传送的脉冲变压器91和电阻92。数字控制部70的驱动信号通过电阻92传送给主开关42。

下面，说明图示的实施例的电路的动作。图4是本发明的开关电源装置的动作的流程图。该流程图包括电源接通时的动作和稳定时的动作。

1.电源接通时的动作

接通电源时，充电电流通过初级整流二极管21流向电容器22。电容器22的电压达到指定值时，起动电路30和辅助电源电路80就顺序开始动作，向装置的各部分供给电力。这里，数字信号处理部71的CPU711根据控制程序开始进行电源的起动动作。即，供给数字控制部70的电压达到指定值时，CPU711就顺序执行程序存储器713存储的控制程序的内容，进行CPU内部的寄存器及脉冲生成部73等的初始设定。然后，CPU711通过A/D变换部721、722读取数据存储器714、715暂时存储的输出电压数字数据和电感电流数字数据。

CPU711根据读取的数字数据判断装置是否在起动中。是否在起动中，可以通过例如将稳定动作时得到的输出电压数据值预先存储到程序存储器713中并将该存储的输出电压数据值与所读取的数据比较而进行判断。

判定是起动中时(YES)，就按照起动时的指令值运算方式计算主开关42的接通时间。由计数器731、732和锁存电路734根据该计算结果生成具有指定的接通时间的脉冲。并且，该驱动信号通过电阻92从驱动电路90的脉冲变压器91向主开关42传送，初级功率传送给输出电路50。这样，装置便开始进行输出电压的供给。这时由于选择了电源接通时的指令值计算方式，所以，利用软件控制供给输出电压，以使主开关42的漏极电流不会过大。

CPU711在输出电压Vo达到稳定值之前，按照电源接通时的指令值计算方式控制主开关42的接通时间和断开时间的比例。

2.稳定时的动作

通过上述起动动作，输出电压Vo达到稳定值时，CPU711就判定起动动作结束(NO)，并进入稳定动作。下面，说明稳定动作。

<一般的控制动作>

输出电路50的输出电压Vo的模拟信号读入数字控制部70，并由A/D变换部721变换为数字信号。该变换后的数字信号暂时存储到数据存储器714中。由电感电流检测电路60得到的电感电流的模拟信号AS2读入数字控制部70，由A/D变换部722变换为数字信号DS2。电感电流数字信号DS2暂时存储到数据存储器715中。

CPU711按照控制程序读出数据存储器714、715的内容。并且，使用读出的数据进行四则运算及逻辑运算等必要的运算，计算决定在开关电路40中包含的主开关42的接通时间和断开时间的指令值。在这时的指令值运算处理中，包括根据从数据存储器714、715中读出的输出电压数字数据和电感电流数字数据推算输入电压信息这样的重要的运算处理。也可以使CPU711具有根据所推算的电源输入电压信息判断输入电压异常的功能。例如，额定输入电压为100V时，从输入电压90V到110V的范围视为正常，将除此以外的输入电压判定为异常。由CPU711生成的指令值读入脉冲生成部73。

图5是表示脉冲生成部73的脉冲生成的时间图。在时刻t1，脉冲生成部73的计数器732复位时，其输出成为逻辑值1(参见图5(a))。该计数器732的信号供给锁存电路734。锁存电路734在由计数器732设定的接通时刻置位，输出成为逻辑值1(参见图5(c))。

其次，经过由CPU711指令的接通时间Ton时，计数器731的输出成为逻辑值1(参见图5(b))，设定主开关42的断开时刻。计数器731的信号供给锁存电路734。锁存电路734在计数器731的断开时刻复位，其输出成为逻辑值0(参见图5(c))。这样，便可从锁存电路734输出驱动主开关42的接通时间Ton的脉冲。

计数器731、732的指令值运算的控制周期由计数器733设定。计数器731、732的指令值运算的控制周期采用开关周期的整数倍m。这样，便可将控制周期间的按开关周期的整数倍m而检测的各检测信号值存储到数据存储器714、715中。CPU711从数据存储器714、715中读取数据，利用稳定动作时的指令值运算方法计算主开关42的接通时间。这时，根据所读取的输出电压数据和电感电流数据推算输入电压信息的情况，和上述一样。并且，根据按控制周期而更新的运算结果向脉冲生成部73供给指令值。

输出电路735将从锁存电路734供给的脉冲通过耦合变压器91供给主开关42的棚极。这样，输出电路50的输出电压Vo和电感电流I便控制为与CPU711的控制程序相应的值。

<恒流模式、恒压模式和恒定功率模式的各控制动作>

由CPU711选择的指令值运算方法根据控制模式是恒流模式还是恒压模式或者恒定功率模式而选择不同的模式。这些指令值运算按照CPU711的程序存储器713预先存储的控制程序的内容而进行。

CPU711的控制程序是计算接通时间和断开时间的程序，在恒流模式的动作时使电感电流I一定，在恒压模式的动作时使输出电压Vo一定，在恒定功率模式的动作时使输出电压及电感电流的乘积一定。

输出电压Vo和电感电流I的检测信号读入数字控制部70，根据这些信号推算输入电压信息，最后控制为根据上述计算结果而得到的目标值。

在本发明的图示实施例的开关电源装置中，根据输出电压、电感电流和所推算的输入电压的变化而改变指令值计算方法，以维持稳定的输出电压值。即，如图6所示，每次计数器733(参见图3)复位时，就将各检测信号读入CPU711，通过将各检测信号与1个控制周期前的检测信号进行比较，判断动作状态，并根据动作状态适当地选择指令值运算程序。例如，输出电压异常上升时，由于总是在监视输出电压，所以，选择过电压时的指令值运算方法，用以控制使主开关42的接通时间变短。

另一方面，对于电感电流，成为过负载状态时，就选择过负载时的指令值运算方法，用以控制使主开关42的接通占空比减小，从而抑制电感电流。

下面，作为一例，参照图7的流程图说明根据负载的变化的指令值变更方法。这时，作为指令值运算方法，着眼于电感电流随负载的变化而变化，预先将电感电流连续时的运算程序、电感电流不连续时的运算程序和过负载时的运算程序存储到CPU711的程序存储器713中。并且，每当从计数器733中断时，就将各检测信号读入CPU711，通过将各检测信号与1个控制周期前的检测信号进行比较，判断动作状态，并根据动作状态适当地选择指令值运算程序。

(1)电感电流连续时

利用指令电压值Vref和检测电压Vo，根据下式(a)、(b)计算第(n+1)个控制周期的电感当指令电流值ir(n+1)。 $\mathrm{ir}(n+1)=\mathrm{Kvp}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;e}(n-1)+\mathrm{KVi}\&CenterDot;\underset{K=0}{\overset{a=1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;e}\left(k\right)---\left(a\right)$

Δe(n-1)+Vref-VO(n-1)                         (b)

另外，为了实现指令电流值ir(n+1)，根据下式(c)、(d)计算主开关42的接通时间Ton。 $\mathrm{Ton}\left(n\right)=T\{\mathrm{Kip}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;i}(n-1)+\mathrm{Kii}\&CenterDot;\underset{K=0}{\overset{a-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;i}\left(k\right)\}/\mathrm{Vi}---\left(c\right)$

Δi(n-1)＝ir(n+1)-i(n-1)                   (d)

(2)电感电流不连续时

计算各控制周期的电压平均值和电流平均值，使用这些平均值利用记述电路状态的状态平均化方法计算主开关42的接通时间Ton。由于电感电流不连续时的状态平均化方程式为下式(e)，所以，根据下式(f)可以求出主开关42的接通时间Ton。使用状态平均化方程式的状态平均化方法本身是众所周知的。 $\frac{d\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{iL}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}=-\frac{(\mathrm{RL}+\mathrm{RllRc})\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{i_L\left(t\right)}\&CenterDot;(d1+d2)}{L}$ $-\frac{R}{(R+\mathrm{Rc})L}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{vc}\left(t\right)}\&CenterDot;(d1+d2)+\frac{\mathrm{vs}\left(t\right)}{L}\&CenterDot;d1$ $\frac{d\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{vc}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}=\frac{R}{(R+\mathrm{Rc})C}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{iL}\left(t\right)}\&CenterDot;(d1+d2)-\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{vc}\left(t\right)}}{(R+\mathrm{Rc})C}$ $\mathrm{Vo}\left(t\right)=\left(\mathrm{RllRc}\right)\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{i_L\left(t\right)}\&CenterDot;(d1+d2)+\frac{R}{R+\mathrm{Rc}}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{vc}\left(t\right)}--\left(e\right)$ 其中，

Vo(t)是时刻t的输出电压值

Vc(t)是时刻t的平滑电容器54的端子电压值

iL(t)是时刻t的电感53的电流值

L是电感53的电感值

d1是主开关42的接通占空比(＝Ton/T)

d2是二极管52的接通占空比(＜Toff/T)

RL是电感53的直流电阻值

R是负载电阻值

Rc是平滑电容器54的等效串联电阻值(ESR)

C是平滑电容器54的电容量

Kvp、Kvi、Ki和Kii是系数。但是，附加如下约束条件。扼流圈电流不连续模式的约束条件： $\frac{d\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{iL}\left(t\right)}}{\mathrm{dt}}=0$ 视在扼流圈电流的平均值： $\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{iL}\left(t\right)}=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{Vs}\left(t\right)}-\{\mathrm{RL}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{iL}\left(t\right)}+\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{vo}\left(t\right)}\}}{2L}d1\&CenterDot;\mathrm{Ts}$ 将上述式(e)离散化求解接通时间Ton，则得 $\mathrm{Ton}\left(n\right)=\frac{2L\&CenterDot;\mathrm{IL}\left(n\right)}{\mathrm{Vs}(n-1)-\mathrm{Vo}(n-1)-\mathrm{RL}\&CenterDot;\mathrm{IL}\left(n\right)}---\left(f\right)$

(3)过负载时

在过负载时，由于Vref＞Vo，所以，指令电流值ir总是成为CPU711的程序存储器713存储的最大常数值Imax。通过使该最大常数值Imax成为输出电压的函数，就可以进行过负载时的电流控制。最大常数值Imax可以表为

通过将上述式(a)～(g)作为控制程序预先存储到CPU711的程序存储器713中，就可以使电源输出稳定，而与负载变化无关。

这里通过改变上述式(a)、(c)的系数Kvp、Kvi、Kip和Kii，可以改变控制系统的增益特性。系数Kvp、Kvi、Kip和Kii的变更，可以通过使用键盘等输入数据而进行。另外，利用计数器733的控制周期的变化，也可以改变控制系统的相位特性。因此，即使动作状态发生变化，也可以确保控制系统的稳定性。

下面，参照图8～图11说明本发明的其他实施例。在这些实施例中，和图1相同的结构部分，标以相同的参照符号，并省略其说明。在图8所示的实施例中，数字控制部70将电源输入电压Vi的模拟信号AS3供给输入端子T8，并将该模拟信号AS3变换为数字信号DS3。数字控制部70具有A/D变换部723和数据存储器716。CPU711从数据存储器714～716中读出所得到的电源输入电压Vi的数字信号DS3和输出电压数字信号DS1以及电感电流数字信号DS2，并根据这些数字信号DS1～DS3计算决定在开关电路40中包含的主开关42的接通时间的指令值。这样，不仅输出信号稳定，而且即使输入电压发生变化也可以实现良好的稳定输出。

在图9的实施例中，对于1个开关输出，具有多个输出电路501、502。输出电路501的输出电压模拟信号AS11和电感电流模拟信号AS21由A/D变换部721、722分别变换为数字信号DS11、DS21，并分别存储到数据存储器714、715中。输出电路502的输出电压模拟信号AS12和电感电流模拟信号AS22由A/D变换部723、724分别变换为数字信号DS12、DS22，并分别存储到数据存储器716、717中。

在这样的电路结构中，最好数字控制部70控制开关电路40的开关动作使从多个输出电路501、502输出的电压变化幅度为最小。CPU711通过总线712从数据存储器714～717中读出数字数据DS11～DS22，进行必要的运算处理。

在图10的实施例中，在对于1个开关输出而具有多个输出电路501、502的结构中，具有比从多个输出电路501、502供给的输出电压模拟信号AS11、AS12和电感电流模拟信号AS21、AS22的总数4少的2个A/D变换部721、722。另外，与2个A/D变换部721、722对应地只具有2个数据存储器714、715。数字控制部70包括多路复用电路74。多路复用电路74将从多个输出电路501、502供给的输出电压模拟信号AS11、AS12和电感电流模拟信号AS21、AS22以时分方式供给A/D变换部721、722。这样，便可减少A/D变换部和数据存储器的数。

图11的实施例具有多个包含开关电路40、输出电路50和数字控制部70的电源电路。各电源电路的数字控制部70共用总线712，可以通过总线712相互收发电感电流数字信号。这样，在额定输出功率相等的多个开关电源装置中，在各电源电路的电感电流值相等的方向，可以控制各开关电路40、40的开关动作。

各电源电路的数字控制部70、70通过相互收发电感电流数字信号，在额定输出功率不同的多个开关电源装置中，在实际的输出功率值相对于各电源电路的额定输出功率值的比例相同的方向，也可以控制各开关电路40、40的开关动作。

本发明除了图示的具有开关电路40和输出电路50的开关电源装置外，对于其他电路结构的开关电源装置也可以适用。另外，在图9和图10的实施例中，应组合的电源电路的数是任意的，在图11的实施例中，开关电源装置的数是任意的。

图12是和表示进行负载端子电压的推算的本发明的实施例的图1相同的框图。在图12中，和图1对应的部分标以相同的符号，并省略其说明。在图1中，表示为Vo的直流输出电压，在本实施例中表示为V1。该直流输出电压V1通过从输出端子OUT1、OUT2导向负载装置Z的端子T1、T2的负载线W1、W2供给负载装置Z。负载线W1、W2根据其长度、粗细和电阻率等而具有一定的直流电阻。在图12中，将该直流电阻表示为集中电阻常数值R0。这时，在负载装置Z的端子T1、T2之间实际发生的负载端子电压V2为

V2＝V1-I·R0

这里，电流值I是流过电感53的电感电流，V1是开关电源装置的输出电压，负载端子电压V2可以在考虑负载线W1、W2的直流电阻R0后根据电感电流I和开关电源装置的输出电压V1而进行推算。

在本实施例中，数字控制部70根据开关电源装置的输出电压数字信号和输出电流数字信号以及上述推算的负载端子电压信息计算决定开关电路40的接通时间和断开时间以及根据需要决定开关周期的指令值。在本发明的实施例中，按照上述关系式V2＝V1-I·R0，根据负载线W1、W2的直流电阻R0和输出电压V1和输出电流I推算负载端子电压，所以，可以将加到负载装置上的端子电压值V2设定为控制目标。

此外，数字控制部70可以采用从外部输入负载线W1、W2的直流电阻R0并且可以改变输入的直流电阻值R0的结构。因此，对于长度、粗细和电阻值等不同的负载线也可以将输入的直流电阻值R0与实际使用的负载线W1、W2一致地设定，从而可以按接近实际的值推算负载装置Z的负载端子电压V2。在本实施例的情况下，在上述式(a)～(g)中，可以将推算电压V2当作V0的项。

以上，对特定的实施例详细地说明了本发明，但是，本发明并不限定这些实施例的细节，在权利要求所述的范围内可以进行若干变更或修改。因此，本发明仅限定权利要求的范围。

Claims (40)

1.一种开关电源装置，包括切换所输入的功率而形成断续的脉冲状波形的开关输出的开关电路、将上述开关输出变换为直流而输出的输出电路和根据上述输出电路的输出控制上述开关电路的开关动作的数字控制部，上述数字控制部接受从上述输出电路输出的电压的输出电压模拟信号和从上述输出电路输出的电流的输出电流模拟信号并将上述输出电压模拟信号和上述输出电流模拟信号分别变换为输出电压数字信号和输出电流数字信号，其特征在于：上述数字控制部至少根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号计算决定上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值，根据上述指令值生成控制脉冲，并将上述控制脉冲供给上述开关电路，控制其开关动作，同时，上述数字控制部具有根据所得到的上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号推算向开关电源装置输入的电源输入电压的功能。

2.按权利要求1所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号以及根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号推算的上述电源输入电压的信息计算决定上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值。

3.按权利要求1或2所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部具有根据所推算的上述电源输入电压的信息判断向开关电源装置输入的输入电压的功能。

4.根据权利要求1或3所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部进一步具有根据所得到的上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号推算通过负载线与上述开关电源装置连接的负载装置的负载端子电压的功能。

5.按权利要求4所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号以及根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号所推算的上述负载装置的负载端子电压的信息计算上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值。

6.按权利要求4或5所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部具有根据上述所推算的负载端子电压的信息判断负载装置的负载端子电压的功能。

7.一种开关电源装置，包括切换所输入的功率而形成断续的脉冲状波形的开关输出的开关电路、将上述开关输出变换为直流而输出的输出电路和根据上述输出电路的输出控制上述开关电路的开关动作的数字控制部，上述数字控制部接受与从上述输出电路输出的输出电压和输出电流中的至少一个对应的输出模拟信号并将该输出模拟信号变换为输出数字信号，其特征在于：上述数字控制部根据所得到的输出数字信号计算决定上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值，根据上述指令值生成控制脉冲，并将上述控制脉冲供给上述开关电路，控制其开关动作，上述数字控制部中上述输出模拟信号向输出数字信号的变换与上述开关电路的开关动作的开关周期同步地以该开关周期中的相同的相位进行。

8.按权利要求1～7的任一项所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部包括A/D变换部、数字信号处理部和脉冲生成部，上述A/D变换部将上述输出模拟信号变换为输出数字信号；上述数字信号处理部根据所得到的输出数字信号计算决定上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值；上述脉冲生成部根据上述指令值生成上述控制脉冲。

9.按权利要求1～8的任一项所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部进一步接收电源输入电压的模拟信号并将上述输入电压模拟信号变换为输入电压数字信号，根据所得到的输入电压数字信号和上述输出数字信号计算决定上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值。

10.按权利要求1～9的任一项所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字信号处理部计算上述输出电压数字信号的平均电压值和/或上述输出电流数字信号的平均电流值，使用所计算的上述平均电压值和/或上述平均电流值，利用记述电路状态的状态平均化方法计算决定上述开关电路的开关频率、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值。

11.按权利要求10所述的开关电源装置，其特征在于：上述输出电路包括具有电感的整流平滑电路，上述数字信号处理部按电感电流连续的情况和不连续的情况分别进行它们各自的指令值运算处理。

12.按权利要求11所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字信号处理部以上述开关电路的开关周期的整数倍为指令值计算周期进行计算，上述数字控制部至少按各指令计算周期进行从上述输出模拟信号向输出数字信号的变换。

13.按权利要求12所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字信号处理部可以随指令值运算方法的改变而改变控制系统的增益-相位特性。

14.按权利要求12所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字信号处理部可以随指令值运算周期的改变而改变控制系统的增益-相位特性。

15.按权利要求1～14的任一权项所述的开关电源装置，其特征在于：上述脉冲生成部具有根据从上述数字信号处理部供给的上述指令值设定上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的装置。

16.按权利要求1～15的任一权项所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字信号处理部可以通过改变上述指令值运算方法而将输出特性设定为恒流特性、恒压特性或恒定功率特性中的某一种特性。

17.按权利要求1～16的任一权项所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部可以从外部输入和改变上述指令值运算方法。

18.按权利要求1～17的任一权项所述的开关电源装置，其特征在于：上述输出电路相对于1个开关输出而具有多个。

19.按权利要求18所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部控制上述开关电路的开关动作使从上述多个输出电路输出的输出电压的电压变化幅度成为最小。

20.按权利要求19所述的开关电源装置，其特征在于：上述A/D变换部的数量少于从上述多个输出电路供给的上述输出电压信号和输出电流信号的总数，上述数字控制部包括多路复用电路，上述多路复用电路将从上述多个输出电路供给的上述输出电压和输出电流的模拟信号以时分方式供给上述A/D变换部。

21.按权利要求1～20的任一权项所述的开关电源装置，其特征在于：上述开关电路具有多个，用以将包含上述输出电路和上述数字控制部的电源电路与上述输出电路并联连接；各电源电路的上述数字控制部通过相互收发上述输出电流数字信号而在各电源电路的输出电流值相等的方向控制上述开关电路的开关动作。

22.按权利要求1～20的任一权项所述的开关电源装置，其特征在于：上述开关电路具有多个，用以将包含上述输出电路和上述数字控制部的电源电路与上述输出电路并联连接；各电源电路的上述数字控制部通过相互收发上述输出电流数字信号而在实际的输出功率值与各电源电路的额定输出功率值的比例相等的方向控制上述开关电路的开关动作。

23.按权利要求1～22的任一权项所述的开关电源装置，其特征在于：上述数字控制部作为主要元素包括数字信号处理器。

24.一种开关电源装置使用的控制开关动作的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：至少具有2个输入端子、信号处理部和输出端子，上述输入端子设置在上述信号处理部，上述开关电源装置的输出电压的模拟信号供给上述输入端子中的一个端子，上述开关电源装置的输出电流的模拟信号供给上述输入端子中的另一个端子；上述信号处理部将供给上述输入端子的上述输出电压模拟信号和输出电流模拟信号分别变换为输出电压数字信号和输出电流数字信号，至少根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号计算决定上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值，并根据上述指令值生成控制脉冲，同时具有根据上述输出电压数字信号和输出电流数字信号推算电源输入电压的功能；上述输出端子输出上述控制脉冲。

25.按权利要求24所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号，以及根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号所推算的上述电源输入电压的信息，计算决定上述开关电源装置的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值。

26.按权利要求24或25所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述信号处理部具有根据所推算的上述电源输入电压的信息判断向开关电源装置输入的输入电压的功能。

27.按权利要求24～26的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述信号处理部进而将供给上述输入端子的上述输出电压模拟信号和输出电流模拟信号分别变换为输出电压数字信号和输出电流数字信号，至少根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号计算决定上述开关电路的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值，并根据上述指令值生成控制脉冲，同时具有根据上述输出电压数字信号和输出电流数字信号推算通过负载线与上述开关电源装置连接的负载装置的负载端子电压的功能。

28.按权利要求27所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号，以及根据上述输出电压数字信号和上述输出电流数字信号推算的上述负载装置的负载端子电压的信息，计算决定上述开关电源装置的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值。

29.按权利要求27或28所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述信号处理部具有根据上述所推算的负载端子电压的信息判断负载装置的负载端子电压的功能。

30.一种开关电源装置使用的控制开关动作的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：具有输入表示上述开关电源装置的输出的输出模拟信号的输入端子和输出控制信号的输出端子，将供给上述输入端子的输出模拟信号变换为输出数字信号，根据所得到的输出数字信号计算决定上述开关电源装置的开关周期、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值，并根据上述指令值生成脉冲，从上述输出端子输出上述脉冲，上述输出模拟信号向输出数字信号的变换与上述开关电路的开关动作的开关周期同步地以该开关周期中的相同相位进行。

31.按权利要求24～30的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：包括A/D变换部、数字信号处理部和脉冲生成部，上述A/D变换部将上述模拟信号变换为数字信号；上述数字信号处理部根据所得到的数字信号计算决定上述开关电源装置的开关频率、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值；上述脉冲生成部根据上述指令值生成脉冲。

32.按权利要求24～31的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述数字信号处理部计算上述输出数字信号的平均值，使用所计算的上述平均值，利用记述电路状态的状态平均化方法计算决定上述开关电路的开关频率、接通时间或断开时间中的至少一个的指令值。

33.按权利要求24～32的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述数字信号处理部的指令值运算周期是开关周期的整数倍。

34.按权利要求24～33的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述数字信号处理部可以随指令值运算方法的改变而改变控制系统的增益-相位特性。

35.按权利要求24～33的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述数字信号处理部可以随指令值运算周期的改变而改变控制系统的增益-相位特性。

36.按权利要求24～35的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述脉冲生成部具有根据从上述数字信号处理部供给的上述指令值设定上述开关电源装置的开关频率、接通时间或断开时间中的至少一个的装置。

37.按权利要求24～36的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述数字信号处理部可以通过改变上述指令值运算方法而将输出特性设定为恒流特性、恒压特性或恒定功率特性中的某一种特性。

38.按权利要求24～37的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述数字信号处理部可以从外部输入和改变上述指令值运算方法。

39.按权利要求24～38的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述数字控制装置包括多路复用电路，上述多路复用电路将供给上述输入端子的模拟信号以时分方式供给上述A/D变换部，上述A/D变换部的数量少于供给上述多路复用电路的模拟信号的总数。

40.按权利要求24～39的任一权项所述的开关电源装置用数字控制装置，其特征在于：上述数字控制装置作为主要元素包括数字信号处理器。

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