JP2008141845A - 電源制御装置、電子機器および電源制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】スイッチング損失による電力損失を抑制でき、且つ出力電圧値を十分に安定させることが可能な電源制御装置を実現する。
【解決手段】電源制御装置141は、PWM信号によってDC/DCコンバータ142内のスイッチング素子がスイッチング制御されるスイッチング動作期間(ON期間)とスイッチング素子がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間(OFF期間)とを交互に繰り返す制御モード(PFMモード)で、スイッチング素子を制御する。さらに、電源制御装置141は、DC/DCコンバータ142によって駆動される負荷に流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかをスイッチング動作停止期間(OFF期間)毎に判別し、その判別結果に応じて、次のスイッチング動作期間(ON期間)に出力すべきPWM信号のパルス幅(オンデューティ比)を調整する。
【選択図】 図4
【解決手段】電源制御装置141は、PWM信号によってDC/DCコンバータ142内のスイッチング素子がスイッチング制御されるスイッチング動作期間(ON期間)とスイッチング素子がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間(OFF期間)とを交互に繰り返す制御モード(PFMモード)で、スイッチング素子を制御する。さらに、電源制御装置141は、DC/DCコンバータ142によって駆動される負荷に流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかをスイッチング動作停止期間(OFF期間)毎に判別し、その判別結果に応じて、次のスイッチング動作期間(ON期間)に出力すべきPWM信号のパルス幅(オンデューティ比)を調整する。
【選択図】 図4
Description
本発明はパルス幅変調信号によってスイッチング電源回路を制御する電源制御装置および同電源制御装置を含む電子機器に関する。
一般に、コンピュータ、PDA、等の電子機器においては、DC/DCコンバータとして機能するスイッチング電源回路が設けられている。スイッチング電源回路は、パルス幅変調信号(PWM信号)によってスイッチング制御されるスイッチング素子を含んでいる。
スイッチング素子を制御するための制御モードとしては、パルス周波数変調モード(PFMモード)が知られている。PFMモードは、PWM信号によってスイッチング素子がスイッチング制御されるスイッチング動作期間とスイッチング素子がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間とを交互に繰り返す制御モードである。
すなわち、PFMモードにおいては、スイッチング電源回路の出力電圧値がある上限値に達すると、PWM信号によるスイッチング素子のスイッチング制御は停止され、スイッチング素子はオフ状態に設定される。そして、スイッチング電源回路の出力電圧値がある下限値にまで低下すると、PWM信号によるスイッチング素子のスイッチング制御が再開される。
このように、PFMモードにおいては、出力電圧値が上限値と下限値との間の電圧範囲内に収まるように、スイッチング素子は、間欠的にスイッチング制御される。このため、PFMモードにおいては、スイッチング損失(スイッチング素子のドライブ損失)によるスイッチング電源回路の電力損失を、スイッチング素子が常時スイッチング制御されるパルス幅変調モード(PWMモード)よりも、少なくすることができる。
特許文献1には、PWMモードとPFMモードとを切り替え可能なスイッチング電源装置が開示されている。このスイッチング電源装置においては、PFMモードでは、常にパルス幅が固定のPWM信号が用いられる。
特開2005−12979号公報
しかし、パルス幅が固定のPWM信号を使用する従来のPFMモードにおいては、負荷電流の変動に起因して、スイッチング電源回路の出力電圧値にリップルが生じやすい。
すなわち、上述したように、スイッチング電源回路の出力電圧値が下限値にまで低下すると、PWM信号によるスイッチング素子のスイッチング制御が再開される。しかし、負荷電流が大きいと、たとえスイッチング制御を再開しても、出力電圧値を直ぐには上昇させることができない。このため、出力電圧値が下限値よりも低下してしまう可能性がある。
また、上述したように、スイッチング電源回路の出力電圧値が上限値にまで上昇すると、PWM信号によるスイッチング素子のスイッチング制御は停止される。しかし、負荷電流が小さいと、スイッチング素子が一回オンされる度に出力電圧値が大きく上昇する。このため、出力電圧値が上限値を超えてしまう可能性がある。
したがって、スイッチング損失による電力損失を抑制でき、且つ出力電圧値を十分に安定させることが可能な新たな電源制御機能の実現が必要である。
本発明は上述の事情を考慮してなされたものであり、スイッチング損失による電力損失を抑制でき、且つ出力電圧値を十分に安定させることが可能な電源制御装置、電子機器および電源制御方法を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明は、スイッチング素子を含むスイッチング電源回路を制御する電源制御装置であって、前記スイッチング素子をスイッチング制御するためのパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調信号出力部と、前記パルス幅変調信号によって前記スイッチング素子がスイッチング制御されるスイッチング動作期間と前記スイッチング素子がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間とを交互に繰り返す制御モードで前記スイッチング素子を制御する動作制御手段であって、前記スイッチング電源回路の出力電圧値が第1のしきい値電圧にまで上昇した場合には、前記パルス幅変調信号出力部が前記パルス幅変調信号を出力することを禁止し、前記出力電圧値が前記第1のしきい値電圧よりも低い第2のしきい値電圧にまで低下した場合には、前記パルス幅変調信号出力部が前記パルス幅変調信号を出力することを許可する動作制御手段と、前記スイッチング動作停止期間中における前記出力電圧値の単位時間当たりの変化量を示す出力電圧傾き値を、前記スイッチング動作停止期間毎に算出する傾き算出手段と、今回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値と前記今回のスイッチング動作停止期間に先行する前回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値とを比較することによって、前記スイッチング電源回路によって駆動される負荷に流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかを判別する負荷電流変化傾向判別手段と、前記負荷電流が増加傾向であることが判別された場合、前記今回のスイッチング動作停止期間に後続する次のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部が出力すべき前記パルス幅変調信号のパルス幅を、前記今回のスイッチング動作停止期間に先行するスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部から出力された前記パルス幅変調信号のパルス幅よりも所定量広げ、前記負荷電流が減少傾向であることが判別された場合、前記次のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部が出力すべき前記パルス幅変調信号のパルス幅を、前記今回のスイッチング動作停止期間に先行するスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部から出力された前記パルス幅変調信号のパルス幅よりも所定量狭めるパルス幅制御手段とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチング損失による電力損失を抑制でき、且つ出力電圧値を十分に安定させることが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
まず、図1および図2を参照して、本発明の一実施形態に係る電子機器の構成について説明する。この電子機器は、例えば、コンピュータ、PDA、のような携帯型電子機器として実現されている。以下では、この電子機器が、バッテリ駆動可能なノートブック型の携帯型パーソナルコンピュータ10として実現されている場合を想定する。
まず、図1および図2を参照して、本発明の一実施形態に係る電子機器の構成について説明する。この電子機器は、例えば、コンピュータ、PDA、のような携帯型電子機器として実現されている。以下では、この電子機器が、バッテリ駆動可能なノートブック型の携帯型パーソナルコンピュータ10として実現されている場合を想定する。
図1はコンピュータ10のディスプレイユニットを開いた状態における斜視図である。本コンピュータ10は、コンピュータ本体11と、ディスプレイユニット12とから構成されている。ディスプレイユニット12には、LCD(Liquid Crystal Display)17から構成される表示装置が組み込まれており、そのLCD17の表示画面はディスプレイユニット12のほぼ中央に位置されている。
ディスプレイユニット12は、コンピュータ本体11に対して開放位置と閉塞位置との間を回動自在に取り付けられている。コンピュータ本体11はバッテリが取り外し自在に装着可能な薄い箱形の筐体を有している。バッテリは、コンピュータ本体11の例えば底面に設けられたバッテリ収容部に装着される。
コンピュータ本体11の上面にはキーボード13、本コンピュータ1をパワーオン/オフするためのパワーボタンスイッチ14、およびタッチパッド15などが配置されている。本コンピュータ1は、バッテリ動作時間を延ばすために、スタンバイモードのような省電力モードを有している。本コンピュータ1が省電力モードに設定されている状態においては、負荷回路として機能する本コンピュータ1内のデバイスに流れる電流は非常に小さくなる。このような軽負荷状態においては、デバイスへ供給する電力に比べ、スイッチング電源回路によって損失される電力の比率が無視できなくなる。このため、本コンピュータ1内に設けられた電源制御装置は、スイッチング損失が少ないという特徴を持つ上述のパルス周波数変調モード(PFMモード)で、スイッチング電源回路を制御するように構成されている。
次に、図2を参照して、本コンピュータ10のシステム構成について説明する。
本コンピュータ10は、図2に示されているように、CPU111、ノースブリッジ114、主メモリ115、グラフィクスコントローラ116、サウスブリッジ117、BIOS−ROM120、ハードディスクドライブ(HDD)121、光ディスクドライブ(ODD)122、各種PCIデバイス123,124、エンベデッドコントローラ/キーボードコントローラIC(EC/KBC)140、電源制御装置141、およびDC/DCコンバータ142等を備えている。
CPU111は本コンピュータ10の動作を制御するために設けられたプロセッサであり、HDD121から主メモリ115にロードされるオペレーティングシステムおよび各種アプリケーションプログラムを実行する。また、CPU111は、BIOS−ROM120に格納されたシステムBIOS(Basic Input Output System)も実行する。システムBIOSはハードウェア制御のためのプログラムである。
ノースブリッジ114はCPU111のローカルバスとサウスブリッジ117との間を接続するブリッジデバイスである。ノースブリッジ114には、主メモリ115をアクセス制御するメモリコントローラも内蔵されている。また、ノースブリッジ114は、PCI Expressバスなどを介してグラフィクスコントローラ116との通信を実行する機能も有している。
グラフィクスコントローラ116は本コンピュータ10のディスプレイモニタとして使用されるLCD17を制御する表示コントローラである。このグラフィクスコントローラ116はビデオメモリ(VRAM)116Aを有しており、OS/アプリケーションプログラムによってビデオメモリ(VRAM)116Aに書き込まれた表示データから、LCD17に表示すべき表示イメージを形成する映像信号を生成する。
サウスブリッジ117はPCIバス1に接続されており、PCIバス1を介してPCIデバイス123,124との通信を実行する。また、サウスブリッジ117は、ハードディスクドライブ(HDD)121および光ディスクドライブ(ODD)122を制御するための、IDE(Integrated Drive Electronics)コントローラまたはSerial ATAコントローラを内蔵している。
エンベデッドコントローラ/キーボードコントローラIC(EC/KBC)140は、電力管理のためのエンベデッドコントローラと、キーボード(KB)13およびタッチパッド15を制御するためのキーボードコントローラとが集積された1チップマイクロコンピュータである。このEC/KBC140は、ユーザによるパワーボタンスイッチ14の操作に応じて本コンピュータ10をパワーオン/パワーオフする機能を有している。本コンピュータ10のパワーオン/パワーオフの制御は、EC/KBC140と電源制御装置141との共同動作によって実行される。
電源制御装置141はパルス幅変調信号(PWM信号)によってDC/DCコンバータ142を制御するデバイスであり、DSP(Digital Signal Processor)または1チップマイクロコンピュータによって実現されている。以下では、電源制御装置141がDSPによって実現されている場合を想定する。
電源制御装置141は、PWM信号によってDC/DCコンバータ142内のスイッチング素子がスイッチング制御されるスイッチング動作期間(ON期間)とスイッチング素子がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間(OFF期間)とを交互に繰り返す制御モード(PFMモード)で、スイッチング素子を制御する。このPFMモードを用いてDC/DCコンバータ142を制御するために、電源制御装置141は、DC/DCコンバータ142の出力電圧値が上限値(第1のしきい値電圧)にまで上昇した場合には、PWM信号の発生を禁止してスイッチング素子のスイッチング制御を停止し、出力電圧値が下限値(第2のしきい値電圧)にまで低下した場合には、PWM信号の発生を許可して、PWM信号によるスイッチング素子のスイッチング制御を再開する。第2のしきい値電圧は、第1のしきい値電圧よりも低い値に設定されている。
さらに、電源制御装置141は、DC/DCコンバータ142によって駆動される負荷に流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかをスイッチング動作停止期間(OFF期間)毎に判別し、その判別結果に応じて、次のスイッチング動作期間(ON期間)に出力すべきPWM信号のパルス幅(オンデューティ比)を調整するパルス幅調整機能を有している。このパルス幅調整機能により、たとえ負荷電流が比較的大きく増加または減少しても、DC/DCコンバータ142の出力電圧に発生するリップルを抑制することが可能となり、出力電圧値を安定化させることができる。
DC/DCコンバータ142は、PWM信号によって制御されるスイッチング電源回路である。DC/DCコンバータ142は、コンピュータ本体11に装着されたバッテリ150からのDC電源電圧値またはコンピュータ本体11に外部電源として接続されるACアダプタ143からのDC電源電圧値を、所望の出力DC電源電圧値(以下では、単に出力電圧値と称する)に変換する。このDC/DCコンバータ142は、PWM信号によってスイッチング制御されるスイッチング素子を含んでいる。
次に、図3を参照して、電源制御装置141およびDC/DCコンバータ142それぞれの構成例を説明する。
DC/DCコンバータ142は、上述のスイッチング素子として機能するトランジスタ(FET)501と、転流(free wheel)ダイオード502と、コイル(インダクタ)503と、コンデンサ504とから構成されている。コイル(インダクタ)503とコンデンサ504は、LCフィルタ回路として機能する。
DC/DCコンバータ142は、入力電圧Vinを出力電圧Voutに変換する。出力電圧Voutは、コンピュータ10内のあるデバイス100に動作電源として供給される。デバイス100は、図2に示したコンポーネント中の任意の一つである。もちろん、出力電圧Voutを複数のデバイスに共通に供給するようにしてもよい。
電源制御装置141は、出力電圧入力部601、処理部602、メモリ603、およびPWM信号出力部604を備えている。
出力電圧入力部601はDC/DCコンバータ142の出力端子に接続されており、DC/DCコンバータ142の出力電圧Voutを入力する。出力電圧入力部601は、出力電圧Voutの値をアナログ値からデジタル値に変換するA/D変換部を含んでいる。
処理部602は、出力電圧Voutの値が所定の電圧範囲内に収まるようにPFMモードでDC/DCコンバータ142を制御するための電源制御処理を実行するプロセッサである。処理部602は、メモリ603に格納された、電源制御処理の手順が記述されている制御プログラムを実行することによって、電源制御処理を実行する。
電源制御処理は、出力電圧Voutの値が第1のしきい値電圧にまで上昇した時にPWM信号出力部604がPWM信号を出力することを禁止し、出力電圧Voutの値が第2のしきい値電圧にまで低下した時にPWM信号出力部604がPWM信号を出力することを許可する動作制御処理を含む。さらに、電源制御処理は、DC/DCコンバータ142によって駆動される負荷に流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかをスイッチング動作停止期間(OFF期間)毎に判別し、その判別結果に応じて、次のスイッチング動作期間(ON期間)にPWM信号出力部604から出力すべきPWM信号のパルス幅(オンデューティ比)を調整するパルス幅調整処理も含んでいる。
PWM信号出力部604は、FET501をスイッチング制御するためのPWM信号を発生する。このPWM信号出力部604は、処理部602からの動作制御信号に応じて、PWM信号を発生する発振動作を実行または停止するように構成されている。さらに、PWM信号出力部604は、処理部602から送信される、パルス幅を指定する制御データに応じて、PWM信号のパルス幅(オンデューティ比)を変更するように構成されている。
次に、図4を参照して、処理部602の機能構成を説明する。
処理部602は、上述の電源制御処理を実行するための機能モジュールとして、動作制御部701、傾き算出部702、負荷電流変化傾向判別部703、およびパルス幅制御部704を備えている。
動作制御部701は、PWM信号出力部604の発振動作を許可または禁止することによって、PWM信号によってFET501がスイッチング制御されるスイッチング動作期間(ON期間)とFET501がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間(OFF期間)とを交互に繰り返す制御モード(PFMモード)でFET501を制御する。この制御を実現するために、動作制御部701は、出力電圧部601によって入力されたDC/DCコンバータ142の出力電圧値Voutを、第1のしきい値電圧および第2のしきい値電圧の各々と比較する。スイッチング動作期間(ON期間)においては、FET501は、PWM信号によってオン状態とオフ状態とを繰り返す。スイッチング動作期間(ON期間)において出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧にまで上昇した場合には、動作制御部701は、動作停止を指示するOFF信号をPWM信号出力部604に送出することによって、PWM信号出力部604がPWM信号を出力することを禁止し、これによってFET501のスイッチング制御を停止する。そして、スイッチング動作停止期間(OFF期間)において出力電圧値Voutが第2のしきい値電圧にまで低下した場合には、動作制御部701は、動作開始を指示するON信号をPWM信号出力部604に送出することによって、PWM信号出力部604がPWM信号を出力することを許可し、これによってFET501のスイッチング制御を再開する。
傾き算出部702は、スイッチング動作停止期間中(OFF期間)における出力電圧値Voutの単位時間当たりの変化量を示す出力電圧傾き値を、スイッチング動作停止期間(OFF期間)毎に算出する。出力電圧傾き値は、dv/dt によって与えられる。ここで、dvは、スイッチング動作停止期間(OFF期間)の出力電圧値Voutの変化量を示し、dt は、スイッチング動作停止期間(OFF期間)の時間長を示す。
スイッチング動作停止期間(OFF期間)においては、FET501はオフ状態に維持されているので、コンデンサ504に蓄積されているエネルギーが放電されることによって負荷に電力が供給される。このため、スイッチング動作停止期間(OFF期間)においては、出力電圧値Voutの単位時間当たりの変化量(低下量)、つまり、出力電圧傾き値(dv/dt)は、負荷に流れる電流(負荷電流)が大きいほど、大きくなる。
基本的には、dvとしては、第1のしきい値電圧と前記第2のしきい値電圧との間の差分値を使用することができる。したがって、傾き算出部702は、出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧に達した時点から第2のしきい値電圧にまで低下されるまでの経過時間(OFF期間の時間長dt)をカウントする処理と、第1のしきい値電圧と第2のしきい値電圧との間の差分値(出力電圧値Voutの変化量dv)を、カウントされた経過時間(dt)によって割ることによって得られた商(dv/dt)を、出力電圧傾き値として算出する処理を行えばよい。もちろん、OFF期間開始時の実際の出力電圧値VoutとOFF期間終了時の実際の出力電圧値Voutとの間の差分値を算出し、それをdvとして用いても良い。また、傾き算出部702は、動作制御部701から出力されるON/OFF信号に基づいて、OFF期間の開始および終了を検知することができる。
負荷電流変化傾向判別部703は、今回のスイッチング動作停止期間([OFF]n)に対応する出力電圧傾き値([dv/dt]n)と、今回のスイッチング動作停止期間([OFF]n)に先行する前回のスイッチング動作停止期間([OFF]n-1)に対応する出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)とを比較することによって、DC/DCコンバータ142によって駆動される負荷に流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかを判別する。
今回のスイッチング動作停止期間([OFF]n)で算出された出力電圧傾き値([dv/dt]n)が前回のスイッチング動作停止期間([OFF]n-1)で算出された出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)よりも所定量大きい場合、負荷電流変化傾向判別部703は、負荷電流が増加傾向であると判定する。一方、今回のスイッチング動作停止期間([OFF]n)で算出された出力電圧傾き値([dv/dt]n)が前回のスイッチング動作停止期間([OFF]n-1)で算出された出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)よりも所定量小さい場合、負荷電流変化傾向判別部703は、負荷電流が減少傾向であると判定する。
パルス幅制御部704は、PWM信号出力部604を制御して、PWM信号出力部604から出力されるPWM信号のパルス幅を制御する。
すなわち、負荷電流が増加傾向であることが負荷電流変化傾向判別部703によって判別されたならば、パルス幅制御部704は、今回のスイッチング動作停止期間([OFF]n)に後続する次のスイッチング動作期間([ON]n)にPWM信号出力部604が出力すべきPWM信号のパルス幅を、今回のスイッチング動作停止期間([OFF]n)に先行するスイッチング動作期間([ON]n-1)にPWM信号出力部604から出力されたPWM信号のパルス幅よりも所定量広げる。
一方、負荷電流が減少傾向であることが負荷電流変化傾向判別部703によって判別されたならば、パルス幅制御部704は、今回のスイッチング動作停止期間([OFF]n)に後続する次のスイッチング動作期間([ON]n)にPWM信号出力部604が出力すべきPWM信号のパルス幅を、今回のスイッチング動作停止期間([OFF]n)に先行するスイッチング動作期間([ON]n-1)にPWM信号出力部604から出力されたPWM信号のパルス幅よりも所定量狭める。
上述したように、PWM信号出力部604は、パルス幅を指定する制御データに応じてPWM信号のパルス幅(オンデューティ比)を変更するように構成されている。このため、パルス幅制御部704は、負荷電流変化傾向判別部703による負荷電流の増加/減少の判別結果に応じて、パルス幅を指定する制御データを生成し、そしてその生成した制御データを負荷電流変化傾向判別部703に送出する。この結果、PWM信号出力部604から出力されるPWM信号のパルス幅は、負荷電流が増加傾向にあるときはパルス幅が広がり、負荷電流が減少傾向にあるときはパルス幅が狭まるように、負荷電流の増加/減少の判別結果に応じて自動調節される。
本実施形態のPFMモードにおいては、上述したように、DC/DCコンバータ142の出力電圧値Voutが第2のしきい値電圧にまで低下すると、PWM信号によるFET501のスイッチング制御が再開される。
この場合、もし負荷電流が増加傾向であるならば、今までのパルス幅よりも広いパルス幅を有するPWM信号によって、FET501のスイッチング制御が再開される。このため、スイッチング制御の再開後直ぐに、出力電圧値Voutは上昇し始める。よって、たとえ負荷電流が大きく増加しても、出力電圧値Voutが下限値(第2のしきい値電圧)よりも大幅に低下してしまうことを防止することが可能となる。
また、もし負荷電流が減少傾向であるならば、今までのパルス幅よりも狭いパルス幅を有するPWM信号によって、FET501のスイッチング制御が再開される。このため、たとえ負荷電流が大幅に減少しても、FET501の一回のオン当たりに出力電圧値Voutが上昇する量が過度に増加することがなくなるので、出力電圧値Voutが上限値(第1のしきい値電圧)を大幅に超えてしまうことを防止することが可能となる。
図5は、本実施形態のPFMモードにおける、出力電圧値VoutとPWM信号との関係が示されている。
本実施形態のPFMモードにおいては、出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧(VH)と第2のしきい値電圧(VL)との間の電圧範囲内にほぼ収まるように、スイッチング動作期間(ON期間)とスイッチング動作停止期間(OFF期間)とが交互に繰り返えされる。スイッチング動作期間(ON期間)においては、FET501はPWM信号によって駆動されるが、スイッチング動作停止期間(OFF期間)においては、FET501はオフ状態に維持される。スイッチング動作期間(ON期間)があまりに長くなると、FET501のスイッチング回数が増加し、これによって、FET501が常時スイッチング制御されるPWMモードと同レベルのスイッチング損失が発生してしまう。本実施形態のPFMモードでは、PWM信号のパルス幅を自動的に調節することができるので、各スイッチング動作期間(ON期間)の長さをある所望の長さの範囲内に収めることができる。
いま、PWM信号の周期がT、PWM信号のパルス幅の初期値がt1であるとする。最初のON期間1においては、パルス幅t1のPWM信号によってFET501がスイッチング制御されることにより、出力電圧値Voutは徐々に増加する。パルス幅t1の期間だけFET501がオン状態に設定されるので、PWM信号のパルスがFET501に供給されるたびに、出力電圧値Voutは段階的に上昇する。
出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧(VH)に達すると、PWM信号の発生が停止される(OFF期間2)。OFF期間2においては、FET501はオフ状態であるので、コンデンサ504に蓄えられたエネルギーのみが負荷に電力として供給される。負荷電流が大きいほど、出力電圧値Voutの低下速度は速くなり、負荷電流が小さいほど、出力電圧値Voutの低下速度は遅くなる。
出力電圧値Voutが第2のしきい値電圧(VL)にまで低下すると、PWM信号が発生され、FET501のスイッチング制御が再開される(ON期間3)。このON期間3においても、パルス幅t1のPWM信号によってFET501がスイッチング制御される。
出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧(VH)に達すると、PWM信号の発生が停止される(OFF期間4)。もし、負荷電流が増加傾向にあるならば、図示のように、今回のOFF期間4における出力電圧値Voutの低下速度は前回のOFF期間2よりも速くなる。つまり、今回のOFF期間4における出力電圧傾き値([dv/dt]n)は、前回のOFF期間2における出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)よりも大きくなる。この場合、PWM信号のパルス幅の補正が行われ、現在のパルス幅t1よりも所定量広いパルス幅t2が、次のON期間5で使用すべきPWM信号のパルス幅として決定される。
出力電圧値Voutが第2のしきい値電圧(VL)にまで低下すると、パルス幅t2のPWM信号が発生され、パルス幅t2のPWM信号によってFET501のスイッチング制御が再開される(ON期間5)。このため、負荷電流が増加しているにもかかわらず、スイッチング制御の再開後直ぐに、出力電圧値Voutは上昇し始める。よって、出力電圧値Voutが第2のしきい値電圧(VL)よりも大幅に低下してしまうことを防止することが可能となる。さらに、前回のON期間3とほぼ同等の期間内に、出力電圧値Voutは第1のしきい値電圧(VH)に達する。したがって、ON期間の長さの増加に起因する電力損失の増加を防止することができる。
出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧(VH)に達すると、PWM信号の発生が停止される(OFF期間6)。もし、負荷電流が減少傾向にあるならば、図示のように、今回のOFF期間6における出力電圧値Voutの低下速度は前回のOFF期間4よりも遅くなる。つまり、今回のOFF期間6における出力電圧傾き値([dv/dt]n)は、前回のOFF期間4における出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)よりも小さくなる。この場合、PWM信号のパルス幅の補正が行われ、現在のパルス幅t2よりも所定量狭いパルス幅t3が、次のON期間7で使用すべきPWM信号のパルス幅として決定される。
出力電圧値Voutが第2のしきい値電圧(VL)にまで低下すると、パルス幅t3のPWM信号が発生され、パルス幅t3のPWM信号によってFET501のスイッチング制御が再開される(ON期間7)。このため、負荷電流が減少しているにもかかわらず、FET501の一回のオン当たりに出力電圧値Voutが上昇する幅を制限することができ、出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧(VH)を大幅に超えてしまうことを防止することが可能となる。
もし、ON期間5において、図5にPWM’として示されているような固定のパルス幅のPWM信号を使用したならば、出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧(VH)にまで上昇するまでに多くの時間が必要となり、これによって電力損失の増加を招くことになる。また、負荷電流の大きさによっては、ON期間5の開始時において、出力電圧値Voutが第2のしきい値電圧(VL)よりも低下してしまう可能性もある。
次に、図6のフローチャートを参照して、電源制御装置141の処理部602の動作を説明する。
処理部602は、まず、PWM信号の周期Tを初期値T_0に設定し、またPWM信号のパルス幅tonを初期値ton_0に設定する(ステップS11)。そして、処理部602は、PWM信号出力部604を間欠的に動作させる電源制御処理を開始する。この電源制御処理においては、処理部602は、PWM信号出力部604にON信号を送信して、PWM信号出力部604にPWM信号の出力を開始させた後、出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧(VH)以上になったか否かを判別する(ステップS12)。
出力電圧値Voutが第1のしきい値電圧(VH)以上になると(ステップS12のYES)、処理部602は、PWM信号出力部604にOFF信号を送信することによってPWM信号出力部604がPWM信号を出力することを禁止し、これによってFET501のスイッチング動作を停止する(ステップS13)。FET501はオフ状態に維持される(OFF期間)。OFF期間においては、処理部602は、負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかを判別し、その判別結果に基づいて、次のON期間に使用すべきPWM信号のパルス幅を決定する処理(ton補正処理)を実行する(ステップS14)。
OFF期間において出力電圧値Voutが第2のしきい値電圧(VL)以下になると(ステップS15のYES)、処理部602は、PWM信号出力部604にON信号を送信することによってPWM信号出力部604がPWM信号を出力することを許可し、これによってFET501のスイッチング動作を再開する(ステップS16)。FET501はPWM信号によってスイッチング制御される(ON期間)。このON期間においては、直前のOFF期間において決定されたパルス幅を有するPWM信号がPWM信号出力部604から出力される。
次に、図7のフローチャートを参照して、処理部602によって実行されるton補正処理の手順を説明する。処理部602は、OFF期間毎に以下の処理を実行する。
すなわち、処理部602は、今回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧値Voutの変化量(dv)と今回のOFF期間の時間長(dt)とから、今回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n)を算出する(ステップS21)。次いで、処理部602は、今回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n)と、前回のOFF期間([OFF]n-1)に対応する出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)とを比較することによって、負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかを判別する(ステップS22,S23)。
今回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n)が前回のOFF期間([OFF]n-1)に対応する出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)よりも所定量大きいならば(ステップS22のYES)、処理部602は、負荷電流が増加傾向であると判定し、次のON期間に出力すべきPWM信号のパルス幅を、現在のPWM信号のパルス幅tonよりも所定量(Δt)だけ広いパルス幅に設定する(ステップS24)。
一方、今回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n)が前回のOFF期間([OFF]n-1)に対応する出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)よりも所定量小さいならば(ステップS23のYES)、処理部602は、負荷電流が減少傾向であると判定し、次のON期間に出力すべきPWM信号のパルス幅を、現在のPWM信号のパルス幅tonよりも所定量(Δt)だけ狭いパルス幅に設定する(ステップS25)。
この後、処理部602は、今回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n)を、前回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)として保存する(ステップS26)。
一方、今回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n)が前回のOFF期間([OFF]n-1)に対応する出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)よりも所定量小さいならば(ステップS23のYES)、処理部602は、負荷電流が減少傾向であると判定し、次のON期間に出力すべきPWM信号のパルス幅を、現在のPWM信号のパルス幅tonよりも所定量(Δt)だけ狭いパルス幅に設定する(ステップS25)。
この後、処理部602は、今回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n)を、前回のOFF期間([OFF]n)の出力電圧傾き値([dv/dt]n-1)として保存する(ステップS26)。
なお、Δtは必ずしも固定値である必要はなく、例えば、([dv/dt]n)と([dv/dt]n-1)との間の差分値に応じて変化する、可変のΔtを使用してもよい。
以上のように、本実施形態においては、負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかに応じて、PFMモードにおけるPWM信号のパルス幅が自動的に調節される。したがって、出力電圧のリップルを最小限に抑えることができ、出力電圧値を十分に安定させることが可能となる。また負荷電流が増加してもスイッチング動作期間を一定長の範囲内に抑えることができるので、スイッチング動作期間が延びることに起因するDC/DCコンバータ142の電力損失の増大を抑制することができる。
また、本実施形態においては、負荷電流の値そのものを測定するのではなく、今回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値と前回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値とを比較することによって負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかを判別しているので、PWM信号のパルス幅を所定量だけ増加または減少するという簡単な制御のみで、PWM信号のパルス幅を精度良く調整することができる。さらに、出力電量を検出するための専用の回路、および負荷電流の値それぞれに対応するPWM信号のパルス幅を保持するテーブル等を設ける必要がないので、簡単な構成で、スイッチング損失による電力損失を抑制でき、且つ出力電圧値を十分に安定させることが可能となる。
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組み合わせてもよい。
141…電源制御装置、142…DC/DCコンバータ(スイッチング電源回路)、601…出力電圧入力部、602…処理部、603…メモリ、604…PWM信号出力部、701…動作制御部、702…傾き算出部、703…負荷電流変化傾向判別部、704…パルス幅制御部。
Claims (11)
- スイッチング素子を含むスイッチング電源回路を制御する電源制御装置であって、
前記スイッチング素子をスイッチング制御するためのパルス幅変調信号を出力するパルス幅変調信号出力部と、
前記パルス幅変調信号によって前記スイッチング素子がスイッチング制御されるスイッチング動作期間と前記スイッチング素子がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間とを交互に繰り返す制御モードで前記スイッチング素子を制御する動作制御手段であって、前記スイッチング電源回路の出力電圧値が第1のしきい値電圧にまで上昇した場合には、前記パルス幅変調信号出力部が前記パルス幅変調信号を出力することを禁止し、前記出力電圧値が前記第1のしきい値電圧よりも低い第2のしきい値電圧にまで低下した場合には、前記パルス幅変調信号出力部が前記パルス幅変調信号を出力することを許可する動作制御手段と、
前記スイッチング動作停止期間中における前記出力電圧値の単位時間当たりの変化量を示す出力電圧傾き値を、前記スイッチング動作停止期間毎に算出する傾き算出手段と、
今回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値と前記今回のスイッチング動作停止期間に先行する前回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値とを比較することによって、前記スイッチング電源回路によって駆動される負荷に流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかを判別する負荷電流変化傾向判別手段と、
前記負荷電流が増加傾向であることが判別された場合、前記今回のスイッチング動作停止期間に後続する次のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部が出力すべき前記パルス幅変調信号のパルス幅を、前記今回のスイッチング動作停止期間に先行するスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部から出力された前記パルス幅変調信号のパルス幅よりも所定量広げ、前記負荷電流が減少傾向であることが判別された場合、前記次のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部が出力すべき前記パルス幅変調信号のパルス幅を、前記今回のスイッチング動作停止期間に先行するスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部から出力された前記パルス幅変調信号のパルス幅よりも所定量狭めるパルス幅制御手段とを具備することを特徴とする電源制御装置。 - 前記負荷電流変化傾向判別手段は、前記今回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値が前記前回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値よりも所定量大きい場合、前記負荷電流が増加傾向であると判定し、前記今回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値が前記前回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値よりも所定量小さい場合、前記負荷電流が減少傾向であると判定することを特徴とする請求項1記載の電源制御装置。
- 前記パルス幅変調信号出力部は、制御データに応じて前記パルス幅変調信号のパルス幅を変更するように構成されており、
前記パルス幅制御手段は、前記負荷電流変化傾向判別手段による判別結果に応じて、前記制御データを生成することを特徴とする請求項1記載の電源制御装置。 - 前記傾き算出手段は、前記出力電圧値が前記第1のしきい値電圧に達した時点から前記第2のしきい値電圧にまで低下されるまでの経過時間をカウントする処理と、前記第1のしきい値電圧と前記第2のしきい値電圧との間の差分値を前記カウントされた経過時間によって割ることによって得られた商を前記出力電圧傾き値として算出する処理とを実行することを特徴とする請求項1記載の電源制御装置。
- デバイスと、
パルス幅変調信号によってスイッチング制御されるスイッチング素子を含み、前記デバイスに動作電源を出力するスイッチング電源回路と、
前記パルス幅変調信号を出力するパルス幅変調信号出力部と、
前記パルス幅変調信号によって前記スイッチング素子がスイッチング制御されるスイッチング動作期間と前記スイッチング素子がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間とを交互に繰り返す制御モードで前記スイッチング素子を制御する動作制御手段であって、前記スイッチング電源回路の出力電圧値が第1のしきい値電圧にまで上昇した場合には、前記パルス幅変調信号出力部が前記パルス幅変調信号を出力することを禁止し、前記出力電圧値が前記第1のしきい値電圧よりも低い第2のしきい値電圧にまで低下した場合には、前記パルス幅変調信号出力部が前記パルス幅変調信号を出力することを許可する動作制御手段と、
前記スイッチング動作停止期間中における前記出力電圧値の単位時間当たりの変化量を示す出力電圧傾き値を、前記スイッチング動作停止期間毎に算出する傾き算出手段と、
今回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値と前記今回のスイッチング動作停止期間に先行する前回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値とを比較することによって、前記デバイスに流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかを判別する負荷電流変化傾向判別手段と、
前記負荷電流が増加傾向であることが判別された場合、前記今回のスイッチング動作停止期間に後続する次のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部が出力すべき前記パルス幅変調信号のパルス幅を、前記今回のスイッチング動作停止期間に先行するスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部から出力された前記パルス幅変調信号のパルス幅よりも所定量広げ、前記負荷電流が減少傾向であることが判別された場合、前記次のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部が出力すべき前記パルス幅変調信号のパルス幅を、前記今回のスイッチング動作停止期間に先行するスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部から出力された前記パルス幅変調信号のパルス幅よりも所定量狭めるパルス幅制御手段とを具備することを特徴とする電子機器。 - 前記負荷電流変化傾向判別手段は、前記今回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値が前記前回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値よりも所定量大きい場合、前記負荷電流が増加傾向であると判定し、前記今回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値が前記前回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値よりも所定量小さい場合、前記負荷電流が減少傾向であると判定することを特徴とする請求項5記載の電子機器。
- 前記パルス幅変調信号出力部は、制御データに応じて前記パルス幅変調信号のパルス幅を変更するように構成されており、
前記パルス幅制御手段は、前記負荷電流変化傾向判別手段による判別結果に応じて、前記制御データを生成することを特徴とする請求項5記載の電子機器。 - 前記傾き算出手段は、前記出力電圧値が前記第1のしきい値電圧に達した時点から前記第2のしきい値電圧にまで低下されるまでの経過時間をカウントする処理と、前記第1のしきい値電圧と前記第2のしきい値電圧との間の差分値を前記カウントされた経過時間によって割ることによって得られた商を前記出力電圧傾き値として算出する処理とを実行することを特徴とする請求項5記載の電子機器。
- スイッチング素子を含むスイッチング電源回路を、パルス幅変調信号出力部から出力されるパルス幅変調信号によって制御する電源制御方法であって、
前記パルス幅変調信号によって前記スイッチング素子がスイッチング制御されるスイッチング動作期間と前記スイッチング素子がオフ状態に維持されるスイッチング動作停止期間とを交互に繰り返す制御モードで前記スイッチング素子を制御するために、前記スイッチング電源回路の出力電圧値が第1のしきい値電圧にまで上昇した場合には、前記パルス幅変調信号出力部が前記パルス幅変調信号を出力することを禁止し、前記出力電圧値が前記第1のしきい値電圧よりも低い第2のしきい値電圧にまで低下した場合には、前記パルス幅変調信号出力部が前記パルス幅変調信号を出力することを許可する動作制御ステップと、
前記スイッチング動作停止期間中における前記出力電圧値の単位時間当たりの変化量を示す出力電圧傾き値を、前記スイッチング動作停止期間毎に算出する傾き算出ステップと、
今回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値と前記今回のスイッチング動作停止期間に先行する前回のスイッチング動作停止期間に対応する出力電圧傾き値とを比較することによって、前記スイッチング電源回路によって駆動される負荷に流れる負荷電流が増加傾向または減少傾向のいずれであるかを判別する負荷電流変化傾向判別ステップと、
前記負荷電流が増加傾向であることが判別された場合、前記今回のスイッチング動作停止期間に後続する次のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部が出力すべき前記パルス幅変調信号のパルス幅を、前記今回のスイッチング動作停止期間に先行する前回のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部から出力された前記パルス幅変調信号のパルス幅よりも所定量広げ、前記負荷電流が減少傾向であることが判別された場合、前記次のスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部が出力すべき前記パルス幅変調信号のパルス幅を、前記今回のスイッチング動作停止期間に先行するスイッチング動作期間に前記パルス幅変調信号出力部から出力された前記パルス幅変調信号のパルス幅よりも所定量狭めるパルス幅制御ステップとを具備することを特徴とする電源制御方法。 - 前記負荷電流変化傾向判別ステップは、前記今回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値が前記前回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値よりも所定量大きい場合、前記負荷電流が増加傾向であると判定し、前記今回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値が前記前回のスイッチング動作停止期間で算出された出力電圧傾き値よりも所定量小さい場合、前記負荷電流が減少傾向であると判定することを特徴とする請求項9記載の電源制御方法。
- 前記傾き算出ステップは、前記出力電圧値が前記第1のしきい値電圧に達した時点から前記第2のしきい値電圧にまで低下されるまでの経過時間をカウントする処理と、前記第1のしきい値電圧と前記第2のしきい値電圧との間の差分値を前記カウントされた経過時間によって割ることによって得られた商を前記出力電圧傾き値として算出する処理とを実行することを特徴とする請求項9記載の電源制御方法。
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