JP4976797B2

JP4976797B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP4976797B2
Application number: JP2006260361A
Authority: JP
Inventors: 和行渡邊; 健米内口
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP2007124886A

Description

本発明は、目標電圧に応じた基準スイッチング周波数でスイッチング手段を動作させるスイッチング電源装置に関する。

一般に、目標電圧に応じた基準スイッチング周波数でスイッチング手段を動作させることにより、入力電圧を前記目標電圧に調整して出力する電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のスイッチング電源装置では、入力電圧を目標電圧に調整して出力する際に、この目標電圧に対応した基準スイッチング周波数を規定し、この基準スイッチング周波数でスイッチング手段を動作させている。
特開２００１−２９８９５２号公報

しかし、従来の構成では、基準スイッチング周波数は目標電圧に応じて規定された単一の周波数であるため、この基準スイッチング周波数でスイッチング手段を動作させた場合には、この基準スイッチング周波数、及び当該基準スイッチング周波数の高調波成分（第２高調波、第３高調波など）が、それぞれ特定の周波数に集中してしまい、それがノイズとなって他の機器に悪影響を及ぼすといった問題があった。

そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング手段を基準スイッチング周波数で動作させる際に発生するノイズを低減化するスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、目標電圧に応じた基準スイッチング周波数でスイッチング手段を動作させることにより、入力電圧を前記目標電圧に調整して出力するスイッチング電源装置において、前記基準スイッチング周波数を含む所定周波数の範囲で、前記スイッチング手段を動作させるスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数変更手段を備え、前記スイッチング周波数変更手段は、コンデンサとこのコンデンサの一端にカソード側が接続されたダイオードとを有し、前記基準スイッチング周波数を規定する周波数規定部と、この周波数規定部の静電容量に応じたスイッチング周波数で前記スイッチング手段を動作させるスイッチング制御手段と、前記ダイオードに逆電圧であり、変化させられた制御電圧を印加し、前記静電容量を変更する電圧供給部と、を備えることを特徴とする。

この場合において、前記スイッチング周波数変更手段は、前記スイッチング周波数を連続的あるいは断続的に変更する構成としても良い。また、前記スイッチング周波数変更手段は、前記スイッチング周波数を周期的に変更する構成としても良い。

本発明によれば、基準スイッチング周波数を含む所定周波数の範囲でスイッチング手段を動作させるスイッチング周波数を変更することにより、このスイッチング周波数成分に基づくノイズを分散化することができるため、このノイズが他の機器に及ぼす影響を抑制できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置１の構成を示すブロック図である。このスイッチング電源装置１は、スイッチングトランジスタ素子などのスイッチ（スイッチング手段）１１を動作させることにより、入力された直流電流を交流に変換し、これを平滑化することによって再び直流に変換して出力する電源装置である。

スイッチング電源装置１は、所定のスイッチング周波数Ｆｓｗに基づいてオンオフ動作をするスイッチ１１と、このスイッチ１１を介して出力された交流のスイッチング電圧Ｖｓｗを平滑化するためのＬＣフィルタ１２と、このＬＣフィルタ１２を通じて出力される電圧値を検出する出力検出器１３と、上記スイッチング周波数Ｆｓｗを変更して上記スイッチ１１に出力するスイッチング周波数変更部（スイッチング周波数変更手段）１０とを備える。

本実施形態では、このスイッチング周波数変更部１０に特徴を有する。このスイッチング周波数変更部１０は、目標電圧に応じて規定された基準スイッチング周波数を含む所定の範囲内で、上記スイッチング周波数Ｆｓｗを連続的に変更して出力するものである。このスイッチング周波数変更部１０は、目標電圧に応じた基準スイッチング周波数を規定する周波数規定部２１と、この周波数規定部２１の静電容量に応じたスイッチング周波数Ｆｓｗでスイッチ１１を動作させるスイッチング制御手段としてのＤＣ−ＤＣコントローラ２０と、周波数規定部２１に制御電圧を印加する電圧供給部２２とを備える。周波数規定部２１は、コンデンサとダイオードとの組み合わせにより構成されており、これらコンデンサとダイオードとの合成静電容量に応じたスイッチング周波数ＦｓｗをＤＣ−ＤＣコントローラ２０に出力させる。

詳述すると、周波数規定部２１は、第１ダイオード２３と第２ダイオード２４とコンデンサ２５とを備える。このコンデンサ２５の一端は接地されており、他端にはそれぞれ第１ダイオード２３及び第２ダイオード２４のカソード側が接続されている。第１ダイオード２３のアノード側にはＤＣ−ＤＣコントローラ２０が接続され、第２ダイオード２４のアノード側には電圧供給部２２が接続されている。ここで、第２ダイオード２４は、電圧供給部２２への電流の逆流を防止するためのものである。
本構成では、第１ダイオード２３と、この第１ダイオード２３に直列接続されたコンデンサ２５との合成静電容量を変更させることによって、スイッチング周波数Ｆｓｗを変更している。一般にダイオードは、ダイオードに逆電圧を印加すると、その電圧値に反比例して当該ダイオードの静電容量値が減少するといった性質を有する事が知られている。このため、電圧供給部２２を介して、第１ダイオード２３のカソード側から逆方向に制御電圧を印加する際に、この制御電圧を変更することにより、上記第１ダイオード２３とコンデンサ２５との合成静電容量を変更させることができ、従って、この合成静電容量に応じてスイッチング周波数Ｆｓｗを変更させることができる。

電圧供給部２２は、図２に示すように、制御電圧を、最大電圧値Ａを頂点とする三角波状に周期的に変更させて出力するようになっている。この場合、制御電圧の最大値Ａ及び最小値Ｂ（本実施形態では０（Ｖ））は、ＬＣフィルタ１２を介して出力される電圧値が目標電圧の許容範囲内（例えば、プラスマイナス１％以内）に収まるように設定されている。

このように制御電圧の電圧値を周期的に変化させることにより、第１ダイオード２３とコンデンサ２５とに印加される電圧値が変更されるため、これら第１ダイオード２３とコンデンサ２５との合成静電容量が変更される。これによれば、周波数規定部２１は、図３に示すように、この合成静電容量に応じて、スイッチング周波数を下限周波数Ｆｓｗ^-から上限周波数Ｆｓｗ⁺の範囲内で変更してＤＣ−ＤＣコントローラ２０に出力させることができる。

スイッチング周波数変更部１０は、スイッチング周波数Ｆｓｗを下限周波数Ｆｓｗ^-から上限周波数Ｆｓｗ⁺の範囲内で変化させることにより、図４に示すように、このスイッチング周波数Ｆｓｗ及び当該スイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分（第２高調波、第３高調波など）が特定の周波数に集中することなく、それぞれ各高調波成分の下限周波数から上限周波数の範囲内（例えば、２Ｆｓｗ^-〜２Ｆｓｗ⁺、３Ｆｓｗ^-〜３Ｆｓｗ⁺など）に分散させるとともに、各周波数成分のレベルを低減させることもできる。このため、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分に基づいて発生するスイッチングノイズのレベルを低く抑えることができ、このノイズが他の機器に及ぼす影響を抑制することができる。
特に、本構成では、スイッチング周波数Ｆｓｗを変化させるための制御電圧を三角波状に周期的に変化させているため、当該スイッチング周波数Ｆｓｗも上記範囲内で周期的に変化している。これによれば、このスイッチング周波数Ｆｓｗを上記所定の範囲内で分散させることができるとともに、当該スイッチング周波数Ｆｓｗに基づいて動作するスイッチ１１の追従性を確保することができる。

本実施形態によれば、目標電圧に応じた基準スイッチング周波数でスイッチ１１を動作させることにより、入力電圧を目標電圧に調整して出力するスイッチング電源装置において、基準スイッチング周波数を含む所定周波数の範囲で、スイッチ１１を動作させるスイッチング周波数Ｆｓｗを変更するスイッチング周波数変更部１０を備えるため、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分が特定の周波数に集中することなく、それぞれ各高調波成分の下限周波数から上限周波数の範囲内に分散させるとともに、各周波数成分のレベルを低減させることもできる。このため、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分に基づいて発生するスイッチングノイズのレベルを低く抑えることができ、このノイズが他の機器に及ぼす影響を抑制することができる。特に、このスイッチング電源装置１を、例えば車載オーディオに搭載した場合には、スイッチング周波数Ｆｓｗ等に基づいて発生するスイッチングノイズが、車載オーディオのラジオ受信機等に悪影響を及ぼすことが防止される。これによれば、従来、スイッチングノイズ対策用に設けられていたフィルタ等が不要となるため、機器の製造コストの低下を図ることができる。

また、本実施形態によれば、スイッチング周波数変更部１０の電圧供給部２２は、制御電圧を変更することにより、第１ダイオード２３とコンデンサ２５との合成静電容量を変更するため、スイッチング周波数Ｆｓｗを下限周波数Ｆｓｗ^-から上限周波数Ｆｓｗ⁺の範囲内で変化させることができる。これによれば、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分が特定の周波数に集中することなく、それぞれ各高調波成分の下限周波数から上限周波数の範囲内に分散させるとともに、各周波数成分のレベルを低減させることもできる。このため、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分に基づいて発生するスイッチングノイズのレベルを低く抑えることができ、このノイズが他の機器に及ぼす影響を抑制することができる。

図５は、別の実施形態にかかるスイッチング電源装置５１を示す。
このスイッチング電源装置５１は、所定のスイッチング周波数Ｆｓｗに基づいてオンオフ動作をするスイッチ（スイッチング手段）５３と、このスイッチ５３を介して出力された交流のスイッチング電圧Ｖｓｗを平滑化するためのＬＣフィルタ５４と、このＬＣフィルタ５４を通じて出力される電圧値を基準電圧とを比較する誤差増幅器５５と、上記スイッチング周波数Ｆｓｗを変更してスイッチ５３に出力可能とするスイッチング周波数変更部（スイッチング周波数変更手段）５２とを備える。

スイッチング周波数変更部５２は、基準スイッチング周波数を生成させるためのクロック信号を出力する電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）６２と、この電圧制御発振器６２のクロック信号の発振周波数に基づいたスイッチング周波数Ｆｓｗで、スイッチ５３を動作させるスイッチング制御手段としてのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）６０と、電圧制御発振器６２に制御電圧を印加する電圧供給部６１とを備える。電圧制御発振器６２は、制御電圧の電圧値に応じてクロック信号の発振周波数を変更可能とするものである。ここで、スイッチング周波数Ｆｓｗは、クロック信号の発振周波数を整数倍したものが用いられているため、電圧供給部６１を介して制御電圧を変更することにより、クロック信号の発振周波数及びスイッチング周波数Ｆｓｗを変更するようになっている。これ以外の点は、上記実施形態とほぼ同一であるため、説明を省略する。

この実施形態によれば、電圧供給部６１を介して制御電圧を変更することにより、電圧制御発振器６２は、この制御電圧の電圧値に応じてクロック信号の発振周波数を変更することができる。このため、クロック信号の発振周波数の変更に伴い、この発振周波数の整数倍に設定されているスイッチング周波数Ｆｓｗを、上記実施形態と同様に、下限周波数Ｆｓｗ^-から上限周波数Ｆｓｗ⁺の範囲内で変更することができる。これによれば、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分が特定の周波数に集中することなく、それぞれ各高調波成分の下限周波数から上限周波数の範囲内に分散させるとともに、各周波数成分のレベルを低減させることもできる。このため、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分に基づいて発生するスイッチングノイズのレベルを低く抑えることができ、このノイズが他の機器に及ぼす影響を抑制することができる。特に、このスイッチング電源装置５１を、例えば車載オーディオに搭載した場合には、スイッチング周波数Ｆｓｗ等に基づいて発生するスイッチングノイズが、車載オーディオのラジオ受信機等に悪影響を及ぼすことが防止される。これによれば、従来、スイッチングノイズ対策用に設けられていたフィルタ等が不要となるため、機器の製造コストの低下を図ることができる。

図６は、別の実施形態にかかるスイッチング電源装置７１を示す。このスイッチング電源装置７１は、上記スイッチング電源装置１と比べて、スイッチング周波数変更部７２（スイッチング周波数変更手段）の構成が異なり、その他は同一の構成となっている。
このスイッチング周波数変更部７２は、基準スイッチング周波数を生成させるための制御信号Ｓを調整して出力するマイコン７３（制御信号調整手段）と、この制御信号Ｓに基づいたスイッチング周波数Ｆｓｗで上記スイッチ１１を動作させるＤＣ−ＤＣコントローラ７４（スイッチング制御手段）とを備える。
マイコン７３は、所定の基準クロックを出力するカウンタタイマ８１と、スイッチング周波数Ｆｓｗを所定周波数の範囲内で変更するように分周比を変更し、設定する分周比変更回路８２（分周比変更制御手段）と、この分周比変更回路８２にて変更された分周比に基づいて、上記基準クロックを分周して制御信号Ｓを出力する分周回路８３とを備える。

この分周回路８３は、図７に示すように、カウンタタイマ８１から出力された基準クロックを分周比変更回路８２により設定された分周比で分周して矩形波状の制御信号Ｓを生成する。この制御信号Ｓは、ハイレベル期間Ｈとローレベル期間Ｌとを一対備えて１サイクルＴとなっている。本実施形態では、分周回路８３は、分周比に応じてハイレベル期間Ｈの長さを変更し、このハイレベル期間Ｈに応じて１サイクルＴの期間が変更された（例えばＴ、Ｔ２、Ｔ３・・・）制御信号Ｓを生成し、出力するようになっている。
分周比変更回路８２は、上記分周比を所定サイクル（本実施形態では、１サイクル）ごとにランダムに変更して分周回路８３に出力している。この分周比は、ＬＣフィルタ１２を介して出力される電圧値が目標電圧の許容範囲内に収まるように設定された所定の範囲内で変更される。これによれば分周比を上記範囲内でランダムに変更することにより、この分周比に応じて変更されるスイッチング周波数Ｆｓｗを分散させることができるとともに、出力電圧値を目標電圧の許容範囲内に収めることができる。

この実施形態によれば、スイッチング周波数変更部７２は、スイッチング周波数Ｆｓｗが所定周波数内で変更するように、分周比を変更し、設定する分周比変更回路８２と、所定の基準クロックを分周比変更回路８２にて設定された分周比で分周して制御信号Ｓを生成する分周回路８３とを備えるため、この分周回路８３が分周比変更回路８２からの分周比に応じて制御信号Ｓを変更して出力する。これにより、ＤＣ−ＤＣコントローラ７４は、この制御信号Ｓに基づいて、スイッチング周波数Ｆｓｗを、上記実施形態と同様に、下限周波数Ｆｓｗ^-から上限周波数Ｆｓｗ⁺の範囲内で変更することができる。これによれば、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分が特定の周波数に集中することなく、それぞれ各高調波成分の下限周波数から上限周波数の範囲内に分散させるとともに、各周波数成分のレベルを低減させることもできる。
このため、スイッチング周波数Ｆｓｗ及びこのスイッチング周波数Ｆｓｗの高調波成分に基づいて発生するスイッチングノイズのレベルを低く抑えることができ、このノイズが他の機器に及ぼす影響を抑制することができる。特に、このスイッチング電源装置５１を、例えば車載オーディオに搭載した場合には、スイッチング周波数Ｆｓｗ等に基づいて発生するスイッチングノイズが、車載オーディオのラジオ受信機等に悪影響を及ぼすことが防止される。これによれば、従来、スイッチングノイズ対策用に設けられていたフィルタ等が不要となるため、機器の製造コストの低下を図ることができる。

また、この実施形態によれば、分周比変更回路８２は、分周比を１サイクルＴごとにランダムに変更するため、この分周比に応じて変更されるスイッチング周波数Ｆｓｗを分散させることができる。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、電圧供給部２２、６１は、制御電圧を三角波状に周期的に変更させて出力しているが、これに限るものではなく、正弦波状に周期的に変更させて出力する構成としても良い。

本実施形態にかかるスイッチング電源装置の構成を示したブロック図である。発振回路に印加される制御電圧の変化状態を示す模式図である。スイッチング周波数の上限及び下限を示した図である。スイッチング周波数が分散されている状態を示した図である。別の実施形態にかかるスイッチング電源装置の構成を示したブロック図である。別の実施形態にかかるスイッチング電源装置の構成を示したブロック図である。基準クロックと制御信号との関係を示した図である。

符号の説明

１、５１、７１スイッチング電源装置
１０、５２、７２スイッチング周波数変更部（スイッチング周波数変更手段）
１１、５３スイッチ（スイッチング手段）
１２、５４ＬＣフィルタ
２０、７４ＤＣ−ＤＣコントローラ（スイッチング制御手段）
２１周波数規定部
２２、６１電圧供給部
２３第１ダイオード
２４第２ダイオード
２５コンデンサ
６０ＰＷＭ制御部（スイッチング制御手段）
６２電圧制御発振器
７３マイコン（制御信号調整手段）
８１タイマカウンタ
８２分周比変更回路（分周比変更制御手段）
８３分周回路

Claims

目標電圧に応じた基準スイッチング周波数でスイッチング手段を動作させることにより、入力電圧を前記目標電圧に調整して出力するスイッチング電源装置において、
前記基準スイッチング周波数を含む所定周波数の範囲で、前記スイッチング手段を動作させるスイッチング周波数を変更するスイッチング周波数変更手段を備え、
前記スイッチング周波数変更手段は、コンデンサとこのコンデンサの一端にカソード側が接続されたダイオードとを有し、前記基準スイッチング周波数を規定する周波数規定部と、この周波数規定部の静電容量に応じたスイッチング周波数で前記スイッチング手段を動作させるスイッチング制御手段と、前記ダイオードに逆電圧であり、変化させられた制御電圧を印加し、前記静電容量を変更する電圧供給部と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
前記スイッチング周波数変更手段は、前記スイッチング周波数を連続的あるいは断続的に変更することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
前記スイッチング周波数変更手段は、前記スイッチング周波数を周期的に変更することを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。