JP2019221070A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力損失を発生させることなく、直流電流を検出する。【解決手段】絶縁トランスの二次巻線側に生起された電力を整流する整流部と、前記整流部を介して整流された電力を平滑化する平滑コンデンサと、前記整流部から出力される第１の電流値を計測する第１の電流センサと、前記平滑コンデンサに流れる第２の電流値を計測する第２の電流センサと、前記第１の電流値から、前記第２の電流値を差し引くことで、前記平滑コンデンサから出力される出力電流値を算出する演算部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。

一般的に、ＤＣ／ＤＣコンバータなどのスイッチング電源装置では、出力電流を検出するために電流検出手段を備えている。例えば、特許文献１には、電流検出手段としてシャント抵抗を設け、そのシャント抵抗の両端に表れる電位差に基づいて出力電流を検出する方法が記載されている。また、特許文献２には、電流検出手段としてカレントトランスを設け、そのカレントトランスで検出される電流変化から出力電流を検出する方法が記載されている。

特開２００３−０１８８２７号公報 特開２００５−３０４１１６号公報

しかしながら、電流検出手段として、シャント抵抗を用いた場合には、そのシャント抵抗にて電力損失が発生してしまう。また、電流検出手段として、カレントトランスを用いた場合には、交流電流しか検出することができず、直流電流を検出することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電力損失を発生させることなく、直流電流を検出することである。

本発明の一態様は、絶縁トランスの二次巻線側に生起された電力を整流する整流部と、前記整流部を介して整流された電力を平滑化する平滑コンデンサと、前記整流部から出力される第１の電流値を計測する第１の電流センサと、前記平滑コンデンサに流れる第２の電流値を計測する第２の電流センサと、前記第１の電流値から、前記第２の電流値を差し引くことで、前記平滑コンデンサから出力される出力電流値を算出する演算部と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置である。

本発明の一態様は、上述のスイッチング電源装置であって、前記第１の電流センサ及び前記第２の電流センサは、ロゴスキーコイルと、前記ロゴスキーコイルからの出力信号を積分する積分回路と、を備える。

本発明の一態様は、上述のスイッチング電源装置であって、前記第１の電流センサは、前記積分回路を構成するコンデンサに蓄えられた電荷を放電するためのリセット回路を更に備える。

本発明の一態様は、上述のスイッチング電源装置であって、前記ロゴスキーコイルは、多層基板の内層に形成されている。

以上説明したように、本発明によれば、電力損失を発生させることなく、直流電流を検出することができる。

発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る積分回路８２の一例を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る減算回路１２における出力電流値Ｉｏの算出方法を示す図である。 本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置１の動作の流れを示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置１の概略構成の一例を示す図である。スイッチング電源装置１は、例えば、降圧型のスイッチングレギュレータであり、直流電源２が出力する電圧Ｖｉｎを降圧して、出力電圧Ｖｏを負荷部Ｒに供給する。負荷部Ｒは、スイッチング電源装置１が接続され、スイッチング電源装置１の出力電圧Ｖｏが供給される装置や回路などである。なお、本実施形態では、スイッチング電源装置１がフライバック式のＤＣＤＣコンバータである場合について説明する。

図１に示すように、スイッチング電源装置１は、直流電源２、絶縁トランス３、スイッチング素子４、スナバ回路５、整流部６、平滑コンデンサ７、第１の電流センサ８、第２の電流センサ９、制御部１０、及び演算部１１を備えている。

直流電源２は、例えば、バッテリなどの直流電力を供給する供給源であり、絶縁トランス３の一次側に電圧Ｖｉｎの直流電力を供給する。

絶縁トランス３は、一次側コイル３ａ及び二次側コイル３ｂを備える。
一次側コイル３ａは、一端が直流電源２の正極端子に接続され、他端がスイッチング素子４に接続されている。
二次側コイル３ｂは、一端が整流部６に接続され、他端が平滑コンデンサ７の他端に接続されている。

スイッチング素子４は、直流電源２と一次側コイル３ａとの間に接続されている。例えば、スイッチング素子４は、ｎＭＯＳＦＥＴ（ｎ型ＭＯＳ電界効果トランジスタ）であって、ドレイン端子が一次側コイル３ａの他端に接続され、ソース端子が直流電源２の負極端子に接続され、ゲート端子が制御部１０から出力される制御信号Ｓ１の信号線に、それぞれ接続されている。ここで、制御信号Ｓ１は、スイッチング素子４を制御するパルス信号である。

スナバ回路５は、スイッチング素子４がオフ状態のときに、スイッチング素子４のドレイン端子及びソース端子の間に印加されるサージ電圧を抑制する。
具体的な構成としては、スナバ回路５は、抵抗５１、コンデンサ５２、及びダイオード５３を備える。

抵抗５１は、一端が直流電源２の正極端子に接続され、他端がダイオード５３のカソードに接続される。
コンデンサ５２は、抵抗５１に並列に接続されており、一端が直流電源２の正極端子に接続され、他端がダイオード５３のカソードに接続される。
ダイオード５３のアノードは、一次側コイル３ａの他端とスイッチング素子４のドレイン端子との間に接続されている。

整流部６は、絶縁トランス３の二次巻線側に生起された電力を整流する。具体的には、整流部６は、ダイオードであって、アノードが二次側コイル３ｂの一端に接続され、カソードが平滑コンデンサ７の一端に接続されている。

平滑コンデンサ７は、整流部６の出力側に並列接続され、整流部６を介して整流された電力を平滑化する。具体的には、平滑コンデンサ７は、整流部６から出力される電圧や電流を平滑化する。この平滑化された出力電圧Ｖｏや出力電流Ｉｏは、負荷部Ｒに出力される。

第１の電流センサ８は、整流部６から出力される第１の電流値Ｉｉｎを計測する。
以下に、第１の電流センサ８の構成について、図２を用いて説明する。

第１の電流センサ８は、ロゴスキーコイル８１及び積分回路８２を備える。

ロゴスキーコイル８１は、整流部６のカソードと、その整流部６のカソード及び平滑コンデンサ７の一端の接続点Ｎとの間の接続線に配置され、当該接続線を流れる電流を検出する。例えば、このロゴスキーコイル８１は、当該接続線が形成された多層基板の内層に形成されている。

積分回路８２は、リセット機能を有し、ロゴスキーコイル８１から出力される出力信号を積分する。ここで、図２を参照して、積分回路８２の具体的な構成について説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る積分回路８２の一例を示す回路図である。
図２に示すように、積分回路８２は、抵抗１２１、オペアンプ１２２、コンデンサ１２３、及びリセットスイッチ１２４を備えている。なお、リセットスイッチ１２４は、本発明の「リセット回路」の一例である。

抵抗１２１は、ロゴスキーコイル８１の一端とオペアンプ１２２の反転入力端子との間に接続されている。また、コンデンサ１２３は、オペアンプ１２２の反転入力端子と、オペアンプ１２２の出力端子との間に接続されている。

オペアンプ１２２は、抵抗１２１及びコンデンサ１２３が接続されることにより、積分回路として機能する。オペアンプ１２２は、反転入力端子に抵抗１２１を介してロゴスキーコイル８１の一端が接続され、非反転入力にロゴスキーコイル８１の他端が接続されている。オペアンプ１２２は、ロゴスキーコイル８１からの出力信号を入力信号（ＩＮ）とし、ロゴスキーコイル８１の出力を積分した出力信号（ＯＵＴ）を出力する。

リセットスイッチ１２４は、コンデンサ１２３と並列に、オペアンプ１２２の反転入力端子と、オペアンプ１２２の出力端子との間に接続されている。リセットスイッチ１２４は、積分回路８２の出力電位をリセットするスイッチであり、制御部１０が出力するリセット信号Ｓ２（パルス信号）により導通状態に制御される。なお、リセットスイッチ１２４は、積分回路８２をリセットする際に、導通状態（オン状態）に制御される。すなわち、リセットスイッチ１２４は、積分回路８２を構成するコンデンサ１２３に蓄えられた電荷を放電することで、積分回路８２をリセットするリセット回路である。

積分回路８２は、制御部１０によりスイッチング素子４がオン状態からオフ状態に制御されると、第１の電流値Ｉｉｎの電流波形を示す第１の出力信号を演算部１１に出力する。

第２の電流センサ９は、平滑コンデンサ７に流れる第２の電流値Ｉｒを計測する。この第２の電流値Ｉｒとは、リップル電流の電流値である。以下に、第２の電流センサ９の具体的な構成について説明する。

第２の電流センサ９は、ロゴスキーコイル９１及び積分回路９２を備える。

ロゴスキーコイル９１は、平滑コンデンサ７に流れるリップル電流値である第２の電流値Ｉｒを検出する。ロゴスキーコイル９１は、例えば、接続点Ｎと平滑コンデンサ７の一端との間の接続線に配置され、当該接続線を流れる電流を検出する。このロゴスキーコイル９１は、例えば、接続点Ｎと平滑コンデンサ７の一端との間の接続線が形成された多層基板の内層に形成されている。

積分回路９２は、図２に示すようなリセット機能を有してもよいし、当該リセット機能を有していなくてもよい。積分回路９２は、ロゴスキーコイル９１から出力される出力信号を積分することで、第２の電流値Ｉｒの電流波形を得る。そして、積分回路９２は、この第２の電流値Ｉｒの電流波形を第２の出力信号として演算部１１に出力する。

制御部１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを含むプロセッサであり、演算部１１が演算した出力電流値Ｉｏに基づいて、各種制御を行う。また、制御部１０は、スイッチング素子４のスイッチングを制御するとともに、積分回路８２のリセット機能を制御する。制御部１０は、例えば、制御信号Ｓ１によるパルス信号で、スイッチング素子４の導通状態を制御する。また、制御部１０は、積分回路８２にリセット信号Ｓ２を出力することで、積分回路８２をリセット（初期化）する。

演算部１１は、第１の電流値Ｉｉｎから、第２の電流値Ｉｒを差し引くことで、スイッチング電源装置１から出力される直流電流である出力電流値Ｉｏを算出する。以下に、本発明の一実施形態に係る演算部１１の具体的な構成について、説明する。

演算部１１は、減算回路１２、増幅回路１３、Ａ／Ｄ変換演算処理部１４を備える。

減算回路１２は、第１の電流センサ８により計測された第１の電流値Ｉｉｎから、第２の電流センサ９で計測されたリップル電流値である第２の電流値Ｉｒを差し引くことで、スイッチング電源装置１から出力される直流電流である出力電流値Ｉｏを算出する。
以下に、出力電流値Ｉｏの算出方法について、図３を用いて具体的に説明する。

制御部１０がスイッチング素子４のスイッチング制御を開始した場合において、スイッチング素子４がオン状態になると、一次側コイル３ａに電流が流れ、絶縁トランス３にエネルギーが蓄えられる。そして、スイッチング素子４がオフ状態になると、絶縁トランス３に蓄えられたエネルギーが絶縁トランス３の二次側コイル３ｂから出力される。この際、二次側コイル３ｂから出力される電流は整流部６によって整流される。したがって、第１の電流センサ８により計測される第１の電流値Ｉｉｎの電流波形Ｗ１は、スイッチング素子４がオン状態からオフ状態に移行したときに０から立ち上がり、スイッチング素子４がオフ状態からオン状態に移行したときに０に立ち下がる波形となる（例えば、図３（ａ））。なお、第１の電流値Ｉｉｎは、リプル電流の成分を含んでいるため脈流電流の電流値となる。

また、整流部６の後段には整流部６を介して流れてきた電流を平滑する平滑コンデンサ７が設けられている。そのため、整流部６を介して流れてきた電流のうち、リプル電流の成分のみが第２の電流値Ｉｒとして平滑コンデンサ７に流れ、その他の成分（直流成分）が出力電流値Ｉｏとして負荷Ｒに出力されることになる。したがって、第２の電流センサ９で計測される第２の電流値Ｉｒの電流波形Ｗ２は、第１の電流値Ｉｉｎに含まれるリプル電流の成分の波形であって、０を基準とした交流波形となる（例えば、図３（ｂ））。

ここで、第１の電流値Ｉｉｎは、出力電流値Ｉｏ及び第２の電流値Ｉｒから成るため、減算回路１２は、電流波形Ｗ１から電流波形Ｗ２を減算することで、出力電流値Ｉｏの電流波形Ｗ３を算出することができる。すなわち、減算回路１２は、電流波形Ｗ１から電流波形Ｗ２を減算することで、第１の電流値Ｉｉｎからリプル電流の成分を除去し、直流電流の成分である出力電流値Ｉｏの電流波形Ｗ３を取得することができる。なお、出力電流値Ｉｏの電流波形Ｗ３を取得することは、出力電流値Ｉｏの値を取得することと同義である。

実施例として、第１の電流値Ｉｉｎとして図３（ａ）に示す電流波形Ｗ１が得られ、第２の電流値Ｉｒとして図３（ｂ）に示す電流波形Ｗ２が得られた場合において、シミュレーションにより得られた出力電流値Ｉｏの電流波形Ｗ４と、上述した本実施形態に係る減算回路１２により算出した出力電流値Ｉｏの電流波形Ｗ３とを、図３（ｃ）（ｄ）にそれぞれ示す。図３（ｃ）（ｄ）に示すように、本実施形態に係る減算回路１２により算出された出力電流値Ｉｏの電流波形Ｗ３（図３（ｄ））は、シミュレーション結果（図３（ｃ））と同様の結果となった。

増幅回路１３は、減算回路１２で算出された出力電流値Ｉｏの電流波形Ｗ３の信号を所定の増幅率で増幅してＡ／Ｄ変換演算処理部１４に出力する。

Ａ／Ｄ変換演算処理部１４は、増幅回路１３からの出力信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を制御部１０に出力することで、出力電流値Ｉｏのデジタル値を制御部１０に与える。

次に、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置１の動作の流れについて、説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置１の動作の流れを示す図である。

制御部１０によりスイッチング素子４がスイッチング制御されることで二次側コイル３ｂに電圧が生起する。そして、二次側コイル３ｂに生起した電圧により発生する電流は、整流部６により整流され、平滑コンデンサ７で平滑された後、出力電流Ｉｏとして負荷部Ｒに供給される。

第１の電流センサ８は、整流部６により整流された直後の第１の電流値Ｉｉｎを計測する。そして、第１の電流センサ８は、計測した第１の電流値Ｉｉｎを演算部１１に出力する（ステップＳ１０１）。
第２の電流センサ９は、平滑コンデンサ７に流れる第２の電流値Ｉｒを計測する。そして、第２の電流センサ９は、計測した第２の電流値Ｉｒを演算部１１に出力する（ステップＳ１０２）。

演算部１１は、第１の電流センサ８で計測された第１の電流値Ｉｉｎに対して、第２の電流センサ９で計測された第２の電流値Ｉｒを差し引くことで、平滑コンデンサ７から出力される出力電流Ｉｏを算出する（ステップ１０３）。そして、演算部１１は、算出した出力電流値Ｉｏをデジタル信号に変換して、制御部１０に出力する（ステップＳ１０６）。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

制御部１０は、演算部１１から取得した出力電流値Ｉｏをスイッチング素子４のスイッチング制御に使用してもよい。例えば、制御部１０は、演算部１１から取得した出力電流値Ｉｏに基づいて、制御信号Ｓ１を生成してもよい。

また、制御部１０は、演算部１１から取得した出力電流値Ｉｏを過電流検知に用いてもよい。例えば、制御部１０は、演算部１１から取得した出力電流値Ｉｏが予め設定された閾値を超える場合には、スイッチング電源装置１から負荷部Ｒに出力される電流が過電流であると判定してもよい。制御部１０は、当該過電流を検知した場合には、スイッチング素子４のスイッチング制御を停止して、負荷部Ｒへの出力を停止してもよい。

また、スイッチング電源装置１は、演算部１１によりデジタル変換された出力電流値Ｉｏをモニター可能な表示装置を備えてもよい。例えば、この表示装置は、演算部１１によりデジタル変換された出力電流値Ｉｏをリアルタイムで表示画面に表示するとともに、不図示の格納部にその出力電流値Ｉｏを時系列に格納してもよい。

また、上記実施形態では、スイッチング電源装置１が降圧型のスイッチングレギュレータである場合の一例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、昇圧型のスイッチングレギュレータ、ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。

また、上述の演算部１１は、内部にコンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した演算部１１の処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。

以上、説明したように、スイッチング電源装置１は、第１の電流センサ８、第２の電流センサ９、及び演算部１１を備える。この第１の電流センサ８は、整流部６から出力される第１の電流値Ｉｉｎを計測する。第２の電流センサ９は、平滑コンデンサ７に流れるリップル電流値である第２の電流値を計測する。そして、演算部１１は、第１の電流値から、第２の電流値を差し引くことで、スイッチング電源装置１から出力される出力電流値Ｉｏを算出する。

このような構成によれば、スイッチング電源装置１は、電力損失を発生させることなく、スイッチング電源装置１から出力される直流電流を検出することができる。

１ スイッチング電源装置
２ 直流電源
３ 絶縁トランス
４ スイッチング素子
６ 整流部
７ 平滑コンデンサ
８ 第１の電流センサ
９ 第２の電流センサ
１０ 制御部
１１ 演算部

Claims (4)

1. 絶縁トランスの二次巻線側に生起された電力を整流する整流部と、
   前記整流部を介して整流された電力を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記整流部から出力される第１の電流値を計測する第１の電流センサと、
   前記平滑コンデンサに流れる第２の電流値を計測する第２の電流センサと、
   前記第１の電流値から、前記第２の電流値を差し引くことで、前記平滑コンデンサから出力される出力電流値を算出する演算部と、
   を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記第１の電流センサ及び前記第２の電流センサは、
   ロゴスキーコイルと、
   前記ロゴスキーコイルからの出力信号を積分する積分回路と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記第１の電流センサは、
   前記積分回路を構成するコンデンサに蓄えられた電荷を放電するためのリセット回路を更に備えることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記ロゴスキーコイルは、多層基板の内層に形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のスイッチング電源装置。

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