JP2005137172A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 変動する負荷に適合したスイッチング周波数およびインダクタンス値を設定できるようにして、負荷が変動しても最高の変換効率を達成できる電源回路を提供する。
【解決手段】 インダクタンス値を変更できるインダクタ８およびＦＥＴ６、７を有するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、そのＤＣ／ＤＣコンバータ１を制御するコンバータ制御部２とを備えた電源回路において、コンバータ制御部２は、ＤＣ／ＤＣコントローラ３に指示して、可変負荷２１の大きさを変更させ、負荷の大きさのそれぞれについて、ＦＥＴ６、７のスイッチング周波数と前記インダクタンス値の組み合わせを変えさせながら、入力電流、出力電流、入力電圧、出力電圧、および出力リップル電圧の値を測定させ、その測定結果を用いて変換効率を求める構成にした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複写機やプリンタなど情報機器、家電機器、電子機器などに用いられる、直流電圧値を変換する同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源回路に係り、特に、インダクタのインダクタンス値とスイッチング周波数とを調整できる電源回路に関する。

同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータにおける変換効率は関連部品の選定やスイッチング周波数などに依存し、次のような法則がある。
（１）スイッチング周波数を上げると、ＤＣ／ＤＣコンバータ内のＦＥＴ（トランジスタの一種、略称）におけるスイッチング損失が上昇する。ただし、ＦＥＴの種類によりスイッチング１回あたりの損失の値は異なる。高価なＦＥＴは損失が少なく、安価なＦＥＴは損失が多い。
（２）スイッチング周波数を上げると、インダクタのインダクタンスが小さくても出力リップル電圧は大きくならない。
（３）インダクタのインダクタンスを上げるとリップル電圧が小さくなり、インダクタンスを下げるとリップル電圧は大きくなる。
（４）高負荷時はインダクタのインダクタンスを下げた方が変換効率は高い（図３参照）（大きいインダクタンスのインダクタで大電流は流せない）。
（５）高性能な高価な出力コンデンサを使うとリップル電圧が小さくなり、低性能な安価なコンデンサを使うとリップル電圧が大きくなる。
（６）インダクタのインダクタンスを下げると、同じリップル電圧を維持するにはスイッチング周波数を上げないといけない。逆にインダクタンスを上げるとスイッチング周波数を下げることができる。
（７）インダクタンスの大きいインダクタは抵抗分が大きく、大電流では損失が大きくなる（変換効率が低下する）。逆にインダクタンス値の小さいインダクタは抵抗分が小さく、大電流でも損失は小さい（図３参照）。
（８）インダクタンスの大きいインダクタは高価で、逆にインダクタンスの小さいインダクタは安価である。
つまり、以上の法則を踏まえて部品コストとスイッチング周波数とインダクタのインダクタンス（図３参照）のバランスをとらないと、安くて効率の良いＤＣ／ＤＣコンバータを達成できないのである。
さて、従来技術であるが、特許文献１では、負荷の変化に応じて変化する出力電流に従ってスイッチング周波数を変化させ、最適なスイッチング周波数に設定する。予め測定したデータに基づいて各出力電流に対する最適発振周波数のテーブルを備えることにより実現している。そのテーブルの変更はできない。変換効率の自動測定手段も備えていない。スイッチング周波数の切り替えは、複数のＲＣ回路群とそれぞれに直列接続された選択用トランジスタを備え、オンにするトランジスタを選択することにより実現している。
また、特許文献２では、低負荷・低電流時とそうでないときでスイッチング素子を切り替えてスイッチング周波数を変える。スイッチング素子の切り替え間隔を変えてはいるが、変換効率の自動測定手段は備えていない。
また、特許文献３では、負荷電流の大小によりスイッチング周波数またはスイッチング間隔を変化させる。変換効率の自動測定手段は備えていない。
特開平１０−３２３０２７号公報 特開２００２−２３８２５７公報 特開２０００−２０１４７３公報

前記したように、従来技術においては変換効率を自動測定する手段を備えていない。そのため、必ずしも負荷に適合した最高の変換効率を達成できるスイッチング周波数およびインダクタンス値（図３参照）に設定されないという問題があった。
本発明の目的は、このような従来技術の問題を解決しようとするものであり、具体的には、負荷、スイッチング周波数、およびインダクタンス値の各組み合わせに対する変換効率を自動的に測定できるようにして、より負荷に適合したスイッチング周波数およびインダクタンス値を設定することにより、負荷が変動しても最高の変換効率を達成できる制御手段を備えた電源回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、インダクタンス値を変更可能なインダクタ、スイッチング素子、および入出力コンデンサを有するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数変更手段と、前記インダクタンス値を変更するインダクタンス変更手段と、適切な前記インダクタンス値およびスイッチング周波数を決定して前記スイッチング周波数変更手段およびインダクタンス変更手段に変更を指示するコンバータ制御手段とを備えた電源回路において、前記コンバータ制御手段は、入力電流および出力電流の値を測定する電流値測定手段と、入力電圧、出力電圧、および出力リップル電圧の値を測定する電圧値測定手段と、負荷を変更する負荷変更手段とを備え、その負荷変更手段により変更された負荷の大きさのそれぞれについて、前記スイッチング素子のスイッチング周波数とインダクタのインダクタンス値の組み合わせを変えながら前記電流値測定手段および電圧値測定手段により測定された測定結果を用いて変換効率を求める自動測定を行なう構成にした。
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記コンバータ制御手段は、前記測定結果から各出力電流値について、変換効率が最も高くなる前記スイッチング周波数と前記インダクタンス値の組み合わせデータを不揮発性メモリに書き込む構成にした。
また、請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明において、前記コンバータ制御手段は、定格負荷内の実際の負荷状態で出力リップル電流値が所定の値を超えた場合、前記出力電圧値が所定の範囲から外れた場合、または前記変換効率が所定の値より低下した場合、前記変換効率の再測定を要求する再測定要求情報を記憶する構成にした。
また、請求項４記載の発明では、請求項３記載の発明において、当該電源回路に電源が投入されたとき、前記再測定要求情報が記憶されていることを検知した場合に前記自動測定を実行する構成にした。
また、請求項５記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記コンバータ制御手段は、前記スイッチング周波数と前記インダクタンス値のどのような組み合わせでも前記出力電圧または出力リップル電圧または変換効率が所定の値内に収まらない場合、警告を表示させる構成にした。
また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の発明において、前記コンバータ制御手段は、警告を表示させるとともに当該電源回路を搭載した本体の動作を停止させる構成にした。

本発明によれば、請求項１記載の発明では、本電源回路において、入力電流、出力電流、入力電圧、出力電圧、および出力リップル電圧の各値を測定することができ、且つ負荷を変更でき、変更された負荷の大きさのそれぞれについて、スイッチング素子のスイッチング周波数とインダクタのインダクタンス値の組み合わせを変えながら測定された前記各値を用いて変換効率を求めることができるので、より負荷に適合したスイッチング周波数およびインダクタンス値を設定することができ、したがって、負荷が変動しても最高の変換効率を達成できる。
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、前記測定結果から各出力電流値について、変換効率が最も高くなるスイッチング周波数とインダクタンス値の組み合わせデータを不揮発性メモリに書き込むことができるので、測定した出力電流値、つまり負荷の大きさに応じて変換効率が最も高くなるスイッチング周波数とインダクタンス値の組み合わせを決定できる。
また、請求項３記載の発明では、請求項２記載の発明において、定格負荷内の実際の負荷状態で出力リップル電流値が所定の値を超えた場合、前記出力電圧値が所定の範囲から外れた場合、または前記変換効率が所定の値より低下した場合、変換効率の再測定を要求する再測定要求情報を記憶できるので、そのような場合だけ例えばその直後の電源投入時に請求項１記載の自動測定を行なうようにすることができ、したがって、電源投入時ごとに比較的長いシステム立ち上げ時間を要してしまうという問題を回避できる。
また、請求項４記載の発明では、請求項３記載の発明において、当該電源回路に電源が投入されたとき、前記再測定要求情報が記憶されていることを検知した場合に前記自動測定を実行すればよいので、請求項３記載の発明の効果を容易に得ることができる。
また、請求項５記載の発明では、請求項１記載の発明において、スイッチング周波数とインダクタンス値のどのような組み合わせでも前記出力電圧または出力リップル電圧または変換効率が所定の値内に収まらない場合、警告を表示できるので、利用者は例えば電源回路が異常であることに容易に気づく。
また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の発明において、警告を表示させるとともに当該電源回路を搭載した本体の動作を停止させることができるので、電源回路の異常による本体の異常動作を誘発しないで済む。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対位置などは特定的な記載がない限りこの説明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１はこの実施例の電源回路示す構成ブロック図である。図示したように、この電源回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１およびそのＤＣ／ＤＣコンバータ１を制御するコンバータ制御部２を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ１内には、ＤＣ／ＤＣコントローラ３、入力コンデンサ４、出力コンデンサ５、スイッチング素子である上側ＦＥＴ６および下側ＦＥＴ７、インダクタ８、入力電流監視回路９、および出力電流監視回路１０などを備えている。また、前記制御部２はＡＳＩＣ（専用ＬＳＩ）１４、プログラムに従って動作するＣＰＵ１５、そのプログラムやデータを記憶するＲＯＭ１６およびＲＡＭ１７などを備える。
このような構成で、ＤＣ／ＤＣコントローラ３からは上側ＦＥＴ６および下側ＦＥＴ７へのゲート信号を出力し、ＦＥＴ６、７のゲートをコントロールすることによりスイッチングさせる。なお、ＤＣ／ＤＣコントローラ３は内蔵するタイマを用いてこのスイッチング周期を変えることによりスイッチング周波数を変える。また、ＤＣ／ＤＣコントローラ３はインダクタ８に対してインダクタンス値変更のスイッチングを行なう選択信号を出力する。
また、可変負荷２１に対して負荷の大小をコントロールする選択信号を出力する。また、ＤＣ／ＤＣコントローラ３は、入力電流監視回路９および出力電流監視回路１０から電流値を求める信号を取り込み、入力ラインから入力電圧、出力ラインから出力電圧／リップル電圧を取り込む。また、ＤＣ／ＤＣコントローラ３と制御部２内のＡＳＩＣ１４との間はＩ２Ｃ−Ｉ／Ｆを介して接続されており、ＡＳＩＣ１４には、ＣＰＵ１５、ＲＯＭ１６、ＲＡＭ１７などが接続されている。
前記において、インダクタ８は複数のタップを有した構成であり、そのタップには直列に図示していないスイッチング素子が接続されており、ＤＣ／ＤＣコントローラ３はインダクタンス値を変えるとき、複数のスイッチング素子のうちのいずれかを選択的にオンにする。また、図１に示した可変負荷２１の他に図示していない実際の負荷があるが、測定時には、実際の負荷は図示していないスイッチング素子などを用いて切り離す。また、可変負荷２１はインダクタ８と同様に複数のタップを有しており、ＤＣ／ＤＣコントローラ３はインダクタンス値を変える場合と同様にして可変負荷２１の大きさを変える。
なお、この実施例では、請求項１記載のスイッチング周波数変更手段がＤＣ／ＤＣコンバータ１およびコンバータ制御部２により実現され、インダクタンス変更手段および負荷変更手段がＤＣ／ＤＣコンバータ１、コンバータ制御部２、および図示していないスイッチング素子により実現され、コンバータ制御手段がコンバータ制御部２により実現され、電流値測定手段が入力電流監視回路９、出力電流監視回路１０、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１により実現され、電圧値測定手段がＤＣ／ＤＣコンバータ１により実現される。

次に、自動測定の動作を説明する。
まず、例えば電源投入直後、または利用者からの指示などにより、制御部２からＤＣ／ＤＣコントローラ３に対して変換効率の測定が指示される。これにより、ＤＣ／ＤＣコントローラ３はスイッチング周波数の高・中・低、インダクタ８のインダクタンス値の大・中・小、負荷の大・中・小を指示に応じてそれぞれ変化させながら、そのときの入力電圧、入力電流、出力電圧、リップル電圧、および出力電流をそれぞれ測定する。この測定に際してのそれぞれの指示はＣＰＵ１５からＡＳＩＣ１４を経由し、Ｉ２Ｃ−Ｉ／Ｆを経由してＤＣ／ＤＣコントローラ３に伝わり、測定結果は逆経路でＣＰＵ１５が検出する。そして、ＣＰＵ１５はその測定結果からそれぞれの条件における変換効率を次式を用いて計算する。なお、測定の組み合わせをあらかじめＤＣ／ＤＣコントローラ３に設定しておき、ＣＰＵ１５からは変換効率の測定のみを指示するようにしてもよい。
Ｖｏ×Ｉｏ／Ｖｉ×Ｉｉ
Ｖｏ：出力電圧、Ｉｏ：出力電流、Ｖｉ：入力電圧、Ｉｉ：入力電流
図２に、測定結果例を示す。図２からわかるように、この例では、大・中・小それぞれの負荷において最高変換効率が得られるスイッチング周波数とインダクタンス値の組み合わせはそれぞれ、スイッチング周波数が高くインダクタンス値が小、スイッチング周波数・インダクタンス値とも中、スイッチング周波数が低くインダクタンス値が大という条件となる。この場合、出力リップル電圧の規定値は例えば０．１５Ｖ以下とし、その範囲であればＯＫとし、その範囲以外のデータは除外する。なお、図２における数字については例であり、実際の測定データではない。
こうして、大・中・小の負荷においてそれぞれ最高変換効率になるスイッチング周波数とインダクタのインダクタンス値のテーブルができると、ＣＰＵ１５は、そのテーブルのデータをＩ２Ｃ−Ｉ／Ｆ経由でＤＣ／ＤＣコントローラ３内の書き換え可能な不揮発メモリに書き込む。そして、ＤＣ／ＤＣコントローラ３では、負荷電流（出力電流）が変化するたびにその不揮発メモリのデータを参照し、スイッチング周波数およびインダクタンス値の設定を変更する。
こうして、実施例１によれば、負荷、スイッチング周波数、およびインダクタンス値の各組み合わせに対する変換効率を自動的に測定できるし、それにより、負荷変動時（負荷電流変化時）、従来技術よりも負荷に適合したスイッチング周波数およびインダクタンス値を設定でき、したがって、負荷が変動しても最高の変換効率を達成できる。

実施例１では、例えば当該電源回路への電源投入時に前記した測定とスイッチング周波数などの設定を行なうが、電源投入時毎に行なうと本体の立ち上げ時間が毎回長い時間掛かってしまう。そこで、実施例２では、定格負荷内の実際の状態で、出力電圧リップルが規定値より増えたり、出力電圧が規定範囲を外れたり、変換効率が下がったときに再測定要求情報を記憶しておき、再測定要求情報が記憶されている場合の電源オン時に再測定とスイッチング周波数などの設定（切り替え）を行なうようにする。なお、構成は実施例１と同じで、図１に示したとおりである。
具体的には、この実施例では、ＣＰＵ１５内またはＡＳＩＣ１４内のタイマを用いてＣＰＵ１５はＤＣ／ＤＣコントローラ３を介した前記の測定結果取得を定期的に行なう。そして、規定値を、例えば出力電圧３．３Ｖ±０．３Ｖ以内、リップル電圧０．１５Ｖ以下、変換効率７０％以上として、いずれかがこの値に入っていないことを検知したならば、ＤＣ／ＤＣコントローラ３内の不揮発メモリ内の所定アドレスに再測定要求フラグを立て、記録しておく。つまり、再測定要求情報を記憶しておくのである。
その後、電源投入時、ＤＣ／ＤＣコントローラ３は、動作をはじめたらまず、ＤＣ／ＤＣコントローラ３内の不揮発メモリの所定アドレスを参照し、再測定要求フラグが立っているかどうかを調べる。そして、そのフラグが立っている場合は実施例１に示した自動測定を設定された各条件で行ない、フラグが立っていない場合は自動測定をスキップする。なお、当該電源回路を装備した本体の初めての電源投入時にもこの自動測定が行なわれるように工場出荷時に再測定要求フラグを立てておく。
こうして、この実施例によれば、出力電圧リップルが規定値より増えたり、出力電圧が規定範囲を外れたり、変換効率が規定値より下がったりした後の電源投入時、または初めての電源投入時にのみ前記した測定と設定が行なわれるので、本体の立ち上げ時間が毎回長い時間掛かってしまうという問題を回避できる。

この実施例では、実施例１における負荷大・中・小それぞれの測定時、いずれかにおいてリップル電圧、出力電圧、または変換効率の規定値を満足させる組み合わせがなかった場合、本体の操作パネルに電源故障である旨の表示を行ない、本体の動作をそこで停止させる。
これにより、この実施例では、本体の誤動作を防止できるし、利用者はなぜ本体が動作しなくなったのかを知ることができる。

本発明の第１の実施例を示す電源回路の構成ブロック図である。 本発明の第１の実施例を示す電源回路に係る説明図である。 従来技術および本発明に係る電源回路の説明図である。

符号の説明

１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ コンバータ制御部
３ ＤＣ／ＤＣコントローラ
４ 入力コンデンサ
５ 出力コンデンサ
６ 上側ＦＥＴ
７ 下側ＦＥＴ
８ インダクタ
９ 入力電流監視回路
１０ 出力電流監視回路
１１ ＡＳＩＣ
１４ ＣＰＵ
２１ 可変負荷

Claims (6)

1. インダクタンス値を変更可能なインダクタ、スイッチング素子、および入出力コンデンサを有するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数変更手段と、前記インダクタンス値を変更するインダクタンス変更手段と、適切な前記インダクタンス値およびスイッチング周波数を決定して前記スイッチング周波数変更手段およびインダクタンス変更手段に変更を指示するコンバータ制御手段とを備えた電源回路において、前記コンバータ制御手段は、入力電流および出力電流の値を測定する電流値測定手段と、入力電圧、出力電圧、および出力リップル電圧の値を測定する電圧値測定手段と、負荷を変更する負荷変更手段とを備え、該負荷変更手段により変更された負荷の大きさのそれぞれについて、前記スイッチング素子のスイッチング周波数とインダクタのインダクタンス値の組み合わせを変えながら前記電流値測定手段および電圧値測定手段により測定された測定結果を用いて変換効率を求める自動測定を行なうことを特徴とする電源回路。
2. 請求項１記載の電源回路において、前記コンバータ制御手段は、前記測定結果から各出力電流値について、変換効率が最も高くなる前記スイッチング周波数と前記インダクタンス値の組み合わせデータを不揮発性メモリに書き込むことを特徴とする電源回路。
3. 請求項２記載の電源回路において、前記コンバータ制御手段は、定格負荷内の実際の負荷状態で出力リップル電流値が所定の値を超えた場合、前記出力電圧値が所定の範囲から外れた場合、または前記変換効率が所定の値より低下した場合、前記変換効率の再測定を要求する再測定要求情報を記憶することを特徴とする電源回路。
4. 請求項３記載の電源回路において、当該電源回路に電源が投入されたとき、前記再測定要求情報が記憶されていることを検知した場合に前記自動測定を実行することを特徴とする電源回路。
5. 請求項１記載の電源回路において、前記コンバータ制御手段は、前記スイッチング周波数と前記インダクタンス値のどのような組み合わせでも前記出力電圧または出力リップル電圧または変換効率が所定の値内に収まらない場合、警告を表示させることを特徴とする電源回路。
6. 請求項５記載の電源回路において、前記コンバータ制御手段は、前記警告を表示させるとともに当該電源回路を搭載した本体の動作を停止させることを特徴とする電源回路。

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