JP2005051883A - スイッチング定電流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷（例えば、ＬＥＤを含む表示装置等）に流れる電流が断続を繰返す場合でも当該負荷電流を安定化することのできるスイッチング定電流電源装置を提供する。
【解決手段】制御回路４と電力変換回路３の間に接続したスイッチ回路７は、負荷電流ＩＬが流れる電流流通期間には駆動信号ＳＤを通過させて、負荷電流ＩＬが流れない電流遮断期間には駆動信号ＳＤの通過を遮断する。このスイッチ回路７の動作により電流遮断期間にはスイッチングトランジスタＱ１はフルオフ状態となり、電力変換回路３の動作は停止する。その結果、電流遮断期間に平滑コンデンサＣ１の端子間電圧は上昇せず、次の電流流通期間に移行した時に大きな電流が流れるのが防止される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断続が繰り返される負荷に安定した電流を供給するためのスイッチング式定電流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にスイッチング方式の電源装置は負荷に安定した電圧を供給する定電圧源として使用されることが多い。しかしスイッチング方式の電源装置は、図３に示すように接続構成し、帰還信号を出力電流に応じたものにすることで、負荷にほぼ一定の電流を供給する定電流源として使用することも可能である。
図３において、１は外部のバッテリー等から電力の供給を受けるための入力端子であり、２ａ、２ｂは、その間に接続された負荷６に所定の電流を安定供給するための出力端子である。入力端子１と一方の出力端子２ａとの間にはチョークコイルＬ１、スイッチングトランジスタＱ１、整流ダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１が昇圧チョッパコンバータを形成するように接続構成された電力変換回路３が接続されている。
【０００３】
他方の出力端子２ｂと回路の基準電位点としてのグランドとの間には、負荷６に流れる電流ＩＬ（以下、負荷電流という）を検出し、当該負荷電流ＩＬに応じた帰還信号ＳＦを発生するための電流検出回路５が接続されている。
電流検出回路５の帰還信号ＳＦを出力する端子には、当該帰還信号ＳＦの信号レベルに応じて電力変換回路３を駆動するための制御回路４の帰還信号入力端子（ＦＢ）が接続され、制御回路４の駆動信号出力端子（ＯＵＴ）は電力変換回路３内に設けられたスイッチングトランジスタＱ１のベースに接続されている。
【０００４】
これら電力変換回路３、制御回路４および検出回路５により、スイッチング定電流電源装置が構成されている。なお、入力端子１とグランドとの間に接続されたコンデンサＣ０は入力フィルタ用コンデンサである。
なお、制御回路４には、ごく一般的な他励ＰＷＭ制御方式の制御用ＩＣが適用されているものとし、制御回路４の内部に構成されている制御ロジックの表示およびその説明は省略する。
【０００５】
図３のスイッチング定電流電源装置の動作を簡単に説明すると、電力変換回路３内に設けられたスイッチングトランジスタＱ１は制御回路４から供給される駆動信号ＳＤに従ってオン、オフ動作を行う。（オン、オフ動作の周波数は数百ｋＨｚ程度）このスイッチングトランジスタＱ１のオン、オフ動作に伴ってチョークコイルＬ１から整流ダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ１に電流が流入する。これにより平滑コンデンサＣ１は入力端子１に供給される入力電圧よりも高い電圧に充電され、このコンデンサＣ１の端子間電圧に応じた負荷電流ＩＬが負荷６および電流検出回路５に流れる。そして、電流検出回路５において負荷電流ＩＬに応じた帰還信号ＳＦが生成され、この帰還信号ＳＦは制御回路４の帰還信号入力端子（ＦＢ）にフィードバックされる。
【０００６】
電流検出回路５から制御回路４に提供される帰還信号ＳＦは通常のスイッチング電源装置のような出力電圧に応じた値ではなく、出力電流（＝負荷電流ＩＬ）に応じた値となっている。このため制御回路４は、その内部に形成された制御ロジックに従って帰還信号ＳＦ（あるいは負荷電流ＩＬ）に応じたオンデューティのパルス状の信号を生成し、それを駆動信号出力端子（ＯＵＴ）からスイッチングトランジスタＱ１に供給する。するとスイッチングトランジスタＱ１は負荷電流ＩＬに応じたオンデューティにてオン、オフ動作を行い、例えば、負荷電流ＩＬが安定化目標値よりも低い場合、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧を上昇させて負荷電流ＩＬが増加するように誘導する。このような動作が行われることにより、図３の電源装置では負荷電流ＩＬが安定化される。
【０００７】
ところで、近年の電子機器には大小様々な表示装置や照明装置が取り付けられており、その表示装置や照明装置の光源として発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）が使用されるケースが増えている。ＬＥＤを光源として利用する場合、その発光量や輝度等を一定にするために、ＬＥＤへの供給電流を安定化することが要求される。そこで近年の電子機器の中には、表示装置や照明装置に付随して図３に示すような構成を持つスイッチング定電流電源装置を設け、当該電源装置からＬＥＤに安定化した電流を供給するように構成するものが存在した。（特許文献１乃至特許文献３参照）
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−０６８１６１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１５９１３号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０３９８８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年のＬＥＤを光源として使用する表示装置や照明装置の中には、人間の目では認識できない速度（具体的には数百Ｈｚ）でＬＥＤの点灯と消灯を繰り返し、調光を行うようにしたものが存在する。このような表示装置や照明装置では、ＬＥＤに電流が流れている期間（以下、電流流通期間と言う）と流れていない期間（以下、電流遮断期間と言う）が当然に生じる。すると、ＬＥＤへ電流を供給するための電源が図３に示すようなスイッチング定電流電源装置である場合、負荷の断続によって生じる電流遮断期間には、電流検出回路５から制御回路４に供給される帰還信号ＳＦがほぼゼロレベルとなってしまう。
【００１０】
このような帰還信号ＳＦが供給された制御回路４は、電流遮断期間にはスイッチングトランジスタＱ１のオン、オフ動作のオンデューティを最大に設定しようとし、その次に現れる電流流通期間には負荷６を通過する電流（＝負荷電流ＩＬ）の大きさに応じたオンデューティに設定しようとする。ここで電流遮断期間中にオンデューティが最大になると、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が急激かつ必要以上に上昇し、次の電流流通期間には比較的長い間、安定化目標値以上の負荷電流が流れるという電流不安定化の現象を生じる。
【００１１】
このような電流不安定化への対策の一つとしては、例えば、帰還信号ＳＦを比較的大きな静電容量を持つコンデンサで平滑した上で制御回路４に供給することが考えられる。しかし、電流遮断期間の間、帰還信号ＳＦを有意な大きさに維持できるだけの大容量のコンデンサを設けると、制御回路４で処理される信号は比較的長い期間の平均値となってしまう。このため非周期的な負荷の断続、あるいは断続とは別の原因によって負荷電流ＩＬに変動が生じた時には、安定化目標値から外れた負荷電流ＩＬを速やかに復帰させることが出来なくなり、その結果、電流遮断期間とは別の原因で負荷電流の不安定化が引き起こされてしまう。
【００１２】
このように、図３に示すような構成の電源装置を使用した場合、負荷が断続される条件下では制御回路４からスイッチングトランジスタＱ１、平滑コンデンサＣ１、負荷６、電流検出回路５を経て再び制御回路４に戻るフィードバックループの制御動作の応答速度が負荷の変化に追従できず、負荷電流ＩＬを安定化できなくなる可能性があった。
そこで本発明は、負荷が断続を繰返す条件下においても負荷電流を安定化することのできるスイッチング定電流電源装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、負荷に所定の電流を供給するスイッチング方式の電力変換回路、負荷電流に応じた帰還信号を発生する電流検出回路および、帰還信号に応じて負荷電流を安定化するように電力変換回路を駆動する制御回路を備えたスイッチング定電流電源装置において、電力変換回路と制御回路の間に設けられ、負荷電流が流れなくなった時、該制御回路から該電力変換回路への駆動信号の供給を遮断し、該電力変換回路の動作を停止させるスイッチ回路を備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
負荷に安定した電流を供給する電力変換回路と、負荷電流に応じた帰還信号を発生する電流検出回路と、帰還信号に応じて電力変換回路を駆動する制御回路により基本的なスイッチング定電流電源装置を構成する。そして、制御回路の駆動信号出力端子と電力変換回路を構成するスイッチグ素子の制御端子の間に、負荷の状態に応じて制御回路から電力変換回路に供給される駆動信号を通過させ、あるいは制御回路から電力変換回路への駆動信号の供給を遮断するスイッチ回路を設置する。
このような構成のスイッチング定電流電源装置では、電流遮断期間、すなわち負荷電流が流れていない時にはスイッチ回路は駆動信号の通過を遮断する。すると電力変換回路は動作を停止し、平滑コンデンサの端子間電圧が必要以上に上昇することを防止する。
【００１５】
【実施例】
本発明によるスイッチング定電流電源装置の実施例を図１に示した。
図１のスイッチング定電流電源装置は、制御回路４の駆動信号出力端子（ＯＵＴ）と電力変換回路３を構成するスイッチングトランジスタＱ１のベースの間に、負荷６の状態に応じて駆動信号ＳＤを通過させる、あるいは遮断するスイッチ回路７を設置している。この点を除けば図１の回路は図３の従来の回路とほぼ同じ構成となっている。
【００１６】
以上のような構成とした電源装置では、負荷６に負荷電流ＩＬが流れている電流流通期間の間、スイッチ回路７は信号の通過が可能な状態となる。すると電力変換回路３には制御回路４からの駆動信号ＳＤが供給され、スイッチングトランジスタＱ１は帰還信号ＳＦ（あるいは負荷電流ＩＬ）に応じたオンディーティにてオン、オフ動作を行う。このようにして、電流流通期間における図１の電源装置は図５の従来回路と全く同じ動作を行い、負荷電流ＩＬを安定化目標値に等しい値に誘導し、安定化することになる。
【００１７】
一方、負荷６に負荷電流ＩＬが流れない電流遮断期間の間、スイッチ回路７は信号の通過を遮断する状態となる。すると制御回路４から電力変換回路３への駆動信号ＳＤの供給が絶たれ、スイッチングトランジスタＱ１はフルオフ状態になる。つまり、電力変換回路３は動作を停止する。スイッチングトランジスタＱ１のオン、オフ動作が停止すると電流遮断期間に平滑コンデンサＣ１の端子間電圧は上昇せず、次の電流流通期間に安定化目標値以上の負荷電流ＩＬが流れない。その結果、負荷が断続を繰返す場合にも負荷電流を安定化できるようになる。
【００１８】
図２には本発明によるスイッチング定電流電源装置の具体的な回路を示した。
図２の実施例の回路は、入力端子１と一方の出力端子２ａの間にチョークコイルＬ１と整流ダイオードＤ１が直列に接続され、出力端子２ａとグランドの間に平滑コンデンサＣ１が接続されている。チョークコイルＬ１と整流ダイオードＤ１のアノードの接続点とグランドの間にはスイッチングトランジスタＱ１の主電流路が接続され、このスイッチングトランジスタＱ１、チョークコイルＬ１、整流ダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１により、昇圧チョッパコンバータの回路構成を持つ電力変換回路３が構成されている。
【００１９】
出力端子２ａ、２ｂ間には断続動作を行う負荷６が接続されている。
出力端子２ｂとグランドとの間には抵抗Ｒ１が接続され、抵抗Ｒ１の出力端子２ｂ側の端子は増幅器ＥＡ１の非反転入力端子（＋）に接続されている。増幅器ＥＡ１の反転入力端子（−）とグランドとの間には抵抗Ｒ２が接続され、増幅器ＥＡ２の出力端子と反転入力端子（−）との間には抵抗Ｒ３が接続されている。これら抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と増幅器ＥＡ１により電流検出回路５が構成されている。
【００２０】
電流検出回路５の増幅器ＥＡ１の出力端子は制御回路４の帰還信号入力端子（ＦＢ）に接続されている。
制御回路４の駆動信号出力端子（ＯＵＴ）とスイッチングトランジスタＱ１のベースの間には抵抗Ｒ４が接続され、抵抗Ｒ４とスイッチングトランジスタＱ１のベースの接続点とグランドの間にトランジスタＱ２の主電流路が接続される。トランジスタＱ２のベースはインバータＩｎｖの出力端子に接続され、インバータＩｎｖの入力端子は増幅器ＥＡ１の出力端子に接続されている。これら抵抗Ｒ４、トランジスタＱ２およびインバータＩｎｖによりスイッチ回路７が構成されている。
【００２１】
このような構成の回路では、電流流通期間において負荷電流ＩＬが流れると電流検出回路５内の抵抗Ｒ１の端子間に所定の電圧が発生する。この電圧は増幅器ＥＡ１において適当な大きさに増幅された後、帰還信号ＳＦとして制御回路４に供給される。
増幅器ＥＡ１から出力された帰還信号ＳＦはスイッチ回路７のインバータＩｎｖにも供給される。インバータＩｎｖは負荷電流ＩＬに応じた有意な大きさの帰還信号ＳＦが供給されるとトランジスタＱ２をオフさせる。すると制御回路４から出力された駆動信号ＳＤはスイッチ回路７を介して電力変換回路３のスイッチングトランジスタＱ１に供給され得る状態になる。
【００２２】
ここで駆動信号ＳＤは、制御回路４の内部に構成された制御ロジックによって帰還信号ＳＦ、すなわち負荷電流ＩＬの大きさに応じたパルス幅を持つパルス状の信号になっている。このためスイッチングトランジスタＱ１は負荷電流ＩＬの大きさに応じたオンデューティにてオン、オフ動作を行う。その結果、負荷６に負荷電流ＩＬが流れる電流流通期間においては、図２の電源装置は負荷電流ＩＬを安定化目標値に等しい値に誘導し、安定化するように動作する。
【００２３】
負荷６に負荷電流ＩＬが流れない電流遮断期間に移行すると、抵抗Ｒ１の端子間電圧はほぼゼロとなり、増幅器ＥＡ１から出力される帰還信号ＳＦもほぼゼロレベルとなる。
帰還信号ＳＦがほぼゼロレベルになるとインバータＩｎｖはトランジスタＱ２をオンさせる。すると制御回路４から電力変換回路３への駆動信号ＳＤの供給は実質的にスイッチ回路７において遮断され、トランジスタＱ２によってベース、エミッタ間が短絡されたスイッチングトランジスタＱ１はフルオフ状態になる。つまり、電力変換回路３の動作は停止する。その結果、負荷電流ＩＬが流れない電流遮断期間の間、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が上昇することが無くなり、次の電流流通期間に安定化目標値以上の負荷電流ＩＬが流れるという不都合な現象が発生しなくなる。
【００２４】
なお、以上までの各実施例の説明では、電力変換回路３に昇圧チョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータ回路、制御回路４に他励ＰＷＭ型の制御用ＩＣを想定して説明したが、本発明を適用するスイッチング定電流電源装置はこれに限定されるものではない。また、電流検出回路５も抵抗検出以外の検出方法を用いても良く、本発明の要旨を変更しない範囲であれば具体的な回路構成の変形が可能であることは言うまでも無い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によるスイッチング定電流電源装置は、制御回路と電力変換回路の間に接続したスイッチ回路によって、電流遮断期間には制御回路から電力変換回路への駆動信号の供給を遮断する。これにより、電力変換回路を構成するスイッチング素子をフルオフ状態とし、電力変換回路の動作を停止させることを特徴としている。
このような本発明によれば、電流遮断期間中に平滑コンデンサの端子間電圧が上昇することが無くなり、フィードバックループの電流制御動作の応答速度が負荷変動に追従できなくなる事態が防止される。その結果、負荷が断続される場合にも負荷電流を安定化できるスイッチング定電流電源装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスイッチング定電流電源装置の実施例を示すブロック図。
【図２】本発明の実施例の具体的な回路図。
【図３】従来のスイッチング定電流電源装置の一例の回路図。
【符号の説明】
１：入力端子 ２ａ、２ｂ：出力端子 ３：電力変換回路 ４：制御回路 ５：電流検出回路 ６：負荷（断続を繰り返す負荷） ７：スイッチ回路 ＩＬ：負荷電流 ＳＤ：駆動信号 ＳＦ：帰還信号 （ＯＵＴ）：駆動信号出力端子 （ＦＢ）：帰還信号入力端子

Claims (2)

1. 負荷に所定の電流を供給するスイッチング方式の電力変換回路、負荷電流に応じた帰還信号を発生する電流検出回路および、該帰還信号に応じて該負荷電流を安定化するように該電力変換回路を駆動する制御回路を備えたスイッチング定電流電源装置において、
   該電力変換回路と該制御回路の間に設けられ、該負荷電流が流れなくなった時、該制御回路から該電力変換回路への駆動信号の供給を遮断し、該電力変換回路の動作を停止させるスイッチ回路
   を備えることを特徴とするスイッチング定電流電源装置。
2. 前記スイッチ回路が、該帰還信号に応じてオンオフするトランジスタを備えることを特徴とする、請求項１に記載したスイッチング定電流電源装置。

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