JP2020072557A - Power supply device and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源装置に関し、詳しくは、複数の電源装置を使用してより多くの電力を取り出す制御に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power supply device, and more particularly, to control using a plurality of power supply devices to extract more power.
近年、映像コンテンツの高解像度化が進み、いわゆる４Ｋや８Ｋの高解像度に対応した撮影がされるようになってきた。高解像度コンテンツの撮影では、その情報量を活かすために高精度にフォーカスを合わせることが要求されるため、撮影現場で高解像度ディスプレイが使用される。 In recent years, the resolution of video contents has been increased, and shooting has been performed in conformity with so-called 4K and 8K high resolutions. In shooting high-resolution content, high-precision display is used at the shooting site because it is required to focus with high precision in order to utilize the amount of information.
撮影現場で使用されるディスプレイ装置は、スタジオ、屋外、中継車などさまざまな場所で使用できることが要求されるため、電源は商用交流電源のほか、バッテリなどの直流電源でも動作できるよう構成している。 It is required that the display device used at the shooting site can be used in various places such as studios, outdoors, and relay vehicles, so the power supply is configured so that it can operate not only with a commercial AC power supply, but also with a DC power supply such as a battery. ..
また、撮影現場で使用されるディスプレイ装置は、屋外や照明の近傍等、明るい環境でも視認性を確保するために高輝度表示が望まれるため消費電力が大きくなる。さらに、高解像度対応により液晶表示装置（以下ＬＣＤ）のピクセルピッチが小さくなって透過率が下がるため、より多くのバックライト輝度が必要となり消費電力がより大きくなる。 In addition, a display device used at a shooting site consumes a large amount of power because a high-brightness display is desired to ensure visibility even in a bright environment such as outdoors or in the vicinity of lighting. In addition, since the pixel pitch of a liquid crystal display device (hereinafter, LCD) is reduced and the transmittance is reduced due to high resolution, more backlight brightness is required and power consumption is increased.
直流電源であるバッテリには、放電時に１個あたり利用可能な最大許容電流が規定されているが、ディスプレイの消費電力による電流がこれを超える場合には複数のバッテリに分担して動作させる必要がある。 The maximum allowable current that can be used for each battery, which is a DC power supply, is specified at the time of discharge, but if the current due to the power consumption of the display exceeds this, it is necessary to share the operation with multiple batteries. is there.
例えば、ふたつのバッテリで動作させる場合、バッテリを並列に接続するよう構成すると、電圧の高いほうからより多くの電流が偏って取り出されてしまうという課題がある。また、バッテリを直列に接続するよう構成すれば、それぞれのバッテリから同じ電流を取り出すことができるが、どちらか一方のバッテリが放電完了した場合には過放電を防止するために動作を停止させる必要があり、かつどちらのバッテリが放電完了したのか識別することが困難であるという課題がある。 For example, when operating with two batteries, if the batteries are configured to be connected in parallel, there is a problem that more current is biasedly taken out from the higher voltage. Also, if the batteries are configured to be connected in series, the same current can be taken from each battery, but when either one of the batteries is completely discharged, it is necessary to stop the operation to prevent over-discharge. There is a problem that it is difficult to identify which battery has been completely discharged.
これに対して特許文献１には、複数の電源の入力電圧と入力電流を測定し、入力電圧と出力電圧が最も電力を取り出せる条件になるよう設定して動作する電源装置が提案されている。 On the other hand, Patent Document 1 proposes a power supply device that operates by setting the input voltage and the input current of a plurality of power supplies and setting them so that the input voltage and the output voltage are in the condition that the most electric power can be taken out.
しかしながら、特許文献１の電源装置は、ふたつの直流電源からの入力電圧と入力電流を測定することで、それぞれの直流電源から取り出す電力が最大になるように制御をするものであるが、入力電流を測定する回路が必要となるために構成が複雑になるとともに、その回路で生じる電力損失を低減することが困難であるという課題がある。 However, the power supply device of Patent Document 1 measures the input voltage and the input current from the two DC power supplies and controls so that the electric power extracted from each DC power supply is maximized. There is a problem in that the configuration is complicated because a circuit for measuring is required and it is difficult to reduce the power loss generated in the circuit.
上記の課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、
それぞれ直流電源が接続可能な第一の直流電源入力部と第二の直流電源入力部と、第一の直流電源入力部に入力された第一の電圧を測定する第一の電圧測定部と、第二の直流電源入力部に入力された第二の電圧を測定する第二の電圧測定部と、帰還入力端子に入力された帰還電圧に応じてパルス幅変調した信号でスイッチング素子を駆動することで、第一および第二の直流電源入力部のそれぞれの電圧を昇圧するとともに、出力が並列に接続された第一の電圧変換部と第二の電圧変換部と、第一および第二の電圧変換部の出力電圧と、制御部からの制御に応じて、それぞれの帰還電圧を生成する第一の帰還部と第二の帰還部と、第一の電圧と第二の電圧に応じて第一および第二の帰還部を制御する制御部と、を有し、制御部は、第一および第二の電圧変換部の出力電圧が、第一の電圧と第二の電圧をほぼ合計した電圧値となるよう第一および第二の帰還部を制御することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the power supply device according to the present invention,
A first DC power supply input unit and a second DC power supply input unit to which a DC power supply can be connected, respectively, and a first voltage measurement unit that measures the first voltage input to the first DC power supply input unit, Driving a switching element with a second voltage measuring unit that measures the second voltage input to the second DC power supply input unit and a signal whose pulse width is modulated according to the feedback voltage input to the feedback input terminal. At the same time, while boosting the respective voltages of the first and second DC power supply input sections, the first voltage conversion section and the second voltage conversion section whose outputs are connected in parallel, and the first and second voltage conversion sections. A first feedback unit and a second feedback unit that generate respective feedback voltages according to the output voltage of the conversion unit and the control from the control unit, and a first feedback unit that responds to the first voltage and the second voltage. And a control unit that controls the second feedback unit. The output voltage of the voltage conversion unit, wherein the controller controls the first voltage and the first and second feedback section so as to be substantially total voltage value of the second voltage.
本発明に係る電源装置によれば、電流を測定する構成を必要とせずに、接続された複数の直流電源を略同じ電流を出力させる動作が可能になるとともに、従来構成と比較して電力損失を低減することが可能となる。 According to the power supply device of the present invention, it is possible to operate a plurality of connected DC power supplies to output substantially the same current without requiring a configuration for measuring a current, and to reduce power loss as compared with the conventional configuration. Can be reduced.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は実施例１の電源装置の構成をあらわすブロック図である。図２は実施例１の電源装置の内部の波形をあらわす図である。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the power supply device according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing internal waveforms of the power supply device according to the first embodiment.
以下、図１を用いて、電源装置の構成について説明をする。 The configuration of the power supply device will be described below with reference to FIG.
図１において、電源装置は、それぞれ最大許容電流である１０Ａ以下の電流を入力可能な第一の直流電源入力部１と第二の直流電源入力部２により、１２〜１７Ｖ程度の範囲の直流電圧を出力するバッテリ等の直流電源をふたつ接続可能に構成されている。 In FIG. 1, the power supply device has a DC voltage in the range of about 12 to 17 V by a first DC power supply input unit 1 and a second DC power supply input unit 2 each of which can input a current of 10 A or less which is the maximum allowable current. It is configured to be connectable with two DC power supplies such as a battery that outputs
第一の直流電源入力部に入力された第一の直流電圧および第二の直流電源入力部に入力された第二の直流電圧は、それぞれ第一の電圧測定部３および第二の電圧測定部４により測定されて制御部５に入力されるとともに、第一の電圧変換部１０および第二の電圧変換部２０に入力される。 The first DC voltage input to the first DC power supply input section and the second DC voltage input to the second DC power supply input section are respectively the first voltage measurement section 3 and the second voltage measurement section. 4 is input to the control unit 5 and is also input to the first voltage conversion unit 10 and the second voltage conversion unit 20.
第一および第二の電圧変換部は、それぞれ第一の帰還電圧１１および第二の帰還電圧２１に応じてパルス幅変調した信号でスイッチング素子を駆動し、エネルギをインダクタに蓄積したのちにダイオードを介して取り出して出力コンデンサ６で平滑することで、第一および第二の直流電源入力部に入力されたそれぞれを昇圧した直流電圧出力を生成する。 The first and second voltage converters drive the switching element with a signal whose pulse width is modulated according to the first feedback voltage 11 and the second feedback voltage 21, respectively, and store energy in the inductor and then drive the diode. The output voltage is taken out through the output capacitor 6 and smoothed by the output capacitor 6 to generate a DC voltage output obtained by boosting each of the first and second DC power supply input sections.
直流電圧出力は、第一の帰還部７および第二の帰還部８により、制御部５の制御に応じて減衰された第一の帰還電圧１１および第二の帰還電圧２１に変換される。これらにより第一の電圧変換部１０および第二の電圧変換部２０の直流電圧出力が決定される。 The DC voltage output is converted by the first feedback unit 7 and the second feedback unit 8 into the first feedback voltage 11 and the second feedback voltage 21 which are attenuated under the control of the control unit 5. These determine the DC voltage outputs of the first voltage conversion unit 10 and the second voltage conversion unit 20.
制御部５は、第一の直流電圧および第二の直流電圧に応じて、直流電圧出力の電圧（Ｖｏｕｔ）が第一の直流電圧と第二の直流電圧をほぼ合計した電圧値となるよう、第一および第二の帰還部を制御する。 The control unit 5 sets the voltage (Vout) of the DC voltage output to be a voltage value that is a total of the first DC voltage and the second DC voltage, according to the first DC voltage and the second DC voltage. Control the first and second feedback sections.
ここで、図１および図２を用いて動作を詳細に説明する。 Here, the operation will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
図１における制御部５には、第一および第二の電圧測定部により、第一の直流電源入力部１には１４Ｖ、第二の直流電源入力部２には１２Ｖの電源がそれぞれ接続されている情報が入力される。 The control unit 5 in FIG. 1 is connected to the first and second voltage measuring units by a power source of 14V to the first DC power source input unit 1 and a power source of 12V to the second DC power source input unit 2, respectively. Information is entered.
制御部５は、第一および第二の帰還部を制御することで、第一の電圧変換部１０における第一のスイッチング素子１２のオンとオフの時間の比率、および第二の電圧変換部２０における第二のスイッチング素子２２のオンとオフの時間の比率が制御され、直流電圧出力の電圧（Ｖｏｕｔ）がそれぞれの合計値の２６Ｖになるよう調整される。 The control unit 5 controls the first and second feedback units to control the ratio of the ON time and the OFF time of the first switching element 12 in the first voltage conversion unit 10, and the second voltage conversion unit 20. The ratio of the ON time and the OFF time of the second switching element 22 in is controlled, and the voltage (Vout) of the DC voltage output is adjusted to be 26V which is the total value of each.
図２は、第一のインダクタ１３および第二のインダクタ２３の電流波形と、直流電圧出力の電流を示している。第一のインダクタ１３および第二のインダクタ２３は、おなじインダクタンス値（Ｌ（Ｈ））のものを使用している。第一および第二のインダクタの電流波形は、それぞれ第一の入力コンデンサ３１および第二の入力コンデンサ３２により平滑されて、それぞれの電流の平均値のＩｍ１およびＩｍ２が第一および第二の直流電源入力部の入力電流となる。直流電圧出力の電流は、第一のスイッチング素子１２がオフ時の電流波形と、第二のスイッチング素子２２がオフ時の電流波形が、それぞれ合成されたのち出力コンデンサ６で平滑された電流の平均値Ｉｍ３となる。 FIG. 2 shows the current waveforms of the first inductor 13 and the second inductor 23, and the current of the DC voltage output. The first inductor 13 and the second inductor 23 have the same inductance value (L (H)). The current waveforms of the first and second inductors are smoothed by the first input capacitor 31 and the second input capacitor 32, respectively, and the average values Im1 and Im2 of the respective currents are the first and second DC power supplies. It becomes the input current of the input section. The DC voltage output current is the average of the currents smoothed by the output capacitor 6 after the current waveform when the first switching element 12 is off and the current waveform when the second switching element 22 is off. The value becomes Im3.
インダクタンス値がＬ（Ｈ）のインダクタにおいて、両端電圧がＶ（Ｖ）で時間ｔ（ｓｅｃ）経過した際の電流変化ΔＩ（Ａ）は、
ΔＩ（Ａ）＝Ｖ（Ｖ）／Ｌ（Ｈ）×ｔ（ｓｅｃ）
であることから、第一のインダクタ１３の電流波形は、第一のスイッチング素子１２がオンのときには印加される第一の直流電圧（Ｖｉｎ＝１４Ｖ）に比例した傾きとなる。
In an inductor with an inductance value of L (H), the current change ΔI (A) when the voltage across both ends is V (V) and time t (sec) elapses.
ΔI (A) = V (V) / L (H) × t (sec)
Therefore, the current waveform of the first inductor 13 has a slope proportional to the first DC voltage (Vin = 14V) applied when the first switching element 12 is on.
ΔＩ（Ａ）＝Ｖｉｎ（Ｖ）／Ｌ（Ｈ）×ｔ（ｓｅｃ）
第一のスイッチング素子１２がオフのときには第一の直流電圧（Ｖｉｎ＝１４Ｖ）と直流電圧出力の電圧（Ｖｏｕｔ＝２６Ｖ）との差分電圧（−１２Ｖ）に比例した傾きとなる。
ΔI (A) = Vin (V) / L (H) × t (sec)
When the first switching element 12 is off, the slope is proportional to the differential voltage (-12V) between the first DC voltage (Vin = 14V) and the DC voltage output voltage (Vout = 26V).
ΔＩ（Ａ）＝（Ｖｉｎ（Ｖ）−Ｖｏｕｔ（Ｖ））／Ｌ（Ｈ）×ｔ（ｓｅｃ）
第二のインダクタ２３の電流波形は、第二のスイッチング素子２２がオンのときには印加される第二の直流電圧（１２Ｖ）に比例した傾きとなり、オフのときには第二の直流電圧（１２Ｖ）と直流電圧出力の電圧（２６Ｖ）との差分電圧（−１４Ｖ）に比例した傾きとなる。
ΔI (A) = (Vin (V) −Vout (V)) / L (H) × t (sec)
The current waveform of the second inductor 23 has a slope proportional to the second DC voltage (12V) applied when the second switching element 22 is on, and the slope is proportional to the second DC voltage (12V) when the second switching element 22 is off. The slope is proportional to the differential voltage (-14V) from the voltage of the voltage output (26V).
つまり、第一の直流電圧に１４Ｖ、第二の直流電圧に１２Ｖが入力される電源装置において、直流電圧出力の電圧を２６Ｖに設定するとともに、第一のスイッチング素子１２のオンとオフの時間の比率を１２：１４（＝６：７）、第二のスイッチング素子２２のオンとオフの時間の比率を１４：１２（＝７：６）とすることで、第一および第二のインダクタのすべてのオンとオフのΔＩが同じになり、それらの平均値であるＩｍ１およびＩｍ２も同じ状態で稼働を継続することが可能となる。 That is, in a power supply device in which 14V is input to the first DC voltage and 12V to the second DC voltage, the voltage of the DC voltage output is set to 26V, and the ON / OFF time of the first switching element 12 is set. By setting the ratio to 12:14 (= 6: 7) and the ratio of the ON time and the OFF time of the second switching element 22 to 14:12 (= 7: 6), all of the first and second inductors The ON and OFF ΔIs are the same, and the average values Im1 and Im2 can continue to operate in the same state.
以上に説明したように、本発明の実施例１によれば、電流を測定する構成を必要とせずに接続されたふたつの直流電源を、最大許容電流である１０Ａ以下を維持して略同じ電流を出力させる動作が可能になる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the two DC power sources connected without the need for the configuration for measuring the current are maintained at the maximum allowable current of 10 A or less and the substantially same current. Can be output.
図３は、実施例２の電源装置の構成をあらわすブロック図である。図４は、実施例２の電源装置の内部の波形をあらわす図である。 FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the power supply device according to the second embodiment. FIG. 4 is a diagram showing internal waveforms of the power supply device according to the second embodiment.
以下、図３および図４を使用して、実施例１と異なる部分について説明をする。 Hereinafter, parts different from the first embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
図３において、電源装置は、第一の電圧変換部１０が第一のスイッチング素子１２をオンオフするパルスを反転した波形にして出力する反転部４０をさらに設け、第二の電圧変換部２０を反転部４０が出力する波形を基準に動作するよう構成した。 In FIG. 3, the power supply device further includes an inverting unit 40 that outputs a pulse obtained by inverting the pulse for turning on and off the first switching element 12 by the first voltage converting unit 10 and inverting the second voltage converting unit 20. It is configured to operate based on the waveform output by the unit 40.
これにより、第一の電圧変換部１０の第一のスイッチング素子１２がオフになるタイミングで、第二の電圧変換部２０の第二のスイッチング素子２２をオンにする制御が可能となる。 Accordingly, it is possible to control to turn on the second switching element 22 of the second voltage conversion unit 20 at the timing when the first switching element 12 of the first voltage conversion unit 10 is turned off.
図４において、直流電圧出力の電流は、第一のスイッチング素子１２がオフ時の電流波形と、第二のスイッチング素子２２がオフ時の電流波形が、それぞれ合成されたのち出力コンデンサ６で平滑された電流の平均値Ｉｍ３であることから、それぞれがオフするタイミングが重ならず、平滑する電流のピーク値が抑えられる。 In FIG. 4, the DC voltage output current is smoothed by the output capacitor 6 after the current waveform when the first switching element 12 is off and the current waveform when the second switching element 22 is off. Since it is the average value Im3 of the currents, the timings of turning off the respective currents do not overlap, and the peak value of the smoothed current is suppressed.
以上に説明した構成により、本発明の実施例２によれば、コンデンサが平滑するピーク電流が低減されることでコンデンサの等価直列抵抗成分による電力損失がさらに低減されるとともに、発熱によるコンデンサの劣化が軽減されて長寿命化が可能となる。 With the configuration described above, according to the second embodiment of the present invention, the peak current smoothed by the capacitor is reduced, so that the power loss due to the equivalent series resistance component of the capacitor is further reduced and the deterioration of the capacitor due to the heat generation. Is reduced and the service life can be extended.
図５は、実施例３の電源装置の内部の波形をあらわす図である。実施例３の電源装置の構成をあらわすブロック図は、実施例２における図３と同じである。 FIG. 5 is a diagram showing internal waveforms of the power supply device according to the third embodiment. The block diagram showing the configuration of the power supply device of the third embodiment is the same as FIG. 3 of the second embodiment.
以下、図３および図５を使用して、実施例１および２と異なる部分について説明をする。 Hereinafter, parts different from the first and second embodiments will be described with reference to FIGS. 3 and 5.
図３において、実施例３の電源装置は、第一の電圧変換部１０の第一のスイッチング素子１２がオフになるタイミングで、第二の電圧変換部２０の第二のスイッチング素子２２をオンにするとともに、第一のスイッチング素子１２がオンになる時間と第二のスイッチング素子２２がオンになる時間の比率が、第一の直流電圧と第二の直流電圧の比率の逆数となるよう制御部５が制御する構成とした。 In FIG. 3, the power supply device according to the third embodiment turns on the second switching element 22 of the second voltage conversion unit 20 at the timing when the first switching element 12 of the first voltage conversion unit 10 turns off. In addition, the control unit controls the ratio of the time when the first switching element 12 is turned on and the time when the second switching element 22 is turned on to be the reciprocal of the ratio of the first DC voltage and the second DC voltage. 5 controls.
これにより、第一の直流電圧に１４Ｖ、第二の直流電圧に１２Ｖが入力される電源装置において、直流電圧出力の電圧を２６Ｖに設定するとともに、図５における第一のスイッチング素子１２がオンになる時間と、第二のスイッチング素子２２がオンになる時間の比率が、１２：１４（＝６：７）に制御されることで、第一および第二のインダクタの電流が０Ａになる状態を含むいわゆる臨界または不連続モードで動作するとともに、オンとオフのΔＩが同じになり、それらの平均値であるＩｍ１およびＩｍ２も同じ状態で稼働を継続することが可能となる。 Thus, in the power supply device in which 14V is input to the first DC voltage and 12V is input to the second DC voltage, the voltage of the DC voltage output is set to 26V and the first switching element 12 in FIG. 5 is turned on. And the time when the second switching element 22 is turned on are controlled to 12:14 (= 6: 7), so that the current of the first and second inductors becomes 0A. In addition to operating in a so-called critical or discontinuous mode, the ΔIs of ON and OFF become the same, and it becomes possible for Im1 and Im2, which are their average values, to continue operating in the same state.
以上に説明した構成により、本発明の実施例３によれば、臨界または不連続モードで動作することができるため、第一および第二のインダクタをインダクタンス値（Ｌ（Ｈ））の小さいものにすることが可能になり、インダクタの巻き線抵抗値が小さくすることが可能になるため損失さらに低減されるとともに、直流電圧出力の電流の平均値（Ｉｍ３）が小さい場合においても安定した動作が可能となる。 With the configuration described above, according to the third embodiment of the present invention, it is possible to operate in the critical or discontinuous mode, so that the first and second inductors have a small inductance value (L (H)). Since it is possible to reduce the winding resistance of the inductor, loss is further reduced, and stable operation is possible even when the average value (Im3) of the DC voltage output current is small. Becomes
１ 第一の直流電源入力部、２ 第二の直流電源入力部、３ 第一の電圧測定部、
４ 第二の電圧測定部、５ 制御部、６ 出力コンデンサ、７ 第一の帰還部、
８ 第二の帰還部、１０ 第一の電圧変換部、１１ 第一の帰還電圧、
１２ 第一のスイッチング素子、１３ 第一のインダクタ、
２０ 第二の電圧変換部、２１ 第二の帰還電圧、
２２ 第二のスイッチング素子、２３ 第二のインダクタ、
３１ 第一の入力コンデンサ、３２ 第二の入力コンデンサ、４０ 反転部
1 1st DC power supply input part, 2 2nd DC power supply input part, 3 1st voltage measurement part,
4 second voltage measuring unit, 5 control unit, 6 output capacitor, 7 first feedback unit,
8 second feedback section, 10 first voltage conversion section, 11 first feedback voltage,
12 first switching element, 13 first inductor,
20 second voltage converter, 21 second feedback voltage,
22 second switching element, 23 second inductor,
31 first input capacitor, 32 second input capacitor, 40 inverting section
Claims (3)
第一の直流電源入力部に入力された第一の電圧を測定する第一の電圧測定部と、
第二の直流電源入力部に入力された第二の電圧を測定する第二の電圧測定部と、
帰還入力端子に入力された帰還電圧に応じてパルス幅変調した信号でスイッチング素子を駆動することで、第一および第二の直流電源入力部のそれぞれの電圧を昇圧するとともに、出力が並列に接続された第一の電圧変換部と第二の電圧変換部と、
第一および第二の電圧変換部の出力電圧と、制御部からの制御に応じて、それぞれの帰還電圧を生成する第一の帰還部と第二の帰還部と、
第一の電圧と第二の電圧に応じて第一および第二の帰還部を制御する制御部と、を有し、
制御部は、第一および第二の電圧変換部の出力電圧が、第一の電圧と第二の電圧をほぼ合計した電圧値となるよう第一および第二の帰還部を制御することを特徴とする電源装置。 A first DC power supply input part and a second DC power supply input part to which a DC power supply can be connected, respectively,
A first voltage measuring unit that measures a first voltage input to the first DC power input unit,
A second voltage measuring unit that measures the second voltage input to the second DC power input unit,
By driving the switching element with a signal whose pulse width is modulated according to the feedback voltage input to the feedback input terminal, each voltage of the first and second DC power supply input parts is boosted and the outputs are connected in parallel. The first voltage conversion unit and the second voltage conversion unit,
Output voltages of the first and second voltage conversion units, and a first feedback unit and a second feedback unit that generate respective feedback voltages according to control from the control unit,
A control unit that controls the first and second feedback units according to the first voltage and the second voltage,
The control unit controls the first and second feedback units so that the output voltages of the first and second voltage conversion units have a voltage value that is a total of the first voltage and the second voltage. And power supply.
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