JP2014068461A - 電源制御装置、電源制御システム及び電源制御方法 - Google Patents

電源制御装置、電源制御システム及び電源制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】短時間で制御対象を安定化可能な電源制御装置、電源制御システム及び電源制御方法を提供する。
【解決手段】制御対象である電源3を制御する制御回路2と、制御回路2が電源3を制御するための操作量を算出する制御演算部1とを備え、制御演算部1は、電源3に外乱が発生した場合に、この外乱発生期間、操作量にパラメータを反映させることにより操作量を増幅させ、短時間で制御対象を安定化させる電源制御装置、電源制御システム及び電源制御方法を提供することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電源制御装置、電源制御システム及び電源制御方法に関し、特に、迅速に安定化可能な電源制御装置、電源制御システム及び電源制御方法に関する。
一般的に、制御対象の制御量を安定化させる制御方式として、PI(Proportional Integral)制御、PID(Proportional Integral Differential)制御、ロバスト制御などが良く知られている。
従来のアナログPID制御のようなフィードバックループでは、過渡応答特性に限界がある。そのため、アナログ回路では、カレントモードと呼ばれるコイルに流れる電流に帰還をかけるループを組み合わせる方法を採用している。
例えば、特許文献1には、PID制御を用いて、補正レンズの位置調整を行う光学装置が記載されている。
特開2004−170599号公報
しかしながら、特許文献1に記載の光学装置では、制御対象である補正レンズに外乱が発生した場合、安定化するまでに長時間を要するという問題があった。
デジタル電源で同じことを実現しようとすると、電圧ループの他に電流をモニタするためのADコンバータが必要になり、更にコイル、抵抗などの外付け部品やピン数も増加し、回路面積、消費電流が増大する。
本発明者は、電流モニタ用ADコンバータを使用せず、出力電圧の変動を仮想電流変動に見立てて、これを制御することで、アナログカレントモードと同等の過渡応答を実現可能であることを見出した。
本発明の目的は、短時間で制御対象を安定化可能な電源制御装置、電源制御システム及び電源制御方法を提供することにある。
本発明の実施の態様によれば、制御対象である電源を制御する制御回路と、前記制御回路が前記電源を制御するための操作量を算出する制御演算部とを備え、前記制御演算部は、前記電源に外乱が発生した場合に、この外乱発生期間、前記操作量にパラメータを反映させることにより前記操作量を増幅させる電源制御装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、制御対象である電源を制御する制御回路と、前記制御回路が前記電源を制御するための操作量を算出する制御演算部とを備え、前記制御演算部は、前記電源に外乱が発生した場合に、この外乱発生期間、前記操作量にパラメータを反映させることにより前記操作量を増幅させる電源制御装置と、電子機器又は電子機器の構成部品に含まれる前記電源とを備える電源制御システムが提供される。
本発明の他の態様によれば、制御対象である電源を制御する制御ステップと、前記制御ステップにより前記電源を制御するための操作量を算出する制御演算ステップとを有し、前記制御演算ステップは、前記電源に外乱が発生した場合に、この外乱発生期間、前記操作量にパラメータを反映させることにより前記操作量を増幅させる電源制御方法が提供される。
本発明によれば、短時間で制御対象を安定化させる電源制御装置、電源制御システム及び電源制御方法を提供することができる。
実施の形態に係る電源制御システムの構成を示した図。 実施の形態に係る電源制御システムの電源の回路構成を示した図。 実施の形態に係る電源制御システムが備える電源制御装置の処理手順を示したフローチャート。 実施の形態に係る電源制御システムの電源の出力電圧の変化を示した図であって、(a)電圧降下が生じた場合の出力電圧の変化を示した図、(b)急激に電圧降下が生じた場合の出力電圧の変化を示した図、(c)電圧上昇が生じた場合の出力電圧の変化を示した図、(d)急激に電圧上昇が生じた場合の出力電圧の変化を示した図。
次に、図面を参照して、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]
(電源制御システムの構成)
実施の形態に係る電源制御システム100は、図1に示すように、制御演算部1と、制御回路2と、制御対象である電源3とを備える。ここで、制御演算部1と、制御回路2とを電源制御装置10という。
電源3は、例えば、液晶テレビ、モニタ、サーバ、コンピュータ、POL(Point of Load)、携帯電話、スマートフォン、PDA(Personal Digital Assistant)、ポータブル・メディア・プレーヤーなどの光ディスク装置、デジタルカメラ、無線通信装置などの内のいずれか若しくはこれらの組み合わせ、又はこれらの電子機器の構成部品に含まれる降圧DC/DCコンバータ等の電源装置であり、フィードバック制御される対象である。電源3は、電源3が出力する出力電圧が検出され、この検出された検出値を制御演算部1へ供給する。
制御演算部1は、制御回路2が電源3を制御するための操作量を算出する。具体的には、制御演算部1は、電源3に外乱が発生した場合に、この外乱発生期間、操作量にパラメータを反映させることにより操作量を増幅させる。
制御回路2は、制御対象である電源3を制御する。
(制御演算部1の構成)
実施の形態に係る電源制御システム100の制御演算部1は、差分算出部11と、判定部12と、切替制御部13とを備える。
差分算出部11は、制御周期毎に、電源3の出力電圧と、予め定められた基準電圧との基準値差分E1(t)を算出すると共に、電源3の出力電圧と、1制御周期前の出力電圧との経過差分E2(t)を算出する。
判定部12は、電源3の出力電圧に基づいて、電源3に外乱が発生したか否かを判定する。具体的には、判定部12は、差分算出部11により算出された基準値差分E1(t)の絶対値が、予め定められた電圧閾値ETH1を越えた場合に、第1の外乱が発生したと判定し、差分算出部11により算出された経過差分E2(t)の絶対値が、電圧閾値ETH1を越えた場合に、第2の外乱が発生したと判定する。
また、判定部12は、差分算出部11により算出された基準値差分の絶対値が、電圧閾値ETH1より低い値である許容電圧閾値未満となった場合に、許容範囲内にあると判定する。
切替制御部13は、判定部12により外乱が発生したと判定された場合に、切り替え器をオンにすることによりパラメータを反映させる。具体的には、切替制御部13は、判定部12により第1の外乱が検出されたと判定された場合に、第2切替器32をオンにすることによりパラメータK3を反映させ、判定部12により第2の外乱が検出されたと判定された場合に、第1切替器31をオンにすることによりパラメータK2を反映させると共に、第2切替器32をオンにすることによりパラメータK3を反映させる。
切替制御部13は、判定部12により許容範囲内にあると判定された場合に、第2切替器32をオフにすることによりパラメータK3の反映を停止する。
(制御回路2の構成)
制御回路2は、制御演算部1から供給された基準値差分E1(t)と経過差分E2(t)に基づいて、操作量U(t)の信号を生成する。
制御回路2は、メモリ21と、乗算器22と、係数演算器23・25・28と、シフト演算器24・27と、加算器26・29と、第1切替器31と、第2切替器32とを備える。
メモリ21は、操作量U(t)を増幅させるためのパラメータK3を記憶している。
乗算器22は、制御演算部1から供給された基準値差分E1(t)に、メモリ21に記憶されたパラメータK3を乗算し、K3・E1(t)を出力する。
係数演算器23は、乗算器22から出力されたK3・E1(t)に、パラメータK0を乗算する。
シフト演算器24は、乗算器22から出力されたK3・E1(t)をシフト演算することにより、1制御周期前のK3・E1(t)であるK3・E1(t−1)を算出する。
係数演算器25は、シフト演算器24によりシフト演算されたK3・E1(t−1)に、パラメータK1を乗算し、K1・K3・E1(t−1)を出力する。
加算器26は、係数演算器23から出力されたK0・K3・E1(t)と、係数演算器25から出力されたK1・K3・E1(t−1)と、シフト演算器27から出力されたU0(t−1)とを加算することにより、U(t)(=K0・K3・E1(t)+K1・K3・E1(t−1)+U0(t−1))を出力する。
シフト演算器27は、加算器26から出力されたU0(t)を、シフト演算することにより、1制御周期前のU0(t)であるU0(t−1)を算出する。
係数演算器28は、制御演算部1から供給された経過差分E2(t)に、パラメータK2を乗算する。
加算器29は、加算器26から出力されたU0(t)に、係数演算器28から出力されたK2・E2(t)を加算することにより、操作量U(t)を算出し、電源3へ出力する。
第1切替器31は、後述する制御演算部1の切替制御部13の指示により、オンオフする。第1切替器31がオンされた場合、加算器29において、係数演算器28から出力されたK2・E2(t)が加算される。
第2切替器32は、後述する制御演算部1の切替制御部13の指示により、オンオフする。第2切替器32がオンされた場合、乗算器22において、制御演算部1から供給された基準値差分E1(t)に、メモリ21に記憶されたパラメータK3が乗算される。
即ち、パラメータをK0、K1、操作量をU(t)、1制御周期前の操作量をU0(t−1)、1制御周期前の基準値差分をE1(t−1)としたときに、第1切替器31は、(1)式におけるパラメータK2の反映を切り替え、第2切替器32は、(1)式におけるパラメータK3の反映を切り替える。

U(t)=K0・K3・E1(t)+K1・K3・E1(t−1)+U0(t−1)+K2・E2(t) (1)

図2は、本実施の形態に係る電源制御システム100の電源3の回路構成図である。
図2に示すように、電源3は、スイッチング素子301・302と、GND・IN・SW・FBの記号で示す各端子と、ADコンバータ310とを備えている。
スイッチング素子301・302は、例えば、トランジスタなどで構成され、スイッチング動作を行う。
GNDは、グランド端子である。
VINは、入力端子である。
SWは、降圧DC/DCコンバータのスイッチング出力端子である。
FBは、電圧検出端子である。
ADコンバータ310は、FBにおける出力電圧を検出し、検出した電圧値を制御演算部1へ供給する。
(電源制御装置10の動作)
実施の形態に係る電源制御システム100が備える電源制御装置10の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、電源制御装置10の制御演算部1は、制御周期に達したか否かを判定する(ステップS101)。例えば、制御周期が、10(ms)であるとすると、10(ms)毎に、本フローチャートの処理が実行される。
(b)ステップS101において、制御周期に達したと判定された場合(YESの場合)、差分算出部11は、基準値差分E1(t)を算出する(ステップS103)。具体的には、差分算出部11は、電源3のADコンバータ310から供給される出力電圧と、予め定められた基準電圧VREFとの電圧の差分を示す基準値差分E1(t)を算出する。
(c)そして、差分算出部11は、経過差分E2(t)を算出する(ステップS105)。具体的には、差分算出部11は、電源3の出力電圧と、1制御周期前の出力電圧との電圧の差分を示す経過差分E2(t)を算出する。
(d)次に、判定部12は、差分算出部11により算出された基準値差分E1(t)の絶対値が、電圧閾値ETH1を越えたか否かを判定する(ステップS107)。ここで、電圧閾値ETH1は、外乱の検出の感度を決める値であり、高く設定されると、外乱が発生したと判定され難く、第2切替器32が動作し難い。一方、電圧閾値ETH1が、低く設定されると、外乱が発生したと判定され易く、第2切替器32が動作し易くなる。そのため、予め適切な値を設定しておく必要がある。
(e)ステップS107において、基準値差分E1(t)の絶対値が、電圧閾値ETH1を越えたと判定された場合(YESの場合)、第1の外乱が発生したと判定し、切替制御部13は、第2切替器32をオンにする(ステップS109)。これにより、メモリ21に記憶されたパラメータK3が乗算器22に供給されるので、乗算器22は、制御演算部1から供給された基準値差分E1(t)に、メモリ21から供給されたパラメータK3を乗算し、K3・E1(t)を出力する。
(f)次に、判定部12は、差分算出部11により算出された経過差分E2(t)の絶対値が、電圧閾値ETH1を越えたか否かを判定する(ステップS111)。
(g)ステップS111において、経過差分E2(t)の絶対値が、電圧閾値ETH1を越えたと判定された場合(YESの場合)、第2の外乱が発生したと判定し、切替制御部13は、第1切替器31をオンにする(ステップS113)。これにより、係数演算器28が、制御演算部1から供給された経過差分E2(t)に、パラメータK2を乗算したK2・E2(t)を加算器29に供給し、加算器29が、加算器26から出力されたU0(t)に、係数演算器28から出力されたK2・E2(t)を加算することにより、操作量U(t)を算出し、電源3へ出力するので、操作量U(t)にパラメータK2を反映させることができる。
(h)次に、判定部12は、差分算出部11により算出された基準値差分E1(t)の絶対値が、許容電圧閾値ETH2未満か否かを判定する(ステップS115)。ここで、許容電圧閾値ETH2は、その絶対値が、電圧閾値ETH1の絶対値より小さくなるように、予め設定されている。
(i)ステップS115において、基準値差分E1(t)の絶対値が、許容電圧閾値ETH2未満であると判定された場合(YESの場合)、切替制御部13は、第1切替器31をオフにすると共に、第2切替器32をオフにする(ステップS117)。これにより、操作量U(t)にパラメータK2、K3を反映させないようにすることができる。
図4は、実施の形態に係る電源制御システム100の電源3の出力電圧の変化を示す。図4(a)は、電圧降下が生じた場合、図4(b)は、急激に電圧降下が生じた場合、図4(c)は、電圧上昇が生じた場合、図4(d)は、急激に電圧上昇が生じた場合の出力電圧の変化をそれぞれ示す。
図4(a)に示すように、出力電圧101は、t11時点において、電圧降下が発生しており、t12時点において、出力電圧VOUTと、基準電圧VREFとの差分である基準値差分E1(t)が−ETH1を下回ったとき、判定部12は、第1の外乱が発生したと判定し、切替制御部13は、第2切替器32をオンにする。
また、図4(b)に示すように、出力電圧102は、t21時点において、電圧降下が発生しており、t22時点において、出力電圧VOUTと、基準電圧VREFとの差分である基準値差分E1(t)が−ETH1を下回っている。さらに、図4(a)に示した出力電圧101と比較して、電圧降下の度合いが大きく、t22時点において、経過差分E2(t)が、−ETH1を下回る。この場合、判定部12は、第2の外乱が発生したと判定し、切替制御部13は、さらに、第1切替器31をオンにする。
また、図4(c)に示すように、出力電圧103は、t31時点において、電圧上昇が発生しており、t32時点において、出力電圧VOUTと、基準電圧VREFとの差分である基準値差分E1(t)がETH1を越えたとき、判定部12は、第1の外乱が発生したと判定し、切替制御部13は、第2切替器32をオンにする。
また、図4(d)に示すように、出力電圧104は、t41時点において、電圧上昇が発生しており、t42時点において、出力電圧VOUTと、基準電圧VREFとの差分である基準値差分E1(t)が電圧閾値ETH1を越えている。さらに、図4(c)に示した出力電圧103と比較して、電圧上昇の度合いが大きく、t42時点において、経過差分E2(t)が、電圧閾値ETH1を越えている。この場合、判定部12は、第2の外乱が発生したと判定し、切替制御部13は、さらに、第1切替器31をオンにする。
即ち、基準値差分E1(t)の絶対値が、電圧閾値ETH1を越えたと判定された場合、第1の外乱が発生したと判定し、切替制御部13は、第2切替器32をオンにし、さらに、経過差分E2(t)の絶対値が、電圧閾値ETH1を越えたと判定された場合、第2の外乱が発生したと判定し、切替制御部13は、第1切替器31をオンにする。
これにより、出力電圧の基準値差分E1(t)及び、経過差分E2(t)に基づいて、パラメータK2、K3を、操作量U(t)に反映させるか否かを決定するので、出力電圧の上昇、下降度合いに応じて、操作量U(t)を変更することができ、外乱が生じた場合においても、短時間で制御対象を安定化させる。
以上のように、本実施の形態に係る電源制御システムによれば、従来の電源制御装置に比較して、過渡応答特性が大幅に改善されるので、短時間で制御対象を安定化可能である。
本実施の形態に係る電源制御システムによれば、電源の出力電圧に基づいて、電源に外乱が発生したか否かを判定するので、ADコンバータを設ける必要がなく、コイルや抵抗などの外付け部品やピン数を減少させることができる。これにより、回路面積を狭くでき、消費電力も低減することができる。また、回路構成が単純になるので、信頼性向上を実現することができる。
さらに、本実施の形態に係る電源制御システムによれば、メインのフィードバックループにおけるゲインを全く必要とせず、係数を小さくできるため、演算回路のビット数を減少させることができ、ゲート数も削減でき、これにより、コストダウンや信頼性向上を実現することができる。
また、本実施の形態に係る電源制御方法は、制御対象である電源を制御する制御ステップと、制御ステップにより電源を制御するための操作量を算出する制御演算ステップとを備え、制御演算ステップは、電源に外乱が発生した場合に、この外乱発生期間、操作量にパラメータを反映させることにより操作量を増幅させるものであるため、装置構成にとらわれない。
このように、本発明によれば、短時間で制御対象を安定化可能な電源制御装置、電源制御システム及び電源制御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。
本発明の電源制御装置は、例えば、液晶テレビ、モニタ、サーバ、コンピュータ、POL、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電子機器等に適用される。
1…制御演算部
2…制御回路
3…電源
10…電源制御装置
11…差分算出部
12…判定部
13…切替制御部
21…メモリ
22…乗算器
23、25、28…係数演算器
24、27…シフト演算器
26、29…加算器
31…第1切替器
32…第2切替器
100…電源制御システム
E1(t)…基準値差分
E1(t−1)…1制御周期前の基準値差分
E2(t)…経過差分
U(t)…操作量
U0(t−1)…1制御周期前の操作量
K0、K1、K2、K3…パラメータ
TH1、ETH2…電圧閾値
OUT…出力電圧
REF…基準電圧

Claims (10)

  1. 制御対象である電源を制御する制御回路と、
    前記制御回路が前記電源を制御するための操作量を算出する制御演算部と
    を備え、
    前記制御演算部は、
    前記電源に外乱が発生した場合に、この外乱発生期間、前記操作量にパラメータを反映させることにより前記操作量を増幅させることを特徴とする電源制御装置。
  2. 前記制御回路は、
    前記パラメータの反映を切り替える切り替え器を有し、
    前記制御演算部は、
    前記電源の出力電圧に基づいて、前記電源に外乱が発生したか否かを判定する判定手段と、
    前記判定手段により外乱が発生したと判定された場合に、前記切り替え器をオンにすることにより前記パラメータを反映させる切り替え制御手段と
    を有することを特徴とする請求項1に記載の電源制御装置。
  3. 前記制御演算部は、
    制御周期毎に、前記電源の出力電圧と、予め定められた基準電圧との基準値差分を算出する差分算出手段を更に有し、
    前記判定手段は、
    前記差分算出手段により算出された基準値差分の絶対値が、予め定められた電圧閾値を越えた場合に、外乱が発生したと判定することを特徴とする請求項2に記載の電源制御装置。
  4. 前記制御演算部は、
    制御周期毎に、前記電源の出力電圧と、1制御周期前の出力電圧との経過差分を算出する差分算出手段を更に有し、
    前記判定手段は、
    前記差分算出手段により算出された経過差分の絶対値が、予め定められた電圧閾値を越えた場合に、外乱が発生したと判定することを特徴とする請求項2に記載の電源制御装置。
  5. 前記制御演算部は、
    制御周期毎に、前記電源の出力電圧と、予め定められた基準電圧との基準値差分E1(t)を算出すると共に、前記電源の出力電圧と、1制御周期前の出力電圧との経過差分E2(t)を算出する差分算出手段を更に有し、
    前記切り替え器は、
    前記操作量をU(t)、1制御周期前の前記操作量をU0(t−1)、1制御周期前の前記基準値差分をE1(t−1)としたときの(1)式におけるパラメータK2の反映を切り替える第1切替器と、(1)式におけるパラメータK3の反映を切り替える第2切替器とを有し、

    U(t)=K0・K3・E1(t)+K1・K3・E1(t−1)+U0(t−1)+K2・E2(t) (1)

    前記判定手段は、
    前記差分算出手段により算出された基準値差分の絶対値が、予め定められた電圧閾値を越えた場合に、第1の外乱が発生したと判定し、前記差分算出手段により算出された経過差分の絶対値が、前記電圧閾値を越えた場合に、第2の外乱が発生したと判定し、
    前記切り替え制御手段は、
    前記判定手段により第1の外乱が検出されたと判定された場合に、前記第2切替器をオンにすることにより前記パラメータK3を反映させ、前記判定手段により第2の外乱が検出されたと判定された場合に、前記第1切替器をオンにすることにより前記パラメータK2を反映させると共に、前記第2切替器をオンにすることにより前記パラメータK3を反映させることを特徴とする請求項2に記載の電源制御装置。
  6. 前記判定手段は、
    前記差分算出手段により算出された基準値差分の絶対値が、前記電圧閾値より低い値である許容電圧閾値未満となった場合に、許容範囲内にあると判定し、
    前記切り替え制御手段は、
    前記判定手段により許容範囲内にあると判定された場合に、前記第2切替器をオフにすることにより前記パラメータK3の反映を停止することを特徴とする請求項5に記載の電源制御装置。
  7. 前記電源は、降圧DC/DCコンバータであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電源制御装置。
  8. 前記請求項1〜7項のいずれか1項に記載された電源制御装置と、
    電子機器又は電子機器の構成部品に含まれる前記電源と
    を備えることを特徴とする電源制御システム。
  9. 前記電子機器は、
    液晶テレビ、モニタ、サーバ、コンピュータ、POL、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内のいずれか若しくはこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項8に記載の電源制御システム。
  10. 制御対象である電源を制御する制御ステップと、
    前記制御ステップにより前記電源を制御するための操作量を算出する制御演算ステップと
    を有し、
    前記制御演算ステップは、
    前記電源に外乱が発生した場合に、この外乱発生期間、前記操作量にパラメータを反映させることにより前記操作量を増幅させることを特徴とする電源制御方法。
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