JP2005333726A - Ｄｃ−ｄｃコンバータの周波数制御方法及びスイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータの負荷が軽くなったときにも効率を低下させず、かつ、スイッチング周波数が装置の使用周波数に接近し雑音として混入しないようにする。
【解決手段】 レジスタ１５にスイッチング周波数の複数の候補値を格納し、周波数指示部１６が負荷の状態に合わせた設定に基づきそれらの候補値の１を選択して、スイッチング電源１のＰＷＭ制御部１３におけるパルス発振の周波数として設定する。ＰＷＭ制御部１３は、当該パルス発振の結果生成したパルス信号に対し、誤差検出部１２により検出された出力電圧と基準電圧との間の誤差を抑えるようにパルス幅変調を行い、駆動部１４を介してＤＣ−ＤＣコンバータ１１の負荷に対する出力のラインを開閉する。
【選択図】 図１

Description

本発明はＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法及びスイッチング電源に係り、特にＰＷＭ方式に基づくＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法及び該方法により出力制御を行うスイッチング電源に関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータを主要部分とするスイッチング電源は、多くの用途で広く用いられている。このタイプのスイッチング電源においては、出力を負荷に供給するラインを半導体デバイスからなるスイッチにより開閉し、その開（オフ）と閉（オン）の時間比（時比率）を変えて出力電圧を調整する。時比率は出力電圧と基準電圧との間の誤差を抑えるように制御され、その制御の方式は、スイッチング周波数を固定してオンとオフのパルス幅を変えるパルス幅変調（ＰＷＭ）方式と、オンのパルス幅を固定してスイッチング周波数を変える周波数変調（ＰＦＭ）方式とに大別される（例えば、非特許文献１参照。）。

ＰＷＭ方式は、トランスやフィルタ等のスイッチング電源の構成部品を小型化するのに適し、重負荷の場合の効率に優れているという特徴があるが、軽負荷の場合には効率が低下するだけでなく出力電圧の異常上昇を招くことがある。したがって、軽負荷の用途にはＰＦＭ方式の方が適しているが、負荷の状況によりスイッチング周波数が変わるため、当該スイッチング電源を内蔵する装置が本来使用する周波数（以下、使用周波数という。）に接近して除去できない雑音の発生源となる場合がある。

これらの問題点を緩和するための従来技術の一つとして、ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数を切り換えられるようにするという考案がなされている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に係る従来技術は、テレビジョン受像機用のスイッチング電源の待機（リモコン負荷にのみ出力を供給している状態）時において、通常使用（主負荷とリモコン負荷の両方に出力を供給している状態）時におけるよりもスイッチング周波数を下げることにより、軽負荷の場合の効率低下を抑えるというものである。

一方、ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数を負荷の状態に合わせて連続可変に制御するという発明もなされている（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２に係る従来技術は、出力電力検出回路からのフィードバック信号に基づいて、重負荷動作状態から軽負荷動作状態への移行に従ってスイッチング周波数を連続的に低くするというものである。

しかし、特許文献１の従来技術では、スイッチング周波数は二者択一であるためにきめ細かい制御ができないという問題があった。また、特許文献２の従来技術では、スイッチング周波数が連続可変であるために、使用周波数に接近して除去できない雑音の発生源になり得るという問題があった。
実開平６−８０３８５号公報 （第２ページ、図１） 特開２００１−１６１０６５号公報 （第２、５乃至７ページ、図１） 電気工学ハンドブック（第６版）、（社）電気学会、東京、２００１年２月（第８５１、８５２ページ、図１２４乃至１２６）

従来のＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法では、効率低下を抑えるためのスイッチング周波数のきめ細かい制御や、使用周波数への接近の防止をすることができないという問題があった。本発明は上記問題を解決するためになされたもので、スイッチング周波数のきめ細かな制御を可能としつつ、使用周波数への接近を防止することのできるＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法及びスイッチング電源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法は、ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法において、スイッチング周波数の複数の候補値を予め定めてレジスタに格納し、前記候補値の１を選択して前記レジスタから読み出し、負荷に供給する出力を、前記読み出された前記候補値の１により定まるスイッチング周波数でスイッチングすることを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源は、出力を負荷に供給するラインを開閉するＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記負荷に供給する出力の基準値に対する誤差を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段と、前記誤差信号に基づいてパルス幅変調されたスイッチング信号を生成するＰＷＭ制御手段と、前記スイッチング信号を増幅して前記ＤＣ−ＤＣコンバータによる前記ラインの開閉を駆動する駆動手段とを備え、前記ＰＷＭ制御手段は、複数の候補値を格納するレジスタから選択して読み出された前記候補値の１を前記スイッチング信号の周波数として設定するように構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、予め離散的に設定された候補値の中から適切な１のスイッチング周波数を選択するので、効率低下を防止するためのきめ細かなスイッチング周波数の設定と、スイッチング周波数の使用周波数への接近の防止とを両立させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施例１を説明する。図１は、本発明の実施例１に係るスイッチング電源及びこれに付随する機器の構成を表したブロック図である。図中の１は、本発明の実施例１に係るスイッチング電源である。スイッチング電源１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１、誤差検出部１２、ＰＷＭ制御部１３及び駆動部１４を有している。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、図の左側から入力される電源“Ｖｉ”のラインを開閉することにより電圧制御された出力“Ｖ０”を、図の右側に位置する負荷“Ｒ１”及び“Ｒ２”に供給する。出力“Ｖ０”が負荷“Ｒ１”及び“Ｒ２”により分圧された値は、誤差検出部１２において基準電圧“Ｖｒ”と比較されて誤差電圧が出力される。なお、図１に表された負荷の構成及び基準電圧の与え方は一例であって、図示された以外の構成又は方法による場合がある。

ＰＷＭ制御部１３は図示しないパルス発振器を内蔵すると共に、上述の誤差電圧が小さくなる方向に当該パルス発振器の出力をパルス幅変調して、スイッチング信号を生成する。駆動部１４は当該スイッチング信号を増幅してＤＣ−ＤＣコンバータ１１を駆動し、その時比率を制御する。

さてスイッチング電源１に付随して、レジスタ１５及び周波数指示部１６が設けられている。レジスタ１５は、上述したパルス発振器の発振周波数（スイッチング周波数）の候補値を複数格納しておくことができるものとする。また周波数指示部１６は、当該発振周波数の候補値のうち１を選択して読み出し、その値をＰＷＭ制御部１３に対して指示する。レジスタ１５及び周波数指示部１６は、例えばスイッチング電源１を内蔵する装置（図示せず。）の構成として設けられるものとする。

一方、レジスタ１５及び周波数指示部１６をスイッチング電源に内蔵する構成も考えられる。図２は、そのように構成されたスイッチング電源１０の構成を表したブロック図である。図１との相違は、レジスタ１５及び周波数指示部１６をスイッチング電源１０に内蔵するか否かという点だけであるから、すべての構成は図１と同じ符号を付して表し、再度の説明は省略する。また、レジスタ１５又は周波数指示部１６のいずれか一方のみをスイッチング電源１０に内蔵するように構成してもよい。

スイッチング電源１又は１０を図１又は図２のように構成することにより、ＰＷＭ制御部１３は周波数指示部１６から指示された周波数で、パルス幅変調されたスイッチング信号を生成することができる。スイッチング周波数の候補値を予め使用周波数を避けて設定することにより、スイッチング信号が雑音となって使用周波数帯域に混入するのを防止することができる。なおＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、昇圧形、降圧形その他のいずれのタイプであるかを問わない。

周波数指示部１６によるスイッチング周波数の候補値の選択は、さまざまな方法によって行うことができる。例えばスイッチング電源１又は１０が汎用の電源機器であって多様な負荷の条件で使用される場合には、各負荷ごとに最も適合する候補値を固定的に選択することができる。候補値は原理的にいくつでも設定することができるから、このような用途に適したきめ細かい選択が可能である。なお、その他の候補値の選択方法については、以下の実施例で述べる。

本発明の実施例１によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数を離散的に選択可能にすることにより、使用周波数に対する雑音の混入を防ぎつつ、多様な負荷の状態に適合させてスイッチング電源を使用することができる。

以下、図３及び図４を参照して、本発明の実施例２を説明する。図３は、本発明の実施例２に係るスイッチング電源及びこれに付随する機器の構成を表したブロック図である。図中の２は、本発明の実施例２に係るスイッチング電源である。スイッチング電源２を構成するＤＣ−ＤＣコンバータ２１、誤差検出部２２、ＰＷＭ制御部２３及び駆動部２４は、それぞれ図１に同じ名称で表された構成と同一であるから、それらの説明は省略する。また、スイッチング電源２に付随して設けられたレジスタ２５についても同様である。

スイッチング電源２に付随して設けられた周波数制御部２６は、レジスタ２５に格納されたスイッチング周波数の候補値のうち１を選択して読み出し、ＰＷＭ制御部２３に対して指示する点において、図１の周波数指示部１６と共通する。しかし、スイッチング周波数の候補値の選択方法においては異なる点がある。同じくスイッチング電源２に付随して設けられた負荷検出部２７は、負荷の状態を検出するものであって、公知の方法（その一例は特許文献２に示されている。）により実現される。

実施例１におけるのと同様に、レジスタ２５、周波数指示部２６及び負荷検出部２７をスイッチング電源に内蔵する構成も考えられる。図４は、そのように構成されたスイッチング電源２０の構成を表したブロック図である。実施例１におけるのと同じ理由で、すべての構成は図３と同じ符号を付して表し、再度の説明は省略する。また、レジスタ２５、周波数指示部２６又は負荷検出部２７のうちいずれか１以上をスイッチング電源２０に内蔵するように構成してもよい。

図３又は図４に表されたスイッチング電源２又は２０の構成において、周波数指示部２６は負荷検出部２７から得た負荷状態の情報に基づいて、相対的に軽負荷の場合には相対的に低いスイッチング周波数をレジスタ２５から選択し、ＰＷＭ制御部２３に対して指示する。また周波数指示部２６は、相対的に重負荷の場合には相対的に高いスイッチング周波数をレジスタ２５から選択し、ＰＷＭ制御部２３に対して指示する。

ここでレジスタ２５の一例としては、スイッチング周波数の複数の候補値がそれぞれ負荷状態に対応してテーブル形式で格納されているものが考えられる。この場合、当該テーブルは、相対的に軽い負荷に対し相対的に低いスイッチング周波数の候補値が対応するように構成されている。

このようにスイッチング周波数の候補値を切り換えて選択することにより、スイッチング電源２又は２０は負荷変動に追随して効率のよい動作を維持することができる。なお、スイッチング周波数の候補値を予め使用周波数を避けて設定することによりスイッチング信号が雑音となって使用周波数帯域に混入するのを防止することができる点、及びＤＣ−ＤＣコンバータ２１のタイプを問わない点は、実施例１と同様である。

本発明の実施例２によれば、負荷変動に追随してスイッチング周波数を適切に切り換えることができるという、付加的な効果が得られる。

以下、図５及び図６を参照して、本発明の実施例３を説明する。図３は、本発明の実施例３に係るスイッチング電源及びこれに付随する機器の構成を表したブロック図である。図中の３は、本発明の実施例３に係るスイッチング電源である。スイッチング電源３を構成するＤＣ−ＤＣコンバータ３１、誤差検出部３２、ＰＷＭ制御部３３及び駆動部３４は、それぞれ図１に同じ名称で表された構成と同一であるから、それらの説明は省略する。また、スイッチング電源３に付随して設けられたレジスタ３５についても同様である。

スイッチング電源３に付随して設けられた周波数制御部３６は、レジスタ３５に格納されたスイッチング周波数の候補値のうち１を選択して読み出し、ＰＷＭ制御部３３に対して指示する点において、図１の周波数指示部１６又は図３の周波数指示部２６と共通する。しかし、スイッチング周波数の候補値の選択方法においては、これらと異なる点がある。装置制御部３８は、例えば演算制御素子等により構成され、スイッチング電源３を内蔵する装置（図示せず。）の動作を制御する。

実施例１におけるのと同様に、レジスタ３５及び周波数指示部３６をスイッチング電源に内蔵する構成も考えられる。図６は、そのように構成されたスイッチング電源３０の構成を表したブロック図である。実施例１におけるのと同じ理由で、すべての構成は図５と同じ符号を付して表し、再度の説明は省略する。また、レジスタ３５又は周波数指示部３６のいずれか一方のみをスイッチング電源３０に内蔵するように構成してもよい。

図５又は図６に表されたスイッチング電源３又は３０の構成において、周波数指示部３６は装置制御部３８の指示を受けてスイッチング周波数をレジスタ３５から選択し、ＰＷＭ制御部３３に対して指示する。装置制御部３８は、例えば装置の他の部分に対する制御と同期させて、予め定められた順序及び時間に従ってスイッチング周波数を切り換えて選択させるようにすることができる。

その一例として、当該装置が表示素子を有する電子機器であって、電源投入後徐々に表示輝度を上げていくようにプログラムされている場合が考られる。その場合装置制御部３８は、表示輝度が徐々に上がって軽負荷から重負荷へと移行するのに伴い、スイッチング周波数を低い値から高い値へ段階的に切り換えていくことができる。

このように、例えば装置の制御動作と同期させてスイッチング周波数の候補値を切り換えて選択することにより、スイッチング電源３又は３０は負荷変動に合わせて効率のよい動作を維持することができる。なお、スイッチング周波数の候補値を予め使用周波数を避けて設定することによりスイッチング信号が雑音となって使用周波数帯域に混入するのを防止することができる点、及びＤＣ−ＤＣコンバータ３１のタイプを問わない点は、実施例１と同様である。

本発明の実施例３によれば、負荷側からフィードバックをかけることなく負荷変動に合わせてスイッチング周波数を適切に切り換えることができるという、付加的な効果が得られる。

本発明の実施例１に係るスイッチング電源及びこれに付随する機器のブロック図。 本発明の実施例１に係るスイッチング電源のブロック図。 本発明の実施例２に係るスイッチング電源及びこれに付随する機器のブロック図。 本発明の実施例２に係るスイッチング電源のブロック図。 本発明の実施例３に係るスイッチング電源及びこれに付随する機器のブロック図。 本発明の実施例３に係るスイッチング電源のブロック図。

符号の説明

１、２、３、１０、２０、３０ スイッチング電源
１１、２１、３１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２、２２、３２ 誤差検出部
１３、２３、３３ ＰＷＭ制御部
１４、２４、３４ 駆動部
１５、２５、３５ レジスタ
１６、２６、３６ 周波数指示部
２７ 負荷検出部
３８ 装置制御部

Claims (9)

1. ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法において、
   スイッチング周波数の複数の候補値をレジスタに格納し、
   前記候補値の１を選択して前記レジスタから読み出し、
   負荷に供給する出力を、前記読み出された前記候補値の１により定まるスイッチング周波数でスイッチングする
   ことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法。
2. 前記候補値の１の選択は、前記負荷の状態を検出してフィードバックすることにより、相対的に軽負荷の場合に相対的に低いスイッチング周波数が選択され、相対的に重負荷の場合に相対的に高いスイッチング周波数が選択されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法。
3. 前記候補値の１の選択は、予め定められた順序及び時間に従って切り換えられるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータの周波数制御方法。
4. 出力を負荷に供給するラインを開閉するＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記負荷に供給する出力の基準値に対する誤差を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段と、
   前記誤差信号に基づいてパルス幅変調されたスイッチング信号を生成するＰＷＭ制御手段と、
   前記スイッチング信号を増幅して前記ＤＣ−ＤＣコンバータによる前記ラインの開閉を駆動する駆動手段とを備え、
   前記ＰＷＭ制御手段は、複数の候補値を格納するレジスタから選択して読み出された前記候補値の１を前記スイッチング信号の周波数として設定するように構成されたことを特徴とするスイッチング電源。
5. 前記候補値の１の選択は、前記負荷の状態を検出してフィードバックすることにより、相対的に軽負荷の場合に相対的に低いスイッチング周波数が選択され、相対的に重負荷の場合に相対的に高いスイッチング周波数が選択されるようにしたことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源。
6. 前記候補値の１の選択は、予め定められた順序及び時間に従って切り換えられるようにしたことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源。
7. 出力を負荷に供給するラインを開閉するＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記負荷に供給する出力の基準値に対する誤差を検出して誤差信号を出力する誤差検出手段と、
   前記誤差信号に基づいてパルス幅変調されたスイッチング信号を生成するＰＷＭ制御手段と、
   前記スイッチング信号の周波数の複数の候補値を格納するレジスタと、
   前記レジスタから選択して読み出した前記候補値の１に基づいて、前記ＰＷＭ制御手段に対して前記スイッチング信号の周波数を指示する周波数指示手段と、
   前記スイッチング信号を増幅して前記ＤＣ−ＤＣコンバータによる前記ラインの開閉を駆動する駆動手段とを
   備えたことを特徴とするスイッチング電源。
8. 前記負荷の状態を検出する負荷検出手段をさらに備え、前記周波数指示手段は、前記負荷検出手段からフィードバックされた前記負荷の状態により、相対的に軽負荷の場合に相対的に低い周波数を指示し、相対的に重負荷の場合に相対的に高い周波数を指示するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載のスイッチング電源。
9. 前記周波数指示手段は、前記候補値の１を予め定められた順序及び時間に従って切り換えて選択するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載のスイッチング電源。

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