JP5813347B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
パルス位置変調を用いない場合、PWM回路1606は一定のデューティ比のPWM信号Vpwmを出力する。この場合、スイッチ1602,1603の制御信号が周期的な信号となるため、そのスペクトルはスイッチング周波数およびその高調波成分のピークを持つ。パルス位置変調を用いると、スイッチ1602,1603の制御信号の周期性が低減されるため、周波数が拡散され、EMIノイズが抑制される(図18(a))。
本発明の実施の形態に係る電源装置は、スイッチング素子をパルス制御信号により制御するスイッチング制御装置を有するものである。スイッチング制御装置は、パルス位置を変調するパルス位置変調回路(PPM回路107)と、パルス幅を変調するパルス幅変調回路(PWM回路106)と、パルス位置変調回路、および、パルス幅変調回路により変調されたパルスを生成するパルス生成回路(パルス生成回路109)とを備える(一例として、()内に図1に対応する構成要素を付記)。そして、パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によってパルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して疎になる場合には、パルス幅変調回路はパルス幅を長くする。逆に、パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によってパルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して密になる場合には、パルス幅変調回路はパルス幅を短くすることを特徴とする。
本発明の第1の実施の形態に係る電源装置として、特に、制御信号を用いてスイッチを制御することにより電源電圧を生成するスイッチング電源を例に図1〜図4を用いて説明する。
図1に、本実施の形態に係るスイッチング電源の構成の一例を示す。本実施の形態は、入力電圧Vinを降圧し、出力電圧Voutを得るDC−DCコンバータの一例である。
図2に、本スイッチング電源の動作を説明するタイミングチャートの一例を示す。図2において、Vpwmは従来のPWM信号(図17でも図示)、Vppm,/Vppmは従来のPPM信号(図17でも図示)、Vsw,/Vswは本実施の形態のスイッチ制御信号を示す。
図3に、本スイッチング電源の動作フローの一例を示す。この動作フローのシーケンスは、スイッチング制御装置101により実行される。
図4に、本スイッチング電源のスイッチ制御信号の(a)スペクトルおよび(b)出力電圧の波形の一例を示す。(a)スペクトルおよび(b)出力電圧では、パルス位置変調を行う場合(PPM)と、本実施の形態の制御を行う場合(本発明)を示している。
本発明の第2の実施の形態に係るスイッチング電源を、図5を用いて説明する。本実施の形態では、フィードバック制御を行うスイッチング電源に対し、本発明に係るノイズ拡散およびリップル抑制の技術を適用した場合について説明する。
本発明の第3の実施の形態に係るスイッチング電源を、図6,図7を用いて説明する。本実施の形態では、より具体的なスイッチング電源の構成の一例について説明する。
本発明の第4の実施の形態に係るスイッチング電源を、図8を用いて説明する。本実施の形態では、ノイズ、リップル抑制のための信号を、フィードバックループにより決めるスイッチング電源の構成について説明する。
本発明の第5の実施の形態に係るスイッチング電源を、図9を用いて説明する。本実施の形態では、ノイズ・リップル抑制のための信号を、フィードバックループにより決めるスイッチング電源の、図8とは別の構成について説明する。
本発明の第6の実施の形態に係るスイッチング電源を、図10を用いて説明する。前述の実施の形態のように、ノイズを抑制し、かつ、リップルを抑制するためのフィードバックループを構成する場合、制御が複雑となる。このような複雑な制御を、アナログ回路を用いて実装すると回路規模が大きくなってしまう。そこで、本実施の形態では、スイッチング制御装置内の処理をデジタル化した構成について説明する。
本発明の第7の実施の形態に係るスイッチング電源を、図11および図12を用いて説明する。比較のために、従来技術を示す図19および図20も併せて説明する。本実施の形態では、これまで説明してきたスイッチング電源に適用可能なパルス生成器について説明する。
本発明の第8の実施の形態に係るスイッチング電源を、図13を用いて説明する。本実施の形態では、より具体的なスイッチング電源の構成について説明する。
本発明の第9の実施の形態に係るスイッチング電源を、図14を用いて説明する。本実施の形態では、より具体的なスイッチング電源の別の構成として、昇圧DC−DCコンバータに適用した場合について説明する。
本発明の第10の実施の形態に係るスイッチング電源を、図15を用いて説明する。これまではDC−DCコンバータについて説明してきたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、AC−DCコンバータにも適用可能である。本実施の形態では、このAC−DCコンバータに適用した場合について説明する。
102,103,1108,1109,1302,1402,1505,1602,1603,1903…スイッチ
104,1004,1604…ローパスフィルタ(LPF)
105,503,803,905,1605…コントローラ(CTRL)
106,1606…PWM回路(PWM)
107,1607…PPM回路(PPM)
108…ノイズリップルコントローラ(NRC)
109…パルス生成回路(PGC)
502…差分回路
602…信号生成器(SG)
603,804…増幅器
604,805,907…位相調整器(D)
605…加算器
606…パルス生成器(PG)
802,902,904i,904q…フィルタ(FIL)
903i,903q…ミキサ
906…位相シフタ(PHS)
1002…アナログ/デジタル変換器(ADC)
1003…デジタルシグナルプロセッサ(DSP)
1005…ハイパスフィルタ(HPF)
1101…三角波生成器
1102…クロック発生器(CLK)
1103…デコーダ(DEC)
1104…デジタル/アナログ変換器(DAC)
1105,1904,1905…コンパレータ
1106,1901…電流源
1107…カレントミラー回路
1110,1305,1405,1504,1509,1902…容量
1303,1404,1507,1508…ダイオード
1304,1403…インダクタ
1502…交流電源
1503…整流回路
1506…トランス
Vin…入力電圧
Vout…出力電圧
Vpwm…PWM信号
Vppm,/Vppm…PPM信号
Vsw,/Vsw…スイッチ制御信号
Vref…目標電圧
Vclk…クロック信号
Vdec…デコード信号
Vdac…DAC出力信号
Vtri…三角波信号
Vsaw…ノコギリ波信号
Vrst…リセット信号
Vdat…データ信号
Claims (10)
- スイッチング素子をパルス制御信号により制御するスイッチング制御装置を有する電源装置であって、
前記スイッチング制御装置は、
パルス位置を変調するパルス位置変調回路と、
パルス幅を変調するパルス幅変調回路と、
前記パルス位置変調回路、および、前記パルス幅変調回路により変調されたパルスを生成するパルス生成回路とを備え、
前記パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によって前記パルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して疎になる場合に、前記パルス幅変調回路はパルス幅を長くし、
前記パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によって前記パルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して密になる場合に、前記パルス幅変調回路はパルス幅を短くするものであり、
さらに、前記スイッチング制御装置は、
前記パルス位置を制御する信号生成器と、
前記信号生成器からの出力信号の大きさを変える増幅器と、
前記増幅器からの出力信号の位相を変える位相調整器とを備え、
前記位相調整器の出力信号が前記パルス幅変調回路の入力側に送信され、前記パルス幅変調回路でパルス幅が変調されるものであり、
前記信号生成器からの出力信号が周期的な信号であり、
前記位相調整器は前記信号生成器からの出力信号の位相を90度ずらすことを特徴とする電源装置。 - スイッチング素子をパルス制御信号により制御するスイッチング制御装置を有する電源装置であって、
前記スイッチング制御装置は、
パルス位置を変調するパルス位置変調回路と、
パルス幅を変調するパルス幅変調回路と、
前記パルス位置変調回路、および、前記パルス幅変調回路により変調されたパルスを生成するパルス生成回路とを備え、
前記パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によって前記パルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して疎になる場合に、前記パルス幅変調回路はパルス幅を長くし、
前記パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によって前記パルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して密になる場合に、前記パルス幅変調回路はパルス幅を短くするものであり、
さらに、前記電源装置は、
前記スイッチング制御装置により制御される前記スイッチング素子を備え、
前記スイッチング素子を制御して生成される出力電圧が前記パルス幅変調回路の入力側に送信され、前記パルス幅変調回路でパルス幅が変調されるものであり、
さらに、前記スイッチング制御装置は、
前記出力電圧をデジタル化するアナログ/デジタル変換器を備え、
前記アナログ/デジタル変換器の出力信号が前記パルス幅変調回路の入力側に送信され、前記パルス幅変調回路でパルス幅が変調されることを特徴とする電源装置。 - スイッチング素子をパルス制御信号により制御するスイッチング制御装置を有する電源装置であって、
前記スイッチング制御装置は、
パルス位置を変調するパルス位置変調回路と、
パルス幅を変調するパルス幅変調回路と、
前記パルス位置変調回路、および、前記パルス幅変調回路により変調されたパルスを生成するパルス生成回路とを備え、
前記パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によって前記パルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して疎になる場合に、前記パルス幅変調回路はパルス幅を長くし、
前記パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によって前記パルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して密になる場合に、前記パルス幅変調回路はパルス幅を短くするものであり、
さらに、前記電源装置は、
前記スイッチング制御装置により制御される前記スイッチング素子を備え、
前記スイッチング素子を制御して生成される出力電圧が前記パルス幅変調回路の入力側に送信され、前記パルス幅変調回路でパルス幅が変調されるものであり、
さらに、前記スイッチング制御装置は、
前記パルス位置を制御する信号生成器と、
前記信号生成器からの出力信号の大きさおよび位相を変えるゲイン位相調整器とを備え、
前記ゲイン位相調整器の出力信号が前記パルス幅変調回路の入力側に送信され、前記パルス幅変調回路でパルス幅が変調され、
前記出力電圧が前記ゲイン位相調整器の入力側に送信され、前記ゲイン位相調整器のゲインが調整されることを特徴とする電源装置。 - 請求項3記載の電源装置において、
前記出力電圧が前記ゲイン位相調整器の入力側に送信され、前記ゲイン位相調整器の位相が調整されることを特徴とする電源装置。 - 請求項3記載の電源装置において、
前記スイッチング制御装置は、
前記出力電圧からリップル電圧の成分を抽出するフィルタをさらに備え、
前記フィルタの出力信号が前記ゲイン位相調整回路の入力側に送信され、前記ゲイン位相調整回路が制御されることを特徴とする電源装置。 - 請求項3記載の電源装置において、
前記スイッチング制御装置は、
前記出力電圧と前記信号生成器からの出力信号とを掛け合わせるミキサと、
前記ミキサからの出力信号からリップル電圧のうちの前記信号生成器からの出力信号と同じ周波数成分の信号を抽出するフィルタとをさらに備え、
前記フィルタの出力信号が前記ゲイン位相調整回路の入力側に送信され、前記ゲイン位相調整回路が制御されることを特徴とする電源装置。 - 請求項6記載の電源装置において、
前記スイッチング制御装置は、
前記信号生成器からの出力信号の位相を90度ずらす位相シフタをさらに備え、
前記位相シフタは位相が同相成分の信号とこの同相成分の信号に対して90度遅れた直交成分の信号とを出力し、
前記ミキサおよび前記フィルタが前記同相成分の信号および前記直交成分の信号に対応して2系統備えられていることを特徴とする電源装置。 - 請求項3記載の電源装置において、
前記スイッチング制御装置は、
前記出力電圧をデジタル化するアナログ/デジタル変換器と、
前記アナログ/デジタル変換器からの出力信号から低周波成分を抽出するローパスフィルタと、
前記アナログ/デジタル変換器からの出力信号からリップル電圧の成分を抽出するハイパスフィルタとをさらに備え、
前記ローパスフィルタの出力信号が前記パルス幅変調回路の入力側に送信され、前記パルス幅変調回路でパルス幅が変調され、
前記ハイパスフィルタの出力信号が前記ゲイン位相調整器の入力側に送信され、前記ゲイン位相調整器のゲインが調整されることを特徴とする電源装置。 - スイッチング素子をパルス制御信号により制御するスイッチング制御装置を有する電源装置であって、
前記スイッチング制御装置は、
パルス位置を変調するパルス位置変調回路と、
パルス幅を変調するパルス幅変調回路と、
前記パルス位置変調回路、および、前記パルス幅変調回路により変調されたパルスを生成するパルス生成回路とを備え、
前記パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によって前記パルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して疎になる場合に、前記パルス幅変調回路はパルス幅を長くし、
前記パルス位置変調回路によるパルス位置の変調によって前記パルスのパルス間隔が変調前のパルス間隔と比較して密になる場合に、前記パルス幅変調回路はパルス幅を短くするものであり、
前記パルス生成回路は、
三角波信号を生成する三角波生成器と、
前記三角波信号と閾値信号とを比較するコンパレータとを備え、
前記閾値信号が前記三角波信号の周波数の2倍の周波数で変えられることを特徴とする電源装置。 - 請求項9記載の電源装置において、
前記パルス生成回路は、
クロック信号を生成するクロック発生器と、
パルス位置とパルス幅の情報から閾値を計算するデコーダと、
前記デコーダで計算された閾値のデジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル/アナログ変換器とをさらに備え、
前記三角波生成器が前記クロック信号に同期して動作し、
前記デジタル/アナログ変換器が前記クロック信号の2倍の周波数で動作し、
前記デジタル/アナログ変換器からの出力信号が前記閾値信号となることを特徴とする電源装置。
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