JP4946357B2

JP4946357B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4946357B2
Application number: JP2006297299A
Authority: JP
Inventors: 和俊嶋田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: JP2008118737A

Description

本発明は、複数のスイッチング電源を用いた電源装置に関し、フィルタの構成部品の大きさ及びコストを抑えると共に故障等によりノイズが増大しているスイッチング電源の特定を容易にすることが可能な電源装置に関する。

半導体試験装置等のシステムにおいては多種多様な電源が使用されている。デジタル系の電源は半導体部品の低電圧化もあり、主に”３．３Ｖ”や”２．５Ｖ”等の電圧が使用され、アナログ系の電源は”±１５Ｖ”や”±４８Ｖ”等のようにプラス電圧だけでなく、マイナス電圧も必要とされることが多い。

また、以前は、アナログ系の測定部にはノイズの影響を避けるため、シリーズ電源が使用されることが多かったが、近年、システムの小型化やコスト削減により、シリーズ電源に代わりスイッチング電源を使用することが多くなってきた。

従来の電源装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平１０−１４６０４４号公報

図２はこのような従来の電源装置を示す構成ブロック図である。図２において、スイッチング電源１は交流電圧が入力され、直流電圧を出力するＡＣ／ＤＣコンバータであり、フィルタ２はローパスフィルタでスイッチング電源１からの出力が入力される。

スイッチング電源３、スイッチング電源５及びスイッチング電源７は直流電圧が入力され、直流電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータであり、フィルタ２からの出力がそれぞれ入力される。

フィルタ４はローパスフィルタでスイッチング電源３からの出力が入力され、フィルタ６はローパスフィルタでスイッチング電源５からの出力が入力される。また、フィルタ８はローパスフィルタでスイッチング電源７からの出力が入力される。

スイッチング電源１、フィルタ２、スイッチング電源３、フィルタ４、スイッチング電源５、フィルタ６、スイッチング電源７、フィルタ８は複数系統の電圧を出力することができる電源装置１００を構成している。

図２に示す従来例の動作を説明する。スイッチング電源１のスイッチング周波数を”Ｆ₁”とすると、スイッチング電源１からの出力には周波数”Ｆ₁”のノイズ成分が含まれる。このノイズ成分を除去するために、フィルタ２のカットオフ周波数は”Ｆ₁”より低い値となる。

また、スイッチング電源３のスイッチング周波数を”Ｆ₂”、スイッチング電源５のスイッチング周波数を”Ｆ₃”及びスイッチング電源７のスイッチング周波数を”Ｆ₄”とする。スイッチング電源３からの出力にはスイッチング周波数”Ｆ₂”のノイズ成分に加えて、スイッチング電源１、スイッチング電源５、若しくは、スイッチング電源７のスイッチング周波数との差分のノイズ、すなわち、ビートノイズも含まれる。

具体的には、スイッチング電源３の出力には、自身のスイッチング周波数である”Ｆ₂”、スイッチング電源１のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₁−Ｆ₂｜”、スイッチング電源５のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₂−Ｆ₃｜”、スイッチング電源７のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₂−Ｆ₄｜”等のノイズ成分が含まれる。

このようなノイズ成分を除去するために、フィルタ４のカットオフ周波数は、”Ｆ₂”、”｜Ｆ₁−Ｆ₂｜”、”｜Ｆ₂−Ｆ₃｜”及び”｜Ｆ₂−Ｆ₄｜”の中で一番低い周波数を”Ｆ_X1”とすると、”Ｆ_X1”よりも低く設定される。

また、スイッチング電源５の出力には、自身のスイッチング周波数である”Ｆ₃”、スイッチング電源１のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₁−Ｆ₃｜”、スイッチング電源３のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₂−Ｆ₃｜”、スイッチング電源７のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₃−Ｆ₄｜”等のノイズ成分が含まれる。

このようなノイズ成分を除去するために、フィルタ６のカットオフ周波数は、”Ｆ₃”、”｜Ｆ₁−Ｆ₃｜”、”｜Ｆ₂−Ｆ₃｜”及び”｜Ｆ₃−Ｆ₄｜”の中で一番低い周波数を”Ｆ_X2”とすると、”Ｆ_X2”よりも低く設定される。

同様に、スイッチング電源７の出力には、自身のスイッチング周波数である”Ｆ₄”、スイッチング電源１のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₁−Ｆ₄｜”、スイッチング電源３のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₂−Ｆ₄｜”、スイッチング電源５のスイッチング周波数との差分の”｜Ｆ₃−Ｆ₄｜”等のノイズ成分が含まれる。

このようなノイズ成分を除去するために、フィルタ８のカットオフ周波数は、”Ｆ₃”、”｜Ｆ₁−Ｆ₃｜”、”｜Ｆ₂−Ｆ₃｜”及び”｜Ｆ₃−Ｆ₄｜”の中で一番低い周波数を”Ｆ_X3”とすると、”Ｆ_X3”よりも低く設定される。

この結果、ビートノイズを含めたノイズの中で一番低い周波数よりも低いカットオフ周波数を持つフィルタが各スイッチング電源の出力に設けられたことにより、各スイッチング電源の出力に含まれる複数のノイズ成分を除去することが可能になる。

しかし、図２に示す従来例では、フィルタのカットオフ周波数がビートノイズを含めたノイズの中で一番低い周波数よりも低いため、フィルタの構成部品が大きくなり、さらにコストも高くなるという問題があった。一般に、ローパスフィルタの場合、カットオフ周波数が低くなるほど時定数が大きくなるので、構成部品が大きくなり、コストも高くなる。

また、図２に示す従来例では、スイッチング電源３、スイッチング電源５及びスイッチング電源７のスイッチング周波数が同じ場合には、各スイッチング電源の出力には同じ周波数のノイズ成分が現れる。もし、故障等により、これらのスイッチング電源の中の少なくとも１つのスイッチング電源の出力ノイズが増大した場合には、ノイズ成分が同じなので、故障しているスイッチング電源を特定するのが困難であるという問題があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、フィルタの構成部品の大きさ及びコストを抑えると共に故障等によりノイズが増大しているスイッチング電源の特定を容易にすることが可能な電源装置を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
複数のスイッチング電源を用いた電源装置において、
基準周波数の整数倍の周波数を持つ複数の信号を前記複数のスイッチング電源に分配するように出力する信号発生手段と、前記分配された信号をそれぞれ用いてスイッチング動作を行う前記複数のスイッチング電源とを備え、前記信号発生手段が、前記複数の信号のうち任意の信号の出力を停止することができることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の電源装置において、
前記信号発生手段が、
信号を発生する発振器と、前記信号を分周して前記基準周波数の整数倍の周波数を持つ信号を出力する分周器とから構成されることを特徴とする。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１、請求項２及び請求項３の発明によれば、基準周波数の整数倍の周波数を持つ信号を信号発生手段から出力し、各スイッチング電源がこの信号を用いてスイッチング動作することにより、各スイッチング電源の出力に含まれるビートノイズの最小周波数が基準周波数となり、この基準周波数を許容範囲内で高く設定することができるので、フィルタの構成部品の大きさ及びコストを抑えることが可能になる。

請求項４の発明によれば、任意のスイッチング電源に対して信号発生手段からの信号を停止させると共にそのスイッチング電源を自励発振によりスイッチング動作させ、他のスイッチング電源は信号発生手段からの信号によりスイッチング動作させることにより、任意のスイッチング電源以外はスイッチング周波数が基準周波数の整数倍で動作し、任意のスイッチング電源は異なる周波数で動作するので、故障等によりノイズが増大しているスイッチング電源の特定を容易にすることが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る電源装置の一実施例を示す構成ブロック図である。図１において発振器９は、式（１）に示すように基準となる周波数”Ｆ_min”のＭ倍（Ｍは整数）の周波数”Ｆ_osc”の信号を発生させる。

ここで、基準となる周波数”Ｆ_min”は、後述するように、スイッチング電源１３、スイッチング電源１５及びスイッチング電源１７から出力されるビートノイズの最小周波数となるので、フィルタ１４、フィルタ１６及びフィルタ１８を構成する部品の選定が”Ｆ_min”に依存する。

そのため、各フィルタを構成する部品が予め決められている実装面積に収まるように、”Ｆ_min”を決定しなければならない。また、この電源装置を使用するシステム（図示せず）で要求されるノイズレベルがある場合には、そのノイズレベルよりも出力ノイズが小さくなるように、各フィルタで十分減衰されるようにしなければならない。

分周器１０は４つのチャネルを持ち、スイッチング電源１１、スイッチング電源１３、スイッチング電源１５及びスイッチング電源１７の各スイッチング電源に信号を分配するように出力する。制御部１９はＣＰＵ（Central Processing Unit）等が搭載されていて発振器９及び分周器１０を制御する。

スイッチング電源１１は交流電圧が入力され、直流電圧を出力するＡＣ／ＤＣコンバータであり、フィルタ１２はローパスフィルタでスイッチング電源１１からの出力が入力される。スイッチング電源１３、スイッチング電源１５及びスイッチング電源１７は直流電圧が入力され、直流電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータであり、フィルタ１２からの出力がそれぞれ入力される。

フィルタ１４はローパスフィルタでスイッチング電源１３からの出力が入力され、フィルタ１６はローパスフィルタでスイッチング電源１５からの出力が入力される。また、フィルタ１８はローパスフィルタでスイッチング電源１７からの出力が入力される。

発振器９、分周器１０及び制御部１９は信号発生手段５０を構成し、スイッチング電源１１、フィルタ１２、スイッチング電源１３、フィルタ１４、スイッチング電源１５、フィルタ１６、スイッチング電源１７、フィルタ１８及び信号発生手段５０は複数系統の電圧を出力することができる電源装置１０１を構成している。

図１に示す実施例の動作を説明する。発振器９から出力された信号は分周器１０において分周され、各スイッチング電源にそれぞれ入力される。そして、各スイッチング電源は入力された信号に同期してスイッチング動作を行い、電圧を発生させる。

分周器１０から出力されるそれぞれの信号の周波数は、それぞれのスイッチング電源の定格に定められているスイッチング周波数の許容範囲内に入るように予め調整されている。

スイッチング電源１１へ入力される信号の周波数を”Ｆ₅”とし、分周器１０での分周比を”Ｎ₁”とすると、”Ｆ₅”は式（２）に示すようになる。ここで、Ｍ／Ｎ₁は整数とする。

スイッチング電源１１からの出力に含まれるノイズ成分を除去するために、フィルタ２のカットオフ周波数は”Ｆ₅”より低い値となる。

また、スイッチング電源１３へ入力される信号の周波数を”Ｆ₆”とし、分周器１０での分周比を”Ｎ₂”とすると、”Ｆ₆”は式（３）に示すようになる。ここで、Ｍ／Ｎ₂は整数とする。

また、スイッチング電源１５へ入力される信号の周波数を”Ｆ₇”とし、分周器１０での分周比を”Ｎ₃”とすると、”Ｆ₇”は式（４）に示すようになる。ここで、Ｍ／Ｎ₃は整数とする。

また、スイッチング電源１７へ入力される信号の周波数を”Ｆ₈”とし、分周器１０での分周比を”Ｎ₄”とすると、”Ｆ₈”は式（５）に示すようになる。ここで、Ｍ／Ｎ₄は整数とする。

以上より、スイッチング電源１３、スイッチング電源１５及びスイッチング電源１７の出力に含まれるノイズ成分”Ｆ_noise”は、各スイッチング電源のスイッチング周波数の差分となるので、”Ｆ_min”、若しくは、”ｉ×Ｆ_min”（ｉは整数）となる。

そして、スイッチング電源１３、スイッチング電源１５及びスイッチング電源１７の出力に含まれるノイズ成分”Ｆ_noise”のうち最小周波数は”Ｆ_min”となるので、フィルタ１４、フィルタ１６及びフィルタ１８のカットオフ周波数は”Ｆ_min”より低く設定されていればよい。

例えば、”Ｍ＝１”、”Ｎ₁＝Ｎ₂＝Ｎ₃＝Ｎ₄＝１”の場合、すなわち、分周器１０から各スイッチング電源へ入力される信号の周波数が全て”Ｆ_min”である場合には、各スイッチング電源でのスイッチング周波数は”Ｆ_min”となり、各スイッチング電源間でのビートノイズは発生しないので、フィルタ１４、フィルタ１６及びフィルタ１８のカットオフ周波数は”Ｆ_min”より低く設定されていればよい。

また、出力ノイズの高調波は、一般に、基本波の周波数に対して整数倍の周波数成分を持つので、各スイッチング電源のスイッチング周波数を基準周波数”Ｆ_min”の整数倍とすることで、各スイッチング電源から出力されるノイズの高調波とスイッチング周波数によるビートノイズも基準周波数”Ｆ_min”以上になる。

例えば、スイッチング電源１３へ入力される信号の周波数”Ｆ₆”を基準周波数”Ｆ_min”、スイッチング電源１５へ入力される信号の周波数”Ｆ₇”を基準周波数”Ｆ_min”の”１．５”倍の”１．５Ｆ_min”とする。この時、スイッチング電源１３の出力には”１．５Ｆ_min”と”Ｆ_min”の差分である”０．５Ｆ_min”の周波数を持つビートノイズが発生する。

さらに、スイッチング電源１３へ入力された基準周波数”Ｆ_min”の第４高調波の周波数が基準周波数”Ｆ_min”の”４”倍の”４Ｆ_min”となり、スイッチング電源１５へ入力された基準周波数”Ｆ_min”の第３高調波の周波数が”１．５Ｆ_min”の”３”倍の”４．５Ｆ_min”となるので、この差分の”０．５Ｆ_min”の周波数を持つビートノイズも発生する。

このように、各スイッチング電源へ入力する信号の周波数が基準周波数”Ｆ_min”の整数倍でない場合には、基準周波数”Ｆ_min”よりも低い周波数のビートノイズが発生してしまう。

しかし、各スイッチング電源へ入力する信号の周波数を基準周波数”Ｆ_min”の整数倍とすれば、この高調波成分も基準周波数”Ｆ_min”の整数倍となるので、高調波との間で発生するビートノイズの最小周波数は”Ｆ_min”に抑えることができる。

また、基準となる周波数”Ｆ_min”が高く設定されていれば、各フィルタを構成する部品は小さくなると共にコストを抑えることができる。

さらに、スイッチング電源１３、スイッチング電源１５及びスイッチング電源１７のそれぞれの出力電圧及び出力電流の範囲をカバーする部品があり、これらの部品を実装できるのであれば、フィルタ１４、フィルタ１６及びフィルタ１８は同じ部品で構成することができる。

次に、故障等によりスイッチング電源１３、スイッチング電源１５、若しくは、スイッチング電源１７のいずれか１台の出力ノイズが増大した場合の動作を説明する。このような場合に、任意のスイッチング電源に対して分周器１０からの信号入力を停止し、このスイッチング電源を自励発振により動作させ、その他のスイッチング電源は分周器１０からの信号で動作させることにより、ノイズが増大しているスイッチング電源を特定することができる。

各スイッチング電源の自励発振で動作する時のスイッチング周波数は分周器１０から出力される信号の周波数と異なるものとする。もし、自励発振で動作する時のスイッチング周波数と分周器１０からの出力される信号の周波数が同じ場合には、異なるように”Ｍ”、”Ｎ₁”、”Ｎ₂”、”Ｎ₃”、若しくは、”Ｎ₄”の値を調整する。

具体的には、分周器１０からスイッチング電源１３への信号入力を停止させ、スイッチング電源１３は自励発振で動作させる。スイッチング電源１５、スイッチング電源１７は分周器１０からの信号で動作させる。スイッチング電源１１は常に分周器１０からの信号で動作させる。この時のスイッチング電源１３の出力ノイズを測定する。

次に、分周器１０からスイッチング電源１５への信号入力を停止させ、スイッチング電源１５は自励発振で動作させる。スイッチング電源１３、スイッチング電源１７は分周器１０からの信号で動作させる。この時のスイッチング電源１５の出力ノイズを測定する。

最後に、分周器１０からスイッチング電源１７への信号入力を停止させ、スイッチング電源１７は自励発振で動作させる。スイッチング電源１３、スイッチング電源１５は分周器１０からの信号で動作させる。この時のスイッチング電源１７の出力ノイズを測定する。

以上のように、あるスイッチング電源のみ自励発振で動作させ、その他のスイッチング電源は分周器１０からの信号で動作させることにより、その他のスイッチング電源はスイッチング周波数が”Ｆ_min”、若しくは、”Ｆ_min”の整数倍で動作する。もし、故障等により、あるスイッチング電源の出力ノイズが増大している場合には、そのスイッチング電源のスイッチング周波数成分が大きく観測されるので、ノイズ増大の原因となっているスイッチング電源を特定し易い。

この結果、基準となる周波数”Ｆ_min”を”Ｍ”倍した周波数を持つ信号を発振器９から出力すると共にこの信号を分周器１０で分周し、各スイッチング電源がこの信号を用いてスイッチング動作することにより、各スイッチング電源の出力に含まれるビートノイズの最小周波数が”Ｆ_min”となり、この”Ｆ_min”を許容範囲内で高く設定することができるので、フィルタの構成部品の大きさ及びコストを抑えることが可能になる。

さらに、任意のスイッチング電源に対して分周器１０からの信号を停止させると共にそのスイッチング電源を自励発振によりスイッチング動作させ、他のスイッチング電源は分周器１０からの信号によりスイッチング動作させることにより、任意のスイッチング電源以外はスイッチング周波数が”Ｆ_min”、若しくは、”Ｆ_min”の整数倍で動作し、任意のスイッチング電源は異なる周波数で動作するので、故障等によりノイズが増大しているスイッチング電源の特定を容易にすることが可能になる。

なお、図１に示す実施例において信号発生手段５０は発振器９及び分周器１０で構成されているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、基準となる周波数”Ｆ_min”の整数倍の周波数を持つ信号を出力できるものであればよい。

また、図１に示す実施例において信号発生手段５０からの複数の出力信号をスイッチング電源１１、スイッチング電源１３、スイッチング電源１５及びスイッチング電源１７でそれぞれ用いているが、必ずしもこのようにする必要はなく、ある特定の周波数の信号を各スイッチング電源で共通に使用できるのであれば、信号発生手段５０からの出力を１つとし、この信号を各スイッチング電源で用いるようにしてもよい。

また、図１に示す実施例においてスイッチング電源を４つとしているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、スイッチング電源が複数あればよい。同様に、信号発生手段から出力される信号数（チャネル数）を４つとしているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、複数あればよい。ただし、信号発生手段のチャネル数がスイッチング電源の数より少ない場合には、複数のスイッチング電源に同じ信号が入力されることになる。

本発明に係る電源装置の一実施例を示す構成ブロック図である。従来の電源装置を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１，３，５，７，１１，１３，１５，１７スイッチング電源
２，４，６，８，１２，１４，１６，１８フィルタ
９発振器
１０分周器
１９制御部
５０信号発生手段
１００，１０１電源装置

Claims

複数のスイッチング電源を用いた電源装置において、
基準周波数の整数倍の周波数を持つ複数の信号を前記複数のスイッチング電源に分配するように出力する信号発生手段と、
前記分配された信号をそれぞれ用いてスイッチング動作を行う前記複数のスイッチング電源とを備え、
前記信号発生手段が、前記複数の信号のうち任意の信号の出力を停止することができることを特徴とする電源装置。
前記信号発生手段が、
信号を発生する発振器と、
前記信号を分周して前記基準周波数の整数倍の周波数を持つ信号を出力する分周器とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。