JP4259119B2 - 出力電流検出回路および出力電流検出機能を備えたスイッチング電源装置 - Google Patents
出力電流検出回路および出力電流検出機能を備えたスイッチング電源装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源装置の出力電流を検出する回路に係わり、特に、一定の出力電圧を生成するＰＷＭ方式の電源装置の出力電流を検出する回路に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
一定の出力電圧を生成する電源装置は、様々な電子機器において広く使用されている。そして、しばしば、そのような電源装置の出力電流を検出する機能が要求される。例えば、出力電流をモニタすることにより、その電源装置から電力を受け取る回路の故障や、出力線の断線等を検出することができる。
【０００３】
電源装置の出力電流を検出する方法としては、従来より、下記の形態が採用されている。
１．電源装置の出力部にシャント抵抗を設け、そのシャント抵抗の両端電圧（即ち、そのシャント抵抗における電圧降下）に基づいて出力電流を検出する（例えば、特許文献１参照。）。
２．電流センサを用いて直接的に出力電流を検出する。なお、電流センサとしては、例えば、ホール素子を利用したものが広く知られている。この場合、出力電流に起因して発生する磁力線をモニタすることよって、その出力電流が検出される。
３．カレントトランスを利用して出力電流を検出する。この場合、電源装置の出力電流をカレントトランスの１次側巻線を介して流す。そして、そのときに２次側巻線に発生する信号に基づいて出力電流が検出される（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２０６１１９号公報（図１、段落００１０、００１４）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−２５２４３号公報（図１、段落００２５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、シャント抵抗を用いる構成では、そのシャント抵抗において損失が発生するので、電源装置としての効率が低下するだけでなく、発熱量も大きくなってしまう。従って、特に、大電流を出力する電源装置には好ましくない。
【０００７】
また、電流センサを利用する構成では、電源装置自体のコストが上昇すると共に、電流センサを配置するためのスペースが必要になる。特に、ホール素子等を利用したハーネスクランプ型の電流センサの場合は、ハーネスの引回し等のために内部構造が複雑になってしまう。
【０００８】
さらに、カレントトランスを利用する構成でも、電源装置自体のコストが上昇すると共に、そのトランスを配置するためのスペースが必要になる。なお、カレントトランスを利用する構成は、交流電流を検出する場合にのみ利用できる。
このように、従来の技術で電源装置の出力電流を検出しようとすると、上述のような問題が生じていた。
【０００９】
本発明は、電源装置の効率を低下させることなく、コストの上昇を抑え、且つ電源装置の小型化に寄与するような構成で出力電流を検出する機能を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の出力電流検出回路は、コイルを用いてＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する電源装置の出力電流を検出する回路であって、ＰＷＭ制御において使用されるパルス信号のデューティを検出するデューティ検出手段と、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて前記電源装置の出力電流を検出する電流検出手段、を有する。そして、前記電源装置は、通常動作時においては、ＰＷＭのデューティが一定であり且つコイル電流がゼロにならない連続モードで動作すると共に、負荷により要求される電流が小さくなったときには、各ＰＷＭサイクル内でコイル電流がゼロになる期間が生じる不連続モードで動作する。また、前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて前記電源装置の出力電流を検出する。
【００１１】
この構成によれば、シャント抵抗を用いることなく出力電流を検出するので、電源装置の効率が低下することはない。また、上記デューティ検出手段および電流検出手段は、上記パルス信号を生成する回路の中に形成できるので、電源装置の内部構成が複雑になることはなく、電源装置の小型化を図ることができる。さらに、この構成によれば、出力電流がある所定の電流値よりも小さくなっているか否かを容易に検出できる。
【００１２】
なお、前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記電源装置の出力線が異常であると判定するようにしてもよい。この構成によれば、出力線に断線等の異常が発生してないかを容易に検出できる。
【００１３】
また、上記デューティ検出手段は、上記パルス信号がＨレベルまたはＬレベルの一方であるときにコンデンサを充電すると共にそのパルス信号がＨレベルまたはＬレベルの他方であるときに上記コンデンサを放電させる充放電手段を備え、そのコンデンサの電圧を用いて上記デューティを検出するようにしてもよい。この構成によれば、抵抗およびコンデンサ等による簡単な回路で上記パルス信号のデューティを検出できる。
【００１４】
本発明の電源装置は、ＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する構成であって、ＰＷＭ制御において使用されるパルス信号に従って入力電力を通過／遮断するスイッチング回路と、前記スイッチング回路に接続されたコイルと、出力電圧が予め決められた一定の値に保持されるように前記パルス信号を生成するＰＷＭ制御手段と、前記パルス信号のデューティを検出するデューティ検出手段と、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて出力電流を検出する電流検出手段、を有する。そして、前記電源装置は、通常動作時においては、ＰＷＭのデューティが一定であり且つコイル電流がゼロにならない連続モードで動作すると共に、負荷により要求される電流が小さくなったときには、各ＰＷＭサイクル内でコイル電流がゼロになる期間が生じる不連続モードで動作する。また、前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて出力電流を検出する。なお、この電源装置において出力電流を検出する機能は、上述した出力電流検出回路と同じである。また、この構成を導入すれば、小型で変換効率のよい電源装置が実現される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態の電流検出回路が使用される電源装置のブロック図である。ここで、この電源装置は、出力段に平滑コイルを備え、ＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する装置である。なお、ここでは、そのような電源装置の一例として、ＤＣ／ＤＣ変換器を採り上げる。
【００１６】
ＰＷＭスイッチング素子部（スイッチング回路）１は、１または複数のスイッチング素子を備え、制御回路部１０により生成されるＰＷＭ制御のためのパルス信号に従って入力電力を通過／遮断する。具体的には、例えば、与えられたパルス信号がＨレベルのときは入力電力を出力側へ導き、その信号がＬレベルのときは入力された電力を遮断する。
【００１７】
整流部２は、例えば、ダイオードまたはスイッチング素子、或いはそれらの組合せにより構成されており、ＰＷＭスイッチング素子部１の出力を整流する。なお、図１においては特に図示してないが、入力側と出力側とを直流的に絶縁するトランスが設けられる構成であってもよい。
【００１８】
平滑コイルＬは、電気エネルギーを一時的に蓄えながらそのエネルギーを出力側に伝達することにより、整流部２の出力を平滑化する。また、出力コンデンサＣ１は、出力電流を平均化する。
制御回路部１０は、ＰＷＭ制御回路（ＰＷＭ制御手段）１１、デューティ検出部（デューティ検出手段）１２、電流検出部（電流検出手段）１３を備え、ＰＷＭスイッチング素子部１の動作を制御すると共に、当該電源装置の出力電流を検出する機能を備える。なお、制御回路部１０は、例えば、１つのＩＣチップ上の形成されるようにしてもよい。
【００１９】
ＰＷＭ制御回路１１は、当該電源装置の出力電圧をモニタし、その電圧が予め決められている一定の値に保持されるようにＰＷＭ制御のためのパルス信号を生成してＰＷＭスイッチング素子部１に与える。また、デューティ検出部１２は、ＰＷＭ制御回路１１により生成されるパルス信号のデューティを検出する。さらに、電流検出部１３は、デューティ検出部１２により検出されたデューティに基づいて、当該電源装置の出力電流（本実施例では、後述する図４に示す臨界点以下の電流）を検出する。
【００２０】
このように、実施形態の電流検出回路は、シャント抵抗を用いることなく出力電流を検出するので、電源装置の効率が低下することはない。また、実施形態の電流検出機能は、ホール素子等を利用した電流センサやカレントトランスを用いることなく、制御回路部１０の中に形成されるので、電源装置の内部構成が複雑になることはなく、電源装置の小型化に寄与する。
【００２１】
図２は、ＰＷＭ制御について説明する図である。ＰＷＭ制御においては、上述したように、パルス信号を用いてＰＷＭスイッチング素子部１のオン／オフ状態が制御される。このとき、コイル電流（平滑コイルＬを介して流れる電流）は、ＰＷＭスイッチング素子部１の状態に従って変化する。即ち、コイル電流は、ＰＷＭスイッチング素子部１がオン状態の期間は直線的に増加していき、それがオフ状態の期間は直線的に減少していく。そして、この動作が繰り返されることにより出力電流が生成される。なお、出力電流は、コイル電流を平均化した電流である。そして、ここでは、出力電流が所定値よりも大きく、コイル電流の最小値または極小値が常に０（ゼロ）よりも大きくなっているものとする。
【００２２】
また、出力電流（すなわち、当該電源装置に接続される負荷が要求する電流）が安定している場合には、パルス信号のデューティは変化しない。すなわち、図２に示すように、出力電流１が要求されているときはコイル電流１が生成され、出力電流２が要求されているときにはコイル電流２が生成されるが、この場合、パルス信号のデューティは互いに同じである。
【００２３】
他方、図１に示す電源装置の出力電圧は、下記（１）式で表すことができる。なお、ここでは、出力電圧を「Ｖout」、入力電圧を「Ｖin」、トランスの巻線比（２次側巻数／１次側巻数）を「Ｎ」、ＰＷＭスイッチング素子部１のＯＮ時間およびＯＦＦ時間をそれぞれ「Ｔon」および「Ｔoff」と表すものとする。また、以降の説明では、装置の効率を考えない（効率１００パーセント）ものとする。
Ｖout＝Ｖin×Ｎ×Ｔon／（Ｔon＋Ｔoff） ・・・（１）
ここで、パルス信号のデューティを「Ｄ」、スイッチング周期を「Ｔ」と表すものとすると、ＰＷＭスイッチング素子部１のＯＮ時間およびＯＦＦ時間は、それぞれ「Ｔon＝Ｔ×Ｄ」および「Ｔoff＝Ｔ×（１−Ｄ）」と表される。そうすると、上記（１）式は、下記（２）式のように書き換えることができる。また、パルス信号のデューティは、下記（３）式で表される。
Ｖout＝Ｖin×Ｎ×Ｄ ・・・（２）
Ｄ＝Ｖout／（Ｖin×Ｎ） ・・・（３）
このように、図１に示す電源装置においては、ＰＷＭ制御回路１１により生成されるパルス信号のデューティは、コイル電流や出力電流には依存することはなく、入力電圧Ｖin、出力電圧Ｖout、トランスの巻線比Ｎに依存する。ここで、出力電圧Ｖoutは一定の値に保持され、また、トランスの巻線比Ｎは変化しない。よって、入力電圧Ｖinが一定であるものとすると、パルス信号のデューティも一定である（図２）。
【００２４】
ところが、負荷が要求する電流が小さくなることに応じて出力電流が所定値よりも小さくなると、図３に示すように、コイル電流が０（ゼロ）になる期間が発生するようになる。そして、この場合、ＰＷＭスイッチング素子部１のＯＮ時間は、図２に示したＯＮ時間よりも短くなる。すなわち、この場合、パルス信号のデューティが小さくなる。
【００２５】
また、図３に示す状態で電源装置が動作するときは、出力電圧は下記（４）式で表される。なお、ここでは、平滑コイルＬのインダクタンスを「Ｌ」、出力電流を「Ｉout」を表すものとする。
Ｖout＝（Ｖin×Ｎ×Ｔon）2／（Ｖin×Ｎ×Ｔon2＋２×Ｌ×Ｉout×Ｔ）
・・・（４）よって、この場合、パルス信号のデューティは、下記（５）式で表すことができる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
このように、図３に示すように、出力電流が所定値よりも小さくなり、コイル電流が０（ゼロ）になる期間が発生するようになると、パルス信号のデューティは、出力電流に依存するようになる。換言すれば、図３に示す動作状態においては、パルス信号のデューティをモニタすることで出力電流を検出することができる。そこで、実施形態の電流検出回路は、デューティ検出部１２を用いてＰＷＭ制御のためのパルス信号のデューティを検出し、電流検出部１３が、そのデューティに基づいて電源装置の出力電流を検出するようにしている。
【００２８】
なお、図２に示した動作状態（連続モード：コイル電流が常に０（ゼロ）よりも大きい動作モード）と、図３に示した動作状態（不連続モード：コイル電流が０（ゼロ）になる期間が発生する動作モード）との境界条件（図４参照）においては、出力電流は下記（６）式により表される。また、その場合のパルス信号のデューティは、下記（７）式により表される。
Ｉout＝Ｖout×Ｔoff／２Ｌ
＝Ｖout×Ｄ（１−Ｔ）／２Ｌ ・・・（６）
Ｄ＝２Ｌ×Ｉout／（Ｖout×（１−Ｔ）） ・・・（７）
図５は、実施形態の電流検出回路の一例の回路図である。なお、実施形態の電流検出回路は、上述したように、デューティ検出部１２および電流検出部１３により構成され、制御回路部１０の中に設けられている。また、ＰＷＭ制御回路１１は、出力トランジスタＱ１を備えており、その出力トランジスタＱ１を利用してＰＷＭ制御のためのパルス信号を出力する。
【００２９】
デューティ検出部１２は、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、コンデンサＣ２を備え、これらの素子により充放電回路（充放電手段）を構成している。すなわち、パルス信号がＨレベルの期間は、電源Ｖccにより生成される電流がダイオードＤ１および抵抗Ｒ１を介して流れ、その電流によりコンデンサＣ２が充電される。すなわち、この期間は、コンデンサＣ２の両端電圧は上昇していく。一方、パルス信号がＬレベルの期間は、コンデンサＣ２に蓄積されている電荷は抵抗Ｒ２を介して放電される。すなわち、この期間は、コンデンサＣ２の両端電圧は低下していく。この結果、コンデンサＣ２の両端電圧は、概ね、ＰＷＭ制御回路１１により生成されるパルス信号のデューティに対応する値に保持されることになる。
【００３０】
電流検出部１３は、コンパレータ２１、抵抗Ｒ３、Ｒ４を備える。そして、コンパレータ２１の＋端子には、電源Ｖccにより生成される電圧を抵抗Ｒ３、Ｒ４で分圧することにより得られる閾値電圧が与えられる。一方、コンパレータ２１の−端子には、コンデンサＣ２の両端電圧が与えられる。ここで、コンデンサＣ２の両端電圧は、ＰＷＭ制御回路１１により生成されるパルス信号のデューティを表す。したがって、このコンパレータ２１は、上記パルス信号のデューティが上記閾値電圧に対応する閾値より大きいか否かを判断できる。
【００３１】
なお、抵抗Ｒ３、Ｒ４により設定される閾値は、図２に示す連続モードで動作している期間におけるデューティよりも小さい所定のデューティを表すものとする。すなわち、上記（３）式により表されているデューティよりも小さい所定のデューティに対応する閾値が設定される。
【００３２】
このような構成において、上述したように、電源装置の出力電流が図４に示す境界条件における電流よりも小さいときは、すなわち図３に示すような不連続モードで動作しているときは、パルス信号のデューティは出力電流に応じて変化する。そして、この場合、上記（５）式に表されているように、出力電流が小さくなると、それに伴ってパルス信号のデューティも値小さくなっていく。したがって、上述のような閾値を設定すれば、コンパレータ２１の出力をモニタすることにより、出力電流がある所定の電流値よりも小さくなっているか否かを検出できる。そして、出力線に断線等の異常が発生してないかを検出できる。
【００３３】
このように、実施形態の電流検出回路は、パワー回路部内に電流を検出するための回路部品を挿入する必要がないので、特に、大電力の電源装置の場合は、変換効率の向上、回路サイズの小型化、製造コストの低減に寄与する。
なお、図５に示す例では、出力電流がある所定の電流値よりも小さくなっているか否かを検出しているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、電源装置が図３に示す不連続モードで動作している期間は、上記（５）式に表されているように、出力電流がパルス信号のデューティに対応するので、デューティ検出部１２の出力をモニタすることにより出力電流を検出できる。
【００３４】
また、本発明の電流検出回路は、降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器、昇圧型ＤＣ／ＤＣ変換器、反転型ＤＣ／ＤＣ変換器のいずれにも適用可能できる。特に、反転型ＤＣ／ＤＣ変換器は、その出力電流がパルス信号のデューティに比例するので、そのまま適用できる。
【００３５】
さらに、本発明の電流検出回路は、出力電圧を一定の値に保持する構成であれば、ＤＣ／ＤＣ変換器だけでなく、ＡＣ／ＤＣ変換器にも適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、電源装置の効率を低下させることなく出力電流を検出することができる。また、電源装置の出力電流を検出する機能を実現するうえで、装置の小型化および低コスト化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の電流検出回路が使用される電源装置のブロック図である。
【図２】ＰＷＭ制御について説明する図である。
【図３】出力電流が所定値よりも小さい場合の動作を説明する図である。
【図４】出力電流が境界値である場合の動作を説明する図である。
【図５】実施形態の電流検出回路の一例の回路図である。
【符号の説明】
１ ＰＷＭスイッチング素子部（スイッチング回路）
２ 整流部
１０ 制御回路部
１１ ＰＷＭ制御回路（ＰＷＭ制御手段）
１２ デューティ検出部（デューティ検出手段）
１３ 電流検出部（電流検出手段）
２１ コンパレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源装置の出力電流を検出する回路に係わり、特に、一定の出力電圧を生成するＰＷＭ方式の電源装置の出力電流を検出する回路に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
一定の出力電圧を生成する電源装置は、様々な電子機器において広く使用されている。そして、しばしば、そのような電源装置の出力電流を検出する機能が要求される。例えば、出力電流をモニタすることにより、その電源装置から電力を受け取る回路の故障や、出力線の断線等を検出することができる。
【０００３】
電源装置の出力電流を検出する方法としては、従来より、下記の形態が採用されている。
１．電源装置の出力部にシャント抵抗を設け、そのシャント抵抗の両端電圧（即ち、そのシャント抵抗における電圧降下）に基づいて出力電流を検出する（例えば、特許文献１参照。）。
２．電流センサを用いて直接的に出力電流を検出する。なお、電流センサとしては、例えば、ホール素子を利用したものが広く知られている。この場合、出力電流に起因して発生する磁力線をモニタすることよって、その出力電流が検出される。
３．カレントトランスを利用して出力電流を検出する。この場合、電源装置の出力電流をカレントトランスの１次側巻線を介して流す。そして、そのときに２次側巻線に発生する信号に基づいて出力電流が検出される（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２０６１１９号公報（図１、段落００１０、００１４）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−２５２４３号公報（図１、段落００２５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、シャント抵抗を用いる構成では、そのシャント抵抗において損失が発生するので、電源装置としての効率が低下するだけでなく、発熱量も大きくなってしまう。従って、特に、大電流を出力する電源装置には好ましくない。
【０００７】
また、電流センサを利用する構成では、電源装置自体のコストが上昇すると共に、電流センサを配置するためのスペースが必要になる。特に、ホール素子等を利用したハーネスクランプ型の電流センサの場合は、ハーネスの引回し等のために内部構造が複雑になってしまう。
【０００８】
さらに、カレントトランスを利用する構成でも、電源装置自体のコストが上昇すると共に、そのトランスを配置するためのスペースが必要になる。なお、カレントトランスを利用する構成は、交流電流を検出する場合にのみ利用できる。
このように、従来の技術で電源装置の出力電流を検出しようとすると、上述のような問題が生じていた。
【０００９】
本発明は、電源装置の効率を低下させることなく、コストの上昇を抑え、且つ電源装置の小型化に寄与するような構成で出力電流を検出する機能を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の出力電流検出回路は、コイルを用いてＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する電源装置の出力電流を検出する回路であって、ＰＷＭ制御において使用されるパルス信号のデューティを検出するデューティ検出手段と、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて前記電源装置の出力電流を検出する電流検出手段、を有する。そして、前記電源装置は、通常動作時においては、ＰＷＭのデューティが一定であり且つコイル電流がゼロにならない連続モードで動作すると共に、負荷により要求される電流が小さくなったときには、各ＰＷＭサイクル内でコイル電流がゼロになる期間が生じる不連続モードで動作する。また、前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて前記電源装置の出力電流を検出する。
【００１１】
この構成によれば、シャント抵抗を用いることなく出力電流を検出するので、電源装置の効率が低下することはない。また、上記デューティ検出手段および電流検出手段は、上記パルス信号を生成する回路の中に形成できるので、電源装置の内部構成が複雑になることはなく、電源装置の小型化を図ることができる。さらに、この構成によれば、出力電流がある所定の電流値よりも小さくなっているか否かを容易に検出できる。
【００１２】
なお、前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記電源装置の出力線が異常であると判定するようにしてもよい。この構成によれば、出力線に断線等の異常が発生してないかを容易に検出できる。
【００１３】
また、上記デューティ検出手段は、上記パルス信号がＨレベルまたはＬレベルの一方であるときにコンデンサを充電すると共にそのパルス信号がＨレベルまたはＬレベルの他方であるときに上記コンデンサを放電させる充放電手段を備え、そのコンデンサの電圧を用いて上記デューティを検出するようにしてもよい。この構成によれば、抵抗およびコンデンサ等による簡単な回路で上記パルス信号のデューティを検出できる。
【００１４】
本発明の電源装置は、ＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する構成であって、ＰＷＭ制御において使用されるパルス信号に従って入力電力を通過／遮断するスイッチング回路と、前記スイッチング回路に接続されたコイルと、出力電圧が予め決められた一定の値に保持されるように前記パルス信号を生成するＰＷＭ制御手段と、前記パルス信号のデューティを検出するデューティ検出手段と、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて出力電流を検出する電流検出手段、を有する。そして、前記電源装置は、通常動作時においては、ＰＷＭのデューティが一定であり且つコイル電流がゼロにならない連続モードで動作すると共に、負荷により要求される電流が小さくなったときには、各ＰＷＭサイクル内でコイル電流がゼロになる期間が生じる不連続モードで動作する。また、前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて出力電流を検出する。なお、この電源装置において出力電流を検出する機能は、上述した出力電流検出回路と同じである。また、この構成を導入すれば、小型で変換効率のよい電源装置が実現される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態の電流検出回路が使用される電源装置のブロック図である。ここで、この電源装置は、出力段に平滑コイルを備え、ＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する装置である。なお、ここでは、そのような電源装置の一例として、ＤＣ／ＤＣ変換器を採り上げる。
【００１６】
ＰＷＭスイッチング素子部（スイッチング回路）１は、１または複数のスイッチング素子を備え、制御回路部１０により生成されるＰＷＭ制御のためのパルス信号に従って入力電力を通過／遮断する。具体的には、例えば、与えられたパルス信号がＨレベルのときは入力電力を出力側へ導き、その信号がＬレベルのときは入力された電力を遮断する。
【００１７】
整流部２は、例えば、ダイオードまたはスイッチング素子、或いはそれらの組合せにより構成されており、ＰＷＭスイッチング素子部１の出力を整流する。なお、図１においては特に図示してないが、入力側と出力側とを直流的に絶縁するトランスが設けられる構成であってもよい。
【００１８】
平滑コイルＬは、電気エネルギーを一時的に蓄えながらそのエネルギーを出力側に伝達することにより、整流部２の出力を平滑化する。また、出力コンデンサＣ１は、出力電流を平均化する。
制御回路部１０は、ＰＷＭ制御回路（ＰＷＭ制御手段）１１、デューティ検出部（デューティ検出手段）１２、電流検出部（電流検出手段）１３を備え、ＰＷＭスイッチング素子部１の動作を制御すると共に、当該電源装置の出力電流を検出する機能を備える。なお、制御回路部１０は、例えば、１つのＩＣチップ上の形成されるようにしてもよい。
【００１９】
ＰＷＭ制御回路１１は、当該電源装置の出力電圧をモニタし、その電圧が予め決められている一定の値に保持されるようにＰＷＭ制御のためのパルス信号を生成してＰＷＭスイッチング素子部１に与える。また、デューティ検出部１２は、ＰＷＭ制御回路１１により生成されるパルス信号のデューティを検出する。さらに、電流検出部１３は、デューティ検出部１２により検出されたデューティに基づいて、当該電源装置の出力電流（本実施例では、後述する図４に示す臨界点以下の電流）を検出する。
【００２０】
このように、実施形態の電流検出回路は、シャント抵抗を用いることなく出力電流を検出するので、電源装置の効率が低下することはない。また、実施形態の電流検出機能は、ホール素子等を利用した電流センサやカレントトランスを用いることなく、制御回路部１０の中に形成されるので、電源装置の内部構成が複雑になることはなく、電源装置の小型化に寄与する。
【００２１】
図２は、ＰＷＭ制御について説明する図である。ＰＷＭ制御においては、上述したように、パルス信号を用いてＰＷＭスイッチング素子部１のオン／オフ状態が制御される。このとき、コイル電流（平滑コイルＬを介して流れる電流）は、ＰＷＭスイッチング素子部１の状態に従って変化する。即ち、コイル電流は、ＰＷＭスイッチング素子部１がオン状態の期間は直線的に増加していき、それがオフ状態の期間は直線的に減少していく。そして、この動作が繰り返されることにより出力電流が生成される。なお、出力電流は、コイル電流を平均化した電流である。そして、ここでは、出力電流が所定値よりも大きく、コイル電流の最小値または極小値が常に０（ゼロ）よりも大きくなっているものとする。
【００２２】
また、出力電流（すなわち、当該電源装置に接続される負荷が要求する電流）が安定している場合には、パルス信号のデューティは変化しない。すなわち、図２に示すように、出力電流１が要求されているときはコイル電流１が生成され、出力電流２が要求されているときにはコイル電流２が生成されるが、この場合、パルス信号のデューティは互いに同じである。
【００２３】
他方、図１に示す電源装置の出力電圧は、下記（１）式で表すことができる。なお、ここでは、出力電圧を「Ｖout」、入力電圧を「Ｖin」、トランスの巻線比（２次側巻数／１次側巻数）を「Ｎ」、ＰＷＭスイッチング素子部１のＯＮ時間およびＯＦＦ時間をそれぞれ「Ｔon」および「Ｔoff」と表すものとする。また、以降の説明では、装置の効率を考えない（効率１００パーセント）ものとする。
Ｖout＝Ｖin×Ｎ×Ｔon／（Ｔon＋Ｔoff） ・・・（１）
ここで、パルス信号のデューティを「Ｄ」、スイッチング周期を「Ｔ」と表すものとすると、ＰＷＭスイッチング素子部１のＯＮ時間およびＯＦＦ時間は、それぞれ「Ｔon＝Ｔ×Ｄ」および「Ｔoff＝Ｔ×（１−Ｄ）」と表される。そうすると、上記（１）式は、下記（２）式のように書き換えることができる。また、パルス信号のデューティは、下記（３）式で表される。
Ｖout＝Ｖin×Ｎ×Ｄ ・・・（２）
Ｄ＝Ｖout／（Ｖin×Ｎ） ・・・（３）
このように、図１に示す電源装置においては、ＰＷＭ制御回路１１により生成されるパルス信号のデューティは、コイル電流や出力電流には依存することはなく、入力電圧Ｖin、出力電圧Ｖout、トランスの巻線比Ｎに依存する。ここで、出力電圧Ｖoutは一定の値に保持され、また、トランスの巻線比Ｎは変化しない。よって、入力電圧Ｖinが一定であるものとすると、パルス信号のデューティも一定である（図２）。
【００２４】
ところが、負荷が要求する電流が小さくなることに応じて出力電流が所定値よりも小さくなると、図３に示すように、コイル電流が０（ゼロ）になる期間が発生するようになる。そして、この場合、ＰＷＭスイッチング素子部１のＯＮ時間は、図２に示したＯＮ時間よりも短くなる。すなわち、この場合、パルス信号のデューティが小さくなる。
【００２５】
また、図３に示す状態で電源装置が動作するときは、出力電圧は下記（４）式で表される。なお、ここでは、平滑コイルＬのインダクタンスを「Ｌ」、出力電流を「Ｉout」を表すものとする。
Ｖout＝（Ｖin×Ｎ×Ｔon）2／（Ｖin×Ｎ×Ｔon2＋２×Ｌ×Ｉout×Ｔ）
・・・（４）よって、この場合、パルス信号のデューティは、下記（５）式で表すことができる。
【００２６】
【数１】
このように、図３に示すように、出力電流が所定値よりも小さくなり、コイル電流が０（ゼロ）になる期間が発生するようになると、パルス信号のデューティは、出力電流に依存するようになる。換言すれば、図３に示す動作状態においては、パルス信号のデューティをモニタすることで出力電流を検出することができる。そこで、実施形態の電流検出回路は、デューティ検出部１２を用いてＰＷＭ制御のためのパルス信号のデューティを検出し、電流検出部１３が、そのデューティに基づいて電源装置の出力電流を検出するようにしている。
【００２８】
なお、図２に示した動作状態（連続モード：コイル電流が常に０（ゼロ）よりも大きい動作モード）と、図３に示した動作状態（不連続モード：コイル電流が０（ゼロ）になる期間が発生する動作モード）との境界条件（図４参照）においては、出力電流は下記（６）式により表される。また、その場合のパルス信号のデューティは、下記（７）式により表される。
Ｉout＝Ｖout×Ｔoff／２Ｌ
＝Ｖout×Ｄ（１−Ｔ）／２Ｌ ・・・（６）
Ｄ＝２Ｌ×Ｉout／（Ｖout×（１−Ｔ）） ・・・（７）
図５は、実施形態の電流検出回路の一例の回路図である。なお、実施形態の電流検出回路は、上述したように、デューティ検出部１２および電流検出部１３により構成され、制御回路部１０の中に設けられている。また、ＰＷＭ制御回路１１は、出力トランジスタＱ１を備えており、その出力トランジスタＱ１を利用してＰＷＭ制御のためのパルス信号を出力する。
【００２９】
デューティ検出部１２は、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、コンデンサＣ２を備え、これらの素子により充放電回路（充放電手段）を構成している。すなわち、パルス信号がＨレベルの期間は、電源Ｖccにより生成される電流がダイオードＤ１および抵抗Ｒ１を介して流れ、その電流によりコンデンサＣ２が充電される。すなわち、この期間は、コンデンサＣ２の両端電圧は上昇していく。一方、パルス信号がＬレベルの期間は、コンデンサＣ２に蓄積されている電荷は抵抗Ｒ２を介して放電される。すなわち、この期間は、コンデンサＣ２の両端電圧は低下していく。この結果、コンデンサＣ２の両端電圧は、概ね、ＰＷＭ制御回路１１により生成されるパルス信号のデューティに対応する値に保持されることになる。
【００３０】
電流検出部１３は、コンパレータ２１、抵抗Ｒ３、Ｒ４を備える。そして、コンパレータ２１の＋端子には、電源Ｖccにより生成される電圧を抵抗Ｒ３、Ｒ４で分圧することにより得られる閾値電圧が与えられる。一方、コンパレータ２１の−端子には、コンデンサＣ２の両端電圧が与えられる。ここで、コンデンサＣ２の両端電圧は、ＰＷＭ制御回路１１により生成されるパルス信号のデューティを表す。したがって、このコンパレータ２１は、上記パルス信号のデューティが上記閾値電圧に対応する閾値より大きいか否かを判断できる。
【００３１】
なお、抵抗Ｒ３、Ｒ４により設定される閾値は、図２に示す連続モードで動作している期間におけるデューティよりも小さい所定のデューティを表すものとする。すなわち、上記（３）式により表されているデューティよりも小さい所定のデューティに対応する閾値が設定される。
【００３２】
このような構成において、上述したように、電源装置の出力電流が図４に示す境界条件における電流よりも小さいときは、すなわち図３に示すような不連続モードで動作しているときは、パルス信号のデューティは出力電流に応じて変化する。そして、この場合、上記（５）式に表されているように、出力電流が小さくなると、それに伴ってパルス信号のデューティも値小さくなっていく。したがって、上述のような閾値を設定すれば、コンパレータ２１の出力をモニタすることにより、出力電流がある所定の電流値よりも小さくなっているか否かを検出できる。そして、出力線に断線等の異常が発生してないかを検出できる。
【００３３】
このように、実施形態の電流検出回路は、パワー回路部内に電流を検出するための回路部品を挿入する必要がないので、特に、大電力の電源装置の場合は、変換効率の向上、回路サイズの小型化、製造コストの低減に寄与する。
なお、図５に示す例では、出力電流がある所定の電流値よりも小さくなっているか否かを検出しているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、電源装置が図３に示す不連続モードで動作している期間は、上記（５）式に表されているように、出力電流がパルス信号のデューティに対応するので、デューティ検出部１２の出力をモニタすることにより出力電流を検出できる。
【００３４】
また、本発明の電流検出回路は、降圧型ＤＣ／ＤＣ変換器、昇圧型ＤＣ／ＤＣ変換器、反転型ＤＣ／ＤＣ変換器のいずれにも適用可能できる。特に、反転型ＤＣ／ＤＣ変換器は、その出力電流がパルス信号のデューティに比例するので、そのまま適用できる。
【００３５】
さらに、本発明の電流検出回路は、出力電圧を一定の値に保持する構成であれば、ＤＣ／ＤＣ変換器だけでなく、ＡＣ／ＤＣ変換器にも適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、電源装置の効率を低下させることなく出力電流を検出することができる。また、電源装置の出力電流を検出する機能を実現するうえで、装置の小型化および低コスト化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の電流検出回路が使用される電源装置のブロック図である。
【図２】ＰＷＭ制御について説明する図である。
【図３】出力電流が所定値よりも小さい場合の動作を説明する図である。
【図４】出力電流が境界値である場合の動作を説明する図である。
【図５】実施形態の電流検出回路の一例の回路図である。
【符号の説明】
１ ＰＷＭスイッチング素子部（スイッチング回路）
２ 整流部
１０ 制御回路部
１１ ＰＷＭ制御回路（ＰＷＭ制御手段）
１２ デューティ検出部（デューティ検出手段）
１３ 電流検出部（電流検出手段）
２１ コンパレータ
Claims (4)
- コイルを用いてＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する電源装置の出力電流を検出する回路であって、
ＰＷＭ制御において使用されるパルス信号のデューティを検出するデューティ検出手段と、
前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて前記電源装置の出力電流を検出する電流検出手段、を備え、
前記電源装置は、通常動作時においては、ＰＷＭのデューティが一定であり且つコイル電流がゼロにならない連続モードで動作すると共に、負荷により要求される電流が小さくなったときには、各ＰＷＭサイクル内でコイル電流がゼロになる期間が生じる不連続モードで動作し、
前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて前記電源装置の出力電流を検出する
ことを特徴とする出力電流検出回路。 - コイルを用いてＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する電源装置の出力電流を検出する回路であって、
ＰＷＭ制御において使用されるパルス信号のデューティを検出するデューティ検出手段と、
前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて前記電源装置の出力電流を検出する電流検出手段、を備え、
前記電源装置は、通常動作時においては、ＰＷＭのデューティが一定であり且つコイル電流がゼロにならない連続モードで動作すると共に、負荷により要求される電流が小さくなったときには、各ＰＷＭサイクル内でコイル電流がゼロになる期間が生じる不連続モードで動作し、
前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記電源装置の出力線が異常であると判定する
ことを特徴とする出力電流検出回路。 - 請求項１に記載の出力電流検出回路であって、
前記デューティ検出手段は、前記パルス信号がＨレベルまたはＬレベルの一方であるときにコンデンサを充電すると共にそのパルス信号がＨレベルまたはＬレベルの他方であるときに前記コンデンサを放電させる充放電手段を備え、そのコンデンサの電圧を用いて前記デューティを検出する。 - ＰＷＭ制御で一定の出力電圧を生成する電源装置であって、
ＰＷＭ制御において使用されるパルス信号に従って入力電力を通過／遮断するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路に接続されたコイルと、
出力電圧が予め決められた一定の値に保持されるように前記パルス信号を生成するＰＷＭ制御手段と、
前記パルス信号のデューティを検出するデューティ検出手段と、
前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて出力電流を検出する電流検出手段、を備え、
前記電源装置は、通常動作時においては、ＰＷＭのデューティが一定であり且つコイル電流がゼロにならない連続モードで動作すると共に、負荷により要求される電流が小さくなったときには、各ＰＷＭサイクル内でコイル電流がゼロになる期間が生じる不連続モードで動作し、
前記電流検出手段は、前記デューティ検出手段により検出されたデューティが、前記連続モードで動作しているときのデューティよりも小さいデューティ閾値よりも小さいときには、前記デューティ検出手段により検出されたデューティに基づいて出力電流を検出する
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
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