JP2014027794A - 電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法 - Google Patents

電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法 Download PDF

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Abstract

【課題】消費電力が少なく、かつ供給先の機器に応じて容易に調整可能な電力供給装置を提供する。
【解決手段】電源電圧に接続され、電力供給のオン／オフ動作を行うドライバ１１と、一定周期毎に発振器信号を出力する発振器１５と、発振器１５により出力された発振器信号に基づいて、ドライバのオン／オフ制御を行うデジタル制御回路１３Ａと、発振器１５による発信器信号をカウントするカウンタ１３１ｃとを備え、デジタル制御回路１３Ａは、カウンタ１３１ｃによりカウントされるカウント値の上限を示す閾値を設定し、カウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値が、設定された閾値を越えた場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法に関し、供給電力が少ない状態においても、効率を下げず、低電力で制御できる機構を持ち、かつ供給先の機器や、使用環境に応じて容易に調整可能な電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法に関する。
一般的に、電力変換装置、特に、直流変換を行う装置において、内部に備えたスイッチング素子のオン／オフ制御によって負荷に供給する電力量を制御する電力供給装置がよく知られている。
この電力供給装置は、アナログ回路方式およびデジタル回路方式が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
特開２００９−７１９７８号公報 特表２００５−５１２４９３号公報
しかしながら、特許文献１に記載のスイッチング電源では、アナログ回路により実現されているので、設定変更が困難であった。そのため、電力供給先の機器の仕様に応じて、リップル電圧やスイッチング周波数を調整することが困難になるという課題があった。
また、特許文献２に記載の高周波数電圧調整器用のデジタル制御器では、変換器出力電圧と比較する基準電圧は固定値であるので、電力供給先の機器の仕様に応じて、基準電圧を調整することができなかった。
本発明の目的は、供給電力が少ない状態においても効率を下げることなく、供給先の機器の仕様や使用環境の変化に応じて、調節設定がデジタル設定（パラメータやソフト変更）のみで実行可能であり、再設計や他部品を用いた合わせこみを不要にした電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法を提供することにある。
本発明の一態様によれば、電源電圧に接続され、電力供給のオン／オフ動作を行うドライバと、一定周期毎に発振器信号を出力する発振器と、前記発振器により出力された発振器信号に基づいて、前記ドライバのオン／オフ制御を行うデジタル制御回路と、前記発振器による発信器信号をカウントするカウンタとを備え、前記デジタル制御回路は、前記カウンタによりカウントされるカウント値の上限を示す閾値を設定し、前記カウンタによりカウントされたカウント値が、前記設定された閾値を越えた場合に、前記発振器による発振器信号の出力動作を停止することを特徴とする電力供給装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、一定周期毎に発振器信号を出力する発振ステップと、前記発振ステップにより出力された発振器信号に基づいて、電力供給のオン／オフ動作を行うデジタル制御ステップと、前記発振ステップによる発信信号をカウントするカウントステップと、を有し、前記デジタル制御ステップは、前記カウントステップによりカウントされるカウント値の上限を示す閾値を設定し、前記カウントステップによりカウントされたカウント値が、前記設定された閾値を越えた場合に、前記発振ステップによる発振器信号の出力動作を停止することを特徴とする電力供給方法が提供される。
本発明によれば、供給電力が少ない状態においても効率を下げることなく、供給先の機器の仕様や使用環境の変化に応じて、調節設定がデジタル設定（パラメータやソフト変更）のみで実行可能であり、再設計や他部品を用いた合わせこみを不要にした電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法を提供することができる。
第１の実施の形態に係る電力供給システムの構成を示した図。 第１の実施の形態に係る電力供給システムの電力供給装置が備えるＡ／Ｄ変換器１７の構成を示した図。 第１の実施の形態に係る電力供給システムの電力供給装置の処理手順を示したフローチャート。 第１の実施の形態に係る電力供給システムの電力供給装置のタイミングチャート。 第２の実施の形態に係る電力供給システムの構成を示した図。 第２の実施の形態に係る電力供給システムの電力供給装置における処理手順を示したフローチャート。 第２の実施の形態に係る電力供給システムの電力供給装置のタイミングチャート。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
［第１の実施の形態］
（電力供給システムの概要）
第１の実施の形態に係る電力供給システム１００の構成は、図１に示すように、例えば、スイッチング電源装置である電力供給装置１０と、電力供給装置１０に接続されるコイルＬと、コイルＬに接続されるコンデンサＣｏおよび負荷１６とを備える。電源電圧Ｖｃｃが入力電源電圧であり、コンデンサＣｏとコイルＬとの接続ノードより出力される出力電圧ＶＯＵＴが得られる。
電力供給装置１０に接続され、電力供給装置１０から電力が供給される負荷１６としては、例えば、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などのモバイル機器や、これらを構成する構成部品などである。
電力供給装置１０は、電源電圧に接続され、電力供給のオン／オフ動作を行うドライバ１１と、ドライバ１１のオン／オフ制御を行うデジタル制御回路１３と、例えば１ＭＨｚといった安定したクロック周期などの一定周期毎にドライバ１１のオン／オフ制御するための発振器信号をデジタル制御回路１３に出力する発振器１５と、ドライバ１１の出力電流を検出するコンパレータ２１とを備えている。
ここで、発信器１５は出力をオン／オフできる機構を有し、通常モードは、安定したクロック周期を連続（常にＥＮ信号オン）で出力し、かつ低電力モードは、発振器１５のＥＮ信号オンにより、即座に安定したクロック周期を出力、ＥＮ信号オフでクロック停止となり、間欠動作を可能とするものである。つまり、発信器１５はドライバ１１をオン／オフするための一定のクロック周期（一定周期）信号をデジタル制御回路１３に出力する。
デジタル制御回路１３は、発振器１５による発振器信号の出力動作とドライバ１１のオン／オフ動作とを連続的に動作させる通常制御モードと、発振器１５による発振器信号の出力動作とドライバ１１のオン／オフ動作とを間欠的に動作させる低電力制御モードとを有している。
デジタル制御回路１３は、コンパレータ２１により検出された電流に基づいて、通常制御モードと低電力制御モードとを切り替え設定し、設定されたモードに基づいて、ドライバ１１及び発振器１５を制御する。
また、デジタル制御回路１３は、通常制御モードから低電力制御モードに切り替えられたときに、発振器１５による発振器信号の出力動作とドライバ１１のオン／オフ動作とを停止させる。具体的には、デジタル制御回路１３は、連続動作状態から必要なときのみ動作させる間欠動作状態へ切り替えられる。
電力供給装置１０は、ドライバ１１によって電流制御されるコイルＬ、及びコイルＬに接続されたコンデンサＣｏの接続ノードより出力される出力電圧ＶＯＵＴと、予め設定された閾電圧ＶＴＨとを比較するＡ／Ｄ変換器１７を備えている。
デジタル制御回路１３は、低電力制御モードが設定されており、Ａ／Ｄ変換器１７による比較結果により出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下となった場合に、ドライバ１１のオン／オフ動作を開始させる。
デジタル制御回路１３は、低電力制御モードが設定されている場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作の停止後、出力動作を予め設定された時間だけ起動する。
具体的には、発信器１５の発振信号は停止されており、検出器（１ビットＡ／Ｄ変換器１７）により、電圧低下状態を検出した場合、即座にオンし、予め設定された時間だけ起動し、検出器（１ビットＡ／Ｄ変換器１７）が反転（所定電圧以上を検出）で停止する。すなわち、デジタル制御回路１３は、出力動作を予め設定された時間だけ起動し、Ａ／Ｄ変換器１７による比較結果により出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以上となった場合、デジタル制御回路１３は、出力動作を停止する。それまで、所定時間のオンオフを繰り返す。
デジタル制御回路１３は、低電力制御モードが設定されている場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作が連続して停止された回数が、予め定められた連続繰返回数に達した場合に、出力動作を起動し、通常制御モードを設定する。即ち、連続回数を予め設定された回数以上繰り返した場合、通常モードに切り替わり、連続動作となる。
（電力供給装置の詳細構成）
第１の実施の形態に係る電力供給システムの電力供給装置１０の構成について、詳細に説明する。
電力供給装置１０は、図１に示すように、電源電圧Ｖｃｃに接続され、オン／オフ動作を行うドライバ１１と、ドライバ１１のオン／オフ制御を行うデジタル制御回路１３と、ドライバ１１に流れる電流量が制御されるコイルＬと、コイルＬに接続されコイルＬとともに整流動作を行うコンデンサＣｏと、例えば１ＭＨｚといった安定したクロック周期などの一定周期毎にドライバ１１をオン／オフ制御するための発振器信号をデジタル制御回路１３に出力する発振器（ＯＳＣ）１５と、コンデンサＣｏとコイルＬとの接続ノードより出力される出力電圧ＶＯＵＴと、予め設定された閾電圧ＶＴＨとを比較するＡ／Ｄ変換器１７と、Ａ／Ｄ変換器１７に閾電圧ＶＴＨを供給するメモリ１９と、ドライバ１１の出力電流を検出するコンパレータ２１とを備える。
なお、ドライバ１１は、図示しないが、スイッチング素子を有しており、スイッチング素子のオン／オフを行う。例えば、スイッチング素子は、ドレインがコイルＬに接続されソースが電源電圧Ｖｃｃに接続されたｐチャネルＭＯＳＦＥＴＱＰと、ドレインがコイルＬに接続されソースが接地電位に接続されたｎチャネルＭＯＳＦＥＴＱＮとからなるＣＭＯＳＦＥＴで構成されている。
デジタル制御回路１３は、制御モードとして、発振器１５による発振器信号の出力動作とドライバ１１のオン／オフ動作とを連続的に動作させる通常制御モードと、発振器１５による発振器信号の出力動作とドライバ１１のオン／オフ動作とを間欠的に動作させる低電力制御モードとを有している。低電力制御モードは、間欠的に動作させるので、その分、通常制御モードと比較して、消費電力は小さくなる。
デジタル制御回路１３は、コンパレータ２１により検出された電流に基づいて、通常制御モードと低電力制御モードとを切り替え設定し、設定された制御モードに基づいて、ドライバ１１及び発振器１５を制御する。
具体的には、デジタル制御回路１３は、通常制御モードから低電力制御モードに切り替えられたときに、発振器１５による発振器信号の出力動作とドライバ１１のオン／オフ動作とを停止させ、低電力制御モードが設定されており、Ａ／Ｄ変換器１７による比較結果により出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下となった場合に、ドライバ１１のオン／オフ動作を開始させる。
Ａ／Ｄ変換器１７も通常モードから低電力モードでｎビット変換から１ビット変換へ切り替えられる低電力機能を備える。すなわち、Ａ／Ｄ変換器１７は、後述するように、１０ビットでＡ／Ｄ変換する１０ビットモードと、１ビットで出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較する１ビットモードを有しており、通常制御モードが設定されている場合、１０ビットモードで動作し、低電力制御モードが設定されている場合、１ビットモードで動作する。即ち、Ａ／Ｄ変換器１７は、１ビットモードでは、比較器となる。
また、デジタル制御回路１３は、低電力制御モードが設定されている場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作の停止後、出力動作を予め設定された時間だけ起動させる。
具体的には、発信器１５の発振信号は停止されており、検出器（１ビットＡ／Ｄ変換器１７）により、電圧低下状態を検出した場合、即座にオンし、予め設定された時間だけ起動し、検出器（１ビットＡ／Ｄ変換器１７）が反転（所定電圧以上を検出）で停止する。すなわち、デジタル制御回路１３は、出力動作を予め設定された時間だけ起動し、Ａ／Ｄ変換器１７による比較結果により出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以上となった場合、デジタル制御回路１３は、出力動作を停止する。それまで、所定時間のオンオフを繰り返す。
デジタル制御回路１３は、低電力制御モードが設定されている場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作の停止後、出力動作が連続して停止された回数が、予め定められた連続繰返回数予め定められた連続繰返回数に達した場合に、出力動作を起動し、通常制御モードを設定する。即ち、連続回数を予め設定された回数以上繰り返した場合、通常モードに切り替わり、連続動作となる。
第１の実施の形態に係る電力供給システム１００の電力供給装置１０が備えるＡ／Ｄ変換器１７の構成は、図２に示すように表される。
Ａ／Ｄ変換器１７は、ｎビットで動作するｎビットモードと、１ビットで動作する１ビットモードとを有し、低電力制御モードが設定されている場合に、１ビットモードでコンデンサＣ０とコイルＬとの接続ノードより出力される出力電圧ＶＯＵＴと、予め設定された閾電圧ＶＴＨとを比較する。
具体的には、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器１７は、出力電圧ＶＯＵＴを一時的に保存するＢＵＦ(buffer)５１と、ＢＵＦ５１から供給された出力電圧ＶＯＵＴを保存するＳ／Ｈ回路と、入力値を比較するコンパレータユニット５５と、コンパレータユニット５５から供給された比較結果を一時的に記憶すると共に、メモリ１９から供給された閾電圧ＶＴＨをＤＡＣ(digital to analog converter)５９へ供給するＳＡＲ(Successive Approximation Register)ロジック回路５７と、デジタル信号をアナログ信号へ変換するＤＡＣ(digital to analog converter)５９と、パルスカウントを発生させるＰＵＬＳＣＮＴ６１と、バイアス回路６３とを備えている。
Ａ／Ｄ変換器１７は、１０ビットでＡ／Ｄ変換する１０ビットモードと、１ビットで出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較する１ビットモードを有している。Ａ／Ｄ変換器１７は、通常制御モードが設定されている場合、１０ビットモードで動作し、低電力制御モードが設定されている場合、１ビットモードで動作する。
具体的には、Ａ／Ｄ変換器１７は、通常制御モードが設定されている場合（１０ビットモードで動作する場合）、コンパレータユニット５５と、ＳＡＲロジック回路５７と、ＤＡＣ５９とを１０回ループさせることにより、閾電圧ＶＴＨをＡ／Ｄ変換する。
一方、低電力制御モードが設定されている場合（１ビットモードで動作する場合）、Ａ／Ｄ変換器１７は、コンパレータユニット５５と、ＤＡＣ５９と、ＰＵＬＳＣＮＴ６１と、バイアス回路６３とを用いて、出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較する。具体的には、閾電圧ＶＴＨがＤＡＣ５９を介して、コンパレータユニット５５に供給されると共に、出力電圧ＶＯＵＴが、ＢＵＦ５１からコンパレータユニット５５に供給される。
コンパレータユニット５５が、出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較し、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨを越えている場合は、デジタル制御回路１３にオフ信号を供給し、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下である場合は、デジタル制御回路１３にオン信号を供給する。
このように、Ａ／Ｄ変換器１７は、１０ビットでＡ／Ｄ変換する１０ビットモードと、１ビットで出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較する１ビットモードとを切り替えて使用するので、Ａ／Ｄ変換器１７内部の構成部品を共用し、Ａ／Ｄ変換機能と比較機能とを切り替える仕様を実現することで、ハードウェア資源を節約している。
（電力供給装置の動作）
次に、第１の実施の形態に係る電力供給システムの電力供給装置１０の動作を説明する。
第１の実施の形態に係る電力供給システムの電力供給装置１０による処理手順を示したフローチャートは、図３に示すように表される。
（ａ）図３に示すように、電力供給装置１０は通電されると、まず、通常制御モードが設定される（ステップＳ１０１）。これにより、発振器１５による発振器信号の出力動作や、ドライバ１１のオン／オフ動作等の電力供給装置１０が備える各構成部の各種動作が連続的に実行される。
（ｂ）そして、電圧値確認制御処理を実行する（ステップＳ１０３）。ここでは、通常制御モードが設定されているので、Ａ／Ｄ変換器１７は１０ビットモードで電圧値を確認、即ち、アナログの電圧値をデジタルの電圧値に変換する。
（ｃ）次に、コンパレータ２１によりドライバ１１の出力電流が検出されたか否かが判定される（ステップＳ１０５）。
（ｄ）ステップＳ１０５において、コンパレータ２１によりドライバ１１の出力電流が検出されると、処理がステップＳ１０３に移行される。
（ｅ）一方、ドライバ１１の出力電流が検出されなくなる、即ち、電流値が“０”（Ａ）まで低下すると、デジタル制御回路１３は、制御モードとして、低電力制御モードを設定する（ステップＳ１０７）。これにより、以降、発振器１５による発振器信号の出力動作と、ドライバ１１のオン／オフ動作とが間欠的に動作されることになる。
（ｆ）まず、発振器１５による発振器信号の出力動作が停止される（ステップＳ１０９）。
そして、コンパレータ２１によりドライバ１１の出力電流が検出されたか否かが判定される（ステップＳ１１１）。
（ｇ）ステップＳ１１１において、コンパレータ２１によりドライバ１１の出力電流が検出されなくなる、即ち、電流値が“０”（Ａ）まで低下すると（ＮＯの場合）、デジタル制御回路１３は、ドライバ１１のオン／オフ動作を停止する（ステップＳ１１３）。
（ｈ）そして、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨを越えたか否かが判定される（ステップＳ１１５）。具体的には、低電力制御モードが設定されているので、Ａ／Ｄ変換器１７は、１ビットモードで動作し、コンパレータユニット５５と、ＤＡＣ５９と、ＰＵＬＳＣＮＴ６１と、バイアス回路６３とを用いて、出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較し、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨを越えている場合は、デジタル制御回路１３にオフ信号を供給し、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下である場合は、デジタル制御回路１３にオン信号を供給する。
（ｉ）一方、ステップＳ１１１において、ドライバ１１の出力電流が検出されると、ステップＳ１１３をパスして、処理がステップＳ１１５に移行される。
（ｊ）ステップＳ１１５において、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨを越えていると判定されると（ＹＥＳの場合）、即ち、デジタル制御回路１３にオフ信号が供給されると、処理がステップＳ１１１に移行される。
（ｋ）一方、ステップＳ１１５において、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下であると判定されると（ＮＯの場合）、即ち、デジタル制御回路１３にオン信号が供給されると、デジタル制御回路１３は、出力動作が連続して停止された回数が、連続繰返回数に達したか否かを判定する（ステップＳ１１７）。ここで、連続繰返回数とは、低電力制御モードが設定されている場合において、間欠的に動作される発振器１５による発振器信号の出力動作が、実行される回数の上限値であり、例えば、予め設定されている。即ち、設定された時間オンする回数が連続で繰り返される回数を意味する。この連続繰返回数により、低電力制御モードの設定期間が決定される。ここでは、連続繰返回数は、“３”回と設定されているとする。
（ｌ）ステップＳ１１７において、出力動作が連続して停止された回数が、連続繰返回数に達したと判定された場合（ＹＥＳの場合）、発振器１５による発振器信号の出力動作と、ドライバ１１のオン／オフ動作とが開始される（ステップＳ１１９）。
（ｍ）一方、ステップＳ１１７において、出力動作が連続して停止された回数が、連続繰返回数を以下であると判定された場合（ＮＯの場合）、発振器１５による発振器信号の出力動作と、ドライバ１１のオン／オフ動作とが開始された後（ステップＳ１２１）、設定時間が経過したか否かが判定される（ステップＳ１２３）。この設定時間は、低電力制御モードが設定されている場合において、発振器１５による発振器信号の出力動作が開始されてから停止されるまでの時間であり、予め設定されている。
第１の実施の形態に係る電力供給システム１００の電力供給装置１０のタイミングチャートは、図４に示すように表される。
図４に示すように、時刻ｔ１において、コンパレータ２１によりドライバ１１の出力電流が検出されなくなる、即ち、コンパレータ２１からの出力信号がローレベルになると、時刻ｔ３において、通常制御モードから、低電圧制御モードへ切り替えられる。
これにより、発振器１５による発振器信号の出力動作と、ドライバ１１のオン／オフ動作とが、停止される。ドライバ１１のオン／オフ動作が停止されることにより、電力供給が停止するので、コンデンサＣｏから自然放電が開始する。また、時刻ｔ３において、Ａ／Ｄ変換器１７は、１０ビットでＡ／Ｄ変換する１０ビットモードから、１ビットで出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較する１ビットモードへ切り替わる。
また、時刻ｔ５において、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下となり、１ビットモードで比較器として動作するＡ／Ｄ変換器１７からの出力信号がローレベルになると、発振器１５による発振器信号の出力動作と、ドライバ１１のオン／オフ動作とが、開始される。これにより電力供給が再開するので、コンデンサＣｏの充電が開始する。オンが開始されると、カウントアップのオーバーフラグで発信器１５、ドライバ１１がオフ（Ｎｃｈ：オフ）となる。
時刻ｔ５から所定時間が経過した時刻ｔ７において、発振器１５による発振器信号の出力動作が停止される。
そして、時刻ｔ９において、コンパレータ２１からの出力信号がローレベルになり、かつ、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨを越えている、即ち、Ａ／Ｄ変換器１７からの出力信号がハイレベルであるので、ドライバ１１のオン／オフ動作が停止される。
ここでは、連続繰返回数は、“３”回と設定されているので、時刻ｔ１１において、出力動作が連続して停止された回数が、連続繰返回数に達したと判定され、発振器１５による発振器信号の出力動作と、ドライバ１１のオン／オフ動作とが、開始される。
その後、時刻ｔ１３において、低電圧制御モードから通常制御モードへ切り替えられる。これにより、発振器１５による発振器信号の出力動作や、ドライバ１１のオン／オフ動作等の電力供給装置１０が備える各構成部の各種動作が連続的に実行される。
このように、第１の実施の形態に係る電力供給装置１０によれば、通常制御モードと、低電力制御モードとを有し、コンパレータ２１により検出された電流に基づいて、通常制御モードと低電力制御モードとを切り替え設定し、設定されたモードに基づいて、ドライバ１１及び発振器１５を制御するので、低電力制御モードで制御している期間について消費電力を低減することができる。例えば、通常モードにおける消費電力が、１（ｍＡ）であるとすると、低電力制御モードで制御することにより、１００（μＡ）程度まで節電することができる。
また、負荷１６の消費電力が小さいときには、低電力制御モードにて制御を行い、負荷１６の消費電力に応じて電力供給装置１０の消費電力の割合を低減することができる。
さらに、デジタル制御回路１３により、各制御が実行されるので、負荷１６の仕様に応じて、リップル電圧やスイッチング周波数等の各種設定を容易に調整することができる。
第１の実施の形態によれば、供給電力が少ない状態においても効率を下げることなく、供給先の機器の仕様や使用環境の変化に応じて、調節設定がデジタル設定（パラメータやソフト変更）のみで実行可能であり、再設計や他部品を用いた合わせこみを不要にした電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法を提供することができる。
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、１０ビットで動作する１０ビットモードと、１ビットで動作する１ビットモードとを切り替えるＡ／Ｄ変換器を備える電力供給装置１０を例に挙げて説明したが、これに限らない。
第２の実施の形態では、コンパレータにより出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較し、さらに、スイッチング周波数の調整を行う電力供給装置１０Ａを例に挙げて説明する。
（電力供給システムの構成）
第２の実施の形態に係る電力供給システム１００は、図５に示すように、例えば、スイッチング電源装置である電力供給装置１０Ａと、電力供給装置１０Ａに接続されるコイルＬと、コイルＬに接続されるコンデンサＣｏおよび負荷１６とを備える。電源電圧Ｖｃｃが入力電源電圧であり、コンデンサＣｏとコイルＬとの接続ノードより出力される出力電圧ＶＯＵＴが得られる。
電力供給装置１０Ａに接続され、電力供給装置１０Ａから電力が供給される負荷１６としては、例えば、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などのモバイル機器や、これらを構成する構成部品などである。
電力供給装置１０Ａは、電源電圧に接続され、電力供給のオン／オフ動作を行うドライバ１１と、一定周期毎に発振器信号を出力する発振器１５と、発振器１５により出力された発振器信号に基づいてドライバ１１のオン／オフ制御を行うデジタル制御回路１３Ａと、発振器１５による発信器信号をカウントするデジタルカウンタ１３１ｃと、を備え、デジタル制御回路１３Ａは、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされるカウント値の上限を示す閾値を設定し、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値が、設定された閾値を越えた場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止する。
また、電力供給装置１０Ａは、ドライバ１１によって電流制御されるコイルＬ、及びコイルＬに接続されたコンデンサＣｏの接続ノードより出力される出力電圧ＶＯＵＴと、予め設定された閾電圧ＶＴＨとを比較するコンパレータ２３を新たに備え、デジタル制御回路１３Ａは、コンパレータ２３による比較結果により出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下となった場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を開始する。
電力供給装置１０Ａは、外部入力から設定された閾値ＣＴＨを記憶するメモリ２５を、更に備え、デジタル制御回路１３Ａは、メモリ２５に記憶された閾値ＣＴＨを読み出し、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値が読み出された閾値ＣＴＨを越え、さらにコンパレータ２３による比較結果により出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以上である場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止する。
（電力供給装置１０Ａの詳細構成）
第２の実施の形態に係る電力供給システム１００の電力供給装置１０Ａの構成について、詳細に説明する。
電力供給装置１０Ａは、図５に示すように、電源電圧Ｖｃｃに接続され、オン／オフ動作を行うドライバ１１と、ドライバ１１のオン／オフ制御を行うデジタル制御回路１３Ａと、ドライバ１１に流れる電流量が制御されるコイルＬと、コイルＬに接続されコイルＬとともに整流動作を行うコンデンサＣｏと、一定周期毎にドライバ１１をオン／オフ制御するための発振器信号をデジタル制御回路１３Ａに出力する発振器（ＯＳＣ）１５と、コンデンサＣｏとコイルＬとの接続ノードより出力される出力電圧ＶＯＵＴと、予め設定された閾電圧ＶＴＨとを比較するコンパレータ２３と、コンパレータ２３に閾電圧ＶＴＨを供給するメモリ２５と、ドライバ１１の出力電流を検出するコンパレータ２１とを備える。
これらの構成のうち、メモリ２５と、コンパレータ２３と、デジタル制御回路１３Ａ以外の構成については、第１の実施の形態に係る電力供給装置１０と同一であるので、説明を省略する。
メモリ２５は、コンパレータに供給する閾電圧ＶＴＨと、後述するように、充放電のスイッチング周波数を決定するための閾値ＣＴＨを記憶する。
コンパレータ２３は、コンデンサＣｏとコイルＬとの接続ノードより出力される出力電圧ＶＯＵＴと、メモリ１９から供給される閾電圧ＶＴＨとを比較し、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨを越えている場合は、デジタル制御回路１３Ａにオフ信号を供給し、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下である場合は、デジタル制御回路１３Ａにオン信号を供給する。
デジタル制御回路１３Ａは、その機能上、演算部１３１と、変調部１３２とを備える。
変調部１３２は、演算部１３１から供給される信号を変調して制御信号を生成し、ドライバ１１へ供給する。
演算部１３１は、さらに、演算処理部１３１ａと、状態管理部１３１ｂと、デジタルカウンタ１３１ｃとを備える。
演算処理部１３１ａは、各種判断処理を含む演算処理を実行する。この判断処理には、出力（ＶＯＵＴ、供給）安定化処理（通常モード）がある。
状態管理部１３１ｂは、各構成要素の状態を管理する。具体的には、以下（１）〜（３）の状態を管理する。
（１）コンパレータ２１の検出により、通常制御モード→低電力制御モードの管理を行う。
（２）低電力モード時、カウントＵＰ／ＯＶＥＲ時、コンパレータ２１により発信器継続か停止モードの状態かの管理、カウント状態の連続繰り返し管理を行う。
（３）低電力制御モード→通常制御モードの管理を行う。
（４）自然放電モードでの、コンパレータ２１検出状態でドライバ１１の状態を完全オフモードに管理する。（充電モード Ｐｃｈ：オン Ｎｃｈ：オフ、放電モード Ｐｃｈ：オフ Ｎｃｈ：オン、但し、コンパレータ２１検出でＰｃｈ：オフ Ｎｃｈ：オフ）＋各モードにおけるドライバ１１のオン／オフ状態管理を行う。
より具体的には、状態管理部１３１ｂは、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値Ｃの上限を示す閾値ＣＴＨを、メモリ１９から読み出し、読み出した閾値ＣＴＨを設定する。状態管理部１３１ｂは、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値Ｃが、設定された閾値ＣＴＨを越えたか否かを判定する。ここで、閾値ＣＴＨは、予め設定することができ、この閾値ＣＴＨにより、充放電のスイッチング周波数が決定される。
さらに、状態管理部１３１ｂは、コンパレータ２１により検出された電流に基づいて、通常制御モードと低電力制御モードとを切り替え設定する。また、状態管理部１３１ｂは、デジタルカウンタ１３１ｃによるカウントアップの管理を行う。
また、状態管理部１３１ｂは、カウント値Ｃが設定された閾値ＣＴＨを越え、さらにコンパレータ２３による比較結果により出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以上である場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止し、カウント値Ｃが設定された閾値ＣＴＨを越え、コンパレータ２３による比較結果により出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下である場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を継続し、カウント値Ｃをリセットさせる。
また、状態管理部１３１ｂは、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止し、ドライバ１１のオン／オフ動作を停止する（Ｐｃｈ：オフ、Ｎｃｎ：オン）。これにより、自然放電状態（コイルＬの放電状態）となり、負荷１６による消費電力が少ないモードであるため、コイルＬによる逆起電力により、電流が低下し、コンパレータ２１により電流値が“０”Ａであることが検出されると、ドライバ１１のオン／オフ動作を完全停止（Ｐｃｈ：オフ、Ｎｃｎ：オフ）する。
デジタルカウンタ１３１ｃは、発振器１５から供給される発振器信号をカウントする。
（電力供給装置の動作）
第２の実施の形態に係る電力供給システム１００の電力供給装置１０Ａの動作を説明する。
第２の実施の形態に係る電力供給システム１００の電力供給装置１０Ａの処理手順を示したフローチャートは、図６に示すように表される。
（ａ）電力供給装置１０Ａは、図６に示すように、オフ制御させているとする（ステップＳ２０１）。具体的には、発振器１５による発振器信号の出力動作が停止している。
（ｂ）そして、デジタル制御回路１３Ａの状態管理部１３１ｂは、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下か否かを判定する（ステップＳ２０３）。ステップＳ２０３において、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下であると判定された場合（ＹＥＳの場合）、デジタル制御回路１３Ａの状態管理部１３１ｂは、オン制御を実行する。具体的には、状態管理部１３１ｂは、発振器１５による発振器信号の出力動作、デジタルカウンタ１３１ｃのカウント動作、ドライバ１１のオン／オフ動作が開始される。
（ｃ）次に、デジタル制御回路１３Ａの状態管理部１３１ｂは、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値Ｃが閾値ＣＴＨを越えたか否かを判定する（ステップＳ２０７）。
（ｄ）ステップＳ２０７によりカウント値Ｃが閾値ＣＴＨを越えたと判定された場合（ＹＥＳの場合）、状態管理部１３１ｂは、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以上か否かを判定する（ステップＳ２０８）。
（ｅ）ステップＳ２０８において、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以上と判定された場合（ＹＥＳの場合）、状態管理部１３１ｂは、オフ処理を実行する（ステップＳ２０９）。具体的には、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止し、ドライバ１１のオン／オフ動作を停止する（Ｐｃｈ：オフ、Ｎｃｎ：オン）。これにより、自然放電状態（コイルＬの放電状態）となり、負荷１６による消費電力が少ないモードであるため、コイルＬによる逆起電力により、電流が低下し、“０”となると、コンパレータ２１によりこれを検出することにより、ドライバ１１のオン／オフ動作が完全停止（Ｐｃｈ：オフ、Ｎｃｎ：オフ）し、コンデンサＣｏの完全自然放電状態となる。
第２の実施の形態に係る電力供給システム１００の電力供給装置１０Ａのタイミングチャートは、図７に示すように表される。
図７に示すように、時刻ｔ１１において、出力電圧ＶＯＵＴが閾電圧ＶＴＨ以下となると、時刻ｔ１３において、発振器１５による発振器信号の出力動作等が開始される。即ち、安定出力動作が即座に行われる。これにより、コンパレータ２１により電流が検出され、また、コンデンサＣｏの充電が開始される。
時刻ｔ１３から、デジタルカウンタ１３１ｃは、発振器１５から供給される発振器信号のカウントを開始する。
時刻ｔ１５において、状態管理部１３１ｂにより、カウント値Ｃが閾値ＣＴＨを越えたと判定されると、速やかに、状態管理部１３１ｂは、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止する。
これにより、ドライバ１１が停止するので、ドライバ１１の出力電流が低下し、ｔ１７時点において、“０”（Ａ）になると、コンデンサＣｏの自然放電が開始する。
このように、閾値ＣＴＨが、予め設定されることにより、充放電のスイッチング周波数が決定される。
以上のように、第２の実施の形態に係る電力供給システム１００の電力供給装置１０Ａによれば、デジタル制御回路１３Ａが、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値の上限値を設定し、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値が設定された閾値を越えた場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止するので、この閾値の値を設定変更することにより、充放電パルス間隔、即ち、スイッチング周波数を変更することができる。
これにより、負荷１６の仕様に応じて、スイッチング周波数等の各種設定を容易に調整することができるので、例えば、電力供給装置１０Ａの実装後においても、閾値の値等の設定変更を行うことで、電力供給先の機器の仕様に応じて、要求される電力供給ができるように容易に調整することができる。そのため、アナログ回路にて実装された従来技術である電力供給装置のように、電力供給先の機器の仕様変更があった場合に、再設計や新たに別デバイスの開発を行う必要がなくなるという有利な効果を奏する。
また、第２の実施の形態に係る電力供給システム１００の電力供給装置１０Ａによれば、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値が設定された閾値を越えた場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止するので、ドライバ１１の消費電力を低減するだけでなく、発振器１５の消費電力も低減することができる。
なお、第２の実施の形態では、スイッチング周波数を調整する電力供給装置１０Ａを例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、リップル電圧等のようなデジタル制御において設定可能なものであれば何でも良い。
また、第２の実施の形態では、コンパレータ２３により出力電圧ＶＯＵＴと閾電圧ＶＴＨとを比較し、また、スイッチング周波数の調整を行う電力供給装置１０Ａを例に挙げて説明したが、これに替えて、第１の実施の形態に示したＡ／Ｄ変換器１７を備える構成としてもよい。
さらに、第１の実施の形態に示したように、通常制御モードと低電力制御モードとを切り替えるようにしてもよい。具体的には、電源電圧に接続され、電力供給のオン／オフ動作を行うドライバ１１と、一定周期毎に発振器信号を出力する発振器１５と、発振器１５により出力された発振器信号に基づいて、ドライバ１１のオン／オフ制御を行うデジタル制御回路１３Ａと、発振器１５による発信器信号をカウントするデジタルカウンタ１３１ｃと、ドライバ１１の出力電流を検出するコンパレータ２１とを備え、デジタル制御回路１３Ａは、発振器１５による発振器信号の出力動作とドライバ１１のオン／オフ動作とを連続的に動作させる通常制御モードと、発振器１５による発振器信号の出力動作とドライバ１１のオン／オフ動作とを間欠的に動作させる低電力制御モードとを有し、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされるカウント値Ｃの上限を示す閾値ＣＴＨを設定され、かつ低電力制御モードが設定されている場合に、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値が、設定された閾値を越えると、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止するようにしてもよい。
これにより、低電力制御モードが設定されている場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止するので、消費電力を低減することができると共に、この閾値の値を設定変更することにより、充放電パルス間隔、即ち、スイッチング周波数を変更することができるので、電力供給先の機器の仕様に応じて、要求される電力供給ができるように容易に調整することができる。
また、デジタル制御回路１３Ａは、コンパレータ２１により検出された電流に基づいて、通常制御モードと低電力制御モードとを切り替え設定し、設定されたモードに基づいて、ドライバ１１及び発振器１５を制御するようにしてもよい。
さらに、第２の実施の形態では、メモリ２５に記憶された閾値ＣＴＨを読み出し、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値Ｃが読み出された閾値ＣＴＨを越えた場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止するデジタル制御回路１３Ａを備える電力供給装置１０Ａを例に挙げて説明したが、これに限らない。
閾値ＣＴＨが記憶された外部端末と通信する通信インタフェースを備え、デジタル制御回路１３Ａが、通信インタフェースを介して外部端末から閾値ＣＴＨを受信し、デジタルカウンタ１３１ｃによりカウントされたカウント値Ｃが、受信した閾値ＣＴＨを越えた場合に、発振器１５による発振器信号の出力動作を停止するようにしてもよい。
第２の実施の形態によれば、一定周期毎に発振器信号を出力する発振ステップと、発振ステップにより出力された発振器信号に基づいて、電力供給のオン／オフ動作を行うデジタル制御ステップと、発振ステップによる発信信号をカウントするカウントステップとを有し、デジタル制御ステップは、カウントステップによりカウントされるカウント値の上限を示す閾値を設定し、カウントステップによりカウントされたカウント値が、設定された閾値を越えた場合に、発振ステップによる発振器信号の出力動作を停止する電力供給方法を提供できる。
第２の実施の形態によれば、供給電力が少ない状態においても効率を下げることなく、供給先の機器の仕様や使用環境の変化に応じて、調節設定がデジタル設定（パラメータやソフト変更）のみで実行可能であり、再設計や他部品を用いた合わせこみを不要にした電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法を提供することができる。
以上説明したように、本発明によれば、供給先の機器に応じて容易に調整可能な電力供給装置、電力供給システム及び電力供給方法を提供することができる。
（その他の実施の形態）
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明の電力供給装置は、直流変換を行う装置において、内部に備えたスイッチング素子のオン／オフ制御によって負荷に供給する電力量を制御するスイッチング電源装置等の電力変換装置に適用される。
１０，１０Ａ…電力供給装置
１１…ドライバ
１３，１３Ａ…デジタル制御回路
１５…発振器
１６…負荷
１７…Ａ／Ｄ変換器（比較器）
１９…メモリ
２１…コンパレータ（電流検出器）
２３…コンパレータ（比較器）
５１…ＢＵＦ
５５…コンパレータユニット
５７…ＳＡＲロジック回路
５９…ＤＡＣ
６１…ＰＵＬＳＣＮＴ
６３…バイアス回路
１００…電力供給システム
１３１…演算部
１３１ａ…演算処理部
１３１ｂ…状態管理部
１３１ｃ…デジタルカウンタ
１３２…変調部

Claims (9)

  1. 電源電圧に接続され、電力供給のオン／オフ動作を行うドライバと、
    一定周期毎に発振器信号を出力する発振器と、
    前記発振器により出力された発振器信号に基づいて、前記ドライバのオン／オフ制御を行うデジタル制御回路と、
    前記発振器による発信器信号をカウントするカウンタと
    を備え、
    前記デジタル制御回路は、
    前記カウンタによりカウントされるカウント値の上限を示す閾値を設定し、前記カウンタによりカウントされたカウント値が、前記設定された閾値を越えた場合に、前記発振器による発振器信号の出力動作を停止することを特徴とする電力供給装置。
  2. 前記ドライバによって電流制御されるコイル及び前記コイルに接続されたコンデンサの接続ノードより出力される出力電圧と、予め設定された閾電圧とを比較する比較器を備え、
    前記デジタル制御回路は、
    前記比較器による比較結果により前記出力電圧が前記閾電圧以下となった場合に、前記発振器による発振器信号の出力動作を開始することを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
  3. 外部入力から設定された前記閾値を記憶する記憶手段を更に備え、
    前記デジタル制御回路は、
    前記記憶手段に記憶された閾値を読み出し、前記カウンタによりカウントされたカウント値が前記読み出された閾値を越えた場合に、前記発振器による発振器信号の出力動作を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
  4. 前記閾値が記憶された外部端末と通信する通信インタフェースを更に備え、
    前記デジタル制御回路は、
    前記通信インタフェースを介して前記外部端末から前記閾値を受信し、前記カウンタによりカウントされたカウント値が前記受信した閾値を越えた場合に、前記発振器による発振器信号の出力動作を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給装置。
  5. 前記デジタル制御回路は、
    前記発振器による発振器信号の出力動作と前記ドライバのオン／オフ動作とを連続的に動作させる通常制御モードと、前記発振器による発振器信号の出力動作と前記ドライバのオン／オフ動作とを間欠的に動作させる低電力制御モードとを有し、前記カウンタによりカウントされるカウント値の上限を示す閾値を設定され、かつ前記低電力制御モードが設定されている場合に、前記カウンタによりカウントされたカウント値が、前記設定された閾値を越えると、前記発振器による発振器信号の出力動作を停止することを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
  6. 前記ドライバの出力電流を検出する電流検出器を更に備え、
    前記デジタル制御回路は、
    前記電流検出器により検出された電流に基づいて、前記通常制御モードと前記低電力制御モードとを切り替え設定することを特徴とする請求項５に記載の電力供給装置。
  7. 前記請求項１〜６項のいずれかに記載された電力供給装置と、
    前記電力供給装置から電力が供給される負荷と
    を備えたことを特徴とする電力供給システム。
  8. 前記負荷は、携帯電話、スマートフォン、ＰＤＡ、光ディスク装置、デジタルカメラ、又は無線通信装置のうちいずれかであるモバイル機器、又はこれらの構成部品であることを特徴とする請求項７に記載の電力供給システム。
  9. 一定周期毎に発振器信号を出力する発振ステップと、
    前記発振ステップにより出力された発振器信号に基づいて、電力供給のオン／オフ動作を行うデジタル制御ステップと、
    前記発振ステップによる発信信号をカウントするカウントステップと
    を有し、
    前記デジタル制御ステップは、
    前記カウントステップによりカウントされるカウント値の上限を示す閾値を設定し、前記カウントステップによりカウントされたカウント値が、前記設定された閾値を越えた場合に、前記発振ステップによる発振器信号の出力動作を停止することを特徴とする電力供給方法。
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