JP2008125316A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】仕様変更や追加等の要求に対して高い応答性を担保可能にしたスイッチング電源装置を提供すること。
【解決手段】制御パルスに応答してスイッチング動作するＰＦＣスイッチ回路と、このスイッチ回路のスイッチング出力を直流に変換する出力回路と、マイクロコンピュータにより構成された電源プラットホームとを備え、上記電源プラットホームは、上記出力回路の直流出力のデジタル値から上記制御パルスを生成する処理を実行し、かつ、各種モジュールを仕様要求に応じて任意に搭載することが可能になっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。

スイッチング電源装置では、その高機能化に伴い、制御ＩＣにより制御を受ける回路部分が増大している。このような回路部分として特にスイッチング電源装置の基本制御機能を受け持つ回路部分例えばＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＤＣコンバータ前段に設けられるＰＦＣ回路（力率改善回路）等に対しその制御を制御ＩＣが受け持つものが多い（特許文献１、２参照）。

これら制御ＩＣは制御対象となる回路部分毎に製作されている。

その一方、スイッチング電源装置の用途拡大等でその仕様の変更も多く、その都度、回路部分の変更や追加等が行われ、それに応じて制御ＩＣも変更、追加等を行う必要があるなど、仕様要求に対する応答性が担保されず、また、コストも嵩む。

なお、上記特許文献１ではスイッチング電源装置の出力段において複数の負荷それぞれにつながるスイッチ回路をワンチップマイコンでオンオフ制御して負荷への電源供給を制御する技術が記載されているが、上記ＰＦＣ回路を制御する制御ＩＣをそのまま組み込んだ構成となっている。そのため、ワンチップマイコンを組み込んだとしても、上記制御ＩＣの変更、追加等を行う必要があるなど、仕様要求に対する応答性が担保されず、また、コストが嵩むことには変わりない。
特開平１１−３０８８５７ 特開２００４−３１２８８３

本発明により解決すべき主たる課題は、スイッチング電源装置の基本特性に関する仕様変更や追加等の要求、さらには必要に応じて保護機能や付加機能に至る仕様変更や追加等の要求に対して高い応答性を担保可能にしたスイッチング電源装置を提供することである。

本発明によるスイッチング電源装置は、制御パルスに応答してスイッチング動作するスイッチ回路と、このスイッチ回路のスイッチング出力を直流に変換する出力回路と、マイクロコンピュータにより構成された電源プラットホームとを備え、上記電源プラットホームは、上記出力回路の直流出力のデジタル値から上記制御パルスを生成する処理を実行し、かつ、各種モジュールを仕様要求に応じて任意に搭載することが可能になっていることを特徴とするものである。

本発明によると、各種モジュールを仕様要求に応じて任意に搭載することが可能になっているので、スイッチング電源装置の用途拡大等により仕様の変更や追加等があり、その仕様要求に応じたスイッチング動作に変更する必要がある場合、その仕様要求に応じたモジュールを搭載することにより当該仕様要求に対する高い応答性を担保することができる。

例えば、スイッチング電源装置で上記したスイッチ回路を内蔵する回路としてはＰＦＣ回路やＤＣ／ＤＣコンバータがあり、これらはスイッチング電源装置の基本機能を決める要素である。そのため、その仕様も多種多様であり、仕様の変更や修正も多く、仕様要求に高い応答性で対応することが求められる。

このような場合、本発明では、モジュールを電源プラットホームに搭載可能としたことにより、仕様要求に即したモジュールを選定して電源プラットホームに搭載することだけで、仕様要求に即座に対応することができるものとなる。

（２）本発明の好適な一態様は、上記マイクロコンピュータを１個のチップで構成することである。ここで、上記マイクロコンピュータを１個のチップで構成することとは、電源装置において、電源プラットホームを１個のマイクロコンピュータで構成（マイクロコンピュータを１個のみ搭載）することであり、複数のマイクロコンピュータが搭載されていないことの意義である。

（３）本発明の好適な一態様は、上記スイッチ回路がＤＣ／ＤＣコンバータとこのＤＣ／ＤＣコンバータの前段に設けられるＰＦＣ回路それぞれのスイッチ回路である。ＤＣ／ＤＣコンバータとＰＦＣ回路はスイッチング電源装置の基本機能を賄う回路部分であり、これらに対する仕様変更や修正等の要求は多い。例えばＤＣ／ＤＣコンバータであれば、フォワード型、フェーズシフト型、複合共振型、擬似共振型、フライバック型、ハーフブリッジ型、アクティブクランプ型があり、また、ＰＦＣ回路では、連続型、不連続型、共振型、Ｌインプット型、降昇圧型があり、これらの仕様変更があり、また、同一仕様でも仕様修正がある。

本発明では、マイクロコンピュータの指令部からの指令（コマンド）と処理部（プログラム）によるコマンド実行によりＤＣ／ＤＣコンバータ内のスイッチ回路のスイッチング動作、ＰＦＣ回路内のスイッチ回路のスイッチング動作を上記各種仕様要求に即応することができる。

（４）本発明のさらに好適な一態様は、上記電源プラットホームが、上記ＰＦＣ回路のスイッチ回路のスイッチング動作の制御を「より高速」で処理するＰＦＣ処理モジュールと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチ回路のスイッチング動作の制御を「高速」で処理するＤＣ／ＤＣ処理モジュールと、を含むことである。

電源プラットホームは、ＰＦＣ回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ、それぞれに対する動作処理を処理モジュールごとに対応付けすることができ、特に、ＰＦＣ回路の動作を「より高速」で処理速度で処理することができ、次いで、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を「高速」で処理することができ、それぞれの処理の目的に適うものである。

（５）さらにより好ましくは上記「より高速」が４０ｋＨｚであり、上記「高速」が２０ｋＨｚである。

（６）本発明の好適な一態様は、上記電源プラットホームが、スイッチング電源装置の状態の検出信号のデジタル値から「中速」で該スイッチング電源装置を保護する処理を行う保護機能処理モジュールを含むことである。

（７）本発明の好適な一態様は、上記「中速」が１ｋＨｚである。

（８）本発明の好適な一態様は、電源プラットホームが、スイッチング電源装置の状態の検出信号のデジタル値から「低速」で当該スイッチング電源装置に付加される機能を処理する付加機能処理モジュールを含むことである。

（９）本発明の好適な一態様は、上記「低速」が約２００Ｈｚである。

（１０）本発明の好適な一態様は、上記電源プラットホームが、上記ＰＦＣ回路のスイッチ回路のスイッチング動作の制御を「より高速」で処理するＰＦＣ処理モジュールと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチ回路のスイッチング動作の制御を「高速」で処理するＤＣ／ＤＣ処理モジュールと、スイッチング電源装置の状態を検出する検出信号のデジタル値から「中速」で該スイッチング電源装置を保護する処理を行う保護機能処理モジュールと、上記検出信号のデジタル値から「低速」で当該スイッチング電源装置に付加される機能を処理する付加機能処理モジュールと、を含む、ことである。

（１１）本発明の好適な一態様は、上記電源プラットホームが、複数のＰＦＣ、ＤＣ／ＤＣ、保護機能、および付加機能の各処理モジュールから、当該スイッチング電源装置の仕様要求に合った処理モジュールを組み合わせることが可能とされている、ことである。

（１２）本発明の好適な一態様は、プログラム資産活用の観点から、共通のプログラム部分を有する複数のＰＦＣ処理モジュールの中から任意の１つを選択して上記電源プラットホーム上に組み込むことを可能とすることである。

この観点では例えば周波数固定ＰＷＭ、周波数可変ＰＷＭ、スイッチング素子無しの３種類に種類分けすると、周波数固定ＰＷＭでは共振型が適用され、それぞれ僅かなプログラム変更で他方のプログラムに作り変えることができる。同様に、周波数可変ＰＷＭでは電流不連続型、昇降圧型が、また、スイッチング素子無しではＬインプット型がある。これら処理モジュールを揃えることによりほとんどのＰＦＣ回路の制御が可能となる。なお、ＰＦＣ回路は電流連続型、電流不連続型と、それらの組み合わせとからなっている。電流連続型の制御は、制御パルスをハイレベルにするタイミング（周波数）は固定であり、ローレベルにするタイミングのみを制御している。したがって、制御パルスのタイミングを制御するＰＷＭ（パルス幅変調）タイマは一定の周期で繰り返し発振を行い、制御パルスをローレベルにするタイミングのデータをセットするアルゴリズムとなる。電流不連続型の制御はハイレベルにするタイミング（周波数）と、ローレベルにするタイミングとの両方を制御している。したがって、制御パルスを生成するためＰＷＭタイマの動作開始と終了とを制御するアルゴリズムとなり、電流連続型のアルゴリズムとは異なった構造を有する。また、スイッチング素子無しは、電流電圧の監視のみで制御は行わない。したがって、ＰＦＣ回路は、電流連続型と電流不連続型と、それらの組み合わせからなっているため、ＰＷＭタイマの発振周期、動作開始と終了タイミングデータ等の簡単な変更で、ほとんどのＰＦＣ回路の制御ができる。また、ＰＦＣ回路が搭載されていない場合も、スイッチング素子無しの処理モジュールで対応することができる。

（１３）本発明の好適な一態様は、プログラム資産活用の観点から、共通のプログラム部分を有する複数のＤＣ／ＤＣ処理モジュールの中から任意の１つを選択して上記電源プラットホーム上に組み込むことを可能とすることである。この観点では例えば周波数固定ＰＷＭ、周波数可変ＰＷＭ、位相可変の３種類に種類分けすると、周波数固定ＰＷＭではフォワード型、フライバック型、ハーフブリッジ型が当てはまり、周波数可変ＰＷＭでは複合共振型、擬似共振型、アクティブクランプ型が、また、位相可変ではフェーズシフト型がある。それぞれは僅かなプログラム変更で他方のプログラムに作り変えることができる。これら処理モジュールを揃えることによりほとんどのＤＣ／ＤＣコンバータの制御が可能となる。

周波数固定ＰＷＭは、制御パルスをハイレベルあるいはローレベルにするタイミングは固定で、ローレベルまたはハイレベルにするタイミングのみを制御している。したがって、制御パルスのタイミングを制御するＰＷＭタイマは一定の周期で繰り返し発振を行い、制御パルスをローレベルにするタイミングのデータをセットするアルゴリズムとなる。ＰＷＭタイマの発振周波数を変更することで、この方式で制御できるＤＣ／ＤＣコンバータに対応することができる。

周波数可変ＰＷＭは例えば、制御パルスをハイレベルまたはローレベルにするタイミング（周波数）と、ローレベルまたはハイレベルにするタイミングの両方を制御している。よって、制御パルスを生成するためＰＷＭタイマの動作開始と終了のタイミングを制御するアルゴリズムとなり、周波数固定ＰＷＭのアルゴリズムとは異なった構造を有する。ＰＷＭタイマの発振周波数を変更することでこの方式で制御できるＤＣ／ＤＣコンバータに対応することができる。

位相可変では、基準となる制御パルスと、基準に対して位相を可変できる制御パルスを生成するため、同期した２つのＰＷＭタイマを用い、一方のＰＷＭタイマでパルスをハイレベルにするタイミングでローレベルにするタイミングをパルス幅を変えずに同時に制御する。よって、アルゴリズムは他とは異なった構造となる。ＰＷＭタイマの発振周波数を変更することで、この方式で制御できるＤＣ／ＤＣコンバータに対応することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータの制御は、コンバータトランスの一次側巻線に電圧を印加するオン期間を制御することで動作するため、電圧を印加するための制御方法として考えられる周波数固定ＰＷＭと制御パルスのハイレベル、ローレベルを任意に制御できる周波数可変ＰＷＭと基準の制御パルスからの位相を制御する位相可変とその組み合わせで、ほとんどのＤＣ／ＤＣコンバータが制御できる。

（１４）本発明の好適な一態様は、複数種類の保護機能処理モジュールの中から任意の１つ以上を選択して上記電源プラットホーム上に組み込むことを可能とすることである。この保護機能では過電圧保護、過熱保護、短絡保護、緊急停止、過電流Ｌ字、過電流への字、過電流フの字、低入力保護の各種保護機能のいずれかから仕様要求に沿うものを選択することができる。

（１５）本発明の好適な一態様は、複数種類の付加機能処理モジュールの中から任意の１つ以上を選択して上記電源プラットホーム上に組み込むことを可能とすることである。この態様では寿命予知、断線予知、通信、表示、負荷遮断、不足電圧、負荷異常予測、異常診断の各種付加機能のいずれかから仕様要求に沿うものを選択することができる。

（１６）本発明の好適な一態様は、上記電源プラットホームが、アーキテクチャーを備え、上記アーキテクチャーは、初期化、割込ハンドラの起動、スケジューラの起動を制御するプログラムを有し、上記割込ハンドラは、ＰＦＣ処理モジュール、ＤＣ／ＤＣ処理モジュールおよび保護機能処理モジュールのうち、処理速度が高い処理モジュールほど、割り込み優先し、上記スケジューラは、空き時間に付加機能処理モジュールを処理する、ことである。

本発明によれば、スイッチング電源装置の基本特性に関する仕様変更や追加等の要求、さらには必要に応じて保護機能や付加機能に至る仕様変更や追加等の要求に対して高い応答性を担保することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置を説明すると、図１は、スイッチング電源装置のブロック図を示す。

図１において、２は交流電源、４はダイオードブリッジ、６は突入電流防止回路、８はＰＦＣ回路、１０はＤＣ／ＤＣコンバータ、１２は整流平滑回路、１４は検出回路、１６は表示装置、１８は電源プラットホームである。

ダイオードブリッジ４は、交流電源２の交流電力を全波整流し、ＰＦＣ回路８に入力する。

突入電流防止回路６は抵抗６ａと、この抵抗６ａに並列に挿入されたリレー６ｂとから構成され、起動時から数十ミリ秒の間、リレー６ｂが開いて突入電流を防止し、その後リレー６ｂが閉じて電源を起動することができるようになっている。交流電源が投入されたとき、ＰＦＣ回路８内の平滑コンデンサは充電されていない状態であるから、過大な充電電流が突入電流として流れてＰＦＣ回路８内の素子が破壊される可能性がある。そのことを防止するために上記抵抗６ａが電源ラインに挿入されて、その過大な充電電流が突入電流として流れないようにしている。そして、抵抗６ａが電源ラインに挿入された状態では電力損失が大きく効率が低下するのを防止するためにリレー６ｂが閉じるようになっている。

ＰＦＣ回路８は、整流された交流電力の力率を改善する。このＰＦＣ回路８には複数種類あり、例えば、機能的には、連続型、不連続型、共振型、Ｌインプット型、降昇圧型等がある。ＰＦＣ回路８は、いずれの種類であっても、詳細は図示を略するスイッチ回路（ＰＦＣスイッチ回路）８ａと出力回路（ＰＦＣ出力回路）８ｂとを備える。

ＰＦＣスイッチ回路８ａは、入力された電力をスイッチング動作により断続するパルス状波形のスイッチング出力に形成して出力し、ＰＦＣ出力回路８ｂにより、スイッチング出力を直流に変換して出力する。ＰＦＣ回路８により力率を改善され直流に変換された回路出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に入力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、ＰＦＣ回路８からの回路出力をＤＣ／ＤＣ変換する。このＤＣ／ＤＣコンバータ１０には複数種類あり、例えば、機能的には、フォワード型、フェーズシフト型、複合共振型、擬似共振型、フライバック型、ハーフブリッジ型、アクティブクランプ型がある。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、ＰＦＣ回路８の直流回路出力をスイッチング動作により断続するパルス状波形のスイッチング出力に形成するスイッチ回路を構成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は例えばトランスとこのトランスの一次巻線に接続されたスイッチング素子とを含む。

整流平滑回路１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１０のスイッチング出力を直流に変換する出力回路を構成する。

検出回路１４は、出力電流（過電流制御、寿命予知等）、温度信号（寿命予知等）、出力電圧（電圧制御）を検出することができるようになっている。検出回路１４は電源出力端子ＯＵＴ，ＯＵＴ間に並列に接続された電源寿命計算用としてのコンデンサ１４ａと、このコンデンサ１４ａの温度を検出する温度センサとしてのサーミスタ１４ｂと、電流検出抵抗１４ｃとを含む。コンデンサ１４ａの温度上昇からコンデンサ１４ａの容量抜けが分かり、所定の寿命計算式（例えば温度と電源稼動時間等から寿命を求めるための計算式）でコンデンサ１４ａの寿命、すなわち、スイッチング電源装置の寿命を計算することができるようになっている。そのためサーミスタ１４ｂがコンデンサ１４ａに近接配置されている。このサーミスタ１４ｂはＮＴＣ、ＰＴＣのいずれのタイプでもよい。また、温度センサとしてはサーミスタ１４ｂに限定しない。

表示装置１６は、スイッチング電源装置における電圧、電流、電力、温度等の各種状態を各種表示形態で表示することができるようになっている。表示装置１６の詳細は略するが、液晶表示装置等で構成し、スイッチング電源装置のパネルに装備することができる。

以上の構成において、電源プラットホーム１８はマイクロコンピュータにより構成されている。

電源プラットホーム１８には、ＰＦＣ回路８から入力電圧（全波整流後の電圧）、入力電流（全波整流後の電流）と、出力電圧（ＰＦＣ回路８の直流出力電圧でかつＤＣ／ＤＣコンバータ１０への入力電圧）がアナログ入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０から一次側過電流信号（ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のスイッチング素子に過電流が流れたことを示す信号）がアナログ入力され、当該スイッチング電源装置の出力電流（過電流制御、寿命予知に用いる電流）、出力電圧（電圧制御に用いる電圧）がアナログ入力され、検出回路１４のサーミスタ１４ｂからはコンデンサ１４ａの温度に関わる信号（寿命予知信号）がアナログ入力されるようになっている。

電源プラットホーム１８は、ＣＰＵだけでなく，ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ，入出力ポート，通信ポート，タイマ，表示装置ドライバ，メモリ管理部，，Ａ／Ｄコンバータなどの周辺機能までを１チップ上に集積したワンチップマイコンにより構成されており、機能的に、メモリに各種の指令（コマンド）やその指令を実行する指令実行プログラムが格納されており、ＣＰＵはアナログ入力をデジタル値に変換したうえで、デジタル値に基づいて指令を発する指令部と、この指令に従い指令実行プログラムに従い処理を行う処理部とを備える。

この場合、上記指令部では、デジタル値に基づいて、スイッチング電源装置の動作の処理を指令し、上記処理部では上記指令に応じてデジタル値から各種演算を実行する処理を行うようになっている。

一方、電源プラットホーム１８から、上記処理に従い、ＰＦＣ回路８とＤＣ／ＤＣコンバータ１０にはそれらの内部スイッチ回路のスイッチング動作を制御する制御パルス（ＰＦＣ制御パルス、ＤＣ／ＤＣ制御パルス）が入力され、表示装置１６には表示信号が入力され、突入電流防止回路６には電源起動時にリレー６ｂを閉じるためリレー駆動パルスが入力されるようになっている。この場合、電源プラットホーム１８は、ＰＦＣ入力電圧が正常値であればＰＦＣ回路８を起動し、ＰＦＣ出力電圧が規定値に達するとＤＣ／ＤＣコンバータ１０を起動する。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ１０から一次側過電流信号が検出されると、瞬時にＤＣ／ＤＣ制御パルスを停止してＤＣ／ＤＣコンバータ１０のスイッチ回路をオフにする。また、出力電流が規定値以上になると出力電圧を下げて規定値になるよう制御する。

また、電源起動後から所定時間経過後に突入電流防止回路６のリレー６ｂを閉じるためのリレー駆動パルスを出力する。

表示装置１６ではその表示信号入力に応答して例えば寿命予知、断線予知、通信、表示、負荷遮断、不足電圧、負荷異常予測、異常診断、等に関わる情報を表示することができるようになっている。この表示形態は数値、記号、図形等の各種がある。

図２、図３を参照して電源プラットホーム１８をさらに詳細に説明する。 図２では、電源プラットホーム１８と、ラッチ回路２０と、突入電流防止回路６と、ＰＦＣ回路８、ＡＮＤゲート２２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０と、表示装置１６とが示されている。

ラッチ回路２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０から入力する一次側過電流信号をラッチする回路である。電源プラットホーム１８には、ＰＦＣ回路８から入力電圧、入力電流、出力電圧が入力し、出力端子ＯＵＴ，ＯＵＴ側から出力電圧、出力電流が入力し、検出回路１４から温度検出信号が入力する。

電源プラットホーム１８からは、突入電流防止回路６にリレー駆動パルスが入力され、ＰＦＣ回路８に制御パルス（ＰＦＣ制御パルス）が入力され、ＡＮＤゲート２２の各入力部にＤＣ／ＤＣコンバータ１０の制御パルス（ＤＣ／ＤＣ制御パルス）とラッチ回路２０でラッチされている一次側過電流信号とが入力され、表示装置１６には表示信号が入力される。

ＡＮＤゲート２２からＤＣ／ＤＣコンバータ１０にはラッチ回路２０出力がハイレベルのとき電源プラットホーム１８からのＤＣ／ＤＣ制御パルスが入力されるようになっている。

電源プラットホーム１８は、モジュール２４と、アーキテクチャ２６、とに機能的に分けて示している。モジュール２４は、ＰＦＣ処理モジュール２８と、ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０と、保護機能処理モジュール３２と、付加機能処理モジュール３４と、を含む。

（１）ＰＦＣ処理モジュール２８
ＰＦＣ処理モジュール２８は、ＰＦＣ回路８のスイッチ回路８ａのスイッチング動作の制御を「より高速」（例えば４０ｋＨｚ）で処理するものであり、ソフトウエアの実行に従い、ＰＦＣ回路８の入力電圧（ＰＦＣ入力電圧）、電流（ＰＦＣ入力電流）、出力電圧（ＰＦＣ出力電圧）のデジタル値からＰＦＣ回路８のスイッチ回路８ａのスイッチング動作を定める演算を実行すると共にその演算に従ってＰＦＣ制御パルスを生成するとともにそのＰＦＣ制御パルスをＰＦＣ回路８に出力する。

このＰＦＣ処理モジュール２８には、図３で示すように、ＰＦＣ回路８の種類として連続型、不連続型、共振型、Ｌインプット型、降昇圧型のいずれかの型に対応したものがある。連続型とはＰＦＣ回路８に流れ込む電流が、制御パルスがオフの期間でも流れ続けてゼロとならない方式、不連続型とはＰＦＣ回路８に流れ込む電流が、制御パルスがオフ期間にゼロとなる方式、共振型はスイッチング動作時に電流または電圧を共振させて、ゼロ電圧スイッチング、ゼロ電流スイッチングを行う方式、Ｌインプット型はＰＦＣ回路を結有せずチョークコイルとコンデンサとで平滑する方式、昇降圧型とは入力を一旦、降圧して低い直流電圧に平滑した後、昇圧する方式で、降圧回路が突入電流防止回路の役割も果たす。また、全体的電圧を低く抑えられるため耐圧の低い小型で安い部品を使用することができる。

また、ＰＦＣ処理モジュール２８では、周波数固定ＰＷＭ型として連続型、共振型、周波数可変ＰＷＭ型として不連続型、昇降圧型、スイッチング素子無しの型としてＬインプット型、に分けることができる。

周波数固定ＰＷＭ型とは制御パルスがハイレベルまたはローレベルになるタイミングが固定されており、ローレベルまたはハイレベルになるタイミングが可変となる方式、周波数可変ＰＷＭとは制御パルスがハイレベルまたはローレベルになるタイミングと、ローレベルまたはハイレベルとなるタイミングと、ローレベルまたはハイレベルとなるタイミングの両方が個別に可変となる方式、スイッチング素子無しの型とは、チョークコイルやコンデンサ等の受動素子で整流平滑する方式である。

このように複数種類のＰＦＣ処理モジュール２８は仕様要求に応答性良く対応することができるように電源プラットホーム１８に搭載しておいてもよいし、あるいは、ダウンロードすることができるようにしてもよい。

電源プラットホーム１８には複数種類のＰＦＣ処理モジュール２８の中からいずれか１つが任意に選択されて組み込まれる。図３の例では不連続型のＰＦＣ処理モジュール２８が組み込まれている。

このようなＰＦＣ処理モジュール２８においてはスイッチング電源装置の基本制御機能が組み込まれており、処理速度が「より高速」となっている理由を説明する。

すなわち、ＰＦＣ処理モジュール２８は、交流電力を直流に変換してＤＣ／ＤＣコンバータ１０に入力するに際して交流電力における電流と電圧とを同位相の波形にすることで力率を改善するモジュールである。その場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は負荷変動に対して出力電圧を安定制御するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０への供給電圧をそれ以上に安定にする必要があり、ＰＦＣ処理モジュール２８ではＤＣ／ＤＣコンバータ１０よりもより高速の処理速度で処理することが必要とされるからである。ＰＦＣ回路８のＰＦＣスイッチ回路８ａにおけるスイッチング周波数は８０ｋＨｚであるが、４０ｋＨｚの制御周波数で性能を満足するようになっている。

（２）ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０
ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のスイッチ回路１０ａのスイッチング動作の制御を上記「より高速」より低い処理速度である「高速」（例えば２０ｋＨｚ）で処理するものである。その場合、ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０から出力電圧、出力電流を入力すると共にそれらのデジタル値からそのスイッチ回路１０ａのスイッチング動作を制御するための制御パルスをＤＣ／ＤＣコンバータ１０に出力する。

ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０には図３で示すようにフォワード型、フェーズシフト型、複合共振型、擬似共振型、フライバック型、ハーフブリッジ型、アクティブクランプ型がある。

フォワード型、フライバック型、ハーフブリッジ型は、周波数固定でパルスのデューティを変化させて出力電圧を制御する回路方式、フェーズシフト型は基準パルスに対する位相を変化させて出力電圧を制御する回路方式、複合共振型、擬似共振型、アクティブクランプ型は制御パルスのハイレベルタイミングとローレベルタイミングとを個別に変化させて出力電圧を制御する回路方式である。

また、ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０では、周波数固定ＰＷＭ型としてフォワード型、フライバック型、ハーフブリッジ型に、周波数可変ＰＷＭ型として複合共振型、擬似共振型、アクティブクランプに、位相可変型としてフェーズシフト型、に上記と同様に分けることができる。

このＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０においても仕様要求に応答性良く対応することができるように電源プラットホーム１８に複数種類搭載しておいてもよいし、あるいはダウンロードすることができるようにしてもよい。

電源プラットホーム１８のＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０にはこれらが任意に選択されて組み込まれる。このＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０においてスイッチング電源装置の基本制御機能が組み込まれており、処理速度が「高速」となっている。

その理由を説明する。すなわち、スイッチング電源装置のスイッチング周波数は数十ｋＨｚないし数百ｋＨｚが一般的であるが、スイッチング周波数ごとに出力パルス幅を計算する必要は必ずしも必要ではない。実験検証により１０ないし２０ｋＨｚの制御周波数で電源の性能を満足する。

（３）保護機能処理モジュール３２
保護機能処理モジュール３２は、スイッチング電源装置を保護する機能を「高速」より低い処理速度である「中速」（例えば１ｋＨｚ）で処理するもので検出回路の過電圧や過電流等に関わる検出信号のデジタル値から保護動作する。この保護機能処理モジュール３２には図３で示すように、過電圧保護、過熱保護、短絡保護、緊急停止、過電流Ｌ字、過電流への字、過電流フの字、低入力保護があり、電源プラットホーム１８の保護機能処理モジュール３２にはこれらが任意に選択されて電源プラットホーム１８に組み込まれる。

過電圧保護とは出力電圧が回路部品の耐圧を超えるような電圧になったとき瞬時に動作を停止させる機能、過熱保護とは内部温度や部品温度が保証温度を超えるような温度になったときアラームを出力する機能、緊急停止とはユーザが設けている非常停止スイッチと連動して動作停止する機能、過電流Ｌ字とは過電流値を超える電流が流れるときは出力電圧を下げて過電流値になるよう制御する機能、過電流への字とは過電流値を超えたら電流値に応じて出力電圧を低下させていく機能、過電流フの字とは過電流値を超えたら出力電圧を低下させ、出力電流を低下させていく機能、低入力保護とは交流入力電圧が低い場合は動作を停止させる機能である。

保護機能処理モジュール３２で処理速度が「中速」となっている理由を説明する。すなわち、保護機能で緊急性が求められる部分はハードウェアで構成し、異常と同時にハードウェアによりマイクロコンピュータから出てくるパルス出力を停止させるように動作する。その後、異常検知を受けたことを読み込んで処理を行っていく。この異常の処理をすべてソフトウエアで実行する場合は、高速処理が必要であるが、一部をハードウェアで処理するために「中速」処理としても保護機能を満足する。

（４）付加機能処理モジュール３４
付加機能処理モジュール３４は、スイッチング電源装置に付加される機能を上記「中速」より低い処理速度である「低速」（例えば約２００Ｈｚ）で処理するもので検出回路１４からの温度に関わる検出信号のデジタル値から付加機能を処理する。この処理モジュール３２には図３で示すように寿命予知、断線予知、通信、表示、負荷遮断、不足電圧、負荷異常予測、異常診断の各種付加機能があり、電源プラットホーム１８の付加機能処理モジュール３４にはこれらが任意に選択されて組み込まれる。

寿命予知とは電源の寿命を計算し表示する機能である。断線予知とは出力に接続されている負荷の配線の断線を予想する機能である。通信とは外部のパソコンからプログラムをダウンロードしたりマイコン内部のデータを吸上げたりする機能。表示とはユーザに出力電圧、出力電流、異常発生等を視覚的に知らせる機能である。負荷遮断とは負荷に異常が発生したとき自動的に負荷との接続を遮断する機能。不足電圧とは設定値より出力電圧が低下したことを知らせる機能である。負荷異常予測とは負荷に通常動作電流より過大な電流が流れたことを知らせる機能である。異常診断とは電源回路が正常に動作していないことを知らせる機能である。

付加機能処理モジュール３４で処理速度が「低速」となっている理由を説明する。すなわち、表示や通信等の電源のアプリケーションはスイッチング電源装置の制御周期と同等の処理速度にする必要はない。付加機能は、ある程度処理が遅くても、スイッチング電源装置に対する影響は少ない。そのため、付加機能に関してはマイクロコンピュータとしては「低速」処理でその機能を担うようになっている。

図３では、ＰＦＣ処理モジュール２８として不連続型、ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０としてフェーズシフト型、保護機能処理モジュール３２として過電流Ｌ字と低入力保護型、付加機能処理モジュール３４として寿命予知、通信、断線予知が電源プラットホーム１８に組み込まれている。

アーキテクチャ２６は、電源プラットホーム１８のＯＳに当たり、全体処理３６と、割込ハンドラ３８と、スケジューラ４０と、を含む。

全体処理３６は、スイッチング電源装置の起動に際しての初期化処理を行うものであり、突入電流防止回路６にリレー駆動パルスを出力処理する。

割込ハンドラ３８は、ＰＦＣ処理モジュール２８、ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０、保護機能処理モジュール３２、付加機能処理モジュール３４それぞれの処理速度に従い、割り込みレベルを設定している。割り込みレベルとは割込要因（割込要求の発生源）に対して、割込優先順位を決めるためのものである。したがって、割り込みレベルは、最も高い割り込みレベルは、ＰＦＣ処理モジュール２８、ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０の基準タイミングとＡ／Ｄ変換読み取りのため８０ｋＨｚの割り込み処理であり、次いで、４０ｋＨｚの処理速度であるＰＦＣ処理モジュール２８、次いで、２０ｋＨｚの処理速度であるＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０、次いで、１ｋＨｚの処理速度である保護機能処理モジュール３２の順になっている。

スケジューラ４０は、上記割り込みレベルにおいて、空き時間をアイドル処理として約２００Ｈｚの処理速度で付加機能処理モジュール３４による処理が行われるよう管理するようになっている。

図４を参照して電源プラットホーム１８の割込ハンドラ３８の割り込みを説明する。横軸は時間であり、縦軸は割り込みレベルである。Ａは８０ｋＨｚ割り込み処理である。ａ１，ａ２，ａ３，…は、その割り込み処理である。これは４０ｋＨｚや２０ｋＨｚでのデータ読み込み（ＰＦＣ入力電圧、ＰＦＣ入力電流、ＰＦＣ出力電圧、出力電圧、出力電流）の基準タイミングやＡ／Ｄ変換読み取りのためである。Ｂは４０ｋＨｚ処理（より高速処理）であり、ＰＦＣ回路８の制御のためである。ｂ１，ｂ２，…は４０ｋＨｚ処理を示す。Ｃは２０ｋＨｚ処理（高速処理）であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の制御のためである。ｃ１，ｃ２，…は２０ｋＨｚ処理を示す。Ｄは１ｋＨｚ処理（中速処理）であり、保護機能処理である。ｄ１，ｄ２，…はその処理である。Ｅは約２００Ｈｚ（低速処理）であり、付加機能処理のためである。ｅ１，ｅ２，…はその処理である。

図５のフローチャートを参照して、アーキテクチャ１６における全体処理３６を説明すると、処理が開始すると、ＣＰＵ、タイマ、ＯＳ等が初期化される。次いで、突入電流防止回路６にリレー駆動パルスが出力される。突入電流防止抵抗６ａがリレー６ｂで短絡されてスイッチング電源装置が起動する。ＰＦＣ回路８からのＰＦＣ入力電圧が８５Ｖを超えたとき、割込ハンドラ３８が起動される。全体処理３６は、保護機能処理モジュール３２による「中速」処理の起動を許可し、次いで、ＰＦＣ処理モジュール２８による「より高速」処理の起動を許可する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の入力電圧が３００Ｖを超えたとき、全体処理３６はＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０による「高速」処理の起動を許可し、次いで、スケジューラ４０を起動して付加機能処理モジュール３４による処理を起動して終了する。

図６のフローチャートを参照して、アーキテクチャ１６における割込ハンドラ３８の処理を説明すると、処理が開始すると、カウンタＣｎｔ０＝０、カウンタＣｎｔ１＝０にして、８０ｋＨｚでＡ／Ｄ変換、データ取り込み（ＰＦＣ回路８の入力電圧、入力電流、出力電圧、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧、出力電流）の処理（図４のＡ）をする。次いで、ＰＦＣ処理モジュール２８による「より高速」の処理（４０ｋＨｚ処理）の起動がされていると、ＰＦＣ処理モジュール２８により「より高速」で処理し（図４のＢ）、次いで、Ｃｎｔ１＝Ｃｎｔ１＋１にして、Ａ／Ｄ変換、データ取り込み（ＰＦＣ回路８の入力電圧、入力電流、出力電圧、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の出力電圧、出力電流）の処理（図４のＡ）をする。次いで、Ｃｎｔ１＝２になると、Ｃｎｔ０＝Ｃｎｔ０＋１にして、「高速」処理の起動がされていると、「高速」処理をする（図４のＣ）。そして、Ｃｎｔ１＝０にする。一方、Ｃｎｔ１＝２でないが、Ｃｎｔ０＝２０であるときは「中速」の処理を起動がされていると、「中速」の処理（図４のＤ）をしてＣｎｔ０＝０にする。

図７以降のフローチャートを参照して、各処理モジュール２６−３２を説明する。

図７はＰＦＣ処理モジュール２８による４０ｋＨｚ処理（より高速処理）であり、図７で示すように、処理開始によりＰＦＣ処理モジュール２８は、ＰＦＣ制御パルスのパルス幅を算出し、次いで、ＰＷＭタイマをセットして終了する。ＰＷＭタイマとは制御パルスを作り出すための基準となる鋸状波の発振器で予めセットした値と鋸状波の値とが一致したタイミングでパルスをハイレベルにしたりローレベルにしたりすることができる。

図８はＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０による２０ｋＨｚ処理（高速処理）であり、図８で示すように、処理開始によりＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０は、ＤＣ／ＤＣ制御パルスのパルス幅を算出し、次いで、ＰＷＭタイマをセットして終了する。

図９は保護機能処理モジュール３２による１ｋＨｚ処理（中速処理）であり、図９で示すように、処理開始により保護機能処理モジュール３２は、ラッチ回路１８からラッチ信号有りの場合、異常処理をし、ラッチ解除して、終了する。この場合、プログラムで出力パルスを停止し、ラッチを解除し、数パルスのみ出力し、ラッチがかかるかを確認する。ラッチがかからなければ、パルス数を増やして出力して同様の確認をする。これを数回繰り返して正常であれば動作を開始する。何度もラッチがかかるようであれば、アラームを出して動作を停止する。

図１０は付加機能処理モジュール３４による約２００Ｈｚ処理（低速処理）であり、図１０で示すように、処理開始により付加機能処理モジュール３４は、電源プラットホーム２６内でＣＰＵが処理中で無い空き時間に付加機能（例えば表示装置１６への表示、通信、寿命予知、断線予知等）を処理する。なお、通信は外部のパーソナルコンピュータからプログラム等のダウンロードマイクロコンピュータ内部のデータのパーソナルコンピュータへの吸い上げに使用する。

以上説明したように、本実施の形態では、スイッチング電源装置の用途拡大等により仕様の変更や追加等があり、その仕様要求に応じたスイッチング動作に変更する必要がある場合、電源プラットホーム１８では、ＰＦＣ回路８のＰＦＣ出力電圧や、当該スイッチング電源装置の出力電圧、出力電流のデジタル値から、例えば、ＰＦＣ回路８やＤＣ／ＤＣコンバータ１０内部のスイッチング素子のスイッチング動作を定める演算を行うなどして、仕様要求に対応するスイッチング動作を行わせるＰＦＣ制御パルスやＤＣ／ＤＣ制御パルスを生成するＰＦＣ処理モジュール２８、ＤＣ／ＤＣ処理モジュール３０を選択して搭載することにより、仕様要求に応じてスイッチ回路を動作させることができる。そのため、仕様要求に対する高い応答性を担保することができる。

図１は本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置の全体の構成を示す図である。 図２は図１の電源プラットホームの構成を示す図である。 図３は電源プラットホームの処理モジュールの種類を示す図である。 図４は割込ハンドラによる処理を示す図である。 図５はアーキテクチャーの全体処理のフローチャートである。 図６は割込ハンドラの処理のフローチャートである。 図７はＰＦＣ処理モジュールの処理のフローチャートである。 図８はＤＣ／ＤＣ処理モジュールの処理のフローチャートである。 図９は保護機能処理モジュールの処理のフローチャートである。 図１０は付加機能処理モジュールの処理のフローチャートである。

符号の説明

８ ＰＦＣ回路
１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 検出回路
１８ 電源プラットホーム
２８ ＰＦＣ処理モジュール
３０ ＤＣ／ＤＣ処理モジュール
３２ 保護機能処理モジュール
３４ 付加機能処理モジュール

Claims (16)

1. 制御パルスに応答してスイッチング動作するスイッチ回路と、
   このスイッチ回路のスイッチング出力を直流に変換する出力回路と、
   マイクロコンピュータにより構成された電源プラットホームとを備え、
   上記電源プラットホームは、
   上記出力回路の直流出力のデジタル値から上記制御パルスを生成する処理を実行し、かつ、各種モジュールを仕様要求に応じて任意に搭載することが可能になっている、ことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 上記マイクロコンピュータは１個のチップで構成されたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 上記スイッチ回路がＤＣ／ＤＣコンバータとこのＤＣ／ＤＣコンバータの前段に設けられるＰＦＣ回路それぞれのスイッチ回路である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
4. 上記電源プラットホームは、
   上記ＰＦＣ回路のスイッチ回路のスイッチング動作の制御を「より高速」で処理するＰＦＣ処理モジュールと、
   上記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチ回路のスイッチング動作の制御を「高速」で処理するＤＣ／ＤＣ処理モジュールと、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置。
5. 上記「より高速」が４０ｋＨｚであり、
   上記「高速」が２０ｋＨｚである、
   ことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。
6. 上記電源プラットホームは、スイッチング電源装置の状態の検出信号のデジタル値から「中速」で該スイッチング電源装置を保護する処理を行う保護機能処理モジュールを含む、ことを特徴とする請求項４または５に記載のスイッチング電源装置。
7. 上記「中速」が１ｋＨｚである、ことを特徴とする請求項６に記載のスイッチング電源装置。
8. 上記電源プラットホームは、スイッチング電源装置の状態の検出信号のデジタル値から「低速」で当該スイッチング電源装置に付加される機能を処理する付加機能処理モジュール、
   を含む、ことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
9. 上記「低速」が約２００Ｈｚである、ことを特徴とする請求項８に記載のスイッチング電源装置。
10. 上記電源プラットホームは、
    上記ＰＦＣ回路のスイッチ回路のスイッチング動作の制御を「より高速」で処理するＰＦＣ処理モジュールと、
    上記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチ回路のスイッチング動作の制御を「高速」で処理するＤＣ／ＤＣ処理モジュールと、
    スイッチング電源装置の状態を検出する検出信号のデジタル値から「中速」で該スイッチング電源装置を保護する処理を行う保護機能処理モジュールと、
    上記検出信号のデジタル値から「低速」で当該スイッチング電源装置に付加される機能を処理する付加機能処理モジュールと、
    を含む、ことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置。
11. 上記電源プラットホームは、
    複数のＰＦＣ、ＤＣ／ＤＣ、保護機能、および付加機能の各処理モジュールから、当該スイッチング電源装置の仕様要求に合った処理モジュールを組み合わせることが可能とされている、ことを特徴とする請求項１０に記載のスイッチング電源装置。
12. プログラム資産活用の観点から、共通のプログラム部分を有する複数のＰＦＣ処理モジュールの中から任意の１つを選択して上記電源プラットホーム上に組み込むことを可能とした、ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のスイッチング電源装置。
13. プログラム資産活用の観点から、共通のプログラム部分を有する複数のＤＣ／ＤＣ処理モジュールの中から任意の１つを選択して上記電源プラットホーム上に組み込むことを可能とした、ことを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
14. 複数種類の保護機能処理モジュールの中から任意の１つ以上を選択して上記電源プラットホーム上に組み込むことを可能とした、ことを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
15. 複数種類の付加機能処理モジュールの中から任意の１つ以上を選択して上記電源プラットホーム上に組み込むことを可能とした、ことを特徴とする請求項１０ないし１４のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
16. 上記電源プラットホームは、アーキテクチャーを備え、
    上記アーキテクチャーは、初期化、割込ハンドラの起動、スケジューラの起動を制御するプログラムを有し、
    上記割込ハンドラは、ＰＦＣ処理モジュール、ＤＣ／ＤＣ処理モジュールおよび保護機能処理モジュールのうち、処理速度が高い処理モジュールほど、割り込み優先し、
    上記スケジューラは、空き時間に付加機能処理モジュールを処理する、ことを特徴とする請求項１０ないし１４のいずれかに記載のスイッチング電源装置。

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