JP6329344B2

JP6329344B2 - 電力供給装置および電子機器

Info

Publication number: JP6329344B2
Application number: JP2013132258A
Authority: JP
Inventors: 健一本木
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: JP2015008565A

Description

本発明は、電力供給装置および電子機器に関し、特に、電力線を通信伝送線として用いて周辺機器に応じた電力を供給する技術に好適な電力供給装置および電子機器に関する。

従来、電力供給を伴う通信規格に対応した端末装置と電力線搬送通信ネットワークとの間で相互通信可能な直流コンセントが提供されている（例えば、特許文献１参照。）。

データ線を用いた電力供給技術には、パワーオーバーイーサネット（ＰｏＥ：Power Over Ethernet）技術やユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ：Universal Serial Bus）技術がある（例えば、非特許文献１参照。）。

ＵＳＢ技術には、供給電力レベルに応じて、最大２．５ＷのＵＳＢ２．０、最大４．５ＷのＵＳＢ３．０、最大７．５Ｗのバッテリー充電規格ＢＣＳ１．２がある。

また、ＵＳＢパワーデリバリー仕様１．０は、従来のケーブルやコネクタとも互換性を備え、ＵＳＢ２．０やＵＳＢ３．０、ＵＳＢバッテリー充電規格ＢＣＳ１．２とも共存する独立した規格である。この規格では、電圧５Ｖ〜１２Ｖ〜２０Ｖ、電流１．５Ａ〜２Ａ〜３Ａ〜５Ａの範囲内で、充電電流・電圧を選択可能であり、１０Ｗ・１８Ｗ・３６Ｗ・６５Ｗ・最大１００ＷまでＵＳＢ充電・給電可能である。

このような電力供給を実施する電源として、ＤＣ／ＤＣコンバータがあり、その１つにフライバック（昇圧型）ＤＣ／ＤＣコンバータがある。

特開２０１１−８２８０２号公報

"特集データ線で電力供給"、日経エレクトロニクス、２０１２年１０月９日、ｐｐ．２３−４０

本発明の目的は、簡単な構成で出力電圧を可変可能で、さらに出力電圧レベルが目標電圧範囲内にあるか否かを容易に判定できる電力供給装置およびそれを搭載した電子機器を提供することにある。

本発明の一態様によれば、入力と出力との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流を制御するＤＣ／ＤＣコントローラと、前記出力に直列に接続された第１の固定抵抗および第２の固定抵抗と、前記第１の固定抵抗および前記第２の固定抵抗により分圧された前記出力の電力情報と、可変基準電圧とを入力し、前記出力の電力情報を前記ＤＣ／ＤＣコントローラにフィードバックする電圧‐電流変換回路とを備える可変電源装置を備え、前記ＤＣ／ＤＣコントローラは、フィードバックされた前記電力情報に基づいて前記入力電流を制御することによって、電力の供給先から要求される目標電圧値を受信し、受信した前記目標電圧値に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧値を可変にした電力供給装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、上記の電力供給装置を搭載した電子機器が提供される。

本発明によれば、簡単な構成で出力電圧を可変可能で、さらに、出力電圧レベルが目標電圧範囲内にあるか否かを容易に判定できる電力供給装置およびそれを搭載した電子機器を提供することができる。

比較例に係る可変電源装置の模式的回路ブロック構成図。比較例に係る電力供給装置の模式的回路ブロック構成図。実施の形態に係る電力供給装置の模式的回路ブロック構成図。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

[比較例に係る電力供給装置]
比較例に係る電力供給装置１Ａの模式的回路ブロック構成図を図２に示し、電力供給装置１Ａに用いられる可変電源装置１２Ａの模式的回路ブロック構成図を図１に示す。

比較例に係る可変電源装置１２Ａは、図１に例示するように、入力・出力間に配置され、トランス１５・ダイオードＤ・キャパシタＣおよびトランス１５の１次側インダクタンスＬ１と接地電位との間に直列接続されるＭＯＳトランジスタＱ１から構成されるフライバックＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、ＭＯＳトランジスタＱ１を制御するＤＣ／ＤＣコントローラ３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側と接地電位との間に直列に接続された固定抵抗Ｒ１および可変抵抗Ｒ２と、固定抵抗Ｒ１および可変抵抗Ｒ２により分圧されたＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力を入力する電圧‐電流変換回路１６と、電圧‐電流変換回路１６の出力側に接続され、出力情報をＤＣ／ＤＣコントローラ３０にフィードバック（帰還）する絶縁回路２０とを備える。出力側の電力情報は、電圧‐電流変換回路１６および絶縁回路２０を介して、１次側コントローラ３０にフィードバックされる。比較例に係る電力供給装置１Ａにおいては、絶縁回路２０の入力側フォトダイオードのアノードは、抵抗Ｒ０を介して、ＤＣ出力電圧Ｖ_oに接続されている。ＤＣ／ＤＣコントローラ３０は、ＭＯＳトランジスタＱ１のＯＮ／ＯＦＦを制御し、ＤＣ入力電圧Ｖ_inをＤＣ出力電圧Ｖ_oにＤＣ／ＤＣ変換させるとともにＤＣ出力電圧Ｖ_oを安定化させる。可変電源装置１２Ａは、例えば、ＵＳＢ対応の通信機能を備えた可変電源装置である。

例えば、ＵＳＢ−ＰＤ（USB Power Delivery）などにおいては、周辺機器に応じた任意のＤＣ出力電圧Ｖ_oを出力することが要求されるので、帰還電圧利得（ゲイン）を変更する（可変にする）ことで電圧変化を行う。比較例に係る可変電源装置１２Ａでは、固定抵抗Ｒ１と可変抵抗Ｒ２とを用いて、出力電圧Ｖ_oの分圧抵抗比を変化させているため、出力電圧対帰還電圧利得が変化する。そのため、出力電圧範囲が広いシステムに対しては、その出力電圧値に応じてシステムのループ利得が変化するため、特性が不安定になり、回路設計が複雑で困難になるという問題がある。

また、比較例に係る電力供給装置１Ａは、図２に例示するように、可変電源装置１２Ａと、可変電源装置１２Ａの出力側と接地電位との間に接続された出力ＯＫ監視回路４０とを備える。出力ＯＫ監視回路４０は、固定抵抗Ｒ５と可変抵抗Ｒ６とで分圧された出力電圧分圧点と基準電圧Ｅ２とを比較する第１の検出コンパレータ４２と、固定抵抗Ｒ３と可変抵抗Ｒ４とで分圧された出力電圧分圧点と基準電圧Ｅ２とを比較する第２の検出コンパレータ４４とを備え、出力電源レベルが目標電圧範囲内にあるか否かを判定する。ここで、第１の検出コンパレータ４２の出力電圧はＶ_DET1で表され、第２の検出コンパレータ４４の出力電圧はＶ_DET1で表される。すなわち、第１の検出コンパレータ４２の出力電圧Ｖ_DET1、第２の検出コンパレータ４４の出力電圧Ｖ_DET1を検出することによって、出力電圧レベルが目標電圧範囲内にあるか否かを判定する。

このように、比較例に係る電力供給装置１Ａにおける出力ＯＫ監視回路４０では、出力電圧レベルが目標電圧範囲内にあるか否かを判定するために、基準電圧Ｅ２と２つの出力電圧分圧点とを比較する必要があるので、それぞれの可変抵抗として、要求される出力電圧に応じた変化点が必要となる。そのため、回路規模が増大するといった問題がある。

また、電圧‐電流変換回路１６の特性により、出力電圧Ｖ_oが変化すると、電圧−電流変換回路の利得も変化するという問題もある。すなわち、比較例に係る電力供給装置１Ａにおいては、帰還電圧利得（ゲイン）を変更する（可変にする）ことで電圧変化を行うため、電圧を切り替えるたびにシステムのループ利得が変化し、ＵＳＢ−ＰＤに要求される出力ＯＫ監視回路４０が複雑になる。

[実施形態に係る電力供給装置]
実施形態に係る電力供給装置１の模式的回路ブロック構成図は、図３に示すように、可変電源装置１２と、可変電源装置１２の出力側に接続された出力ＯＫ監視回路６０とを備える。可変電源装置１２は、例えば、ＵＳＢ対応の通信機能を備えた可変電源装置である。

実施形態に係る可変電源装置１２は、図３に例示するように、入力・出力間に配置され、トランス１５・ダイオードＤ・キャパシタＣおよびトランス１５の１次側インダクタンスＬ１と接地電位との間に直列接続されるＭＯＳトランジスタＱ１から構成されるフライバックＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、ＭＯＳトランジスタＱ１を制御するＤＣ／ＤＣコントローラ３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側と接地電位との間に直列に接続された固定抵抗Ｒ１および固定抵抗Ｒ２と、固定抵抗Ｒ１および固定抵抗Ｒ２により分圧されたＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力と可変基準電圧Ｖ_refとを入力する電圧‐電流変換回路（Ｇｍ回路）１６と、電圧‐電流変換回路１６の出力側に接続され、出力情報をＤＣ／ＤＣコントローラ３０にフィードバック（帰還）する絶縁回路２０とを備える。

ここで、電圧‐電流変換回路（Ｇｍ回路）１６は、可変基準電圧Ｖ_refの変化ΔＶ_refに対して、Ｇｍ倍の電流変化ΔＩ＝Ｇｍ・ΔＶ_refを出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側の電力情報は、電圧‐電流変換回路１６および絶縁回路２０を介して、１次側のＤＣ／ＤＣコントローラ３０にフィードバックされる。

ＤＣ／ＤＣコントローラ３０は、ＭＯＳトランジスタＱ１のＯＮ／ＯＦＦを制御し、ＤＣ入力電圧Ｖ_inをＤＣ出力電圧Ｖ_oにＤＣ／ＤＣ変換するとともにＤＣ出力電圧Ｖ_oを安定化させる。

可変基準電圧Ｖ_refは、例えば、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ：Digital Analog Converter）などによって構成された可変電圧源により供給可能である。また、デジタル／アナログ変換器には、コンデンサ型、抵抗変化型などの回路方式を適用可能である。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力と絶縁回路２０との間には、ＬＤＯ（Low DropOut）レギュレータ４６が配置され、出力電圧Ｖ_oから絶縁回路２０に一定の電圧を安定的に供給するように構成されていても良い。

出力ＯＫ監視回路６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力側と接地電位との間に直列に接続された固定抵抗Ｒ４・Ｒｒ・Ｒ６と、固定抵抗Ｒ４とＲｒとの間に接続された第１の検出コンパレータ４２と、固定抵抗ＲｒとＲ６との間に接続された第２の検出コンパレータ４４とを備え、第１の検出コンパレータ４２および第２の検出コンパレータ４４は、分圧された出力電圧分圧点と可変基準電圧Ｖ_refとを比較して、出力電圧レベルが目標電圧範囲内にあるか否かを判定する。ここで、第１の検出コンパレータ４２の出力電圧はＶ_DET1で表され、第２の検出コンパレータ４４の出力電圧はＶ_DET1で表される。すなわち、第１の検出コンパレータ４２の出力電圧Ｖ_DET1、第２の検出コンパレータ４４の出力電圧Ｖ_DET1を検出することによって、出力電圧レベルが目標電圧範囲内にあるか否かを判定する。

実施形態に係る電力供給装置１によれば、出力電圧Ｖ_oの分圧抵抗比を変化させずに固定化し、可変基準電圧Ｖ_refを変化せる（可変にする）ことで、要求される電圧値に応じて出力電圧を変更することができる。これにより、要求に応じて出力電圧を変更しても、ループ利得を一定に保つことができるので、特性が安定化し、幅広い出力電圧に対応でき、回路設計が容易になる。

また、実施形態に係る電力供給装置１によれば、ＬＤＯレギュレータ４６によって、出力電圧Ｖ_oから絶縁回路２０に一定の電圧を安定的に供給できるため、ループ利得の変化が生じない。したがって、幅広い出力電圧に対応でき、回路を容易に設計ができる。

さらにまた、実施形態に係る電力供給装置１によれば、出力ＯＫ監視回路６０用の分圧抵抗比を変化させる必要もなくなって固定化できるので、比較例に係る電力供給装置１Ａに比べて、出力ＯＫ監視回路６０の分圧抵抗の数を削減することができ、回路の小規模化、省スペース化、簡略化、低コスト化を図ることができる。

また、上記の例では、出力ＯＫ監視回路６０における出力ＯＫ判定を目標値の例えば
プラス・マイナスｘ％としたときに対応する。

一方、例えば、実施形態に係る電力供給装置１における出力ＯＫ監視回路６０が、出力電圧レベルが目標電圧範囲内にあるか否かの判定をする際に、目標電圧値の絶対値を基準に判定するような場合には、固定抵抗Ｒｒを可変抵抗に置き換えても良い。このような場合においても比較例に係る電力供給装置１Ａに比べて、出力ＯＫ監視回路６０の分圧抵抗の数を削減することができ、回路の小規模化、省スペース化、簡略化、低コスト化を図ることができる。

このように、実施形態によれば、簡単な構成で出力電圧を可変可能で、さらに、出力電圧レベルが目標電圧範囲内にあるか否かを容易に判定できる電力供給装置およびそれを搭載した電子機器を提供することができる。

実施形態に係る電力供給装置１を搭載可能な、電子機器としては、例えば、モニタ、外部ハードディスクドライブ、セットトップボックス、ラップトップＰＣ、タブレットＰＣ、スマートホン、バッテリーチャージャーシステム、パーソナルコンピュータ、ディスプレイ、プリンタ、掃除機、冷蔵庫、ファクシミリ、電話機のいずれかである。

また、実施形態に係る電力供給装置は、フライバックＤＣ／ＤＣコンバータに限定されず、フィードフォワードＤＣ／ＤＣコンバータにおいても適用可能である。

また、実施形態に係る電力供給装置は、上述のダイオード整流方式に限らず、同期整流方式においても同様に適用可能である。

[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の電力供給装置は、ＰｏＥ、ＵＳＢ、およびその他同種のものなどの電力線を用いて電力供給を行う電力供給装置として用いることができ、家電機器、モバイル機器などに適用可能である。

１、１Ａ…電力供給装置
１２、１２Ａ…可変電源装置
１３…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４…ダイオード整流ブリッジ
１５…トランス
１６…電圧-電流変換回路（Ｇｍ回路）
２０…絶縁回路
３０…ＤＣ／ＤＣコントローラ
４０、６０…出力ＯＫ監視回路
４２…第１の検出コンパレータ
４４…第２の検出コンパレータ
４６…ＬＤＯレギュレータ

Claims

入力と出力との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流を制御するＤＣ／ＤＣコントローラと、
前記出力に直列に接続された第１の固定抵抗および第２の固定抵抗と、
前記第１の固定抵抗および前記第２の固定抵抗により分圧された前記出力の電力情報と、可変基準電圧とを入力し、前記出力の電力情報を前記ＤＣ／ＤＣコントローラにフィードバックする電圧‐電流変換回路と
を備える可変電源装置を備え、
前記ＤＣ／ＤＣコントローラは、フィードバックされた前記電力情報に基づいて前記入力電流を制御することによって、電力の供給先から要求される目標電圧値を受信し、受信した前記目標電圧値に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧値を可変にしたことを特徴とする電力供給装置。
前記電圧‐電流変換回路の出力側に接続され、前記出力の電力情報を前記ＤＣ／ＤＣコントローラにフィードバックする絶縁回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力供給装置。
前記出力と前記絶縁回路との間に配置されたＬＤＯレギュレータをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の電力供給装置。
前記可変電源装置の出力側に接続された出力ＯＫ監視回路をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力供給装置。
前記出力ＯＫ監視回路は、
前記出力に直列に接続された第３の固定抵抗、第４の固定抵抗、および第５の固定抵抗と、
前記第３の固定抵抗と第４の抵抗との間に接続された第１の検出コンパレータと、
前記第４の固定抵抗と第５の固定抵抗との間に接続された第２の検出コンパレータと
を備え、
前記第１の検出コンパレータは、前記第３の固定抵抗および前記第４の固定抵抗により分圧された前記出力の電力情報と、前記可変基準電圧とを比較し、前記第２の検出コンパレータは、前記第４の固定抵抗および前記第５の固定抵抗により分圧された前記出力の電力情報と、前記可変基準電圧とを比較して、前記電力情報が前記目標電圧値の所定の範囲内にあるか否かを判定することを特徴とする請求項４に記載の電力供給装置。
前記第４の固定抵抗を可変抵抗に置き換え、前記目標電圧値の絶対値を基準に前記判定を行うことを特徴とする請求項５に記載の電力供給装置。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
トランスと、
前記トランスの１次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続されたＭＯＳトランジスタと、
前記トランスの２次側インダクタンスと前記出力との間に接続されたダイオードと、
前記出力と接地電位との間に接続されたキャパシタと
を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力供給装置。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力供給装置を搭載したことを特徴とする電子機器。
前記電子機器は、モニタ、外部ハードディスクドライブ、セットトップボックス、ラップトップＰＣ、タブレットＰＣ、スマートホン、バッテリーチャージャーシステム、パーソナルコンピュータ、ディスプレイ、プリンタ、掃除機、冷蔵庫、ファクシミリ、電話機のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の電子機器。