JP3907016B2 - 負荷変化に対する過渡応答を改善する電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源装置の過渡応答を改善する回路、特に主出力上の電圧降下中の過渡応答を抑制するために電流を発生する所望より高い（ｈｉｇｈｅｒ−ｔｈａｎ−ｄｅｓｉｒｅｄ）電圧出力を有する回路に関する。
【０００２】
【先行技術】
高速かつ大振幅負荷変化を伴う回路及び系統に対する電源装置の設計において重要な考慮すべきことは、電源装置の出力電流が急速に変化するときの電圧偏差である。しばしば、電源装置の出力フィルタの設計は、電源装置の出力電流が充分敏速に応答するのを困難にする。この理由は、出力リプルを低く維持しなければならずこれが負荷変化に対する高速過渡応答に反すると云うことにある。
【０００３】
過渡応答を改善する１つの方法は、電源装置のスイッチング周波数を上昇させ、出力フィルタを減らして、帰還ループの帯域幅を広げることである。それにもかかわらず、この技術によって達成される性能は、能動電力管理及びクロック速度制御が数μｓ内に巨大な電力変化を生じる最近開発されたコンピュータアーキテクチャ及びその他の用途の要件を満たすのに充分ではない。出力電圧は、狭い許容帯域内に依然維持されねばならない。
【０００４】
例えば、モデルＰＫＵ４１１０ＰＩは、エリクソン・コンポーネンツ社（Ｅｒｉｃｓｓｏｎ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ＡＢ）から発売されている１００Ｗ電力変換器である。１０μｓより短い立上がり時間を有する２５Ａ負荷電流は、この電力変換器の出力に２００ｍＶを超える電圧降下を生じる。これは優れた過渡応答であるが、或る種の厳しい応用には依然充分に良好ではない。このような負荷変化に対する過渡応答（以下、対負荷過渡応答と称する）に５０ｍＶ未満の電圧降下を要求するのは、もやは珍しいことではない。
【０００５】
いままでに試みられた対負荷過渡応答性能を改善する１つの方法は、追加出力の使用である。ワイシュデル（Ｗｅｉｓｃｈｄｅｌ）に発行された米国特許第４, ０７４, １８２号は、共通負荷に並列に接続された２つの電圧調整器を含む直流電源装置を記載している。これらの調整器の１つは、予備であって、もし他の調整器の出力が低下するならば、自動的に負荷に供給する。この構成配置は、その唱えるところによれば、対負荷過渡応答を最小限に抑制する。
【０００６】
グレノン（Ｇｌｅｎｎｏｎ）に発行された米国特許第４, ６２２, ６２９号は、第１整流器、及び第１整流器の出力が降下するとき電力を供給する補助整流器を有する電源装置を記載している。
【０００７】
タニモト（Ｔａｎｉｍｏｔｏ）他に発行された米国特許第５, ４０８, １７２号は、負荷が要求する電流が増大し、負荷の電源電圧を降下させるときターンオンされる励振回路を有する電源装置を記載している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらの先行技術の方法及び装置は、問題の全てを成功裡に取り扱ったわけではなく、及び所望の特徴の全てを提供したわけではない。本発明の目的は、先行技術の装置及び方法のこれらの欠点及びその他の欠点を改善することにある。
【０００９】
【問題を解決するための手段】
本発明の１態様によれば、負荷に電流を供給している主電源回路に追加電気出力を供給する追加電流源回路が提供される。追加電気出力は、主電源回路の出力の変化に応答して供給される。フィルタが、主電源回路の出力の変化を測定し、かつ測定結果を示す指示信号を差動増幅器に供給し、この増幅器がこの信号に応答して追加電気出力の供給を制御する。
【００１０】
【実施例】
本発明によれば、高い電圧で以て追加出力を供給し、この高い電圧が主出力上の電圧降下中電流を発生することによって、電源装置の出力性能を改善する。このような構成配置は、図１の一般化ブロック図に示されている。
【００１１】
本発明による電源装置は、主電圧源Ｖ_main１０、低域通過基準フィルタ１４、誤差増幅器（差動増幅器）１６、及び追加電流源回路を含む。図１に示されたように、追加電流源回路は、追加電圧源Ｖ_ad１１、バルクコンデンサ１２のような電荷蓄積手段、及び誤差増幅器１６に供給される差動誤差信号Ｅの関数として変動する大きさＩを有する電流を供給する電流発生器１３を含むことがある。
【００１２】
低域通過基準フィルタ１４は、負荷電流の変化に応じて立ち上がる出力電圧源Ｖ_main１０の主出力電圧の降下を差動的に測定するデバイスとして使用される。これは重要な機能である。この差動測定デバイスは、もし高性能を得ようとするならば、ボルト（Ｖ）当たり僅か数１０ｍＶの出力の出力変化が可変追加電流源回路を応答させるように、動作しなければならない。もし絶対測定基準を使用するとしたならば、それは非常に安定でかつ精確でなければならないであろう。更に、絶対基準は、発生電流を過ちに晒す危険又は発生電流が過剰な電圧降下にのみ応答する危険を増大する。図１に示されたように、基準フィルタ１４は、好適には、ＲＣフィルタであって、振動の危険を減衰し、それによってこの危険を最小限に抑制すると云う利点を有する。
【００１３】
３. ３Ｖ主出力電圧を発生する主電圧源Ｖ_main１０を有する電源装置にとって、電流源回路はバルクコンデンサのようなデバイス内にエネルギーを蓄積する従来の電流制限された１２Ｖ電源回路であってよい。主出力電圧と基準フィルタ出力電圧との間に電圧差が検出されると、必要とされる電流がこのバルクコンデンサ１２から発生され、主出力電圧の電圧降下を防止する。発生電流の量は、能動動作するＭＯＳＦＥＴのような、適当なバルブによって制御される。
【００１４】
基準フィルタ１４と主電圧源１０との間の誤差増幅器１６は、２つの理由から追加電流源回路を活性化する前にオフセットが起こるのを許す。もしそうでなかったならば、主出力電圧上の通常のリプルが追加電流源回路を活性化するかもしれない。また、電圧降下は、典型的に、電力変換器にその出力電流を増大させるように使用される。しかしながら、負荷電流の増大に対する必要を広範多様な方法で電力変換器制御電子回路に指示することができ、電力変換器の出力電流を増大するのに電圧降下を不必要にする。もし電圧降下が使用されかつ小さいならば、変換器の回復時間が延長されて、大きな量の電荷が追加電流源回路によって送出される。変換器が回復しかつその電源装置の出力電流が要求された負荷電流に等しいとき、バルクコンデンサ１２は主出力電圧の次順の降下に備えて充電される。
【００１５】
本発明により電流を発生する高い追加電圧源を含む電源装置は、いくつかの大きな利点を有する。バルクコンデンサ１２上の電圧は、このコンデンサがもはや電流を発生することができなくなるまで、降下することを許容される。この降下は、回復時間及び電流変化の振幅によって決定される。送出される電荷Ｑは、次式に従って電圧降下Ｕ及びバルクコンデンサ１２の静電容量Ｃに比例する。
【００１６】
【数１】

【００１７】
もし主出力電圧に直接接続された１つのコンデンサが要求された電流を発生するために使用されたとしたならば、その許容電圧降下は追加電圧源１１からの追加出力電圧の許容電圧降下のほんの可除部分であろう。
【００１８】
主出力上と追加出力上とにそれぞれ必要とされる静電容量の比は、主出力上のコンデンサの直列抵抗が自動的に可なりの電圧降下、云うまでもなく、放電に起因する電圧降下を起こさせることを考えると、１００台の値になる。例として１５Ａの負荷電流変化を取り挙げると、もし５０ｍＶの出力電圧偏差を得ることになっており、５０ｍＶ偏差のうち３０ｍＶを電流源回路の等価直列抵抗（以下、ＥＳＲと称する）に起因させるとするならば、ＥＳＲは２ｍΩ未満でなければならない。これは、本発明による追加１２Ｖ電流源回路に許容される少なくとも２００ｍΩの程度のＥＳＲに匹敵し得る。本発明の場合、もし電力変換器の所望回復時間が２００μｓであるならば、１つの２００μＦのコンデンサだけを追加電流源回路に使用すればよい。もしコンデンサが主電圧源１０からの主出力上に直列接続されていたとしかつ回復時間が同じであったとしたならば、１００を超える数の１５０μＦタンタルコンデンサがおそらく必要であろう。他の利点は、本発明の解決を、標準電源回路と組合わせて使用することができることである。
【００１９】
これらの種類の負荷電流変化を取り扱うことができるがしかし対負荷過渡応答を改善する追加電流源回路又は追加電流出力を含まない電源装置は、複雑な電子回路、低電力密度、及び高コストと云うような種々の設計上の不利を伴うと現在考えられている。
【００２０】
本発明による改善した対負荷過渡応答を有する電源装置における追加電流源回路の設計の詳細は、主として、電力変換器の回復時間、及び負荷電流変化の振幅及び周波数によって決定される。
【００２１】
バルクコンデンサ１２の寸法は、電流変化の振幅及び回復時間によって決定される。もし電流立上がりが線形であると仮定するならば、静電容量Ｃの必要とされる最小量は、次式によって決定される。
【００２２】
【数２】

【００２３】
ここに、Ｉ_c は立上がり電流、ｔ_r は回復時間、Ｕ_add は追加電圧源１１の電圧、Ｕ_mainは主電圧源１０の電圧、Ｕ_drはバルクコンデンサ１２の両端間の許容最大電圧降下である。分母の２はその発生電流の三角波形（すなわち、線形立上がり及び立下がり）に由来する。
【００２４】
各対負荷過渡応答の後にバルクコンデンサ１２に蓄積する必要のあるエネルギーは、負荷変化の振幅及び回復時間ｔ_r によって決定される。もしＵ_drがＵ_add −Ｕ_main（理想的な場合）であると仮定するならば、蓄積エネルギーＷ_r は、次式によって与えられる。
【００２５】
【数３】

【００２６】
周波数と蓄積エネルギーＷ_r との積は、平均出力電力である。高い電圧Ｕ_add は出力電力を増大しかつ小さいバルクコンデンサ１２しか必要としない。
【００２７】
エネルギーＷ_r の有効部Ｗ_u は次式で与えられ、
【００２８】
【数４】

【００２９】
及び追加電流源回路の効率ηは次式で与えられる。
【００３０】
【数５】

【００３１】
注意するのは、Ｕ_add を増大すると効率ηは低くなるが、他方、小形のコンデンサを使用してよいことになる。追加電流源回路の効率ηが低い際は、変換器の回復時間を短縮するように迫られる。この短縮は、外部的影響によって、例えば、電流源回路のパラメータを調節することによってなされることもある。
【００３２】
標準電力変換器からの出力リプルは、負荷変化の場合の電圧降下についての要件と同じ桁台であることがしばしばある。これは、電力変換器のスイッチング周波数において低インピーダンスを有する外部コンデンサを電力変換器の主出力上に使用することによってリプルを減少させるのに有利である。負荷変化に起因する電圧変動を抑制するために、バルクコンデンサを主出力上に使用することができる。ＬＣフィルタを使用してリプルを減少させるのは、そのインダクタが変換器の応答時間を長くするので、賢明でないと現在考えられている。また、リプルが大き過ぎるならば、電流源回路を制御する差動増幅器がリプルを調整するよう働くことがある。もしリプル周波数が電流源回路制御に当たってフィルタされるならば、変換器の応答時間は長くなり、かつまた必要される充電時間も長くなる。
【００３３】
負荷が減少する場合に対負荷過渡応答振幅を減少させることもまた可能である。基準フィルタ１４と主電圧源１０との間の電圧の立上がりは、負荷の増大の場合と同様にして検出される。必要とされる電流は、吸熱回路によって帰路へと吸熱される。吸熱回路は、ＭＯＳＦＥＴのような能動デバイスであってよい。吸熱回路は、電圧を特定レベルにクランピングするに当たって精度を制御しかつ向上するために、好適には、基準フィルタを使用する。簡単な代替として、吸熱回路はツェナーダイオードであってもよい。当業者ならば理解するように、電流吸収は特定の電力出力を有する外部電圧源を必要としないので、電流発生ほど複雑でない。
【００３４】
図２は、上に説明した、モデルＰＫＵ４１１０ＰＩの対負荷過渡応答を改善する回路を示す。２５Ａ負荷変化に対して（例えば、出力電流が５Ａから３０Ａへ揺動するのに対して）、過渡応答は２００ｍＶから４５ｍＶへ改善する。３つの１５０μＦタンタルコンデンサＣ２、Ｃ３、及びＣ４が両場合に主出力２０上に接続されている。コンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４は、上に説明されたように、主出力電圧上のリプルを減少し、かつまた有利にはエネルギーを蓄積する。
【００３５】
トランジスタＱ２及びＱ３は差動増幅器を形成し、及びトランジスタＱ１はエミッタホロワとして働く。追加電流源回路はトランジスタＱ１のゲート電圧が零からそのしきい電圧へ立ち上がるのに敏速に応答しなければならないが、しかしトランジスタＱ１に関して抵抗器Ｒ２を挿入しこれで回路のこの部分の利得を減少させるのが得策である。もし抵抗Ｒ２を省くならば、利得が大き過ぎて振動が起こることがある。回路の他の部分の利得を減少すると、このしきい電圧に到達する時間が長くなる。もとより、図２に示された構成要素の特定の値は応用に依存する。
【００３６】
本発明が説明され図示された特定の実施例に限定されないことは、云うまでもない。本願は、添付の特許請求の範囲によって明確にされた本発明の精神と範囲に反せずかつ包含されるあらゆる変形を構想している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による対負荷過渡応答を改善する電源装置の一般化回路図。
【図２】本発明の実施例による対負荷過渡応答を改善する電源装置の回路図。
【符号の説明】
１０ 主電圧源
１１ 追加電圧源
１２ バルクコンデンサ
１３ 電流発生器
１４ 低域通過基準フィルタ
１６ 誤差増幅器
２０ 主出力

Claims (7)

1. 可変性負荷に電流を供給する供給手段と、
   前記負荷の変化に応答して前記負荷に追加電流を供給するために、前記供給手段に機能的に接続された追加供給手段と、
   前記供給手段の出力電圧の変化を差働的に測定し、測定された前記出力電圧の変化に応じて前記追加供給手段を制御する測定手段と
   を含み、
   前記追加供給手段の出力電圧は、前記供給手段の出力電圧よりも大きく、かつ、前記供給手段、前記追加供給手段および前記測定手段が閉ループにより接続されている電源装置であって、
   さらに、前記測定手段が前記負荷の変化を濾波して指示信号を出力するフィルタを含む、電源装置。
2. 請求項１記載の電源装置において、前記測定手段が前記フィルタに接続された差動増幅器を含み、かつ前記差動増幅器が前記指示信号に応答して前記追加供給手段を制御する、電源装置。
3. 請求項１記載の電源装置において、前記フィルタが低域通過フィルタである、電源装置。
4. 請求項１記載の電源装置において、前記差動増幅器が誤差増幅器である、電源装置。
5. 請求項１記載の電源装置において、前記指示信号が前記追加供給手段に供給される、電源装置。
6. 請求項１記載の電源装置において、リプルフィルタが前記供給手段と前記測定手段との間に接続されている、電源装置。
7. 請求項１記載の電源装置において、前記指示信号が前記電流発生器に供給される、電源装置。

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