JP3149382U

JP3149382U - デジタル式電源制御装置

Info

Publication number: JP3149382U
Application number: JP2009000080U
Authority: JP
Inventors: 達億劉
Original assignee: 達億劉
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2019-01-09

Abstract

【課題】特に安定電流を調節及び出力するデジタル式電源制御装置を提供する。【解決手段】フィードバック電圧値コードユニット６は、抵抗アレイ６１、スイッチアレイ６２、抵抗器６３、第一比較器６４、及び第二比較器６５を最低備える。前記フィードバック電圧値コードユニット６は電源出力端が検知したフィードバック電圧と予め設定したリファレンス電圧とを比較処理した後、比較信号を出力する。変調制御サイクル制御ユニット７は前記比較信号に基づいて制御信号を算出し、前記デジタル式ＰＷＭ出力モジュール８は前記制御信号に基づき電源交換ユニットが必要デューティサイクルのアナログパルス列を出力するようにコントロールし、これにより電源出力端からは必要固定電圧が安定的に出力されて電気製品を作動させる。【選択図】図２

Description

本考案はデジタル式電源制御装置に関するもので、特に安定電流を調節及び出力するデジタル式電源制御装置に係る。

一般的に電気製品を正常作動させる為には電気製品の作動時間において安定且つ適当な電源供給を行わなければならず、適当な電流及び電圧値を備える電源供給によって電気製品を保護し使用寿命を延長させエネルギー節約効果を達成することが可能となる。前述目的の為、電源と電気製品の電力入力端の間には電源制御器を配置して電気製品を作動させる為の適当な電力を電源が出力できるようコントロールしている。

図４に示したのは、公知のパルス幅変調（pulse width modulation, PWM）制御器構造の電源制御装置である。それは主に電圧調節ユニットを備えており、それにより電源切替器の出力効率を制御して電力出力を調節する目的を達成するものであり、前記電圧調節ユニットは予め設定した固定電圧値のリファレンス電圧を備え、一般には電圧値は0.5〜20Ｖの範囲である。電圧調節ユニットは更に比較器を備え、それは前記リファレンス電圧及び検知回路の出力端に接続する。比較器は、リファレンス電圧源の提供するリファレンス電圧（Vref）と、検知回路の提供するフィードバック電圧（Vfb）間の差異を検知するのに用い、並びに電圧エラー（Error Voltage）の信号（Verr）の発生によりリファレンス電圧（Vref）とフィードバック電圧（Vfb）のどちらの信号値が大きいかを示す。電圧エラー信号（Verr）はＰＷＭ制御器に接続される。これによりリファレンス電圧（Vref）とフィードバック電圧（Vfb）の大きさを比較して、比較器は電圧エラー値（Verr）を増加出力もしくは減少出力する。ＰＷＭ制御器を駆動することにより電源切替器の電源出力端の電力の大きさを調節する。これにより適当な電力に調節されて電気製品に供給してそれを作動させる。しかしながら前記公知の電源制御装置は検知回路上の検知抵抗抵抗値の誤差、リファレンス電圧の誤差、及びライン損失等の要因故に電力出力を正確にコントロールすることができず通常の最高正確度は概ね2％〜2.5％に達するだけであり、それを異なる出力電圧に配置した場合には希望に符合させる為に関連部品の設置変更を行わなければならなく、応用上において諸々の困難を伴う。また、電力出力の正確性を改善する為に電源制御装置を既にデジタル式電源制御ユニットに変更しているものもある。例えば米国特許第US6,995,995号において『セグメントスイッチ調節を備えてDC/DC変換器を調節するデジタル回路』（Digital loop for regulating DC/DC converter with segmented switching）を開示しており、その検知回路のフィードバック信号は必ずアナログ／デジタル変換器によって信号変換処理が施されなければならず、アナログ信号をデジタルの数値信号に変えた後、演算回路によって制御数値が算出され、制御数値信号によって複数のモスフェット（MOSFET）より構成される一組のスイッチアレイをコントロールし、これにより出力電力をコントロールする。しかし、アナログ／デジタル変換器及びMOS-FETスイッチアレイ等の装置は高価格であり、この種の電源制御装置の克服し難い問題となっている。

本考案の主要な目的は、出力電圧差異をメモリ中の設計により変化でき、公知の電源制御装置のように外部の電気回路及び部品を変更する必要なく応用上の便利性を高めるデジタル式電源制御装置の提供にある。
本考案の次の目的は、デジタル制御のＰＷＭ制御器を使って必要なデューティサイクル（Duty Cycle）を正確に出力して設定した出力電圧を達成するデジタル式電源制御装置を提供することにあり、出力誤差を0.5％以下に簡単に抑える故、出力電圧の正確なコントロールという目的を達成する。
本考案のもう一つの目的は、製品識別、操作記録、及び後の追跡を全てメモリに記録データとして保存し、後の管理及びエラー除去を便利にするデジタル式電源制御装置の提供にある。

前記の考案目的を達成する為に、本考案のデジタル式電源制御装置は、直流電源入力端、直流電気をアナログパルス列に変換する電源交換ユニット、アナログパルス列を直流電気に変換して出力する整流ユニット、電子負荷に連結する電源出力端、電源出力端に連結しフィードバック電圧信号を出力するフィードバック電圧検知ユニット、前記フィードバック電圧と予め設定したリファレンス電圧とを比較処理した後に比較信号を出力するフィードバック電圧値コードユニット、前記比較信号に基づいて計算処理をして制御信号を出力する変調制御サイクル制御ユニット、及び前記制御信号に基づき電源交換ユニットを調節コントロールして必要なデューティサイクル（Duty Cycle）のアナログパルス列を出力するデジタル式ＰＷＭ出力モジュールにより構成される。前記電源交換ユニットの出力するアナログパルス列のデューティサイクル（Duty Cycle）が正確にコントロールされることにより必要電圧を正確に出力する目的を達成する。

本考案における前記フィードバック電圧値コードユニットの抵抗アレイは複数の抵抗列により組成され、しかも抵抗の抵抗値は予め設定した抵抗値範囲内に等比例の徐々に減少する順序で設置される。スイッチアレイは前記抵抗アレイの抵抗装置数量に対応する複数のスイッチを備え、並びに各スイッチはそれぞれ各前記抵抗と並列設置する。抵抗器の一端は抵抗アレイとスイッチアレイの連結回路の出力端に連結し、もう一端をアースに接続する。第一比較器の二つの入力端はそれぞれハイレベルリファレンス電圧及び抵抗アレイ、スイッチアレイの連結回路と抵抗器間のノードに連結し、その信号出力端は前記変調制御サイクル制御ユニットに接続する。第二比較器の二つの入力端はそれぞれローレベルリファレンス電圧及び抵抗アレイ、スイッチアレイが接続する回路と抵抗器間のノードに連結し、その信号出力端は前記変調制御サイクル制御ユニットに接続する。その内、抵抗アレイの予め設定する抵抗値範囲は4,000〜5 ohm間で、しかもスイッチアレイのスイッチはモスフェット（MOSFET）であることが理想であり、特に第一比較器のハイレベルリファレンス電圧値は予め設定するリファレンス電圧の約101％電圧値であり、第二比較器のローレベルリファレンス電圧値は予め設定するリファレンス電圧の約99％電圧値である。

本考案のデジタル式電源制御装置は更にメモリユニットを備え、それはフィードバック電圧検知ユニットを含むフィードバック電圧信号、フィードバック電圧値コードユニットの比較信号、及び変調制御サイクル制御ユニットの制御信号の数値データを記録保存する。

本考案のデジタル式電源制御装置は、デジタル式ＰＷＭ出力モジュール８が電源交換ユニット２の出力するアナログパルス列に必要なデューティサイクル（Duty Cycle）を正確にコントロールして設定する電圧を出力する目的を達成し、これにより出力電圧の正確性を大幅に向上させて誤差範囲を0.5％以内に抑えることを可能にする。また、本考案は出力電圧値の変調を簡単にし、メモリ中に保存記録する制御信号値を変更調節するだけでその他の回路ユニットに対して設計変更を行わずに出力希望の電圧値を達成でき、よって別に設計する場合のコストを追加する必要なく製造技術上の困難度を低下することが可能となる。また、本考案はメモリ中に保存する操作記録、製品識別データを利用して、後の管理、エラー除去、及び後続する追跡等の作業を便利にするものであることを特徴とする。

本考案の実施例に関する機能ブロック図である。本考案の実施例に関するフィードバック電圧値コードユニットの回路図である。本考案の実施例に関する比較器の入力及び出力波形図である。公知のデジタル式電源制御装置の機能ブロック図である。

図１に、本考案の実施例に関する機能ブロック図を示す。デジタル式電源制御装置は電源入力端１、電源交換ユニット２、整流ユニット３、電源出力端４、フィードバック電圧検知ユニット５、フィードバック電圧値コードユニット６、変調制御サイクル制御ユニット７、デジタル式ＰＷＭ出力モジュール８、及びメモリユニット９により構成される。
前記電源入力端１は直流入力電力を提供し、前記電源交換ユニット２は直流電気をアナログパルス列（analog pulse train）に変換し、前記整流ユニット３はアナログパルス列を直流出力電力に変換し、前記電源出力端４は電子負荷に連結して出力電力を電気製品に送り作動させる。前記フィードバック電圧検知ユニット５は前記電源出力端４の一ノードに接続し、並びにフィードバック電圧（Vfb）を出力する。前記フィードバック電圧値コードユニット６は抵抗アレイ、スイッチアレイ、及び二つ若しくは二つ以上の比較器等の装置により組成され、前記フィードバック電圧と予め設定したリファレンス電圧とを比較処理した後、比較信号を出力する。前記変調制御サイクル制御ユニット７は若干のバッファ、加算器、除算器、タイマー、及び若干のロジックゲートを備え、前記フィードバック電圧値コードユニット６の比較信号に基づいて制御信号を算出する。前記デジタル式ＰＷＭ出力モジュール８はデジタル制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御器であり、前記変調制御サイクル制御ユニット７の制御信号に基づき電源交換ユニット２の出力するデューティサイクルを調節制御し、これにより電源出力端４からは適当な電力が出力され電気製品に提供して作動させる。前記メモリユニット９は、フィードバック電圧検知ユニット５を含むフィードバック電圧信号、フィードバック電圧値コードユニット６の比較信号、及び変調制御サイクル制御ユニット７の制御信号等の数値データを記録保存する。

デジタル式電源制御装置の作動時は、電源入力端１から入力された直流電気は電源交換ユニット２でアナログパルス列形態によって整流ユニット３に送られ、その後電源出力端４から直流電気として出力されて電気製品を作動する。同時に前記電源出力端４の一部出力はフィードバック電圧検知ユニット５に出力され、フィードバック電圧検知ユニット５はフィードバック電圧（Vfb）をフィードバック電圧値コードユニット６に連結させるものである。前記フィードバック電圧値コードユニット６は前記フィードバック電圧（Vfb）と予め設定するハイレベルリファレンス電圧（Vref+）及びローレベルリファレンス電圧（Vref-）を比較処理した後に複数の比較信号サンプルを変調制御サイクル制御ユニット７に出力する。前記サンプル信号は変調制御サイクル制御ユニット７を経て要求に符合する制御信号として算出され、並びに前記制御信号はデジタル式ＰＷＭ出力モジュール８に出力される。前記デジタル式ＰＷＭ出力モジュール８はこれにより電源交換ユニット２をコントロールして適当な安定電圧を電気製品作動の為に出力させる。更に、電源出力端４に接続する電子負荷が変化した時、前記説明の動作を触発し更に新しい安定電圧を獲得する。また、メモリユニット９はフィードバック電圧値、各比較信号サンプル、及び制御信号等の操作記録データを記録保存し、その後の管理、エラー除去、及び後の追跡等の作業を便利にする。

図２には本考案のフィードバック電圧値コードユニット６の回路設置の実施例を示す。フィードバック電圧値コードユニット６は抵抗アレイ６１、スイッチアレイ６２、抵抗器６３、第一比較器６４、及び第二比較器６５を最低備える。前記抵抗アレイ６１は複数の抵抗Ｒ１、Ｒ２……Ｒｎ列により組成され、抵抗値は抵抗Ｒ１の概ね4k ohmから抵抗Ｒｎの概ね5 ohmまで比例減少する。スイッチアレイ６２は多数のモスフェット（MOSFET）スイッチＳ１、Ｓ２……Ｓｎを含み、スイッチアレイ６２に設置したスイッチ装置数量ｎは抵抗アレイ６１に設置した抵抗装置数量ｎは対応して等しくなる。並びに、スイッチＳ１と抵抗Ｒ１を並列設置し、スイッチＳ２と抵抗Ｒ２を並列設置し、……スイッチＳｎと抵抗Ｒｎを並列設置する。前記抵抗器６３の一端は抵抗アレイ６１とスイッチアレイ６２の連結回路の出力端に接続し、もう一端をアースに接続する。第一比較器６４はハイレベルリファレンス電圧（Vref+）、及び抵抗アレイ６１、スイッチアレイ６２の連結回路と抵抗器６３間のノードＰに接続する。ハイレベルリファレンス電圧（Vref+）は予め設定するリファレンス電圧の約101％電圧値を備えており、第一比較器６４はハイレベルリファレンス電圧（Vref+）とノードＰの提供する検知電圧（Vfb-s）間の差異を検知し、第一比較器６４は第一電圧エラー信号（Verr-1）を生成してハイレベルリファレンス電圧（Vref+）と検知電圧（Vfb-s）のどちらが大きいかを示し、第一電圧エラー信号（Verr-1）は変調制御サイクル制御ユニット７に連結する。第二比較器６５はローレベルリファレンス電圧（Vref-）、及び抵抗アレイ６１、スイッチアレイ６２の連結回路と抵抗器６３間のノードＰに連結し、ローレベルリファレンス電圧（Vref-）は予め設定するリファレンス電圧の約99％電圧値を備えており、第二比較器６５はローレベルリファレンス電圧（Vref-）とノードＰの提供する検知電圧（Vfb-s）間の差異を検知し、第二比較器６５は第二電圧エラー信号（Verr-2）を生成してローレベルリファレンス電圧（Vref-）と検知電圧（Vfb-s）のどちらが大きいかを示し、第二電圧エラー信号（Verr-2）は変調制御サイクル制御ユニット７に連結する。作動において、前記フィードバック電圧検知ユニット５のフィードバック電圧（Vfb）は抵抗アレイ６１とスイッチアレイ６２の連結回路に進入する入力端に連結された後、第一比較器６４と第二比較器６５から第一電圧エラー信号（Verr-1）、第二電圧エラー信号（Verr-2）を変調制御サイクル制御ユニット７に出力する。

更に、図３にフィードバック電圧値コードユニット６の比較器に関する入力及び出力波形図を示す。その内の上段の波形はフィードバック電圧検知ユニット５のフィードバック電圧（Vfb）の電圧波形であり、中間は第一比較器６４の出力した第一電圧エラー信号（Verr-1）の波形で、下段は第一比較器６４の出力した第二電圧エラー信号（Verr-2）の波形である。

作動開始の初期において変調制御サイクル制御ユニット７の出力するＰＷＭデューティ値（PWM Duty）を１％から徐々に大きくしていき、後方端の回路を経て生成されるフィードバック信号（Vfb）の電圧波形は徐々に上昇していく（図３の上段の波形参照）。電圧が一旦設定したハイレベルリファレンス電圧（Vref+）を超えると、予め設定したリファレンス電圧の101％電圧値は信号１を生じさせ（図３中間の波形）、変調制御サイクル制御ユニット７は出力するＰＷＭデューティ値（PWM Duty）を減少させ電源交換ユニット２の出力するアナログパルス列のデューティサイクル（Duty Cycle）を低下させて電源出力端４の電力供給電圧を低くする。更に、一旦設定したハイレベルリファレンス電圧（Vref+）を下回ると、信号２が生じ（図３中間の波形参照）、同時にメモリユニット９はこの時のＰＷＭデューティ値（PWM Duty）を記録保存する。その後、持続的に下降した電圧値は一旦設定したローレベルリファレンス電圧（Vref-）を下回ると、予め設定したリファレンス電圧の99％電圧値が信号３を生じさせて（図３下段の波形）変調制御サイクル制御ユニット７を作動し出力するＰＷＭデューティ値（PWM Duty）を増加させ、電源交換ユニット２の出力するアナログパルス列のデューティサイクル（Duty Cycle）が増加して電源出力端４の電力供給電圧を高くする。また、徐々に増加する電圧値が一旦設定したローレベルリファレンス電圧（Vref-）より大きくなると信号４が生じ（図３下段の波形参照）、同時にこの時のＰＷＭデューティ値（PWM Duty）を記録保存する。同様の作動モードにより、信号５、信号６、信号７、及び信号８が得られる。前記の信号１、信号３、信号５、信号７は電圧逆転信号であり、信号２、信号４、信号６、信号８はこの時のＰＷＭデューティ値（PWM Duty）を記録する信号である。前記サンプル回数が我々の予め設定した要求に符合する時、変調制御サイクル制御ユニット７の加算及び除算回路によって要求に符合するＰＷＭデューティ値が算出され、制御信号をデジタル式ＰＷＭ出力モジュール８に出力し、電源交換ユニット２が出力する適当なデューティサイクルのアナログパルス列をコントロールすることにより、電源出力端４は電気製品作動に使用する必要固定電圧を安定的に出力することが可能となる。また、前記の作動において電源出力端４に連結する電子負荷を変更すると再び前記動作によって新しい安定電圧が獲得される。

前述から理解できる通り、本考案はデジタル式ＰＷＭ出力モジュール８が電源交換ユニット２の出力するアナログパルス列に必要なデューティサイクル（Duty Cycle）を正確にコントロールして設定する電圧を出力する目的を達成し、これにより出力電圧の正確性を大幅に向上させて誤差範囲を0.5％以内に簡単に抑えることを可能にする。また、本考案は出力電圧値の変調を極めて簡単にし、メモリ中に保存記録する制御信号値を変更調節するだけでその他の回路ユニットに対して設計変更を行わずに出力希望の電圧値を達成でき、よって別に設計する場合のコストを追加する必要なく製造技術上の困難度を低下することが可能となる。また、本考案はメモリ中に保存する操作記録、製品識別データを利用して、後の管理、エラー除去、及び後の追跡等の作業を便利にするものである。

１電源入力端
２電源交換ユニット
３整流ユニット
４電源出力端
５フィードバック電圧検知ユニット
６フィードバック電圧値コードユニット
６１抵抗アレイ
６２スイッチアレイ
６３抵抗器
６４第一比較器
６５第二比較器
７変調制御サイクル制御ユニット
８デジタル式ＰＷＭ出力モジュール
９メモリユニット
Ｐノード
Ｓｎスイッチ
Ｒｎ抵抗

Claims

直流電気を入力する電源入力端と、
直流電気をアナログパルス列に変換する電源交換ユニットと、
アナログパルス列の入力を直流電気出力に変換する整流ユニットと、
直流電気出力を電子負荷に連結する電源出力端と、
一端を前記電源出力端のノードに接続し、しかもフィードバック電圧を出力するフィードバック電圧検知ユニットと、
前記フィードバック電圧と予め設定したリファレンス電圧とを比較処理した後に比較信号を出力するフィードバック電圧値コードユニットと、
前記比較信号に基づいて制御信号を算出し出力する変調制御サイクル制御ユニットと、前記制御信号に基づき電源交換ユニットが必要デューティサイクルのアナログパルス列を出力するようにコントロールするデジタル式ＰＷＭ出力モジュールとを備えることを特徴とするデジタル式電源制御装置。
請求項１記載のデジタル式電源制御装置において、前記フィードバック電圧値コードユニットは、
一シリーズの抵抗Ｒ１、Ｒ２……Ｒｎ列により組成され、それらの抵抗Ｒ１、Ｒ２……Ｒｎは予め設定した抵抗値範囲内において比例減少の順序に基づいて設置される抵抗アレイと、
複数のスイッチＳ１、Ｓ２……Ｓｎを備え、スイッチの設置数量は前記抵抗アレイの抵抗装置数量に対応し、並びに各スイッチはそれぞれ各抵抗に並列設置されるスイッチアレイと、
一端は抵抗アレイとスイッチアレイの連結回路の出力端に連結し、もう一端はアースに接続する抵抗器と、
二つの入力端はそれぞれハイレベルリファレンス電圧、及び抵抗アレイ、スイッチアレイの連結回路と抵抗器間のノードに連結し、信号出力端を変調制御サイクル制御ユニットに連結する第一比較器と、
二つの入力端はそれぞれローレベルリファレンス電圧、及び抵抗アレイ、スイッチアレイの連結回路と抵抗器間のノードに連結し、信号出力端を変調制御サイクル制御ユニットに連結する第二比較器とを備えることを特徴とするデジタル式電源制御装置。
請求項２記載のデジタル式電源制御装置において、前記抵抗値範囲は4k〜10 ohm間であることを特徴とするデジタル式電源制御装置。
請求項２記載のデジタル式電源制御装置において、前記スイッチはモスフェットであることを特徴とするデジタル式電源制御装置。
請求項２記載のデジタル式電源制御装置において、前記ハイレベルリファレンス電圧は予め設定して基準となるリファレンス電圧の約101％電圧値であることを特徴とするデジタル式電源制御装置。
請求項２記載のデジタル式電源制御装置において、前記ローレベルリファレンス電圧は予め設定して基準となるリファレンス電圧の約99％電圧値であることを特徴とするデジタル式電源制御装置。
請求項１記載のデジタル式電源制御装置において、前記デジタル式電源制御装置は更にメモリユニットを備え、メモリユニットは少なくとも、フィードバック電圧値コードユニットの比較信号及び変調制御サイクル制御ユニットの制御信号の数値データを記録保存することを特徴とするデジタル式電源制御装置。