CN116915054A - 直流电源装置 - Google Patents

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CN116915054A CN202310353414.1A CN202310353414A CN116915054A CN 116915054 A CN116915054 A CN 116915054A CN 202310353414 A CN202310353414 A CN 202310353414A CN 116915054 A CN116915054 A CN 116915054A
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田渊仁之
栃谷浩司
三岛健人
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Abstract

本发明涉及具备开关电源及电流稳定化电路的直流电源装置，提供一种能够满足CISPR25的等级5的EMC标准的直流电源装置。一种直流电源装置，具备开关电源装置(20)和与所述开关电源装置的前级或后级连接的电流稳定化电路(10)，并对从直流电源供给的直流输入电压进行转换而输出不同电位的直流电压，其中，所述开关电源装置具备：频率可变的振荡电路，其生成提供开关周期的振荡信号；振荡控制电路，其生成用于使所述振荡电路的频率以比所述开关周期长的周期变化的振荡控制电压或振荡控制电流。

Description

直流电源装置
技术领域
本发明涉及具备开关电源及电流稳定化电路的直流电源装置。
背景技术
在车载电子设备的领域中，如行车记录仪那样，在从电池经由比较长的电源电缆向负荷供给直流电压的情况下，为了防止电压降低并且使效率良好，在设备侧设置开关电源(DC-DC转换器)。这样，存在如下课题：在利用较长的电源电缆从电池向开关电源供给电流的系统中，伴随着电源装置的开关动作，传导噪音附着在电源电缆，从电源电缆放出辐射噪声，将对电视广播接收机等其他电子设备带来不良影响。
另外，近年来，由于如EV(电动汽车)和PHEV(插电式混合动力)等的行驶驱动源的电动化、如自动驾驶那样的先进驾驶系统的导入等，EMC(电磁兼顾性)对策的重要性越来越大，被称为CISPR25的面向汽车的EMC标准被IEC(国际电气标准会议)所制定。在汽车中使用的开关电源(DC-DC转换器)成为噪声发生源，因此为了满足CISPR25等标准而抑制噪声成为必须的条件。
因此，本申请人着眼于伴随着DC-DC转换器中的开关动作在电源电缆中流动的电流剧烈变动的情况成为辐射噪声的原因，在DC-DC转换器的前级或后级形成与连接了电流稳定化电路的直流电源装置相关的发明，并在先完成了申请(专利文献1)。
另外，在直流电源的领域中，在车载用DC-DC转换器中有时设置频谱扩散功能作为EMC对策。
此外，频谱扩散是为了使电子设备所放出的电磁噪声的能量的频谱不集中在狭窄的频带，而提供使振荡信号的频率稍微变动的低频的抖动，使辐射电磁噪声的能量分散到某频率的带宽由此抑制其峰值的技术。
在专利文献2中记载了在移动电话或PDA等电子设备用的开关调节器中，作为EMC对策而设置频谱扩散功能。但是，在专利文献2中没有记载通过设置电流稳定化电路来降低噪声的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2021-191079号公报
专利文献2：日本特开2011-139609号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明人针对在DC-DC转换器的前级连接有电流稳定化电路的直流电源装置、和不设置电流稳定化电路的单独的DC-DC转换器(开关频率2MHz)，尝试通过模拟计算出从DC-DC转换器的输入端子VIN向上游的电源侧传递的噪声的大小。将其结果示于图3。其中，图3中的(A)示出单独的DC-DC转换器的情况下的传导噪声的频谱，图3中的(B)示出在DC-DC转换器的前级设置了电流稳定化电路的情况下的传导噪声的频谱。横轴分别为频率。在图3中的(A)、(B)中，出现在噪声中的多个峰值的频率相当于开关频率2MHz的高次谐波的频率。
另一方面，在图2中，示出了在所述0-10MHz、10-20MHz、20-30MHz、……90-100MHz的各频带中选择最大峰值的噪声作为代表值，并绘制5MHz、15MHz、25MHz、……95MHz的噪声并作为折线图来进行表示。在图2中，折线A表示DC-DC转换器单独的情况下的传导噪声的变化，折线B表示设置有电流稳定化电路的DC-DC转换器的噪声的变化。另外，在图2中，NL1、NL2、NL3、NL4表示CISPR25的等级5所规定的0.5-1.6MHz、5.9-6.2MHz、30-54MHz、76-90MHz的噪声等级。
由图2可知，单独的DC-DC转换器、设置有电流稳定化电路的DC-DC转换器中的任一个传导噪声都不满足CISPR25的等级5的标准。
另外，本发明人对在以开关频率2MHz进行动作的DC-DC转换器设置了频谱扩散功能的情况，通过模拟尝试计算出向电源侧传递的噪声的大小。将其结果示于图4中的(A)。另外，在图2中，用折线C表示设置了频谱扩散功能的情况下的传导噪声的各频带中的最大峰值。根据图2可知，设置了频谱扩散功能的DC-DC转换器的预定条件下的传导噪声与设置了电流稳定化电路的情况下的传导噪声为相同程度，不满足CISPR25的等级5的标准。即，模拟对象的DC-DC转换器是设置了频谱扩散功能的情况和设置了电流稳定化电路的情况下的噪声降低效果大致相同的条件。
本发明是在所述那样的背景下完成的，其目的在于，提供一种直流电源装置，在DC-DC转换器中设置了频谱扩散功能的情况和设置了电流稳定化电路的情况下的噪声降低效果大致相同的条件下，能够满足CISPR25的等级5的EMC标准。
本发明的另一目的在于，提供一种能够根据用户的要求或者噪声的标准来切换动作的直流电源装置。
用于解决课题的手段
为了实现所述目的，本申请的发明是一种直流电源装置，具备开关电源装置和与所述开关电源装置的前级或后级连接的电流稳定化电路，并对从直流电源供给的直流输入电压进行变换而输出不同电位的直流电压，其中，
所述开关电源装置具备：
频率可变的振荡电路，其生成提供开关周期的振荡信号；以及
振荡控制电路，其生成用于使所述振荡电路的频率以比所述开关周期长的周期进行变化的振荡控制电压或振荡控制电流。
根据所述结构的直流电源装置，生成提供开关电源装置(DC-DC转换器)的开关周期的振荡信号的振荡电路的频率可变，通过由振荡控制电路生成的振荡控制电压或振荡控制电流，使上述振荡电路的频率以比开关周期长的周期进行变化，因此通过上述振荡电路和振荡控制电路实现频谱扩散功能。
并且，通过与开关电源装置的前级或后级连接的电流稳定化电路，能够抑制因开关电源装置的开关动作而产生的噪声向电源线传递，由此能够抑制电源线的电流大幅变动而从电源线放出辐射噪声的情况。其结果是，能够满足CISPR25的等级5的EMC标准。
发明效果
根据本发明的直流电源装置，在对DC-DC转换器设置了频谱扩散功能的情况和设置了电流稳定化电路的情况下的噪声降低效果大致相同的条件下，能够进一步降低伴随着开关动作而产生的噪声，从而满足CISPR25的等级5的EMC标准。另外，具有如下效果：能够根据用户的要求即优先降低噪声还是优先避免电压下降，或者根据噪声的标准来切换动作，能够提高柔软性以及使用便利性。
附图说明
图1是表示本发明的直流电源装置的一实施方式的电路结构图。
图2是表示将图3和图4的噪声的频谱中的各频带中的最大峰值作为代表值取出而示出的折线图。
图3中的(A)是单独的DC-DC转换器的情况下的噪声的频谱，(B)是设置了电流稳定化电路的DC-DC转换器的噪声的频谱。
图4中的(A)是设置了频谱扩散功能的DC-DC转换器的噪声的频谱，(B)是设置了电流稳定化电路和频谱扩散功能的实施方式的DC-DC转换器的噪声的频谱。
图5是表示本发明的直流电源装置的第二实施方式的电路结构图。
附图标记的说明
10电流稳定化电路，Q1电流控制用晶体管，AMP1放大器，LPF低通滤波器，CVS恒压电源，20DC-DC转换器(开关电源装置)，21开关控制电路，22驱动器(驱动电路)，30动作切换电路，L1电感器(线圈)，AMP2放大器，COMP比较器(电压比较器)，OSC振荡电路，WG波形生成电路(振荡控制电路)，SW1导通/截止开关(电流开关元件)。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
图1表示将本发明应用于具备开关电源(DC-DC转换器)的直流电源装置的情况下的一实施方式的概略结构。
图1的直流电源装置具有以下功能：将从电池输入的电源电压Vin转换为适合成为负荷的电子设备的电压，输出稳定的输出电压Vout，使电流Iout流向负荷。在车载电子设备用的电源装置中，输入电压Vin被设为3V-36V，输出电压Vout被设为3.3V那样的电压。
本实施方式的直流电源装置由电流稳定化电路10和开关控制方式的DC-DC转换器20构成，并在DC-DC转换器20的电压输出端子OUT2连接有负荷RL，所述电流稳定化电路10具备电流输入端子IN1和电流输出端子OUT1，控制从电池经由电源电缆等输入到电流输入端子IN1的电流，所述DC-DC转换器20具备电压输入端子IN2和电压输出端子OUT2，在电流稳定化电路10的电流输出端子OUT1连接有电压输入端子IN2。
虽然没有特别限制，但在电流稳定化电路10和DC-DC转换器20分别构成为安装于如印刷布线基板那样的1个基板上的IC(半导体集成电路)的情况下，电流稳定化电路10与DC-DC转换器20之间通过由形成于基板的2条印刷布线图案构成的电源线(1条接地线)而连接。另外，在电流输出端子OUT1与接地点之间连接有平滑用的电容器C1，在电压输出端子OUT2与接地点之间连接有平滑用的电容器C2。此外，电流稳定化电路10和DC-DC转换器20也可以在1个半导体芯片上形成为1个IC。
本实施方式的直流电源装置中的电流稳定化电路10具备：电流控制用晶体管Q1，其由设置在被施加从电池供给的直流电压的电流输入端子IN1与电流输出端子OUT1之间的PNP双极型晶体管构成；电阻R1，其连接在该晶体管Q1的发射极端子与电流输入端子IN1之间；运算放大器(运算放大电路)AMP1，其控制晶体管Q1；以及恒压电源CVS，其生成对该运算放大器AMP1的非反相输入端子施加的电压。对电阻R1使用电阻值为10Ω左右的低电阻值的元件。
另外，电流稳定化电路10具备连接在所述电流输入端子IN1与接地点之间的噪声降低用的电容器C1、以及设置在所述电流输出端子OUT1与恒压电源CVS的负侧控制端子(－)之间的低通滤波器LPF。
在本实施方式中，对运算放大器AMP2的非反相输入端子施加比低通滤波器LPF的输出电位高出恒压电源CVS的电压量的电压。
低通滤波器LPF由连接在电流稳定化电路10的电流输出端子OUT1与恒压电源CVS的负极侧端子(-)之间的电阻R2、连接在恒压电源CVS的负极侧控制端子(-)与接地点之间的电容器C2构成，将电流输出端子OUT1的电压变动成分中的、与后级的DC-DC转换器20的开关频率相当的高频成分去除，以通过相当于DC-DC转换器20的伺服频带(伺服控制频率)的低频成分的方式设定时间常数。
由此，低通滤波器LPF以仅将与后级的DC-DC转换器20的伺服控制相伴的电流输出端子OUT1的电压变动经由恒压电源CVS向运算放大器AMP2传递，而不将伴随开关控制的电流输出端子OUT1的电压变动向运算放大器AMP2传递的方式进行工作。具体而言，例如在DC-DC转换器20的开关频率为2MHz、伺服控制频率为2.4kHz的情况下，使用电阻值为10数kΩ的元件作为电阻R2，使用电容值为几nF的元件作为电容器C2。
另外，恒压电源CVS构成为产生相当于双极晶体管的集电极发射极间电压VCE的电压(约0.2V)，由此，电流控制用晶体管Q1能够始终工作。另外，具有如下优点：通过构成为所述电压减小至0.2V左右，能够抑制晶体管Q1的热损失，使由晶体管Q1产生的损失为最小限度。另外，通过不使电压过小，防止电流控制用晶体管Q1的寄生电容的增大。
具有所述结构的本实施方式的电流稳定化电路10若将流过电流控制用晶体管Q1的集电极电流设为Ic，将电流输入端子IN1与电流输出端子OUT1之间的电位差设为ΔV，则以流过Ic＝(ΔV-CVS)/R1表示的电流的方式进行动作。
在此，如上所述，电流输入端子IN1与电流输出端子OUT1之间的电位差ΔV去除伴随DC-DC转换器20的动作的高频成分而维持低频成分。因此，不会将在DC-DC转换器20的开关动作中剧烈变动的电流输出端子OUT1侧的电流变化向上游侧的电源线传递，另一方面，能够流过伴随DC-DC转换器20的伺服控制的电流变化而变化的电流Ic。
此外，电流稳定化电路10并不限定于图1所示的结构的电路，例如也可以使用所述的专利文献1的图3、图5、图6所记载的结构的电路。
接着，对DC-DC转换器20进行说明。
本实施方式的DC-DC转换器20具备由串联连接在电压输入端子IN2与电压输出端子OUT2之间的P沟道型MOSFET(场效应晶体管)构成的作为开关元件的开关晶体管M1以及与M1串联的电感器L1。进而，具备：同步整流晶体管M2，其连接在晶体管M1与电感器L1的连接节点和接地点之间；开关控制电路21，其生成对所述晶体管M1、M2进行导通、截止控制的信号；以及驱动器(栅极驱动电路)22，其根据来自开关控制电路21的控制信号对晶体管M1、M2进行导通、截止驱动。
另外，在电压输出端子OUT2和接地点之间，连接有对该DC-DC转换器20的输出电压Vout进行分压的串联方式的泄放电阻Rb1、Rb2。
开关控制电路21具备：误差放大器AMP2，其将由上述泄放电阻Rb1、Rb2分压后的电压作为反馈电压VFB与反相输入端子连接；振荡电路OSC，其生成预定的频率的信号；波形生成电路WG，其作为振荡控制电路生成对振荡电路OSC的频率进行控制的控制信号；以及比较器(电压比较器)COMP，其将误差放大器AMP2的输出信号和振荡电路OSC的输出信号作为输入。
对所述误差放大器AMP2的非反相输入端子施加参考电压Vref，误差放大器AMP2向比较器COMP输出与反馈电压VFB和参考电压Vref的电位差对应的电压，比较器COMP根据误差放大器AMP1的输出电压，以PWM(脉冲宽度调制)方式生成对晶体管M1、M2进行导通、截止控制的脉冲信号。通过该脉冲信号控制开关晶体管M1的导通时间。
具体而言，使晶体管M2截止并使M1导通，使电流流过电感器L1而蓄积能量之后，使M1截止并使M2导通而使电感器L1的蓄积能量释放，使电流Iout朝向电压输出端子OUT2流动，并且对输入电压进行转换而向负荷供给预定的直流电压。另外，当负荷的电流增加而输出电压Vout下降时，比较器COMP的输出的脉冲宽度变宽，使M1的导通时间变长，从而提高输出电压Vout。相反，当负荷的电流减少而输出电压Vout上升时，比较器COMP的输出的脉冲宽度变窄而缩短M1的导通时间来降低输出电压Vout。
在本实施方式的DC-DC转换器20中，作为振荡电路OSC，使用振荡频率根据施加于控制端子的电压而可变的压控振荡电路(VCO)。另一方面，在波形生成电路WG中，使用生成以充分小于该DC-DC转换器20的开关频率的频率进行变化的三角波的三角波生成电路。根据由该三角波生成电路生成的三角波被施加于VCO的控制端子，VCO的振荡频率反复逐渐增加和逐渐递减。因此，通过VCO和三角波生成电路实现频谱扩散功能。
具体而言，例如作为振荡电路OSC的基本频率选择2MHz，作为三角波的频率选择3kHz，振荡电路OSC构成为在由于来自波形生成电路WG的三角波的变化而频率从2MHz增加至2.4MHz之后，以0.33毫秒的周期(3kHz)重复减少至2MHz的动作。这样，通过使开关频率向上方扩散，能够避免由下方扩散导致的向AM频带的干扰。此外，基本频率的2MHz是一个例子，一般在200kHz-2.2MHz的范围内选择任意的频率。
另外，在本实施方式中，使用电压控制振荡电路(VCO)作为振荡电路OSC，但也可以使用振荡频率根据控制电流而变化的类型的振荡电路。另外，三角波生成电路也可以生成锯齿波(广义的三角波)。
在图4中的(B)中，针对由电流稳定化电路10和DC-DC转换器20构成的本实施方式的直流电源装置(DCDC+电流稳定化电路+频谱扩散功能)，示出在如上述那样的频率条件下进行模拟而取得的传导噪声的频谱。另外，基于该频谱，在0-10MHz、10-20MHz、20-30MHz、……90-100MHz的各频带中选择最大峰值的噪声作为代表值，作为5MHz、15MHz、25MHz、……95MHz的噪声来进行作图，并将各点之间连结而成的线在图2中表示为折线D。
由图2和图4中的(B)可知，本实施方式的直流电源装置(DCDC+电流稳定化电路+频谱扩散功能)能够满足CISPR25的等级5的EMC标准。另外，该折线D与根据表示(DCDC+电流稳定化电路)的直流电源装置的特性的折线B和表示(DCDC+频谱扩散功能)的直流电源装置的特性的折线C预想的结果一致。进而，折线D不是图4中的(B)所示的频谱的各频带中的噪声峰值的平均，而是将最大峰值点连结而成的。由此可知，能够将高次谐波的噪声成分完全抑制为CISPR25的等级5所规定的噪声水平以下。
接着，使用图5对本发明的直流电源装置的第二实施方式进行说明。
在第二实施方式的直流电源装置中，在电流稳定化电路10的电流输入端子IN1和电流输出端子OUT1之间设置有绕过电阻R1和电流控制用晶体管Q1的旁路电流路径，在该旁路电流路径的中途设置有导通/截止开关SW1。
另外，设置有用于根据来自外部的控制信号E1、E2切换电路的动作模式的动作切换电路30，通过来自动作切换电路30的信号，上述导通/截止开关SW1被导通/截止，并且DC-DC转换器20的波形生成电路WG的动作被切换。其他结构与第一实施方式相同，因此省略重复的说明。
在本实施方式的直流电源装置中，通过所述开关SW1的导通或截止的状态和波形生成电路WG的2个状态的组合，本实施方式的直流电源装置最大能够取得4个动作状态。
具体而言，波形生成电路WG根据来自动作切换电路30的切换信号，与第一实施方式同样地进行生成预定频率的三角波并输出的第一动作、和输出恒定电压的第二动作。在第二动作中输出的恒定电压是使振荡器(VCO)以例如2MHz的频率进行振荡动作的电压。
由此，动作切换电路30除了具有(DCDC+电流稳定化电路+频谱扩散功能)的直流电源装置或(DCDC+频谱扩散功能)的直流电源装置以外，还具有以(DCDC+电流稳定化电路)的直流电源装置或DCDC单独的直流电源装置中的任一模式进行动作的切换功能。但是，也可以以具有上述4个动作模式中的任意2个或3个动作模式的切换功能的方式构成直流电源装置。
此外，当所述导通/截止开关SW1导通时，电流稳定化电路10的运算放大器AMP1停止动作而使电流控制用晶体管Q1成为截止状态即可。由此，能够降低开关SW1的导通期间中的电流稳定化电路10的消耗电力。
在第一以及第二实施方式中，为了降低噪声而设置电流稳定化电路10，在电流稳定化电路10中设置有用于检测输出电流值的电阻R1，因此与不设置电流稳定化电路10的情况相比，输出电压降低。另一方面，在用户中，考虑到与噪声降低相比希望优先避免输出电压的降低的用户、和与避免输出电压的降低相比希望优先降低噪声的用户。
第二实施方式的直流电源装置具备电流稳定化电路10的IN1－OUT1间旁通用的开关SW1以及动作切换电路30，因此即使作为优先噪声降低的电源装置，也能够使输出电压的降低避免优先的电源装置进行动作。另外，也可以构成为如CISPR25的等级5和等级4那样，根据噪声的标准来切换电源装置的动作。
另外，在将电流稳定化电路10和DC-DC转换器(L1、C4、Rb1、Rb2除外)20和动作切换电路30构成为1个IC的情况下，也可以设置用于向动作切换电路30输入控制信号E1、E2的外部端子(管脚)或焊盘。在该情况下，能够在外部端子(引脚)或者焊盘上连接外置的上拉电阻或者下拉电阻来代替控制信号E1、E2。进而，可以设置保持向动作切换电路30输入的控制信号E1、E2的状态的寄存器。
以上，基于实施方式具体地说明了由本发明人完成的发明，但本发明并不限定于所述实施方式。例如，在所述实施方式中，设置有生成连续变化的三角波的波形生成电路WG，但也可以设置生成使振荡器(VCO)的振荡频率阶段性(阶跃状)变化的电压或信号的电路(振荡频率变动单元)来代替波形生成电路WG。
另外，在所述实施方式中，示出了在DC-DC转换器20的前级设置有电流稳定化电路10的直流电源装置，但也可以构成为在DC-DC转换器20的后级设置有电流稳定化电路10的直流电源装置。
另外，在所述实施方式中，示出了使用双极晶体管作为构成电流稳定化电路10的晶体管的例子，但也可以代替双极晶体管而使用MOS晶体管。进而，在所述实施方式中，对使用同步整流方式的DC-DC转换器作为DC-DC转换器20的直流电源装置进行了说明，但也可以代替开关晶体管M2而使用利用了二极管的非同步整流方式的DC-DC转换器。
并且，在所述实施方式中，对将本发明应用于将非绝缘型的DC-DC转换器作为直流电源装置的系统的情况进行了说明，但本发明也能够应用于将具备变压器且对在一次侧绕组中流动的电流进行开关控制的绝缘型的DC-DC转换器作为直流电源装置的系统。

Claims (4)

1.一种直流电源装置，具备开关电源装置和与所述开关电源装置的前级或后级连接的电流稳定化电路，并对从直流电源供给的直流输入电压进行转换并输出不同的电位的直流电压，其特征在于，
所述开关电源装置具备：
频率可变的振荡电路，其生成提供开关周期的振荡信号；
振荡控制电路，其生成用于使所述振荡电路的频率以比所述开关周期长的周期变化的振荡控制电压或振荡控制电流。
2.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，
所述振荡电路是振荡频率能够根据所施加的电压而变化的电压控制振荡电路，
所述振荡控制电路是生成电压值逐渐增加、逐渐递减的三角波的三角波生成电路，
由所述三角波生成电路生成的三角波构成为作为使振荡频率变化的电压而被施加于所述振荡电路。
3.根据权利要求1或2所述的直流电源装置，其特征在于，
所述直流电源装置具备：
电流开关元件，其被设置在连接于所述电流稳定化电路的电流输入端子与电流输出端子之间的电流旁通路径和所述电流旁通路径的中途；
动作切换电路，其根据来自外部的信号或电压，生成对所述电流开关元件进行导通、截止控制的信号，生成对所述电流开关元件进行控制的信号。
4.根据权利要求3所述的直流电源装置，其特征在于，
所述振荡控制电路构成为能够切换为使所生成的振荡控制电压变化的第一动作状态或者固定的第二动作状态，
所述动作切换电路构成为能够生成切换所述振荡控制电路的动作状态的信号。
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