JP2008306875A - 電源装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧変換回路の入力と出力電圧の差が大きい場合にも、利得上昇を抑制し、位相余裕の減少を防ぎ、高速応答特性を得ることができる電源回路を提供する。
【解決手段】基準電圧源（１２）の基準電圧信号と電圧変換回路（１１）の出力電圧との誤差を誤差増幅器（１９）で増幅する帰還制御系に、ローパスフィルタ（２０、２１）を備え、基準電圧源（１２）の基準電圧信号や電圧変換回路（１１）の出力電圧に応じて、遮断周波数を可変させる。電圧変換回路（１１）の入力と出力電圧の差が大きい場合に、帰還制御系の利得を下げ、各種変動や過渡状態にあっても、安定した出力電圧を得ることを可能としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、過渡特性の向上、位相余裕の確保の好適な安定化電源回路とその制御方法に関する。

図４は、安定化電源回路の典型的な構成を示す図である。図４を参照すると、この安定化電源回路は、電圧変換回路１１と、基準電圧源１２と、基準電圧源１２の電圧信号と電圧変換回路１１の出力電圧との誤差を増幅するローパスフィルタ（低域通過フィルタ）兼誤差増幅器１９と、制御回路１６とを備え、制御回路１６は、ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９の出力信号を入力し、電圧変換回路１１の電圧変換比を制御する。ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９は、電圧変換回路１１の出力に一端が接続された抵抗１７と、基準電圧源１２の出力に一端が接続された抵抗１８と、反転入力端子、非反転入力端子が抵抗１７、１８の他端に接続された差動増幅器１３と、差動増幅器１３の出力端子と反転入力端子の間に、互いに並列に接続された抵抗１５とコンデンサ（容量）１４を備えている。

電源起動時の出力電圧のランプレート（ｒａｍｐ ｒａｔｅ）を適切な値にするために、
（Ａ）電源起動時だけ、制御回路１６は、ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９の信号を無視し、強制的に、予め設定した制御信号を出力して、電圧変換回路１１を制御する方式や、
（Ｂ）電源起動時だけ、基準電圧源１２の出力電圧を変化させて、出力電圧のランプレートを設定する方式
が用いられている。

交流出力安定化電源回路では、基準電圧源１２において、必要となる周波数の基準波形を生成し、電圧変換回路１１の出力電圧を設定している。

なお、帰還路に備えられたローパスフィルタの遮断周波数を可変させる構成として、例えば特許文献１には、負荷変動がある場合には、応答特性を下げ、負荷変動がない場合には、応答特性を上げる構成が開示されている。

特開２００５−２０８８６号公報

直流出力安定化電源、交流出力安定化電源のどちらの回路で、基準電圧源１２の出力電圧を変化させる回路方式において、電圧変換回路１１の入力電圧と出力電圧の比が大きい場合、例えば、直流出力安定化電源では、電源起動時、交流出力安定化電源では、位相角０度と１８０度近傍の出力電圧を低く設定する期間に、電圧変換回路１１の利得が大きくなる。

直流出力安定化電源の定格電圧出力時、及び、交流出力電源において位相角９０度と２７０度の高電圧出力時において、周波数応答特性を向上させるために、ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９の利得を高く設定した場合や、遮断周波数を上げた場合には、安定化電源回路が低い出力電圧を出力する期間、電圧変換回路１１の利得（電圧変換比）が大きいため、安定化電源回路全体の位相余裕が減少し、応答特性の高速化には限界がある。

したがって、本発明の目的は、電圧変換回路の入力電圧と出力電圧の差が大きい場合にも、利得の上昇を抑制して位相余裕の減少を防ぎ、高速応答特性を可能とする電源回路とその制御方法を提供することにある。

本願で開示される発明は、前記課題を解決するため概略以下の構成とされる。

本発明の１つの側面（アスペクト）に係る装置は、電圧変換回路の出力電圧と基準電圧との誤差増幅を行い誤差増幅結果に基づき前記出力電圧を制御する帰還制御系内に、
前記出力電圧又は前記基準電圧に応じて遮断周波数が可変される低域通過フィルタを備えている。

本発明においては、前記低域通過フィルタは、前記誤差増幅を行う誤差増幅器の出力電圧を受ける構成としてもよい。本発明においては、前記低域通過フィルタの出力電圧に基づき、前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路を備えている。

本発明において、前記低域通過フィルタは、静電容量が、印加される直流電圧に応じて可変する１つのコンデンサを有し、前記誤差増幅器の出力電圧が相対的に低い場合には、前記コンデンサの静電容量が増加し、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得が低下し、前記誤差増幅器の出力電圧が相対的に高い場合には、前記コンデンサの静電容量が減少し、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得が上昇する。

本発明において、前記低域通過フィルタは、前記誤差増幅を行う誤差増幅器の出力端子と入力端子間の帰還路に挿入されており、前記低域通過フィルタの遮断周波数が、前記基準電圧に応じて可変される構成としてもよい。

本発明において、前記低域通過フィルタは、前記誤差増幅器の出力端子と入力端子の間に接続された帰還抵抗と、前記帰還抵抗と並列に接続された、コンデンサと可変抵抗の直列回路と、を備え、前記可変抵抗はその抵抗値が、前記基準電圧に応じて可変され、前記基準電圧が相対的に低い場合には、前記可変抵抗の抵抗値が増加し、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得が低下し、前記基準電圧が相対的に高い場合には、前記可変抵抗の抵抗値が減少し、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得が上昇する構成としてもよい。

本発明の他の側面に係る装置は、電圧変換回路のアナログ出力電圧をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、前記Ａ／Ｄ変換回路の出力信号を受け前記電圧変換回路の電圧変換比を制御するデジタル制御回路と、を備え、前記デジタル制御回路は、前記電圧変換回路の出力電圧が相対的に低い場合には、利得と遮断周波数を低下させるように設定し、前記電圧変換回路の出力電圧が高い場合には利得と遮断周波数を上昇させるように設定する。

本発明の１つの側面に係る方法は、電圧変換回路の出力電圧と基準電圧との誤差増幅を行う帰還制御系の低域通過フィルタについて、
前記電圧変換回路の出力電圧又は前記基準電圧が相対的に低い場合には、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得を下げ、
前記電圧変換回路の出力電圧又は前記基準電圧が相対的に高い場合には、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得を上げる制御を行う。

本発明の他の側面に係る方法は、電圧変換回路の出力電圧をデジタル信号に変換し、デジタル信号に基づき前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路の利得と遮断周波数について、前記電圧変換回路の出力電圧が相対的に低い場合には、前記利得と遮断周波数を低下させるように設定し、前記電圧変換回路の出力電圧が相対的に高い場合には、前記利得と遮断周波数を上昇させるように設定する。

本発明によれば、電圧変換回路の出力電圧を低く設定している時間の利得上昇を抑制し、位相余裕の減少を防ぎ、高速応答特性を得ることができる。

本発明についてさらに詳細に説述すべく図面を参照して説明する。まず、本発明の原理を説明する。安定化電源回路の電圧安定度を高めるためには、負過電流や入力電圧などの変動に対して高速に応答することが必要である。単に、帰還制御系の利得を上げたり、高周波における利得を上昇させると、電圧変換回路の入出力電圧差が大きい場合に、位相余裕が少なくなるばかりか、発振してしまうこともあり、帰還制御系の利得と高周波における高利得の設定には限界がある。

本発明によれば、電圧変換回路の入力と出力電圧の差が大きい場合に、帰還制御系の利得を下げ、各種変動や過渡状態にあっても、安定した出力電圧を得ることを可能としている。本発明は、位相余裕の確保と高速応答特性を有する安定化電源回路を提供するものであり、直流出力安定化電源と交流出力安定化電源どちらの回路でも、基準電圧源の電圧信号と電圧変換回路の出力電圧の誤差を誤差増幅器で増幅する帰還回路に、基準電圧源の電圧信号や電源回路の出力電圧に応じて、遮断周波数を可変させる低域通過フィルタ（ローパスフィルタ）を備えている。例えば電圧変換回路の出力電圧を低く設定している時間における利得上昇を抑制し、位相余裕の減少を防ぎ、電圧変換回路の出力電圧を高く設定している期間にも、高速応答特性を実現可能としている。

なお、上記特許文献１では、負荷変動がある場合には、応答特性を下げ、負荷変動がない場合には、応答特性を上げるものであるのに対し、本発明においては、過渡特性を向上し、位相余裕がなくなる条件（電圧変換回路の入力電圧と出力電圧の差が大きい場合等）にあわせて、遮断周波数を追従させて変化させている。本発明によれば、直流安定化電源の場合には、例えば起動時に遮断周波数を下げる。また、交流安定化電源の場合には、ゼロクロス付近での遮断周波数を下げ、出力電圧（基準電圧）の変化に応じて、遮断周波数を制御することで、交流安定化電源にも対応可能としている。以下、実施例に即して説明する。

図１は、本発明の一実施例の構成を示す図である。図１を参照すると、図４の構成に、ローパスフィルタ（抵抗２０とコンデンサ２１からなる）を追加したものである。すなわち、差動増幅器１３と、差動増幅器１３の出力端子と反転入力端子の間に並列に挿入されたコンデンサ１４、抵抗１５と、差動増幅器１３の反転入力端子と電圧変換回路１１の出力の間に接続された抵抗１７と、差動増幅器１３の非反転入力端子と基準電圧源１２の出力の間に接続された抵抗１８を備えているローパスフィルタ兼誤差増幅器１９の出力に、抵抗２０とコンデンサ２１からなるローパスフィルタが追加されている。コンデンサ２１として電圧を印加すると静電容量が低下する電圧依存性（直流電圧特性）を持つセラミックコンデンサ等を用いる。

ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９の出力信号電圧が低い場合には、コンデンサ２１の静電容量（Ｃ）が増加し、ローパスフィルタ（２０、２１）の遮断周波数（１／（２πＲＣ））が低下し、その利得を低下させ、位相余裕（周波数特性において利得が１の周波数での位相遅れと１８０度との差分）を大きくする。これにより、安定化電源回路の位相余裕が大となり、動作を安定化させる。

ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９の出力信号電圧が高い場合には、コンデンサ２１の静電容量（Ｃ）が減少し、ローパスフィルタ（２０、２１）の遮断周波数（１／（２πＲＣ））が上昇し、その利得を上昇させ、高速応答特性を得ることができる。

次に本発明の第２の実施例を説明する。図２は、本発明の第２の実施例の構成を示す図である。本実施例は、図４のローパスフィルタ兼誤差増幅器１９の帰還路に挿入されるコンデンサ１４と直列に、基準電圧源１２の出力電圧に応じて抵抗が可変される可変抵抗２２を備えたものである。すなわち、ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９’は、差動増幅器１３と、差動増幅器１３の出力端子と反転入力端子の間に挿入された抵抗１５と、抵抗１５に並列に接続された、可変抵抗２２とコンデンサ１４を備え、差動増幅器１３の反転入力端子と電圧変換回路１１の出力の間に接続された抵抗１７と、差動増幅器１３の非反転入力端子と基準電圧源１２の出力の間に接続された抵抗１８を備えている。可変抵抗２２は、例えばゲートに基準電圧源１２からの出力基準電圧を受けオン抵抗を可変させるＭＯＳトランジスタで構成してもよい。あるいは、出力基準電圧に応じて抵抗値が所望の範囲で可変される構成であれば、任意の回路構成を用いることができる。

基準電圧源１２の出力（出力基準電圧）によって可変抵抗２２の抵抗値を変化させることで、ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９’の遮断周波数を変化させる。

基準電圧源１２の出力基準電圧が低い場合には、ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９’の遮断周波数が低下し、利得を低下させ、位相余裕を大きくする。

基準電圧源１２の出力基準電圧が高い場合には、ローパスフィルタ兼誤差増幅器１９’の遮断周波数が上昇し、利得を上昇させ、高速応答特性を得る。

図３は、本発明の第３の実施例の構成を示す図である。図３を参照すると、この安定化電源回路において、Ａ／Ｄ変換回路３２は、電圧変換回路３１の出力電圧をデジタル信号に変換し、デジタル制御回路３３によって電圧変換回路３１の電圧変換比を制御する。デジタル制御回路３３の利得と遮断周波数特性について、電圧変換回路３１の出力電圧が低い場合には、利得と遮断周波数を低下させるように設定することで、位相余裕を大きくする。また、デジタル制御回路３３の持つ利得と遮断周波数特性に関して、電圧変換回路３１の出力電圧が高い場合には利得と遮断周波数を上昇させるように設定することで高速応答特性を得る。デジタル制御回路３３は、ハードワイヤードロジックで構成してもよいし、プロセッサを用いたプログラム制御で実現してもよい。

なお、前記した実施例は、シリーズレギュレート方式やスイッチングレギュレート方式（チョッパー方式、インバーター方式）等、誤差比較を行う帰還制御系に備えた任意の直流安定化電源回路に適用することができる。入出力間にスライダックを挿入し直流にしてから直流電圧と比較するスライダック方式や正弦波基準電圧を与え電圧を比較する電圧比較方式の交流安定化電源のほか、周波数コンバート方式（リニアアンプ方式、インバーター方式）の交流安定化電源にも適用することができる。

なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の第１の実施例の構成を示す図である。 本発明の第２の実施例の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例の構成を示す図である。 安定化電源回路の典型的な構成を示す図である。

符号の説明

１１ 電圧変換回路
１２ 基準電圧源
１３ 差増増幅器
１４、２１ コンデンサ
１５、１７、１８、２０ 抵抗
１６ 制御回路
１９、１９’ ローパスフィルタ兼誤差増幅器
２２ 可変抵抗
３１ 電圧変換回路
３２ Ａ／Ｄ変換回路
３３ デジタル制御回路

Claims (11)

1. 電圧変換回路の出力電圧と基準電圧との誤差増幅を行い誤差増幅結果に基づき前記出力電圧を制御する帰還制御系内に、
   前記出力電圧又は前記基準電圧に応じて遮断周波数が可変される低域通過フィルタを備えている、ことを特徴とする電源装置。
2. 前記低域通過フィルタは、前記誤差増幅を行う誤差増幅器の出力電圧を受ける、ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記低域通過フィルタは、静電容量が、印加される直流電圧に応じて可変する１つのコンデンサを有し、
   前記誤差増幅器の出力電圧が相対的に低い場合には、前記コンデンサの静電容量が増加し、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得が低下し、
   前記誤差増幅器の出力電圧が相対的に高い場合には、前記コンデンサの静電容量が減少し、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得が上昇する、ことを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 前記低域通過フィルタの出力電圧に基づき、前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路を備えている、ことを特徴とする請求項２又は３記載の電源装置。
5. 前記低域通過フィルタは、前記誤差増幅を行う誤差増幅器の出力端子と入力端子間の帰還路に挿入されており、
   前記低域通過フィルタの遮断周波数が、前記基準電圧に応じて可変される、ことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
6. 前記低域通過フィルタは、前記誤差増幅器の出力端子と入力端子の間に接続された帰還抵抗と、前記帰還抵抗と並列に接続された、コンデンサと可変抵抗の直列回路と、を備え、
   前記可変抵抗はその抵抗値が、前記基準電圧に応じて可変され、
   前記基準電圧が相対的に低い場合には、前記可変抵抗の抵抗値が増加し、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得が低下し、
   前記基準電圧が相対的に高い場合には、前記可変抵抗の抵抗値が減少し、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得が上昇する、ことを特徴とする請求項５記載の電源装置。
7. 電圧変換回路からの出力電圧をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換回路と、
   前記アナログデジタル変換回路の出力信号を受け前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記電圧変換回路の出力電圧が相対的に低い場合には、利得と遮断周波数を低下させるように設定し、前記電圧変換回路の出力電圧が相対的に高い場合には、利得と遮断周波数を上昇させるように制御する、ことを特徴とする電源装置。
8. 直流安定化電源を構成し、起動時、前記遮断周波数を下げる、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電源装置。
9. 交流安定化電源を構成し、ゼロクロス付近で、前記遮断周波数を下げる、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電源装置。
10. 電圧変換回路の出力電圧と基準電圧との誤差増幅を行う帰還制御系の低域通過フィルタについて、
    前記電圧変換回路の出力電圧又は前記基準電圧が相対的に低い場合には、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得を下げ、
    前記電圧変換回路の出力電圧又は前記基準電圧が相対的に高い場合には、前記低域通過フィルタの遮断周波数と利得を上げる制御を行う、ことを特徴とする電源回路の制御方法。
11. 電圧変換回路の出力電圧をデジタル信号に変換し、デジタル信号に基づき前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路の利得と遮断周波数について、
    前記電圧変換回路の出力電圧が相対的に低い場合には、前記利得と遮断周波数を低下させるように設定し、
    前記電圧変換回路の出力電圧が相対的に高い場合には、前記利得と遮断周波数を上昇させるように設定する、ことを特徴とする電源装置の制御方法。

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