JP2000023355A

JP2000023355A - 電源装置

Info

Publication number: JP2000023355A
Application number: JP10185957A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Ikeda; 隆一池田; Motohiro Sugino; 元洋杉野; Shuzo Matsumoto; 脩三松本; Kenji Kawabata; 賢治川端; Takashi Okada; 岡田　　隆
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Video and Information System Inc
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Advanced Digital Inc
Priority date: 1998-07-01
Filing date: 1998-07-01
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷の急激なインピーダンスの変化においても
大容量のコンデンサを必要とせずに、出力電圧を安定に
制御する。【解決手段】所定範囲の直流電圧を入力し所定の周期と
デユーティで開閉するスイッチ素子（４）とスイッチ素
子からの出力を平滑化して（５、６、７）直流を得るＤ
Ｃ／ＤＣコンバータと、コンバータの出力電圧を検知
（１１）してスイッチ素子の上記所定の周期とデユーテ
ィを制御して上記コンバータの出力電圧を所定値とする
制御手段（１）をもつ電源装置であって、制御手段はコ
ンバータの出力１１で駆動される負荷のインピーダンス
が急変することを予告する予告信号を検出する手段（１
２）と、予告信号を入力して、負荷のインピーダンスの
急変による前記出力電圧の変動を抑制する制御回路（２
１〜２４）をもつ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電源装置、更に詳し
くいえば、バッテリ、ＡＣアダプタ等の直流電源の直流
電圧を他の一定直流電圧に変換する電源装置に係わり、
特にＣＰＵ等のように急峻にインピーダンスが変動する
負荷に一定直流電圧を加えるＤＣ／ＤＣコンバータをも
つ安定化電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】安定化電源装置は、その出力電圧や出力
電流の変化を検知して、その変化を制御信号として出力
電圧を一定となるように制御していた。すなわち出力電
圧を所定の目標電圧と比較器で比較して、出力電圧が低
下した場合は、出力電圧を上げる方向に帰還制御量を修
正する。逆に出力電圧が上昇した場合は下げる方向に帰
還制御量を修正する。出力電流が増えた場合も出力電圧
が低下するので、出力電圧を上げる方向に制御量を修正
する。この場合、出力電圧を安定化するために出力電圧
と目標電圧の比較結果で直接制御量を修正せずに、比較
結果を積分する方法が一般的である。

【０００３】従って従来の安定化電源装置では、出力電
圧や出力電流の変化を検知して制御量を修正するため、
比較器等の遅延の他、積分の時定数による遅延も加わ
る。そのため、負荷のインピーダンスが急峻に変化した
場合、例えば負荷がパーソナルコンピュータ（以下ＰＣ
と略称）等では、あるプログラムが開始され、その動作
タイミング信号が急激に変化する場合には、電源出力電
圧や出力電流も急峻に変動するが、その変動に制御量の
修正が適切に追従できない問題があった。

【０００４】すなわち、従来の安定化電源装置では、装
置の安定性を確保するため、負荷電圧と基準電圧の差分
を誤差増幅器出増幅し、その出力を積分する構成が取ら
れるため、負荷電圧の上昇からスイッチ素子を駆動する
ＰＷＭ信号のデューティが変化するまでに若干の時間差
が生じる。この時間差のため負荷のインピーダンスの変
化が急激な場合は負荷の電圧の上昇を抑え切れないとい
う問題が生じる。つまり負荷の電圧が短い期間ではある
が必要以上に上昇するために負荷でる電子部品に損傷を
与える可能性がある。負荷のインピーダンスが小さくな
る場合にも同様の問題が生じる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この問題を解決するた
めに従来は電源装置の出力に大容量のコンデンサを接続
し、見かけ上負荷の変動に対する電圧、電流の変化を緩
慢にしていたが、負荷のインピーダンスの変動が急峻に
なるほど大容量のコンデンサが必要になるため装置の小
型化が困難であった。

【０００６】従って、本発明の目的は、大容量のコンデ
ンサを用いることなく、出力電圧や出力電流の急峻な変
化に追従でき、安定した動作をする、かつ小型化できる
電源装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の電源装置では、所定範囲の直流電圧を入力
し所定の周期とデユーティで開閉するスイッチ素子と上
記スイッチ素子からの出力を平滑化して直流を得るＤＣ
／ＤＣコンバータと、上記コンバータの出力電圧を検知
して上記スイッチ素子の上記所定の周期とデユーティを
制御して上記コンバータの出力電圧を所定値とする制御
手段をもつ電源装置において、上記制御手段に電源装置
の出力電圧で駆動される負荷のインピーダンスが急変す
ることを予告する予告信号を検知し、上記予告信号を用
いて上記イピーダンスの急変による前記出力電圧の変動
を抑制する手段を設けて構成した。上記コンバータの出
力電圧は、その電圧を分圧した場合の電圧も当然含むも
のである。

【０００８】本発明の電源装置によれば、予告信号は、
通常の帰還制御で追従できない負荷変動が起こる時刻の
所定時間前（数μ秒前）に電源装置に入力される。電源
装置では予告信号により入力後所定時間経過時に起こる
負荷変動に対する処理を予め施す。例えば、負荷が軽く
（インピーダンスが高く）なる方向に変動する場合は予
め出力電圧を下げ、重くなる（インピーダンスが低く）
なる方向に変動する場合は出力電圧をあげる。また、負
荷の変動時刻にあわせて制御量をプリセットする。ま
た、負荷が変動する期間のみ期間制御の感度を上げるこ
とにより負荷変動による出力電圧の変動を抑制する。

【０００９】

【発明の実施の形態】＜実施形態１＞本発明による電源
装置の一実施形態の構成を示す回路図である。本実施形
態は、電源負荷がＰＣの中央処理装置（ＣＰＵ）である
場合を示す。図示のように、本実施形態の電源装置で
は、所定範囲の電圧を生じる直流電源３と、直流電源３
の出力を所定の周期とデューティを持つＰＷＭ信号の制
御信号によって開閉されるスイッチ素子４と、スイッチ
素子４の出力であるパルス信号を直流電圧に変換するダ
イオード６、チョークコイル５及び平滑コンデンサ７か
らなる平滑回路と、上記平滑回路の出力を検出する出力
電圧検出部８と、線路１１及び１２を介してそれぞれ検
出部８の電圧及び負荷２からの予告信号の電圧を入力
し、制御信号線１０に制御信号であるＰＷＭ信号発生す
る制御回路１とで構成される。部品４〜７で降圧型ＤＣ
／ＤＣコンバータを構成する。

【００１０】制御回路１は、電源負荷であるＣＰＵ９の
インピーダンスが急変することを予告する予告信号を得
る線路線１２と、電源装置の出力電圧を検出する線路１
１と、上記予告信号に基づいて、時間を設定するタイマ
２４と、タイマ２４の出力により制御される目標電圧発
生手段２３と、コンデンサ７の電圧と目標電圧発生手段
２３の出力電圧の差分を増幅する誤差増幅器２２と、誤
差増幅器２２の出力によって、デューティが制御された
ＰＷＭ（パルス幅変調）信号を発生するＰＷＭ発生器２
１で構成されている。

【００１１】本実施形態における電源装置の出力は、Ｐ
Ｃの中央処理装置（ＣＰＵ）９に加えられる。ＣＰＵ９
は、バス（母線）１３を介して、ハードディスク１４、
ユニバーサル・インタフェイス１５等に接続される。

【００１２】以下上記電源装置の動作について説明す
る。制御回路１において、通常は、すなわち負荷のイン
ピーダンスが急激に変化しないときは線路１１上の電圧
と目標電圧発生手段２３の電圧との差分を誤差増幅器２
２で増幅してＰＷＭ（パルス幅変調）信号発生器２１を
制御する。すなわち、制御回路１は、線路１１上の電圧
が目標電圧発生手段２３の電圧より高い場合には線路１
０上のＰＷＭ信号のデューティを小さくし、線路１１上
の電圧が目標電圧発生手段２３の電圧より低い場合には
線路１０上のＰＷＭ信号のデューティを大きくすること
で、線路１１上の電圧(平滑コンデンサ７の電圧)を一定
に制御する。

【００１３】降圧ＤＣ／ＤＣコンバータはスイッチ素子
４が閉じている期間にチョークコイル５にエネルギを蓄
積し、スイッチ素子４が開いている期間にそのエネルギ
を負荷側に出力する。従って直流電源３の電圧が一定の
場合はスイッチ素子４を閉じる期間は負荷２に供給する
電力で決定される。また、負荷２にかかる電圧を一定に
制御しているのでスイッチ素子４を閉じる期間、すなわ
ち線路１０上の信号のデューティは負荷に流れる電流で
決定される。具体的には負荷２のインピーダンスが小さ
いために電流が多く流れるときにはスイッチ素子４を閉
じる期間が長くなり線路１０上の信号のデューティは大
きくなる。逆に負荷２のインピーダンスが大きいために
電流が少ないときにはスイッチ素子４を閉じる期間が短
くなり線路１０上の信号のデューティは小さくなる。

【００１４】負荷がパーソナルコンピュータのＣＰＵあ
る場合、アプリケーション・プログラムをスタートする
と、図２に示すように、割込み処理３１後、ハードディ
スクの読み出し３３の一定時間前にイネーブル信号３２
が発生する。ハードディスクの読み出し３３の終了後、
イネーブル信号の停止が行われる。

【００１５】図３は、ＣＰＵが図２の処理を行う場合の
上記電源装置における主要部の信号のタイムチャート図
である。同図において、時刻ｔにおいて、負荷のＣＰＵ
の負荷インピーダンスが急変し場合を示す。負荷インピ
ーダンスが急変する一定時間前に予告信号が発生する。
予告信号は所定時間後（数マイクロ秒）に負荷２のイン
ピーダンスが急激に大きくなるか小さくなるかを予告す
る。

【００１６】本実施形態によれば、ユニバーサル・イン
タフェース１５及び線路１２を介し上記予告信号を入力
する。タイマ２４は予告信号の立ち上がりを検出し、そ
の後所定時間、すなわち予告信号の発生からインピーダ
ンスの急変までの時間だけ目標電圧発生手段２３の電圧
を変える。具体的には負荷２のインピーダンスが大きく
なる予告のときは目標電圧発生手段２３の電圧を下げ
る。また負荷２のインピーダンスが小さくなる予告のと
きは目標電圧発生手段２３の電圧を上げる。目標電圧発
生手段２３の電圧の変化範囲は負荷２の動作上支障のな
い範囲で行う。タイマ２４は所定時間経過後、目標電圧
発生手段２３の電圧を元に戻す。つまり、この時点での
負荷２のインピーダンスの急激な変動による線路１１上
の電圧の変化と目標電圧発生手段２３の変化が同じ方向
になるため、誤差増幅器２２の入力においては入力間の
電圧の変化が緩和されることになる。すなわち見かけ上
線路１１上の電圧の変化が緩和されたことになり、線路
１０上のＰＷＭ信号における負荷２のインピーダンスの
変動への追従性が向上する。

【００１７】＜実施形態２＞図４は、本発明による電源
装置の他の実施形態における制御回路の構成を示す回路
図である。制御回路１以外の部分については図１の構成
と同様であるので説明を省く。

【００１８】負荷のインピーダンスが比較的安定した通
常の状態では、線路１１上の電圧が目標電圧発生手段３
５の電圧とオペアンプ３９で比較される。コンデンサ４
２は系の動作を安定させるための積分回路を形成する。
オペアンプ３９の出力によって三角波発生手段４０から
の三角波出力をコンパレータ４１でスライスする。オペ
アンプ３９の出力は線路１１上の信号と目標電圧発生手
段３７の電圧の差にほぼ比例した電圧となるため線路１
０上の信号はＰＷＭ信号となって出力される。ただし、
オペアンプ３９は非常に利得が高いため安定した状態で
は線路１１上の電圧と目標電圧発生手段３５の電圧は略
一致している。

【００１９】負荷のインピーダンスが急激に変化する場
合は、変化する時刻の所定時間前に線路１２上に予告信
号が到来する。タイマ２４は予告信号が到来から所定時
間を計測し、その所定時間経過後パルス発生手段３８が
第二の所定時間だけスイッチ手段３６を閉じる。すなわ
ち直流電圧源３７の出力をオペアンプ３９の出力に印加
する。直流電圧源３７の電圧は負荷のインピーダンスが
急変した後の線路１０上のＰＷＭ信号のデューティを得
るための電圧に近似したものである。これにより、負荷
のインピーダンスが急変するタイミングでオペアンプ３
９の出力、すなわち三角波のスライスレベルを強制的に
設定するため、瞬時に線路１０上のデューティを最適値
に略一致させることができ、線路１１上の電圧の変動を
抑えることができる。

【００２０】＜実施形態３＞図５は、本発明による電源
装置の更に他の実施例における制御回路の構成を示す図
である。制御回路以外の部分については図１の構成と同
様であるので説明を省く。

【００２１】通常の状態では、スイッチ３６は閉じてい
るものとする。従って、通常の動作時はオペアンプ３９
とコンデンサ４２及びコンデンサ４３で積分機能を有す
誤差増幅器を構成する。この誤差増幅器は線路１１上の
電圧と目標電圧発生手段３５の誤差を計測する。その計
測結果のレベルで三角波発生手段４０が発生する三角波
をコンパレータ４１でスライスしてＰＷＭ信号を生成す
る。線路１２上に負荷２のインピーダンスの変動を予告
する予告信号が到来した際には、負荷のインピーダンス
が変動するまでの所定時間をタイマ２４で計測し、所定
時間経過後にパルス発生手段３８が第二の所定時間の間
スイッチ手段３６を開く。これにより、誤差増幅器はオ
ペアンプ３９とコンデンサ４２で構成されることにな
り、スイッチ３６が閉じていた場合に比べて積分の時定
数を決定する容量が減るので線路１１上の電圧の変化に
対する線路１０上のＰＷＭ信号のデューティの感度が高
められる。これにより線路１１上の電圧の変化に対する
線路１０上のＰＷＭ信号の応答性が改善されるので線路
１１上の電圧の変化を抑制することができる。インピー
ダンスが変化するときのみ応答性を改善するのは、通常
の状態で応答性が高いとわずかなノイズ等に反応して出
力電圧の安定性が損なわれるためである。

【００２２】以上の実施例において、図１では降圧型の
ＤＣ／ＤＣコンバータを例にとって説明したが、昇圧型
のＤＣ／ＤＣコンバータにおいても効果に変わりはな
い。また、図１中のダイオードを能動的なスイッチ素子
に置き換えた同期整流型の回路においても同様の効果を
得ることができる。また、図２〜４ではアナログの信号
処理系を例にとって説明したが、例えば線路１１上の電
圧をアナログ−ディジタル変換して、以後の誤差増幅や
積分及びＰＷＭ信号の発生を論理回路で構成してもよ
い。

【００２３】また、負荷のインピーダンスが急激に変化
するものとしてＰＣについて述べたが、インピーダンス
が急激に変化する一定時間前に、信号が発生する負荷の
場合その信号を予告信号として本発明が実施できる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば負荷のイン
ピーダンスの急激な変動に対する追従性が改善されるの
で、出力段に大容量のコンデンサを必要とせず装置を小
型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電源装置の一実施形態の構成を示
す回路図

【図２】図１の電源装置の負荷であるＣＰＵの処理フロ
ー図

【図３】図２の処理を行う場合の電源装置の主要部信号
のタイムチャート図

【図４】本発明による電源装置の他の実施形態における
制御部の回路図

【図５】本発明による電源装置の更に他の実施形態にお
ける制御部の回路図

【符号の説明】

１・・・制御回路、２・・・負荷、３・・・直流電圧
源、４・・・スイッチ素子、５・・・チョークコイル、
６・・・ダイオード、７・・・コンデンサ、８・・・電
圧検出部、９・・・ＣＰＵ、１０・・・ＰＷＭ信号線、
１１・・・出力電圧の検出信号線、１２・・・予告信号
の入力信号線、１３・・・バス、１４・・・ハードディ
スク、１５・・・ユニバーサルインタフェイス、２１・
・・ＰＷＭ発生手段、２２・・・誤差増幅器、２３・・
・目標電圧発生手段、２４・・・タイマ、３１、４１・
・・コンパレータ、４０・・・三角波発生手段、３９・
・・オペアンプ、４２、４３・・・コンデンサ、３５・
・・目標電圧発生手段、３６・・・スイッチ手段、３７
・・・直流電圧源、３８・・・パルス発生手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉野元洋神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立画像情報システム内 (72)発明者松本脩三神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所マルチメディア開発事業本部内 (72)発明者川端賢治東京都青梅市新町六丁目16番地の２株式会社日立製作所熱器ライティング事業部内 (72)発明者岡田隆東京都青梅市新町六丁目16番地の２株式会社日立製作所熱器ライティング事業部内Ｆターム(参考） 5G065 AA00 AA08 DA07 EA01 GA03 GA06 GA07 HA04 JA01 LA01 MA03 MA07 MA09 MA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定範囲の直流電圧を入力し所定の周期と
デユーティで開閉するスイッチ素子と上記スイッチ素子
からの出力を平滑化して直流を得るＤＣ／ＤＣコンバー
タと、上記コンバータの出力電圧を検知して上記スイッ
チ素子の上記所定の周期とデユーティを制御して上記コ
ンバータの出力電圧を所定値とする制御手段をもつ電源
装置において、上記制御手段は上記コンバータの出力で
駆動される負荷のインピーダンスが急変することを予告
する予告信号を検出する手段と、上記予告信号を入力し
て、上記負荷のインピーダンスの急変による前記出力電
圧の変動を抑制する制御回路とをもつことを特徴とする
電源装置。
【請求項２】上記制御回路が上記予告信号により負荷電
流が急減する場合には出力電圧を所定の値だけ下げ、負
荷電流が急増する場合には出力電圧を所定の値だけ上げ
る様に構成されたことを特徴とした請求項１記載の電源
装置。
【請求項３】上記制御回路が上記予告信号を入力後所定
の時間を計測するタイマと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ
の制御値を予め定めるプリセット手段と、上記所定の時
間が経過した時刻に上記プリセット手段により予め定め
た制御値を上記コンバータにプリセットする手段とをも
つことを特徴とした請求項１記載の電源装置。
【請求項４】上記制御回路は、上記コンバータの出力電
圧が制御値より所定の値だけ高くなったことを検知する
第一の比較器と、上記コンバータの出力電圧が制御値よ
り所定の値だけ低くなったことを検知する第二の比較器
と、上記予告信号入力後、第一、第二いずれかの比較器
により出力電圧が所定の値だけ高くあるいは低くなった
ときに上記制御量をプリセットするように構成されたこ
とを特徴とした請求項３記載の電源装置。
【請求項５】上記制御回路は、上記コンバータの出力電
圧と上記所定の電圧との誤差を増幅かつ積分する誤差増
幅器と、上記誤差増幅器の出力に応じたデューティ及び
周波数のＰＷＭ信号を出力し前記コンバータのスイッチ
素子を駆動するＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生手
段と、上記予告信号入力後所定の時間を計測するタイマ
手段と、上記タイマ手段が所定の時間を計測している期
間は上記誤差増幅器の積分の定数を小さくする回路を持
つことを特徴とした請求項１記載の電源装置。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれか一つに記載し
た電源装置を備えたパーソナルコンピュータ。