JP3747037B2 - スイッチング定電流電源装置 - Google Patents

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定電圧源として使用されることが多い。しかしスイッチング方式の電源装置は、図４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定電流源として使用することも可能である。
図４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電流検出回路５が接続されている。そして、電力変換回路３と電流検出回路５の間には、電流検出回路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を想定する）
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４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から供給される信号に従ってオン、オフ動作を行う。（オン、オフ動作の周波数は数百ｋＨｚ程度）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および電流検出回路５に流れる。そして、電流検出回路５において負荷電流に応じた帰還信号が生成され、その信号は制御回路４にフィードバックされる。
【０００５】
電流検出回路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、その内部の制御ロジックに従って、帰還信号（＝負荷電流）に応じたオンデューティのパルス状の信号を生成し、それを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、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４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４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（具体的には数百Ｈｚ）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４に示すようなスイッチング定電流電源装置である場合、負荷の断続によって生じる電流遮断期間には、電流検出回路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が供給された制御回路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、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、図４の構成の電源装置を使用した場合、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、電流検出回路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電流検出回路および、第１の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、電力変換回路の出力電圧に応じた電圧信号を生成する電圧検出回路と、電流検出回路と制御回路との間に設けられ、その内部には電圧信号を参照して生成された第２の帰還信号を出力する信号保持手段を有し、負荷状態に応じて第１の帰還信号と第２の帰還信号のいずれか一方を制御回路に供給する帰還回路と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
負荷に安定した電流を供給する電力変換回路と、電力変換回路を駆動する制御回路と、負荷電流に応じた第１の帰還信号を発生する電流検出回路とを備えたスイッチング定電流電源装置において、電流検出回路と制御回路との間に帰還回路を設け、更に電力変換回路の出力側に、その出力電圧に応じた電圧信号を発生する電圧検出回路を設ける。ここで帰還回路は、第２の帰還信号を出力する信号保持手段を備え、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信号保持手段が出力する第２の帰還信号を制御回路に供給する。なお、この第２の帰還信号は、電圧検出回路の電圧信号を参照して生成され、維持された状態でのその信号レベルは、負荷に規定の負荷電流が流れている時の第１の帰還信号よりも大きな値になるように設定される。
【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、電力変換回路の動作（＝スイッチングトランジスタのオンオフ動作）を停止させる。これにより、負荷が断続される条件下において、平滑コンデンサの端子間電圧が電流遮断期間に必要以上に上昇するのを防止する。
【００１５】
【実施例】
本発明によるスイッチング定電流電源装置の基本構成を図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、一方の出力端子２ａとグランドとの間に抵抗Ｒ１とＲ２の直列回路による電圧検出回路７を設け、更に、制御回路４と電流検出回路５の間に帰還回路８を設けた点を除けば、図４に示した従来の回路とほぼ同じである。この図１の帰還回路８は、大きく分けて、第２の帰還信号を出力する信号保持手段９と、電流検出回路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１０から成っている。ここで選択手段１０は、負荷６の状態（換言すると、ＬＥＤの点灯・消灯の動作）に連動して切り替えられるものとなっている。
【００１６】
このような帰還回路８を備えた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、帰還回路８内の選択手段１０によって、電流検出回路５から出力された第１の帰還信号が制御回路４に選択的に供給される。この状態での図１の電源装置は、図４の従来回路と全く同じ動作をして負荷電流を安定化する。
ここで帰還回路８内の信号保持手段９は、この負荷電流が流れている状態の間に、電圧検出回路７から出力される電圧信号を参照し、第２の帰還信号を発生させるための所定の動作を行う。
【００１７】
一方、負荷電流が流れていない時、選択手段１０によって、制御回路４には信号保持手段９から出力された第２の帰還信号が選択的に供給される。
ここで、第２の帰還信号は第１の帰還信号よりも大きな信号レベルとなっており、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（＝電力変換回路３の動作）を停止させる。
このようにスイッチングトランジスタＱ１の動作が停止すると、電流遮断期間に平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が上昇することは無く、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なくなる。その結果、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。
【００１８】
図２には本発明によるスイッチング定電流電源装置の第１の実施例を示した。この図２の回路は、基本的には図１の回路とほぼ同じ構成であるが、本発明の要部である帰還回路８を次のように構成した。
サンプルホールド回路１１とサンプリング信号発生回路１２を設け、サンプリング信号発生回路１２からサンプルホールド回路１１にサンプリング信号が供給されるように結線する。電圧検出回路７からサンプルホールド回路１１に電圧信号が供給されるように結線し、また、サンプリング信号発生回路１２には負荷６の状態に応じた信号が供給されるように結線する。そしてサンプルホールド回路１１の出力端子は負荷６の状態に連動して切り替えられる切り替えスイッチＳＷの一方の接続端子ａに接続する。
【００１９】
切り替えスイッチＳＷの共通端子ｃは制御回路４に接続し、他方の接続端子ｂは誤差増幅器ＥＡの出力端子に接続する。誤差増幅器ＥＡの一方の入力端子は電流検出回路５に接続し、他方の入力端子は誤差増幅器ＥＡの出力端子とグランド間に直列接続された抵抗Ｒ３とＲ４の共通接続点に接続する。
ここで、サンプルホールド回路１１とサンプリング信号発生回路１２が図１中の信号保持回路９に相当し、切り替えスイッチＳＷが図１中の選択手段１０に相当している。なお、誤差増幅器ＥＡと抵抗Ｒ３とＲ４の回路部分は、第１の帰還信号の信号レベルを制御回路４で処理可能なレベルにするための単なる増幅回路である。
【００２０】
この図２に示す帰還回路８では、負荷電流が流れている時、負荷６の状態に連動する切り替えスイッチＳＷは接続端子ｂ側に切り替えられる。このため帰還回路８は、電流検出回路５から出力された後、誤差増幅器ＥＡで増幅された第１の帰還信号を制御回路４に選択的に供給する。
ここでサンプリング信号発生回路１２は、入力された信号から負荷電流が流れている状態を検知すると、所定のタイミングでサンプルホールド回路１１にパルス状のサンプリング信号を出力する。サンプルホールド回路１１は、このサンプリング信号を受信すると、それまでの信号出力をリセットした後、この時点で電圧検出回路７から出力されている電圧信号を参照し、当該電圧信号に応じた信号レベルを持つ第２の帰還信号を新たに発生させる。なお、この第２の帰還信号の信号レベルは、次にサンプリング信号が供給されるまで維持される。
【００２１】
負荷６の状態が切り替って負荷電流が流れない状態となると、切り替えスイッチＳＷは接続端子ａ側に切り替えられる。このため帰還回路８は、サンプルホールド回路１１から出力された第２の帰還信号を制御回路４に選択的に供給する。ここで、第２の帰還信号は第１の帰還信号よりも大きな信号レベルになるよう設定されているため、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のオンオフ動作を停止させることになる。
このような帰還回路８の動作により図２の電源装置は、図１の電源装置と同様に、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。
【００２２】
さらに図３には本発明によるスイッチング定電流電源装置の第２の実施例を示した。
この図３の回路では、帰還回路８が図２のサンプルホールド回路１１に代えてピークホールド回路１３を設け、サンプリング信号発生回路１２に代えてリセット信号発生回路１４を設けた構成となっている。このため図３に示す帰還回路８の動作は、若干、図２の帰還回路８と異なっている。
【００２３】
すなわち、リセット信号発生回路１４は、入力された信号から負荷電流が流れている状態を検知すると、所定のタイミングでピークホールド回路１３にパルス状のリセット信号を出力する。ピークホールド回路１３は、このリセット信号を受信すると、それまでの信号出力をリセットする。しかし、リセット信号のパルスが無くなるとすぐに、電圧検出回路７から出力されている電圧信号を参照し、当該電圧信号に応じた信号レベルを持つ第２の帰還信号を発生させる。そして第２の帰還信号の信号レベルを、リセット後に新たに生じた電圧信号の最大値に応じたものに更新しながら、次にリセット信号が供給されるまで維持する。
【００２４】
負荷６の状態が切り替って負荷電流が流れない状態となると、切り替えスイッチＳＷは接続端子ａ側に切り替えられる。このため帰還回路８は、ピークホールド回路１３から出力された第２の帰還信号を制御回路４に選択的に供給する。ここで、第２の帰還信号を第１の帰還信号よりも大きな信号レベルになるよう設定すると、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のオンオフ動作を停止させることになる。このため、最終的には、図３の電源装置は図２の電源装置と同じ動作を行い、負荷が断続を繰返す場合にも負荷電流を安定化することが可能となる。
【００２５】
なお、図３の回路では、第２の帰還信号を第１の帰還信号と同程度の信号レベルになるよう設定しても良い。第１の帰還信号と同程度の信号レベルの第２の帰還信号の供給を受けた制御回路４は電流遮断期間になった直後においてはスイッチングトランジスタＱ１のオンオフ動作を続行する。しかし、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の上昇に伴ってピークホールド回路１３から出力される第２の帰還信号も大きくなる。このため、第２の帰還信号が所定の大きさを越えると、制御回路４はスイッチングトランジスタＱ１のオンオフ動作を停止させ、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧がそれ以上、上昇するのを防止する。
このように図３の回路では、必ずしも第２の帰還信号の信号レベルを第１の帰還信号よりも大きな信号レベルになるよう設定しなくても良い。
【００２６】
以上の本発明によるスイッチング定電流電源装置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。電流検出回路５や電圧検出回路７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。
【００２７】
【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、電力変換回路の出力電圧に応じた電圧信号を発生する電圧検出回路を設け、負荷電流に応じた第１の帰還信号を発生する電流検出回路と電力変換回路を駆動するための制御回路との間に、負荷状態に応じて第１の帰還信号と第２の帰還信号の一方を選択的に制御回路に供給するための帰還回路設ける。ここで第２の帰還信号は、帰還回路内部の信号保持手段において電圧検出回路の電圧信号を参照して生成され、第１の帰還信号よりも大きな信号レベルを持つ。そして、負荷に電流が流れない期間に第２の帰還信号の供給を受けた制御回路は電力返還回路の動作を停止させることを特徴としている。
【００２８】
このような本発明によれば、電流遮断期間中に平滑コンデンサの端子間電圧が上昇することが無くなり、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る。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基本構成を示すブロック図。
【図２】本発明によるスイッチング定電流電源装置の第１の実施例を示すブロック図。
【図３】本発明によるスイッチング定電流電源装置の第２の実施例を示すブロック図。
【図４】従来のスイッチング定電流電源装置の一例の回路図。
【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：電流検出回路 ６：負荷（断続を繰り返す負荷） ７：電圧検出回路 ８：帰還回路 ９：信号保持手段 １０：選択回路 １１：サンプルホールド回路 １２：サンプリング信号発生回路
１３：ピークホールド回路 １４：リセット信号発生回路

Claims (6)

1. 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回路および、該第１の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、
   該電力変換回路の出力電圧に応じた電圧信号を生成する電圧検出回路と、
   該電流検出回路と該制御回路との間に設けられ、その内部には該電圧信号を参照して生成された第２の帰還信号を出力する信号保持手段を有し、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と、
   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。
2. 前記信号保持手段は、ある時点における前記電圧信号を参照して前記負荷に規定の負荷電流が流れている時に生じる前記第１の帰還信号よりも大きな前記第２の帰還信号を生成すると共に、ある期間、その信号レベルを維持し、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該第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に記載したスイッチング定電流電源装置。
3. 信号レベルが維持された状態の前記第２の帰還信号が供給されている間、前記制御回路は該電力変換回路の動作を実質的に停止させることを特徴とする、請求項２に記載したスイッチング定電流電源装置。
4. 前記信号保持手段がサンプルホールド回路とサンプリング信号発生回路を具備することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載したスイッチング定電流電源装置。
5. 前記信号保持手段がピークホールド回路とリセット信号発生回路を具備することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載したスイッチング定電流電源装置。
6. 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５のいずれかに記載したスイッチング定電流電源装置。

Images