JP5632321B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
そこで、従来、出力側に電流センサを設けて、出力電流を検出して制御を行うスイッチング電源装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、入力側に電流センサを設けて、入力電流を検出して制御を行うスイッチング電源装置が知られている。
従来のスイッチング電源装置は、図4に示すように、入力端子101に入力される入力電流Iinを検出する電流センサS1と、スイッチング素子を含むドライバD1と、インダクタL1とキャパシタ(容量素子)C1とを含みドライバD1の出力側に接続されるフィルタと、出力電流Ioutを検出する電流センサS2と、電流センサS2の検出電流に応じてPWM信号を生成し、このPWM信号によりドライバD1のスイッチング素子のオンオフ制御を行うPWMコントラーラP1と、を備えている。
ドライバD1は、入力端子105、出力端子106、および電源端子107、108を備えている。入力端子105はPWMコントローラP1の出力端子に接続され、出力端子106はインダクタL1の一端に接続されている。電源端子107は電流センサ1の端子103に接続され、電源端子108はグラウンドに接続されている。
電流センサS1、S2はその構成が同じであるので、電流センサS1の構成について説明する。
電流センサS1は、図5に示すように、端子102と端子103の間に設けられ抵抗値が「Rs」であるセンス抵抗Rsと、センス抵抗Rsに流れる電流によりその両端に生じる電位差を検出し、この検出した電位差を端子104に出力する電位差検出回路Dif1と、を備えている。
ドライバD1は、PチャネルのMOSトランジスタM1とNチャネルのMOSトランジスタM2からなりスイッチング素子として機能するCMOSインバータと、インバータINV1とを備えている。
MOSトランジスタM1、M2のゲートは共通接続され、その共通接続部はインバータINV1を介して入力端子105に接続されている。MOSトランジスタM1、M2のドレインは共通接続され、その共通接続部は出力端子106に接続されている。MOSトランジスタM1のソースは電源端子107に接続され、MOSトランジスタM2のソースは電源端子108に接続されている。
いま、入力端子101に入力電圧Vinが印加されると、入力電流Iinが流れる。この入力電流Iinは、電流センサS1のセンス抵抗Rsを流れ、ドライバD1の電源端子107に入力される。入力電流Iinがセンス抵抗Rsに流れることにより、センス抵抗Rsの両端にIin×Rs〔V〕の電圧が生じる。この電圧は、入力電流Iinの大きさに応じたものであり、電位差検出回路Dif1により検出されて端子104から出力される。
ドライバD1にはPWMコントローラP1から出力されるPWM信号が入力され、スイッチング素子であるMOSトランジスタM1、M2が、そのPWM信号によって以下のようにオンオフ制御される。
ここで、電流センサS2のセンス抵抗Rsには出力電流Ioutが流れるので、センス抵抗Rsの両端にIout×Rs〔V〕の電圧が生じる。この電圧は、出力電流Ioutの大きさに応じたものであり、電位差検出回路Dif1により検出されて端子104から出力される。
このように従来のスイッチング電源装置は、PWMコントローラP1が上述のように制御されたPWM信号をドライバD1に対して出力することで、出力端子109から出力される出力電流Ioutの電流値が制御される。
従来のスイッチング電源装置では、出力電流を制御したい制御電流値に制御するために、出力側に電流センサを設ける必要があった。出力側に電流センサを設けると、出力電流Ioutがセンス抵抗Rsに流れるので、出力電圧がIout×Rの電圧降下分だけ低下する。さらに、センス抵抗Rsにおいて、(Iout)2 ×Rsの電力損失が起こり、変換効率の低下及び充電時間の長期化という問題が生じる。
本発明の目的は、上記の点に鑑み、出力電圧の降下をなくすことにより、変換効率の低下および充電時間の長期化が生じることなく、出力電流を制御電流値に制御することができるスイッチング電源装置を提供することにある。
第1の発明は、出力電流を予め定めた制御電流値に制御するスイッチング電源装置であって、入力電流が供給されるスイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のオンオフに応じた出力電流を出力端子に出力するドライバと、前記入力電流に応じた電圧を出力する電流センサと、前記出力電流を前記制御電流値に制御するための制御電圧を生成して出力する制御電圧生成手段と、前記電流センサの出力電圧と前記制御電圧生成手段が出力する制御電圧との差分を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力に応じたデューティの第1のPWM信号を生成し、当該第1のPWM信号により前記スイッチング素子をオンオフ制御する第1のPWMコントローラと、を備え、前記制御電圧生成手段は、前記予め定めた制御電流値と前記第1のPWMコントローラが前記第1のPWM信号を生成するときのデューティとの積に応じた制御電圧を出力する。
第3の発明は、出力電流を予め定めた制御電流値に制御するスイッチング電源装置であって、入力電流が供給されるスイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のオンオフに応じた出力電流を出力端子に出力するドライバと、前記入力電流に応じた電圧を出力する電流センサと、前記出力電流を前記制御電流値に制御するための制御電圧を生成して出力する制御電圧生成手段と、前記電流センサの出力電圧と前記制御電圧生成手段が出力する制御電圧との差分を出力する差動増幅器と、前記差動増幅器の出力に応じたデューティの第1のPWM信号を生成し、当該第1のPWM信号により前記スイッチング素子をオンオフ制御する第1のPWMコントローラと、を備え、前記制御電圧生成手段は、前記第1のPWM信号を入力し、前記予め定めた制御電流値に応じた電圧が電源電圧として供給されるバッファと、前記バッファの出力信号を平滑化して前記制御電圧として前記差動増幅器に出力するローパスフィルタと、を備えている。
(第1 実施形態)
本発明の第1実施形態に係るスイッチング電源装置の構成について、図1を参照して説明する。
第1実施形態に係るスイッチング電源装置は、図1に示すように、電流センサS1と、スイッチング素子を含むドライバD1と、インダクタL1とキャパシタ(容量素子)C1とを含むフィルタF1と、制御電圧生成部CVGENと、差動増幅器AMP1と、PWMコントローラP1とを備えている。
ドライバD1は、PWMコントローラP1から出力されるPWM信号によってオンオフ制御されるスイッチング素子を含み、入力端子105、出力端子106、および電源端子107、108を備えている。入力端子105はPWMコントローラP1の出力端子に接続され、出力端子106はフィルタF1の入力側に接続されている。電源端子107は電流センサS1の端子103に接続され、電源端子108はグラウンドに接続されている。
フィルタF1を構成するインダクタL1は、その一端がドライバD1の出力端子106に接続され、その他端がキャパシタC1の一端と出力端子109にそれぞれ接続されている。キャパシタC1の他端はグラウンドに接続されている。出力端子109には、充電対象である電池B1が接続される。
PWMコントローラP1は、差動増幅器AMP1から出力される差分信号を制御信号として入力し、この制御信号に応じたデューティのPWM信号を生成し、この生成したPWM信号によりドライバD1のスイッチング素子をオンオフ制御する。
いま、入力端子101に入力電圧Vinが印加されると、入力電流Iinが流れる。この入力電流Iinは、電流センサS1のセンス抵抗Rsを流れ、ドライバD1の電源端子107に入力される。入力電流Iinがセンス抵抗Rsに流れることにより、センス抵抗Rsの両端にIin×Rs〔V〕の電圧が生じる。この検出電圧Vs=Iin×Rsは、入力電流Iinの大きさに応じたものであり、電位差検出回路Dif1により検出されて端子104から出力される。
制御電圧生成部CVGENは、(1)式のような制御電圧Vcを出力する。
Vc=Rs×Ioutlim×Duty ・・・(1)
ただし、Rsは電流センサS1のセンス抵抗Rsの抵抗値、Ioutlimは予め定めてある出力電流Ioutの制御電流値、DutyはPWMコントローラP1が出力するPWM信号のデューティである。
例えば、制御電圧生成部CVGENは、電流値がIoutlim×Dutyの電流を出力する電流源と、センス抵抗Rsと同じ抵抗値の負荷抵抗とを接続し、その接続点から制御電圧Vcを出力する構成とすることができる。他には、制御電圧Vcを予め算出し、その値を記憶するメモリと、メモリから制御電圧Vc読み出してデコードするデコーダとで構成することもできる。
Vdif=k(Vs−Vc)
=k×Rs×(Iin−Ioutlim×Duty) ・・・ (2)
ただし、kは比例定数である。
Duty=Iin/Ioutlim ・・・ (3)
(3)式により、PWMコントローラP1は、(2)式で表される差分電圧Vdifが零、つまり、入力電流Iinに電流制限をかけて、Iin=Ioutlim×DutyとなるようなPWM信号を出力する。
ドライバD1にはPWMコントローラP1から出力されるPWM信号が入力され、スイッチング素子であるMOSトランジスタM1、M2が、そのPWM信号によって以下のようにオンオフ制御される。
ここで、出力電圧Voutは、デューティDutyに応じて入力電圧Vinが伝わった電圧値となるため、次式で表される。
Vout=Duty×Vin ・・・ (4)
また、エネルギー保存則より入力電圧Vin、入力電流Iin、出力電圧Vout、出力電流Ioutの間には次式が成立する。
Vin×Iin=Vout×Iout ・・・ (5)
Iin=Duty×Iout ・・・ (6)
さらに、(3)式を(6)式に代入すると、出力電流Ioutは、次式となる。
Iout=Ioutlim ・・・ (7)
したがって、(7)式により出力電流Ioutは、制御電流値Ioutlimに制御される。つまり、第1実施形態では、出力側に電流センサを設けることなく、出力電流Ioutを制御電流値Ioutlimに制御することができる。
また、本発明の第1実施形態は、フィードフォワード構成であるので、入力電流の変化に対して、高速に出力電流を制御電流値に制御できるという効果も奏する。
次に、本発明の第2実施形態に係るスイッチング電源装置の構成について、図2を参照して説明する。
第1実施形態は、上述のように、電流センサS1から出力される検出電圧Vsを図示しない入力電流制限回路に入力し、その入力電流制限回路がその検出電圧Vsに応じて入力電流Iinの電流量を制御するようにした。
しかし、第2実施形態は、図1に示す構成を基本にし、入力電流Iinを制御するために、図1の構成を以下のように追加、変更したものである。
増幅器AMPは、電流センサS1から出力される検出電圧Vsを増幅してPWMコントローラP2に出力する。PWMコントローラP2は、増幅器AMPの出力信号に制御信号として入力し、その制御信号に応じたデューティのPWM信号を生成し、この生成したPWM信号をオア回路ORに出力する。また、PWMコントローラP1は、自己の生成したPWM信号をオア回路ORに出力する。
なお、第2実施形態の他の部分の構成は第1実施形態の構成と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。
このような構成の第2実施形態によれば、入力電流Iinの電流量の制御と、出力電流Ioutの電流量の制御を1個のドライバで制御できる。すなわち、ドライバを共有化できるため、スイッチング電源装置全体を小型化できるという効果を奏する。
次に、本発明の第3実施形態に係るスイッチング電源装置の構成について、図3を参照して説明する。
第3実施形態に係るスイッチング電源装置は、図1に示す第1実施形態の制御電圧生成部CVGENを、図3に示すようにバッファBUF1とローパスフィルタF2に置き換えたものである。
したがって、第3実施形態では、図3に示すように、電流センサS1と、スイッチング素子を含むドライバD1と、インダクタL1とキャパシタ(容量素子)C1とを含むフィルタF1と、バッファBUF1と、ローパスフィルタF2と、差動増幅器AMP1と、PWMコントラーラP1とを備えている。
バッファBUF1は、PWMコントローラP1から出力されるPWM信号が入力されるようになっている。また、バッファBUF1は、電源端子110から出力電流Ioutの制御電流値に応じた電源電圧V1が供給される。バッファBUF1の出力はローパスフィルタF2に入力される。
ローパスフィルタF2は、例えば抵抗と容量を用いた1次のパッシブローパスフィルタなどで構成される。また、ローパスフィルタF2は、バッファBUF1からの出力電圧を入力し、この入力電圧を平滑化して差動増幅器AMP1の反転入力端子に出力する。
いま、入力端子101に入力電圧Vinが印加されると、入力電流Iinが電流センサS1のセンス抵抗Rsを流れ、ドライバD1の電源端子107に入力される。このため、センス抵抗Rsの両端にIin×Rs〔V〕の電圧Vsが生じ、この電圧Vsが電流センサS1の端子104から出力される。
端子104から出力される電圧Vsは、図示しない入力電流制限回路に入力される。この入力電流制限回路は、例えば、入力端子101の手前に設けられ、入力電流Iinに応じた端子104の出力電圧の大きさを基に、入力電流Iinが過大であるかどうかを検出して入力電流Iinの電流量を制御する。
ここで、センス抵抗Rsの抵抗値Rsは、予め分かっている値であるので、Rs×Ioutlimの値を予め算出して、その算出値を電源電圧V1として電源端子110に与えればよい。
ローパスフィルタF2は、バッファBUF1の出力信号を平均化して、電圧値がRs×Ioutlim×Dutyとなる電圧信号を出力する。
Vdif=k×Rs×(Iin−Ioutlim×Duty) ・・・ (8)
ただし、kは比例定数である。
Duty=Iin/Ioutlim ・・・ (9)
(9)式により、PWMコントローラP1は、(8)式で表される差分電圧Vdifが零、つまり、入力電流Iinに電流制限をかけて、Iin=Ioutlim×DutyとなるようなPWM信号を出力する。
このため、ドライバD1からの出力電流は、インダクタL1を流れて出力端子109から出力電流Ioutとして出力される。そして、出力電流Ioutは電池B1に流れて、電池B1を充電させる。出力端子109における出力電圧Voutは、インダクタL1とキャパシタとで構成されるリアクタンスフィルタにより平滑化された電圧として出力される。
Vout=Duty×Vin ・・・ (10)
また、エネルギー保存則より入力電圧Vin、入力電流Iin、出力電圧Vout、出力電流Ioutの間には次式が成立する。
Vin×Iin=Vout×Iout ・・・ (11)
Iin=Duty×Iout ・・・ (12)
さらに、(9)式を(12)式に代入すると、出力電流Ioutは、次式となる。
Iout=Ioutlim ・・・ (13)
したがって、(13)式により出力電流Ioutは、制御電流値Ioutlimに制御される。つまり、第3実施形態では、出力側に電流センサを設けることなく、出力電流Ioutを制御電流値Ioutlimに制御することができる。
また、本発明の第3実施形態に係るスイッチング電源装置は、制御電圧生成手段を、バッファとローパスフィルタによる簡易な構成で実現できるので、小型にすることができるという効果も奏する。
次に、本発明の第4実施形態に係るスイッチング電源装置の構成について説明する。
第3実施形態は、上述のように、電流センサS1から出力される電圧Vsを図示しない入力電流制限回路に入力し、その入力電流制限回路がその検出電圧Vsに応じて入力電流Iinの電流量を制御するようにした。
しかし、第4実施形態は、図3に示す構成を基本にし、入力電流Iinを制御するために、図2に示す増幅器AMP、PWMコントローラP2、およびオア回路ORを追加し、その構成を変更したものである。
このような構成の第4実施形態によれば、入力電流Iinの電流量の制御と、出力電流Ioutの電流量の制御を1個のドライバで制御できる。すなわち、ドライバを共有化できるため、スイッチング電源装置全体を小型化できるという効果を奏する。
上記のように、本発明における制御電圧生成手段について、第1実施形態では制御電圧生成部CVGENとし、第3実施形態ではバッファBUF1およびローパスフィルタF2としたが、(Ioutlim×Duty)に応じた電圧が出力できる構成であれば、どのような構成でもよい。
例えば、PWMコントローラP1の出力を、アナログ信号からディジタル信号に変換するAD変換器の入力に接続して、AD変換器の出力を、高周波成分を除去するディジタルフィルタに接続して、ディジタルフィルタの出力を、ディジタル信号からアナログ信号に変換するDA変換器の入力に接続して、DA変換器の出力を差動増幅器AMP1の反転入力端子に接続するという構成が挙げられる。
F1・・・フィルタ
S1・・・電流センサ
CVGEN・・・制御電圧生成部
AMP1・・・差動増幅器
P1、P2・・・PWMコントローラ
BUF1・・・バッファ
F2・・・ローパスフィルタ
AMP・・・増幅器
Claims (4)
- 出力電流を予め定めた制御電流値に制御するスイッチング電源装置であって、
入力電流が供給されるスイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のオンオフに応じた出力電流を出力端子に出力するドライバと、
前記入力電流に応じた電圧を出力する電流センサと、
前記出力電流を前記制御電流値に制御するための制御電圧を生成して出力する制御電圧生成手段と、
前記電流センサの出力電圧と前記制御電圧生成手段が出力する制御電圧との差分を出力する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力に応じたデューティの第1のPWM信号を生成し、当該第1のPWM信号により前記スイッチング素子をオンオフ制御する第1のPWMコントローラと、
を備え、
前記制御電圧生成手段は、
前記予め定めた制御電流値と前記第1のPWMコントローラが前記第1のPWM信号を生成するときのデューティとの積に応じた制御電圧を出力することを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記制御電圧生成手段は、電圧源であ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。
- 出力電流を予め定めた制御電流値に制御するスイッチング電源装置であって、
入力電流が供給されるスイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のオンオフに応じた出力電流を出力端子に出力するドライバと、
前記入力電流に応じた電圧を出力する電流センサと、
前記出力電流を前記制御電流値に制御するための制御電圧を生成して出力する制御電圧生成手段と、
前記電流センサの出力電圧と前記制御電圧生成手段が出力する制御電圧との差分を出力する差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力に応じたデューティの第1のPWM信号を生成し、当該第1のPWM信号により前記スイッチング素子をオンオフ制御する第1のPWMコントローラと、
を備え、
前記制御電圧生成手段は、
前記第1のPWM信号を入力し、前記予め定めた制御電流値に応じた電圧が電源電圧として供給されるバッファと、
前記バッファの出力信号を平滑化して前記制御電圧として前記差動増幅器に出力するローパスフィルタと、
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記電流センサの出力電圧を増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力に応じたデューティの第2のPWM信号を出力する第2のPWMコントローラと、
前記第1のPWM信号と前記第2のPWM信号との論理和をとり、第3のPWM信号を出力するオア回路と、をさらに備え、
前記スイッチング素子は、前記オア回路から出力される第3のPWM信号によりオンオフ制御されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
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