JP2012182880A - スイッチング電源装置とその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 起動直後の大きな電圧変動の発生を抑圧し、予め決められたオン／オフ期間により任意にしかも高速に電圧を起動させる。
【解決手段】 ドライブ信号（１５，１６）に基づいてスイッチ素子をオン／オフ制御することで出力電圧を制御するスイッチング電源回路（１０）と、スイッチング電源回路（１０）の出力電圧からモニタ信号を取り出すモニタ信号抽出部（１１，１２，１３）と、スイッチング電源回路（１０）に起動指示から一定期間に渡って予め決められたオン／オフ期間のドライブ信号を送って予備起動させ、モニタ信号と基準信号とを比較して誤差信号を得て、予備起動の動作期間完了後、誤差信号に基づいてドライブ信号のオン／オフ期間をフィードバック制御する演算処理回路（１４）とを具備する。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、例えばレーダ送信装置において、矩形波電圧が必要とされるＲＦモジュールに電源を供給するスイッチング電源装置とその起動方法に関する。

周知のように、レーダ送信装置のＲＦモジュールでは、矩形波電圧が必要であり、その電源供給にはスイッチング電源装置が用いられる。このスイッチング電源装置に要求される立ち上がり時間は数μｓ以下であり、これは数百ｋHz〜数MHzのスイッチング電源装置の周期に換算すると、数回程度のスイッチング回数しかない。

従来のスイッチング電源装置では、起動直後、または、一定の電圧に達した後、フィードバック制御を開始するスロースタート方式が一般的である。しかしながら、上記のようなスロースタート方式では、数回程度のスイッチング回数で起動した場合、起動直後に誤差増幅器の信号が大きくなりすぎて、誤差増幅器が飽和してしまい、制御不能状態となり、起動後に大きな電圧変動を発生してしまう問題があった。

特開２００４−２９７９８３号公報 特開２００４−２９７９８５号公報 特開２００６−１８０５９９号公報

以上のように、従来のスイッチング電源装置では、数回程度のスイッチング回数で起動した場合に、起動直後に誤差増幅器の信号が大きくなりすぎて誤差増幅器が飽和してしまい、制御不能状態となり、起動後に大きな電圧変動を発生してしまう問題があった。

本実施形態は上記の課題に鑑みてなされたもので、起動直後の大きな電圧変動の発生を抑圧し、予め決められたパルス数により任意にしかも高速に電圧を起動させることのできるスイッチング電源装置とその起動方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本実施形態に係るスイッチング電源装置は、ドライブ信号に基づいてスイッチ素子をオン／オフ制御することで出力電圧を制御するスイッチング電源回路と、前記スイッチング電源回路に起動指示から一定期間に渡って予め決められたオン／オフ期間のドライブ信号を送る予備起動手段と、前記スイッチング電源回路の出力電圧からモニタ信号を取り出すモニタ信号抽出手段と、前記モニタ信号と基準信号とを比較して誤差信号を得る比較手段と、前記予備起動手段の動作期間完了後、前記誤差信号に基づいて前記ドライブ信号のオン／オフ期間を制御するフィードバック制御手段とを具備する態様とする。

また、本実施形態に係るスイッチング電源装置の起動方法は、ドライブ信号に基づいてスイッチ素子をオン／オフ制御することで出力電圧を制御するスイッチング電源回路に対して、起動指示から一定期間に渡って予め決められたオン／オフ期間のドライブ信号を送って前記出力電圧を増加させる予備起動を行い、前記スイッチング電源回路の出力電圧からモニタ信号を取り出し、前記モニタ信号と基準信号とを比較して誤差信号を取得し、前記予備起動の動作期間完了後、前記誤差信号に基づいて前記ドライブ信号のオン／オフ期間をフィードバック制御する態様とする。

本実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示すブロック回路図。 図１に示す本実施形態の動作原理を説明するための波形図。 図１に示す本実施形態の演算処理回路の処理の流れを示すフローチャート。

以下、図面を参照して本実施形態について説明する。

図１は本実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示すブロック回路図である。図１において、スイッチング電源回路１０は、入力電圧源１より電圧Ｖinが供給され、負荷２に任意の出力電圧Ｖout を供給する。出力電圧Ｖout はスイッチ素子のオン／オフを制御するドライブ信号を発生するドライブ回路１６により制御される。

スイッチング電源回路１０は、例えば特許文献３に示される不連続モードのコンバータである。尚、これは一例であって、通常のＤＣ／ＤＣコンバータでよく、スイッチ素子が１個の簡単なものでもかまわない。

スイッチング電源回路１０の出力電圧Ｖout をモニタするため、抵抗１１，１２によって適切な電圧に分圧し、モニタ信号として取り出す。このモニタ信号はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ１３に供給される。ここでは、分圧のための抵抗１１，１２を入れているが、必要ない場合は特に無くてもよい。Ａ／Ｄコンバータ１３により、モニタ信号はアナログ信号からデジタル信号へ変換され、演算処理回路１４に供給される。

この演算処理回路１４では、Ａ／Ｄコンバータ１３から供給される出力電圧Ｖout のモニタ信号を内部の基準信号源１４１で発生される基準信号と誤差増幅器（差分演算）１４２にて比較してその差分に応じた誤差信号を求める。これによって得られた誤差信号は、例えばＰＩＤ（Proportional Integral Differential：比例・積分・微分）制御回路１４４に供給される。また、演算によって得られたデータ、誤差信号のデータはメモリ１４５に格納される。尚、リミッタ１４３は、誤差信号が起動時に過大になる、すなわちオーバーシュートになることを防ぐためのもので、起動後に外してもかまわない。

起動時の予め決められたパルス幅のデータはメモリ１４５に格納されており、起動時はメモリ１４５からのパルス幅データがＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）回路１５に供給され、起動後はＰＩＤ制御の演算結果がＰＷＭ回路１５に供給される。制御方式はＰＩＤ制御以外にＰＩ制御、ロバスト制御等、誤差信号を増幅する制御方式であればどのような方式でもかまわない。また、パルス出力に同期したパルス信号源３からのパルス信号を演算処理回路１４に入力することにより、スイッチング電源１０のオン／オフを制御する。

例えばＰＷＭ回路１５によりパルス幅変調された信号を、例えばドライブ回路１６に出力する。ＰＷＭ回路１５はＰＦＭ変調、フェーズシフト等コンバータの出力電圧を制御する方式であれば、どのような方式でもかまわない。

例えばドライブ回路１６で信号を増幅し、スイッチング電源回路１０のスイッチング素子のオン／オフを制御する。ＰＷＭ回路１５にスイッチング電源回路１０のスイッチング素子のオン／オフをドライブできる能力があれば、無くてもかまわない。この場合、ＰＷＭ回路１５をスイッチング電源回路１０に直接接続する。

図１の回路図において、各部波形を図２に示して説明する。

スイッチング電源回路１０は、例えば特許文献３に示される不連続モードのコンバータを２フェーズ動作で動かすものとする。簡略化のため、スイッチ素子はハイサイドの信号のみをＰＷＭ１〜ＰＷＭ４として表わし、図面上のハイレベルをオンとする。パルス出力に同期したパルス信号源３からのパルス信号をＯＮ／ＯＦＦ信号として表わし、図面上のハイレベルをオンとする。ＰＷＭ回路１５への演算処理回路１４のデータの値はｄ１〜ｄ８、ｃ１〜ｃ８と表わす。ｄ１〜ｄ８はメモリ１４５により格納された予め決められたパルス幅のデータであり、ｃ１〜ｃ８はＰＩＤ制御回路１４４により演算されたフィードバック制御のデータである。出力電圧Ｖout 上の○印はサンプルポイントを表わす。

起動指示が与えられると、ＯＮ／ＯＦＦ信号がＯＦＦからＯＮになる。このとき、メモリ１４５により格納された予め決められたパルス幅のデータとＰＷＭ信号をＰＷＭ１〜ＰＷＭ４へそれぞれ出力し、それに応じたパルス幅により、スイッチング電源回路１０がオンし出力電圧が増加し始める。データｄ１〜ｄ８のデータを変えることにより、起動時間はスイッチング電源回路１０の起動限界速度以下であれば、任意に調整することができる。

なお、不連続コンバータは１次遅れの系であり、基本的にオーバーシュートは発生しない。また、起動中にも、起動後にＰＩＤ制御回路１４４のために必要なデータをサンプリングし、メモリ１４５に格納する。

ここで、出力電圧Ｖout のモニタ信号と基準信号と比較して得られた誤差信号の値が大きく、ＰＩＤ制御回路１４４の演算結果が過剰な値となり、その結果、出力電圧Ｖout が大幅に変動する状況となったとする。しかしながら、起動時に生じる大幅な変動の誤差信号はリミッタ１４３により制限され、過剰な電圧が加わるのを防ぐ。これにより、少ないスイッチング周期で、オーバーシュートを発生させることなく高速に起動することができ、フィードバック制御に移行したときも、電圧変動は発生せずにスムーズに移行できるスイッチング電源装置を構成することができる。

上記演算処理回路１４の具体的な処理の流れを図３に示す。図３において、初期状態ではＰＷＭ１〜ＰＷＭ４はいずれもＯＦＦ状態となっている（ステップＳ１）。パルス信号源３からのパルス信号によるＯＮ／ＯＦＦ信号がＯＮとなった時点で（ステップＳ２）、データ１，２を出力し（ステップＳ３）、Ａ／Ｄコンバータ１３からサンプリングデータを取得する（ステップＳ４）。このとき、出力電圧Ｖout のモニタ信号と基準信号との差が大きいため、リミッタ１４３による制限が加わる（ステップＳ５）。続いて、データ３，４を出力し（ステップＳ６）、Ａ／Ｄコンバータ１３からサンプリングデータを取得する（ステップＳ７）。この時点でも、出力電圧Ｖout のモニタ信号と基準信号との差が大きいため、リミッタ１４３による制限が加わる（ステップＳ８）。

同様に、データ５，６を出力し（ステップＳ９）、Ａ／Ｄコンバータ１３からサンプリングデータを取得する（ステップＳ１０）。この時点でも、出力電圧Ｖout のモニタ信号と基準信号との差が大きいため、リミッタ１４３による制限が加わる（ステップＳ１１）。続いて、データ７，８を出力し（ステップＳ１２）、Ａ／Ｄコンバータ１３からサンプリングデータを取得する（ステップＳ１３）。この時点で、出力電圧Ｖout のモニタ信号と基準信号との差が許容範囲に入ると、ＰＩＤ制御回路１４４にてＰＩＤが計算され（ステップＳ１４）、その計算結果に基づいてＰＷＭ１〜ＰＷＭ４に対するＰＷＭ信号が演算出力される（ステップＳ１５）。

この時点でＯＮ／ＯＦＦ信号を監視し（ステップＳ１６）、ＯＮのまま継続している場合には（Ｎ）、ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理を繰り返す。ステップＳ１６でＯＦＦとなった場合には（Ｙ）、ステップＳ１に戻り、ＯＮ待機状態となる。

以上のように、本実施形態によると、スイッチング電源回路の起動直後のオーバーシュートを発生させず、予め決められたパルス幅により任意にしかも高速に電圧を起動させることができる。特に、起動時に誤差信号に過大入力が印加されるのを防ぐため、誤差信号の感度を落とすことで、フィードバック制御へ切り換えた直後の電圧変動を防止することができる。

尚、上記実施形態は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でもよい。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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…入力電圧源、２…負荷、３…パルス信号源、１０…スイッチング電源回路、１１，１２…抵抗、１３…Ａ／Ｄコンバータ、１４…演算処理回路、１４１…基準信号源、１４２…誤差増幅器（差分演算）、１４３…リミッタ、１４４…ＰＩＤ制御回路、１４５…メモリ、１５…ＰＷＭ回路、１６…ドライブ回路。

Claims (5)

1. ドライブ信号に基づいてスイッチ素子をオン／オフ制御することで出力電圧を制御するスイッチング電源回路と、
   前記スイッチング電源回路に起動指示から一定期間に渡って予め決められたオン／オフ期間のドライブ信号を送る予備起動手段と、
   前記スイッチング電源回路の出力電圧からモニタ信号を取り出すモニタ信号抽出手段と、
   前記モニタ信号と基準信号とを比較して誤差信号を得る比較手段と、
   前記予備起動手段の動作期間完了後、前記誤差信号に基づいて前記ドライブ信号のオン／オフ期間を制御するフィードバック制御手段と
   を具備することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. さらに、少なくとも前記予備起動手段の動作期間において前記誤差信号を規定レベルで制限するリミッタを備えることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記スイッチング電源回路は不連続モードのコンバータであることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
4. ドライブ信号に基づいてスイッチ素子をオン／オフ制御することで出力電圧を制御するスイッチング電源回路に対して、
   起動指示から一定期間に渡って予め決められたオン／オフ期間のドライブ信号を送って前記出力電圧を増加させる予備起動を行い、
   前記スイッチング電源回路の出力電圧からモニタ信号を取り出し、
   前記モニタ信号と基準信号とを比較して誤差信号を取得し、
   前記予備起動の動作期間完了後、前記誤差信号に基づいて前記ドライブ信号のオン／オフ期間をフィードバック制御することを特徴とするスイッチング電源装置の起動方法。
5. さらに、少なくとも前記予備起動の動作期間において前記誤差信号を規定レベルで制限することを特徴とする請求項４の記載スイッチング電源装置の起動方法。

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