JP5051667B2 - 電源装置および電圧制御方法 - Google Patents

Description

本発明は電源装置および電圧制御方法に関する。

電源装置が負荷に電力を供給する際に、給電線などの給電経路が長い場合には、給電経路のインピーダンスによって電圧降下が生じ、負荷の動作に支障をきたすおそれがある。そこで、電源装置から負荷端までのリモートセンス線を用いて負荷端の電圧値を検出し、電源電圧を制御する方法が知られている。この方法では、電源装置として、出力電圧を制御可能なスイッチング電源等の電源を用い、電源装置から負荷端までリモートセンス線を施設する。電源装置は、負荷を実運用する状態での負荷端の電圧値を、リモートセンス線を用いて検出する。そして、検出した電圧値に基づいて電源装置が出力電圧を制御することにより、負荷端において所望の電圧が得られる。
この従来の方法では、負荷端の電圧値を検出して負荷端の電圧を制御するため、位相遅れによる発振現象が生じる可能性がある。また、負荷を実運用する状態での負荷端の電圧値を検出する際にリモートセンス線の接続不良や断線があると、出力電圧異常が発生して負荷を破壊してしまう可能性がある。かかる不都合を解決するために、特許文献１では、電源装置からの出力電圧値と出力電流値とを検出し、検出した出力電流値を電圧降下量に変換して出力電圧値から減算し、減算の結果に応じて制御パルスの幅を変化させることにより出力電圧を制御する電源装置が提案されている。

特開２００５−１１５６５３号公報

しかしながら、特許文献１の電源装置では、給電経路の長さが変更され、給電経路における電圧降下量が変化すると、電源装置を再設計する必要が生じる。例えば、複数の電源部と複数の負荷部とを有するサーバ装置等の情報処理装置において、メモリの追加等により配置変更が生じた場合に、特許文献１の電源装置では、配置変更後の給電経路の長さに基づいて、電源装置の再設計、特に出力電流値を電圧降下量に変換する手段の再設計が必要となる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、給電経路の長さの変更による電圧降下量の変化に容易に対応できる電源装置および電圧制御方法を提供することにある。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による電源装置は、給電経路を介して負荷に接続され、電圧値を調整した電圧を前記負荷に供給する電源装置において、給電経路のインピーダンス値を記憶する記憶部と、負荷が実運用される状態での当該電源装置の出力電流値と前記記憶部が記憶する給電経路のインピーダンス値とに基づいて給電経路における電圧降下量を算出し、負荷に供給すべき電圧値に前記電圧降下量を加算した電圧値を当該電源装置が出力すべき電圧値として算出する出力電圧算出部と、負荷が消費する消費電力を一定にした状態において、給電経路の負荷端における電圧値と、給電経路の電源出力端における電圧値と、当該電源装置の出力電流値とに基づいて、給電経路のインピーダンス値を算出する給電経路インピーダンス算出部と、を具備し、前記記憶部は前記インピーダンス算出部が算出した前記インピーダンス値を記憶することを特徴とする。

また、本発明の一態様による電圧制御方法は、給電経路を介して負荷に接続され、電圧値を調整した電圧を前記負荷に供給する電源装置の電圧制御方法において、負荷が消費する消費電力を一定にした状態において、給電経路の負荷端における電圧値と、給電経路の電源出力端における電圧値と、当該電源装置の出力電流値とに基づいて、給電経路のインピーダンス値を算出して記憶部に記憶させる給電経路インピーダンス算出ステップと、負荷が実運用される状態での当該電源装置の出力電流値と記憶部から読み出す給電経路のインピーダンス値とに基づいて給電経路における電圧降下量を算出し、負荷に供給すべき電圧値に前記電圧降下量を加算した電圧値を当該電源装置が出力すべき電圧値として算出する出力電圧算出ステップと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、給電経路の長さの変更による電圧降下量の変化に容易に対応できる。

本発明の一実施形態における電源装置の概略構成を示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態における電源装置（スイッチング電源装置１４）の概略構成を示す構成図である。
同図において、スイッチング電源装置１４は、スイッチング部１と、電流検出部２と、電源制御部３と、インダクタ１４１と、キャパシタ１４２及び１４３とを具備する。電源制御部３は、スイッチング制御部４と、演算部５と、記憶部６とを具備する。演算部５は、給電経路インピーダンス算出部５１と、出力電圧算出部５２とを具備する。また、スイッチング電源装置１４には、負荷２０及び上位制御部１３が接続されている。

スイッチング電源装置１４は、スイッチング電源入力端１７を介して外部から供給される直流電圧の電圧を調整し、給電線（給電経路）Ｗ１５を介して接続される負荷２０に電圧を供給する。
負荷２０は、電圧の供給を受けて動作し、動作状態に応じて内部インピーダンスが変化する。以下では、負荷２０が、例えばサーバ装置等の情報処理装置に備えられる構成の一部、例えば中央演算装置（Central Processing unit；ＣＰＵ）である場合を例に説明するが、本発明の適用範囲はこれに限らない。
上位制御部１３は、情報処理装置全体の電源オン／オフを始めとする情報処理装置全体の制御や、負荷端における電圧異常の検出や表示などの各部の監視を行う。上位制御部１３が行う監視には、負荷端８における電圧値の検出が含まれる。上位制御部１３は、負荷端電圧センス線Ｗ１１を介して負荷端８における電圧値を検出し、この負荷端８における電圧値を、電源制御線Ｗ１２を介して給電経路インピーダンス算出部５１に出力する。

スイッチング電源装置１４において、スイッチング部１は、直流電圧が供給され、供給される直流電圧を調整して出力する。スイッチング部１は、パワーＭＯＳＦＥＴ（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；パワー金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）１０１とパワーＭＯＳＦＥＴ１０２とを備え、これらのパワーＭＯＳＦＥＴを交互にオン／オフ制御する、すなわちパワーＭＯＳＦＥＴ１０１をオン状態にするときはパワーＭＯＳＦＥＴ１０２をオフ状態とし、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１をオフ状態とするときはパワーＭＯＳＦＥＴ１０２をオン状態とする。スイッチング部１は、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１とパワーＭＯＳＦＥＴ１０２とのオン／オフ制御を、例えば１００キロヘルツ程度の速い周期で行い、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１をオン状態とする時間幅とパワーＭＯＳＦＥＴ１０１をオフ状態とする時間幅との比を調整することにより出力電圧を調整する。
電流検出部２は、スイッチング電源装置１４の出力電流値として、インダクタ１４１とスイッチング電源出力端７との間における電流値を検出し、検出したスイッチング電源装置１４の出力電流値を、出力電流センス線Ｗ９を介して演算部５に出力する。
給電経路インピーダンス算出部５１は、電源部出力端電圧センス線Ｗ１０を介してスイッチング電源出力端７に接続され、スイッチング電源出力端７における電圧値を検出する。また、給電経路インピーダンス算出部５１は、検出したスイッチング電源出力端７における電圧値と、上位制御部１３から出力される負荷端８における電圧値と、電流検出部２から出力されるスイッチング電源装置１４の出力電流値とに基づいて、給電線Ｗ１５のインピーダンス値を算出する。給電経路インピーダンス算出部５１は、算出した給電線Ｗ１５のインピーダンス値を記憶部６に書き込む。

出力電圧算出部５２は、給電経路インピーダンス算出部５１が算出した給電線Ｗ１５のインピーダンス値を記憶部６から読み出し、読み出した給電線Ｗ１５のインピーダンス値と、電流検出部２が検出するスイッチング電源装置１４の出力電流値とに基づいて、給電線Ｗ１５における電圧降下量を算出する。また、出力電圧算出部５２は、算出した給電線Ｗ１５における電圧降下量を、負荷２０に供給すべき電圧値に加算して、スイッチング電源装置１４が出力すべき電圧値を算出する。負荷２０に供給すべき電圧値は、例えば上位制御部１３が予め記憶しておき、出力電圧算出部５２に出力する。出力電圧算出部５２は、算出したスイッチング電源装置１４が出力すべき電圧値をスイッチング制御部４に出力する。

スイッチング制御部４は、演算部５の出力電圧算出部５２から出力される、スイッチング電源装置１４が出力すべき電圧値に従って、スイッチング部１を制御する。具体的には、スイッチング制御部４は、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１とパワーＭＯＳＦＥＴ１０２を交互にオン／オフさせるスイッチングパルス制御を行うことにより、スイッチング電源装置１４の出力電圧値が、演算部５から出力されるスイッチング電源装置１４が出力すべき電圧値となるように制御する。
スイッチング部１は、スイッチング制御部４の制御に従って、上述したようにパワーＭＯＳＦＥＴ１０１とパワーＭＯＳＦＥＴ１０２とをオン／オフ制御し、スイッチング電源装置１４が出力する電圧を調整する。
インダクタ１４１とキャパシタ１４３とは、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１がオン、パワーＭＯＳＦＥＴ１０２がオフの状態でエネルギーを蓄積し、蓄積したエネルギーを、パワーＭＯＳＦＥＴ１０１がオフ、パワーＭＯＳＦＥＴ１０２がオンの状態で放出することにより、スイッチング電源装置１４が負荷２０に供給する電圧を平滑化する。
また、キャパシタ１４２は、スイッチング電源入力端１７から入力される直流電圧に対してノイズ除去を行って平滑化する。キャパシタ１４２が平滑化した直流電圧は、スイッチング部１に入力される。

次に、スイッチング電源装置１４の動作について説明する。
まず、スイッチング電源装置１４は、給電線Ｗ１５のインピーダンス値を算出する。
具体的には、まず、負荷２０を内部インピーダンス一定状態として給電線Ｗ１５を流れる電流値を一定にするために、負荷２０での消費電力が一定となるジョブを情報処理装置に実行させておく。負荷２０での消費電力が一定となるジョブは、例えば、情報処理装置の評価段階で予め決定しておく。また、例えば、情報処理装置の設計段階で負荷２０の動作電圧値を決定しておき、スイッチング電源装置１４は、まず、この動作電圧値の電圧を負荷２０に供給する。この時点では、給電線Ｗ１５のインピーダンス値が求まっていないため、スイッチング電源装置１４は、給電線Ｗ１５における電圧降下量を算出できない。この、給電線Ｗ１５における電圧降下により、負荷２０に供給される電圧が不足し、負荷２０が正常動作しないおそれがある。そこで、負荷２０に消費電力が一定となるジョブを実行する制御信号を加えながら、負荷２０が正常動作するまでスイッチング電源装置１４が負荷２０に供給する電圧値を徐々に大きくしていく。

次に、負荷２０での消費電力が一定となるジョブを情報処理装置が実行している状態において、電流検出部２は、スイッチング電源装置１４の出力電流値を検出する。電流検出部２は、検出したスイッチング電源装置１４の出力電流値を給電経路インピーダンス算出部５１に出力する。また、上位制御部１３は、負荷端８における電圧値を検出する。上位制御部１３は、検出した負荷端８における電圧値を給電経路インピーダンス算出部５１に出力する。
また、給電経路インピーダンス算出部５１は、スイッチング電源出力端７における電圧値を検出する。そして、給電経路インピーダンス算出部５１は、上位制御部１３から出力される負荷端８における電圧値と、電流検出部２から出力されるスイッチング電源装置１４の出力電流値と、検出したスイッチング電源出力端７における電圧値とに基づいて、スイッチング電源出力端７における電圧値と負荷端８における電圧値との差分をスイッチング電源装置１４の出力電流値で除して給電線Ｗ１５のインピーダンス値を算出する。給電経路インピーダンス算出部５１は、算出した給電線Ｗ１５のインピーダンス値を記憶部６に書き込む。

次に、スイッチング電源装置１４は、情報処理装置が稼動し負荷２０が実運用状態にある状態で、出力電圧を調整して負荷２０に電圧を供給する。実運用状態においては、負荷２０の動作状態に応じて負荷２０の内部インピーダンスが変化する。負荷２０の内部インピーダンスの変化により、給電線Ｗ１５における電圧降下量も変化する。
まず、電流検出部２が、スイッチング電源装置１４の出力電流値を検出し、検出したスイッチング電源装置１４の出力電流値を出力電圧算出部５２に出力する。
出力電圧算出部５２は、記憶部６より給電線Ｗ１５のインピーダンス値を読み出し、読み出した給電線Ｗ１５のインピーダンス値を電流検出部２から出力されるスイッチング電源装置１４の出力電流値に乗じて、給電線Ｗ１５における電圧降下量を逐次算出する。出力電圧算出部５２は、負荷２０に供給すべき電圧値に、算出した給電線Ｗ１５における電圧降下量を加算して、スイッチング電源装置１４が出力すべき電圧値を算出する。負荷２０に供給すべき電圧値は、例えば、情報処理装置の設計段階で決定された負荷２０の動作電圧値を上位制御部１３が予め記憶しておく。上位制御部１３は、負荷２０に供給すべき電圧値として負荷２０の動作電圧値を出力電圧算出部５２に出力する。出力電圧算出部５２は、算出したスイッチング電源装置１４が出力すべき電圧値をスイッチング制御部４に出力する。スイッチング制御部４は、出力電圧算出部５２から出力される、スイッチング電源装置１４が出力すべき電圧値に従ってスイッチング部１を制御し、スイッチング部１は、スイッチング制御部４の制御に従って電圧を出力する。

以上により、スイッチング電源装置１４は、負荷２０に供給すべき電圧値に給電線Ｗ１５における電圧降下量を加算した電圧を出力することにより、負荷２０の動作電圧値の電圧を負荷２０に供給する。そして、負荷２０を実運用する状態においては、スイッチング電源装置１４は、スイッチング電源装置１４内部の記憶部６が記憶する給電線Ｗ１５のインピーダンス値と、スイッチング電源装置１４内部の電流検出部２が検出するスイッチング電源装置１４の出力電流値とを用いて電源の動作制御を行うので、リモートセンス線を用いて給電経路の負荷端の電圧値を検出する必要が無い。したがって、リモートセンス線を用いて給電経路の負荷端の電圧値を検出する電源装置で発生する可能性がある、位相遅れによる発振を抑えることができ、また、リモートセンス線の接続不良や断線による電圧異常が発生しない。このように、スイッチング電源装置１４は、リモートセンス線を用いて給電経路の負荷端の電圧値を検出する電源装置よりも、電源の安定性および信頼性を向上させることができる。
なお、負荷端電圧センス線Ｗ１１は、リモートセンス線（ケーブル）ではなく、基板上のパターンによって実現されていてもよい。この場合も、負荷２０を実運用する状態において、パターンの断線による出力電圧異常や、パターンへの外乱ノイズによる電源の不安定動作が生じない。

また、給電経路の長さが変更された場合には、負荷２０の消費電力を一定の状態にして給電線Ｗ１５のインピーダンス値を再計算し、記憶部６が記憶する給電線Ｗ１５のインピーダンス値を再計算したインピーダンス値に更新すればよく、電源装置の再設計を必要としない。したがって、給電経路の長さの変更に容易に対応できる。
また、スイッチング電源装置１４が、上位制御部１３から負荷端８における電圧値の出力を受ける際に、上位制御部１３は、監視用に備える負荷端電圧センス線Ｗ１１を用いて負荷端８における電圧値を検出する。したがって、スイッチング電源装置１４の制御用に負荷側に新たなセンス線を設ける必要がない。例えば筺体内に複数のスイッチング電源及び負荷を有し、実装が高密度化している情報処理装置では、新たなセンス線を設けることが困難な場合があるが、この場合にもスイッチング電源装置１４を用いることができる。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。特に、本発明は、スイッチング電源装置に限らず、例えば変圧器で電圧を制御した後に整流および平滑化を行うリニア電源装置など、出力電圧値を調整できる様々な電源装置に適用できる。

本発明は、電源装置および電圧制御方法に用いて好適である。

１４ スイッチング電源装置
１ スイッチング部
２ 電流検出部
３ 電源制御部
４ スイッチング制御部
５ 演算部
５１ 給電経路インピーダンス算出部
５２ 出力電圧算出部
６ 記憶部
１３ 上位制御部
２０ 負荷

Claims (2)

1. 給電経路を介して負荷に接続され、電圧値を調整した電圧を前記負荷に供給する電源装置において、
   給電経路のインピーダンス値を記憶する記憶部と、
   負荷が実運用される状態での当該電源装置の出力電流値と前記記憶部が記憶する給電経路のインピーダンス値とに基づいて給電経路における電圧降下量を算出し、負荷に供給すべき電圧値に前記電圧降下量を加算した電圧値を当該電源装置が出力すべき電圧値として算出する出力電圧算出部と、
   負荷が消費する消費電力を一定にした状態において、給電経路の負荷端における電圧値と、給電経路の電源出力端における電圧値と、当該電源装置の出力電流値とに基づいて、給電経路のインピーダンス値を算出する給電経路インピーダンス算出部と、
   を具備し、
   前記記憶部は前記インピーダンス算出部が算出した前記インピーダンス値を記憶する
   ことを特徴とする電源装置。
2. 給電経路を介して負荷に接続され、電圧値を調整した電圧を前記負荷に供給する電源装置の電圧制御方法において、
   負荷が消費する消費電力を一定にした状態において、給電経路の負荷端における電圧値と、給電経路の電源出力端における電圧値と、当該電源装置の出力電流値とに基づいて、給電経路のインピーダンス値を算出して記憶部に記憶させる給電経路インピーダンス算出ステップと、
   負荷が実運用される状態での当該電源装置の出力電流値と前記記憶部から読み出す給電経路のインピーダンス値とに基づいて給電経路における電圧降下量を算出し、負荷に供給すべき電圧値に前記電圧降下量を加算した電圧値を当該電源装置が出力すべき電圧値として算出する出力電圧算出ステップと、
   を具備することを特徴とする電圧制御方法。

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