JP2015053777A - 電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
解決しようとする課題点は、目標出力電圧を下回るような急な供給電圧変動時においても、安定した出力電圧を維持すると共に、不要なノイズの発生や発熱を抑制した電源制御装置を提供することにある。
【解決手段】
入力された電圧に対して、その電圧量の変化量を求め、急な電圧降下を検出した際には、昇圧開始電圧を引上げるよう制御を行い、入力電圧がその電圧を下回った場合には、昇圧部を動作させて昇圧を行うよう制御を行うとともに、昇圧部が生成した電圧を降圧して出力することにより、急な供給電圧変動時でも安定した電圧を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、供給される電圧から一定の電圧を生成する電源装置に関するものである。

従来から、バッテリのような直流電源から制御する電源制御装置において、入力電圧より高い電圧の生成や、一定電圧を出力する電源装置として、昇圧回路と降圧回路を直列に接続した電源装置が提案されている。

例えば、特開２００８−１２５１８０号公報 記載の電源装置は、昇圧回路にて入力電圧より高い電圧を生成し、その電圧をもとに降圧回路にて一定の電圧を生成して、負荷であるマイコン等を駆動する構成となっている。

また、特開２０１２−８０６７６号公報に記載されている昇圧回路では、通常状態では昇圧回路は動作をさせず、電圧の降下が予期される場合、前もって昇圧動作を開始することにより、電圧降下分を補償し、電圧低下を防止する処理を行っている。

特開２００８−１２５１８０号公報 特開２０１２−８０６７６号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、常時昇圧動作を行うことになり、昇圧によるノイズの影響、また消費電力を増大させることになり、発熱が大きくなってしまうという課題が存在している。

特許文献２の構成では、電圧降下が予期されている場合にしか対応できず、予期しない電圧降下が発生時は、昇圧動作ができず電圧降下が発生する。また、予期される電圧降下が起こった場合でも、その降下幅が少ない場合には、不要な昇圧動作を行ってしまうことになり、不必要なノイズを発生や発熱を起こしてしまうという課題がある。

本発明は、これらの課題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、定められた目標出力電圧を下回るような急な供給電圧変動時においても、安定した出力電圧を維持すると共に、不要なノイズの発生や発熱を抑制した電源制御装置を提供することにある。

本発明は、入力された電圧に対し、電圧降下による変化電圧または変化量に応じて、昇圧部の動作を開始させることにより、後段の降圧部で生成する電圧低下が生じる前に、安定した電圧を維持する。

本発明の電源制御装置は、急な電圧降下に対しても安定した電圧出力を可能とする電源制御装置を、容易な回路構成で実装することが可能であり、不要なノイズや発熱を低減することが可能である。

電源制御装置の構成例を示した説明図である。（実施例１） 電源制御装置の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 電源制御装置の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 電源制御装置の構成例を示した説明図である。（実施例２） 電源制御装置の実施方法を示した説明図である。（実施例２）

以下本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１は、本発明装置の１実施例の構成図である。

１１は本発明の電源制御装置に電圧を供給する電源入力部である。この電源入力部１１には、バッテリ等直流電源が接続されるが、この電源には多量の電流を消費する別の負荷も接続される可能性があり、その負荷が駆動制御時に、急な電圧変動を引起す場合も存在する。

２０は、電源入力部１１からの電圧を、後述する制御部１１１の制御によって昇圧を行う昇圧部であり、少なくとも次のもので構成されている。２１は、インダクタであり、電源入力部１１から供給される電流を元に、エネルギーを蓄える。３１は半導体スイッチング素子であり、後述する制御部１１１からの制御により、ON/OFFし、インダクタ21に流れる電流の制御を行う。４１は抵抗であり、電圧検出器５１で検出される抵抗４１両端の電圧から、流れる電流量を検出することが可能である。電圧検出器５１は、電圧値を制御部１１１に出力し、この値をもとに制御部１１１は、インダクタ21に流れる電流を抵抗４１に流れる電流量で取得する。６１は、ダイオードであり、昇圧時の電流の流れる方向の制限を行う。１０１は、コンデンサであり、ダイオード６１からの電流を蓄える。ダイオード６１は、インダクタ２１と直列に接続されており、制御部１１１により制御される半導体スイッチング素子３１で制御された電流を、コンデンサ１０１で平滑化して、電圧として出力する。これらの構成により、制御部１１１の制御によって、電源入力部１１から供給される電圧を超えた電圧を生成することが可能になる。

一方、１２０は、降圧部であり、制御部１１１の制御にて、昇圧部２０から出力された電圧をもとに、降圧して出力部１６１に電圧を出力する。

降圧部１２０は次のような構成をとることが可能である。１２１、１２２は、半導体スイッチング素子であり、制御部１１１の制御に応じてON/OFFし、電流の流れを制御する。１３１はインダクタ、１４１はコンデンサであり、制御部１１１の制御により半導体スイッチング素子１２１、１２２で生成した電圧を平滑化して出力部１６１に出力する。１５１は比較器であり、基準電圧８３との差異を制御部１１１に出力する。なお、半導体スイッチング素子１２２は、制御部１１１からの制御なしのダイオードで構成することも可能である。

１７１は比較器であり、昇圧開始電圧８２と比較し、点２１１の電圧が昇圧開始電圧８２を下回った場合に、その情報を制御部１１１に通知する。傾き検出部９１は、点２１１の電圧の傾き量(変化量)を検出して、制御部１１１に出力する。

続いて、制御部１１１の制御について説明する。制御部１１１は、比較器１５１、比較器１７１、傾き検出部９１、電圧検出器５１からの入力をもとに、半導体スイッチング素子３１、１２１、１２２の制御を行う。

比較器１７１から入力される情報が、点２１１の電圧が昇圧開始電圧８２を上回っている場合、制御部１１１は、半導体スイッチング素子３１を常時OFFとして制御し、昇圧部２０では、電源入力部１１の電圧を、ダイオード６１を通した状態で、そのまま出力し、特に昇圧は行わない。

降圧部１２０に対する制御部１１１の制御は、比較器１５１から入力される差異情報に応じて、半導体スイッチング素子１２１、１２２のＯＮ・ＯＦＦ状態の割合を変化させ、出力部１６１が定められた目的の電圧となるよう制御する。つまり、比較器１５１からの入力が、基準電圧８３より高いことを示している場合には、その度合いに応じて、半導体スイッチング素子１２２のＯＮ状態の割合を増加させ、出力部１６１の電圧を下げるように制御する。逆に基準電圧８３より低いことを示している場合には、その度合いに応じて、半導体スイッチング素子１２１のＯＮ状態の割合を増加させるよう、制御部１１１は、制御を行う。なお、半導体スイッチング素子１２１、１２２を同時にＯＮ状態にすると、貫通して電流が流れてしまうため、制御部１１１は、一定の時間を空けて、交互に半導体スイッチング素子１２１、１２２がＯＮとなるよう制御する。

これにより、通常状態では昇圧部２０からの不要なスイッチングノイズを抑えた状態で、電源入力部１１からの電圧を、目的とする電圧に変換して、出力部１６１に出力することが可能となる。

制御入力１８１からの制御により、外部の負荷駆動による電流が増大し、点２１１の電圧が急激に低下した場合には、制御部１１１は昇圧開始電圧８２を上げる。例えば、図２に示すようなテーブルとして、電圧変化量と昇圧開始電圧８２との関係を保持しておいて制御を行っても良いし、演算として昇圧開始電圧８２の制御を行うことも可能である。そして、比較器１７１において、点２１１の電圧が昇圧開始電圧８２を下回った場合、制御部１１１は、半導体スイッチング素子３１を制御して、昇圧部２０の昇圧動作を開始する。 これにより、点２１１の電圧が急激に変動した場合、電圧が下がりきる前に、昇圧動作を開始することが可能となり、出力部１６１の電圧の低下を防止することが可能となる。なお、電圧が急激に変動する使用状況としては、エンジンのスタータ起動時やエアコンのコンプレッサー起動時などが考えられる。本実施例ではエンジンのスタータ起動時やエアコンのコンプレッサー起動時のときにも電圧が下がりきる前に、昇圧動作を開始することが可能となり、出力部１６１の電圧の低下を防止することが可能となる。

また、制御入力１８１が昇圧動作を無効制御した場合、上記条件での昇圧動作を行わない設定が可能である。

図３に示すように、半導体スイッチング素子３１と１２１の制御を同期させ、半導体スイッチング素子１２１がＯＦＦ状態の時に、半導体スイッチング素子３１をＯＮからＯＦＦ状態に変化させ(図３中、Ｔｓのタイミング)、昇圧動作を開始することで、降圧部１２０への突入電流を防止し、出力部１６１の電圧変動を原因とするノイズを低減することが可能となる。

図４を用いて、第二の実施例を説明する。

３２０は、昇圧部であり、少なくともインダクタ２１、半導体スイッチング素子３１、抵抗器４１、電圧検出器５１、比較器７１、基準電源８１、コンデンサ１０１から構成される。このうち第一の実施例と同等のものについては、説明を省略する。昇圧部３２０の基本構成は、第一の実施例の昇圧部２０と同等である。比較器７１において、基準電圧８１との比較を行い、その結果を制御部３１１に通知する。

９１も、比較器であり、点２１１の電源入力部１１から入力される電圧と、点２６１との電圧を比較し、その結果を制御部３１１に出力する。

降圧部１２０は、第一の実施例と同等の構成をとり、昇圧部３２０から入力された電圧を、制御部３１１の制御により目標とする電圧に変換して、出力部１６１に出力する。

制御入力１８１は、昇圧部３２０の動作の有効・無効を切替える入力であり、図示しない制御装置、例えばマイクロコントローラから制御を行い、有効としている場合にのみ昇圧部３２０の動作を許可する。これにより、電源停止などの昇圧不要な場合について、昇圧動作を停止させることが可能になる。

制御部３１１は、電圧検出器５１、比較器７１、９１、１５１、制御入力１８１からの情報をもとに、半導体スイッチング素子３１、１２１、１２２の制御を行う。図５を用いて、制御部３１１の動作を説明する。

図５に示されているように、電源入力部１１からの電源変動がない場合には、点２１１の電圧は、点２６１の電圧より、ダイオード６１による電圧降下分だけ高い電圧となっており、逆転することはない。

しかし、電源入力部１１の電圧が、急激に低下した場合には、点２１１の電圧は急激に低下する。一方、点２６１の電圧は、インダクタ２１とコンデンサ１０１の影響により、平滑化された部分の電圧であり、比較的安定した、緩やかな電圧変動を示すことになる。そのため、電源入力部１１の電圧が安定している場合と異なり、点２１１と点２６１の電圧が、逆転することがありうる。これを用いて、制御部３１１は、昇圧部の動作を制御する。

制御入力１８１からは昇圧部３２０の動作有効の信号が入力されており、比較器７１から点２６１の電圧が予め定められた基準電圧８１を下回り、かつ比較器９１から、点２１１の電圧が、点２６１の電圧を下回っているとの情報を制御部３１１が得た場合、降圧部１２０において目標とする電圧を生成不可能なほど急激に、昇圧部３２０の出力電圧が、電圧が低下すると予想される。そのため、半導体スイッチング素子３１を制御して、昇圧部３２０の動作開始し、昇圧部３２０の出力電圧が低下する前に昇圧動作を開始して、電圧を維持する。

一方、点２１１の電圧が上昇し、点２６１の電圧を超えた状態であることを、制御部３１１が、比較器９１から得た場合、半導体スイッチング素子３１をオフ状態として、昇圧部３２０の動作を停止させ、不要な電力消費やノイズ放射の発生を抑止するよう制御を行う。
比較器７１は、電源入力電圧検出を目的とするため、前記記載の点２６１以外に点２１１を検出する方法もある。

また、制御入力１８１が昇圧動作を無効制御した場合、実施例１で記載同様に昇圧動作を行わない設定が可能。

なお、上述したエンジンのスタータ起動時やエアコンのコンプレッサー起動時の場合とは異なり、結線の外れなど、入力電圧の緩やかな低下の場合は、もともと回復の見込みがなく、昇圧しても無意味であり、また、不要な電力消費を行うだけとなってしまう。これに対して、本実施例の方法においては、点２１１の電圧も、点２６１の電圧も共に緩やかに減少していくことになり、比較器９１は電圧の逆転を検出せず、制御部３１１は、不要な昇圧動作を昇圧部３２０にさせることが無いといった利点も存在する。

また、制御入力１８１から昇圧部３２０の動作許可が出ていない場合には、制御部３１１は、半導体スイッチング素子３１をＯＦＦ状態としたままとして制御する。例えば電源停止など、前もって昇圧不要であることがわかっている場合に、昇圧を無効としておくことで、不必要な昇圧動作を防止することが可能となり、不要なノイズ等の発生を防止することが可能になる。

なお、本実施例では、半導体スイッチング素子として、MOS（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｓｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）を用いた例として記載したが、これにとらわれるものではなく、例えば、バイポーラトランジスタを用いたものであっても良い。また、昇圧部２０、もしくは３２０、降圧部１２０も、一構成例であり、これに限られるものではない。

１１ 電源入力部
２０、３２０ 昇圧部
２１、１３１ インダクタ
３１、１２１、１２２ 半導体スイッチ
４１ 電流量測定用抵抗
５１ 電圧検出器
６１ ダイオード
７１、１５１、１７１ 比較器
８１、８３ 基準電圧
８２ 昇圧開始電圧
９１ 電圧傾き検出部
１０１、１４１ コンデンサ
１１１、３１１ 制御部
１２０ 降圧部
１６１ 出力部
１８１ 制御入力

Claims (13)

1. 間欠的に動作する電源入力部からの電圧を昇圧して出力する昇圧部と、
   前記昇圧部の出力を降圧して出力する降圧部と、
   目的の電圧を出力するため、前記昇圧部と前記降圧部の制御を行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記電源入力部から前記昇圧部に入力される電圧と入力される電圧低下の変化量を元に、前記降圧部の出力する電圧が、目的の電圧を継続維持させるために、前記昇圧部の動作を開始することを特徴とする電源制御装置。
2. 請求項１記載の電源制御装置において、
   前記昇圧部の動作を開始する条件は、前記電源入力部からの電圧と電圧低下の変化量が、演算もしくはテーブルによって決定されていることを特徴とする電源制御装置。
3. 請求項２記載の電源制御装置において、
   前記昇圧部が昇圧動作することを、前記制御部が許可する処理を有していることを特徴とする電源制御装置。
4. 請求項３記載の電源制御装置において、
   前記電源入力部から前記昇圧部に入力される電圧に、大きな電圧変動が予想される場合に、前記制御部が昇圧動作の有効が許可されることを特徴とする電源制御装置。
5. 請求項４記載の電源制御装置において、
   前記降圧部の出力電圧変動を抑えるよう、前記制御部が前記昇圧部と前記降圧部の動作タイミングを同期させて制御することを特徴とする電源制御装置。
6. 請求項５記載の電源制御装置において、
   前記制御部は、前記降圧部の入力段半導体スイッチング素子がＯＦＦ状態である時に、前記昇圧部の昇圧動作を開始するよう制御することを特徴とする電源制御装置。
7. 間欠的に動作する電源入力部からの電圧を昇圧して出力する昇圧部と、
   前記昇圧部の出力を降圧して出力する降圧部と、
   目的の電圧を出力するため、前記昇圧部と前記降圧部の制御を行う制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記電源入力部からの電圧と、前記昇圧部の出力する電圧とを比較し、
   前記電源入力部の電圧が前記昇圧部の出力する電圧を下回った場合に、前記昇圧部の動作が開始することを特徴とする電源制御装置。
8. 請求項７記載の電源制御装置において、
   前記電源入力部からの電圧と、前記昇圧部の出力する電圧とを比較し、前記電源入力部の電圧が、前記昇圧部の出力する電圧を上回った場合に、前記昇圧部の動作を停止することを特徴とする電源制御装置。
9. 請求項８記載の電源制御装置において、
   前記昇圧部が昇圧動作することを、前記制御部が許可する処理を有していることを特徴とする電源制御装置。
10. 請求項９記載の電源制御装置において、
    前記電源入力部から前記昇圧部に入力される電圧に、大きな電圧変動が予想される場合に、前記制御部が昇圧動作の有効が許可されることを特徴とする電源制御装置。
11. 請求項１０記載の電源制御装置において、
    前記降圧部の出力電圧変動を抑えるよう、前記制御部が前記昇圧部と前記降圧部の動作タイミングを同期させて制御することを特徴とする電源制御装置。
12. 請求項１１記載の電源制御装置において、
    前記制御部は、前記降圧部の入力段半導体スイッチング素子がＯＦＦ状態である時に、前記昇圧部の昇圧動作を開始するよう制御することを特徴とする電源制御装置。
13. 請求項８記載の電源制御装置において、前記昇圧部と前記降圧部に用いられる半導体素子がバイポーラトランジスタもしくは、MOS ＦＥＴで構成されていることを特徴とする電源制御装置。