JP6714519B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、入力電圧を所望の電圧に変換し電子機器に供給するためのスイッチング電源装置に関し、特に、負荷短絡や過負荷状態で大電流が出力されないように制御する過電流保護機能を備えたスイッチング電源装置に関する。
従来、スイッチング電源装置は、出力側に接続された負荷が短絡等の異常状態になった場合に大電流が出力されることで発熱、発火等の事故を発生させる可能性があり、大電流が出力されると、スイッチング電源装置自身も故障を引き起こすため、これらの不具合を解消するために、過電流保護制御部を内蔵することで、大電流が出力されないような制御が行われているスイッチング電源装置が一般的である。
このような過電流保護制御部を備えたスイッチング電源装置は、例えば特許文献１の図６に開示されている。
特許文献１の図６に開示された従来のスイッチング電源装置は、スイッチング素子を所定のスイッチング周波数でオンオフする制御が行われ、スイッチング素子のオンデューティを所定の値に制御することで、出力電圧が所定の値になるように制御が行われている。
また、従来のスイッチング電源装置は、スイッチング素子がオンの時に流れる電流を検出し、スイッチング素子に流れる電流が所定の値以上になると、次のスイッチング周期まで、スイッチング素子をオフさせる制御を行う。これにより、スイッチング電源装置から所定の値以上の電流を出力させようとすると、スイッチング素子のオンデューティが狭くなるように制御されることになり、出力電圧を低下させる制御が行われることで出力電流が制限されて大電流が流れることがなくなる過電流保護動作が行われる。
ここで、従来のスイッチング電源装置の過電流保護動作は、図９に示すように、出力電流Ｉｏが所定の値を超えて出力電圧Ｖｏが低下すると、出力電圧Ｖｏが低下するに従って出力電流Ｉｏが大きくなる所謂「への字」型の垂下特性となっている。この「への字」型の垂下特性は、スイッチング素子に流れる電流を検出する回路に設けられた低域通過型フィルタ（ローパスフィルタ）の遅れ時間による。
図１０は、図９の垂下特性をもつ過電流保護制御部を備えたスイッチング電源装置の一例を示した回路ブロック図であり、過電流保護動作において「への字」型の垂下特性となる原因を説明すると次のようになる。
図１０に示すように、スイッチング電源装置は、電力変換部１０、出力電圧検出回路１６、フィードバック制御部１８、スイッチング素子制御信号生成部２０、過電流保護制御部２２、出力電圧制御用基準電圧源２４から構成される。
［回路構成と動作］
電力変換部１０は、スイッチング素子ＴＲ１を備えており、スイッチング素子ＴＲ１のオンオフにより、入力電源１２からの入力電圧Ｖｉｎを断続電圧に変換し、これを整流平滑することで出力電圧Ｖｏに変換する電源回路である。図１０では、電力変換部１０を、１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２をもつトランスＴ１、整流素子Ｄ１，Ｄ２、平滑用の出力チョークＬ１と出力コンデンサＣ１を備えた絶縁型のシングルエンデッドフォワードコンバータ回路としている。
電力変換部１０は、スイッチング素子ＴＲ１を備えており、スイッチング素子ＴＲ１のオンオフにより、入力電源１２からの入力電圧Ｖｉｎを断続電圧に変換し、これを整流平滑することで出力電圧Ｖｏに変換する電源回路である。図１０では、電力変換部１０を、１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２をもつトランスＴ１、整流素子Ｄ１，Ｄ２、平滑用の出力チョークＬ１と出力コンデンサＣ１を備えた絶縁型のシングルエンデッドフォワードコンバータ回路としている。
スイッチング素子ＴＲ１のオンオフは、スイッチング素子制御信号生成部２０からスイッチング素子ＴＲ１へ出力するスイッチング素子制御信号ＶＧＳで制御される。スイッチング素子制御信号ＶＧＳは所定の周波数とデューティを持つ信号であり、スイッチング素子ＴＲ１のオンデューティによって出力電圧Ｖｏが制御される。具体的には、オンデューティが広くなると出力電圧Ｖｏが上昇し、オンデューティが狭くなると出力電圧Ｖｏが低下するように制御が行われる。
フィードバック制御部１８は、スイッチング素子制御信号生成部２０へフィードバック信号ＶＦＢを出力することで、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏを所定の値に制御する。
フィードバック制御部１８は、誤差アンプ２５を備えており、誤差アンプ２５には、出力電圧検出回路１６からの出力電圧Ｖｏに比例した電圧信号である出力電圧比例信号Ｖｓｅｎｓと出力電圧制御用基準電圧源２４からの出力電圧制御用基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力され、出力電圧比例信号Ｖｓｅｎｓと出力電圧制御用基準電圧Ｖｒｅｆ１を比較した結果に基づいてフィードバック信号ＶＦＢを制御する。この場合、Ｖｓｅｎｓ＞Ｖｒｅｆ１のときフィードバック信号ＶＦＢが低下し、Ｖｓｅｎｓ＜Ｖｒｅｆ１のときフィードバック信号ＶＦＢが上昇するように制御される。
この動作により、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが出力電圧制御用基準電圧Ｖｒｅｆ１で規定される所定の電圧よりも上昇しようとした場合、出力電圧Ｖｏが低下するようにフィードバック信号ＶＦＢが低下することでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティが狭くなるように制御される。
また、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが出力電圧制御用基準電圧Ｖｒｅｆ１で規定される所定の電圧よりも低下しようとした場合、出力電圧Ｖｏが上昇するようにフィードバック信号ＶＦＢが上昇することでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティが広くなるように制御される。
スイッチング素子制御信号生成部２０は、フィードバック制御部１８が出力するフィードバック信号ＶＦＢと過電流保護制御部２２が出力する過電流保護動作信号Ｖｏｃｐが入力され、スイッチング素子ＴＲ１にスイッチング素子制御信号ＶＧＳを出力することでスイッチング素子ＴＲ１のオンオフを制御する。
スイッチング素子制御信号生成部２０は、三角波生成回路２６、スイッチング周波数制御用発振回路２８、ＰＷＭコンパレータ３０、スイッチング素子強制停止回路３２で構成される。
三角波生成回路２６は、所定の周波数と所定の振幅を持つ三角波信号Ｖｔｒｉを生成する回路であり、電流源３４、コンデンサＣ２１、トランジスタＴＲ２１で構成している。コンデンサＣ２１は、電流源３４が出力する電流で充電が行われることで電圧が上昇し、トランジスタＴＲ２１がオンすることで放電が行われることで電圧が低下する。スイッチング周波数制御用発振回路２８は所定の周波数で短い電圧パルスＶｆｓｗを出力する発振回路である。
トランジスタＴＲ２１はスイッチング周波数制御用発振回路２８によって駆動されることで所定の周波数で短時間だけオンする動作となる。従って、トランジスタＴＲ２１は所定の周波数でコンデンサＣ２１を短時間だけ放電する動作となる。コンデンサＣ２１は、所定の周波数で充電と放電が繰り返されることで三角波状の電圧が発生する。コンデンサＣ２１の電圧を三角波信号ＶｔｒｉとしてＰＷＭコンパレータ３０へ出力する。
ＰＷＭコンパレータ３０は、三角波生成回路２６からの三角波信号Ｖｔｒｉおよびフィードバック制御部１８からのフィードバック信号ＶＦＢが入力され、三角波信号Ｖｔｒｉとフィードバック信号ＶＦＢを比較した結果に基づいてＰＷＭ信号Ｖｐｗｍを生成する。
ＰＷＭコンパレータ３０からのＰＷＭ信号Ｖｐｗｍは、Ｖｔｒｉ＜ＶＦＢのとき、スイッチング素子ＴＲ１がオンするようにＰＷＭ信号ＶｐｗｍがＨレベルとなり、Ｖｔｒｉ＞ＶＦＢのときスイッチング素子ＴＲ１がオフするようにＰＷＭ信号ＶｐｗｍがＬレベルとなる。この動作により、スイッチング周波数制御用発振回路２８で決定される所定の周波数によってスイッチング素子ＴＲ１のスイッチング周波数が決定され、また、フィードバック信号ＶＦＢの高低でスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティが制御される。
スイッチング素子強制停止回路３２は、過電流保護制御部２２が出力する過電流保護動作信号ＶｏｃｐおよびＰＷＭコンパレータ３０が出力するＰＷＭ信号Ｖｐｗｍが入力され、スイッチング素子制御信号ＶＧＳが出力される。
スイッチング素子強制停止回路３２は、ＲＳフリップフロップ３６およびアンドゲート３８で構成されている。ＲＳフリップフロップ３６は、入力であるＳ端子（セット端子）にＨレベルの信号が入力されると出力であるＱ端子がＨレベルに変化すると同時に出力であるＱＢ端子がＬレベルに変化し、Ｓ端子にＨレベルの信号が入力されなくなってもＱ端子およびＱＢ端子の信号レベルが保持される動作を行う。
また、入力であるＲ端子（リセット端子）にＨレベルの信号が入力されると出力であるＱＢ端子がＨレベルに変化すると同時にＱ端子がＬレベルに変化し、Ｒ端子にＨレベルの信号が入力されなくなってもＱＢ端子およびＱ端子の信号レベルが保持される動作を行う。
ＲＳフリップフロップ３６は、Ｓ端子に過電流保護動作信号Ｖｏｃｐが入力され、Ｒ端子にスイッチング周波数制御用発振回路２８が出力する短い電圧パルスＶｆｓｗが入力されている。ＲＳフリップフロップ３６のＱＢ端子がアンドゲート３８の一方の入力端子に接続され、ＰＷＭコンパレータ３０の出力がアンドゲート３８の他方の入力端子に接続され、アンドゲート３８の出力端子からスイッチング素子制御信号ＶＧＳが出力される。
これにより、定常動作中は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍがスイッチング素子制御信号ＶＧＳとして出力され、過電流保護動作信号Ｖｏｃｐが入力されると、その瞬間から、スイッチング周期の１周期分だけ、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍの状態によらずスイッチング素子ＴＲ１がオフする動作となる。
過電流保護制御部２２は、電流電圧変換部４０、ローパスフィルタ部４２、ＯＣＰコンパレータ４４及び過電流しきい値制御用電圧源４６を備えており、スイッチング素子ＴＲ１を流れる電流が所定の過電流しきい値になると動作する。電流電圧変換部４０は、抵抗Ｒ１を用いており、スイッチング素子ＴＲ１に流れる電流を電圧信号Ｖｉｓ１に変換し、ローパスフィルタ部４２へ出力する。
ローパスフィルタ部４２は、抵抗Ｒ１１とコンデンサＣ１１を用いており、電流電圧変換部４０が出力する電圧信号Ｖｉｓ１の高周波成分を除去し電圧信号Ｖｉｓ２としてＯＣＰコンパレータ４４へ出力している。ＯＣＰコンパレータ４４には、過電流しきい値制御用電圧源４６が接続されており、電圧信号Ｖｉｓ２が過電流しきい値制御用電圧源４６の出力する過電流保護しきい値電圧Ｖｐｒｏよりも大きくなると、過電流保護動作信号Ｖｏｃｐが出力される。
［過電流保護時の動作］
図１１は図１０のスイッチング電源装置における各部の波形を示したタイムチャートであり、期間Ａはスイッチング電源装置の出力電流が定格内であり過電流保護機能が動作していない状態、期間Ｂ及び期間Ｃはスイッチング電源装置の出力電流が過電流保護しきい値となり過電流保護機能が動作した状態を示す。
図１１は図１０のスイッチング電源装置における各部の波形を示したタイムチャートであり、期間Ａはスイッチング電源装置の出力電流が定格内であり過電流保護機能が動作していない状態、期間Ｂ及び期間Ｃはスイッチング電源装置の出力電流が過電流保護しきい値となり過電流保護機能が動作した状態を示す。
ここで、図１１（Ａ）は出力電流Ｉｏを示し、図１１（Ｂ）は出力電圧Ｖｏを示し、図１１（Ｃ）はスイッチング周波数制御用発振回路２８が出力する短い電圧パルスＶｆｓｗを示し、図１１（Ｄ）はＰＷＭコンパレータ３０の入力を示し、図１１（Ｅ）はＰＷＭコンパレータ３０の出力を示し、図１１（Ｆ）はローパスフィルタ部４２の入力を示し、図１１（Ｇ）はＯＣＰコンパレータ４４の入力を示し、図１１（Ｈ）はＯＣＰコンパレータ４４の出力である過電流保護動作信号Ｖｏｃｐを示し、図１１（Ｉ）はＲＳフリップフロップ３６のＱＢ端子出力を示し、図１１（Ｊ）はスイッチング素子制御信号ＶＧＳを示している。
図１１の期間Ａでは、スイッチング電源装置の出力電流Ｉｏは定格電流以下だが、スイッチング素子ＴＲ１がオンした直後に流れるサージ電流によって、図１１（Ｆ）に示す電流電圧変換部４０からの電圧信号Ｖｉｓ１にサージ電圧が発生しており、サージ電圧が過電流保護しきい値電圧Ｖｐｒｏよりも大きな値となっている。
電圧信号Ｖｉｓ１は過電流保護しきい値電圧Ｖｐｒｏよりも大きな値になり、電圧信号Ｖｉｓ１をＯＣＰコンパレータ４４に直接入力すると定格電流以下で過電流保護動作が行われてしまうことになることから、ローパスフィルタ部４２でサージ電圧が除去された電圧信号Ｖｉｓ２がＯＣＰコンパレータ４４に入力され、このため定格電流以下では過電流保護動作が発生することがない。ところで、ローパスフィルタ部４２の周波数特性が適切に設定されていない場合は過電流保護制御部２２が誤動作し、スイッチング電源装置は定格電流を出力できないことになる。
図１１の期間Ｂでは、スイッチング電源装置の負荷１４が電流を要求している状態（負荷のインピーダンスが小さくなっている状態）であり、出力電流Ｉｏが所定の過電流しきい値と一致して図９に示した出力電圧Ｖｏの垂下が始まった状態である。このとき、出力電圧Ｖｏは過電流保護動作によって垂下させられるため、Ｖｓｅｎｓ＜Ｖｒｅｆ１となり、フィードバック制御部１８は図１１（Ｄ）に示すようにフィードバック信号ＶＦＢを上昇させるため、ＶＦＢ＞Ｖｔｒｉとなり、図１１（Ｅ）に示すＰＷＭ信号ＶｐｗｍはＨレベル期間が長くなる動作となる。
期間Ｂでは、スイッチング素子ＴＲ１のオンしている間に、図１１（Ｇ）に示すように、電圧信号Ｖｉｓ２が過電流保護しきい値電圧Ｖｐｒｏに達するため、ＯＣＰコンパレータ４４が動作して過電流保護動作信号ＶｏｃｐがＨレベルとなる。
過電流保護動作信号ＶｏｃｐがＨレベルになると、図１１（Ｉ）に示すように、スイッチング素子強制停止回路３２内のＲＳフリップフロップ３６がセットされてＱＢ端子がＬレベルとなることで、図１１（Ｊ）に示すように、スイッチング素子制御信号ＶＧＳがＬレベルとなる。スイッチング素子制御信号ＶＧＳがＬレベルになると、スイッチング素子ＴＲ１がオフするため、スイッチング素子ＴＲ１を流れる電流が停止して電圧信号Ｖｉｓ１および電圧信号Ｖｉｓ２が低下する。
電圧信号Ｖｉｓ２が過電流保護しきい値電圧Ｖｐｒｏ以下になるため、過電流保護動作信号ＶｏｃｐはＨレベルからＬレベルに戻るが、ＲＳフリップフロップ３６の働きによりＱＢ端子はＬレベルを維持する。この状態は、スイッチング周波数制御用発振回路２８が出力する短い電圧パルスＶｆｓｗがＲＳフリップフロップ３６のＲ端子に入力されることでＱＢ端子がＨレベルに戻るまで継続する。
ＱＢ端子がＬレベルを維持している期間はＰＷＭ信号Ｖｐｗｍの値によらずスイッチング素子制御信号ＶＧＳはＬレベルとなる。従って、次のスイッチング周期まではスイッチング素子ＴＲ１のオフが維持されることで、スイッチング素子ＴＲ１のオンデューティが制御される。
図１１の期間Ｃでは、スイッチング電源装置の負荷１４が期間Ｂよりもさらに電流を要求した状態である。スイッチング電源装置は出力電流Ｉｏを増加させないように、過電流保護動作によってスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティが狭くなるような制御が行われ、出力電圧Ｖｏが更に垂下する動作となるが、図９に示すように「への字」型の特性となるため、出力電圧Ｖｏが垂下するに従って出力電流Ｉｏが増加する。これは、ローパスフィルタ部４２の影響によるものである。
期間Ｃでは、図１１（Ｆ）に示すように、スイッチング素子ＴＲ１を流れる電流に比例した電圧信号Ｖｉｓ１が過電流保護しきい値電圧Ｖｐｒｏよりも大きな値となっている。ＯＣＰコンパレータ４４に入力する電圧信号Ｖｉｓ２は、図１１（Ｇ）に示すように、電圧上昇の立ち上がりの傾きがローパスフィルタ部４２の影響により緩やかになっており、過電流保護しきい値電圧Ｖｐｒｏに達するまでの時間に遅れが生じる。
ＯＣＰコンパレータ４４は、電圧信号Ｖｉｓ２が過電流保護しきい値電圧Ｖｐｒｏに達するまでは、スイッチング素子ＴＲ１をオフすることができないため、スイッチング電源装置の出力電流Ｉｏは、過電流保護しきい値よりも大きくなる動作となる。これは、スイッチング素子ＴＲ１のオンデューティが狭いほど電圧信号Ｖｉｓ２の傾きによる時間遅れの寄与率が大きくなり、出力電圧Ｖｏが垂下するほどスイッチング電源装置の出力電流Ｉｏが増加して、「への字」型の特性となる。
このように図１０に示したスイッチング電源装置の過電流保護動作は、図９に示したように、出力電流が所定の過電流しきい値を超えた場合に出力電圧Ｖｏが垂下するに従って出力電流Ｉｏが大きくなる「への字」型の特性となっている。
この特性を持つスイッチング電源装置の出力が短絡されると大電流が出力されることになる。この時、短時間ではスイッチング電源装置が故障することはないが、出力電流が流れる経路の部品となる整流素子Ｄ１，Ｄ２、出力チョークＬ１等には定常時と比較して大きな損失が発生した状態となることで発熱が生じることになり、いずれは故障してしまう。
このような過電流保護動作による「への字」型の特性は、過電流保護制御部２２に設けたローパスフィルタ部４２の影響によるものであり、この特性を改善しようとすると、ローパスフィルタ部４２の特性を高域の信号が通過できるように設定しなければならないが、スイッチング素子ＴＲ１がオンした直後のサージ電流に対して過電流保護制御部２２が動作する可能性が高くなり、誤動作しやすいスイッチング電源装置となってしまう。
特許文献１では、この問題を解決するために、過電流状態においてスイッチング電源装置のスイッチング周波数が遅くなるような制御を導入している（特許文献１の図１、図２）。スイッチング周波数を遅くすることで制御回路や低域通過の垂下特性を出力電圧が低下しても出力電流が大きくならない制御とする。これにより、出力短絡時でも、出力電流が流れる経路の部品となる整流素子、出力チョーク等には定常時と同じ電流が流れるため、発熱による故障を防ぐことができる。
しかしながら、過電流保護動作時の発熱による故障の問題は、過電流状態においてスイッチング電源装置のスイッチング周波数が遅くなるような制御とすることで解消れるが、スイッチング周波数を低下させると、図１０の出力チョークＬ１と出力コンデンサＣ１で構成された出力フィルタ回路部の減衰量が小さくなるため、出力電圧垂下時の出力リップルが増大する欠点がある。
これを解決するためには、出力フィルタ回路部を低い周波数に対応させた大型の部品に変更する等の対策が必要となるが、スイッチング電源装置の大型化、高コスト化を招く問題がある。また、過電流保護動作時にスイッチング周波数を低下させるための部品点数が増加するため、スイッチング電源装置の大型化、高コスト化を招く問題もある。
本発明は、負荷短絡や過負荷状態等により出力電流が大きく増加した場合に、初期段階で高速に電流制限を行うと共に、続いて出力電圧が低下しても出力電流を増加させることなく電流保護値に正確に制御する電流制限を行うことで、小型化と低コスト化を可能とするスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
（第１発明のスイッチング電源装置）
本発明は、電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、
スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、
過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、
演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の出力に接続されており、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、制御パルス平滑電圧によってフィードバック信号を変化させるものであり、
演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することでフィードバック信号を変化させて、出力電流を制限することを特徴とする。
本発明は、電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、
スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、
過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、
演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の出力に接続されており、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、制御パルス平滑電圧によってフィードバック信号を変化させるものであり、
演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することでフィードバック信号を変化させて、出力電流を制限することを特徴とする。
（第２発明のスイッチング電源装置）
本発明の別の形態にあっては、電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、
スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、
過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、
演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の出力電圧制御用基準電圧源の出力に接続されており、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、制御パルス平滑電圧によって出力電圧制御用基準電圧を変化させるものであり、
演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することで出力電圧制御用基準電圧を変化させて、出力電流を制限することを特徴とする。
本発明の別の形態にあっては、電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、
スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、
過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、
演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の出力電圧制御用基準電圧源の出力に接続されており、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、制御パルス平滑電圧によって出力電圧制御用基準電圧を変化させるものであり、
演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することで出力電圧制御用基準電圧を変化させて、出力電流を制限することを特徴とする。
（第３発明のスイッチング電源装置）
本発明の他の形態にあっては、電力変換部、フィードバック制御部、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と制御パルス平滑部が出力する制御パルス平滑電圧が入力され、出力電圧比例信号と制御パルス平滑電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、
スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、
過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、
演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部に入力され、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成するものであり、
演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することで制御パルス平滑電圧を出力電圧制御用基準電圧として変化させて、出力電流を制限することを特徴とする。
本発明の他の形態にあっては、電力変換部、フィードバック制御部、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と制御パルス平滑部が出力する制御パルス平滑電圧が入力され、出力電圧比例信号と制御パルス平滑電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、
スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、
過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、
演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部に入力され、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成するものであり、
演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することで制御パルス平滑電圧を出力電圧制御用基準電圧として変化させて、出力電流を制限することを特徴とする。
（演算部）
演算部は、ＡＤコンバータ、クロック回路、ＣＰＵ及びタイマで構成されており、
ＡＤコンバータは、スイッチング電源装置の前記出力電流情報が与えられており、
クロック回路は、ＣＰＵ及びタイマに動作タイミングの基準となるクロック信号を出力する回路であり、
ＣＰＵは、予め与えられている演算用のプログラムを実行することで、ＡＤコンバータから出力電流値を取得し、演算用のプログラムに従ってタイマに対して周期とデューティを指示する機能を備えたものであり、
タイマは、クロック回路から入力されたクロック信号をカウントすることで、ＣＰＵから指示された周期とデューティを持つ制御パルスを出力する。
演算部は、ＡＤコンバータ、クロック回路、ＣＰＵ及びタイマで構成されており、
ＡＤコンバータは、スイッチング電源装置の前記出力電流情報が与えられており、
クロック回路は、ＣＰＵ及びタイマに動作タイミングの基準となるクロック信号を出力する回路であり、
ＣＰＵは、予め与えられている演算用のプログラムを実行することで、ＡＤコンバータから出力電流値を取得し、演算用のプログラムに従ってタイマに対して周期とデューティを指示する機能を備えたものであり、
タイマは、クロック回路から入力されたクロック信号をカウントすることで、ＣＰＵから指示された周期とデューティを持つ制御パルスを出力する。
（過電流保護動作の動的保護値と静的保護値）
過電流保護制御部が動作する電流値（動的保護値Ｉｄｙｎ）は、演算部が電流を制限する電流値（静的保護値Ｉｓｔａ）より大きい値に設定される。
過電流保護制御部が動作する電流値（動的保護値Ｉｄｙｎ）は、演算部が電流を制限する電流値（静的保護値Ｉｓｔａ）より大きい値に設定される。
（過電流保護制御部）
過電流保護制御部は、
スイッチング素子に流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
電流電圧変換部から出力された電圧信号の高周波成分を除去した電圧信号を出力するローパスフィルタ部と、
を備え、ローパスフィルタ部から出力された電圧信号と所定の過電流しきい値制御用電圧を比較して過電流保護動作を行う。
を備える。
過電流保護制御部は、
スイッチング素子に流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
電流電圧変換部から出力された電圧信号の高周波成分を除去した電圧信号を出力するローパスフィルタ部と、
を備え、ローパスフィルタ部から出力された電圧信号と所定の過電流しきい値制御用電圧を比較して過電流保護動作を行う。
を備える。
（第１発明のスイッチング電源装置による効果）
本発明は、電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の出力に接続されており、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、制御パルス平滑電圧によってフィードバック信号を変化させるものであり、演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することでフィードバック信号を変化させて、出力電流を制限するようにしたため、過電流保護制御部は、出力電圧の垂下特性が出力電圧の低下に対し出力電流が増加する所謂「への字」型の垂下特性となり、過電流保護動作により出力電圧が低下すると大電流が流れるが、出力短絡等に対しては即座に応答することができ、一方、デジタルプロセッサ等を用いた演算部は安価なものは処理速度が低速であるため、過電流保護制御部と比べると、出力電流に対して出力電圧を即座に応答させることができないが、過負荷状態で出力電流が増加した場合に、出力電圧の垂下に対し出力電流を増加させることなく所定の電流保護値に正確に制御する高精度な電流制限動作を行うことができ、出力電流が流れる経路の部品となる出力フィルタ回路部の設けられた整流素子や出力チョーク等の発熱による損耗や破壊を確実に防止可能とする。
本発明は、電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の出力に接続されており、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、制御パルス平滑電圧によってフィードバック信号を変化させるものであり、演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することでフィードバック信号を変化させて、出力電流を制限するようにしたため、過電流保護制御部は、出力電圧の垂下特性が出力電圧の低下に対し出力電流が増加する所謂「への字」型の垂下特性となり、過電流保護動作により出力電圧が低下すると大電流が流れるが、出力短絡等に対しては即座に応答することができ、一方、デジタルプロセッサ等を用いた演算部は安価なものは処理速度が低速であるため、過電流保護制御部と比べると、出力電流に対して出力電圧を即座に応答させることができないが、過負荷状態で出力電流が増加した場合に、出力電圧の垂下に対し出力電流を増加させることなく所定の電流保護値に正確に制御する高精度な電流制限動作を行うことができ、出力電流が流れる経路の部品となる出力フィルタ回路部の設けられた整流素子や出力チョーク等の発熱による損耗や破壊を確実に防止可能とする。
即ち、過電流保護制御部が動作した初期は、「への字」型の垂下特性であるが電流制限動作が即座に機能することで、大電流が流れることを防ぎ、続いて、演算部により出力電圧の垂下に対し出力電流を所定の電流に正確に制御する高精度な電流制限動作が行われることで、出力電圧が低下しても出力電流は増加せず、出力電流が流れる経路の部品の発熱による損耗や破壊を確実に防止可能とする。
また、電流制限動作は、出力電圧制御用基準電圧を制御することで行うため、従来のようにスイッチング周波数を変更する必要がなく、出力電圧垂下時の出力リップルが増大するといったことがなく、出力フィルタ回路を大型化する必要がないため、小型、低コストで正確な電流制限を行うことが可能なスイッチング電源装置を作ることができる。
（第２発明のスイッチング電源装置に特有な効果）
本発明の別の形態にあっては、電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の出力電圧制御用基準電圧源の出力に接続されており、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、制御パルス平滑電圧によって出力電圧制御用基準電圧を変化させるものであり、演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することで出力電圧制御用基準電圧を変化させて、出力電流を制限するようにしたため、前述した第１発明のスイッチング電源装置としての効果に加え、フィードバック制御部とスイッチング素子制御信号生成部との間にアイソレーション回路を設けてスイッチング電源装置を入力側と出力側に絶縁分離した場合、演算部及び制御パルス平滑部を出力側に配置して制御パルスを制御することで出力電圧制御用基準電圧を変化させて、出力電圧の垂下に対し出力電流を所定の電流に正確に制御する高精度な電流制限動作を可能とする。
本発明の別の形態にあっては、電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、出力電圧比例信号と出力電圧制御用基準電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の出力電圧制御用基準電圧源の出力に接続されており、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、制御パルス平滑電圧によって出力電圧制御用基準電圧を変化させるものであり、演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することで出力電圧制御用基準電圧を変化させて、出力電流を制限するようにしたため、前述した第１発明のスイッチング電源装置としての効果に加え、フィードバック制御部とスイッチング素子制御信号生成部との間にアイソレーション回路を設けてスイッチング電源装置を入力側と出力側に絶縁分離した場合、演算部及び制御パルス平滑部を出力側に配置して制御パルスを制御することで出力電圧制御用基準電圧を変化させて、出力電圧の垂下に対し出力電流を所定の電流に正確に制御する高精度な電流制限動作を可能とする。
（第３発明のスイッチング電源装置に特有な効果）
本発明の他の形態にあっては、電力変換部、フィードバック制御部、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と制御パルス平滑部が出力する制御パルス平滑電圧が入力され、出力電圧比例信号と制御パルス平滑電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の入力に接続され、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成するものであり、演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することで制御パルス平滑電圧を出力電圧制御用基準電圧として変化させて、出力電流を制限するようにしたため、前述した第１発明の効果に加え、フィードバック制御部に出力電圧制御用基準電圧源を設ける必要がなくなり、部品点数の低減により低コスト化と小型化が実現できる。
本発明の他の形態にあっては、電力変換部、フィードバック制御部、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、電力変換部は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、フィードバック制御部は、スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と制御パルス平滑部が出力する制御パルス平滑電圧が入力され、出力電圧比例信号と制御パルス平滑電圧が等しくなるようにフィードバック信号を制御するものであり、スイッチング素子制御信号生成部は、フィードバック制御部が出力するフィードバック信号と過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応してスイッチング素子制御信号を出力するものであり、過電流保護制御部は、スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、スイッチング素子制御信号生成部へ過電流保護動作信号を出力するものであり、演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、制御パルス平滑部は、演算部が出力する制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部の入力に接続され、演算部から入力された制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成するものであり、演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、制御パルスを制御することで制御パルス平滑電圧を出力電圧制御用基準電圧として変化させて、出力電流を制限するようにしたため、前述した第１発明の効果に加え、フィードバック制御部に出力電圧制御用基準電圧源を設ける必要がなくなり、部品点数の低減により低コスト化と小型化が実現できる。
（演算部による効果）
また、第１発明乃至第３発明の演算部は、ＡＤコンバータ、クロック回路、ＣＰＵ及びタイマで構成されており、ＡＤコンバータは、スイッチング電源装置の前記出力電流情報が与えられており、クロック回路は、ＣＰＵ及びタイマに動作タイミングの基準となるクロック信号を出力する回路であり、ＣＰＵは、予め与えられている演算用のプログラムを実行することで、ＡＤコンバータから出力電流値を取得し、演算用のプログラムに従ってタイマに対して周期とデューティを指示する機能を備えたものであり、タイマは、クロック回路から入力されたクロック信号をカウントすることで、ＣＰＵから指示された周期とデューティを持つ制御パルスを出力するようにしたため、ＡＤコンバータ、クロック回路、ＣＰＵ及びタイマを備えた低速のデジタルプロセッサを使用することができ、コストの低減と装置の小型化を実現可能とする。
また、第１発明乃至第３発明の演算部は、ＡＤコンバータ、クロック回路、ＣＰＵ及びタイマで構成されており、ＡＤコンバータは、スイッチング電源装置の前記出力電流情報が与えられており、クロック回路は、ＣＰＵ及びタイマに動作タイミングの基準となるクロック信号を出力する回路であり、ＣＰＵは、予め与えられている演算用のプログラムを実行することで、ＡＤコンバータから出力電流値を取得し、演算用のプログラムに従ってタイマに対して周期とデューティを指示する機能を備えたものであり、タイマは、クロック回路から入力されたクロック信号をカウントすることで、ＣＰＵから指示された周期とデューティを持つ制御パルスを出力するようにしたため、ＡＤコンバータ、クロック回路、ＣＰＵ及びタイマを備えた低速のデジタルプロセッサを使用することができ、コストの低減と装置の小型化を実現可能とする。
（過電流保護動作の動的保護値と静的保護値による効果）
また、過電流保護制御部が動作する電流値（動的保護値Ｉｄｙｎ）は、演算部が電流を制限する電流値（静的保護値Ｉｓｔａ）より大きい値に設定されたため、負荷短絡状態や過負荷状態により増加した出力電流は、最初、過電流保護制御部による電流制限が行われることで大電流に対し高速に過電流保護動作が行われ、続いて、演算部による正確な過電流保護動作が行われ、出力電圧の垂下に対し出力電流を増加させないことで、発熱の問題を確実に解消可能とする。
また、過電流保護制御部が動作する電流値（動的保護値Ｉｄｙｎ）は、演算部が電流を制限する電流値（静的保護値Ｉｓｔａ）より大きい値に設定されたため、負荷短絡状態や過負荷状態により増加した出力電流は、最初、過電流保護制御部による電流制限が行われることで大電流に対し高速に過電流保護動作が行われ、続いて、演算部による正確な過電流保護動作が行われ、出力電圧の垂下に対し出力電流を増加させないことで、発熱の問題を確実に解消可能とする。
また、演算部が電流を制限する電流値（静的保護値Ｉｓｔａ）が、過電流保護制御部が動作する電流値（動的保護値Ｉｄｙｎ）より小さいため、過電流保護制御部の過電流保護動作に影響されることなく、演算部による正確な過電流保護動作を行うことができる。
（過電流保護制御部の効果）
また、過電流保護制御部は、スイッチング素子に流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流電圧変換部と、電流電圧変換部から出力された電圧信号の高周波成分を除去した電圧信号を出力するローパスフィルタ部を備え、ローパスフィルタ部から出力された電圧信号と所定の過電流しきい値制御用電圧を比較して過電流保護動作を行うようにしたため、従来の過電流保護制御部を用いることができ、スイッチング電源装置の低コスト化を実現可能とする。
また、過電流保護制御部は、スイッチング素子に流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流電圧変換部と、電流電圧変換部から出力された電圧信号の高周波成分を除去した電圧信号を出力するローパスフィルタ部を備え、ローパスフィルタ部から出力された電圧信号と所定の過電流しきい値制御用電圧を比較して過電流保護動作を行うようにしたため、従来の過電流保護制御部を用いることができ、スイッチング電源装置の低コスト化を実現可能とする。
［第１実施形態］
図１は本発明によるスイッチング電源装置の第１実施形態を示した回路ブロック図であり、本願の第１発明に対応する。
図１は本発明によるスイッチング電源装置の第１実施形態を示した回路ブロック図であり、本願の第１発明に対応する。
（第１実施形態の構成と動作）
図１に示すように、第１実施形態のスイッチング電源装置は、電力変換部１０、出力電圧検出回路１６、フィードバック制御部１８、出力電圧制御用基準電圧源２４、スイッチング素子制御信号生成部２０、過電流保護制御部２２、演算部４８、及び制御パルス平滑部５０から構成される。
図１に示すように、第１実施形態のスイッチング電源装置は、電力変換部１０、出力電圧検出回路１６、フィードバック制御部１８、出力電圧制御用基準電圧源２４、スイッチング素子制御信号生成部２０、過電流保護制御部２２、演算部４８、及び制御パルス平滑部５０から構成される。
本実施形態は、電力変換部１０としてＰＷＭ制御（時比率変調制御）が行われるシングルエンディッドフォワードコンバータを示しているが、フライバックコンバータ、フルブリッジコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、プッシュプルコンバータ等の絶縁型のコンバータや、降圧チョッパー、昇圧チョッパー、昇降圧チョッパー等の非絶縁型のコンバータとしても良い。また、ＰＦＭ制御（周波数変調制御）が行われる自励式フライバックコンバータ、ＬＬＣコンバータ等を用いてもよい。
本実施形態は、図１０に示したスイッチング電源装置のフィードバック制御部１８の出力に、演算部４８から出力される制御パルス信号Ｖｃｔｌｐを平滑する制御パルス平滑部５０の出力を接続しており、それ以外の構成及び動作は、図１０に示した出力電圧検出回路１６、フィードバック制御部１８、出力電圧制御用基準電圧源２４、スイッチング素子制御信号生成部２０及び過電流保護制御部２２と同じになることから、同一符号を付して、その説明は省略する。
（演算部の構成と動作）
図１に示すように、演算部４８は、ＡＤコンバータ５２、ＣＰＵ５４、クロック回路５６、及びタイマ５８で構成されている。演算部４８を構成するＡＤコンバータ５２、ＣＰＵ５４、クロック回路５６、及びタイマ５８は、全てがワンチップに集積されたデジタルプロセッサを用いることが望ましいが、別々の回路として構成しても良い。また、演算部４８は低コストで低速のデジタルプロセッサを用いることができる。
図１に示すように、演算部４８は、ＡＤコンバータ５２、ＣＰＵ５４、クロック回路５６、及びタイマ５８で構成されている。演算部４８を構成するＡＤコンバータ５２、ＣＰＵ５４、クロック回路５６、及びタイマ５８は、全てがワンチップに集積されたデジタルプロセッサを用いることが望ましいが、別々の回路として構成しても良い。また、演算部４８は低コストで低速のデジタルプロセッサを用いることができる。
ＡＤコンバータ５２には、スイッチング電源装置の出力電流情報が与えられている。出力電流情報は、スイッチング電源装置の出力電流（出力電流値）Ｉｏを直接検出するものでも良いし、スイッチング電源装置の入力電流を検出し出力電流値に換算したものでも良いし、過電流保護制御部２２の電流電圧変換部４０からの信号を出力電流値に換算したものでも良い。
クロック回路５６は、ＣＰＵ５４やタイマ５８に動作タイミングの基準となるクロック信号Ｖｃｋを出力する回路である。
ＣＰＵ５４は予め与えられている演算用のプログラムを実行することで、ＡＤコンバータ５２から出力電流情報を取得し、演算用のプログラムに従ってタイマ５８に与える設定値Ｒ１、設定値Ｒ２を生成する制御を行う。ＣＰＵ５４は生成した設定値Ｒ１、Ｒ２をタイマ５８のレジスタ６０およびレジスタ６２へ引き渡す。
タイマ５８は、クロック回路５６から入力されたクロック信号Ｖｃｋをカウントし、レジスタ６２の設定値Ｒ２で決められた周期とレジスタ６０の設定値Ｒ１で決められたデューティを持つ制御パルスＶｃｔｌｐを出力する。
制御パルス平滑部５０は、演算部４８から出力された制御パルスＶｃｔｌｐを平滑し、直流電圧である制御パルス平滑電圧Ｖｓｍを出力する。制御パルス平滑部５０は、抵抗Ｒ３１、コンデンサＣ３１及びＰＮＰ型のトランジスタＴＲ３１で構成され、抵抗Ｒ３１およびコンデンサＣ３１を用いて制御パルスＶｃｔｌｐを平滑する。
ＰＮＰ型のトランジスタＴＲ３１はエミッタフォロア（電流増幅用のバッファ）として動作させており電圧増幅は行われない。また、ＰＮＰ型のトランジスタＴＲ３１は、エミッタ端子に加わるフィードバック信号ＶＦＢとベース端子に加わる制御パルス平滑電圧Ｖｓｍとの間にＶｓｍ＞ＶＦＢの関係があるとき、即ち、演算部４８による電流制限動作が行われていない状態においてオフしており、制御パルス平滑部５０を機能させないために用いられる。
これに対し演算部４８による電流制限動作が行われると、Ｖｓｍ＜ＶＦＢの関係となり、ＰＮＰ型のトランジスタＴＲ３１はエミッタフォロアとして動作し、制御パルス平滑電圧Ｖｓｍをフィードバック制御部１８の出力に加えることで、制御パルス平滑部５０を機能させ、フィードバック信号ＶＦＢが制御パルス平滑電圧Ｖｓｍになるように制御を行う。ここまで、トランジスタＴＲ３１のベース−エミッタ間の電圧降下はゼロとして説明を行ったが、ベース−エミッタ間に０．６ボルト程度の電圧降下を持つものを用いることもできる。この場合は、フィードバック信号ＶＦＢは制御パルス平滑電圧Ｖｓｍよりも０．６ボルト高い電圧に制御されることになる。
制御パルス平滑部５０の出力段にＰＮＰ型のトランジスタＴＲ３１を用いているのは、フィードバック信号ＶＦＢを低下させることでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティを低下させるようにスイッチング電源装置が設計されているためであり、フィードバック信号ＶＦＢを上昇させることでスイッチング素子のオンデューティを低下させるようなスイッチング電源装置の設計を行った場合は、ＮＰＮ型のトランジスタＴＲ３１を用いたエミッタフォロアで構成する。また、電流制限動作を行っていない場合に演算部４８に設けたタイマ５８の出力端子をハイインピーダンスに設定するように設計を行えば、トランジスタＴＲ３１は省略しても構わない。
（タイマ５８の動作と制御パルス平滑電圧）
図２は図１の演算部における各部の波形を示したタイムチャートである。図１に示した演算部４８に設けたタイマ５８の動作と制御パルス平滑部５０から出力される制御パルス平滑電圧Ｖｓｍについて図２を基に説明すると次のようになる。
図２は図１の演算部における各部の波形を示したタイムチャートである。図１に示した演算部４８に設けたタイマ５８の動作と制御パルス平滑部５０から出力される制御パルス平滑電圧Ｖｓｍについて図２を基に説明すると次のようになる。
タイマ５８は、レジスタ６０、レジスタ６２及びカウンタ６４を備えており、図２（Ａ）に示すクロック周期Ｔｃｋを持つクロック信号Ｖｃｋが入力され、図２（Ｃ）に示す制御パルスＶｃｔｌｐを出力する。演算部４８で電流制限動作が行われると、ＣＰＵ５４から、設定値Ｒ１がレジスタ６０へ与えられ、設定値Ｒ２がレジスタ６２へ与えられる。
カウンタ６４は、図２（Ｂ）に示すように、クロック信号Ｖｃｋを１つカウントするとカウント値ＮＣＴを１だけ増加させる。カウント値ＮＣＴが増加し、カウント値ＮＣＴがレジスタ６０の設定値Ｒ１と一致すると、制御パルスＶｃｔｌｐがＨレベルからＬレベルに変化する。図２（Ｂ）（Ｃ）では、レジスタ６０の設定値Ｒ１＝３０００としており、ＮＣＴ＝３０００のときに、制御パルスＶｃｔｌｐがＬレベルとなる。
さらにカウント値ＮＣＴが増加し、カウント値ＮＣＴがレジスタ６２の設定値Ｒ２と一致した次のタイミングで、カウント値ＮＣＴがリセットされてＮＣＴ＝０となり、制御パルスＶｃｔｌｐをＬレベルからＨレベルに変化させる。図２（Ｂ）（Ｃ）では、レジスタ６２の設定値Ｒ２＝４９９９としており、ＮＣＴ＝４９９９までカウントされて次のクロック信号が入力されたタイミングで制御パルスＶｃｔｌｐをＬレベルからＨレベルに変化させると同時にＮＣＴ=０となる。
このようなタイマ５８の動作により制御パルスＶｃｔｌｐは、
周期Ｔｃｔｌ=クロック周期Ｔｃｋ×（レジスタ６２の値＋１）
デューティＤｃｔｌ=レジスタ６０の値／（レジスタ６２の値＋１）
をもつ矩形波となる。
周期Ｔｃｔｌ=クロック周期Ｔｃｋ×（レジスタ６２の値＋１）
デューティＤｃｔｌ=レジスタ６０の値／（レジスタ６２の値＋１）
をもつ矩形波となる。
制御パルス平滑部５０から出力される制御パルス平滑電圧Ｖｓｍは、制御パルスＶｃｔｌｐを平滑した電圧であるので、例えば、制御パルスＶｃｔｌｐのＨレベルが５ボルト、Ｌレベルが０ボルトだとすると、図２（Ｃ）では、
Ｖｃｔｌｐ=５×（３０００／５０００）=３ボルト
の電圧が得られる。
Ｖｃｔｌｐ=５×（３０００／５０００）=３ボルト
の電圧が得られる。
レジスタ６０の設定値Ｒ１およびレジスタ６２の設定値Ｒ２で制御パルス平滑電圧Ｖｓｍの値が決定される。レジスタ６２の設定値Ｒ２によって、レジスタ６０の値が１だけ変化したときの制御パルス平滑電圧Ｖｓｍの変化量が決定される。スイッチング電源装置の出力電圧を制御する際には、通常はレジスタ６２の設定値Ｒ２を固定値で用い、レジスタ６０の設定値Ｒ１を変更することで制御パルス平滑電圧Ｖｓｍを所定の値に設定する。
制御パルス平滑電圧Ｖｓｍは制御パルスＶｃｔｌｐのデューティで制御できるため、レジスタ６０の値が大きくなると制御パルス平滑電圧Ｖｓｍの電圧値が高くなり、レジスタ６０の値が小さくなると制御パルス平滑電圧Ｖｓｍの電圧値が低くなる。
低速なタイマは低速で低コストのデジタルプロセッサにも一般的に内蔵されおり、本実施形態のように制御パルス平滑部５０と組み合わせて用いれば、ＣＰＵ５４から制御可能な高分解能の電圧源を低コストで作ることができる。
なお、演算部４８による電流制限機能が動作していない定常状態では、ＣＰＵ５４によりレジスタ６０の値は設定値Ｒ３となっている。この設定値Ｒ３は定数で設定値Ｒ２以下であり、制御パルスＶｃｔｌｐのデューティが設定値Ｒ３で決められた値になった時の制御パルス平滑電圧Ｖｓｍがフィードバック信号ＶＦＢよりも大きくなるような値として予め設定されており、制御パルス平滑部５０のトランジスタＴＲ３１を逆バイアスによりオフし、定常状態で制御パルス平滑部５０を機能させないための制御パルス平滑電圧Ｖｓｍを出力させるための設定値となる。
（電流制限機能）
図３は図１のスイッチング電源装置の電流制限動作による出力電流の動的特性を示したタイムチャート、図４は図１のスイッチング電源装置の過電流保護動作における出力電圧と出力電流の垂下特性を示した説明図である。
図３は図１のスイッチング電源装置の電流制限動作による出力電流の動的特性を示したタイムチャート、図４は図１のスイッチング電源装置の過電流保護動作における出力電圧と出力電流の垂下特性を示した説明図である。
図３の期間Ａは負荷１４のインピーダンスが高く出力電流Ｉｏが低い状態であり、電流制限機能が動作していない状態である。
期間Ｂの最初で負荷１４のインピーダンスが低下することで負荷１４が大電流を要求する。このとき、スイッチング電源装置の過電流保護制御部２２が動作し、図４の垂下特性７０に示すように、過電流保護制御部２２に対して設定されている電流制限値である動的保護値Ｉｄｙｎに出力電流Ｉｏが制限される。過電流保護制御部２２は、スイッチング素子ＴＲ１の電流の増加に対して即座に応答し出力電流Ｉｏを制限する。期間Ｂでは、演算部４８に低速のデジタルプロセッサを用いているため演算部４８による電流制限動作は行われないが、過電流保護制御部２２が動作するためスイッチング電源装置は故障することが無い。
期間Ｃでは、スイッチング電源装置が過電流状態であることを演算部４８が検知し、図４の垂下特性６０に示すように、スイッチング電源装置の出力電流が演算部４８に設定されている電流制限値である静的保護値Ｉｓｔａになるように出力電流Ｉｏを制限する。
演算部４８は低速のデジタルプロセッサを用いているため、スイッチング電源装置の出力電流Ｉｏを静的保護値Ｉｓｔａに制御するまでは一定の時間を要するが、ＣＰＵ５４の演算で電流制限動作を行うことで出力電流Ｉｏを正確に静的保護値Ｉｓｔａに制限することができる。演算部４８が出力電流Ｉｏを制限する動作は後述する。
本実施形態のスイッチング電源装置の電流制限動作における電圧-電流特性は、図４に示すように、電流制限動作の初期には、過電流保護制御部２２のローパスフィルタ部４２の遅れ時間により「への字」型となる動的な垂下特性７０が現れる。その後、短時間で、演算部４８の電流制限動作で出力電流が制御されるため、図４の静的な垂下特性６０となる。
また、図４に示すように、演算部４８が電流を制限する静的保護値Ｉｓｔａが、過電流保護制御部２２が動作する動的保護値Ｉｄｙｎより小さいため、過電流保護動作の初期には出力電流Ｉｏが過電流しきい値制御用電圧Ｖｐｒｏに対応した動的保護値Ｉｄｙｎに達して過電流保護制御部２２から過電流保護動作信号Ｖｏｃｐを出力させる過電流保護動作が即時に行われるが、その後、演算部４８により静的動作値Ｉｓｔａに出力電流Ｉｏを制限する電流制限動作が開始されると、出力電流Ｉｏは動的保護値Ｉｄｙｎを下回ることで、過電流保護制御部２２が過電流保護動作信号Ｖｏｃｐの出力を停止し、過電流保護制御部２２の過電流保護動作に影響されることなく、演算部４８による正確な過電流保護動作を行うことができる。
（演算部による電流制限制御）
図５は図１の演算部に設けたＣＰＵによる電流制限の演算制御を示したフローチャートである。
図５は図１の演算部に設けたＣＰＵによる電流制限の演算制御を示したフローチャートである。
演算部４８のＣＰＵ５４では、図５の演算が実行される。演算部４８は低速のデジタルプロセッサが用いられているため、例えば、１００μｓｅｃ毎に図５の演算が行われる。演算部４８のＣＰＵ５４による演算を、出力電流が定格内にあって電流制限機能が動作していない定常状態、負荷のインピーダンスが低下することで大電流が要求されて電流制限機能が動作する電流制限状態、及び、負荷のインピーダンスが回復して電流制限機能が解除された状態に分けて説明すると、次のようになる。
（電流制限機能が動作していない定常状態）
図５に示すように、ステップＳ１において、ＡＤコンバータ５２に入力されているスイッチング電源装置の出力電流情報を出力電流値ＩｏとしてＣＰＵ５４が取得する。図５の演算が一定時間毎に実行されることから、ＣＰＵ５４は、一定時間毎にスイッチング電源装置の出力電流値Ｉｏを取得する。
図５に示すように、ステップＳ１において、ＡＤコンバータ５２に入力されているスイッチング電源装置の出力電流情報を出力電流値ＩｏとしてＣＰＵ５４が取得する。図５の演算が一定時間毎に実行されることから、ＣＰＵ５４は、一定時間毎にスイッチング電源装置の出力電流値Ｉｏを取得する。
続いてステップＳ２に進み、ＣＰＵ５４はステップＳ１で取得した出力電流値Ｉｏと予め設定されている電流制限値（静的保護値）Ｉｓｔａを比較し、定常状態では、出力電流値Ｉｏは電流制限値Ｉｓｔａより小さいことから、「出力電流値Ｉｏ＞電流制限値Ｉｓｔａ」の条件が成立せず、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３ではＣＰＵ５４がステップＳ１で取得した出力電流値Ｉｏと予め設定されている電流制限値Ｉｓｔａを比較し、「出力電流値Ｉｏ≒電流制限値Ｉｓｔａ」の条件が成立するか否か判別する。
ステップＳ３の比較にあっては、出力電流値ＩｏはＡＤコンバータ５２の読み取り誤差やゆらぎがあるため、電流制限値Ｉｓｔａに対して数％の差分を許容して「出力電流値≒電流制限値」の条件が成立するか否か判定することで、制御の安定化を図る。
定常状態では、出力電流値Ｉｏは電流制限値Ｉｓｔａに対し十分低いことから、ステップＳ３の「出力電流値Ｉｏ≒電流制限値Ｉｓｔａ」の条件が成立しないことが判定され、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、ＣＰＵ５４は設定値Ｒ１と設定値Ｒ３を比較し、「設定値Ｒ１＜設定値Ｒ３」の条件が成立するか否か判定する。ステップＳ４で比較に使用する設定値Ｒ３は、定数で設定値Ｒ２以下であり、制御パルスＶｃｔｌｐのデューティが設定値Ｒ３で決められた値になった時の制御パルス平滑電圧Ｖｓｍがフィードバック信号ＶＦＢよりも大きくなるような値として予め設定されている。
定常状態にあっては、「設定値Ｒ１＝設定値Ｒ３」となっており、ステップＳ４の「設定値Ｒ１＜設定値Ｒ３」の条件が成立しないことが判定され、演算終了となる。
このようなＣＰＵ５４による定常状態でのステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の処理は、一定時間毎に行われるので、「設定値Ｒ１＝設定値Ｒ３」が維持され、制御パルス平滑電圧Ｖｓｍはフィードバック信号ＶＦＢよりも大きくなり、これにより制御パルス平滑部５０のトランジスタＴＲ３１が逆バイアスによりオフし、定常状態で制御パルス平滑部５０を機能させないようにし、演算部４８による電流制限機能は解除されている。
（電流制限機能の動作状態）
スイッチング電源装置に接続されている負荷１４のインピーダンスが低下し、スイッチング電源装置の出力電流が大きく増加した場合、演算部４８のＣＰＵ５４はステップＳ１でＡＤコンバータ５２に入力されている増加中の出力電流値Ｉｏを取得してステップＳ２に進み、「出力電流値Ｉｏ＞電流制限値Ｉｓｔａ」の条件が成立した場合はステップＳ５に進む。
スイッチング電源装置に接続されている負荷１４のインピーダンスが低下し、スイッチング電源装置の出力電流が大きく増加した場合、演算部４８のＣＰＵ５４はステップＳ１でＡＤコンバータ５２に入力されている増加中の出力電流値Ｉｏを取得してステップＳ２に進み、「出力電流値Ｉｏ＞電流制限値Ｉｓｔａ」の条件が成立した場合はステップＳ５に進む。
ステップＳ５でＣＰＵ５４は設定値Ｒ１を所定値、例えば１カウントだけ減少させ、次にステップＳ７に進んで設定値Ｒ１をレジスタ６０に引き渡して演算を終了する。
このようなＣＰＵ５４によるステップＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ７の処理が一定時間毎に繰り返され、ステップＳ５で設定値Ｒ１が減少されるため、定常状態で「設定値Ｒ１＝設定値Ｒ３」となっていたレジスタ６０の値が減少し、制御パルス平滑電圧Ｖｓｍが低下する。
このようにして減少する制御パルス平滑電圧Ｖｓｍがフィードバック信号ＶＦＢに対しＶｓｍ＜ＶＦＢとなると、トランジスタＴＲ３１の動作により制御パルス平滑部５０が機能し、フィードバック信号ＶＦＢを低下させる動作となる。
フィードバック信号ＶＦＢが低下することでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティが狭くなりスイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが低下することで、出力電流Ｉｏが減少する。
ＣＰＵ５４によるステップＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ７の処理は、一定時間毎に行われるので、ステップＳ２で「出力電流値＞電流制限値」の条件が成立している期間は設定値Ｒ１が減少するように制御が行われることになり出力電圧Ｖｏが低下する。
出力電圧Ｖｏの低下中に、ＣＰＵ５４がステップＳ３で「出力電流値≒電流制限値」の条件の成立を判定すると演算を終了し、その後、ＣＰＵ５４の処理はステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３となるため、設定値Ｒ１が減少する動作が停止し、出力電圧Ｖｏを低下させる動作も停止する。この状態は、スイッチング電源装置の出力電流Ｉｏが静的保護値Ｉｓｔａになっている電流制限機能の動作状態である。
（電流制限機能が解除された状態）
ＣＰＵ５４がステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３の処理を繰り返している電流制限機能の動作状態で、負荷１４のインピーダンスが元の正常な状態に回復すると、出力電流Ｉｏが低下するため、ＣＰＵ５４はステップＳ２の「出力電流値＞電流制限値」の条件が成立しなくなったことを判別してステップＳ３に進み、出力電流Ｉｏは低下していることから、ステップＳ３の「出力電流値≒電流制限値」の条件の成立が判定しないことを判定してステップＳ４に進む。
ＣＰＵ５４がステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３の処理を繰り返している電流制限機能の動作状態で、負荷１４のインピーダンスが元の正常な状態に回復すると、出力電流Ｉｏが低下するため、ＣＰＵ５４はステップＳ２の「出力電流値＞電流制限値」の条件が成立しなくなったことを判別してステップＳ３に進み、出力電流Ｉｏは低下していることから、ステップＳ３の「出力電流値≒電流制限値」の条件の成立が判定しないことを判定してステップＳ４に進む。
このとき設定値Ｒ１は電流制限動作のために減少されていることから、ステップＳ４でＣＰＵ５４は「設定値Ｒ１＜設定値Ｒ３」の条件が成立したことを判定してステップＳ６に進み、設定値Ｒ１を所定値、例えば１カウント増加させ、次にステップＳ７に進み、増加させた設定値Ｒ１をレジスタ６０に引き渡す。
このようなＣＰＵ５４によるステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７の処理は一定時間毎に繰り返され、設定値Ｒ１を設定値Ｒ３に向けて増加させる動作となる。
また、ＣＰＵ５４によるステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７の処理を繰り返している期間は、レジスタ６０の設定値Ｒ１が増加する制御が行われることになるので、制御パルス平滑電圧Ｖｓｍが上昇するためフィードバック信号ＶＦＢも上昇し、スイッチング素子ＴＲ１のオンデューティが広がることでスイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが上昇する。
そして、Ｖｓｍ＞ＶＦＢとなるとトランジスタＴＲ３１の逆バイアスによるオフで制御パルス平滑部５０が機能しなくなり、演算部４８による電流制限動作が解除された状態となる。
続いて、ＣＰＵ５４はステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７の処理を繰り返している間に、ステップＳ４の「設定値Ｒ１＜設定値Ｒ３」の条件が成立しなくなることを判別すると、ステップＳ６，Ｓ７の処理をスキップしたステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の処理となり、設定値Ｒ１を増加する処理が停止して「設定値Ｒ１＝設定値Ｒ３」の状態となり、電流制限機能が動作していない定常状態の制御に戻る。
（設定値Ｒ１の変更）
図５の電流制限の演算制御にあっては、設定値Ｒ１を減少させることで電流制限動作を行っているが、これは、図１の実施形態が、フィードバック信号ＶＦＢを低下させることでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティを低下させるようにスイッチング電源装置が設計されているためであり、フィードバック信号ＶＦＢを上昇させることでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティを低下させるようなスイッチング電源装置では、設定値Ｒ１を増加させることで電流制限動作を行う動作を行うことになる。この場合、ステップＳ５が設定値Ｒ１を増加させる処理となり、ステップＳ６が設定値Ｒ１を減少させる処理となり、更に、ステップＳ４が「設定値Ｒ１＞設定値Ｒ３」の条件の成立を判別する比較処理となる。
図５の電流制限の演算制御にあっては、設定値Ｒ１を減少させることで電流制限動作を行っているが、これは、図１の実施形態が、フィードバック信号ＶＦＢを低下させることでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティを低下させるようにスイッチング電源装置が設計されているためであり、フィードバック信号ＶＦＢを上昇させることでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティを低下させるようなスイッチング電源装置では、設定値Ｒ１を増加させることで電流制限動作を行う動作を行うことになる。この場合、ステップＳ５が設定値Ｒ１を増加させる処理となり、ステップＳ６が設定値Ｒ１を減少させる処理となり、更に、ステップＳ４が「設定値Ｒ１＞設定値Ｒ３」の条件の成立を判別する比較処理となる。
（第１実施形態のメリット）
図１の第１実施形態の過電流保護制御部２２は、従来と同様に、スイッチング素子ＴＲ１のスイッチング周期内で動作することから、例えばスイッチング周期が１０μｓｅｃ（スイッチング周波数が１００ｋＨz）のスイッチング電源装置では、過電流保護制御部２２は、１μｓｅｃ以下で動作する。
図１の第１実施形態の過電流保護制御部２２は、従来と同様に、スイッチング素子ＴＲ１のスイッチング周期内で動作することから、例えばスイッチング周期が１０μｓｅｃ（スイッチング周波数が１００ｋＨz）のスイッチング電源装置では、過電流保護制御部２２は、１μｓｅｃ以下で動作する。
これにより、負荷インピーダンスの急激な低下に対しても出力電流Ｉｏを制限することが可能であるので、短時間ではスイッチング電源装置が故障することはない。ただし、過電流保護制御部２２は、誤動作を防止するためのローパスフィルタ部４２の設定を行うことで、正確な電流制限を行うことができない図４に示す垂下特性７０を持つため、整流素子Ｄ１，Ｄ２や出力チョークＬ１に大きな損失が発生し、いずれは故障してしまう。これを補完するように、演算部４８による電流制限動作を行うことで、図４に示す垂下特性６０が得られ、正確な電流制限動作を行うことができる。
また、過電流保護制御部２２は、正確性よりも高速で動作することを目的とした設計を行い、演算部４８の電流制限動作は、高速性よりも電流制御が正確に行えることを目的とした設計を行うことで、故障することなく、正確に電流制限を行うことができるスイッチング電源装置を低コストで実現することができる。
また、電流制限動作は、フィードバック信号ＶＦＢを制御することで行うため、スイッチング周波数を変更する必要がなく、出力電圧垂下時の出力リップルが増大するといったことがなく、出力チョークＬ１や出力コンデンサＣ１を備えた出力フィルタ回路を大型化する必要がない。これにより、小型、低コストで正確な電流制限を行うことが可能なスイッチング電源装置を作ることができる。
［第２実施形態］
図６は本発明によるスイッチング電源装置の第２実施形態を示した回路ブロック図であり、本願の第２発明に対応する。
図６は本発明によるスイッチング電源装置の第２実施形態を示した回路ブロック図であり、本願の第２発明に対応する。
本実施形態と図１に示した第１実施形態との違いは、制御パルス平滑部５０の出力をフィードバック制御部１８の誤差アンプ２５の入力側に接続されている出力電圧制御用基準電圧源２４の出力に接続したことである。
図１の第１実施形態のスイッチング電源装置では、演算部４８が電流制限動作を行う場合には、演算部４８が制御パルス平滑部５０からの制御パルス平滑電圧Ｖｓｍを低下させてフィードバック信号ＶＦＢを低下させる制御を行うことでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティを狭くしている。
これに対し、本実施形態のスイッチング電源装置では、演算部４８が電流制限動作を行う場合には、演算部４８が制御パルス平滑部５０からの制御パルス平滑電圧Ｖｓｍを低下させて出力電圧制御用基準電圧Ｖｒｅｆを低下させる制御を行うことでスイッチング素子ＴＲ１のオンデューティを狭くする。その他の動作はすべて図１の第１実施形態と同じであり、得られるメリットも同じになる。
第１実施形態と第２実施形態のスイッチング電源装置の使い分けは以下のように考えればよい。
絶縁型のスイッチング電源装置を設計する場合、フィードバック制御部１８の出力側にフォトカプラ等の絶縁素子を入れることで、スイッチング電源装置の出力側から入力側に絶縁されたフードバック信号ＶＦＢを伝送する。この構成では、絶縁型スイッチング電源装置の入力側には、フィードバック信号ＶＦＢが有るが出力電圧制御用基準電圧Ｖｒｅｆが無いことになり、スイッチング電源装置の出力側には、フィードバック信号ＶＦＢと出力電圧制御用基準電圧Ｖｒｅｆが有ることになる。
従って、演算部４８を絶縁型スイッチング電源装置の入力側に配置する場合は、図１の第１実施形態のように制御パルス平滑部５０の出力をフィードバック制御部１８の出力に接続することになり、これに対し演算部４８を出力側に配置する場合は、図１の第１実施形態と図６の第２実施形態のどちらを用いても良いことになる。
［第３実施形態］
図７は本発明によるスイッチング電源装置の第３実施形態を示した回路ブロック図であり、本願の第３発明に対応する。
図７は本発明によるスイッチング電源装置の第３実施形態を示した回路ブロック図であり、本願の第３発明に対応する。
本実施形態のスイッチング電源装置は、図６の第２実施形態のスイッチング電源装置から、出力電圧制御用基準電圧源２４を削除し、スイッチング電源装置が過電流状態に無い定常状態にあるときに演算部４８がレジスタ６０に設定値Ｒ１として付与する設定値Ｒ３を、スイッチング電源装置が定常状態にあるときの出力電圧Ｖｏを出力できる値としたものである。
この場合は、フィードバック制御部１８の誤差アンプ２５の入力インピーダンスが十分に高いため、制御パルス平滑部５０の出力側に設けられていた電流増幅用のバッファは不要となるので、トランジスタＴＲ３１は省略できる。
以下、第３実施形態の動作を第２実施例と比較して説明すると次のようになる。図６に示した第２実施形態では、電流制限動作が行われていない状態では、Ｖｓｍ＞Ｖｒｅｆとなり、制御パルス平滑部５０は機能しない動作となっている。これに対し、第３実施形態では、図６の出力電圧制御用基準電圧源２４を削除したため、電流制限動作が行われていない状態でも、スイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏが制御パルス平滑電圧Ｖｓｍに比例した電圧で制御される動作となる。
電流制限動作が行われていない場合の演算部４８の制御は、図６で示したように、「設定値Ｒ１＝設定値Ｒ３」になるように制御が行われるため、制御パルス平滑電圧Ｖｓｍは設定値Ｒ３で決定される電圧値となる。従って、第３実施形態のスイッチング電源装置が定常状態（電流制限動作が行われていない状態）にあるときの出力電圧Ｖｏは設定値Ｒ３で決定することができる。
図７の第３実施形態のスイッチング電源装置は、図１の第１実施形態や図６の第２実施形態のスイッチング電源装置と比較して、さらに部品を低減しながら、同様の電流制限動作を実現し、また、電流制限動作が行われていない時のスイッチング電源装置の出力電圧Ｖｏを設定値Ｒ３で決定することができる機能を付加することができる。
［本発明の用途］
図８は本発明のスイッチング電源装置により充電されるリチウムイオン電池の充電特性を示したタイムチャートである。
図８は本発明のスイッチング電源装置により充電されるリチウムイオン電池の充電特性を示したタイムチャートである。
本発明のスイッチング電源装置は、特別な回路を付加することなく、リチウムイオン電池等のバッテリの充電を直接行うことができるスイッチング電源装置を作ることができる。
例えばリチウムイオン電池を充電するためには、図８に示す電圧特性８０及び電流特性９０に従った充電を行うために、スイッチング電源装置の出力電圧を４.２ボルトとなるように設計し、また、静的保護値（電流制限値）Ｉｓｔａを８００ミリアンペアとなるように演算部４８を設定すれば良い。この設定を行ったスイッチング電源装置は、特別な回路を付加することなく、直接リチウムイオン電池に接続して充電を行うことができる。
スイッチング電源装置をリチウムイオン電池に接続すると、スイッチング電源装置の出力電圧（＝電池の電圧）が４.２ボルトに達するまでは、８００ミリアンペアの充電電流が流れる。スイッチング電源装置の出力電圧が４.２ボルトに達すると、この電圧を超えないように定電圧で制御が行われるようになり、時間とともに出力電流が低下し、図８の充電動作に対応した充電特性を作ることができる。
［本発明の変形例］
本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。
本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。
１０：電力変換部
１２：入力電源
１４：負荷
１６：出力電圧検出回路
１８：フィードバック制御部
２０：スイッチング素子制御信号生成部
２２：過電流保護制御部
２４：出力電圧制御用基準電圧源
２５：誤差アンプ
２６：三角波生成回路
２８：スイッチング周波数制御用発振回路
３０：ＰＷＭコンパレータ
３２：スイッチング素子強制停止回路
３４：電流源
３６：ＲＳフリップフロップ
３８：アンドゲート
４０：電流電圧変換部
４２：ローパスフィルタ部
４４：ＯＣＰコンパレータ
４６：過電流しきい値制御用電圧源
４８：演算部
５０：制御パルス平滑部
５２：ＡＤコンバータ
５４：ＣＰＵ
５６：クロック回路
５８：タイマ
６０，６２：レジスタ
６４：カウンタ
１２：入力電源
１４：負荷
１６：出力電圧検出回路
１８：フィードバック制御部
２０：スイッチング素子制御信号生成部
２２：過電流保護制御部
２４：出力電圧制御用基準電圧源
２５：誤差アンプ
２６：三角波生成回路
２８：スイッチング周波数制御用発振回路
３０：ＰＷＭコンパレータ
３２：スイッチング素子強制停止回路
３４：電流源
３６：ＲＳフリップフロップ
３８：アンドゲート
４０：電流電圧変換部
４２：ローパスフィルタ部
４４：ＯＣＰコンパレータ
４６：過電流しきい値制御用電圧源
４８：演算部
５０：制御パルス平滑部
５２：ＡＤコンバータ
５４：ＣＰＵ
５６：クロック回路
５８：タイマ
６０，６２：レジスタ
６４：カウンタ
Claims (6)
- 電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
前記電力変換部は、スイッチング素子を備えており、前記スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、前記スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、前記断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
前記フィードバック制御部は、前記スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、前記電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、前記出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と前記出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、前記出力電圧比例信号と前記出力電圧制御用基準電圧が等しくなるように前記フィードバック信号を制御するものであり、
前記スイッチング素子制御信号生成部は、前記フィードバック制御部が出力する前記フィードバック信号と前記過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応して前記スイッチング素子制御信号を出力するものであり、
前記過電流保護制御部は、前記スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、前記スイッチング素子制御信号生成部へ前記過電流保護動作信号を出力するものであり、
前記演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
前記制御パルス平滑部は、前記演算部が出力する前記制御パルスが入力され、出力が前記フィードバック制御部の出力に接続されており、前記演算部から入力された前記制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、前記制御パルス平滑電圧によって前記フィードバック信号を変化させるものであり、
前記演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、前記制御パルスを制御することで前記フィードバック信号を変化させて、出力電流を制限することを特徴とするスイッチング電源装置。
- 電力変換部、フィードバック制御部、出力電圧制御用基準電圧源、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
前記電力変換部は、スイッチング素子を備えており、前記スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、前記スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、前記断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
前記フィードバック制御部は、前記スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、前記電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、前記出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と前記出力電圧制御用基準電圧源が出力する出力電圧制御用基準電圧が入力され、前記出力電圧比例信号と前記出力電圧制御用基準電圧が等しくなるように前記フィードバック信号を制御するものであり、
前記スイッチング素子制御信号生成部は、前記フィードバック制御部が出力する前記フィードバック信号と前記過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応して前記スイッチング素子制御信号を出力するものであり、
前記過電流保護制御部は、前記スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、前記スイッチング素子制御信号生成部へ前記過電流保護動作信号を出力するものであり、
前記演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
前記制御パルス平滑部は、前記演算部が出力する前記制御パルスが入力され、出力が前記フィードバック制御部の前記出力電圧制御用基準電圧源の出力に接続されており、前記演算部から入力された前記制御パルスを平滑することで制御パルス平滑電圧を生成し、前記制御パルス平滑電圧によって前記出力電圧制御用基準電圧を変化させるものであり、
前記演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、前記制御パルスを制御することで前記出力電圧制御用基準電圧を変化させて、出力電流を制限することを特徴とするスイッチング電源装置。
- 電力変換部、フィードバック制御部、スイッチング素子制御信号生成部、過電流保護制御部、演算部、及び制御パルス平滑部から構成され、入力電圧を所定の出力電圧に変換するスイッチング電源装置であって、
前記電力変換部は、スイッチング素子を備えており、前記スイッチング素子制御信号生成部が出力するスイッチング素子制御信号に従って、前記スイッチング素子をオンオフすることで、入力電圧を断続電圧に変換し、前記断続電圧を整流平滑することで出力電圧に変換するものであり、
前記フィードバック制御部は、前記スイッチング素子制御信号生成部へフィードバック信号を出力することで、前記電力変換部の出力電圧を所定の値に制御する機能を備え、前記出力電圧に比例した電圧信号である出力電圧比例信号と前記制御パルス平滑部が出力する制御パルス平滑電圧が入力され、前記出力電圧比例信号と前記制御パルス平滑電圧が等しくなるように前記フィードバック信号を制御するものであり、
前記スイッチング素子制御信号生成部は、前記フィードバック制御部が出力する前記フィードバック信号と前記過電流保護制御部が出力する過電流保護動作信号に対応して前記スイッチング素子制御信号を出力するものであり、
前記過電流保護制御部は、前記スイッチング素子を流れる電流が所定の値になると、前記スイッチング素子制御信号生成部へ前記過電流保護動作信号を出力するものであり、
前記演算部は、スイッチング電源装置の出力電流情報を取得し、所定の制御パルスを出力するものであり、
前記制御パルス平滑部は、前記演算部が出力する前記制御パルスが入力され、出力がフィードバック制御部に入力され、前記演算部から入力された前記制御パルスを平滑することで前記制御パルス平滑電圧を生成するものであり、
前記演算部は、更に、スイッチング電源装置が過負荷状態になると、前記制御パルスを制御することで前記制御パルス平滑電圧を出力電圧制御用基準電圧として変化させて、出力電流を制限することを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項１乃至３の何れかに記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記演算部は、ＡＤコンバータ、クロック回路、ＣＰＵ及びタイマで構成されており、
前記ＡＤコンバータは、スイッチング電源装置の前記出力電流情報が与えられており、
前記クロック回路は、前記ＣＰＵ及び前記タイマに動作タイミングの基準となるクロック信号を出力する回路であり、
前記ＣＰＵは、予め与えられている演算用のプログラムを実行することで、前記ＡＤコンバータから出力電流値を取得し、前記演算用のプログラムに従って前記タイマに対して周期とデューティを指示する機能を備えたものであり、
前記タイマは、前記クロック回路から入力された前記クロック信号をカウントすることで、前記ＣＰＵから指示された前記周期と前記デューティを持つ前記制御パルスを出力するものであることを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項１乃至３の何れかに記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記過電流保護制御部が動作する電流値は、前記演算部が電流を制限する電流値より大きい 値に設定されたことを特徴とするスイッチング電源装置。
- 請求項１乃至３の何れかに記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記過電流保護制御部は、
前記スイッチング素子に流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部から出力された電圧信号の高周波成分を除去した電圧信号を出力するローパスフィルタ部と、
を備え、前記ローパスフィルタ部から出力された電圧信号と所定の過電流しきい値制御用電圧を比較して前記過電流保護動作信号を出力する過電流保護動作を行うことを特徴とするスイッチング電源装置。
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