JP2018098827A - 電源装置、電源装置の制御回路及び電源装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1つの側面では、本発明は、制御回路の負荷を減らすために出力電流値を効率よく計算することができる電源装置、電源装置の制御回路及び電源装置の制御方法を提供することを目的とする。
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態の電源装置の一例を示す図である。
電源装置10は、スイッチング素子11,12、インダクタンス素子13、電流検出回路14、キャパシタンス素子15、制御回路16、ゲートドライバ17、時定数回路18を有する。
電流検出回路14は、キャパシタンス素子14a、抵抗素子14b,14c,14d,14e,14f,14g,14h、増幅器14i、バイアス電源14jを有する。キャパシタンス素子14aと抵抗素子14bは直列に接続されており、キャパシタンス素子14aと抵抗素子14bによる直列回路は、インダクタンス素子13に並列に接続されている。抵抗素子14cの一端は、出力端子OUTに接続されており、抵抗素子14cの他端は、増幅器14iの反転入力端子に接続されている。抵抗素子14dの一端は、キャパシタンス素子14aと抵抗素子14bの間に接続されており、抵抗素子14dの他端は、増幅器14iの非反転入力端子に接続されている。抵抗素子14eの一端はバイアス電源14jに接続されており、抵抗素子14eの他端は、増幅器14iの非反転入力端子に接続されている。抵抗素子14fの一端は、増幅器14iの非反転入力端子に接続されており、抵抗素子14fの他端は接地されている。抵抗素子14gの一端は、増幅器14iの反転入力端子に接続されており、抵抗素子14gの他端は接地されている。抵抗素子14hの一端は、増幅器14iの出力端子に接続されており、抵抗素子14hの他端は、増幅器14iの反転入力端子に接続されている。増幅器14iは、上記の接続により差動増幅器として機能する。バイアス電源14jは、増幅器14iに供給するバイアス電圧を生成する。
CPU16aは、電圧フィードバック制御部16a1と過電流保護制御部16a2の機能を実行する。
メモリ16bは、CPU16aが実行するプログラムや各種データを格納する。
ADC16c〜16fは、制御回路16の入力信号をデジタル信号に変換してCPU16aに供給する。図1の例では、ADC16cは、電流検出回路14が検出したアナログ値のピーク電流値をAD変換して出力する。また、ADC16dは、アナログ値の出力電圧値をAD変換して出力する。また、ADC16eは、アナログ値の時定数回路18の出力値をAD変換して出力する。なお、ADC16fは、なくてもよい。
Iout=Ipeak−(1−Vo/E)・k・Vo (1)
式(1)において、Ipeakは、インダクタンス素子13に流れる電流のピーク値であるピーク電流値である。Voは出力電圧値、Eは入力電圧値である。また、k=(1/2)・(1/L)・(1/fsw)であり、Lはインダクタンス素子13のインダクタンス値、fswは、スイッチング周波数である。なお、kは、例えば、予めメモリ16bに記憶されている。
本実施の形態の電源装置10では、式(1)に含まれる(1−Vo/E)を、時定数回路18が生成する。
図3は、PWM回路が出力する制御信号と時定数回路の出力値の一例を示す図である。縦軸は電圧Vを表し、横軸は時間tを表している。
Ton1=(1−D)・Tsw (2)
式(2)において、Dはスイッチングパルスのデューティ比である。Vo=D×Eであるため、D=Vo/Eである。したがって、式(2)は式(3)のように表せる。
式(3)のようなスイッチングパルス幅Ton1をもつ制御信号が時定数回路18に入力されると、ローパスフィルタの機能により制御信号の直流成分(制御信号の平均値)に近い値が得られる。制御信号の平均値は、スイッチングパルス幅Ton1の期間の制御信号の積分値を、スイッチング周期Tswで割った値である。制御信号の振幅が1Vであるとすると、積分値は式(3)のTon1と等しいため、Ton1をスイッチング周期Tswで割ると、平均値は1−Vo/Eとなる。
図3の例では、時定数回路18の出力値にリップル電圧Vrが生じている。リップル電圧Vrが大きいほど、算出される出力電流値の変動が大きくなるため、出力電流値の変動を制御回路16における電流検出の分解能以下に抑えることが望ましい。そのため、リップル電圧Vrは以下の式(4)を満たすことが望ましい。
式(4)において、Iresoは、制御回路16で認識できる電流値の最小分解能を示す。Imaxは、制御回路16で認識できる電流値の最大値を示す。IresoやImaxは、電源装置10の仕様に応じて決定される。
時定数回路18が、リップル電圧Vrを、式(4)を満たすように減衰させるための減衰量Gは、式(5)のように表せる。
この減衰量Gを実現するカットオフ周波数fcは、式(6)のように表せる。
fc=fsw/(G/10-20)[Hz] (6)
この式(6)にしたがって、時定数回路18の抵抗素子18aの抵抗値とキャパシタンス素子18bのキャパシタンス値とが決定される。
そのため、抵抗値Rfがおよそ24kΩの抵抗素子18aを用いればよい。
Iout=Ipeak−α1・k・Vo (8)
なお、PWM回路16gが出力する制御信号の振幅Aが1Vでない場合には、(1−Vo/E)に振幅Aを掛けた値が、時定数回路18から出力されるため、α1=A(1−Vo/E)となる。
図4は、第1の実施の形態の電源装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
図4には、PWM回路16gが出力するスイッチング素子11のための制御信号pwmH、PWM回路16gが出力するスイッチング素子12のための制御信号pwmL、インダクタンス素子13に流れる電流値ILの時間変化の一例が示されている。また、電流検出回路14の出力値Isense、ADC16cによる出力値IsenseのAD変換結果Iadの時間変化の一例が示されている。さらに、出力値Isense(電流値)のAD変換処理、出力電流値の計算処理、電圧値のAD変換処理、フィードバック処理、低優先度処理の動作タイミングの一例が示されている。
図5に示すように、まず、CPU16aは、デューティ比などの初期化を行い(ステップS1)、その後、割り込みが発生しているか否かを判定する(ステップS2)。割り込みは、図4に示した電流値または電圧値のAD変換処理の終了によって発生する。
図8は、第2の実施の形態の電源装置の一例を示す図である。図8において、図1に示した電源装置10と同様の要素については同一符号が付されている。
図9には、PWM回路16gが出力するスイッチング素子11のための制御信号と、時定数回路18の出力値の例が示されている。図9において、Tswは、スイッチング周期である。また、Vrは、時定数回路18の出力値のリップル電圧である。
Ton2=D・Tsw (9)
式(2)において、Dはデューティ比である。Vo=D×Eであるため、D=Vo/Eである。したがって、式(9)は式(10)のように表せる。
式(10)のようなスイッチングパルス幅Ton2をもつ制御信号が時定数回路18に入力されると、ローパスフィルタの機能により制御信号の直流成分(制御信号の平均値)に近い値が得られる。制御信号の平均値は、スイッチングパルス幅Ton2の期間の制御信号の積分値を、スイッチング周期Tswで割った値である。制御信号の振幅を1Vとすると、積分値は式(10)のTon2と等しいため、Ton2をスイッチング周期Tswで割ると、平均値はVo/Eとなる。すなわち、時定数回路18の出力値としてVo/Eに近い値が得られる。
Iout=Ipeak−(1−α2)・k・Vo (11)
なお、PWM回路16gが出力する制御信号の振幅Aが1Vでない場合には、(Vo/E)に振幅Aを掛けた値が、時定数回路18から出力されるため、α2=A(Vo/E)となる。
第2の実施の形態の電源装置10aにおいて、制御回路16は、時定数回路18の出力値であるα2を用いることで、式(1)の代わりに、式(11)を計算すればよいことになる。式(11)は、2回の乗算と、2回の減算を含み、式(1)と比べて、制御回路16における計算量を減らすことができる。このため、第2の実施の形態の電源装置10aによれば、出力電流値を効率よく計算できる。
図10は、第3の実施の形態の電源装置の一例を示す図である。図10において、図1に示した電源装置10と同様の要素については同一符号が付されている。
Rb=Ra((1/k)−1) (13)
前述のように、k=(1/2)・(1/L)・(1/fsw)である。例えば、L=10μH、fsw=200kHzの場合、k=(1/2)・(1/(10×10-6))・(1/(200×103))=0.25となる。式(13)において、Ra=10kΩとすると、Rb=10×103×((1/0.25)−1)=30[kΩ]となる。
Iout=Ipeak−α1・β (14)
第3の実施の形態の電源装置10bにおいても、図4〜図7に示した第1の実施の形態の電源装置10の動作と同様の動作が行われる。
(第4の実施の形態)
図11は、第4の実施の形態の電源装置の一例を示す図である。
電源装置50は、図1に示した第1の実施の形態の電源装置10のスイッチング素子11,12、インダクタンス素子13、電流検出回路14に対応する要素をそれぞれ2つずつ有している。すなわち、電源装置50は、スイッチング素子51a,52a、インダクタンス素子53a、電流検出回路54a、スイッチング素子51b,52b、インダクタンス素子53b、電流検出回路54bを有する。以下、スイッチング素子51a,52a、インダクタンス素子53a、電流検出回路54aを含む部分を電源回路50a、スイッチング素子51b,52b、インダクタンス素子53b、電流検出回路54bを含む部分を電源回路50bという。
キャパシタンス素子55は、負荷30に供給する出力電圧を保持する。キャパシタンス素子55の一端は、出力端子OUTに接続されており、キャパシタンス素子55の他端は接地されている。
図12は、第4の実施の形態の電源装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。
第4の実施の形態の電源装置50では、第1の実施の形態の電源装置10と同様の効果が得られる。
一方、上記のMCUが式(8)を用いて4フェイズの電源装置の出力電流値を計算する場合に用いるクロックサイクル数は、(2×1+4×2)×4=40となる。
40MIPSのMCUの場合、電源装置のスイッチング周波数を200kHzとすると、1スイッチング周期当たりのMCUのクロックサイクル数は、40M/200k=200である。したがって、MCUが出力電流値を計算する際の負荷は、式(1)を用いた場合、64/200=0.32、式(8)を用いた場合、40/200=0.2、式(14)を用いた場合、24/200=0.12となる。このように、式(8)または式(14)を用いて出力電流値を計算する際の負荷は、式(1)を用いて出力電流値を計算するよりも小さくなる。このため、MCUの消費電力の削減も可能となり、さらには、安価なMCUを用いることもできる。
なお、上記では、制御回路16,56の外に、時定数回路18,58a,58bや分圧回路19を設けた例を説明したが、制御回路16,56に、時定数回路18,58a,58bや分圧回路19が内蔵されていてもよい。
第5の実施の形態の電源装置10cにおいて制御回路60は、時定数回路18と分圧回路19を内蔵しており、第3の実施の形態の電源装置10bと同様の効果を有する。さらに、第5の実施の形態の電源装置10cでは、制御回路60の外部の回路を削減することができる。なお、第1、第2、または第4の実施の形態の電源装置10,10a,50においても、制御回路16,56が、時定数回路18,58a,58bを内蔵してもよい。
なお、第4の実施の形態では、マルチフェイズ型の電源装置50について説明したが、複数の負荷を動作させる複数の電源回路のそれぞれの出力電流値を、上記のような時定数回路や分圧回路の出力値を用いて制御回路が計算するようにしてもよい。
第6の実施の形態の電源装置70は、電源80aから供給される入力電圧の大きさを変換して、負荷90aに供給する電源回路70aと、電源80bから供給される入力電圧の大きさを変換して、負荷90bに供給する電源回路70bを有する。
制御回路76は、CPU76a、ADC76b,76c,76d,76e,76f,76g、PWM回路76hを有する。なお、制御回路76は、メモリを有するが図14では図示が省略されている。
ゲートドライバ77aは、スイッチング素子71a,72aを制御するための制御信号を受け、その制御信号に基づいてスイッチング素子71a,72aのそれぞれの制御端子に供給する制御電圧(例えば、nチャネル型MOSFETのゲート電圧)を出力する。
なお、上記の例では2つの電源回路70a,70bが設けられている例を示したが、3つ以上の電源回路が設けられていてもよい。電源回路の数が増えるほど、制御回路76における計算量が増加するが、上記のような時定数回路の出力値を用いて出力電流値を計算することで、計算量の増加を抑えることができる。
図15は、時定数回路の他の例を示す図である。
11,12 スイッチング素子
13 インダクタンス素子
14 電流検出回路
14a,15,18b キャパシタンス素子
14b,14c,14d,14e,14f,14g,14h,18a 抵抗素子
14i 増幅器
14j バイアス電源
16 制御回路
16a CPU
16b メモリ
16c,16d,16e,16f ADC
16g PWM回路
17 ゲートドライバ
18 時定数回路
20 電源
30 負荷
30a 負荷抵抗
Claims (6)
- 負荷に接続されうる電源装置において、
入力端子から入力される電流をスイッチする第1のスイッチング素子と、
接地電位と前記第1のスイッチング素子の出力との間をスイッチする第2のスイッチング素子と、
出力端子と前記第1のスイッチング素子の出力との間を接続するインダクタンス素子と、
前記インダクタンス素子に流れる電流のピーク値であるピーク電流値を検出する電流検出回路と、
前記第1のスイッチング素子の第1の制御端子と前記第2のスイッチング素子の第2の制御端子とを制御するとともに、前記第1の制御端子を制御する第1の制御信号または前記第2の制御端子を制御する第2の制御信号の何れかに接続される時定数回路の出力値と前記電流検出回路が検出するピーク電流値とに基づいて、前記負荷に流れる出力電流値を算出する制御回路と、
を有する電源装置。 - 前記制御回路は、
前記時定数回路の前記出力値と、前記電流検出回路が検出する前記ピーク電流値と、前記負荷に接続される分圧回路の出力値とに基づいて、前記負荷に流れる前記出力電流値を算出する請求項1に記載の電源装置。 - 前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子と前記インダクタンス素子と前記電流検出回路とを含む第1の電源回路と、
前記入力端子から入力される前記電流をスイッチする第3のスイッチング素子と、前記接地電位と前記第3のスイッチング素子の出力との間をスイッチする第4のスイッチング素子と、前記出力端子と前記第3のスイッチング素子の出力との間を接続する他のインダクタンス素子と、前記他のインダクタンス素子に流れる電流のピーク値である他のピーク電流値を検出する他の電流検出回路と、を含み、前記入力端子と前記出力端子の間に前記第1の電源回路と並列に接続された第2の電源回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記第1の制御端子と前記第2の制御端子とを制御し、前記時定数回路の前記出力値と前記ピーク電流値とに基づいて前記第1の電源回路の出力電流値を算出するとともに、前記第3のスイッチング素子の第3の制御端子と前記第4のスイッチング素子の第4の制御端子とを制御し、前記第3の制御端子を制御する第3の制御信号または前記第4の制御端子を制御する第4の制御信号の何れかに接続される他の時定数回路の出力値と前記他の電流検出回路が検出する前記他のピーク電流値とに基づいて、前記第2の電源回路の出力電流値を算出する請求項1または2に記載の電源装置。 - 前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子と前記インダクタンス素子と前記電流検出回路とを含む第1の電源回路と、
他の入力端子から入力される他の電流をスイッチする第3のスイッチング素子と、前記接地電位と前記第3のスイッチング素子の出力との間をスイッチする第4のスイッチング素子と、他の負荷に接続される他の出力端子と前記第3のスイッチング素子の出力との間を接続する他のインダクタンス素子と、前記他のインダクタンス素子に流れる電流のピーク値である他のピーク電流値を検出する他の電流検出回路と、を含む第2の電源回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記第1の制御端子と前記第2の制御端子とを制御し、前記時定数回路の前記出力値と前記ピーク電流値とに基づいて前記第1の電源回路の出力電流値を算出するとともに、前記第3のスイッチング素子の第3の制御端子と前記第4のスイッチング素子の第4の制御端子とを制御し、前記第3の制御端子を制御する第3の制御信号または前記第4の制御端子を制御する第4の制御信号の何れかに接続される他の時定数回路の出力値と前記他の電流検出回路が検出する前記他のピーク電流値とに基づいて、前記第2の電源回路の出力電流値を算出する請求項1または2に記載の電源装置。 - 入力端子から入力される電流をスイッチする第1のスイッチング素子と、接地電位と前記第1のスイッチング素子の出力との間をスイッチする第2のスイッチング素子と、出力端子と前記第1のスイッチング素子の出力との間を接続するインダクタンス素子と、前記インダクタンス素子に流れる電流のピーク値であるピーク電流値を検出する電流検出回路とを有し、負荷に接続されうる電源装置の制御回路において、
前記第1のスイッチング素子の第1の制御端子と前記第2のスイッチング素子の第2の制御端子とを制御するゲート制御回路と、
前記第1の制御端子を制御する第1の制御信号または前記第2の制御端子を制御する第2の制御信号の何れかに接続される時定数回路と、
前記時定数回路の出力値と前記電流検出回路が検出する前記ピーク電流値とに基づいて、前記負荷に流れる出力電流値を算出する算出部と、
を有する電源装置の制御回路。 - 負荷に接続されうる電源装置の制御方法において、
前記電源装置が有する第1のスイッチング素子が、入力端子から入力される電流をスイッチし、
前記電源装置が有する第2のスイッチング素子が、接地電位と前記第1のスイッチング素子の出力との間をスイッチし、
前記電源装置が有する電流検出回路が、出力端子と前記第1のスイッチング素子の出力との間を接続するインダクタンス素子に流れる電流のピーク値であるピーク電流値を検出し、
前記電源装置が有する制御回路が、前記第1のスイッチング素子の第1の制御端子と前記第2のスイッチング素子の第2の制御端子とを制御するとともに、前記第1の制御端子を制御する第1の制御信号または前記第2の制御端子を制御する第2の制御信号の何れかに接続される時定数回路の出力値と前記電流検出回路が検出するピーク電流値とに基づいて、前記負荷に流れる出力電流値を算出する、
電源装置の制御方法。
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