JP6971102B2 - Lighting power supply and program that can execute PWM control by a microcomputer - Google Patents
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Description
本発明は、マイコンによるPWM制御を実行可能な照明用電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device for lighting capable of performing PWM control by a microcomputer.
LED素子などの発光体を用いた照明器具が汎用の照明器具分野に広まっている。特に、LED素子は、小さな電流でも点灯維持できるものが多くあり、また、実際の点灯電流は小さいのに人の視覚ではそれ程暗く感じられないという事情もあって、ゼロ付近から100パーセントまでの広範囲での連続調光を可能にする照明器具のニーズがある。 Lighting fixtures using light emitters such as LED elements are widespread in the field of general-purpose lighting fixtures. In particular, many LED elements can maintain lighting even with a small current, and even though the actual lighting current is small, it does not feel so dark to human vision, so a wide range from near zero to 100%. There is a need for lighting fixtures that enable continuous dimming in.
照明器具の電源装置は、LED素子の順方向電圧と順方向電流の特性上、基本的には定電流制御を要する。そして、安定した連続電流を照明光源(LED素子)に供給するために、インダクタンス素子、スイッチング素子および電解コンデンサなどの蓄電素子からなるスイッチング電源回路の構成が、電源装置として一般的である。 The power supply device of the lighting equipment basically requires constant current control due to the characteristics of the forward voltage and the forward current of the LED element. Then, in order to supply a stable continuous current to the illumination light source (LED element), a configuration of a switching power supply circuit including a power storage element such as an inductance element, a switching element and an electrolytic capacitor is generally used as a power supply device.
また、スイッチング電源回路のスイッチング素子の動作を制御する制御回路として、通常はPWM制御回路が用いられる。PWM制御回路は、オン期間を可変とする矩形波信号(PWM信号と呼ぶ。)を繰り返し発振して、スイッチング素子をオンオフ動作させる。そして、外部からの調光信号に連動して、PWM信号のオンデューティを変化させることで、調光信号に応じた照明器具の光出力が得られる。 Further, as a control circuit for controlling the operation of the switching element of the switching power supply circuit, a PWM control circuit is usually used. The PWM control circuit repeatedly oscillates a rectangular wave signal (referred to as a PWM signal) having a variable on period to operate the switching element on and off. Then, by changing the on-duty of the PWM signal in conjunction with the dimming signal from the outside, the light output of the lighting equipment corresponding to the dimming signal can be obtained.
最近では、PWM制御回路をデジタル制御構成とするものが増えてきた。従来のアナログ制御によるPWM信号には、制御回路中のコンデンサや抵抗などの素子毎の特性の誤差に起因した制御特性のバラツキが生じる。これに対して、デジタル制御構成であれば、係数の設定によって制御回路の特性を定めているため、制御回路ごとの特性のバラツキがほとんど生じない。 Recently, an increasing number of PWM control circuits have a digital control configuration. In the conventional PWM signal by analog control, the control characteristics vary due to the error of the characteristics of each element such as a capacitor and a resistor in the control circuit. On the other hand, in the case of a digital control configuration, since the characteristics of the control circuit are determined by setting the coefficients, there is almost no variation in the characteristics of each control circuit.
デジタルPWM制御回路は、通常、A/D変換部、デジタル演算部(CPU)、PWMタイマー部、記憶部などから構成され、これら全体をマイクロ・コントローラー・ユニット(MCU)と呼ぶ。本書ではマイコンと略す。例えば、CPUによるプログラムの実行によって、A/D変換部が、外部からの調光信号や、電源装置の負荷電圧などのフィードバック信号などをデジタル値として読み取る。デジタル演算部は、読み取られた入力値に基づいて、スイッチングのオンデューティ値を算出する。そして、PWMタイマー部は、オンデューティ値に基づく計時処理を実行して所望のオン期間の矩形波を繰り返し作成し、PWM信号として出力する。PWM信号は、スイッチング素子のドライバーICなどに送られ、スイッチング素子のオンオフ動作に用いられる。このようなデジタルPWM制御回路の例示として、特許文献1を挙げる。特許文献1には、スイッチング電源回路上の複数の検出点からの検出電圧値に基づいて、マイコンがオンオフ信号のオン幅をプログラムの数値計算によって決定し、LED素子の定電流制御を実行するLED電源装置が示されている。
The digital PWM control circuit is usually composed of an A / D conversion unit, a digital arithmetic unit (CPU), a PWM timer unit, a storage unit, and the like, and all of them are called a microcontroller unit (MCU). In this book, it is abbreviated as microcomputer. For example, by executing a program by the CPU, the A / D converter reads a dimming signal from the outside, a feedback signal such as a load voltage of a power supply device, and the like as digital values. The digital arithmetic unit calculates the on-duty value of switching based on the read input value. Then, the PWM timer unit repeatedly executes a timekeeping process based on the on-duty value to repeatedly create a rectangular wave for a desired on-period, and outputs it as a PWM signal. The PWM signal is sent to the driver IC of the switching element or the like, and is used for the on / off operation of the switching element.
ところで、マイコンを用いてPWM制御を実行する際、ビット数の大きいCPUやその周辺機器を備えたマイコンであればよいが、システム設計の簡略化や製造コストを抑えるなどの目的で、ビット数を抑えた8ビットや16ビット等の汎用マイコンを積極的に利用したい場合もある。ここで「ビット数」は、通常、CPUのデータバスのデータ幅、あるいは、CPUが一度で処理できるデータ幅で定義される。 By the way, when executing PWM control using a microcomputer, a microcomputer equipped with a CPU having a large number of bits and its peripheral devices may be used, but for the purpose of simplifying the system design and suppressing the manufacturing cost, the number of bits is reduced. There are also cases where you want to actively use a general-purpose microcomputer such as a suppressed 8-bit or 16-bit microcomputer. Here, the "number of bits" is usually defined by the data width of the data bus of the CPU or the data width that the CPU can process at one time.
一方、上記のような汎用マイコンを用いる場合、例えば100KHz前後の高いスイッチング周波数に対応しつつ、生成するPWM信号のオンデューティの分解能も高い状態に維持するのは困難であり、使用するマイコンの性能によっては、オンデューティの分解能が低くなってしまう場合がある。例えば、8ビットマイコンを使って、100KHzのスイッチング周波数を実行する場合、スイッチングの1サイクル(10μ秒の周期)に8ビット分のクロック数(0〜255クロック)を割り当てれば、1クロックの処理時間は10μ秒÷256=約39n秒になり、マイコンに要求される処理速度(クロック周波数)の目安になる。また、PWM信号の1サイクルの矩形波におけるオンデューティの分解能については、8ビットのクロック数が256であることから、1クロック分で調整可能なオンデューティの幅は100%÷256=約0.39%になる。オンデューティを約0.39%刻みで調整するのが、オンデューティの分解能の限度となる。 On the other hand, when a general-purpose microcomputer as described above is used, it is difficult to maintain a high on-duty resolution of the generated PWM signal while supporting a high switching frequency of, for example, around 100 KHz, and the performance of the microcomputer to be used. Depending on the case, the on-duty resolution may be low. For example, when an 8-bit microcomputer is used to execute a switching frequency of 100 KHz, if the number of clocks for 8 bits (0 to 255 clocks) is assigned to one switching cycle (10 μsec cycle), one clock is processed. The time is 10 μs ÷ 256 = about 39 n seconds, which is a guideline for the processing speed (clock frequency) required for the microcomputer. As for the on-duty resolution of the PWM signal in one cycle of the square wave, since the number of 8-bit clocks is 256, the on-duty width that can be adjusted in one clock is 100% ÷ 256 = about 0. It will be 39%. Adjusting the on-duty in increments of about 0.39% is the limit of the on-duty resolution.
このように、PWM信号生成時のオンデューティの分解能については、オンデューティをどんなに細かく調整しようとしても、マイコンのビット数で定まる1クロック分の増減量(例えば約0.39%)を1単位として調整するのが限度であった。従って、スイッチングのオンデューティをより高い分解能で調整するには、高い仕様のマイコン(クロック周波数およびビット数)を選ぶ必要があった。
なお、PWM制御はオンデューティを調整する場合とオフデューティを調整する場合とがあり、いずれの場合もマイコンの処理能力が同じままでは、デューティをより高い分解能で調整することは困難であった。
In this way, regarding the on-duty resolution at the time of PWM signal generation, no matter how finely the on-duty is adjusted, the amount of increase / decrease for one clock determined by the number of bits of the microcomputer (for example, about 0.39%) is set as one unit. The limit was to adjust. Therefore, in order to adjust the switching on-duty with higher resolution, it was necessary to select a microcomputer with high specifications (clock frequency and number of bits).
The PWM control may adjust the on-duty or the off-duty, and in either case, it is difficult to adjust the duty with higher resolution if the processing capacity of the microcomputer remains the same.
本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、従来のマイコンの処理能力のままでも、PWM信号生成時のデューティを高い分解能でデジタル調整することが可能な照明用電源装置、および、プログラムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is lighting capable of digitally adjusting the duty at the time of PWM signal generation with high resolution even with the processing capacity of a conventional microcomputer. The purpose is to provide a power supply device and a program.
すなわち、本発明の照明用電源装置は、
照明光源に電力を供給するスイッチング電源回路と、
前記スイッチング電源回路に設けられたスイッチング素子にパルス幅変調(PWM)信号を発振して該スイッチング素子をPWM制御するPWM制御回路と、
を備えて構成され、
前記PWM制御回路は、外部からの調光信号に応じた前記PWM信号のデューティ指令値(例えば39.9%)を決定するためのデジタル演算部と、前記デューティ指令値に応じた矩形波を生成するための矩形波生成部と、を有し、
前記デジタル演算部は、該デジタル演算部のビット数で定められるデューティの分解能(例えば1%)に基づいて、前記デューティ指令値に応じて該分解能で生成し得るデューティ概算値(例えば40%)を算出するように構成され、
前記矩形波生成部は、前記デューティ概算値(40%)に基づく矩形波を繰り返し生成するように構成され、
前記デジタル演算部は、さらに、前記デューティ指令値(39.9%)および前記デューティ概算値(40%)の差分(0.1%)を補償するために、前記デューティ概算値(40%)で生成される矩形波の列を複数(例えば10個)の矩形波ごとにグループ分けし、各グループ内の複数の矩形波のうちの少なくとも1つの矩形波のデューティを該デューティの前記分解能(1%)の単位で増減させる(例えばグループ内の1個の矩形波のデューティ40%を1%だけ減らす)、ように構成され、
前記デジタル演算部は、さらに、前記デューティの下限値を下げるために、前記分解能の単位からなる矩形波の列を複数の矩形波ごとにグループ分けし、各グループ内の複数の矩形波から少なくとも1つの矩形波を間引くように構成されていることを特徴とする。
That is, the power supply device for lighting of the present invention is
A switching power supply circuit that supplies power to the illumination light source,
A PWM control circuit that oscillates a pulse width modulation (PWM) signal to a switching element provided in the switching power supply circuit to control the switching element by PWM.
Is configured with
The PWM control circuit generates a digital calculation unit for determining a duty command value (for example, 39.9%) of the PWM signal according to a dimming signal from the outside, and a square wave corresponding to the duty command value. Has a square wave generator for
The digital calculation unit obtains an approximate duty value (for example, 40%) that can be generated at the resolution according to the duty command value based on the resolution of the duty determined by the number of bits of the digital calculation unit (for example, 1%). Configured to calculate
The square wave generation unit is configured to repeatedly generate a square wave based on the estimated duty value (40%).
The digital arithmetic unit further uses the estimated duty value (40%) to compensate for the difference (0.1%) between the estimated duty value (39.9%) and the estimated duty value (40%). The generated square wave sequence is grouped into a plurality of (for example, 10) square waves, and the duty of at least one of the plurality of square waves in each group is set to the resolution (1%) of the duty. ) Is increased or decreased (for example, the duty of one square wave in a group is reduced by 1% by 1%) .
In order to further lower the lower limit of the duty, the digital arithmetic unit further groups a sequence of square waves composed of the units of the resolution into a plurality of square waves, and at least one of the plurality of square waves in each group. It is characterized in that it is configured to thin out two square waves.
なお、カッコ内の数値は一例である。ここで、「スイッチング電源回路」には、インダクタンス素子、スイッチング素子および蓄電素子からなる各種のチョッパー回路やフライバック式の電力変換回路などが含まれるが、これらに限定されるものではなく、少なくともスイッチング素子のオンオフ動作によって照明光源に所望の電力を供給できる回路が含まれるものとする。
また、PWM信号のオンデューティを調整する場合にも、オフデューティを調整する場合にも、本発明を適用することができる。
The numbers in parentheses are examples. Here, the "switching power supply circuit" includes, but is not limited to, various chopper circuits composed of an inductance element, a switching element, and a power storage element, a flyback type power conversion circuit, and the like, but at least switching. It is assumed that a circuit capable of supplying desired power to the illumination light source by turning the element on and off is included.
Further, the present invention can be applied both when adjusting the on-duty of the PWM signal and when adjusting the off-duty.
次に、本発明のプログラムは、照明用のスイッチング電源回路へのパルス幅変調(PWM)信号を生成するためのもので、
デジタル演算部および矩形波生成部を有して構成されるコンピュータに対し、
外部からの調光信号に応じた前記PWM信号のデューティ指令値を決定する指令値決定ステップと、
前記デジタル演算部のビット数で定められるデューティの分解能に基づき、前記デューティ指令値に応じて該分解能で生成し得るデューティ概算値を算出する概算値算出ステップと、
前記矩形波生成部に対して、前記デューティ概算値に基づく矩形波を繰り返し生成するように指令する矩形波生成ステップと、
前記矩形波生成ステップと同時に、前記デューティ指令値および前記デューティ概算値の差分を補償する差分補償ステップと、
を実行させ、
前記差分補償ステップでは、前記デューティ概算値で生成される矩形波の列を複数の矩形波ごとにグループ分けし、前記矩形波生成部に対して、各グループ内の複数の矩形波のうちの少なくとも1つの矩形波のデューティを該デューティの前記分解能の単位で増減させるように指令し、
前記差分補償ステップでは、さらに、前記デューティの下限値を下げるために、前記分解能の単位からなる矩形波の列を複数の矩形波ごとにグループ分けし、前記矩形波生成部に対して、各グループ内の複数の矩形波から少なくとも1つの矩形波を間引くように指令する、ことを特徴とする。
Next, the program of the present invention is for generating a pulse width modulation (PWM) signal to a switching power supply circuit for lighting.
For a computer configured with a digital arithmetic unit and a square wave generator
A command value determination step for determining a duty command value of the PWM signal according to a dimming signal from the outside, and a command value determination step.
An approximate value calculation step for calculating a duty approximate value that can be generated at the resolution according to the duty command value based on the duty resolution determined by the number of bits of the digital calculation unit.
A square wave generation step instructing the square wave generation unit to repeatedly generate a square wave based on the estimated duty value, and a square wave generation step.
At the same time as the square wave generation step, a difference compensation step that compensates for the difference between the duty command value and the estimated duty value, and
To execute,
In the difference compensation step, a sequence of square waves generated by the estimated duty value is grouped into a plurality of square waves, and at least among the plurality of square waves in each group for the square wave generation unit. Command the duty of one square wave to be increased or decreased by the unit of the resolution of the duty .
In the difference compensation step, in order to further lower the lower limit of the duty, a row of rectangular waves composed of the units of the resolution is grouped into a plurality of square waves, and each group is referred to the square wave generation unit. It is characterized in that at least one square wave is instructed to be thinned out from a plurality of square waves in the box.
本発明では、PWM信号を生成する際のデューティ指令値(例えば39.9%)が、マイコンのビット数で定められるデューティの分解能(例えば1%)では生成できないレベルであっても、まずは、その分解能で生成できるレベルのデューティ概算値(例えば40%)を算出して矩形波を生成することにした。そして、デューティ指令値(39.9%)とデューティ概算値(40%)との差分(0.1%)を補償するために、以下のように、矩形波の列のグループ分けと、グループ内のいくつかの矩形波のデューティの増減処理を実行することにした。すなわち、デューティ概算値(40%)で生成される矩形波の列は、複数の矩形波ごとにグループ分けされ、各グループ内の複数の矩形波のうちの少なくとも1つの矩形波のデューティが分解能(1%)の単位で増減される。例えば、10個の矩形波を1グループとして、そのうちの1個の矩形波のデューティだけ39%にすると、グループの平均デューティは、(40%×9+39%×1)÷10=39.9%となり、デューティ指令値と同じになる。このような矩形波の列をPWM信号として用いることで、グループ毎の平均デューティは、デューティ指令値と同レベルになり、従来のマイコンの処理能力のままでも、PWM信号を生成する際のデューティを高い分解能でデジタル調整することが可能になる。また、オンデューティの下限(調光下限)を従来よりも小さくすることができる。
In the present invention, even if the duty command value (for example, 39.9%) at the time of generating the PWM signal is at a level that cannot be generated by the resolution of the duty (for example, 1%) determined by the number of bits of the microcomputer, first of all, the duty command value is the same. We decided to generate a square wave by calculating an approximate value of duty (for example, 40%) at a level that can be generated with resolution. Then, in order to compensate for the difference (0.1%) between the duty command value (39.9%) and the estimated duty value (40%), the rectangular wave columns are grouped and within the group as follows. I decided to perform some square wave duty increase / decrease processing. That is, the sequence of square waves generated by the estimated duty value (40%) is grouped by a plurality of square waves, and the duty of at least one of the plurality of square waves in each group is the resolution ( It is increased or decreased in units of 1%). For example, if 10 square waves are regarded as one group and only the duty of one of them is 39%, the average duty of the group is (40% × 9 + 39% × 1) ÷ 10 = 39.9%. , Same as the duty command value. By using such a row of square waves as a PWM signal, the average duty for each group becomes the same level as the duty command value, and even with the processing capacity of the conventional microcomputer, the duty for generating the PWM signal can be increased. Digital adjustment becomes possible with high resolution. In addition, the lower limit of on-duty (dimming lower limit) can be made smaller than before.
(第一実施形態)
本発明の第一実施形態に係る照明用LED電源の概略構成を図1に示す。照明用LED電源10は、スイッチング電源回路4と、このスイッチング電源回路4に設けられたスイッチング素子5をオンオフ動作させるドライバーIC6と、このドライバーIC6に向けてパルス幅変調(PWM)信号を発振することによってスイッチング素子5をPWM制御するデジタルPWM制御回路8と、を備えて構成されている。スイッチング電源回路4は、外部の交流電源3からの電力を受けて、照明光源であるLED素子2に所定の電流を供給する。
(First Embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an LED power supply for lighting according to the first embodiment of the present invention. The lighting
図1にはLED素子2のハイサイド側をスイッチングする方式のスイッチング電源回路の構成を示すが、これに限られず、ローサイド側をスイッチングする方式の電源回路でも構わない。また、スイッチング電源回路として、インダクタンス素子、スイッチング素子および蓄電素子からなる各種のチョッパー回路やフライバック式の電力変換回路などを採用してもよい。
FIG. 1 shows a configuration of a switching power supply circuit of a method of switching the high side side of the
デジタルPWM制御回路8は、ワンチップマイコン等で構成され、外部の調光コントローラなどからの調光信号が入力される。また、スイッチング電源回路4の図示しない検出点の電圧値などがフィードバック(FB)信号として入力されるようになっている。
The digital
デジタルPWM制御回路8は、調光信号をデジタル変換するA/D変換部12、各種のデジタル演算を担うデジタル演算部(CPU)14、矩形波生成部(PWMタイマー等)16、プログラムや各種パラメータを保存する記憶部18などから構成されている。
The digital
デジタル演算部14は、記憶部18のプログラムを実行することで、PWM信号のオンデューティの指令値を決定する等の各機能が実現されるように構成されている。具体的には、デジタル演算部14は、オンデューティの指令値(デューティ指令値)の決定部20と、オンデューティの概算値(デューティ概算値)の算出部22と、これらの差分を補償するための差分補償部24と、を含み、差分補償部24についてはグループ分け部26およびオンデューティの増減部28を有している。
The digital
矩形波生成部16は、決定されたオンデューティの指令値に応じた矩形波を生成し、これをドライバーIC6へ繰り返し出力するために設けられている。
The rectangular
以下、本発明に特徴的なデジタルPWM制御回路8の具体的な演算処理のフローについて図2を用いて説明する。一連の演算処理は、デジタル演算部18が記憶部18のプログラムを実行することによって開始される。
Hereinafter, a specific flow of arithmetic processing of the digital
まず、図2のA/D変換ステップ(S10)では、アナログ電圧の調光信号(例えば50.1%)がA/D変換部12でデジタル値に変換される。また、スイッチング電源回路4の各検出値が必要に応じてA/D変換される。例えば、変換された調光データを各検出値のデータで適宜補正して、基準データとして扱ってもよい。この場合の基準データは、調光信号の情報がベースになっており、次のオンデューティのデジタル演算ステップ(S20)によって、スイッチング素子5へのPWM信号のオンデューティの指令値が基準データに基づいて算出される。ここでは、説明を簡単にするため、変換された調光データをそのまま用いて、オンデューティの指令値を決定する手順を説明する。また、外部からの信号がデジタル信号の場合は、A/D変換なしでデジタルPWM制御回路に入力される。
First, in the A / D conversion step (S10) of FIG. 2, the dimming signal (for example, 50.1%) of the analog voltage is converted into a digital value by the A /
オンデューティのデジタル演算ステップ(S20)では、デジタル演算部18内の指令値決定部20によって、調光データに基づくオンデューティの指令値が算出される。例えば、50.1%の調光データに基づいて、39.9%のオンデューティの指令値が算出される。このステップにおいて、デジタル演算部18が、予め記憶部18に保存されたデータテーブルを利用する場合は、調光データのテーブル換算を行って、オンデューティの指令値が算出される。または、デジタル演算部18が、プログラム上の組み込まれた制御式を利用する場合は、調光データに所定の係数を掛け合せる処理を行って、オンデューティの指令値が算出される。なお、テーブル換算と制御式の利用との両方を利用してオンデューティの指令値を算出してもよい。
In the on-duty digital calculation step (S20), the command
また、デジタル演算ステップ(S20)では、デジタル演算部18内の概算値算出部22が、デジタル演算部14のビット数で定められるオンデューティの分解能に基づいて、この分解能で生成し得るオンデューティの概算値を算出する。例えば、デジタル演算部14のビット数で定められるオンデューティの分解能がちょうど1%であるとすると、39.9%のオンデューティの指令値に対するオンデューティの概算値は39%もしくは40%になる。ここでは、指令値に近い40%をオンデューティの概算値として用いる場合を説明する。
Further, in the digital calculation step (S20), the approximate
次に、デジタル演算されたオンデューティの指令値に相当する矩形波の生成手順について説明する。図2の矩形波生成ステップ(S30)では、矩形波生成部16が、オンデューティの概算値(40%)に基づく矩形波を生成する。このような矩形波を繰り返し出力することで、スイッチング素子5へのPWM信号が形成される。
Next, a procedure for generating a rectangular wave corresponding to a digitally calculated on-duty command value will be described. In the square wave generation step (S30) of FIG. 2, the square
矩形波生成ステップ(S30)と同時に、デジタル演算部18内の差分補償部24が、オンデューティの指令値(39.9%)と概算値(40%)との差分(0.1%)を補償するための処理を実行する。具体的には、差分補償部24内のグループ分け部26が、オンデューティの概算値(40%)で生成される矩形波の列を、例えば10個の矩形波ごとにグループ分けする。ここでは、オンデューティの分解能が1%であって、補償すべき差分が0.1%であることから、各グループに含める矩形波の数を10個とし、かつ、各グループ内の10個の矩形波のうちの1個の矩形波のオンデューティを40%から分解能の1%を差し引いた39%に変更する。このようなオンデューティの変更対象となる矩形波の選択、および、その矩形波のオンデューティの変更処理については、差分補償部24内のオンデューティ増減部28によって実行される。このような差分の補償を実行することで、各グループの平均オンデューティは、例えば(40%×9+39%×1)÷10=39.9%となり、オンデューティの指令値と同じになる。
At the same time as the square wave generation step (S30), the
オンデューティの指令値が39.7%である場合は、補償すべき差分が0.3%になり、10個の矩形波のグループのうちの3個の矩形波についてオンデューティを40%から分解能の1%を差し引いた39%にそれぞれ変更すればよい。あるいは、10個の矩形波のグループのうちの1個の矩形波についてオンデューティを40%から分解能の1%の3倍である3%を差し引いた36%に変更してもよい。いずれの処理も、グループ毎の平均オンデューティがオンデューティの指令値と同じになるという結果になる。この処理において、1グループから複数の矩形波を選ぶ際は、デューティの調整対象の矩形波ができる限り偏らないように、矩形波の列の全体からまんべんなく選択するのがよい。 When the on-duty command value is 39.7%, the difference to be compensated is 0.3%, and the on-duty resolution is reduced from 40% for 3 square waves in the group of 10 square waves. It may be changed to 39% by subtracting 1% of. Alternatively, for one of the 10 square wave groups, the on-duty may be changed to 36%, which is 40% minus 3%, which is 3 times the resolution of 1%. Both processes result in the average on-duty for each group being the same as the on-duty command value. In this process, when selecting a plurality of square waves from one group, it is preferable to select evenly from the entire column of square waves so that the square waves to be adjusted for duty are not biased as much as possible.
グループに含める矩形波の数の設定については、オンデューティの分解能の大きさとの関係で決定するとよい。例えば、オンデューティの分解能が0.39%である場合を考えると、指令値(39.7%)に対するオンデューティの概算値は39.78%になり、補償すべき差分は0.08%になる。補償の手順の一例としては、グループに含まれる矩形波の数を20個として、そのうちの3個の矩形波についてのオンデューティを39.78%から0.39%を差し引いて39.39%にする。その結果、グループ毎の平均オンデューティが約39.72%となり、概算値の39.78%よりも指令値の39.7%に近づけることができる。以上のように1つのグループに含める矩形波の数を10個よりも多くすることも、10個未満にすることも可能である。連続する矩形波を計時する都合上、8ビットのMCUを用いる場合、1グループの矩形波の数の最大は256個になる。この場合の実質的なオンデューティの分解能は、100%÷256÷256=約0.0015%まで向上する。よって、1グループの波数の最大を使用するデジタル演算部のビット数に応じて決定してもよい。 The setting of the number of square waves to be included in the group may be determined in relation to the magnitude of the on-duty resolution. For example, considering the case where the on-duty resolution is 0.39%, the estimated on-duty value for the command value (39.7%) is 39.78%, and the difference to be compensated is 0.08%. Become. As an example of the compensation procedure, the number of square waves included in the group is 20, and the on-duty for 3 of them is 39.78% minus 0.39% to 39.39%. do. As a result, the average on-duty for each group is about 39.72%, which can be closer to the command value of 39.7% than the estimated value of 39.78%. As described above, the number of square waves included in one group can be increased to more than 10 or less than 10. When using an 8-bit MCU for the convenience of timing continuous square waves, the maximum number of square waves in one group is 256. The effective on-duty resolution in this case is improved to 100% ÷ 256 ÷ 256 = about 0.0015%. Therefore, it may be determined according to the number of bits of the digital arithmetic unit that uses the maximum wave number of one group.
また、オンデューティの指令値が例えば39.2%になった場合、オンデューティの概算値を40%から39%に変更する。そして、差分(0.2%)を補償する処理では、各グループ内の10個の矩形波のうちの2個の矩形波のオンデューティを39%から分解能の1%を加えた40%に変更する。この結果、各グループの平均オンデューティがオンデューティの指令値と同じになる。 Further, when the on-duty command value becomes, for example, 39.2%, the estimated on-duty value is changed from 40% to 39%. Then, in the process of compensating for the difference (0.2%), the on-duty of two of the ten square waves in each group is changed from 39% to 40%, which is the sum of 1% of the resolution. do. As a result, the average on-duty of each group becomes the same as the on-duty command value.
以上の様々なケースから分かるように、補償すべき差分の大きさに応じて、グループ内からのオンデューティを変更すべき矩形波の数を決定し、決定された1つ以上の矩形波について、オンデューティをその分解能の単位で増減させることにした。このようにオンデューティを増減された矩形波の列をPWM信号として用いることで、グループ毎の平均オンデューティは、オンデューティの指令値と同レベルになり、従来のマイコンの処理能力のままでも、PWM信号生成時のオンデューティを高い分解能でデジタル調整することが可能になる。 As can be seen from the above various cases, the number of square waves whose on-duty should be changed from within the group is determined according to the magnitude of the difference to be compensated, and for one or more determined square waves. I decided to increase or decrease the on-duty in units of its resolution. By using a string of square waves whose on-duty has been increased or decreased in this way as a PWM signal, the average on-duty for each group becomes the same level as the on-duty command value, and even with the processing capacity of the conventional microcomputer, It is possible to digitally adjust the on-duty at the time of PWM signal generation with high resolution.
実際に、デジタルPWM制御回路8で実行されるPWM信号生成プログラムは以下のように構成される。すなわち、PWM信号生成プログラムは、A/D変換後の調光信号などのデータに基づいて、指令値決定部20にPWM信号のオンデューティの指令値を決定させるステップと、概算値算出部22にビット数で定められるオンデューティの分解能に基づいて生成し得るオンデューティの概算値を算出させるステップと、矩形波生成部16にオンデューティの概算値に基づく矩形波を繰り返し生成させるステップと、この矩形波の生成と同時に、差分補償部24にオンデューティの指令値および概算値の差分を補償させるステップと、を備えて構成される。そして、差分補償のステップでは、グループ分け部26に矩形波の列を複数の矩形波ごとにグループ分けさせて、オンデューティ増減部28に各グループ内の複数の矩形波のうちの少なくとも1つの矩形波のオンデューティを該オンデューティの分解能の単位で増減させる。このようなプログラムを実行することで、矩形波生成部16で生成されるPWM信号の平均オンデューティを指令値に近づけることができる。
Actually, the PWM signal generation program executed by the digital
図3に従来の制御イメージを示す。オンデューティの分解能が1%である場合は、オンデューティの指令値が50%から49.9%になったとしても、出力されるPWM信号のオンデューティは50%のままか、指令値よりも大幅に小さい49%まで下げるかのいずれかの選択肢になってしまう。一方、図4に示す本実施形態の制御方法によれば、オンデューティの分解能が1%のままであっても、複数の矩形波のグループの平均オンデューティを指令値と同じ49.9%にすることができる。図5に模式的に示すように、デジタルPWM制御においては、どうしてもオンデューティが非連続な変化になってしまうが、本実施形態の制御方法を用いれば、CPUのビット数によって定まるオンデューティの分解能が例えば1%のままであっても、それよりも高い分解能でオンデューティを段階的に変化させることができる。 FIG. 3 shows a conventional control image. When the on-duty resolution is 1%, even if the on-duty command value changes from 50% to 49.9%, the on-duty of the output PWM signal remains 50% or is higher than the command value. You have the option of lowering it to 49%, which is significantly smaller. On the other hand, according to the control method of the present embodiment shown in FIG. 4, even if the on-duty resolution remains 1%, the average on-duty of a group of a plurality of square waves becomes 49.9%, which is the same as the command value. can do. As schematically shown in FIG. 5, in digital PWM control, the on-duty changes inevitably discontinuously, but if the control method of the present embodiment is used, the on-duty resolution determined by the number of bits of the CPU is used. For example, even if it remains at 1%, the on-duty can be changed stepwise with a higher resolution.
(第二実施形態)
本発明の第二実施形態に係るPWM制御の内容について図6および図7を用いて説明する。照明用LED電源の構成は、前述の実施形態の構成と同じであるが、オンデューティの下限(調光下限)を従来よりも小さくできることに特徴がある。
(Second embodiment)
The contents of the PWM control according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7. The configuration of the LED power supply for lighting is the same as the configuration of the above-described embodiment, but is characterized in that the lower limit of on-duty (dimming lower limit) can be made smaller than before.
本実施形態においてもデジタル演算部14のビット数で定められるオンデューティの分解能が1%であるとする。図6には、デジタル演算ステップ(S20)で算出されたオンデューティの指令値が1%から0.9%に変化する場合に出力されるPWM信号のパターンが示されている。
Also in this embodiment, it is assumed that the on-duty resolution determined by the number of bits of the digital
まず、前述の実施形態と同様に、デジタル演算ステップ(S20)で、オンデューティの分解能で生成し得るオンデューティの概算値が算出される。ここでは、1%の概算値になる。
次に、矩形波生成ステップ(S30)で、算出されたオンデューティの概算値(1%)に基づく矩形波が生成され、繰り返し出力される。
また、矩形波生成ステップ(S30)と同時に、オンデューティの指令値(0.9%)と概算値(1%)との差分(0.1%)を補償するための処理が実行される。具体的には、オンデューティの概算値(1%)で生成される矩形波の列が、例えば10個の矩形波ごとにグループ分けされて、各グループ内の10個の矩形波のうちの1個の矩形波のオンデューティを1%から分解能の1%を差し引いた0%に変更する。つまり、10個の矩形波の列から1個の矩形波を間引く。なお、間引き処理の対象となる1個の矩形波の選択は、図7に示すように、10個の矩形波の列の中から任意に選べばよい。このような間引き処理を実行することで、各グループの平均オンデューティは、(1%×9+0%×1)÷10=0.9%となり、オンデューティの指令値と同じになる。
First, as in the above-described embodiment, in the digital calculation step (S20), an approximate value of on-duty that can be generated with on-duty resolution is calculated. Here, it is an approximate value of 1%.
Next, in the rectangular wave generation step (S30), a rectangular wave based on the calculated on-duty estimated value (1%) is generated and repeatedly output.
Further, at the same time as the rectangular wave generation step (S30), a process for compensating for the difference (0.1%) between the on-duty command value (0.9%) and the approximate value (1%) is executed. Specifically, the sequence of square waves generated by the approximate value of on-duty (1%) is divided into groups, for example, by 10 square waves, and one of the 10 square waves in each group. Change the on-duty of each square wave to 0%, which is 1% minus 1% of the resolution. That is, one square wave is thinned out from the sequence of ten square waves. As shown in FIG. 7, the selection of one square wave to be the target of the thinning process may be arbitrarily selected from the sequence of ten square waves. By executing such a thinning process, the average on-duty of each group becomes (1% × 9 + 0% × 1) ÷ 10 = 0.9%, which is the same as the on-duty command value.
オンデューティの指令値が0.7%である場合は、補償すべき差分が0.3%になり、10個の矩形波のグループのうちの3個の矩形波についてオンデューティを1%から0%にそれぞれ変更すればよい。 When the on-duty command value is 0.7%, the difference to be compensated is 0.3%, and the on-duty is 1% to 0 for 3 square waves in the group of 10 square waves. You can change it to% respectively.
なお、同じグループの中から、2個以上の矩形波を間引く場合は、2個の連続する矩形波が間引かれないように選択した方が好ましい。また、グループの最前および最後の両方の矩形波が間引かれないように選択した方が好ましい。間引きの対象になった矩形波が続いて存在すると、負荷電流の休止期間が長くなってLED素子のちらつきの原因になる場合があるからである。 When thinning out two or more square waves from the same group, it is preferable to select so that two consecutive square waves are not thinned out. Also, it is preferable to select so that both the front and last square waves of the group are not thinned out. This is because if the rectangular wave targeted for thinning continues to exist, the pause period of the load current becomes long, which may cause the LED element to flicker.
図8にLED素子の光出力(%)とスイッチングのオンデューティ(%)との関係をグラフで示す。このグラフのように、実際の設計においては、スイッチングを例えば80%のオンデューティで実行した際に、定格100%の光出力が得られるように、両社の関係が設定されている。50%の光出力を得るには、オンデューティを50%×0.8=40%に設定する。 FIG. 8 graphically shows the relationship between the optical output (%) of the LED element and the on-duty (%) of switching. As shown in this graph, in the actual design, the relationship between the two companies is set so that an optical output with a rating of 100% can be obtained when switching is performed with, for example, 80% on-duty. To obtain 50% light output, set the on-duty to 50% x 0.8 = 40%.
また、図9にLED素子の光出力(%)と調光信号との関係をグラフで示す。このグラフのように、光出力(%)と調光信号とが直線関係になるように設定することも、両社が非直線関係になるように設定することも可能である。後者の場合、図9に示すように、50%の光出力を得る際の調光信号は約20%になる。上記の実施形態においてテーブル換算する際には、図9のような様々なデータテーブルが適用され得る。 Further, FIG. 9 graphically shows the relationship between the light output (%) of the LED element and the dimming signal. As shown in this graph, the optical output (%) and the dimming signal can be set to have a linear relationship, or the two companies can be set to have a non-linear relationship. In the latter case, as shown in FIG. 9, the dimming signal when obtaining a light output of 50% is about 20%. When converting to a table in the above embodiment, various data tables as shown in FIG. 9 can be applied.
以上の実施形態においては、CPU等のデジタル演算部が、外部からの調光信号に応じた調光が可能になるように、スイッチングのオンデューティを算出する場合を説明したが、
調光機能を備えていないスイッチング電源回路にも本発明を適用するメリットがある。例えば、スイッチング電源回路がマイコン等による定電流制御を受ける場合に、本発明を適用するとよい。
なお、スイッチング電源回路の形式によっては、オンデューティの調整によるPWM制御ではなく、オフデューティを調整するものもある。本発明は、これらのオンデューティ調整、オフデューティ調整の区別なく、PWM制御のデューティ調整に広く適用され得る。
In the above embodiment, the case where the digital arithmetic unit such as the CPU calculates the switching on-duty so that the dimming can be performed according to the dimming signal from the outside has been described.
There is a merit to apply the present invention to a switching power supply circuit that does not have a dimming function. For example, the present invention may be applied when the switching power supply circuit is controlled by a constant current by a microcomputer or the like.
Depending on the type of switching power supply circuit, the off-duty may be adjusted instead of the PWM control by adjusting the on-duty. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be widely applied to PWM control duty adjustment regardless of the distinction between on-duty adjustment and off-duty adjustment.
2 LED素子(照明光源)
4 スイッチング電源回路
5 スイッチング素子
8 PWM制御回路
10 照明用電源装置
14 デジタル演算部(CPU)
16 矩形波生成部
2 LED element (illumination light source)
4 Switching
16 Square wave generator
Claims (2)
前記スイッチング電源回路に設けられたスイッチング素子にパルス幅変調(PWM)信号を発振して該スイッチング素子をPWM制御するPWM制御回路と、
を備えて構成される照明用電源装置であって、
前記PWM制御回路は、外部からの調光信号に応じた前記PWM信号のデューティ指令値を決定するためのデジタル演算部と、前記デューティ指令値に応じた矩形波を生成するための矩形波生成部と、を有し、
前記デジタル演算部は、該デジタル演算部のビット数で定められるデューティの分解能に基づいて、前記デューティ指令値に応じて該分解能で生成し得るデューティ概算値を算出するように構成され、
前記矩形波生成部は、前記デューティ概算値に基づく矩形波を繰り返し生成するように構成され、
前記デジタル演算部は、さらに、前記デューティ指令値および前記デューティ概算値の差分を補償するために、前記デューティ概算値で生成される矩形波の列を複数の矩形波ごとにグループ分けし、各グループ内の複数の矩形波のうちの少なくとも1つの矩形波のデューティを該デューティの前記分解能の単位で増減させるように構成され、
前記デジタル演算部は、さらに、前記デューティの下限値を下げるために、前記分解能の単位からなる矩形波の列を複数の矩形波ごとにグループ分けし、各グループ内の複数の矩形波から少なくとも1つの矩形波を間引くように構成されている、
ことを特徴とする照明用電源装置。 A switching power supply circuit that supplies power to the illumination light source,
A PWM control circuit that oscillates a pulse width modulation (PWM) signal to a switching element provided in the switching power supply circuit to control the switching element by PWM.
A power supply for lighting that is configured with
The PWM control circuit includes a digital calculation unit for determining a duty command value of the PWM signal according to a dimming signal from the outside, and a square wave generation unit for generating a square wave corresponding to the duty command value. And have
The digital calculation unit is configured to calculate an approximate duty value that can be generated at the resolution according to the duty command value , based on the resolution of the duty determined by the number of bits of the digital calculation unit.
The square wave generation unit is configured to repeatedly generate a square wave based on the estimated duty value.
In order to compensate for the difference between the duty command value and the estimated duty value, the digital arithmetic unit further groups a sequence of rectangular waves generated by the estimated duty value into a plurality of square waves, and each group. The duty of at least one of the plurality of square waves in the square wave is configured to increase or decrease in units of the resolution of the duty .
In order to further lower the lower limit of the duty, the digital arithmetic unit further groups a sequence of square waves composed of the units of the resolution into a plurality of square waves, and at least one of the plurality of square waves in each group. It is configured to thin out two square waves,
A power supply for lighting that is characterized by that.
デジタル演算部および矩形波生成部を有して構成されるコンピュータに対し、
外部からの調光信号に応じた前記PWM信号のデューティ指令値を決定する指令値決定ステップと、
前記デジタル演算部のビット数で定められるデューティの分解能に基づき、前記デューティ指令値に応じて該分解能で生成し得るデューティ概算値を算出する概算値算出ステップと、
前記矩形波生成部に対して、前記デューティ概算値に基づく矩形波を繰り返し生成するように指令する矩形波生成ステップと、
前記矩形波生成ステップと同時に、前記デューティ指令値および前記デューティ概算値の差分を補償する差分補償ステップと、
を実行させ、
前記差分補償ステップでは、前記デューティ概算値で生成される矩形波の列を複数の矩形波ごとにグループ分けし、前記矩形波生成部に対して、各グループ内の複数の矩形波のうちの少なくとも1つの矩形波のデューティを該デューティの前記分解能の単位で増減させるように指令し、
前記差分補償ステップでは、さらに、前記デューティの下限値を下げるために、前記分解能の単位からなる矩形波の列を複数の矩形波ごとにグループ分けし、前記矩形波生成部に対して、各グループ内の複数の矩形波から少なくとも1つの矩形波を間引くように指令する、ことを特徴とするプログラム。 A program for generating a pulse width modulation (PWM) signal to a switching power supply circuit for lighting.
For a computer configured with a digital arithmetic unit and a square wave generator
A command value determination step for determining a duty command value of the PWM signal according to a dimming signal from the outside, and a command value determination step.
An approximate value calculation step for calculating a duty approximate value that can be generated at the resolution according to the duty command value based on the duty resolution determined by the number of bits of the digital calculation unit.
A square wave generation step instructing the square wave generation unit to repeatedly generate a square wave based on the estimated duty value, and a square wave generation step.
At the same time as the square wave generation step, a difference compensation step that compensates for the difference between the duty command value and the estimated duty value, and
To execute,
In the difference compensation step, a sequence of square waves generated by the estimated duty value is grouped into a plurality of square waves, and at least among the plurality of square waves in each group for the square wave generation unit. Command the duty of one square wave to be increased or decreased by the unit of the resolution of the duty .
In the difference compensation step, in order to further lower the lower limit of the duty, a row of rectangular waves composed of the units of the resolution is grouped into a plurality of square waves, and each group is referred to the square wave generation unit. A program characterized in that at least one square wave is instructed to be thinned out from a plurality of square waves in the program.
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