JP5429686B2

JP5429686B2 - 電圧発生器

Info

Publication number: JP5429686B2
Application number: JP2009196607A
Authority: JP
Inventors: 康雄坂巻
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: JP2011048633A

Description

本発明は、定電圧電源から供給される電力を基に所望の直流電圧を発生させる電圧発生器に関する。

定電圧電源から供給される電力を基に所望の直流電圧を発生させる電圧発生器が知られている。図４は、従来の電圧発生器の構成例を示すブロック図である。本図に示すように、電圧発生器１００は、制御部１１０、ＤＡＣ（ＤＡコンバータ）１２０、電圧増幅器１３０を備えて構成される。

電圧増幅器１３０は、電源電圧として、定電圧電源から±Ｖｃｃの定電圧が供給され、ＤＡＣ１２０が出力する電圧Ｖｉを増幅して出力電圧Ｖｏを出力する。ここでは、簡単のため、出力電圧Ｖｏは、−Ｖｃｃ〜＋Ｖｃｃの範囲で出力することができるものとする。電圧増幅器１３０の増幅率は既知であり、所望の出力電圧Ｖｏが定まれば、必要な入力電圧Ｖｉの値を得ることができる。

ＤＡＣ１２０は、ディジタル信号Ｄｓを入力し、あらかじめ定められた変換規則に従って、アナログ電圧Ｖｉに変換する。制御部１１０は、ＤＡＣ１２０に出力するディジタル信号Ｄｓを生成する出力電圧設定部１１１を備えている。

このような構成の電圧発生器１００において−Ｖｃｃ〜＋Ｖｃｃの範囲内の所望の出力電圧Ｖｏを得るためには、出力電圧設定部１１１が、出力電圧Ｖｏに対応した入力電圧Ｖｉを定め、さらに、ＤＡＣ１２０に電圧Ｖｉを出力させるためのディジタル信号Ｄｓを設定する。そして、出力電圧設定部１１１が、設定されたディジタル信号ＤｓをＤＡＣ１２０に出力することにより、出力電圧Ｖｏを得ることができる。

特開２００８−２０９９９８号公報

例えば、定電圧電源の±Ｖｃｃを±１０Ｖとし、最大１０Ｗの電力を供給することができるものとする。この場合、電圧発生器１００は、−１０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲内で任意の電圧Ｖｏを発生させることができる。

ところで、定電圧電源の供給電力が１０Ｗであるから、出力電圧Ｖｏとして最大の１０Ｖを出力する場合、定電圧電源から流れる電流は１Ａとなり、１０Ｗの出力を得ることができる。

しかしながら、定電圧電源は、常に±１０Ｖを出力するため、出力電圧Ｖｏとして１Ｖを出力する場合も、定電圧電源から流れる電流は１Ａであり、電圧発生器１００の出力は１Ｗとなる。すなわち、定電圧電源として１０Ｗの電力が供給可能であるのにもかかわらず、１Ｗの出力しか得られず、９Ｗの電力が電圧増幅器１３０における発熱等でロスされることになる。

そこで、本発明は、定電圧電源から供給される電力を基に所望の電圧を出力する電圧発生器において、出力電圧値にかかわらず、出力電力のロスを削減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電圧発生器は、電源電圧に基づいて、入力電圧を増幅した出力電圧を出力する電圧増幅器と、定電圧電源から供給された電圧を、前記電圧増幅器の電源電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記電圧増幅器の出力電圧値の設定を受け付け、受け付けた出力電圧値に基づいて、前記入力電圧値を設定する出力電圧設定部と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧値を、前記電圧増幅器の出力電圧値に応じて可変させる供給電源電圧設定部とを備えたことを特徴とする。

本発明では、効率の高いＤＣ−ＤＣコンバータ用い、出力電圧値に応じて電圧増幅器の電源電圧値を変化させるようにしている。このため、出力電圧値が低い場合でも電圧増幅器に多くの電流を流すことができ、出力電力が低下することを防いでいる。このため、出力電圧値にかかわらず、電力のロスを削減することができる。

ここで、前記供給電源電圧設定部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧値の大きさを前記電圧増幅器の出力電圧値の大きさ以上に設定するとともに、前記電圧増幅器の出力電圧値の大きさが小さいほど前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧値の大きさを小さく設定することができる。

本発明によれば、定電圧電源から供給される電力を基に所望の電圧を出力する電圧発生器において、出力電圧値にかかわらず、電力のロスを削減することができる。

本実施形態の電圧発生器の構成を示すブロック図である。本実施形態の電圧発生器の処理を説明するフローチャートである。本実施形態の電圧発生器の別構成を示すブロック図である。従来の電圧発生器の構成例を示すブロック図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の電圧発生器の構成を示すブロック図である。本図に示すように電圧発生器１は、制御部１０、ＤＡＣ（ＤＡコンバータ）２０、電圧増幅器３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０ａ、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０ｂを備えて構成される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４０ａは、定電圧電源から＋Ｖｃｃの定電圧を入力し、所望の正の直流電圧Ｖａに変換して出力する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０ｂは、定電圧電源から−Ｖｃｃの定電圧を入力し、所望の負の直流電圧−Ｖａに変換して出力する。以下では、特に区別する必要がない場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０ａとＤＣ−ＤＣコンバータ４０ｂとをＤＣ−ＤＣコンバータ４０と総称する。

ここでは、簡単のため、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の効率を１００％とする。すなわち、入力された電力をそのまま出力することができるものとする。もちろん、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、実装上は高効率であることが好ましいが、１００％の効率である必要はない。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、例えば、デューティ比を変化させることで出力電圧を調整する降圧型スイッチング電源等を用いることができる。ただし、出力電圧を制御可能な高効率のＤＣ−ＤＣコンバータであれば本発明に適用することができる。

電圧増幅器３０は、電源電圧として、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０から±Ｖａの定電圧が供給され、ＤＡＣ２０が出力する電圧Ｖｉを増幅して出力電圧Ｖｏを出力する。ここでは、簡単のため、出力電圧Ｖｏは、電源電圧と等しい−Ｖａ〜＋Ｖａの範囲で出力することができるものとする。もちろん、実装上は、電圧増幅器３０の最大出力電圧が電源電圧よりΔｂ小さくなるものとして、出力電圧Ｖｏが−Ｖａ＋ΔＶｂ〜Ｖａ−ΔＶｂの範囲であってもよい。

電圧増幅器３０の増幅率は既知であり、所望の出力電圧Ｖｏが定まれば、必要な入力電圧Ｖｉの値を得ることができる。

ＤＡＣ２０は、ディジタル信号Ｄｓを入力し、あらかじめ定められた変換規則に従って、アナログ電圧Ｖｉに変換して出力する。

制御部１０は、ＤＡＣ２０に出力するディジタル信号Ｄｓを生成する出力電圧設定部１１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０が出力する電圧±Ｖａを設定する供給電源電圧設定部１２とを備えている。制御部１０は、ソフトウェアで構成してもよいし、ハードウェアで構成してもよい。

供給電源電圧設定部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の出力電圧値Ｖａの大きさを電圧増幅器３０の出力電圧値Ｖｏの大きさ以上に設定するとともに、電圧増幅器３０の出力電圧値Ｖｏが小さいほどＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力電圧値Ｖａを小さく設定する。

より具体的には、供給電源電圧設定部１２は、電圧発生器１が出力する電圧Ｖｏを生成するために必要最小限の電源電圧±Ｖａを電圧増幅器３０に供給するようにＤＣ−ＤＣコンバータ４０を制御する。すなわち、電源電圧Ｖａとして、Ｖｏを生成するようにＤＣ−ＤＣコンバータ４０ａを制御し、電源電圧−Ｖａとして、−Ｖｏを生成するようにＤＣ−ＤＣコンバータ４０ｂを制御する。ただし、多少のマージンを設けるようにしてもよい。

なお、電圧増幅器３０の最大出力電圧が電源電圧よりΔｂ小さくなる場合には、それぞれの出力電圧が、Ｖｏ＋ΔＶｂ、−Ｖｏ−ΔＶｂとなるようにＤＣ−ＤＣコンバータ４０ａ、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０ｂを制御する。このときも必要に応じてマージンを設けるようにしてもよい。

このような構成の電圧発生器１において所望の出力電圧Ｖｏを得る場合の手順について図２のフローチャートを参照して説明する。まず、制御部１０に対して所望の出力電圧Ｖｏを設定する（Ｓ１０１）。

次いで、出力電圧設定部１１が、設定された出力電圧Ｖｏに対応した入力電圧Ｖｉを定め、さらに、ＤＡＣ２０に電圧Ｖｉを出力させるためのディジタル信号Ｄｓを設定する（Ｓ１０２）。また、供給電源電圧設定部１２が、設定された出力電圧Ｖｏに対応した電源電圧Ｖａを設定する（Ｓ１０３）。本例では、上述のように、電源電圧ＶａとしてＶｏに等しい値を設定する。

そして、設定されたディジタル信号Ｄｓ、電源電圧Ｖａに基づいて動作を開始する（Ｓ１０４）。具体的には、ディジタル信号ＤｓをＤＡＣ２０に出力する。これにより、ＤＡＣ２０から電圧増幅器３０に電圧Ｖｉが印加されることになる。また、設定された電圧±Ｖａを出力するようにＤＣ−ＤＣコンバータ４０を制御する。これにより、電圧発生器１の出力電圧として所望のＶｏが得られることになる。

本実施形態において、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、入力電力を効率１００％で出力することができるものとしているため、定電圧電源から供給された電力をそのまま出力することができる。このため、電圧発生器１の出力電圧にかかわらず、定電圧電源から供給された電力を出力することができることになり、電力のロスを大幅に削減される。

例えば、定電圧電源の±Ｖｃｃを±１０Ｖとし、最大１０Ｗの電力を供給することができるものとする。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、０〜±１０Ｖの範囲内で任意の電圧±Ｖａを生成することができ、電圧発生器１は、−１０Ｖ〜＋１０Ｖの範囲内で任意の電圧Ｖｏを発生させることができる。

電圧発生器１の出力電圧Ｖｏとして最大の１０Ｖを出力する場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０ａは、電源電圧Ｖａとして１０Ｖを電圧増幅器３０に出力する。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０ａから流れる電流は１Ａとなり、１０Ｗの出力を得ることができる。

また、出力電圧Ｖｏとして１Ｖを出力する場合、電源電圧Ｖａは、１Ｖで足りるため、１０Ｗ出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータ４０ａは１０Ａの電力を流すことができる。したがって、１０Ｗの出力を得ることができ、ロスを大幅に低下させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、定電圧電源から供給される電力を基に所望の電圧を出力する電圧発生器において、出力電圧値にかかわらず、電力のロスを削減することができる。

なお、図１に示した構成例では、電圧増幅器３０に大きさの等しい正負の電源電圧を供給していたが、正負の電源電圧の大きさは異なっていてもよい。また、図３に示すように一方の電源電圧を供給する構成としてもよい。本図に示す電圧発生器２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０が出力する電圧Ｖａを電圧増幅器３０に入力し、他の電源入力端子を接地する構成としている。このような構成においても、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０が出力する電圧Ｖａを、電圧増幅器３０が電圧Ｖｏを出力するために必要最小限の電圧値とすることで、電力のロスを大幅に削減することができる。

１…電圧発生器
２…電圧発生器
１０…制御部
１１…出力電圧設定部
１２…供給電源電圧設定部
３０…電圧増幅器
４０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
１００…電圧発生器
１１０…制御部
１１１…出力電圧設定部
１３０…電圧増幅器

Claims

電源電圧に基づいて、入力電圧を増幅した所望の直流出力電圧を出力する電圧増幅器と、
定電圧電源から供給された電圧を、前記電圧増幅器の電源電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記電圧増幅器の出力電圧値の設定を受け付け、受け付けた出力電圧値に基づいて、前記入力電圧値を設定する出力電圧設定部と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧値を、前記電圧増幅器の出力電圧値に応じて可変させる供給電源電圧設定部とを備えたことを特徴とする電圧発生器。
請求項１に記載の電圧発生器であって、
前記供給電源電圧設定部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧値の大きさを前記電圧増幅器の出力電圧値の大きさ以上に設定するとともに、前記電圧増幅器の出力電圧値の大きさが小さいほど前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧値の大きさを小さく設定することを特徴とする電圧発生器。