JP2012044749A - ディジタル制御電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】所要の分解能を得るためのPWM信号の生成に用いるクロック信号の周波数が低いディジタル制御電源装置を提供する。
【解決手段】、固有のPWM信号(14,24)によるスイッチング動作に基づいて電圧を生成する一対の電源回路(1,2)とディジタルコントローラ(3)を備え、双方の電源回路を直列接続し、ディジタルコントローラは後段の電源回路からサンプリングした出力電圧が目標電圧に近づくように後段の電源回路のためにパルス幅を制御するPWM信号(24)を生成すると共に当該PWM信号よりも低い分解能でパルス幅を制御した前段電源回路のためのPWM信号(14)を生成する。全体として必要な制御電圧幅に等しい制御電圧幅を後段の電源回路に設定し、前段にはその分解能よりも低い分解能を設定すればよく、1段の電源回路を用いる構成に比べ、必要な分解能を得るためのPWM信号の生成に低いクロック信号周波数を用いればよい。
【選択図】図1

Description

本発明は、PWM制御によって電圧を生成するディジタル制御電源装置に関し、例えばマイクロコンピュータを用いてPWM制御を行うディジタル制御電源装置に適用して有効な技術に関する。
特許文献1には、PWM制御により負荷全域での出力リプル電流を極力一定に制御するディジタル制御電源装置について記載される。これによれば、ディジタルコントローラで生成されるPWM信号によりスイッチング素子をオン・オフし、入力された電圧から負荷用の出力電圧を得るディジタル制御電源装置において、ディジタルコントローラは、当該電源装置が出力するアナログ出力電流をADコンバータでディジタル値に変換し、前記ADコンバータのサンプリング周波数、又は前記PWM信号を得るための基準となるキャリア周波数の1周期毎にパルス幅の演算を行うと共に、前記ADコンバータから出力されるディジタル出力電流値に応じて前記キャリア周波数及びサンプリング周波数をそれぞれ可変制御するものである。特にここでは、チョークコイルの直流重畳特性により出力リプル電圧が変動することを抑制するためにディジタル出力電流値に応じてPWM制御におけるサンプリング周波数などを制御しようとするものである。
特開2009−100607号公報
本発明者は、PWM制御によるディジタル制御電源装置における低消費電力若しくは動作クロック信号の低周波数化について検討した。ディジタル制御電源装置における負荷変動に対する追従応答性を上げるためにはPWM信号の分解能を上げて、リプル電圧を小さくすることが必用になる。例えば目標出力電圧3Vに対して目標制御電圧幅すなわちリプル電圧を30mV(1%)とすると、入力電圧が24Vの場合のPWM信号の分解能は800(=24V/30mV)になり、ADコンバータのサンプリング周波数若しくは前記PWM信号を得るための基準となるキャリア周波数を1MHzとすれば、PWM信号を生成するための動作周波数は800MHzになり、高い周波数が必用になる。このようにPWM制御に高精度の分解能を必要とする場合にはPWM信号を生成するのに高い周波数のクロック信号が必要になり、この点において電力消費量が増大する。特許文献1ではこの点について考慮されていない。
本発明の目的は、所要の分解能を得るために必用なPWM信号の生成に用いるクロック信号の周波数を低くすることができるディジタル制御電源装置を提供することにある。
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
すなわち、夫々固有のPWM信号によるスイッチング動作に基づいて電圧を生成する一対の電源回路とディジタルコントローラを備え、双方の電源回路を直列接続したとき、ディジタルコントローラは後段の電源回路からサンプリングした出力電圧が目標電圧に近づくように当該後段の電源回路のためにパルス幅を制御するPWM信号を生成すると共に当該PWM信号よりも低い分解能でパルス幅を制御した前段電源回路のためのPWM信号を生成する。
電源回路を直列接続するから、例えば全体として必要な分解能としての制御電圧幅に等しい制御電圧幅を後段の電源回路に設定し、前段にはその分解能よりも低い分解能を設定すればよく、1段の電源回路を用いる構成に比べて、ディジタル制御電源装置に必要な分解能を得るためのPWM信号の生成に低いクロック信号周波数を用いることができる。
また、PWM信号によるスイッチング動作に基づいて入力電圧からトランスを介してその2次側に負荷用の電圧を生成する第1の電源回路、別のPWM信号によるスイッチング動作に基づいて前記トランスの2次側の基準端子に供給する電圧を生成する別の第2の電源回路、及び前記第1の電源回路の出力電圧が目標電圧に近づくようにパルス幅が制御された第1のPWM信号を生成すると共に当該PWM信号よりも低い分解能でパルス幅を制御した第2の電源回路のためのPWM信号を生成する。
トランスを用いた第1の電源回路の二次側基準端子電圧を第2の電源回路で生成するから、例えば全体として必要な分解能としての制御電圧幅に等しい制御電圧幅をトランスを用いた第1の電源回路に設定し、トランスの二次側の基準端子電圧を生成する第2の電源回路にはその分解能よりも低い分解能を設定すればよく、1段の電源回路を用いる構成に比べて、ディジタル制御電源装置に必要な分解能を得るためのPWM信号の生成に低いクロック信号周波数を用いることができる。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、所要の分解能を得るために必用なPWM信号の生成に用いるクロック信号の周波数を低くすることができる。
これにより、ディジタル制御電源装置の低消費電力に寄与することができる。
図1は本発明に係るディジタル制御電源装置の一例を示すシステム構成図である。 図2は本発明に係るディジタル制御電源装置の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図3は本発明に係るディジタル制御電源装置の別の例を示すシステム構成図である。 図4は1段の電源回路を用いるディジタル制御電源装置におけるPWM制御機能を説明するための比較例に係る説明図である。
1.実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
〔1〕<直列形態の後段電源回路に対するフィードバックPWM制御>
本発明の代表的な実施の形態に係るディジタル制御電源装置(PWRS1)は、第1のPWM信号(14)によるスイッチング動作に基づいて入力電圧(VA)から第1の電圧(VA1)を生成する第1の電源回路(1)と、前記第1の電源回路の第1の電圧の出力端子に直列接続され、第2のPWM信号(24)によるスイッチング動作に基づいて前記第1の電圧から負荷(4)用の第2の電圧(VB)を生成する第2の電源回路(2)と、前記第2の電源回路の出力に基づいて前記第2の電圧が目標電圧に近づくようにパルス幅が制御された第2のPWM信号及び前記第2のPWM信号よりも低い分解能でパルス幅が制御された第1のPWM信号を生成するディジタルコントローラ(3)と、を備える。
第1の電源回路と第2の電源回路を直列接続するから、全体として必要な分解能としての制御精度の電圧幅(制御電圧幅)に等しい制御電圧幅を後段の第2の電源回路に設定し、前段の第1の電源回路にはその分解能よりも低い分解能を設定すればよい。したがって、1段の電源回路を用いる構成に比べて、ディジタル制御電源装置に必要な分解能を得るためのPWM信号の生成に低いクロック信号周波数を用いることができ、ディジタル制御電源装置の低消費電力に寄与する。
〔2〕<タイマカウンタ部と制御部>
項1のディジタル制御電源装置において、前記ディジタルコントローラは、前記第2の電源回路の出力に基づいて得られる電圧をディジタル値に変換するAD変換器(32)と、前記AD変換回路から出力されるディジタル値と前記目標電圧に対応する参照値とを比較する比較器(33)と、前記第1のPWM信号を生成する第1のタイマカウンタ部(30)と、前記第2のPWM信号を生成する第2のタイマカウンタ部(31)と、前記入力電圧から第1の電圧を得るためのデューティー比を持つ第1のPWM信号を前記第1のタイマカウンタ部に生成させる制御を行うと共に、前記比較器の出力に基づいて第2の電圧を負帰還制御する第2のPWM信号を前記第2のタイマカウンタ部に生成させる制御を行う制御部(34)と、を備える。
負帰還制御が行われる第2の電源回路に対して第1の電源回路には、第1の電圧を測定して負帰還制御を行うことを要せず、第2の電源回路で追従応答可能な範囲で第1の電圧を簡易に制御すれば済む。
〔3〕<第2のタイマカウンタ部のカウント動作周波数>
項2のディジタル制御電源装置において、前記AD変換器のサンプリング周波数をfとすると、第2のタイマカウンタ部は少なくとも前記周波数fのN倍のカウント動作周波数を持ち、このとき前記Nは、前記第2の電圧の制御精度の電圧幅を複数倍して前記第1の電圧に等しくなるための倍数とされる。
前記第2の電圧の制御精度の電圧幅は、ディジタル制御電源装置における出力電圧の制御精度の電圧幅に等しくされればよい。1段の電源回路を用いて上記と同じ制御精度の出力電圧を得るには、周波数fをL(>N)倍したカウント動作周波数を用いなければならない。Lは制御精度の電圧幅をL倍して第1の電源回路の入力電圧に等しくなる倍数である。
〔4〕<第1のタイマカウンタ部の低動作周波数>
項3のディジタル制御電源装置において、前記第1のタイマカウンタ部のカウント動作周波数は前記周波数f以下の周波数である。
第1の電源回路に対する制御精度の電圧幅は第2の電源回路における制御精度の電圧幅よりも大きくてよいから、その第1のタイマカウンタ部のカウント動作周波数を第2のタイマカウンタ部のカウント動作周波数以下の周波数にしても何ら問題ない。
〔5〕<第1のPWM信号のデューティー比を一定制御>
項3のディジタル制御電源装置において、前記制御部は、前記第1のPWM信号のデューティー比を一定に制御する。
負荷変動に対して第2の電源回路による追従応答性で充分とする場合には第1の電源回路に対するPWM制御を最も簡素化することができる。
〔6〕<第1のPWM信号のデューティー比を可変制御>
項3のディジタル制御電源装置において、前記制御部は、前記第1のPWM信号のデューティー比を前記比較器の出力に基づいて可変に制御する。
負荷変動に対する第2の電源回路による追従応答性を向上させることができる。
〔7〕<重負荷時に第1の電圧を大きくする>
項6のディジタル制御電源装置において、前記制御部は、前記負荷が重いときは前記第1の電圧を大きくする方向に前記第1のPWM信号のデューティー比を制御する。
大きくされた第1の電圧は、重負荷を駆動する第2の電圧の追従応答性を向上させる。
〔8〕<重負荷時に第1のタイマカウンタ部のカウント動作周波数を高くする>
項6のディジタル制御電源装置において、前記制御部は、前記負荷が重いときは前記第1のタイマカウンタ部のカウント動作周波数を高く制御する。
第1の電源回路における制御精度の電圧幅が小さくされることによって、重負荷に起因する負荷の変動に対して第2の電圧の追従応答性を向上させることができる。
〔9〕<チョッパ型降圧回路>
項1乃至8の何れかのディジタル制御電源装置において、前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の降圧回路である。
チョッパ型の降圧回路への適用に好適である。
〔10〕<チョッパ型昇圧回路>
項1乃至8の何れかのディジタル制御電源装置において、前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の昇圧回路である。
チョッパ型の昇圧回路への適用が可能である。
〔11〕<トランスを用いた一方の電源回路の2次側に接続した他の電源回路に対するフィードバックPWM制御>
本発明の別の実施の形態に係るディジタル制御電源装置(PWRS2)は、第1のPWM信号(54)によるスイッチング動作に基づいて入力電圧(AV)からトランス(51)を介して2次側の基準端子に対する第1の電圧(VB1)を負荷(8)用として生成する第1の電源回路(5)と、第2のPWM信号(64)によるスイッチング動作に基づいて前記入力電圧(VA)から前記基準端子に供給する第2の電圧(VB2)を生成する第2の電源回路(6)と、前記第1の電源回路の出力に基づいて前記第1の電圧が目標電圧に近づくようにパルス幅が制御された第1のPWM信号及び前記第1のPWM信号よりも低い分解能でパルス幅が制御された第2のPWM信号を生成するディジタルコントローラ(7)と、を備える。
トランスを用いた第1の電源回路の二次側基準端子電圧を第2の電源回路で生成するから、例えば全体として必要な分解能としての制御電圧幅に等しい制御電圧幅をトランスを用いた第1の電源回路に設定し、トランスの二次側の基準端子電圧を生成する第2の電源回路にはその分解能よりも低い分解能を設定すればよい。したがって、1段の電源回路を用いる構成に比べて、ディジタル制御電源装置に必要な分解能を得るためのPWM信号の生成に低いクロック信号周波数を用いることができ、ディジタル制御電源装置の低消費電力に寄与する。
〔12〕<タイマカウンタ部と制御部>
項11のディジタル制御電源装置において、前記ディジタルコントローラは、前記第1の電源回路の出力に基づいて得られる電圧をディジタル値に変換するAD変換器(72)と、前記AD変換器から得られるディジタル値と前記目標電圧に対応する参照値とを比較する比較器(73)と、前記第1のPWM信号を生成する第1のタイマカウンタ部(70)と、前記第2のPWM信号を生成する第2のタイマカウンタ部(71)と、前記入力電圧から第2の電圧を得るためのデューティー比を持つ第2のPWM信号を前記第2のタイマカウンタ部に生成させる制御を行うと共に、前記比較器の出力に基づいて第1の電圧を負帰還制御する第1のPWM信号を前記第1のタイマカウンタ部に生成させる制御を行う制御部(74)とを備える。
負帰還制御が行われる第1の電源回路に対して第2の電源回路には、第2の電圧を測定して負帰還制御を行うことを要せず、第1の電源回路で追従応答可能な範囲で第2の電圧を簡易に制御すれば済む。
〔13〕<第1のタイマカウンタ部のカウント動作周波数>
項12のディジタル制御電源装置において、前記AD変換器のサンプリング周波数をf、前記トランスの巻数比をMとすると、第1のタイマカウンタ部は少なくとも前記周波数fのN倍のカウント動作周波数を持ち、このとき前記Nは、前記第1の電圧の制御精度の電圧幅を複数倍して前記入力電圧のM分の一の電圧に等しくなるための倍数とされる。
前記第1の電圧の制御精度の電圧幅は、ディジタル制御電源装置における出力電圧の制御精度の電圧幅に等しくされればよい。1段の電源回路を用いて上記と同じ制御精度の出力電圧を得るには、周波数fをL(>N)倍したカウント動作周波数を用いなければならない。Lは制御精度の電圧幅をL倍して第1の電源回路の入力電圧に等しくなる倍数である。
〔14〕<第2のタイマカウンタ部の低動作周波数>
項13のディジタル制御電源装置において、前記第2のタイマカウンタ部のカウント動作周波数は前記周波数f以下の周波数である。
第2の電源回路に対する制御精度の電圧幅は第1の電源回路における制御精度の電圧幅よりも大きくてよいから、その第2のタイマカウンタ部のカウント動作周波数を第1のタイマカウンタ部のカウント動作周波数以下の周波数にしても何ら問題ない。
〔15〕<第2のPWM信号のデューティーを一定制御>
項13のディジタル制御電源装置において、前記制御部は、前記第2のPWM信号のデューティーを一定に制御する。
負荷変動に対して第1の電源回路による追従応答性で充分とする場合には第2の電源回路に対するPWM制御を最も簡素化することができる。
〔16〕<第2のPWM信号のデューティーを可変制御>
項13のディジタル制御電源装置において、前記制御部は、前記第2のPWM信号のデューティーを前記比較器の出力に基づいて可変に制御する。
負荷変動に対する第1の電源回路による追従応答性を向上させることができる。
〔17〕<重負荷時に第2の電圧を大きくする>
項16のディジタル制御電源装置において、前記制御部は、前記負荷が重いときは前記第2の電圧を大きくする方向に前記第2のPWM信号のデューティーを制御する。
大きくされた第2の電圧は、重負荷を駆動する第1の電圧の追従応答性を向上させる。
〔18〕<重負荷時に第2のタイマカウンタ部のカウント動作周波数を高くする>
項13のディジタル制御電源装置において、前記制御部は、前記負荷が重いときは前記第2のタイマカウンタ部のカウント動作周波数を高く制御する。
第2の電源回路における制御精度の電圧幅が小さくされることによって、重負荷に起因する負荷の変動に対して第1の電圧の追従応答性を向上させることができる。
〔19〕<チョッパ型降圧回路>
項11乃至18の何れかのディジタル制御電源装置において、前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の降圧回路である。
チョッパ型の降圧回路への適用に好適である。
〔20〕<チョッパ型昇圧回路>
項11乃至18の何れかのディジタル制御電源装置において、前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の昇圧回路である。
チョッパ型の昇圧回路への適用が可能である。
2.実施の形態の詳細
実施の形態について更に詳述する。
《実施の形態1》
図1には本発明に係るディジタル制御電源装置のシステム構成が例示される。同図に示されるディジタル制御電源装置PWRS1は入力電圧VAを降圧して出力電圧VBを得るチョッパ型のDC−DCコンバータとされ、直列接続されたチョッパ型の第1の電源回路1及び第2の電源回路2と、夫々に対してPWM制御を行うディジタルコントローラとしてのマイクロコンピュータ(MCU)3を備える。R1,R2は出力電圧VBをマイクロコンピュータ3に帰還させるための直列分圧抵抗である。
第1の電源回路1は、特に制限されないが、入力電圧VAのスイッチゲートとされるnチャンネル型のスイッチMOSトランジスタ10にチョークコイル11が直列接続され、その直列結合ノードと回路のグランド電位GNDとの間にダイオード12が逆方向接続状態で挿入されると共に、チョークコイル11を挟んで前記ダイオード12と並列に平滑コンデンサ13が配置され、平滑コンデンサ13とチョークコイル11の結合ノードに電圧VA1を生成する。スイッチMOSトランジスタ10はPWM信号14によってスイッチ制御される。
第2の電源回路2は、特に制限されないが、第1の電源回路1から出力される電圧VA1の入力スイッチゲートとされるnチャンネル型のスイッチMOSトランジスタ20にチョークコイル21が直列接続され、その直列結合ノードと回路のグランド電位GNDとの間にダイオード22が逆方向接続状態で挿入されると共に、チョークコイル21を挟んで前記ダイオード22と並列に平滑コンデンサ23が配置され、平滑コンデンサ23とチョークコイル21の結合ノードに電圧VBを生成する。スイッチMOSトランジスタ20はPWM信号24によってスイッチ制御される。
前記マイクロコンピュータ3は、前記第2の電源回路2の出力電圧VBを抵抗素子R1,R2で分圧して得られる電圧に基づいて前記電圧VBが目標電圧に近づくようにパルス幅が制御されたPWM信号24を生成すると共に、前記PWM信号24よりも低い分解能でパルス幅が制御されたPWM信号14を生成する、PWM制御機能を備える。
マイクロコンピュータ3はこのPWM制御機能を実現するために、例えば、前記抵抗R1,R2による分圧電圧をディジタル値に変換するAD変換器(ADC)32と、前記AD変換器32によるディジタル値と前記目標電圧に対応する参照値Drefとを比較する比較器(CMP)33とを有する。更に、PWM信号14,24の生成に夫々割り当てられたタイマカウンタチャネルとしてのタイマカウンタ(PWMTC0,PWMTC1)30,31を備え、前記比較器33の出力を受けるPI制御部(PICNT)34による比例及び積分制御によって前記タイマカウンタ30,31に対するカウント周期が制御される。
PI制御部34は、例えばCPU(中央処理装置)、DSP(ディジタルシグナルプロセッシングユニット)及びその動作プログラムによって実現され、出力と目標値の偏差及びその残留偏差に着目したフィードバック制御によってPWM信号14,24のデューティー制御を行う。すなわち、入力電圧VAから電圧VA1を得るためのデューティー比を持つPWM信号14をタイマカウンタ部30に生成させる制御を行うと共に、前記比較器33の出力に基づいて電圧VBをフィードバック制御するPWM信号24をタイマカウンタ部24に生成させる制御を行う。要するに、電源回路2に対しては電圧VBに基づいてPWM信号24のデューティー比がフィードバック制御されるが、電源回路1に関してはPWM信号14のデューティー比は電圧VA1に基づいてフィードバック制御されず、電圧VA,VBに基づいて制御される。
図2にはPWM制御による電圧生成動作の動作タイミングが例示される。周期TはAD変換器32のサンプリング周期であり、そのサンプリング周期毎に、AD変換器32は所定のタイミングで分圧抵抗R1,R2による電圧VBの分圧電圧をサンプリングしてディジタル値に変換し、変換結果は比較器33で参照データDrefと比較され、その比較結果がPI制御部34によりPI制御に考慮されて、PWM制御データが更新される。更新されたPWMデータは次のサンプリング周期に同期してタイマカウンタ部30,31にセットされ、タイマカウンタ部30,31はセットされたPWMデータに従ったデューティー比のPWM信号14,24を生成する。上記動作がサンプリング周期単位で順次繰り返されることによって、負荷4に目的とする電圧VBが供給される。
次に上記PWM制御機能について具体的な動作例を説明する。
例えば、電圧VA=24V、電圧VA1=4V、電圧VB=3Vとし、ADコンバータ31のサンプリング周波数fS=1MHzとし、ディジタル制御電源装置PWRS1に要求される分解能としての電圧制御精度の電圧幅である制御電圧幅(リプル電圧v)を出力電圧VBのX=1%とし、タイマカウンタ部31のカウント動作周波数をfCLK1とする。この条件下において、リップル電圧は
v=X・VB/100=30mV
であり、電源回路2におけるPWM制御の分解能は、
N1=VA1/v=133
であり、
タイマカウンタ部31のカウント動作周波数は
fCLK1=fS・N1=133MHz
とされる。
ここで、比較例として、図4に示されるように1段の電源回路を用いるディジタル制御電源装置におけるPWM制御機能を説明する。上記同様に、電圧VA=24V、電圧VB=3Vとし、ADコンバータ(ADC)のサンプリング周波数fS=1MHzとし、ディジタル制御電源装置に要求される分解能としての電圧制御精度の電圧幅である制御電圧幅(リプル電圧v)を出力電圧VBのX=1%とする。タイマカウンタ部(PWMTC)のカウント動作周波数はfCLKとする。この条件下において、リップル電圧は
v=X・VB/100=30mV
であり、電源回路100におけるPWM制御の分解能は、
N=VA/v=800
となる。したがって、タイマカウンタ部(PWMTC)のカウント動作周波数は
fCLK=fS・N=800MHz
とされる。
図1と図4のPWM制御機能の説明から明らかなうように、図4のPWQM制御機能の場合には電源回路は1段であるからリプル電圧vの要求仕様が定まれば、電圧VA(=24V)に対する電源回路の分解能(=800)が決まり、それに応じてタイマカウンタ部(PWMTC)のカウント動作に用いるクロック信号CLKの周波数fCLKの値が決まる。図4の例では800MHzになる。これに対して図1の場合には、第1の電源回路1と第2の電源回路2を直列接続するから、後段の第2の電源回路2には電源装置全体PWRS1として必要な分解能としてのリプル電圧に等しいリプル電圧vを設定すればよい。第2の電源回路2は、入力電圧VA(=24V)を電圧VA1(VA/6=4V)に降圧した電圧(=4V)に対してリプル電圧30mVの分解能を満足すればよいから、その分解能は133になり、それに応じてタイマカウンタ部(PWMTC1)31のカウント動作に用いるクロック信号CLK1の周波数fCLK1の値が決まる。図1の例では133MHzになる。すなわち、図1の電源回路2におけるカウント動作周波数は、
fCLK1=(1/K)・fCLK
になる。1/Kは電源回路1による降圧率(VA/VA1)である。
一方、前段の第1の電源回路1には第2の電源回路1の分解能よりも低い分解能を設定すれば充分である。
例えばタイマカウンタ部30のカウント動作を行うクロック信号CLK0の周波数fCLK0は第2の電源回路2のためのタイマカウンタ部31のカウント動作クロック信号周波数fCLK1以下の周波数であってよい。電源回路1に対する制御精度の電圧幅は電源回路2における制御精度の電圧幅よりも大きくてよいから、タイマカウンタ部30のカウント動作周波数fCLK0をタイマカウンタ部31のカウント動作周波数fCLK1以下の周波数にしても何ら問題ない。
したがって、図1のディジタル制御電源装置PWRS1においては、図4に示した1段の電源回路を用いる構成に比べて、ディジタル制御電源装置PWRS1に必要な分解能を得るためのPWM信号の生成に低いクロック信号周波数を用いることができ、ディジタル制御電源装置PWRS1の低消費電力に寄与することができる。
PI制御部34は、前述のごとく、電源回路2に対しては電圧VBに基づいてPWM信号24のデューティー比がフィードバック制御されるが、電源回路1に関してはPWM信号14のデューティー比は電圧VA1に基づいてフィードバック制御されず、電圧VA,VBに基づいて制御される。これは、図1のディジタル制御電源装置PWRS1に必要な分解能を後段の電源回路2に対するPWM制御で実現しようとしている点を考慮すれば、PWM信号14のデューティー比の制御をラフな制御で済ませるとするという考え方に立脚する。すなわち、後段の電源回路2で追従応答可能な範囲で電圧VA1の生成を簡易に制御すれば済むようにするというものである。したがって、PWM信号14のデューティー比の制御をどの程度行う必要があるかは、負荷4の変動に対する電源回路2の追従応答性がどの程度達成されるかに応じて決定すればよい。
PWM信号14に対するデューティー比制御の第1の形態として、PI制御部34には、前記PWM信号14のデューティー比を一定に制御する形態を採用してよい。負荷変動に対して電源回路2による追従応答性で充分とする場合には電源回路1に対するPWM制御を最も簡素化することができる。
PWM信号14に対するデューティー比制御の第2の形態として、PI制御部34には、PWM信号14のデューティー比を前記比較器33の出力に基づいて可変に制御する形態を採用してよい。これによって、負荷4の変動に対する電源回路2による追従応答性を向上させることができる。具体的には、PI制御部34は、前記負荷4が重いときは電圧VA1を大きくする方向にPWM信号14のデューティー比を制御する。大きくされた電圧VA1は、重負荷を駆動する電圧VBの追従応答性を向上させる。或いは、PI制御部34は、前記負荷4が重いときはタイマカウンタ部30のカウント動作周波数fCLK0を高く制御する。電源回路1における制御精度の電圧幅(リプル電圧)が小さくされることによって、重負荷に起因する負荷の変動に対して電圧VBの追従応答性を向上させることができる。
《実施の形態2》
図3には本発明に係るディジタル制御電源装置の別のシステム構成が例示される。同図に示されるディジタル制御電源装置PWRS2は入力電圧VAを降圧して出力電圧VBを得るチョッパ型のDC−DCコンバータとされ、トランスを用いたチョッパ型の第1の電源回路5及びトランスの2次側の基準端子電圧を形成するチョッパ型の第2の電源回路6と、夫々に対してPWM制御を行うディジタルコントローラとしてのマイクロコンピュータ(MCU)7を備える。R3,R4は出力電圧VBをマイクロコンピュータ7に帰還させるための直列分圧抵抗である。
第1の電源回路5は、特に制限されないが、トランス51を有し、このトランス51の1次側コイルと回路のグランド電位GNDとの間にスイッチゲートとされるnチャンネル型のスイッチMOSトランジスタ50が直列に配置される。MOSトランジスタ50のオン状態で入力電圧VAがトランス51の1次側コイルに流れる。トランス51の2次側コイルの基準端子には第2の電源回路6の出力電圧VB2が供給され、トランス51の2次側コイルの出力端子にはダイオード52が順方向で直列接続され、このダイオード52のカソードとトランス51の2次側コイルの基準端子との間には平滑コンデンサ53が配置され、平滑コンデンサ53の両端には、トランス51の巻数比とMOSトランジスタ50に対するPWM信号54によるスイッチ制御状態に応じて電圧VB1が形成される。負荷8には電圧VB2に電圧VB1が加算された電圧VBが供給される。
第2の電源回路6は、特に制限されないが、入力電圧VAの入力スイッチゲートとされるnチャンネル型のスイッチMOSトランジスタ60にチョークコイル61が直列接続され、その直列結合ノードと回路のグランド電位GNDとの間にダイオード62が逆方向接続状態で挿入されると共に、チョークコイル61を挟んで前記ダイオード62と並列に平滑コンデンサ63が配置され、平滑コンデンサ63とチョークコイル61の結合ノードに電圧VB2を生成する。スイッチMOSトランジスタ60はPWM信号64によってスイッチ制御される。
前記マイクロコンピュータ7は、前記第2の電源回路2の出力電圧VBを抵抗素子R3,R4で分圧して得られる電圧に基づいて前記電圧VBが目標電圧に近づくようにパルス幅が制御されたPWM信号24を生成すると共に、前記PWM信号24よりも低い分解能でパルス幅が制御されたPWM信号14を生成する、PWM制御機能を備える。
マイクロコンピュータ7はこのPWM制御機能を実現するために、例えば、前記抵抗R3,R4による分圧電圧をディジタル値に変換するAD変換器(ADC)72と、前記AD変換器72によるディジタル値と前記目標電圧に対応する参照値Drefとを比較する比較器(CMP)73とを有する。更に、PWM信号54,64の生成に夫々割り当てられたタイマカウンタチャネルとしてのタイマカウンタ(PWMTC2,PWMTC3)70,71を備え、前記比較器73の出力を受けるPI制御部(PICNT)74による比例及び積分制御によって前記タイマカウンタ70,71に対するカウント周期が制御される。
PI制御部74は、例えばCPU(中央処理装置)、DSP(ディジタルシグナルプロセッシングユニット)及びその動作プログラムによって実現され、出力と目標値の偏差及びその残留偏差に着目したフィードバック制御によってPWM信号54,64のデューティー制御を行う。すなわち、入力電圧AVから電圧VB2を得るためのデューティー比を持つPWM信号64をタイマカウンタ部71に生成させる制御を行うと共に、前記比較器73の出力に基づいて電圧VB1を負帰還制御するPWM信号54をタイマカウンタ部70に生成させる制御を行う。要するに、電源回路5に対しては電圧VBに基づいてPWM信号54のデューティー比を細かくフィードバック制御するが、電源回路6に関してはPWM信号64のデューティー比はPWM信号54よりもラフにフィードバック制御される。PWM制御による電圧生成動作の基本的な動作タイミングは図2と同様にサンプリング周期Tを単位として繰り返される。
次に上記PWM制御機能について具体的な動作例を説明する。
例えば、電圧VA=24V、巻数比M=12、電圧VB2=2V、電圧VB1=1Vとし、ADコンバータ71のサンプリング周波数fS=1MHzとし、ディジタル制御電源装置に要求される分解能としての電圧制御精度の電圧幅である制御電圧幅(リプル電圧v)を出力電圧VBのX=1%とし、タイマカウンタ部70のカウント動作周波数をfCLK2とする。この条件下において、リップル電圧は
v=X・(VB1+VB2)/100=30mV
であり、電源回路1におけるPWM制御の分解能は、
N2=(VA/M)/v=66.7
であり、
タイマカウンタ部70のカウント動作周波数は
fCLK2=fS・N2=66.7MHz
とされる。
この結果を図4で説明した比較例と比べれば明らかなうように、図4のPWQM制御機能の場合には電源回路は1段であるからリプル電圧vの要求仕様が定まれば、電圧VA(=24V)に対する電源回路の分解能(=800)が決まり、それに応じてタイマカウンタ部(PWMTC)のカウント動作に用いるクロック信号CLKの周波数fCLKの値が決まる。図4の例では800MHzになる。これに対して図3の場合には、トランス51を用いた第1の電源回路5の二次側基準端子電圧VB2を第2の電源回路6で生成するから、電源回路5には電源装置PWRS2全体として必要な分解能としてのリプル電圧に等しいリプル電圧vを設定すればよい。トランスの二次側の基準端子電圧を生成する第2の電源回路にはその分解能よりも低い分解能を設定すればよい。第1の電源回路5は、入力電圧VA(=24V)をトランス51の巻数比M(=12)に従って降圧した電圧(24/M=2V)に対してリプル電圧30mVの分解能を満足すればよいから、その分解能は66.7になり、それに応じてタイマカウンタ部70のカウント動作に用いるクロック信号CLK2の周波数fCLK2の値が決まる。図3の例では66.7MHzになる。すなわち、図3の電源回路5におけるカウント動作周波数は、
fCLK2=(1/M)・fCLK
になり、図1よりも更に低周波数とすることができる。
一方、第2の電源回路6には第1の電源回路5の分解能よりも低い分解能を設定すれば充分である。例えばタイマカウンタ部71のカウント動作を行うクロック信号CLK3の周波数fCLK3は第1の電源回路5のためのタイマカウンタ部70のカウント動作クロック信号周波数fCLK2以下の周波数であってよい。電源回路6に対する制御精度の電圧幅は電源回路5における制御精度の電圧幅よりも大きくてよいから、タイマカウンタ部71のカウント動作周波数fCLK3をタイマカウンタ部70のカウント動作周波数fCLK2以下の周波数にしても何ら問題ない。
したがって、図3のディジタル制御電源装置PWRS2においては、図4に示した1段の電源回路を用いる構成に比べて、ディジタル制御電源装置PWRS2に必要な分解能を得るためのPWM信号の生成に低いクロック信号周波数を用いることができ、ディジタル制御電源装置PWRS2の低消費電力に寄与することができる。
PI制御部74は、前述のごとく、電源回路5に対しては電圧VBに基づいてPWM信号54のデューティー比が細かくフィードバック制御されるが、電源回路6に関してはPWM信号64のデューティー比は電圧VB2に基づいてフィードバック制御されず、電圧VA,VBに基づいて低分解で制御されれば充分であることについて先に述べた。これは、図3のディジタル制御電源装置PWRS2に必要な分解能を前段の電源回路5に対するPWM制御で実現しようとしている点を考慮すれば、PWM信号64のデューティー比の制御をラフな制御で済ませるとするという考え方に立脚する。すなわち、前段の電源回路5で追従応答可能な範囲で電圧VB2の生成を簡易に制御すれば済むようにするというものである。したがって、PWM信号64のデューティー比の制御をどの程度行う必要があるかは、負荷4の変動に対する電源回路5の追従応答性がどの程度達成されるかに応じて決定すればよい。
PWM信号64に対するデューティー比制御の第1の形態として、PI制御部34には、前記PWM信号64のデューティー比を一定に制御する形態を採用してよい。負荷変動に対して電源回路5による追従応答性で充分とする場合には電源回路6に対するPWM制御を最も簡素化することができる。
PWM信号64に対するデューティー比制御の第2の形態として、PI制御部34には、PWM信号64のデューティー比を前記比較器73の出力に基づいて可変に制御する形態を採用してよい。これによって、負荷8の変動に対する電源回路5による追従応答性を向上させることができる。具体的には、PI制御部34は、前記負荷8が重いときは電圧VB2を大きくする方向にPWM信号64のデューティー比を制御する。大きくされた電圧VB2は、重負荷を駆動する電圧VBの追従応答性を向上させる。或いは、PI制御部34は、前記負荷8が重いときはタイマカウンタ部71のカウント動作周波数fCLK3を高く制御する。電源回路6における制御精度の電圧幅(リプル電圧)が小さくされることによって、重負荷に起因する負荷の変動に対して電圧VB2の追従応答性を向上させることができる。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施例では電源回路のチョッパ動作をスイッチ素子とダイオードによって実現したが、本発明はそれに限定されず、ハイサイドスイッチトランジスタとローサイドスイッチトランジスタを相補的にスイッチ動作させる構成にも適用することができる。
また、実施の形態1における電源回路1に対するデューティー制御と実施の形態2における電源回路6に対するデューティー制御とは上記実施の形態で説明した手法に限定されない。
ディジタルコントローラはマイクロコンピュータに限定されず、専用のディジタルロジック回路で実現してもよい。
ディジタル制御電源装置は昇圧型の電源装置にも適用可能であり、前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の昇圧回路であってもよい。
PWRS1 ディジタル制御電源装置
VA 入力電圧
VB 出力電圧
1 第1の電源回路
2 第2の電源回路
3 ディジタルコントローラ(マイクロコンピュータ)
R1,R2 分圧抵抗
10 nチャンネル型のスイッチMOSトランジスタ
11 チョークコイル
12 ダイオード
13 平滑コンデンサ
VA1 電圧VA1
14 PWM信号
20 nチャンネル型のスイッチMOSトランジスタ
21 チョークコイル
22 ダイオード
23 平滑コンデンサ
24 PWM信号
32 AD変換器(ADC)
Dref 参照値
33 比較器(CMP)
30,31 タイマカウンタ(PWMTC0,PWMTC1)
34 PI制御部(PICNT)
PWRS2 ディジタル制御電源装置
5 第1の電源回路
6 第2の電源回路
7 ディジタルコントローラ(マイクロコンピュータ)
R3,R4 分圧抵抗
50 nチャンネル型のスイッチMOSトランジスタ
51 トランス
52 ダイオード
53 平滑コンデンサ
VB1 電圧
54 PWM信号
60 nチャンネル型のスイッチMOSトランジスタ
61 チョークコイル
62 ダイオード
63 平滑コンデンサ
64 PWM信号
72 AD変換器(ADC)
73 比較器(CMP)
70,71 タイマカウンタ(PWMTC2,PWMTC3)
74 PI制御部(PICNT)

Claims (20)

  1. 第1のPWM信号によるスイッチング動作に基づいて入力電圧から第1の電圧を生成する第1の電源回路と、
    前記第1の電源回路の第1の電圧の出力端子に直列接続され、第2のPWM信号によるスイッチング動作に基づいて前記第1の電圧から負荷用の第2の電圧を生成する第2の電源回路と、
    前記第2の電源回路の出力に基づいて前記第2の電圧が目標電圧に近づくようにパルス幅が制御された第2のPWM信号及び前記第2のPWM信号よりも低い分解能でパルス幅が制御された第1のPWM信号を生成するディジタルコントローラと、を備えるディジタル制御電源装置。
  2. 前記ディジタルコントローラは、前記第2の電源回路の出力に基づいて得られる電圧をディジタル値に変換するAD変換器と、
    前記AD変換器から出力されるディジタル値と前記目標電圧に対応する参照値とを比較する比較器と、
    前記第1のPWM信号を生成する第1のタイマカウンタ部と、
    前記第2のPWM信号を生成する第2のタイマカウンタ部と、
    前記入力電圧から第1の電圧を得るためのデューティー比を持つ第1のPWM信号を前記第1のタイマカウンタ部に生成させる制御を行うと共に、前記比較器の出力に基づいて第2の電圧を負帰還制御する第2のPWM信号を前記第2のタイマカウンタ部に生成させる制御を行う制御部とを備える、請求項1記載のディジタル制御電源装置。
  3. 前記AD変換器のサンプリング周波数をfとすると、
    第2のタイマカウンタ部は少なくとも前記周波数fのN倍のカウント動作周波数を持ち、
    前記Nは、前記第2の電圧の制御精度の電圧幅を複数倍して前記第1の電圧に等しくなるための倍数とされる、請求項2記載のディジタル制御電源装置。
  4. 前記第1のタイマカウンタ部のカウント動作周波数は前記周波数f以下の周波数である、請求項3記載のディジタル制御電源装置。
  5. 前記制御部は、前記第1のPWM信号のデューティー比を一定に制御する、請求項3記載のディジタル制御電源装置。
  6. 前記制御部は、前記第1のPWM信号のデューティー比を前記比較器の出力に基づいて可変に制御する、請求項3記載のディジタル制御電源装置。
  7. 前記制御部は、前記負荷が重いときは前記第1の電圧を大きくする方向に前記第1のPWM信号のデューティー比を制御する、請求項6記載のディジタル制御電源装置。
  8. 前記制御部は、前記負荷が重いときは前記第1のタイマカウンタ部のカウント動作周波数を高く制御する、請求項3記載のディジタル制御電源装置。
  9. 前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の降圧回路である、請求項1記載のディジタル制御電源装置。
  10. 前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の昇圧回路である、請求項1記載のディジタル制御電源装置。
  11. 第1のPWM信号によるスイッチング動作に基づいて入力電圧からトランスを介して2次側の基準端子に対する第1の電圧を負荷用として生成する第1の電源回路と、
    第2のPWM信号によるスイッチング動作に基づいて前記入力電圧から前記基準端子に供給する第2の電圧を生成する第2の電源回路と、
    前記第1の電源回路の出力に基づいて前記第1の電圧が目標電圧に近づくようにパルス幅が制御された第1のPWM信号及び前記第1のPWM信号よりも低い分解能でパルス幅が制御された第2のPWM信号を生成するディジタルコントローラと、を備えるディジタル制御電源装置。
  12. 前記ディジタルコントローラは、前記第1の電源回路の出力に基づいて得られる電圧をディジタル値に変換するAD変換器と、
    前記AD変換器から得られるディジタル値と前記目標電圧に対応する参照値とを比較する比較器と、
    前記第1のPWM信号を生成する第1のタイマカウンタ部と、
    前記第2のPWM信号を生成する第2のタイマカウンタ部と、
    前記入力電圧から第2の電圧を得るためのデューティー比を持つ第2のPWM信号を前記第2のタイマカウンタ部に生成させる制御を行うと共に、前記比較器の出力に基づいて第1の電圧を負帰還制御する第1のPWM信号を前記第1のタイマカウンタ部に生成させる制御を行う制御部とを備える、請求項11記載のディジタル制御電源装置。
  13. 前記AD変換器のサンプリング周波数をf、前記トランスの巻数比をMとすると、
    第1のタイマカウンタ部は少なくとも前記周波数fのN倍のカウント動作周波数を持ち、
    前記Nは、前記第1の電圧の制御精度の電圧幅を複数倍して前記入力電圧のM分の一の電圧に等しくなるための倍数とされる、請求項12記載のディジタル制御電源装置。
  14. 前記第2のタイマカウンタ部のカウント動作周波数は前記周波数f以下の周波数である、請求項13記載のディジタル制御電源装置。
  15. 前記制御部は、前記第2のPWM信号のデューティーを一定に制御する、請求項13記載のディジタル制御電源装置。
  16. 前記制御部は、前記第2のPWM信号のデューティーを前記比較器の出力に基づいて可変に制御する、請求項13記載のディジタル制御電源装置。
  17. 前記制御部は、前記負荷が重いときは前記第2の電圧を大きくする方向に前記第2のPWM信号のデューティーを制御する、請求項16記載のディジタル制御電源装置。
  18. 前記制御部は、前記負荷が重いときは前記第2のタイマカウンタ部のカウント動作周波数を高く制御する、請求項13記載のディジタル制御電源装置。
  19. 前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の降圧回路である、請求項11記載のディジタル制御電源装置。
  20. 前記第1の電源回路及び第2の電源回路はチョッパ型の昇圧回路である、請求項11記載のディジタル制御電源装置。
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