JP2005176409A

JP2005176409A - 直流電源装置

Info

Publication number: JP2005176409A
Application number: JP2003408363A
Authority: JP
Inventors: Kengo Azuma; 研吾東; Naoki Kawamoto; 直毅川本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】簡易な構成で直列型レギュレータとスイッチング型レギュレータを併設することができ、装置の小型化とコストの減少を実現できる負荷適応型の直流電源装置を提供する。
【解決手段】スイッチング型レギュレータのスイッチング素子Ｑ２の駆動を制御する手段として一定時間をカウントするタイマー回路１２を用い、負荷電流判別手段１１が、負荷電流の電流値（直列型レギュレータの回路電流）が閾値に達すると該タイマー回路１２を駆動させる信号を出力し、駆動回路９が前記一定時間、スイッチング素子Ｑ２をオンするように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷電流が大きく変動する携帯型電子機器や磁気ディスク記録装置等の電子機器に好適な負荷適応型の直流電源装置に関する。

携帯型電子機器やコンピュータの磁気ディスク記録装置には、電源電圧や負荷電流の変化による出力電圧の変動を防止するために、レギュレータ回路を用いて安定度を高めた直流電源装置が内蔵されており、同一機器内の電子部品や半導体集積回路の電源として用いられている。

負荷電流が比較的少ない場合には、図４に示すような直列型レギュレータの回路構成が使用される。図４において、１は直列型レギュレータの制御回路、２は電源入力端子、３は出力端子、４は基準電圧を示す。また、Ｑ１はトランジスタ、Ｒ１およびＲ２は抵抗である。

直列型レギュレータの動作は周知のものであり、基準電圧４と抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２の分圧比で決まる電圧が出力端子３に出力される。この直列型レギュレータではトランジスタＱ１に負荷電流とほぼ同じ電流が常に流れており、且つトランジスタＱ１を活性状態で用いているため、負荷電流が大きい場合にはトランジスタＱ１での損失が大きくなり、従ってこの場合には効率が良くない。

そのため、負荷電流が大きい場合には、図５に示すようなスイッチング型レギュレータの回路構成が多く用いられる。図５において、５はアンプ、６はアンプ５の位相補償回路、７は三角波発生器、８はＰＷＭ制御部、９はトランジスタの駆動回路（ドライバ）を示す。また、Ｑ２はスイッチング素子、Ｌ２はコイル、Ｄ２はダイオード、Ｃ２はコンデンサである。

図５に示すスイッチング型レギュレータは降圧型と呼ばれるものであり、その動作は周知のものである。また、アンプ５、位相補償回路６、三角波発生器７、ＰＷＭ制御部８は出力端子３の出力電圧に応じてスイッチング素子Ｑ２のオン・オフの比（デューティ比）を可変するＰＷＭ制御を行うために必要な回路構成である。このスイッチング型レギュレータは負荷電流が多い時の効率は良いが、スイッチング制御に由来する出力電圧変動（リプル）が大きい。

直列型レギュレータとスイッチング型レギュレータの上記のような欠点を補い合う回路構成として、図６に示すような直流電源装置が知られている。図６に示す直流電源装置は、図４に示す直列型レギュレータと図５に示すスイッチング型レギュレータを組み合わせた回路構成となっている。

図６において、１０は直列型レギュレータの回路電流より負荷電流を検出する負荷電流検出手段としての抵抗、１１は負荷電流検出手段により検出された負荷電流の電流値に応じた出力信号を出力する負荷電流判別手段を示す。

当該直流電源装置は、軽負荷時には直列型レギュレータによって出力端子３へ負荷電流を供給し、重負荷時にはスイッチング型レギュレータも動作して直列型レギュレータと並列に出力端子３へ負荷電流を供給することで負荷に適応した効率の改善を行っている。

以下、当該直流電源装置の動作を説明する。負荷電流検出手段１０は直列型レギュレータから供給される負荷電流の電流値とほぼ同じ値を検出しており、その検出値によって負荷電流判別手段１１はスイッチング型レギュレータを動作させるか否かの判別を行う。すなわち、負荷電流判別手段１１は、負荷が重くなり直列型レギュレータから供給される負荷電流の電流値が大きくなると、スイッチング型レギュレータを動作させる出力信号を出力する。この出力信号が出力されると、図６の点線で囲まれた回路が動作し、ＰＷＭ制御によってスイッチング素子Ｑ２が駆動する。したがって、重負荷時には負荷電流の多くはスイッチング素子Ｑ２およびコイルＬ２を介する経路、あるいは容量Ｃ２から供給されることとなり、重負荷時の効率を改善することができる。

また、負荷が再び軽くなると負荷電流判別手段１１はスイッチング型レギュレータの動作を止める出力信号を出力する。この出力信号が出力されると、図６の点線で囲まれた回路は動作を停止する。したがって、軽負荷時にはトランジスタＱ１の経路を介した負荷電流、すなわち直列型レギュレータからの負荷電流が供給されることになる。

このように図６に示す直流電源装置は、軽負荷時の安定性のよさ（リプルの小ささ）と重負荷時の高効率を兼ね備えた負荷適応型である。
しかしながら上記従来の直流電源装置は、直列型レギュレータの回路と、ＰＷＭ制御によるスイッチング型レギュレータの回路を併せ持つため、装置の大型化とコストの増大を招いていた。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、スイッチング型レギュレータのスイッチング素子Ｑ２の駆動を制御する手段として一定時間をカウントするタイマー回路を用い、負荷電流判別手段が、負荷電流の電流値（直列型レギュレータの回路電流値）が閾値に達すると該タイマー回路を駆動させる信号を出力し、駆動回路（ドライバ）が前記一定時間、スイッチング素子Ｑ２をオンするように構成することにより、簡易な構成で直列型レギュレータとスイッチング型レギュレータを併設することができ、装置の小型化とコストの減少を実現できる負荷適応型の直流電源装置を提供することを目的とする。

また、負荷電流判別手段としてヒステリシスコンパレータを用い、一方の閾値に負荷電流の電流値（直列型レギュレータの回路電流値）が達すると、駆動回路（ドライバ）がスイッチング素子Ｑ２をオンし、他方の閾値に負荷電流の電流値が達すると駆動回路がスイッチング素子Ｑ２をオフするように構成することにより、簡易な構成で直列型レギュレータとスイッチング型レギュレータを併設することができ、装置の小型化とコストの減少を実現できる負荷適応型の直流電源装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の直流電源装置は、電源入力端子と出力端子との間に接続され前記出力端子の出力電圧を検出して前記出力端子から出力される出力電圧を安定化する直列型レギュレータと、前記直列型レギュレータの回路電流より負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、前記負荷電流検出手段により検出された前記負荷電流の電流値に応じた出力信号を出力する負荷電流判別手段と、前記電源入力端子と前記出力端子との間に接続されるスイッチング素子を有し前記負荷電流判別手段の出力信号に応じて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング型レギュレータと、を備える負荷適応型の直流電源装置であって、前記スイッチング型レギュレータは前記スイッチング素子の駆動を制御する回路として一定時間をカウントするタイマー回路を備え、前記負荷電流の電流値が所定値に達すると前記タイマー回路が起動し、前記一定時間、前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載の直流電源装置は、電源入力端子と出力端子との間に接続され前記出力端子の出力電圧を検出して前記出力端子から出力される出力電圧を安定化する直列型レギュレータと、前記直列型レギュレータの回路電流より負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、前記負荷電流検出手段により検出された前記負荷電流の電流値に応じた出力信号を出力する負荷電流判別手段と、前記電源入力端子と前記出力端子との間に接続されるスイッチング素子を有し前記負荷電流判別手段の出力信号に応じて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング型レギュレータと、を備える負荷適応型の直流電源装置であって、前記負荷電流判別手段としてヒステリシスコンパレータを用い、該ヒステリシスコンパレータのヒステリシス幅が前記スイッチング素子のオン時間を決定することを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング型レギュレータの制御回路をタイマー回路と駆動回路（ドライバ）、もしくは駆動回路のみで構成可能となるので、簡易な構成で直列型レギュレータとスイッチング型レギュレータを併設することができ、装置の小型化を実現でき、且つ負荷変動に対する電源効率を低コストで改善できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は本実施の形態１における直流電源装置の回路構成を示す図である。但し、前述した図４ないし図６において説明した部材に対応する部材には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

当該直流電源装置と図６に示す回路の異なる点は、点線で囲まれた回路の構成にある。つまり、当該直流電源装置では、スイッチング素子Ｑ２の駆動を制御する回路（スイッチング型レギュレータの制御回路）が、タイマー回路１２と駆動回路（ドライバ）９からなる。タイマー回路１２は基準クロック１３に基づき一定時間をカウントする。また、タイマー回路１２は、負荷電流判別手段１１の出力信号に応じて起動する。また、駆動回路９はタイマー回路１２に接続しており、タイマー回路１２に設定されている一定時間、スイッチング素子Ｑ２をオンする。

例えば、ある閾値（所定値）が設定されている負荷電流判別手段１１が、直列型レギュレータの回路電流値が該閾値に至るとタイマー回路１２を起動する信号を出力し、タイマー回路１２がこの信号を直接受けてカウントを開始するとともに、上記一定時間、駆動回路９へ信号を出力し、この駆動回路９からの信号を直接受けて駆動回路９がスイッチング素子Ｑ１をオンするようにしてもよい。なお、無論、回路構成はこれに限らず、直列型レギュレータの回路電流値に応じてタイマー回路が起動し、タイマー回路により決定する一定時間、スイッチング素子Ｑ２がオンする簡単な構成であればよい。

以下、当該直流電源装置の動作について図３を参照して説明する。図３は、負荷電流波形、直列型レギュレータの電流波形、スイッチング型レギュレータの電流波形、スイッチング素子Ｑ２のゲート電圧波形を示している。ここでは図３の区間（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を参照して説明する。

まず区間（Ａ）で示す軽負荷時においては、負荷電流判別手段１１の出力はスイッチング型レギュレータの制御回路（図１の点線で囲まれた回路）を動作させないように働いており、負荷電流はトランジスタＱ１の経路を介して直列型レギュレータにより供給される。

区間（Ｂ）のように重負荷になってくると最初は直列型レギュレータのみから負荷電流が供給されるが、やがて負荷電流の電流値（直列型レギュレータの回路電流値）が負荷電流判別手段１１に設定されている閾値Ａに至る。

閾値Ａはスイッチング型レギュレータの動作のオン・オフを切り換える閾値であり、したがって時刻ａにおいてスイッチング素子Ｑ２がオンする。スイッチング素子Ｑ２がオンすると、負荷電流はコイルＬ２を介してスイッチング型レギュレータにより供給され、それによって直列型レギュレータからの負荷電流は減少する。

スイッチング素子Ｑ２はタイマー回路１２によって定められた一定時間後にオフし（時刻ｂ）、スイッチング型レギュレータからの負荷電流は減少し始める。このとき、未だ重負荷状態であれば、直列型レギュレータからの負荷電流が増加し、再び閾値Ａに至る。

このように重負荷時においては上記動作を繰り返すことでスイッチング動作が維持され、やがて区間（Ｃ）のような動作波形（電流波形）となる。つまり重負荷時においてはタイマー１２によって決まる一定時間だけスイッチング素子Ｑ２がオンすることで、直列型レギュレータとスイッチング型レギュレータの双方から補完しあって負荷に電流を供給することで効率を高めている。

（実施の形態２）
図２は本実施の形態２における直流電源装置の回路構成を示す図である。但し、前述した図４ないし図６において説明した部材に対応する部材には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

当該直流電源装置と図６に示す回路の異なる点は、負荷電流判別手段としてヒステリシスコンパレータ１４が用いられており、且つスイッチング型レギュレータの制御回路（点線で囲まれた回路）が、駆動回路（ドライバ）からなる点にある。つまり、当該直流電源装置では、ヒステリシスコンパレータ１４の出力によって駆動回路９を制御する。

例えば、ヒステリシスコンパレータ１４と駆動回路９を直接接続し、駆動回路９がヒステリシスコンパレータ１４の出力信号を直接受けてスイッチング素子Ｑ２を駆動するようにしてもよい。なお、無論、回路構成はこれに限らず、ヒステリシスコンパレータ１４のヒステリシス幅によってスイッチング素子Ｑ２のオン時間が決定される簡単な構成であればよい。

以下、当該直流電源装置の動作について図３の区間（Ｄ）を参照して説明する。重負荷時において直列型レギュレータの回路電流値が閾値Ａに達することでスイッチング素子Ｑ２がオンするのは、実施の形態１における動作と同様である（時刻ｃ）。

本実施の形態２においては負荷電流判別手段としてヒステリシスコンパレータ１４を用いており、そのヒステリシス幅によってスイッチング素子Ｑ２のオン時間が決定される。つまり、直列型レギュレータの回路電流値が閾値Ａに達するとスイッチング素子Ｑ２がオンし、負荷電流がコイルＬ２を介してスイッチング型レギュレータにより供給され（時刻ｃ）、それによって直列型レギュレータからの負荷電流が減少する。その減少する直列型レギュレータからの負荷電流がやがてヒステリシスコンパレータのもう一方の閾値Ｂに達すると、スイッチング素子Ｑ２がオフし（時刻ｄ）、スイッチング型レギュレータからの負荷電流は減少し始める。このとき、未だ重負荷状態であれば、直列型レギュレータからの負荷電流が増加し、再び閾値Ａに至る。

このように重負荷時においては上記動作を繰り返すことでスイッチング動作が維持され、区間（Ｄ）に示すような動作波形（電流波形）となる。従って、スイッチング素子Ｑ２のオン時間は負荷電流判別手段として用いられるヒステリシスコンパレータ１４のヒステリシス幅によって決定される（コイルＬ２とその両端の電圧から決定される時定数もオン時間の決定要素であるが詳細な説明は省略する。）。

このような動作により、重負荷時においては直列型レギュレータとスイッチング型レギュレータの双方から補完しあって負荷に電流を供給することで効率を高めている。またスイッチング型レギュレータの制御回路の構成要素はスイッチング素子Ｑ２の駆動回路（ドライバ）９のみであり、従来例に比べて簡易な構成となっている。

なお、実施の形態１における直流電源装置と実施の形態２における直流電源装置を組み合わせて用いることももちろん可能であり、この場合はタイマー回路１２を用いてスイッチング素子Ｑ２の最大オン時間を決定しコイルＬ２やスイッチング素子Ｑ２の電流が過大にならないようにしておき、通常はヒステリシス幅でスイッチング素子Ｑ２のオン時間を決定するような動作を行うことができる。

本発明に係る直流電源装置は、簡易な構成で直列型レギュレータとスイッチング型レギュレータを併設することができ、装置の小型化を実現でき、且つ負荷変動に対する電源効率を低コストで改善でき、負荷電流が大きく変動する携帯型電子機器や磁気ディスク記録装置等の電子機器に使用する負荷適応型の直流電源装置等に好適である。

本発明の実施の形態１における直流電源装置の構成図本発明の実施の形態２における直流電源装置の構成図本発明の実施の形態１、２における直流電源装置の動作を説明するための動作波形を示す図従来の直列型レギュレータの構成図従来のスイッチング型レギュレータの構成図従来の直流電源装置の構成図

符号の説明

１直列型レギュレータの制御回路
２電源入力端子
３出力端子
４基準電圧
５アンプ
６位相補償回路
７三角波発生器
８ＰＷＭ制御部
９駆動回路
１０負荷電流検出手段
１１負荷電流判別手段
１２タイマー回路
１３基準クロック
１４ヒステリシスコンパレータ
Ｑ１トランジスタ
Ｑ２スイッチング素子
Ｒ１、Ｒ２抵抗
Ｄ２ダイオード
Ｌ２コイル
Ｃ２コンデンサ

Claims

電源入力端子と出力端子との間に接続され前記出力端子の出力電圧を検出して前記出力端子から出力される出力電圧を安定化する直列型レギュレータと、
前記直列型レギュレータの回路電流より負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
前記負荷電流検出手段により検出された前記負荷電流の電流値に応じた出力信号を出力する負荷電流判別手段と、
前記電源入力端子と前記出力端子との間に接続されるスイッチング素子を有し前記負荷電流判別手段の出力信号に応じて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング型レギュレータと、
を備える負荷適応型の直流電源装置であって、
前記スイッチング型レギュレータは前記スイッチング素子の駆動を制御する回路として一定時間をカウントするタイマー回路を備え、前記負荷電流の電流値が所定値に達すると前記タイマー回路が起動し、前記一定時間、前記スイッチング素子をオンすることを特徴とする直流電源装置。
電源入力端子と出力端子との間に接続され前記出力端子の出力電圧を検出して前記出力端子から出力される出力電圧を安定化する直列型レギュレータと、
前記直列型レギュレータの回路電流より負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
前記負荷電流検出手段により検出された前記負荷電流の電流値に応じた出力信号を出力する負荷電流判別手段と、
前記電源入力端子と前記出力端子との間に接続されるスイッチング素子を有し前記負荷電流判別手段の出力信号に応じて前記スイッチング素子を駆動するスイッチング型レギュレータと、
を備える負荷適応型の直流電源装置であって、
前記負荷電流判別手段としてヒステリシスコンパレータを用い、該ヒステリシスコンパレータのヒステリシス幅が前記スイッチング素子のオン時間を決定することを特徴とする直流電源装置。