JP3747036B2

JP3747036B2 - スイッチング定電流電源装置

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Publication number: JP3747036B2
Application number: JP2003123247A
Authority: JP
Inventors: 徹志大竹
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP2004328949A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断続が繰り返される負荷に安定した電流を供給するためのスイッチング式定電流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にスイッチング方式の電源装置は負荷に安定した電圧を供給する電圧源として使用されることが多い。しかし、図６に示すように接続構成し、帰還信号を出力電流に応じたものにすることで、負荷にほぼ一定の電流を供給する電流源として使用することも可能である。
図６において、１は外部のバッテリー等から電力の供給を受けるための入力端子であり、２ａ、２ｂは、その間に接続された負荷６に所定の電流を安定供給するための出力端子である。入力端子１と一方の出力端子２ａとの間にはチョークコイルＬ１、スイッチングトランジスタＱ１、整流ダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１が昇圧チョッパコンバータを形成するように接続構成された電力変換回路３が接続されている。
【０００３】
他方の出力端子２ｂと回路の基準電位点としてのグランドとの間には、負荷６に流れる電流（以下、負荷電流という）を検出し、当該負荷電流に応じた帰還信号を発生するための検出回路５が接続されている。そして、電力変換回路３と検出回路５の間には、検出回路５から帰還信号の供給を受け、帰還信号のレベルに応じて電力変換回路３を駆動するための制御回路４が接続されている。（ここでは、制御回路４としてごく一般的な他励ＰＷＭ制御方式の制御用ＩＣを想定）
これら電力変換回路３、制御回路４および検出回路５により、スイッチング定電流電源装置が構成されている。なお、入力端子１とグランドとの間に接続された素子Ｃ０は入力フィルタ用コンデンサである。
【０００４】
この図６のスイッチング定電流電源装置の動作を簡単に解説すると、電力変換回路３内のスイッチングトランジスタＱ１は、制御回路４の端子ピンＯＵＴから供給される信号に従ってオン、オフ動作を行う。このスイッチングトランジスタＱ１のオン、オフ動作に伴ってチョークコイルＬ１から整流ダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ１に電流が流入する。これにより平滑コンデンサＣ１は入力端子１に供給される入力電圧よりも高い電圧に充電され、このコンデンサＣ１の端子間電圧に応じた電流が負荷６および検出回路５に流れる。そして、検出回路５において負荷電流に応じた帰還信号が生成され、制御回路４の帰還信号受信用の端子ピンＦＢに供給される。
【０００５】
検出回路５から制御回路４に提供される帰還信号は通常のスイッチング電源装置のような出力電圧に応じたレベルではなく、出力電流（＝負荷電流）に応じたレベルとなっている。このため制御回路４は、その内部の誤差増幅器ＥＡ１、基準電圧源ＶＲおよび駆動回路ＤＲからなる制御ロジックにおいて、帰還信号（＝負荷電流）に応じたオンデューティで高周波（数百ｋＨｚ）のパルス状の信号を生成し、それを端子ピンＯＵＴに連なるスイッチングトランジスタＱ１に供給する。するとスイッチングトランジスタＱ１は、当該パルス状の信号によって負荷電流の大きさに応じたオンデューティにてオン、オフ動作を行い、例えば、負荷電流が安定化目標値よりも低い場合、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧を上昇させて負荷電流が増加するように誘導する。このような動作が行われる結果、図６の装置では負荷電流が安定化されることになる。
【０００６】
ところで、近年の電子機器には大小様々な表示装置や照明装置が取り付けられており、その表示装置や照明装置の光源として発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）が使用されるケースが増えている。ＬＥＤを光源として利用する場合、その発光量や輝度等を一定にするために、ＬＥＤへの供給電流を安定化することが要求される。そこで近年の電子機器の中には、表示装置や照明装置に付随して図６に示すようなスイッチング定電流電源装置を設け、当該電源装置からＬＥＤに安定化した電流を供給するように構成するものが存在した。（特許文献１乃至特許文献３参照）
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−０６８１６１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１５９１３号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０３９８８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年のＬＥＤを光源として使用する表示装置や照明装置の中には、人間の目では認識できない速度（数百Ｈｚかそれ以上）でＬＥＤの点灯と消灯を繰り返し、省電力化や調光を行うようにしたものが存在する。このような表示装置や照明装置では、ＬＥＤに電流が流れている期間（以下、電流流通期間と言う）と流れていない期間（以下、電流遮断期間と言う）が当然に生じる。すると、ＬＥＤへ電流を供給するための電源が図６に示すような構成となっているスイッチング定電流電源装置では、負荷の断続によって生じる電流遮断期間には、検出回路５から制御回路４に供給される帰還信号がほぼゼロレベルとなってしまう。
【０００９】
このような帰還信号に対して制御回路４は、電流遮断期間にはスイッチングトランジスタＱ１のオンオフ動作のオンデューティを最大に設定しようとし、その次に現れる電流流通期間には帰還信号に応じたオンデューティに設定しようとする。ここで、電流遮断期間中にオンデューティが最大になると、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が急激かつ必要以上に上昇し、次の負荷電流流通期間には、比較的長い間、安定化目標値以上の負荷電流が流れるという不都合な負荷電流不安定化の現象を生じる。
【００１０】
このような負荷電流不安定化への対策の一つとしては、例えば、その帰還信号を比較的大きな容量を持つコンデンサで平滑した上で制御回路４に供給することが考えられる。しかし、電流遮断期間の間、帰還信号を有意な大きさに維持できるだけの大容量のコンデンサを設けると、制御回路４で処理される帰還信号は比較的長い期間の平均値となってしまう。このため非周期的な負荷の断続、あるいは断続とは別の原因による負荷電流の変動が生じた時には、速やかに安定化目標値から外れた負荷電流を目標値に復帰させることが出来なくなり、その結果、電流遮断期間とは別の原因で負荷電流の不安定化が引き起こされてしまう。
【００１１】
このように、負荷が断続される条件下では、制御回路４からスイッチングトランジスタＱ１、平滑コンデンサＣ１、負荷６、検出回路５を経て再び制御回路４に戻るフィードバックループの制御動作の応答速度が負荷の変化に追従できず、負荷電流を安定化できなくなる可能性があった。
そこで本発明は、負荷が断続を繰返す条件下においても負荷電流を安定化することのできるスイッチング定電流電源装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、負荷に所定の電流を供給するスイッチング方式の電力変換回路、負荷電流に応じた第１の帰還信号を発生する電流検出手段、基準電圧を得るための基準電圧源および、基準電圧と帰還信号に応じて負荷電流を安定化するように電力変換回路を駆動する制御回路を備えたスイッチング定電流電源装置において、電流検出手段と制御回路との間に設けられ、その内部には信号レベルが一定の第２の帰還信号を生成する固定信号発生回路を有し、負荷状態に応じて該第１の帰還信号と該第２の帰還信号のいずれか一方を該制御回路に供給する帰還回路を備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
負荷電流に応じた帰還信号を発生する検出回路と、負荷に電流を供給するための電力変換回路を駆動する制御回路との間に、その内部に信号レベルが一定の第２の帰還信号を生成する固定信号発生を備え、負荷電流が流れている場合には電流検出手段が出力する第１の帰還信号を制御回路に供給し、負荷電流が流れていない場合には固定信号発生回路が出力する第２の帰還信号を制御回路に供給する帰還回路を設ける。なお、固定信号発生回路で生じる第２の帰還信号の信号レベル（電圧）は、制御回路内部の基準電圧源が出力する基準電圧とほぼ同じ、あるいは基準電圧よりも大きいものとする。
【００１４】
このような帰還回路を組み込んだスイッチング定電流電源装置は、負荷電流が流れている時、帰還回路が第１の帰還信号を制御回路に供給することにより、従来回路と同様に負荷電流を安定化するように動作する。
一方、負荷電流が流れていない時、このような帰還回路を組み込んだスイッチング定電流電源装置は、帰還回路が第２の帰還信号を制御回路に供給することにより、スイッチングトランジスタのオンオフ動作のオンデューティを所定の大きさに固定する。これにより負荷が断続されても、平滑コンデンサの端子間電圧が必要以上に上昇し、あるいはスイッチング定電流電源装置の電流制御動作がフィードバックループの応答速度の都合で負荷の変化に追従できなくなり、負荷電流を安定化できなくなるという現象の発生を防止する。
【００１５】
【実施例】
本発明によるスイッチング定電流電源装置の実施例を図１に示した。
図１にブロック図で示したスイッチング定電流電源装置は、制御回路４と検出回路５の間に帰還回路７を設けた点を除けば図６に示した従来の回路と同じである。この図１の帰還回路７は、大きく分けて第２の帰還信号を生成するための固定信号発生回路８と、検出回路５が出力する第１の帰還信号と先の第２の帰還信号のいずれかを制御回路４に供給するための選択手段９から成っている。ここで選択手段９は、負荷６の動作（換言すると、ＬＥＤの点灯と消灯の動作）に連動して切り替え動作するものとなっている。
【００１６】
帰還回路７は、一例として図２のブロック図に示すように構成される。
図２において、固定信号発生回路８は出力電圧値がほぼ一定の電圧源ＶＣより構成される。一方、選択手段９は、検出回路５と制御回路４の間に設けられた第１のバッファＢＵ１と、固定信号発生回路８と制御回路４の間に直列に設けられた第２のバッファＢＵ２とスイッチＳＷとから構成される。
【００１７】
このような構成とした帰還回路７は、例えば、負荷６に負荷電流が流れ、検出回路５から出力される第１の帰還信号のレベルが高い時、選択手段９のスイッチＳＷはオフ状態になり、バッファＢＵ１から制御回路４に第１の帰還信号を供給する。一方、負荷６に負荷電流が流れず、検出回路５からの第１の帰還信号のレベルがほぼゼロレベルである時、スイッチＳＷはオン状態に転換し、バッファＢＵ２から固定信号発生回路８が生成する第２の帰還信号を制御回路４に供給するといった動作を行う。
【００１８】
このような帰還回路７を備えた図１のスイッチング定電流電源装置では、負荷電流が流れている時、制御回路４には検出回路５からの第１の帰還信号が選択的に供給される。この状態での図１に示す構成の装置は、従来回路と全く同じ動作をして負荷電流を安定化する。
一方、負荷電流が流れていない時、制御回路４には固定信号発生回路８からの第２の帰還信号が選択的に供給される。この第２の帰還信号の供給を受けた制御回路４は、スイッチングトランジスタＱ１のオンオフ動作のオンデューティを所定の大きさに固定する。
【００１９】
スイッチングトランジスタＱ１のオンデューティが固定されると、電流遮断期間における平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の上昇が抑制される。このため、次の電流流通期間に安定化目標値以上の負荷電流が流れるという不都合な現象が発生し難くなる。また、電流遮断期間でのスイッチングトランジスタＱ１のオンデューティを、実際に負荷６に安定化目標値の電流を供給している時とほぼ同じにすると、負荷電流が流れない状態から流れる状態になった時、第１の帰還信号に応じて素早くフィードバックループの制御動作が働くようになる。
このような動作の結果、負荷が断続を繰返す場合にも負荷電流を安定化できるようになる。
【００２０】
図３には、具体的な本発明によるスイッチング定電流電源装置の回路例を示した。この図３の回路では本発明の要部である帰還回路７を次のように構成している。
誤差増幅器ＥＡ２の非反転側入力端子（＋）を検出回路５に接続し、その反転側入力端子（−）を抵抗Ｒ１を介してグランドに接続する。誤差増幅器ＥＡ２の出力端子と反転側入力端子（−）の間に抵抗Ｒ２を接続し、誤差増幅器ＥＡ２の出力端子をさらに誤差増幅器ＥＡ３の非反転側入力端子（＋）に接続する。
誤差増幅器ＥＡ３の出力端子は逆流防止用のダイオードＤ２を介して制御回路４の帰還信号入力用の端子ピンＦＢに接続し、誤差増幅器ＥＡ３の反転側入力端子（−）はダイオードＤ２と端子ピンＦＢの接続点に接続する。
【００２１】
誤差増幅器ＥＡ３の出力端子とグランドの間に抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の直列回路を接続し、抵抗Ｒ３とＲ４の接続点をトランジスタＱ２のベースに接続する。トランジスタＱ２ののエミッタはグランドに接続し、トランジスタＱ２のコレクタとグランドの間には抵抗Ｒ５と電圧源ＶＣを接続する。
トランジスタＱ２のコレクタは更に誤差増幅器ＥＡ４の非反転側入力端子（＋）に接続し、誤差増幅器ＥＡ４の出力端子はダイオードＤ３を介して制御回路４の端子ピンＦＢに接続し、反転側入力端子（−）はダイオードＤ３と端子ピンＦＢの接続点に接続する。
【００２２】
この図３のスイッチング定電流電源装置において、帰還回路７を構成する誤差増幅器ＥＡ３とダイオードＤ２からなる回路部分が実質的に図２のバッファＢＵ１に相当し、誤差増幅器ＥＡ４とダイオードＤ３からなる回路部分が実質的に図２のバッファＢＵ２に相当する。また、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５およびトランジスタＱ２からなる回路部分が機能的に図２のスイッチＳＷに相当している。
なお、誤差増幅器ＥＡ２、抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２からなる回路部分は、検出回路５から提供される第１の帰還信号を制御回路４内部の制御ロジックで処理することが可能なレベルに増幅・調整するためのものであり、図３の回路では帰還回路７内に構成しているが、場合によっては検出回路５の内部に構成される。
【００２３】
このような構成となっている図３の回路では、先ず、負荷電流が流れている状態の場合、検出回路５が出力する第１の帰還信号は負荷電流に応じたレベルとなる。この第１の帰還信号は誤差増幅器ＥＡ２において増幅され、誤差増幅器ＥＡ３およびトランジスタＱ２に供給される。
この時、トランジスタＱ２はオンし、誤差増幅器ＥＡ４の非反転側入力端子（＋）をグランドに落とす。これにより誤差増幅器ＥＡ４の出力はゼロレベルとなり、制御回路４の端子ピンＦＢには、選択的に誤差増幅器ＥＡ３が出力する第１の帰還信号が供給される。その結果、制御回路４は、負荷電流を安定化目標値に設定すべく、当該負荷電流に応じたオンデューティにてスイッチングトランジスタＱ１を駆動することになる。
【００２４】
次に、負荷電流が流れていない状態となった場合、検出回路５が出力する第１の帰還信号はほぼゼロレベルとなり、誤差増幅器ＥＡ２を介して誤差増幅器ＥＡ３およびトランジスタＱ２に供給される信号レベルもほぼゼロレベルとなる。
この時、トランジスタＱ２はオフし、誤差増幅器ＥＡ４の非反転側入力端子（＋）には電圧源ＶＣからの第２の帰還信号が供給される。すると誤差増幅器ＥＡ３の出力はゼロレベルであるため、制御回路４の端子ピンＦＢには、選択的に誤差増幅器ＥＡ４が出力する第２の帰還信号が供給される。その結果、制御回路４は、所定の大きさに固定されたオンデューティにてスイッチングトランジスタＱ１を駆動することになる。
【００２５】
以上に説明した図２、図３の回路において、例えば、電圧源ＶＣの出力電圧、（すなわち第２の帰還信号の信号レベル）を制御回路４内の基準電圧源ＶＲが出力する基準電圧とほぼ同じ大きさに設定すると、電流遮断期間の間、制御回路４はスイッチングトランジスタＱ１を所定のオンデューティで駆動する。この時のスイッチングトランジスタＱ１のオンデューティは負荷６に安定化目標値の電流が流れている時のオンデューティとほぼ同じに固定され、電流遮断期間における平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の上昇が抑制される。
【００２６】
一方、電圧源ＶＣの出力電圧を基準電圧よりも大きい値、例えば基準電圧の２倍程度、に設定すると、電流遮断期間の間、制御回路４はスイッチングトランジスタＱ１をフルオフ状態にする。すなわち、スイッチングトランジスタＱ１のオン、オフ動作のオンデューティをゼロにする。スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態を維持すれば、実質的に電力変換回路３は動作を停止し、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の上昇は完全に防止される。
【００２７】
例えば、負荷６のＬＥＤの数が多く、電流遮断期間が短い場合には電圧源ＶＣの出力電圧を基準電圧とほぼ同じ大きさに設定する。このように電流遮断期間が短い場合、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の上昇量が少なくて済む。しかも、負荷６に負荷電流が流れるように状態が切り替った時、電流遮断期間の間に平滑コンデンサＣ１に余分に蓄積された電荷によって、電流遮断期間の間に消滅したＬＥＤ発光層の電荷を素早く回復することができる。これにより負荷電流が流れない状態から流れる状態になった時、大きな負荷電流を流れ難くするのと同時に、第１の帰還信号に応じて素早くフィードバックループの制御動作を働かせることができるようになる。
【００２８】
逆に、ＬＥＤの数が少なく、電流遮断期間が長い場合には、電圧源ＶＣの出力電圧を基準電圧よりも大きい値に設定する。つまり、電流遮断期間が長いと、その間に平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が過大になる可能性が高くなる。しかしスイッチングトランジスタＱ１がオフ状態を維持すれば、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧は電流遮断期間に全く上昇しないため、負荷電流が流れない状態から流れる状態になった時、大きな負荷電流が流れることが無い。
このように、電圧源ＶＣの出力電圧値は、負荷６のＬＥＤの数、電流遮断期間の長さ、等の条件に応じて選択し、設定すれば良い。
【００２９】
市場に出回っているＤＣ−ＤＣコンバータ制御用ＩＣの中には、ＩＣ内部で生成した安定した電圧をＩＣ外部に導出できる構造となっているものがある。図４は、その一例のＩＣの概略の内部構造を示しており、内部に設けられた基準電圧源ＶＲでは１．０Ｖの基準電圧Ｖ_refと２．２Ｖの安定化電圧Ｖ₁が生成される。このうち基準電圧Ｖ_refについては、一方の入力端子に第１あるいは第２の帰還信号が入力される誤差増幅器ＥＡ１の他方の入力端子に供給されるよう構成され、それと同時にＲＥＦ端子からＩＣ外部に導出できる様に構成されている。そして安定化電圧Ｖ₁についてはＲＥＧ端子からＩＣ外部に導出できる様に構成されている。
【００３０】
図４に示すような制御用ＩＣを制御回路４として使用した場合、図５に示すようにして電圧源ＶＣを得ることができる。例えば、第２の帰還信号の信号レベル（＝電圧源ＶＣの出力電圧）を基準電圧よりも大きい値に設定する場合には図５右側の（ａ）に示すように構成すれば良く、他方で第２の帰還信号の信号レベルを基準電圧とほぼ同じ大きさに設定する場合には図５左側の（ｂ）に示すように構成すれば良い。勿論、図５右側の（ａ）に示すように回路を構成した上で、抵抗Ｒ６、Ｒ７の抵抗値を調節して第２の帰還信号の信号レベルを基準電圧とほぼ同じ大きさに設定しても構わない。
なお、ＩＣ内部で生成した安定した電圧をＩＣ外部に導出できる構造となっている制御用ＩＣとしてはＦＡ７７０３（富士電機株式会社製）等がある。
【００３１】
以上の各実施例の説明では、電力変換回路３に昇圧チョッパ型の回路、制御回路４に他励ＰＷＭ型の制御用ＩＣを想定して説明したが、本発明を適用するスイッチング定電流電源装置はこれに限定されるものではない。検出回路５も抵抗検出以外の検出方法を用いても良く、本発明の要旨を変更しない範囲であれば、具体的な回路構成の変形が可能であることは言うまでも無い。
当然、負荷６についても、使用時に断続を繰り返すものであれば、ＬＥＤを含む表示装置や照明装置でなくても構わない。
【００３２】
【発明の効果】
以上までに説明したように、本発明によるスイッチング定電流電源装置は、負荷電流に応じた第１の帰還信号を発生する検出回路と、断続動作する負荷に電流を供給する電力変換回路を駆動するための制御回路との間に、信号レベルが一定の第２の帰還信号を発生する固定信号発生回路を備えた帰還回路を設置する。そして当該帰還回路から制御回路に、電流流通期間中には第１の帰還信号を供給させ、電流遮断期間中には第２の帰還信号を供給させることを特徴としている。
このような本発明によれば、平滑コンデンサの端子間電圧の上昇が抑制されると共にフィードバックループの電流制御動作の応答速度が負荷変動に追従できなくなる事態が防止され、その結果、負荷が断続される場合にも負荷電流を安定化できるスイッチング定電流電源装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスイッチング定電流電源装置のブロック図。
【図２】本発明の要部を成す帰還回路のブロック図。
【図３】本発明によるスイッチング定電流電源装置の具体的な回路図。
【図４】ＤＣ−ＤＣコンバータ制御用ＩＣの一例の内部構造のブロック図。
【図５】第２の帰還信号生成用の電圧源ＶＣの構成例。
【図６】従来のスイッチング定電流電源装置の一例のブロック図。
【符号の説明】
１：入力端子２ａ、２ｂ：出力端子３：電力変換回路４：制御回路５：検出回路６：負荷（断続を繰り返す負荷）７：帰還回路８：固定信号発生回路９：選択回路ＶＲ：基準電圧源
ＶＣ：電圧源

Claims

負荷に所定の電流を供給するスイッチング方式の電力変換回路、負荷電流に応じた第１の帰還信号を発生する電流検出手段、基準電圧を得るための基準電圧源および、該基準電圧と帰還信号に応じて該負荷電流を安定化するように該電力変換回路を駆動する制御回路を備えたスイッチング定電流電源装置において、
該電流検出手段と該制御回路との間に設けられ、その内部には信号レベルが一定の第２の帰還信号を生成する固定信号発生回路を有し、負荷状態に応じて該第１の帰還信号と該第２の帰還信号のいずれか一方を該制御回路に供給する帰還回路を備える
ことを特徴とするスイッチング定電流電源装置。
前記帰還回路は、負荷電流が流れている時には前記第１の帰還信号を前記制御回路に供給し、負荷電流が流れていない時には前記第２の帰還信号を該制御回路に供給することを特徴とする請求項１のスイッチング定電流電源装置。
前記固定信号発生回路で生成された前記第２の帰還信号の信号レベルが前記基準電圧とほぼ等しい大きさであることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載したスイッチング定電流電源装置。
前記固定信号発生回路で生成された前記第２の帰還信号の信号レベルが前記基準電圧よりも大きく、該第２の帰還信号の供給を受けた前記制御回路が前記電力変換回路の動作を停止させることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載したスイッチング定電流電源装置。
前記負荷が高速で点滅を繰り返す発光ダイオード素子を含むことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載したスイッチング定電流電源装置。