JP2020031462A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング電源に接続された電子機器とケーブルなどとに応じてノイズの周波数成分または大きさを変更できるようにする。
【解決手段】スイッチング電源２００は、接続機器を認証する認証手段２０７と、ノイズの大きさまたは周波数成分を変更するノイズ切替手段を有する２次側整流部２０４と、少なくとも認証の結果、接続機器の種類および出力仕様の情報からノイズ切替手段を制御する対応を決めるための対応テーブルを参照し、決められた条件になるようにノイズ切替手段を制御する制御手段２０５と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に接続されるスイッチング電源に関する。

ノイズを規制する規格であるＥＭＩ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）は、スイッチング電源と、スイッチング電源に接続された電子機器およびケーブルなどとを組み合わせた状態で測定を行う。ノイズは、スイッチング電源だけでなく、スイッチング電源に接続された電子機器およびケーブルなどからも放出されるので、ＥＭＩの対策を行う場合、スイッチング電源のノイズは少ない方が望ましい。

特許文献１には、スナバ回路によりスイッチング素子のリンギングを吸収し、ノイズの発生を抑える方法が記載されている。このようなスナバ回路によってノイズを熱に変換する方法や、フィルタ回路によってノイズを吸収する方法を取ると、スイッチング電源内部の損失が増え電源の電力変換効率は低下する。

特開昭６２−２６２６５９号公報

ＥＭＩは、負荷となる電子機器とケーブルなどとの組み合わせで評価する。そのため、汎用性のあるＡＣアダプターなどは、ノイズの大きい電子機器と組み合わされる場合もあるし、ノイズの小さい電子機器と組み合わされる場合もある。

例えば、電子機器のノイズが大きかった場合、電子機器のノイズに電源のノイズが重畳されるためスイッチング電源のノイズは小さくしておかなくてはならない。逆に、電子機器のノイズが小さかった場合、電源のノイズ対策を緩和しノイズ量を問題ない範囲で増やすことにより、電源の電力変換効率を上げることができる。ノイズが少ない機器の場合、使用する電力量が減るため効率が良い方が好ましい。

また、接続する電子機器によって低ノイズを重視するのか、高効率を重視するのかも異なる。例えば、オーディオアンプのように非常に少ないノイズレベルが要求される機器の場合は低ノイズを重視した電源の方が良いし、電熱暖房器具のように機器にとってノイズがそれほど問題にならなく、効率を重視した方が良い場合は高効率を重視した電源の方が良い。

そこで、本発明は、スイッチング電源に接続された電子機器とケーブルなどとに応じてノイズの周波数成分または大きさを変更できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係るスイッチング電源は、
接続機器を認証する認証手段と、ノイズの大きさまたは周波数成分を変更するノイズ切替手段と、少なくとも認証の結果、接続機器の種類および出力仕様の情報から前記ノイズ切替手段を制御する対応を決めるための対応テーブルを参照し、決められた条件になるように前記ノイズ切替手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係るスイッチング電源によれば、スイッチング電源に接続された電子機器とケーブルなどとに応じてノイズの周波数成分または大きさを変更することができる。これにより、ノイズ特性と効率特性とをスイッチング電源を含むシステムに合わせて最適化することができる。

実施形態１におけるスイッチング電源２００の構成例を示すブロック図である。 制御部２０５における制御フローを示す図である。 スイッチング電源２００が用いる対応テーブルの一例を示す図である。 ノイズ切替回路の第１の構成例を示す図である。 ノイズ切替回路の第２の構成例を示す図である。 ノイズ切替回路の第３の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

［実施形態１］
図１は、実施形態１おけるスイッチング電源２００の構成例を示すブロック図である。

スイッチング電源２００は、商用電源１００と、ケーブル３００を介して電子機器４００とに接続される。商用電源１００は、スイッチング電源２００がＡＣ−ＤＣコンバーターとして機能する場合はＡＣ電源であるが、スイッチング電源２００がＤＣ−ＤＣコンバーターとして機能する場合はＤＣ電源である。ケーブル３００は、スイッチング電源２００がＵＳＢアダプターの場合はＵＳＢケーブルになり、スイッチング電源２００がカスタム電源の場合は、専用のＤＣコードになる。

スイッチング電源２００の負荷である電子機器４００には、周辺機器４０１が接続される。周辺機器４０１は、電子機器４００がデジタルカメラの場合、ＨＤＭＩ（登録商標）モニタやプリンタなどの周辺機器である。スイッチング電源２００は、１次整流部２０１、スイッチング部２０２、トランス２０３、２次側整流部２０４、制御部２０５、フォトカプラ２０６、認証部２０７、フォトカプラ２０８、表示部２０９を持つ。

１次整流部２０１は、商用電源１００からのＡＣ電圧を整流ダイオードによって整流し、電解コンデンサで平滑する。スイッチング部２０２は、ＦＥＴやトランジスタなどのスイッチング素子とオンオフを制御する制御ＩＣから構成され、制御部２０５で検出された電圧情報をフォトカプラ２０８を介してフィードバックされ、２次側に供給する電力をコントロールする。また、スイッチング部２０２には、制御部２０５からの制御信号によりノイズを切り替えるノイズ切替回路が備えられている。トランス２０３は１次側に蓄えた電力を２次側へ伝達する。

２次整流部２０４は、ショットキーダイオードやＦＥＴと同期整流ＩＣなどの整流素子と、電解コンデンサなどの平滑用素子で構成される。また、２次整流部２０４には、制御部２０５からの制御信号によりノイズを切り替えるノイズ切替回路が備えられている。制御部２０５は、スイッチング電源２００の出力電圧、出力電流の制御やノイズ切替回路の制御、認証部２０７を通して電子機器４００との通信などを行う。

フォトカプラ２０６は、２次側にある制御部２０５のノイズ制御信号を、１次側にあるスイッチング部２０２のノイズ切替回路へ伝達する。フォトカプラ２０８は、制御部２０５からの電力制御信号をスイッチング部２０２へ伝達し、出力電圧や電流を制御する。認証部２０７は、ケーブル３００の認証部や電子機器４００の認証部と通信を行い、電子機器４００の認証や電子機器４００に関する情報の取得を行う。

制御部２０５は、認証部２０７からの情報を基に内部で判定し、２次整流部２０４やフォトカプラ２０６を介してスイッチング部２０２へノイズを切り替えるための信号を送る。表示部２０９はＬＥＤやＬＣＤなどの表示手段であり、制御部２０５がノイズ切替制御しているか否かを表示する。

スイッチング部２０２のノイズ切替回路と２次整流部２０４のノイズ切替回路は両方にある構成でも良いし、片方にだけある構成や、片方に複数持つ構成などでも構わない。

図２は、スイッチング電源の制御部におけるフローを示す図である。

ステップＳ１０１では、認証部２０７は電子機器４００と認証確認を行い、電子機器４００が正規品か否かの確認や電子機器４００の情報を取得する。

ステップＳ１０２では、認証部２０７はケーブル３００と認証確認を行い、ケーブル３００が正規品か否かの確認やケーブル３００の情報を取得する。

ステップＳ１０３では、認証部２０７は電子機器４００と出力プロファイルを判定するための通信を行い、制御部２０５で電源の出力仕様を判定し、スイッチング電源２００は決められた仕様で出力を行う。

ステップＳ１０４では、制御部２０５は認証部２０７から得られた情報と、制御部２０５に持っているあらかじめ決められた対応テーブルからノイズ切替回路の制御を行うかを判定する。

ステップＳ１０５では、ノイズ切替を行わない場合処理を終了し、行う場合ステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０６では、制御部２０５は判定したノイズ切替回路を動作させる。

図２は、一通りのノイズ切替動作を判定するまでのフローであるが、実際の製品ではこのフローを定期的に実行することにより電子機器４００側の情報が変わった場合にノイズ切替の制御を変更することができる。また、認証が成功した場合のみこのフローを定期的に実行すれば、ノイズ切り替え制御に対応した電子機器４００の場合のみ細かくノイズ切り替え制御を行うことができるようになる。

図３は、制御部２０５が認証部２０７で取得した情報から場合分けしてノイズ切替回路を制御する条件を決める対応テーブルを示す図である。ここでは、モード１〜５の５つに場合分けしてノイズ切替回路を制御している。電子機器４００の認証、ケーブル３００の認証の項目は、制御部２０５が電子機器４００およびケーブル３００の認証部と通信を行い、正規品か否かと、使用可能なメーカーまたは型番か否かと、その他の事項とを確認した結果である。接続機器は、電子機器４００に関する情報であり、デジタルカメラやビデオカメラなどの製品の種類や型番、メーカー、仕向け国情報、動作モードや接続されている周辺機器の情報などである。ここでは、簡略化してデジタルカメラかビデオカメラかを判定する例を示している。

制御１、制御２はスイッチング電源２００内のノイズ切替回路を動作させるか否かを示している。ここでは、ノイズ切替回路は動作させると効率が下がり、ノイズは減る方向になっており、制御２より制御１の方がより効果が出ると想定している。出力プロファイルはスイッチング電源２００がＵＳＢ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ規格のように出力電圧や出力電流の仕様を変えることができる場合、どういう出力仕様になっているかという情報である。同じ回路構成であったとしても出力仕様を変更すると効率もノイズも変化するため必要に応じて判定項目とすると良い。

モード１は、電子機器４００の認証に成功し、接続機器はデジタルカメラと認識し、ケーブル３００の認証に成功し、出力はプロファイルが５Ｖである場合に制御１と制御２をどう制御するかについて表している。

モード２は、電子機器４００の認証に成功し、接続機器はデジタルカメラと認識し、ケーブル３００の認証に成功し、出力はプロファイルが９Ｖである場合に制御１と制御２をどう制御するかについて表している。

モード３は、電子機器４００の認証に成功し、接続機器はデジタルカメラと認識し、ケーブル３００の認証に失敗した場合、出力プロファイルがどのような出力であるかに関わらず、制御１と制御２を制御する内容を表している。

モード４は、電子機器４００の認証に成功し、接続機器はビデオカメラと認識した場合は、ケーブル３００の認証の結果、出力プロファイルの仕様がどのようなものであるかに関わらず制御１と制御２を制御する内容を表している。

モード５は、電子機器４００の認証に失敗した場合、接続機器の種類、ケーブル３００の認証、出力プロファイルがどのようなものであるかに関わらず制御１と制御２を制御する内容について表している。

一般的にスイッチング電源の低ノイズと高効率はトレードオフの関係にある。図３では、モード１の状態を基準として効率とノイズがどう変わるかについても参考に示した。制御１、制御２がＯＦＦになるモード５では、ノイズは増えるが効率は最も良くなる。例えば、接続される電子機器４００がノイズが少ない抵抗性負荷のような機器の場合、問題のない範囲でノイズを増やし高効率で動作させることにより電力量を減らすことができる。逆に、最もノイズが少ないモード３やモード４は、接続される電子機器４００のノイズが大きい場合や製品の性能上ノイズを小さくしたい場合を想定している。問題のない範囲で効率を下げることにより、周辺機器を含めたＥＭＩを満足させたり、音質や画質など電子機器４００に乗るノイズを下げて製品の性能を上げたりすることも可能である。モード２は、モード１に対して効率もノイズも少ししか変化しないが、ノイズの周波数を変動させて組み合わせ時のノイズ特性を良くしたり、接続機器に対して影響の少ないノイズになるようにノイズの周波数特性を最適化したりすることを想定している。

いずれの場合も、スイッチング電源２００のノイズをどういう機器や動作状態で場合分けして、スイッチング電源２００のノイズをどのように切り替えるとシステムのノイズを抑えられるかを予め検討し対応テーブルを作成する必要がある。

また、電子機器４００の認証、ケーブル３００の認証の結果が失敗だった場合、制御１、制御２をＯＦＦとするように対応テーブルを作成すると、認証が成功した場合のみ制御部２０５はノイズ切替回路を制御するように動作させることができる。

図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、スイッチング電源のノイズ切替回路の構成例を示す図である。ここでは、２次整流部２０４のノイズ切替回路を例にして説明する。

図４Ａは、整流ダイオードに接続されているスナバ回路を切り替えることにより、ノイズの大きさや周波数成分を変える構成である。スイッチに制御信号が入ると、スイッチはスナバ１からスナバ２へ接続を変更する。スナバ回路のコンデンサと抵抗の定数を、ノイズを切り替えたい大きさや周波数に合わせ込んで設定しておくことによりノイズを切り替えることが可能である。

図４Ｂは、整流ダイオードの素子を切り替えることにより、ノイズの大きさや周波数成分を変える構成である。スイッチに制御信号が入ると、ダイオード１からダイオード２へ接続を変更する。ダイオード１とダイオード２にノイズの特性が異なる素子を使用することによりノイズの大きさや周波数成分を切り替えることが可能である。

図４Ｃは、同期整流ＩＣの動作を切り替えることにより、ノイズの大きさや周波数成分を変える構成である。制御信号が同期整流ＩＣに入ると同期整流ＩＣがＦＥＴを制御して同期整流を開始する。この場合、ダイオードと並列に部品が接続されたことになる。予めダイオード整流と同期整流のノイズを確認しておくことにより、希望するノイズの大きさや周波数成分を変更することが可能である。

図４Ａ、図Ｂおよび図４Ｃは、２次整流部２０４の３つの例について示しているが、スナバの変更、素子の切替、素子の並列接続などの方法は１次側のスイッチング部２０２にも適用可能である。

なお、本発明の実施形態は上述の実施形態１に限定されるものではない。発明の要旨を逸脱しない範囲で変更または修正された実施形態１も本発明の実施形態に含まれる。

１００ 商用電源、２００ スイッチング電源、３００ ケーブル、
４００ 電子機器

Claims (4)

1. 接続機器を認証する認証手段と、
   ノイズの大きさまたは周波数成分を変更するノイズ切替手段と、
   少なくとも認証の結果、接続機器の種類および出力仕様の情報から前記ノイズ切替手段を制御する対応を決めるための対応テーブルを参照し、決められた条件になるように前記ノイズ切替手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とするスイッチング電源。
2. 前記認証手段の結果が成功した場合に、前記制御手段は、前記ノイズ切替手段を制御す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。
3. 前記認証手段の結果が成功した場合に、前記制御手段は、定期的に情報を取得することにより、前記ノイズ切替手段を制御す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。
4. 前記制御手段が前記ノイズ切替手段を制御する場合は、動作状態を表示手段に表示す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。