JP2021191079A - 直流電源装置およびそれに用いる電流安定化回路並びに電源ラインのノイズ抑制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、ケーブルをシールド化して輻射ノイズを低減する技術もあるが、ドライブレコーダーのような電子機器を備えた車載システム等においては、ケーブルの量が増加する傾向があり、ケーブルのシールド化はコストおよび重量の増加を招くため、シールド化によるノイズ対策は適切でない。
また、本発明の他の目的は、バッテリー電圧の変化で効率が大きく変わったり、レギュレータが発振し易くなったり、リップル電流が増加したりすることなく電源ラインの輻射ノイズを抑制することができる直流電源装置およびそれに用いる電流安定化回路並びに電源ラインのノイズ抑制方法を提供することにある。
スイッチング電源装置を備え、輻射ノイズを発生するおそれのある電源ラインを介して直流電源から供給される直流入力電圧を変換して異なる電位の直流電圧を出力する直流電源装置において、
前記スイッチング電源装置の前段または後段に、電流安定化回路が接続されているようにしたものである。
また、バッテリー電圧の変化で効率が大きく変わったり、レギュレータが発振し易くなったり、リップル電流が増加したりすることなく電源ラインの輻射ノイズを抑制することができる。
電流入力端子と電流出力端子との間に直列に接続された抵抗素子およびトランジスタと、
前記電流出力端子に接続されたローパスフィルタと、
前記抵抗素子とトランジスタとの接続ノードの電圧と前記ローパスフィルタの出力電圧との電位差に応じて前記トランジスタを制御して負荷急変時に当該トランジスタに定電流を流す制御回路と、を備えているように構成する。
かかる構成によれば、比較的高い周波数の負荷電流変動に対しては前後の電位差の低周波成分に応じた定電流を維持するように電流安定化回路が働くため電源ラインの輻射ノイズを抑制しつつ、比較的低い周波数の負荷電流変動に対しては当該直流電源装置の負荷における電流の増減に応じた電流を電流安定化回路より流すことができる。
かかる構成によれば、スイッチング電源装置のスイッチング動作により発生したノイズが電源ラインに伝達するのを有効に防止するとともに、スイッチング電源装置のサーボ制御に伴う電流の増減に応答した電流を電流安定化回路により流すことができる。
前記抵抗素子とトランジスタとの接続ノードの電圧を一方の入力端子の入力電圧とする演算増幅回路と、
前記電流入力端子と前記演算増幅回路の他方の入力端子との間に接続された電圧制御電圧源回路と、
前記電流入力端子の電位を安定化させるコンデンサと、を備え、
前記電圧制御電圧源回路は、
一対の制御端子を備え、前記一対の制御端子の電位差に対応する電圧を生成するように構成され、前記一対の制御端子のうち一方の端子の電位が前記コンデンサによって安定化され、前記一対の制御端子のうち他方の端子に前記ローパスフィルタの出力電圧が印加されているように構成する。
かかる構成によれば、コンデンサによってノイズを低減させ、電流入力端子側の電位変動により電流安定化回路が流す電流が変動するのを防止することができる。
前記電圧制御電圧源回路は、前記定電圧源により持ち上げられた電圧を基準にして、前記ローパスフィルタの出力電圧に応じた電圧を前記演算増幅回路の他方の入力端子に供給するように構成する。
かかる構成によれば、トランジスタのエミッタ・コレクタ間の電位差が低くなって電流安定化回路が動作しない期間が生じるのを回避することができる。
電流入力端子と電流出力端子との間に直列に接続された抵抗素子およびトランジスタと、
前記電流出力端子に接続されたローパスフィルタと、
前記抵抗素子とトランジスタとの接続ノードの電圧と前記ローパスフィルタの出力電圧との電位差に応じて前記トランジスタを制御して負荷急変時に当該トランジスタに定電流を流す制御回路と、を備えているように構成したものである。
上記のような構成を有する電流安定化回路によれば、電流出力端子側の高周波ノイズが電流入力端子側へ伝達するのを抑制しつつ、比較的低い周波数では入力側と出力側の電位差に応じた電流を流すことができる。
前記抵抗素子とトランジスタとの接続ノードの電圧を一方の入力端子の入力電圧とする演算増幅回路と、
前記電流入力端子と前記演算増幅回路の他方の入力端子との間に接続された電圧制御電圧源回路と、
前記電流入力端子の電位を安定化させるコンデンサと、を備え、
前記電圧制御電圧源回路は、
一対の制御端子を備え、前記一対の制御端子の電位差に対応する電圧を生成するように構成され、前記一対の制御端子のうち一方の端子の電位が前記コンデンサによって安定化され、前記一対の制御端子のうち他方の端子に前記ローパスフィルタの出力電圧が印加されているように構成する。
かかる構成によれば、コンデンサによってノイズを低減させ、電流入力端子側の電位変動により電流安定化回路が流す電流が変動するのを防止することができる。
かかる構成によれば、トランジスタのエミッタ・コレクタ間の電位差が低くなって電流安定化回路が動作しない期間が生じるのを回避することができる。
前記抵抗調整器を前記抵抗素子と並列に接続するための前記切替え素子を切り替える切替え手段を有し、
出力電流の大きさに応じて前記抵抗調整器の並列接続数を切替え可能に構成する。
スイッチング電源装置を備え、輻射ノイズを発生するおそれのある電源ラインを介して直流電源から供給される直流入力電圧を変換して異なる電位の直流電圧を出力する直流電源装置において、
前記スイッチング電源装置の前段または後段に、請求項6〜9のいずれかに記載の電流安定化回路を複数有し、前記複数の電流安定化回路の接続を切り替える切替え手段と、前記切替え手段の切替え信号を生成するロジック回路とを備え、出力電流の大きさに応じて前記電流安定化回路の並列接続数を切替え可能に構成したものである。
このような構成を有する直流電源装置によれば、サーボ制御帯域を変化させることなく、抵抗による電圧降下が大きくなるのを回避することができる。
前記ロジック回路は前記電流センス抵抗の電圧に応じて前記切替え手段の切替え信号を生成するように構成する。
これにより、出力電流の大きさに応じた切替え手段の切替え信号を簡単に生成することができる。
これにより、負荷電流が切替え電流値付近で頻繁に切り替わるのを防止することができる。
スイッチング電源装置を備え、輻射ノイズを発生するおそれのある電源ラインを介して直流電源から供給される直流入力電圧を変換して異なる電位の直流電圧を負荷へ供給する直流電源供給システムにおける前記電源ラインより放出される輻射ノイズを抑制するノイズ抑制方法において、
前記電源ラインを介して前記スイッチング電源装置に流れる電流を電流安定化回路で制限することによって、前記スイッチング電源装置のスイッチング動作に伴うノイズが前記電源ラインに伝達するのを抑制するようにしたものである。
上記のような方法によれば、電源ラインから輻射ノイズが放出されるのを抑制することができる。
図1は、本発明に係る直流電源装置を、バッテリーなどの直流電源からの電源電圧を、電源ケーブルを介して負荷に供給する電源供給システムに適用した場合の一実施形態の概略構成を示す。
図1の電源供給システムは、バッテリー10からの電源電圧を、電源ケーブル11を介して、本実施形態の直流電源装置20へ供給し、直流電源装置20は入力された電圧を負荷となる電子機器に適した電圧に変換して安定した出力電圧Voutを出力し、負荷へ電流Ioutを流す。図1において、符号Lwは電源ケーブル11の有するインダクタンス成分を、符号RLは負荷となる電子機器の等価抵抗(負荷抵抗)を表わしている。
なお、従来、同軸ケーブルはシールドケーブルでもあるため低伝導ノイズ化は不要であったが、PoCケーブルはデジタル映像などの通信信号と電源を同時に供給するため、低伝導ノイズ化が必要となる。そこで、従来はインダクタとキャパシタから成るフィルタなどで低伝導ノイズ化を実現していたが、本発明に係る直流電源装置では、PoCケーブル接続前のフィルタを不要とする。
なお、上記トランジスタM1,M2とロジック回路LGCと誤差アンプAMP1は、1個の半導体チップ上に半導体集積回路(IC)として構成されていても良い。
電圧制御電圧源回路VS1は、一対の制御端子(+),(−)と一対の出力端子とを備えており、制御端子(+),(−)間の電位差に相当する電圧を出力端子間に発生する。これにより、本実施例では、電流入力端子INの電位よりも制御端子(+),(−)間の電位差に相当する電圧分だけ低い電圧が、オペアンプAMP2の非反転入力端子に印加されることとなる。電圧制御電圧源回路VS1は、例えばオペアンプやトランジスタなどにより構成された公知の電圧制御電圧源を使用することができる。
上記のような構成により、電流安定化回路21の電流入力端子INおよび電圧制御電圧源回路VS1のプラス側制御端子(+)の電位を安定化させ、前後すなわち電流入力端子INと電流出力端子OUTとの間の電位差の低周波成分を維持させるように動作することとなる。
ここで、電流入力端子INと電流出力端子OUTとの間の電位差ΔVは、上述したように、DC−DCコンバータ22の動作に伴う高周波成分を除去し低周波成分を維持するようにされるため、DC−DCコンバータ22のスイッチング動作で激しく変動する電流出力端子OUT側の電流変化を上流側の電源ケーブル11へ伝えない一方、DC−DCコンバータ22のサーボ制御に伴う電流変化には追従して変化する電流Icを流すことができるようになる。
なお、切替え信号を生成するために、出力電流Ioutを電圧に変換する電流検出抵抗Rsが接続されている。また、負荷電流が切替え電流値付近で頻繁に切替え動作を繰り返さないようにするため、ロジック回路にはヒステリシスを持たせるようにしてもよい。上記のような構成により、負荷電流を大きくした場合にシリーズ抵抗(トランジスタQ1のエミッタ端子と電流入力端子INとの間に接続された抵抗)での電圧降下を抑制することができる。
次に、上記実施形態の直流電源装置20の変形例について説明する。
本変形例は、図8に示すように、DC−DCコンバータ22の後段に電流安定化回路21を設けるようにしたものである。
一般に、車載システム等ではPOL(Point Of Load)の考え方で、負荷の近くに電源を置くのが望ましいとされているので、DC−DCコンバータから負荷までの間に長いケーブルや配線パターンがあるシステムは少ないが、パワーマネージメントICなどを使用して電源を集約し、占有面積を最小化したいというニーズもあるので、適用するシステムによっては図8のような構成の電源装置が有効に働く場合が充分に考えられる。
また、図2の実施例においては、電圧モード制御のDC−DCコンバータに適用したものを示したが、これに限定せず、電流モード制御またはヒステリシス制御のDC−DCコンバータでも良い。
また、前記実施形態では、バッテリーから負荷へ電源電圧を供給する電源ラインとして電源ケーブルを使用したシステムについて説明したが、プリント配線基板のような基板上に形成された配線パターンを電源ラインとして負荷へ電源電圧を供給するシステムにも適用することができる。
なお、本発明の電流安定化回路21は、スイッチング動作をして激しく電流変化するもの全てに対し有効であり、例えば図9に示すようにスイッチング方式のモータードライバ(M1〜M4)へ電源を供給する電源ケーブルからの輻射ノイズの低減や、Dクラスアンプへ電源を供給する電源ケーブルからの輻射ノイズの低減にも適用することができる。
Claims (13)
- スイッチング電源装置を備え、輻射ノイズを発生するおそれのある電源ラインを介して直流電源から供給される直流入力電圧を変換して異なる電位の直流電圧を出力する直流電源装置であって、
前記スイッチング電源装置の前段または後段に、電流安定化回路が接続されていることを特徴とする直流電源装置。 - 前記電流安定化回路は、
電流入力端子と電流出力端子との間に直列に接続された抵抗素子およびトランジスタと、
前記電流出力端子に接続されたローパスフィルタと、
前記抵抗素子とトランジスタとの接続ノードの電圧と前記ローパスフィルタの出力電圧との電位差に応じて前記トランジスタを制御して負荷急変時に当該トランジスタに定電流を流す制御回路と、を備えていることを特徴とする請求項1に記載の直流電源装置。 - 前記ローパスフィルタは、前記スイッチング電源装置のスイッチング周波数成分を遮断し、前記スイッチング電源装置のサーボ制御周波数成分を通過させるように時定数が設定されていることを特徴とする請求項2に記載の直流電源装置。
- 前記制御回路は、
前記抵抗素子とトランジスタとの接続ノードの電圧を一方の入力端子の入力電圧とする演算増幅回路と、
前記電流入力端子と前記演算増幅回路の他方の入力端子との間に接続された電圧制御電圧源回路と、
前記電流入力端子の電位を安定化させるコンデンサと、を備え、
前記電圧制御電圧源回路は、
一対の制御端子を備え、前記一対の制御端子の電位差に対応する電圧を生成するように構成され、前記一対の制御端子のうち一方の端子の電位が前記コンデンサによって安定化され、前記一対の制御端子のうち他方の端子に前記ローパスフィルタの出力電圧が印加されていることを特徴とする請求項2または3に記載の直流電源装置。 - 前記電流入力端子と前記コンデンサとの間に定電圧源が接続され、
前記電圧制御電圧源回路は、前記定電圧源により持ち上げられた電圧を基準にして、前記ローパスフィルタの出力電圧に応じた電圧を前記演算増幅回路の他方の入力端子に供給するように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の直流電源装置。 - 電流入力端子と電流出力端子との間に直列に接続された抵抗素子およびトランジスタと、
前記電流出力端子に接続されたローパスフィルタと、
前記抵抗素子とトランジスタとの接続ノードの電圧と前記ローパスフィルタの出力電圧との電位差に応じて前記トランジスタを制御して負荷急変時に当該トランジスタに定電流を流す制御回路と、を備えていることを特徴とする電流安定化回路。 - 前記制御回路は、
前記抵抗素子とトランジスタとの接続ノードの電圧を一方の入力端子の入力電圧とする演算増幅回路と、
前記電流入力端子と前記演算増幅回路の他方の入力端子との間に接続された電圧制御電圧源回路と、
前記電流入力端子の電位を安定化させるコンデンサと、を備え、
前記電圧制御電圧源回路は、
一対の制御端子を備え、前記一対の制御端子の電位差に対応する電圧を生成するように構成され、前記一対の制御端子のうち一方の端子の電位が前記コンデンサによって安定化され、前記一対の制御端子のうち他方の端子に前記ローパスフィルタの出力電圧が印加されていることを特徴とする請求項6に記載の電流安定化回路。 - 前記電流入力端子と前記コンデンサとの間に定電圧源が接続され、
前記電圧制御電圧源回路は、前記定電圧源により持ち上げられた電圧を基準にして、前記ローパスフィルタの出力電圧に応じた電圧を前記演算増幅回路の他方の入力端子に供給するように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の電流安定化回路。 - 抵抗調整用抵抗と前記抵抗調整用抵抗と直列に接続された切替え素子から成る抵抗調整器を複数有し、
前記抵抗調整器を前記抵抗素子と並列に接続するための前記切替え素子を切り替える切替え手段を有し、
出力電流の大きさに応じて前記抵抗調整器の並列接続数を切替え可能に構成されていることを特徴とする請求項8に記載の電流安定化回路。 - スイッチング電源装置を備え、輻射ノイズを発生するおそれのある電源ラインを介して直流電源から供給される直流入力電圧を変換して異なる電位の直流電圧を出力する直流電源装置であって、
前記スイッチング電源装置の前段または後段に、請求項6〜9のいずれかに記載の電流安定化回路を複数有し、前記複数の電流安定化回路の接続を切り替える切替え手段と、前記切替え手段の切替え信号を生成するロジック回路とを備え、出力電流の大きさに応じて前記電流安定化回路の並列接続数を切替え可能に構成されていることを特徴とする直流電源装置。 - 前記スイッチング電源装置の出力端子には出力電流を電圧に変換する電流センス抵抗が接続され、
前記ロジック回路は前記電流センス抵抗の電圧に応じて前記切替え手段の切替え信号を生成することを特徴とする請求項10に記載の直流電源装置。 - 前記ロジック回路は、切替え電流値にちょうど合致した負荷電流の時に頻繁に切替えを繰り返さないよう、ロジック回路はヒステリシスを有していることを特徴とする請求項11に記載の直流電源装置。
- スイッチング電源装置を備え、輻射ノイズを発生するおそれのある電源ラインを介して直流電源から供給される直流入力電圧を変換して異なる電位の直流電圧を負荷へ供給する直流電源供給システムにおける前記電源ラインより放出される輻射ノイズを抑制するノイズ抑制方法であって、
前記電源ラインを介して前記スイッチング電源装置に流れる電流を電流安定化回路で制限することによって、前記スイッチング電源装置のスイッチング動作に伴うノイズが前記電源ラインに伝達するのを抑制することを特徴とする電源ラインのノイズ抑制方法。
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