JP2013031235A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】演算手段28には、負の一次関数等で出力電圧Voと出力微分値Vdの関係を規定する制御関数式が定義される。演算手段28は、主スイッチング素子14のスイッチング周期に同期したタイミングで、入力電圧信号Vi,出力電圧信号Voをサンプリングし、以降の主スイッチング素子14のオン時間及びオフ時間を、上記制御関数式を満足するように算出する。駆動パルス生成手段30は、演算手段28が決定したオン時間及びオフ時間に基づいて、主スイッチング素子14をオン・オフさせる駆動パルスV14を生成する。演算手段110は、定期的に回路定数のパラメータ推定を行い、回路定数を定期的に更新する。
【選択図】図1
Description
Frequency Modulation)制御等を行って出力を定電圧化するスイッチング電源装置があった。特に近年は、電源装置の外部環境の急変に対して出力電圧の過渡的な変動を小さくすることが強く求められている。
前記制御回路は、前記主スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を決定する演算手段と、前記主スイッチング素子をオン・オフさせる駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段とを有し、
前記演算手段には、出力電圧と、当該出力電圧の変化を示す出力微分値とを変数として含み、当該2つの変数の関係を、出力電圧の一つの値に対応する出力微分値が一つだけ存在する連続関数式であって、出力電圧がその出力電圧を定電圧化する目標値よりも低い範囲にあるときは、対応する出力微分値が正の値になり、出力電圧が目標値よりも高い範囲にあるときは、対応する出力微分値が負の値になり、出力電圧が目標値に等しいときは、対応する出力微分値がゼロになるように規定する制御関数式が定義され、
前記演算手段は、主スイッチング素子のスイッチング周期に同期したタイミングで、入力電圧を検出した入力電圧信号と、出力電圧を検出又は推定した出力電圧信号とをサンプリングし、サンプリングした当該2つの信号に基づいて導出される次回又はそれ以降のサンプリングタイミングにおける出力電圧信号及び出力微分値が前記制御関数式に規定される関係を満たすように、当該サンプリングタイミング以降のスイッチング周期における主スイッチング素子のオン時間及びオフ時間のうちの少なくとも一方を算出する演算処理を行い、
前記駆動パルス生成手段は、上記2つの信号のサンプリングタイミング以降のスイッチング周期において、前記演算手段が決定したオン時間及びオフ時間に基づいて前記主スイッチング素子をオン・オフさせるよう、駆動パルスを生成するスイッチング電源装置である。
前記演算手段が決定したオン時間及びオフ時間の合計値が、可変可能な最小時間を下回ったとき、前記駆動パルス生成手段は、当該最小時間で前記主スイッチング素子をオン・オフさせる駆動パルスを生成する。
前記演算処理回路には、前記主スイッチング素子のスイッチング周期T、前記平滑インダクタのインダクタンスL、前記平滑コンデンサの容量C、前記出力電流Io、前記平滑インダクタの寄生抵抗の抵抗値Rを用いて次式(1)、(2)で定義される前記複合定数であるp及びVofsがデフォルト値として初期設定され、
前記パラメータ推定は、前記演算手段が、タイミングt(k),t(k−1),t(k−2)ごとにサンプリングした検出値である出力電圧信号Vo(k),Vo(k−1),Vo(k−2),Vi(k−1),Vi(k−2)、及び、タイミングt(k−1),t(k−2)ごとの時比率として算出したδ(k−1),δ(k−2)の各値を取得し、前記各値を含む以下の式(3)〜式(5)により表される評価関数J(N)が最小になる前記複合定数p及びVofsを算出することによって行われるスイッチング電源装置である。
14,14a,14b 主スイッチング素子
16,72,72a,72b 整流素子
18 平滑インダクタ
20 平滑コンデンサ
24,74,78,82,96,100,108 制御回路
26a,26b,42a,42b,52a,52b,62a,62b A/D変換器
28,44,54,64,104,110 演算手段
30,46,56,66 駆動パルス生成手段
86 トランス
88 整流側同期整流素子
89 転流側同期整流素子
94 カップリングコンデンサ
102 オブザーバ
Claims (20)
- オン・オフ動作する主スイッチング素子を含む電力変換回路と、当該オン・オフ動作を制御することによって出力電圧を定電圧化する制御回路とを備えたスイッチング電源装置において、
前記制御回路は、前記主スイッチング素子のオン時間及びオフ時間を決定する演算手段と、前記主スイッチング素子をオン・オフさせる駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段とを有し、
前記演算手段には、出力電圧と、当該出力電圧の変化を示す出力微分値とを変数として含み、当該2つの変数の関係を、出力電圧の一つの値に対応する出力微分値が一つだけ存在する連続関数式であって、出力電圧がその出力電圧を定電圧化する目標値よりも低い範囲にあるときは、対応する出力微分値が正の値になり、出力電圧が目標値よりも高い範囲にあるときは、対応する出力微分値が負の値になり、出力電圧が目標値に等しいときは、対応する出力微分値がゼロになるように規定する制御関数式が定義され、
前記演算手段は、
主スイッチング素子のスイッチング周期に同期したタイミングで、入力電圧を検出した入力電圧信号と、出力電圧を検出又は推定した出力電圧信号とをサンプリングし、
サンプリングした当該2つの信号に基づいて導出される次回又はそれ以降のサンプリングタイミングにおける出力電圧信号及び出力微分値が前記制御関数式に規定される関係を満たすように、当該サンプリングタイミング以降のスイッチング周期における主スイッチング素子のオン時間及びオフ時間のうちの少なくとも一方を算出する演算処理を行い、
前記駆動パルス生成手段は、上記2つの信号のサンプリングタイミング以降のスイッチング周期において、前記演算手段が決定したオン時間及びオフ時間に基づいて前記主スイッチング素子をオン・オフさせるよう、駆動パルスを生成することを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記演算手段は、前記各信号のサンプリングと、オン時間及びオフ時間のうちの少なくとも一方を算出する演算処理とを、前記主スイッチング素子のスイッチング周期ごとに行う請求項1記載のスイッチング電源装置。
- 前記電力変換回路は、前記主スイッチング素子のオン期間に、入力直流電源から出力への電力供給を止めて入力直流電源によって内蔵するインダクタンス素子を励磁し、前記主スイッチング素子のオフ期間に、前記インダクタンス素子に蓄積された励磁エネルギーを出力に放出して電力供給をする動作を行い、
前記演算手段は、前記各信号のサンプリングを、前記インダクタンス素子が励磁エネルギーを放出している期間に行う請求項2記載のスイッチング電源装置。 - 前記駆動パルス生成手段は、前記各信号のサンプリング周期の中間時点を挟んで前後に等しい期間を前記主スイッチング素子のオン期間とする駆動パルスを生成し、又は、当該サンプリング周期の中間時点を挟んで前後に等しい期間を前記主スイッチング素子のオフ期間とする駆動パルスを生成する請求項2記載のスイッチング電源装置。
- 前記電力変換回路は、前記主スイッチング素子のオン期間に、入力直流電源から出力への電力供給をすると共に、入力直流電源によって内蔵するインダクタンス素子を励磁し、
前記主スイッチング素子のオフ期間に、前記インダクタンス素子に蓄積された励磁エネルギーを出力に放出して電力供給し続ける動作を行い、
前記演算手段は、前記各信号のサンプリングと、オン時間及びオフ時間のうちの少なくとも一方を算出する演算処理とを、前記主スイッチング素子のスイッチング周期の半分の周期で行い、
前記駆動パルス生成手段は、スイッチングの1周期の中の2回目のサンプリングタイミングを挟んで前後の期間を前記主スイッチング素子のオン期間とする駆動パルスを生成し、又は、当該2回目のサンプリングタイミングを挟んで前後の期間を前記主スイッチング素子のオフ期間とする駆動パルスを生成する請求項1記載のスイッチング電源装置。 - 前記制御回路は、状態変数の推定手段であるオブザーバを備え、
前記オブザーバは、前記演算手段が入力電圧信号をサンプリングするタイミングで、当該入力電圧信号及び出力電圧を検出した出力電圧信号を入手すると共に、前記演算手段がその直前に決定したオン時間及びオフ時間を入手し、入手した入力電圧信号、出力電圧信号、オン時間及びオフ時間に基づいて、次のサンプリングタイミングにおける出力電圧信号を推定する処理を行い、
前記演算手段は、当該入力電圧信号、出力電圧信号、オン時間及びオフ時間と、前記オブザーバが推定した出力電圧信号とをサンプリングし、それらに基づいて上記の演算処理を行う請求項1乃至5のいずれか記載のスイッチング電源装置。 - 前記オブザーバは、入手した入力電圧信号、出力電圧信号、オン時間及びオフ時間に基づいて、次のサンプリングタイミングにおける出力電圧信号、及び出力電流が流れる経路に存在する寄生インピーダンスによる電圧降下成分を推定する処理を行い、
前記演算手段は、当該入力電圧信号、出力電圧信号及びオン時間及びオフ時間と、前記オブザーバが推定した出力電圧信号及び前記電圧降下成分とをサンプリングし、それらに基づいて上記の演算処理を行う請求項6記載のスイッチング電源装置。 - 前記演算手段に定義された制御関数式は、出力電圧と出力微分値との関係を、負の傾きを有する一次関数で規定された請求項1乃至7のいずれか記載のスイッチング電源装置。
- 前記演算手段に定義された制御関数式は、出力電圧と目標値の差が所定の値を超える範囲では、出力微分値が出力電圧によらず一定になるよう規定された請求項1乃至8のいずれか記載のスイッチング電源装置。
- 前記演算手段は、オン時間及びオフ時間の双方を、互いの合計時間が一定になるように算出する請求項1乃至9のいずれか記載のスイッチング電源装置。
- 前記演算手段は、オフ時間を、オン時間が一定になるように算出する請求項1乃至9のいずれか記載のスイッチング電源装置。
- 前記演算手段は、オン時間を、オフ時間が一定になるように算出する請求項1乃至9のいずれか記載のスイッチング電源装置。
- 前記演算手段が決定したオン時間及びオフ時間が、オンの時比率として可変可能な最大時比率を超える関係にあるとき、前記駆動パルス生成手段は、当該最大時比率で前記主スイッチング素子をオン・オフさせる駆動パルスを生成し、
前記演算手段が決定したオン時間及びオフ時間が、オンの時比率として可変可能な最小時比率を下回る関係にあるとき、前記駆動パルス生成手段は、当該最小時比率で前記主スイッチング素子をオン・オフさせる駆動パルスを生成する請求項10乃至12のいずれか記載のスイッチング電源装置。 - 前記演算手段は、オン時間及びオフ時間の双方を、スイッチング周期に対するオンの時比率が一定になるように算出する請求項1乃至9のいずれか記載のスイッチング電源装置。
- 前記演算手段が決定したオン時間及びオフ時間の合計値が、可変可能な最大時間を超えたとき、前記駆動パルス生成手段は、当該最大時間で前記主スイッチング素子をオン・オフさせる駆動パルスを生成し、
前記演算手段が決定したオン時間及びオフ時間の合計値が、可変可能な最小時間を下回ったとき、前記駆動パルス生成手段は、当該最小時間で前記主スイッチング素子をオン・オフさせる駆動パルスを生成する請求項14記載のスイッチング電源装置。 - 前記演算手段は、デフォルト値として初期設定されている回路定数についてパラメータ推定を行い、前記演算手段がサンプリングした実際の出力電圧信号と、過去にオン時間及びオフ時間を決定したときに予想した当該サンプリングタイミングにおける出力電圧信号との差が小さくなるように更新する請求項1乃至15のいずれか記載のスイッチング電源装置。
- 複数の前記回路定数を組み合わせて成る複合定数が定義され、前記パラメータ推定は、当該複合定数の単位で行われる請求項16記載のスイッチング電源装置。
- 前記回路定数又は前記複合定数に基づく前記パラメータ推定は、オフライン最小二乗法を用いて行われる請求項16又は17記載のスイッチング電源装置。
- 前記電力変換回路は、入力電圧を断続する前記主スイッチング素子と、前記主スイッチング素子と相補的にオン・オフする整流素子と、前記整流素子の両端の断続電圧を平滑する平滑インダクタ及び平滑コンデンサとを備えた降圧チョッパ回路であり、
前記演算処理回路には、前記主スイッチング素子のスイッチング周期T、前記平滑インダクタのインダクタンスL、前記平滑コンデンサの容量C、前記出力電流Io、前記平滑インダクタの寄生抵抗の抵抗値Rを用いて次式(1)、(2)で定義される前記複合定数p及びVofsがデフォルト値として初期設定され、
前記演算手段は、電源動作中に前記複合定数p及びVofsをパラメータ推定によって定期的に更新し、
前記パラメータ推定は、前記演算手段が、タイミングt(k),t(k−1),t(k−2)ごとにサンプリングした検出値である出力電圧信号Vo(k),Vo(k−1),Vo(k−2),Vi(k−1),Vi(k−2)、及びタイミングt(k−1),t(k−2)ごとの時比率として算出したδ(k−1),δ(k−2)の各値を取得し、前記各値を含む以下の式(3)〜式(5)により表される評価関数J(N)が最小になる前記複合定数p及びVofsを算出することによって行われる請求項1記載のスイッチング電源装置。
- 前記演算手段は、前記パラメータ推定を行うタイミングごとに、上記の演算処理を経て決定されるオン時間及びオフ時間を僅かに拡散変動させ、当該拡散変動によって出力電圧が変動している期間中に各信号のサンプリングを行って、前記パラメータ推定を行う請求項16乃至19のいずれか記載のスイッチング電源装置。
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