JP5146239B2

JP5146239B2 - 電源装置及び出力電圧安定化方法

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Description

本発明は、例えば、サーバ機器やネットワーク機器内部の半導体デバイス等の負荷部に対して安定した出力電圧を供給する電源装置及び出力電圧安定化方法に関する。

近年、ＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等の半導体デバイスが急速に進歩し、これら半導体デバイスの動作電圧の低電圧化、大電流化や超高速化が急速に進んでいる。

そのため、これら半導体デバイス等の負荷部に電力を供給する電源装置では、半導体デバイス等の負荷部に対して安定した出力電圧を供給するのに要求される性能が非常に厳しくなっている。

そこで、電源装置では、負荷部の変動に対する高速応答特性が強く求められているため、その改善方法としてスイッチング周波数の高周波化が進められてきたが、スイッチング周波数の高周波化には、電力変換効率や発熱の面等で限界に近付きつつあるのが実情である。

また、電源装置では、負荷部の大振幅かつ高速の変動による出力電圧の低下を検出した場合、出力インダクタを可変にし、負荷部の変動による出力電圧の変動を安定化する技術が知られている。

特開２００５−１６８１５７号公報特開２００４−２７４９０４号公報特開２００３−８８１１４号公報

しかしながら、上記従来の電源装置では、今後、益々、低電圧化及び高速化が進む半導体デバイス等の負荷部には不十分であり、しかも、出力電圧の低下検出時に出力インダクタを可変するだけでは急峻な負荷電流の変動に対応できず、負荷部に対して出力電圧が、その負荷部の許容値から外れて、その負荷部自体の正常動作を損なうことがある。

本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、急峻な負荷電流の変動による電圧変動が発生したとしても、負荷部に対して安定した出力電圧を供給する電源装置及び出力電圧安定化方法を提供することにある。

開示装置は、電源部から負荷部への入力電圧をスイッチングするスイッチング部と、前記負荷部に対する所定出力電圧を安定出力すべく、前記スイッチング部のスイッチング動作に応じて前記負荷部への出力電流を平滑出力する平滑用インダクタ部と、前記平滑用インダクタ部との電磁誘導に応じて、前記平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を減少させる第１インダクタ部と、前記平滑用インダクタ部との電磁誘導に応じて、前記平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を増加させる第２インダクタ部と、前記平滑用インダクタ部及び前記第１インダクタ部間の電磁誘導又は前記平滑用インダクタ部及び前記第２インダクタ部間の電磁誘導を起動する電磁誘導起動部と、前記負荷部の負荷電流の急峻増加変動又は急峻減少変動を検出する負荷電流変動検出部と、前記負荷電流変動検出部にて前記負荷電流の急峻増加変動を検出すると、前記平滑用インダクタ部及び前記第１インダクタ部間の電磁誘導を起動するように、前記電磁誘導起動部を制御すると共に、前記負荷電流変動検出部にて前記負荷電流の急峻減少変動を検出すると、前記平滑用インダクタ部及び前記第２インダクタ部間の電磁誘導を起動するように、前記電磁誘導起動部を制御する制御部と、を有することを要件とする。

また、開示方法は、電源部から負荷部への入力電圧をスイッチングするスイッチング部と、前記負荷部に対する所定出力電圧を安定出力すべく、前記スイッチング部のスイッチング動作に応じて前記負荷部への出力電流を平滑出力する平滑用インダクタ部とを有する電源装置の出力電圧安定化方法であって、前記負荷部の負荷電流の急峻増加変動又は急峻減少変動を検出する負荷電流変動検出ステップと、前記負荷電流の急峻増加変動を検出すると、前記平滑用インダクタ部及び第１インダクタ部間の電磁誘導を起動する第１電磁誘導起動ステップと、前記第１電磁誘導起動ステップにて前記平滑用インダクタ部及び前記第１インダクタ部間の電磁誘導を起動すると、前記平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を減らし、前記平滑用インダクタ部から前記負荷部への出力電流を増やして前記負荷部に対する出力電圧を上昇する電圧上昇ステップと、前記負荷電流の急峻減少変動を検出すると、前記平滑用インダクタ部及び第２インダクタ部間の電磁誘導を起動する第２電磁誘導起動ステップと、前記第２電磁誘導起動ステップにて前記平滑用インダクタ部及び前記第２インダクタ部間の電磁誘導を起動すると、前記平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を増やし、前記平滑用インダクタ部から前記負荷部への出力電流を減らして前記負荷部に対する出力電圧を低下する電圧低下ステップと、を含むことを要件とする。

開示装置及び開示方法によれば、負荷部の負荷電流の急峻増加変動を検出すると、平滑用インダクタ部及び第１インダクタ部間の電磁誘導を起動すると共に、負荷部の負荷電流の急峻減少変動を検出すると、平滑用インダクタ部及び第２インダクタ部間の電磁誘導を起動するようにした。

その結果、開示装置及び開示方法では、平滑用インダクタ部及び第１インダクタ部間の電磁誘導を起動すると、平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を減らし、その負荷部への出力電流を増やし、負荷部に対する出力電圧を上昇させることで、負荷電流の急峻増加変動による電圧低下に対して、安定した出力電圧を供給することができるという効果を奏する。

また、開示装置及び開示方法では、平滑用インダクタ部及び第２インダクタ部間の電磁誘導を起動すると、平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を増やし、その負荷部への出力電流を減らし、負荷部に対する出力電圧を減らすことで、負荷電流の急峻減少変動による電圧上昇に対して、安定した出力電圧を供給することができるという効果を奏する。

以下、図面に基づき本発明の電源装置及び出力電圧安定化方法に関わる実施例について詳細に説明する。

まず、最初に本実施例の概要を説明する。その概要は、電源部から負荷部への入力電圧のスイッチ動作に応じて負荷部への出力電流を平滑出力するＤＣ／ＤＣコンバータ等の電源装置に関し、負荷電流の急峻増加変動で負荷部に対する出力電圧が低下したとしても、平滑用インダクタ部及び第１インダクタ部間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を減らすことで、負荷電流の急峻増加変動による電圧低下に対して安定した出力電圧を供給するというものである。

また、この電源装置では、負荷電流の急峻減少変動で負荷部に対する出力電圧が上昇したとしても、平滑用インダクタンス部及び第２インダクタ部間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を増やすことで、負荷電流の急峻減少変動による電圧上昇に対して安定した出力電圧を供給するというものである。

図１は、実施例１の電源装置内部の概略構成を端的に示す説明図である。

図１に示す電源装置１は、負荷部２に対して電力を供給する電源部３と、電源部３から負荷部２に対して所定出力電圧を安定供給するＤＣ／ＤＣコンバータ４とを有している。

負荷部２は、低電圧、大電流、かつダイナミックな高速変動を伴う、例えば、ＬＳＩ、ＣＰＵやＦＰＧＡ等の半導体デバイス等の負荷に相当するものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、電源部３からの入力電圧Ｖｉを負荷部２に応じた出力電圧Ｖｏに降圧変換する非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａに相当するものである。

図２は、非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａ内部の回路構成を端的に示す説明図である。

図２に示す非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａは、電源部３から負荷部２への入力電圧Ｖｉをスイッチングするスイッチング部１１と、負荷部２に対する所定出力電圧を安定出力すべく、スイッチング部１１のスイッチング動作に応じて負荷部２への出力電流Ｉｏを平滑出力する平滑用インダクタ部１２及び平滑用コンデンサ部１３とを有している。

スイッチング部１１は、電源部３及び平滑用インダクタ部１２間の接続をＯＮ／ＯＦＦする第１スイッチング素子Ｑ１と、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ時に平滑用インダクタ部１２及び負荷部２間の閉回路を形成すべく、ＯＮすると共に、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＮ時に平滑用インダクタ部１２及び負荷部２間の閉回路を開放すべく、ＯＦＦする第２スイッチング素子Ｑ２とを有している。尚、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴで構成するものである。

非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａは、平滑用インダクタ部１２との電磁誘導に応じて、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減少させる第１インダクタ部Ｎ１と、平滑用インダクタ部１２との電磁誘導に応じて、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増加させる第２インダクタ部Ｎ２とを有している。尚、第１インダクタ部Ｎ１及び第２インダクタ部Ｎ２のコイル巻数に応じて平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを設定変更可能にするものである。

非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａは、第１インダクタ部Ｎ１の両端同士の接続をＯＮ／ＯＦＦする第１スイッチ部ＳＷ１と、第２インダクタ部Ｎ２及び電源部３の両端同士の接続をＯＮ／ＯＦＦする第２スイッチ部ＳＷ２とを有している。

非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａは、負荷部２側の負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏ又は急峻減少変動−ΔＩｏを検出する負荷電流変動検出部１４と、負荷部２に対する出力電圧を検出する出力電圧検出部１５と、非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａ全体を制御する制御部１６とを有している。

負荷電流変動検出部１４は、平滑用コンデンサ部１３と直列に接続し、平滑用コンデンサ部１３に流れ込む電流及び平滑用コンデンサ部１３から流れ出る電流の差分に基づき、負荷部２側の負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏ及び負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏを検出するものである。

制御部１６は、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をＯＮ／ＯＦＦ制御するものである。

制御部１６は、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＮ及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦに応じて、電源部３からの入力電圧Ｖｉに応じて負荷部２への出力電流Ｉｏを平滑用インダクタ部１２及び平滑用コンデンサ部１３に蓄積しながら、負荷部２に対して出力電流Ｉｏを供給することになる。

また、制御部１６は、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮに応じて、第１スイッチング素子Ｑ１及び平滑用インダクタ部１２間の接続を遮断した状態で、平滑用インダクタ部１２、平滑用コンデンサ１３、負荷部２及び第２スイッチング素子Ｑ２間の閉回路を形成し、この閉回路に応じて平滑用インダクタ部１２及び平滑コンデンサ部１３に蓄積中の出力電流Ｉｏを負荷部２に供給することになる。

つまり、制御部１６は、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮ／ＯＦＦに応じて電源部３から負荷部２に対応した出力電圧Ｖｏを安定出力するものである。

図３は、電源装置１の出力電圧Ｖｏ、出力電流Ｉｏ、急峻電流変動の検出電圧Ｖｃ、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２との関係を端的に示すタイミングチャートである。

尚、負荷電流の急峻増加変動とは、図３に示すように、負荷部２側の電源起動時に発生する負荷電流の急峻な増加変動に相当し、負荷電流の急峻減少変動とは、負荷部２側の電源遮断時に発生する負荷電流の急峻な減少変動に相当するものである。また、急峻増加変動及び急峻減少変動の傾きは、例えば、数十アンペア〜数百アンペア／μ秒に相当するものである。

また、制御部１６は、負荷電流変動検出部１４にて負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏを検出すると、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＮ及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦを継続することで、第１スイッチング素子Ｑ１を通じて電源部３及び負荷部２間の通電を継続し、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏの低下を抑制するものである。尚、制御部１６では、負荷電流変動検出部１４からのマイナス検出電圧Ｖｃに応じて、負荷電流変動検出部１４が負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏを検出したものとする。

また、制御部１６は、負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏを検出すると、第１スイッチＳＷ１をＯＮ及び第２スイッチＳＷ２をＯＦＦすることで、第１スイッチＳＷ１のＯＮに応じて第１インダクタ部Ｎ１の両端同士を短絡接続し、第１インダクタ部Ｎ１及び平滑用インダクタ部１２間の電磁誘導を起動するものである。

平滑用インダクタ部１２は、第１インダクタ部Ｎ１との電磁誘導を起動すると、第１インダクタ部Ｎ１のコイル巻数分、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌが減少し、その結果、電源部３から負荷部２へ流れる電流量が上昇して、図３に示す負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏ時に出力電圧Ｖｏが従来装置による出力電圧Ｖｏ（点線）に比較して大幅に上昇することになる。

また、制御部１６は、負荷電流変動検出部１４にて負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏを検出すると、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮを継続することで、電源部３から負荷部２への通電を遮断しながら、平滑用インダクタ部１２及び平滑用コンデンサ部１３に蓄積中の電流による負荷部２への供給を継続し、負荷部２に対する出力電圧の上昇を抑制するものである。尚、制御部１６では、負荷電流変動検出部１４からのプラス検出電圧Ｖｃに応じて、負荷電流変動検出部１４が負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏを検出したものとする。

また、制御部１６は、負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏを検出すると、第１スイッチＳＷ１をＯＦＦ及び第２スイッチＳＷ２をＯＮすることで、第２スイッチＳＷ２のＯＮに応じて第２インダクタ部Ｎ２及び電源部３の両端同士を接続し、第２インダクタ部Ｎ２及び平滑用インダクタ部１２間の電磁誘導を起動するものである。

平滑用インダクタ部１２は、第２インダクタ部Ｎ２との電磁誘導を起動すると、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌが増加し、平滑用インダクタ部１２に蓄積中の電流が第２インダクタ部Ｎ２及びダイオードＤを経由して電源部３に回生することで、その結果、電源部３から負荷部２へ流れ込む電流量が低下して、図３に示す負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏ時に出力電圧Ｖｏが従来装置による出力電圧Ｖｏ（点線）に比較して大幅に低下するものである。

次に、実施例１の電源装置１の動作について説明する。図４は、出力電圧安定化処理に関わる制御部１６内部の処理動作を示すフローチャートである。

図４に示す出力電圧安定化処理は、負荷部２側の負荷電流の急峻変動が発生したとしても、負荷部２の急峻変動による出力電圧Ｖｏの変動を抑制して許容電圧範囲内に安定化させる処理である。

図４において制御部１６は、負荷電流変動検出部１４にて負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏを検出したか否かを判定する（ステップＳ１１）。

制御部１６は、負荷電流変動検出部１４にて負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏを検出しなかった場合（ステップＳ１１否定）、負荷電流変動検出部１４にて負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏを検出したか否かを判定する（ステップＳ１２）。

制御部１６は、負荷電流変動検出部１４にて負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏを検出しなかった場合（ステップＳ１２否定）、出力電圧検出部１５にて負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。尚、許容電圧範囲とは、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが許容できる電圧範囲に相当するものである。

制御部１６は、出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内でない場合（ステップＳ１３否定）、出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内の下限電圧閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。尚、下限電圧閾値とは、許容電圧範囲の内、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが許容できる最小電圧値に相当するものである。

制御部１６は、出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内の下限電圧閾値未満でない場合（ステップＳ１４否定）、出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内の上限電圧閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１５）。尚、上限電圧閾値とは、許容電圧範囲の内、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが許容できる最大電圧値に相当するものである。

制御部１６は、出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内の上限電圧閾値を超えなかった場合（ステップＳ１５否定）、図４の処理動作を終了する。

また、制御部１６は、ステップＳ１１にて負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏを検出した場合（ステップＳ１１肯定）、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＮ及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦを継続し（ステップＳ１６）、電源部３から負荷部２への通電を継続することになる。

更に、制御部１６は、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＮ及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＦＦ後、第１スイッチＳＷ１をＯＮ及び第２スイッチＳＷ２をＯＦＦし（ステップＳ１７）、出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内にあるか否かを判定すべく、ステップＳ１３に移行する。

尚、第１インダクタ部Ｎ１は、第１スイッチＳＷ１のＯＮに応じて両端同士を短絡接続し、平滑用インダクタ部１２との電磁誘導を起動する。更に、平滑用インダクタ部１２は、第１インダクタ部Ｎ１の電磁誘導に応じて、第１インダクタ部Ｎ１のコイル巻数分、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌが減少し、電源部３から負荷部２へ流れ込む電流量が上昇することになる。その結果、電源装置１では、負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏによる電圧低下を最小限に抑制して、許容電圧範囲内に安定した出力電圧Ｖｏを負荷部２に供給することになる。

また、制御部１６は、ステップＳ１２にて負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏを検出した場合（ステップＳ１２肯定）、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮを継続し（ステップＳ１８）、電源部３から負荷部２への通電を遮断すると共に、平滑用インダクタ部１２及び平滑用コンデンサ部１３に蓄積中の電流の負荷部２への供給を継続し、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏの上昇を抑制することになる。

また、制御部１６は、第１スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ及び第２スイッチング素子Ｑ２のＯＮ後、第２スイッチＳＷ２をＯＮ及び第１スイッチＳＷ１をＯＦＦし（ステップＳ１９）、出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内にあるか否かを判定すべく、ステップＳ１３に移行する。

尚、第２インダクタ部Ｎ２は、第２スイッチＳＷ２のＯＮに応じて電源部３の両端と接続し、平滑用インダクタ部１２との電磁誘導を起動する。更に、平滑用インダクタ部１２は、第２インダクタ部Ｎ２の電磁誘導に応じて、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌが増加し、平滑用インダクタ部１２に蓄積中の電流が第２インダクタ部Ｎ２及びダイオードＤを経由して電源部３に回生し、電源部３から負荷部２へ流れ込む電流量が低下することになる。その結果、電源装置１では、負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏによる電圧上昇を最小限に抑制して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを負荷部２に供給することになる。

また、制御部１６は、ステップＳ１３にて出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内の場合（ステップＳ１３肯定）、図４に示す処理動作を終了すべく、図中のＭ１に移行する。

また、制御部１６は、ステップＳ１４にて出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内の下限電圧閾値未満の場合（ステップＳ１４肯定）、第１スイッチング素子をＯＮ、第２スイッチング素子をＯＦＦに継続すべく、ステップＳ１６に移行する。

また、制御部１６は、ステップＳ１５にて出力電圧Ｖｏが許容電圧範囲内の上限電圧閾値を超えた場合（ステップＳ１５肯定）、第１スイッチング素子をＯＦＦ、第２スイッチング素子をＯＮに継続すべく、ステップＳ１８に移行する。

実施例１では、負荷部２側の負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏで負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが低下したとしても、平滑用インダクタ部１２及び第１インダクタ部Ｎ１間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減らし、その負荷部２への出力電流Ｉｏを増やし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを上昇する。その結果、負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏによる電圧低下に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

更に、実施例１では、負荷部２側の負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏで負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが低下したとしても、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減らしながら、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＮ、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦに継続することで、電源部３から負荷部２への通電を継続して、その負荷部２への出力電流Ｉｏを増やし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを上昇させる。その結果、負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏによる電圧低下に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

また、実施例１では、負荷部２側の負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏで負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが上昇したとしても、平滑用インダクタ部１２及び第２インダクタ部Ｎ２間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増やし、その負荷部２への出力電流Ｉｏを減らし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを低下させる。その結果、負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏによる電圧上昇に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

更に、実施例１では、負荷部２側の負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏで負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが上昇したとしても、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増やしながら、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＦＦ、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＮに継続することで、電源部３から負荷部２への通電を遮断し、その負荷部２への出力電流Ｉｏを減らし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを低下させる。その結果、負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏによる電圧上昇に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

また、実施例１では、出力電圧検出部１５にて検出した出力電圧Ｖｏが下限電圧閾値未満の場合、平滑用インダクタ部１２及び第１インダクタ部Ｎ１間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減らし、その負荷部２への出力電流Ｉｏを増やし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを上昇する。その結果、出力電圧低下に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

更に、実施例１では、出力電圧検出部１５にて検出した出力電圧Ｖｏが下限電圧閾値未満の場合、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減らしながら、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＮ、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦに継続することで、電源部３から負荷部２への通電を継続して、その負荷部２への出力電流Ｉｏを増やし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを上昇させる。その結果、出力電圧低下に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

また、実施例１では、出力電圧検出部１５にて検出した出力電圧Ｖｏが上限電圧閾値を超えた場合、平滑用インダクタ部１２及び第２インダクタ部Ｎ２間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増やし、その負荷部２への出力電流Ｉｏを減らし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを低下させる。その結果、出力電圧上昇に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

更に、実施例１では、出力電圧検出部１５にて検出した出力電圧Ｖｏが上限電圧閾値を超えた場合、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増やしながら、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＦＦ、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＮに継続することで、電源部３から負荷部２への通電を遮断し、その負荷部２への出力電流Ｉｏを減らし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを低下させる。その結果、出力電圧上昇に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

尚、一般的な非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータでは、低電圧、大電流やダイナミックな高速変動の負荷部２に接続されることになるが、負荷部２の負荷変動に対する高速応答特性を補うために、非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータの出力、すなわち負荷部２の負荷変動に対する電圧変化を吸収するコンデンサ（パスコン）を多数配置、例えば、数千μＦ〜数万μＦのコンデンサ容量のパスコンを配置しなければならなかった。しかしながら、実施例１では、負荷部２の負荷変動に対する高速応答特性が確保されることになるため、負荷部２の急峻変動による電圧変化を抑制することで、パスコンの容量を大幅に削減することができる。

尚、上記実施例１においては、非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａを例に挙げて説明したが、絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータであっても良く、この絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを内蔵した電源装置の実施例につき、実施例２として説明する。

図５は、実施例２の電源装置の絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ内部の回路構成を示す説明図である。尚、実施例１の非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａ内部の構成と同一のものには、同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。

図５に示す絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ｂは、電源部３及び第１スイッチング素子Ｑ１間を絶縁するトランス２１と、電源部３からの入力電圧Ｖｉをスイッチングする第３スイッチング素子Ｑ３とを有し、トランス２１は、１次側コイル２１Ａに配置した第３スイッチング素子Ｑ３のスイッチング動作に応じて電源部３から２次側コイル２１Ｂ側の第１スイッチング素子Ｑ１に通電するものである。

第２インダクタ部Ｎ２は、その両端部の内、その一端を１次側コイル２１Ａ側の電源部３に接続すると共に、その他端を２次側コイル２１Ｂ側に接続し、第２スイッチＳＷ２のＯＮに応じて、トランス２１経由で第２インダクタ部Ｎ２及び電源部３の両端同士を接続し、第２インダクタ部Ｎ２及び平滑用インダクタ部１２間の電磁誘導を起動するものである。

制御部１６は、負荷電流変動検出部１４にて負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏを検出すると、第１スイッチＳＷ１をＯＦＦ及び第２スイッチＳＷ２をＯＮにすることで、第２スイッチＳＷ２のＯＮに応じて第２インダクタ部Ｎ２及び電源部３の両端同士を接続し、第２インダクタ部Ｎ２及び平滑用インダクタ部１２間の電磁誘導を起動するものである。

平滑用インダクタ部１２は、第２インダクタ部Ｎ２との電磁誘導を起動すると、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌが増加し、平滑用インダクタ部１２に蓄積中の電流が第２インダクタ部Ｎ２及びダイオードＤを経由して電源部３に回生することで、その結果、電源部３から負荷部２へ流れ込む電流量が低下するものである。

実施例２によれば、負荷部２側の負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏで負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが低下したとしても、平滑用インダクタ部１２及び第１インダクタ部Ｎ１間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減らし、その負荷部２への出力電流Ｉｏを増やし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを上昇する。その結果、負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏによる電圧低下に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

更に、実施例２によれば、負荷部２側の負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏで負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが低下したとしても、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減らしながら、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＮ、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦに継続することで、電源部３から負荷部２への通電を継続して、その負荷部２への出力電流を増やし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを上昇する。その結果、負荷電流の急峻増加変動＋ΔＩｏによる電圧低下に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

また、実施例２によれば、負荷部２側の負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏで負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが上昇したとしても、平滑用インダクタ部１２及び第２インダクタ部Ｎ２間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増やし、その負荷部２への出力電流Ｉｏを減らし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを低下させる。その結果、負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏによる電圧上昇に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

更に、実施例２によれば、負荷部２側の負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏで負荷部２に対する出力電圧Ｖｏが上昇したとしても、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増やしながら、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＦＦ、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＮに継続することで、電源部３から負荷部２への通電を遮断し、その負荷部２への出力電流Ｉｏを減らし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを低下させる。その結果、負荷電流の急峻減少変動−ΔＩｏによる電圧上昇に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

また、実施例２によれば、出力電圧検出部１５にて検出した出力電圧Ｖｏが下限電圧閾値未満の場合、平滑用インダクタ部１２及び第１インダクタ部Ｎ１間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減らし、その負荷部２への出力電流Ｉｏを増やし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを上昇する。その結果、出力電圧低下に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

更に、実施例２によれば、出力電圧検出部１５にて検出した出力電圧Ｖｏが下限電圧閾値未満の場合、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを減らしながら、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＮ、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦに継続することで、電源部３から負荷部２への通電を継続して、その負荷部２への出力電流Ｉｏを増やし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを上昇する。その結果、出力電圧低下に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

また、実施例２によれば、出力電圧検出部１５にて検出した出力電圧Ｖｏが上限電圧閾値を超えた場合、平滑用インダクタ部１２及び第２インダクタ部Ｎ２間の電磁誘導を起動し、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増やし、その負荷部２への出力電流Ｉｏを減らし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを低下させる。その結果、出力電圧上昇に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

更に、実施例２によれば、出力電圧検出部１５にて検出した出力電圧Ｖｏが上限電圧閾値を超えた場合、平滑用インダクタ部１２の出力インダクタンス値Ｌを増やしながら、第１スイッチング素子Ｑ１をＯＦＦ、第２スイッチング素子Ｑ２をＯＮに継続することで、電源部３から負荷部２への通電を遮断し、その負荷部２への出力電流Ｉｏを減らし、負荷部２に対する出力電圧Ｖｏを低下させる。その結果、出力電圧上昇に対して、許容電圧範囲内の安定した出力電圧Ｖｏを供給することができる。

尚、上記実施例においては、非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ａ及び絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ４Ｂを例に挙げて説明したが、例えば、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータにも適用可能であり、更に、ＤＣ／ＤＣコンバータに限定されることはなく、交流電圧や直流電圧に関係なく、所定出力電圧に安定出力するコンバータにも適用可能であることは言うまでもない。

また、上記実施例においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ４全体を制御する制御部１６が負荷電流変動検出部１４の検出結果や出力電圧検出部１５の検出結果に基づき、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をＯＮ／ＯＦＦ制御するようにしたが、例えば、制御部１６は、論理回路で構成するようにしても良いことは言うまでもない。

また、上記実施例においては、負荷電流変動検出部１４の検出結果及び出力電圧検出部１５の検出結果に基づき負荷電流の急峻変動を検出し、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をＯＮ／ＯＦＦ制御するようにしたが、負荷電流の急峻変動を予め予測する負荷電流急峻変動予測部を備え、制御部１６では、この負荷電流急峻変動予測部にて負荷電流の急峻変動を検出すると、この負荷電流の急峻変動に基づき、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をＯＮ／ＯＦＦ制御するようにしても良いことは言うまでもない。

以上、本発明の実施例について説明したが、本実施例によって本発明の技術的思想の範囲が限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲を逸脱しない限り、各種様々な実施例が実施可能であることは言うまでもない。また、本実施例に記載した効果は、これに限定されるものではない。

また、本実施例で説明した各種処理の内、自動的に行われるものとして説明した処理の全部又は一部を手動で行うことも可能であることは勿論のこと、その逆に、手動で行われるものとして説明した処理の全部又は一部を自動で行うことも可能であることは言うまでもない。また、本実施例で説明した処理手順、制御手順、具体的名称、各種データやパラメータを含む情報についても、特記した場合を除き、適宜変更可能であることは言うまでもない。

また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的に記載したものであって、必ずしも物理的に図示のように構成されるものではなく、その各装置の具体的な態様は図示のものに限縮されるものでは到底ないことは言うまでもない。

さらに、各装置で行われる各種処理機能は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）（又はＭＰＵ（ＭｉｃｒｏＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＭＣＵ（ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔ）等のマイクロ・コンピュータ）上、又は同ＣＰＵ（又はＭＰＵ、ＭＣＵ等のマイクロ・コンピュータ）で解析実行するプログラム上、又はワイヤードロジックによるハードウェア上で、その全部又は任意の一部を実行するようにしても良いことは言うまでもない。

実施例１の電源装置内部の概略構成を示すブロック図である。非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ内部の回路構成を端的に示す説明図である。電源装置の出力電圧、出力電流、急峻電流変動の検出電圧、第１スイッチ及び第２スイッチとの関係を端的に示すタイミングチャートである。出力電圧安定化処理に関わる制御部内部の処理動作を示すフローチャートである。実施例２の電源装置の絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ内部の回路構成を端的に示す説明図である。

符号の説明

１電源装置
２負荷部
３電源部
４ＤＣ／ＤＣコンバータ
４Ａ非絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
４Ｂ絶縁型降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１スイッチング部
１２平滑用インダクタ部
１４負荷電流変動検出部
１５出力電圧検出部
２１トランス
Ｑ１第１スイッチング素子
Ｑ２第２スイッチング素子
Ｎ１第１インダクタ部
Ｎ２第２インダクタ部

Claims

電源部から負荷部への入力電圧をスイッチングするスイッチング部と、
前記負荷部に対する所定出力電圧を安定出力すべく、前記スイッチング部のスイッチング動作に応じて前記負荷部への出力電流を平滑出力する平滑用インダクタ部と、
前記平滑用インダクタ部との電磁誘導に応じて、前記平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を減少させる第１インダクタ部と、
前記平滑用インダクタ部との電磁誘導に応じて、前記平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を増加させる第２インダクタ部と、
前記平滑用インダクタ部及び前記第１インダクタ部間の電磁誘導又は前記平滑用インダクタ部及び前記第２インダクタ部間の電磁誘導を起動する電磁誘導起動部と、
前記負荷部側の負荷電流の急峻増加変動又は急峻減少変動を検出する負荷電流変動検出部と、
前記負荷電流変動検出部にて前記負荷電流の急峻増加変動を検出すると、前記平滑用インダクタ部及び前記第１インダクタ部間の電磁誘導を起動するように、前記電磁誘導起動部を制御すると共に、前記負荷電流変動検出部にて前記負荷電流の急峻減少変動を検出すると、前記平滑用インダクタ部及び前記第２インダクタ部間の電磁誘導を起動するように、前記電磁誘導起動部を制御する制御部と、
を有することを特徴とする電源装置。
前記電磁誘導起動部は、
前記第１インダクタ部の両端同士の接続をＯＮ／ＯＦＦする第１スイッチ部を有し、
前記第１スイッチ部のＯＮに応じて、前記第１インダクタ部の両端同士を短絡接続し、前記平滑用インダクタ部及び前記第１インダクタ部間の電磁誘導を起動することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記電磁誘導起動部は、
前記第２インダクタ部及び前記電源部の両端同士の接続をＯＮ／ＯＦＦする第２スイッチ部を有し、
前記第２スイッチ部のＯＮに応じて、前記第２インダクタ部及び前記電源部の両端同士を接続し、前記平滑用インダクタ部及び前記第２インダクタ部間の電磁誘導を起動することを特徴とする請求項１又は２記載の電源装置。
前記スイッチング部は、
前記電源部及び前記平滑用インダクタ部間の接続をＯＮ／ＯＦＦする第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子のＯＦＦ時に前記平滑用インダクタ部及び前記負荷部間の閉回路を形成すべく、ＯＮすると共に、前記第１スイッチング素子のＯＮ時に前記平滑用インダクタ部及び前記負荷部間の閉回路を開放すべく、ＯＦＦする第２スイッチング素子とを有し、
前記制御部は、
前記負荷電流変動検出部にて前記負荷電流の急峻増加変動を検出すると、前記第１スイッチング素子のＯＮ及び前記第２スイッチング素子のＯＦＦを継続すると共に、前記負荷電流変動検出部にて前記負荷電流の急峻減少変動を検出すると、前記第１スイッチング素子のＯＦＦ及び前記第２スイッチング素子のＯＮを継続することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の電源装置。
前記負荷電流変動検出部は、
前記負荷部に対する出力電圧に応じて前記負荷電流の急峻増加変動又は急峻減少変動を検出することを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載の電源装置。
前記電源部及びスイッチング部間にトランスを配置し、前記スイッチング部は、前記電源部から前記トランス経由で入力した入力電圧をスイッチングすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一に記載の電源装置。
前記負荷電流変動検出部は、
前記負荷電流の急峻増加変動又は急峻減少変動を予め予測する負荷電流急峻変動予測部
を有し、前記負荷電流急峻変動予測部にて前記負荷電流の急峻増加変動又は急峻減少変動を予測すると、予測した急峻増加変動を前記負荷電流の急峻増加変動として検出すると共に、予測した急峻減少変動を前記負荷電流の急峻減少変動として検出することを特徴とする請求項１〜６の何れか一に記載の電源装置。
電源部から負荷部への入力電圧をスイッチングするスイッチング部と、前記負荷部に対する所定出力電圧を安定出力すべく、前記スイッチング部のスイッチング動作に応じて前記負荷部への出力電流を平滑出力する平滑用インダクタ部とを有する電源装置の出力電圧安定化方法であって、
前記負荷部の負荷電流の急峻増加変動又は急峻減少変動を検出する負荷電流変動検出ステップと、
前記負荷電流の急峻増加変動を検出すると、前記平滑用インダクタ部及び第１インダクタ部間の電磁誘導を起動する第１電磁誘導起動ステップと、
前記第１電磁誘導起動ステップにて前記平滑用インダクタ部及び前記第１インダクタ部間の電磁誘導を起動すると、前記平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を減らし、前記平滑用インダクタ部から前記負荷部への出力電流を増やして前記負荷部に対する出力電圧を上昇する電圧上昇ステップと、
前記負荷電流の急峻減少変動を検出すると、前記平滑用インダクタ部及び第２インダクタ部間の電磁誘導を起動する第２電磁誘導起動ステップと、
前記第２電磁誘導起動ステップにて前記平滑用インダクタ部及び前記第２インダクタ部間の電磁誘導を起動すると、前記平滑用インダクタ部の出力インダクタンス値を増やし、前記平滑用インダクタ部から前記負荷部への出力電流を減らして前記負荷部に対する出力電圧を低下する電圧低下ステップと、
を含むことを特徴とする出力電圧安定化方法。