JP2005143192A - 電圧制御回路およびこの電圧制御回路を用いた定電圧電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチング方式の電圧変換回路が出すコモンモードノイズによって、電圧制御回路の制御精度が低下するという問題があった。ノイズの混入を防止するため電圧制御回路の入力線の引き回しを短くすると増幅器がインバーターに近づいてしまい、増幅器が直接ノイズを受けるので実装の自由度が少ないという問題があった。
【解決手段】 出力電圧８を抵抗１とカレントミラー回路９を使って電流に変換する。この電流を終端抵抗１０により電圧信号に変換する。終端抵抗１０は誤差増幅器５の入力端子に十分近く配置する。コモンモードノイズ３がカレントミラー回路９の出力に混入してもカレントミラー回路９は電流源であるから影響を受けない。これによって高精度な電圧制御ができる。また、検出電圧に対するコモンモードノイズ３の影響を避けることができるために、増幅器５の入力線の引き回しが可能となり実装の自由度が高くなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、一定の直流電圧を出力する定電圧電源装置に関し、特にその出力電圧をきわめて高精度に制御する電圧制御回路とこれを用いた定電圧制御装置に関する。

交流または直流の電圧源から、異なる直流電圧に変換して出力する定電圧電源装置がある。この種の定電圧電源装置には、出力電圧またはその分圧電圧を参照電圧と比較してその差にもとづき出力電圧を制御するように構成した電圧制御回路を備えているものがある。
従来の定電圧電源装置の出力電圧を制御する電圧制御回路としては、非特許文献１の第９０頁に示された抵抗分圧回路を用いたものが知られている。同書では出力電圧５ボルトとして説明されているが、出力電圧が異なっても、例えば数キロボルトの高圧電源でも同一の原理があてはまる。

本発明の理解を助けるため、図３を使って従来の定電圧電源装置における課題の発生原因について説明する。入力電圧７（直流）はインバーター６（電圧変換回路とも言う）によって変圧され、出力電圧８が得られる。抵抗１と抵抗２は出力電圧８を分圧するように接続されている。誤差増幅器５には抵抗１と抵抗２によって分圧された電圧と、基準電圧４とがこの差が演算されるような極性で入力され、この差が誤差増幅器５によって増幅されて制御信号となって出力される。この制御信号によりインバータ６が制御される。
即ち分圧電圧と基準電圧とが一致するように制御するための信号をインバーター６へ送出する。誤差増幅器５の扱える電圧は数ボルト〜１５ボルト程度である。従って、出力電圧８が数キロボルトの電圧である場合、直接比較することは出来ず、抵抗１と抵抗２を使って数ボルトに変換して検出電圧を得る必要がある。図３の点線囲み部分は電圧制御回路９９という。

抵抗１の抵抗値をＲ１、抵抗２の抵抗値をＲ２、基準電圧源の電圧値をＶｒｅｆ、出力電圧８の電圧値をＶｏとすると、
Ｖｏ×［Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）］＝Ｖｒｅｆ
が成り立つので、これを変形して、
Ｖｏ＝Ｖｒｅｆ［（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２］
が成り立つ。

しかし、インバータ６はその動作原理上、スイッチングノイズを発生し、これが誤差増幅器５の入力回路にコモンモードノイズとして混入し、制御信号に影響する。コモンモードノイズが出力電圧８に与える影響を図４により説明する。コモンモードノイズは電圧値Ｖｎの等価電圧源３として説明できる。
すると、
Ｖｏ×（Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））＋Ｖｎ＝Ｖｒｅｆ
が成り立つので、これを変形して、
｜ｄＶｏ／ｄＶｎ｜＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２
が成り立つ。つまり、コモンモードノイズの電圧Ｖｎを（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２倍した電圧が出力として出力電圧８に加算されてしまい、安定な出力電圧が得られないという課題があった。
原田耕介著「スイッチング電源ハンドブック第２版」、日刊工業新聞社２０００年１月２５日出版。第９０頁。

定電圧電源装置の電圧変換回路がスイッチング方式のインバータを含む場合、このインバータが発生するコモンモードノイズによって、誤差増幅器周辺の回路は数ボルトのノイズにさらされ、誤差増幅器にノイズが混入し、精度の高い出力電圧の制御が出来ないという課題があった。また、検出電圧に対するコモンモードノイズの影響を避けるために、誤差増幅器の入力回路の配線引き回しを短くすると、誤差増幅器の配置位置がインバーターに近づいて混入するノイズが増大するため、実装の自由度が低いという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スイッチング方式の電圧変換回路を有する定電圧電源装置においてスイッチングノイズの影響を受けないようにした定電圧電源装置を得ることを目的とする。

この発明に係る定電圧電源装置は、与えられた制御信号に応じて入力された電圧を変換し出力する電圧変換回路、
前記電圧変換回路の出力端子に接続された第１の抵抗器、
前記第１の抵抗器に流れる第１の電流に比例した第２の電流を出力するカレントミラー回路、
前記第２の電流を信号電圧に変換する第２の抵抗器、
前記信号電圧をあらかじめ備えた基準電圧と比較してその差に応じた信号を前記電圧変換回路に前記制御信号として出力する増幅器を備えたものである。

コモンモードノイズの影響をなくすことが出来るので、精度の高い電圧制御ができる。また、第２の抵抗器を増幅器の入力端子に十分近く配置してさえおけば、検出電圧に対するコモンモードノイズの影響を避けることができるので、誤差増幅器をインバータから十分離して配置するなど、回路配置の自由度が高くなるという効果が得られる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１の定電圧電源装置の構成を図１により説明する。入力電圧７はインバーター６（電圧変換回路あるいは電圧出力回路とも言う）によって変圧され出力電圧８が得られる。抵抗１（第１の抵抗器）はインバータ６の出力端子に出力電圧８による電流が流れるように接続される。抵抗１に流れる電流はカレントミラー回路９に入力されるので、カレントミラー回路９の出力電流は正確に抵抗１に流れる電流に比例する。カレントミラー回路９の出力端は定電流源であるので、その出力に接続された終端抵抗１０（第２の抵抗器）には、常に抵抗１に流れる電流に比例した電流が流れる。誤差増幅器５（単に増幅器とも言う）には、終端抵抗１０に電流が流れることにより発生した信号電圧とあらかじめ設定された基準電圧４が、その差が得られるように入力され、この差が増幅されて出力される、即ち、両者の差が小さくなるように、前記信号電圧と基準電圧とが一致するように制御信号をインバーター６へ送出する。

基準電圧４の電圧をＶｒｅｆ、出力電圧８をＶｏ、抵抗１の抵抗値をＲ１、終端抵抗１０の抵抗値をＲ１０、ノイズ源３の電圧をＶｎ、カレントミラー回路９の入出力電流比を１、カレントミラー回路９の出力電流をＩ_２れ、カレントミラー回路の電流比例乗数を１とすれば
Ｖｏ÷Ｒ１＝（カレントミラー回路へ入力電流）＝１×Ｉ_２ （１）
が成立する。このとき、ノイズ源３の電圧Ｖｎはカレントミラー回路９の出力回路に混入するがカレントミラー回路９は電流出力回路であるからこの電圧Ｖｎによつて出力電流Ｉ_２が影響されることはない。
図１において、終端抵抗１０を誤差増幅器５の入力端子に十分近づけて取り付けているので、ノイズ源３はカレントミラー回路９の出力回路にのみ混入し、終端抵抗１０と誤差増幅器５との間には混入しない。
誤差増幅器５のゲインが十分高ければ
Ｉ_２×Ｒ１０＝Ｖｒｅｆ （２）が成立する。
従って、（２）に（１）を代入して、
Ｖｒｅｆ＝Ｖｏ×Ｒ１０÷Ｒ１ （３）が成り立つので、
ｄＶｏ／ｄＶｎ＝０
とあらわすことが出来、ノイズ源３の影響が無くなることが判る。

以上のようにこの発明によれば、コモンモードノイズによって、誤差増幅器周辺の回路は数ボルトのノイズにさらされても、コモンモードノイズの影響をなくすことが出来るので、精度の高い電圧制御ができる。
なお、図１において基準電圧４はあらかじめ固定されているかのように説明したが、外部から与えられ、変化する電圧であってもよい。また、この発明は電圧変換回路がスイッチングインバータ６である場合に特に効果があるが、例えばパワートランジスタによるアナログ
の電圧制御方式の電圧変換回路であってもそれなりの効果は得られる。

実施の形態２．
また、終端抵抗１０を誤差増幅器５の入力端子に十分近く配置してさえおけば、検出電圧に対するコモンモードノイズの影響を避けることができるので、誤差増幅器５をインバータ６から十分、離して配置することができる。これについて図２により説明する。図２において電圧制御回路９９の入出力回路の配線９８（一点鎖線付で図示）は多少引き回しをながくしても、実施の形態１で説明したとおり、カレントミラー回路９の出力は電流源であるからノイズの混入による影響を受けることが少ない。したがって、電圧制御回路９９の配置の自由度が高くなるという効果が得られる。

この発明の電圧制御回路とこれを用いた定電圧電源装置は、一般的な定電圧電源装置のほか、高精度高電圧電源装置として用いることができる。

この発明の実施の形態１の定電圧電源装置の回路図である。 この発明の実施の形態２の定電圧電源装置の配置の自由度についての説明図である。 課題を説明するための回路図である。 課題を説明するための回路図である。

符号の説明

１ 抵抗器（第１の抵抗器）、 ３ 等価ノイズ源、 ４ 基準電圧源、
５ 誤差増幅器、 ６ インバーター６、 ７ 入力電圧、
８ 出力電圧、 ９ カレントミラー回路、
１０ 終端抵抗（第２の抵抗器）、 ９８ 電圧制御回路の入出力配線、
９９ 電圧制御回路。

Claims (3)

1. 入力された電圧を、与えられた制御信号に応じて変換し出力する電圧変換回路、
   前記電圧変換回路の出力端子に接続された第１の抵抗器、
   前記第１の抵抗器に流れる第１の電流に比例した第２の電流を出力するカレントミラー回路、
   前記第２の電流を信号電圧に変換する第２の抵抗器、
   前記信号電圧をあらかじめ備えた基準電圧と比較してその差に応じた信号を前記電圧変換回路に前記制御信号として出力する増幅器を備えたことを特徴とする定電圧電源装置。
2. 前記電圧変換回路はスイッチング回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の定電圧電源装置。
3. 与えられた制御信号に応じた電圧を出力する電圧出力回路に前記制御信号を与える電圧制御回路であって、
   前記電圧出力回路の出力端子に接続された第１の抵抗器、
   前記第１の抵抗器に流れる第１の電流に比例した第２の電流を出力するカレントミラー回路、
   前記第２の電流を信号電圧に変換する第２の抵抗器、
   前記信号電圧を基準電圧と比較してその差に応じた信号を前記制御信号として出力する増幅器を備えたことを特徴とする電圧制御回路。
   

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