JP7068858B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device.
一般的に、DC/DCコンバータなどのスイッチング電源装置では、出力電流を検出するために電流検出手段を備えている。例えば、特許文献1には、電流検出手段としてシャント抵抗を設け、そのシャント抵抗の両端に表れる電位差に基づいて出力電流を検出する方法が記載されている。また、特許文献2には、電流検出手段としてカレントトランスを設け、そのカレントトランスで検出される電流変化から出力電流を検出する方法が記載されている。
Generally, a switching power supply device such as a DC / DC converter includes a current detecting means for detecting an output current. For example,
しかしながら、電流検出手段として、シャント抵抗を用いた場合には、そのシャント抵抗にて電力損失が発生してしまう。また、電流検出手段として、カレントトランスを用いた場合には、交流電流しか検出することができず、直流電流を検出することができない。 However, when a shunt resistor is used as the current detecting means, power loss occurs due to the shunt resistor. Further, when a current transformer is used as the current detecting means, only alternating current can be detected, and direct current cannot be detected.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、電力損失を発生させることなく、直流電流を検出するスイッチング電源装置を提供することである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a switching power supply device that detects a direct current without causing a power loss.
本発明の一態様は、一端が直流電源に接続されるインダクタと、前記直流電源からインダクタに流れる入力電流値をオンオフするスイッチング素子と、前記インダクタの他端とグランドとの間に接続される平滑コンデンサと、前記入力電流値を計測する第1の交流電流センサと、前記平滑コンデンサに流れるリップル電流値を計測する第2の交流電流センサと、前記入力電流値から、前記リップル電流値を差し引くことで、前記平滑コンデンサから出力される直流電流値を算出する演算部と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置である。 One aspect of the present invention is an inductor whose one end is connected to a DC power supply, a switching element that turns on and off the input current value flowing from the DC power supply to the inductor, and smoothing connected between the other end of the inductor and ground. Subtracting the ripple current value from the capacitor, the first AC current sensor for measuring the input current value, the second AC current sensor for measuring the ripple current value flowing through the smoothing capacitor, and the input current value. It is a switching power supply device including a calculation unit for calculating a DC current value output from the smoothing capacitor.
本発明の一態様は、上述のスイッチング電源装置であって、前記スイッチング素子は、互いに直列に接続された第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を備え、前記インダクタの一端は、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との間に接続され、第1の交流電流センサは、前記第1のスイッチング素子から前記インダクタの一端に流れる第1の交流電流値を計測する上側用交流電流センサと、前記第2のスイッチング素子から前記インダクタの一端に流れる第2の交流電流値を計測する下側用交流電流センサ11と、を備え、前記第1の交流電流値と前記第2の交流電流値とを加算することで前記入力電流値を算出する加算回路を更に備える。
One aspect of the present invention is the above-mentioned switching power supply device, wherein the switching element includes a first switching element and a second switching element connected in series with each other, and one end of the inductor is the first. The first alternating current sensor is connected between the switching element of the above and the second switching element, and the first alternating current sensor measures the first alternating current value flowing from the first switching element to one end of the inductor. A current sensor and a lower AC
本発明の一態様は、上述のスイッチング電源装置であって、前記第1の交流電流センサと前記第2の交流電流センサとは、それぞれロゴスキーコイルと前記ロゴスキーコイルからの出力信号を積分する積分回路とを備える。 One aspect of the present invention is the switching power supply device described above, wherein the first AC current sensor and the second AC current sensor integrate output signals from the Rogowski coil and the Rogowski coil, respectively. It is equipped with an integrator circuit.
本発明の一態様は、上述のスイッチング電源装置であって、前記ロゴスキーコイルは、多層基板の内層に形成されている。 One aspect of the present invention is the switching power supply device described above, wherein the Rogoski coil is formed in an inner layer of a multilayer substrate.
以上説明したように、本発明によれば、電力損失を発生させることなく、直流電流を検出することができる。 As described above, according to the present invention, the direct current can be detected without causing a power loss.
以下、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置を、図面を用いて説明する。 Hereinafter, the switching power supply device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置1の概略構成の一例を示す図である。スイッチング電源装置1は、例えば、降圧型のスイッチングレギュレータであり、直流電源2が出力する電圧Vinを降圧して、出力電圧Voを負荷部Rに供給する。負荷部Rは、スイッチング電源装置1が接続され、スイッチング電源装置1の出力電圧Voが供給される装置や回路などである。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of a switching
図1に示すように、スイッチング電源装置1は、直流電源2、スイッチング素子31(第1のスイッチング素子)、スイッチング素子32(第2のスイッチング素子)、インダクタ4、平滑コンデンサ5、第1の交流電流センサ6、第2の交流電流センサ7、制御部8、及び演算部9を備えている。
As shown in FIG. 1, the switching
直流電源2は、例えば、バッテリなどの直流電力を供給する供給源であり、電力供給線L1とGND(グランド)線L2との間に、電圧Vinの直流電力を供給する。
The
スイッチング素子31及びスイッチング素子32とは、例えば、nMOSFET(n型MOS電界効果トランジスタ)であり、電力供給線L1とGND線L2との間に、直列に接続されている。なお、本実施形態において、スイッチング素子31と、スイッチング素子32とは、同一の構成であり、スイッチング電源装置1が備える任意のスイッチング素子を示す場合、又は特に区別しない場合には、スイッチング素子3として説明する。
The
スイッチング素子31は、ソース端子がノードN1に、ドレイン端子が電力供給線L1に、ゲート端子が制御部8から出力される制御信号S1の信号線に、それぞれ接続されている。ここで、制御信号S1は、スイッチング素子31を制御するパルス信号である。
また、スイッチング素子32は、ソース端子がGND線L2に、ドレイン端子がノードN1に、ゲート端子が制御部8から出力される制御信号S2の信号線に、それぞれ接続されている。ここで、制御信号S2は、スイッチング素子32を制御するパルス信号である。
In the
Further, in the
インダクタ4は、例えば、降圧用のコイルであり、一端がスイッチング素子31とスイッチング素子32との間に接続されている。具体的には、インダクタ4の一端は、スイッチング素子31のソース端子とスイッチング素子32のドレイン端子との接続点N1に接続されている。また、インダクタ4の他端は、スイッチング電源装置1の出力線L3に接続されている。ここで、出力線L3には、インダクタ4の他端及び平滑コンデンサ5の他端が接続されている。
The
平滑コンデンサ5は、出力線L3とGND線L2との間に接続され、スイッチング電源装置1の出力電圧Voを平滑化する。平滑コンデンサ5は、一端がインダクタ4の他端に接続され、他端が出力線L3に接続されている。
The
第1の交流電流センサ6は、直流電源2からインダクタ4に流れる入力電流値Iinを計測する。この入力電流値Iinは、スイッチング素子3によりオンオフされるため交流電流の値である。
The first AC
具体的には、第1の交流電流センサ6は、上側用交流電流センサ10及び下側用交流電流センサ11を備える。
Specifically, the first AC
上側用交流電流センサ10は、スイッチング素子31からインダクタ4の一端に流れる第1の交流電流I1値を計測する。以下に、上側用交流電流センサ10の具体的な構成について説明する。
The upper AC current sensor 10 measures the first AC current I1 value flowing from the
上側用交流電流センサ10は、ロゴスキーコイル101及び積分回路102を備える。
The upper alternating current sensor 10 includes a Rogoski
ロゴスキーコイル101は、インダクタ4の一端に接続されたスイッチング素子31に流れる第1の交流電流I1を計測する。ロゴスキーコイル101は、例えば、スイッチング素子31のソース端子と接続点N1との間の接続線に配置され、当該接続線を流れる電流を検出する。このロゴスキーコイル101は、例えば、スイッチング素子31のソース端子と接続点N1との間の接続線が形成された多層基板の内層に形成されている。
The Rogoski
積分回路102は、リセット機能を有し、ロゴスキーコイル101から出力される出力信号を積分する。ここで、図2を参照して、積分回路102の具体的な構成について説明する。
The
図2は、本発明の一実施形態に係る積分回路102の一例を示す回路図である。
図2に示すように、積分回路102は、抵抗121、オペアンプ122、コンデンサ123、及びリセットスイッチ124を備えている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the
As shown in FIG. 2, the
抵抗121は、ロゴスキーコイル101の一端とオペアンプ122の反転入力端子との間に接続されている。また、コンデンサ123は、オペアンプ122の反転入力端子と、オペアンプ122の出力端子との間に接続されている。
The
オペアンプ122は、抵抗121及びコンデンサ123が接続されることにより、積分回路として機能する。オペアンプ122は、反転入力端子に抵抗121を介してロゴスキーコイル101の一端が接続され、非反転入力にロゴスキーコイル101の他端が接続されている。オペアンプ122は、ロゴスキーコイル101からの出力信号を入力信号(IN)とし、ロゴスキーコイル101の出力を積分した出力信号(OUT)を出力する。
The
リセットスイッチ124は、コンデンサ123と並列に、オペアンプ122の反転入力端子と、オペアンプ122の出力端子との間に接続されている。リセットスイッチ124は、積分回路102の出力電位をリセットするスイッチであり、制御部8が出力するリセット信号S3(パルス信号)により導通状態に制御される。なお、リセットスイッチ124は、積分回路102をリセットする際に、導通状態(オン状態)に制御される。
The
積分回路102は、制御部8が出力した制御信号S1により、スイッチング素子31がオン状態に制御されると、第1の交流電流値I1の電流波形を示す第1の出力信号を演算部9に出力する。
When the switching
下側用交流電流センサ11は、スイッチング素子32からインダクタ4の一端に流れる第2の交流電流値I2を計測する。以下に、下側用交流電流センサ11の具体的な構成について説明する。
The lower AC
下側用交流電流センサ11は、ロゴスキーコイル111及び積分回路112を備える。
The lower alternating
ロゴスキーコイル111は、インダクタ4の一端に接続されたスイッチング素子32に流れる第2の交流電流値I2を検出する。ロゴスキーコイル111は、例えば、スイッチング素子32のドレイン端子と接続点Nとの間の接続線に配置され、当該接続線を流れる電流を検出する。このロゴスキーコイル111は、例えば、スイッチング素子32のドレイン端子と接続点Nとの間の接続線が形成された多層基板の内層に形成されている。
The
積分回路112は、リセット機能を有し、ロゴスキーコイル111から出力される出力信号を積分する。なお、積分回路112の構成は、積分回路102の構成と同一であるため、説明を省略する。
The
積分回路112は、制御部8が出力した制御信号S2により、スイッチング素子32がオン状態に制御されると、第2の交流電流値I2の電流波形を示す第2の出力信号を演算部9に出力する。
When the switching
第2の交流電流センサ7は、平滑コンデンサ5に流れるリップル電流値Irを計測する。以下に、第2の交流電流センサ7の具体的な構成について説明する。
The second AC current sensor 7 measures the ripple current value Ir flowing through the smoothing
第2の交流電流センサ7は、ロゴスキーコイル71及び積分回路72を備える。
The second alternating current sensor 7 includes a
ロゴスキーコイル71は、平滑コンデンサ5に流れるリップル電流値Irを検出する。ロゴスキーコイル71は、例えば、平滑コンデンサ5の一端とインダクタの他端との接続点N2とグラウンドとの間の接続線に配置され、当該接続線を流れる電流を検出する。このロゴスキーコイル71は、例えば、接続点N2とグラウンドとの間の接続線が形成された多層基板の内層に形成されている。
The
積分回路72は、図2に示すようなリセット機能を有してもよいし、当該リセット機能を有していなくてもよい。積分回路72は、ロゴスキーコイル71から出力される出力信号を積分することで、リップル電流値Irの電流波形を得る。そして、積分回路72は、このリップル電流値Irの電流波形を第3の出力信号として演算部9に出力する。
The
制御部8は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などを含むプロセッサであり、演算部9が演算した出力電流値Ioに基づいて、各種制御を行う。また、制御部8は、スイッチング素子31及びスイッチング素子32のスイッチングを制御するとともに、積分回路102,112のリセット機能を制御する。制御部8は、例えば、制御信号S1によるパルス信号で、スイッチング素子31の導通状態を制御し、制御信号S2によるパルス信号で、スイッチング素子32の導通状態を制御する。また、制御部8は、積分回路102,112にリセット信号を出力することで、積分回路102,112をリセット(初期化)する。
The
演算部9は、入力電流値Iinから、リップル電流値Irを差し引くことで、スイッチング電源装置1から出力される直流電流である出力電流値Ioを算出する。以下に、本発明の一実施形態に係る演算部9の具体的な構成について、説明する。
The
演算部9は、加算回路91、減算回路92、増幅回路93、A/D変換演算処理部94を備える。
The
加算回路91は、第1の交流電流値I1と第2の交流電流値I2とを加算することで入力電流値Iinを算出する。具体的には、図3に示すように、加算回路91は、積分回路102から第1の交流電流値I1の電流波形W1を取得する。また、加算回路91は、積分回路112から第2の交流電流値I2の電流波形W2を取得する。そして、入力電流値Iinは、第1の交流電流値I1と第2の交流電流値I2とから成るため、加算回路91は、電流波形W1と電流波形W2とを加算することで、入力電流値Iinの電流波形W3を算出する。入力電流値Iinの電流波形W3を取得することは、入力電流値Iinの値を取得することである。
The
減算回路92は、加算回路91が算出した入力電流値Iinから、リップル電流値Irを差し引くことで、スイッチング電源装置1から出力される直流電流である出力電流値Ioを算出する。具体的には、図4に示すように、減算回路92は、積分回路72からリップル電流値Irの電流波形W4を取得する。また、減算回路92は、加算回路91から入力電流値Iinの電流波形W3を取得する。そして、入力電流値Iinは、出力電流値Ioとリップル電流値Irとから成るため、減算回路92は、電流波形W3から電流波形W4を減算することで、出力電流値Ioの電流波形W5を算出する。出力電流値Ioの電流波形W5を取得することは、出力電流値Ioの値を取得することである。
The
増幅回路93は、減算回路92で算出された出力電流値Ioの電流波形W5の信号を所定の増幅率で増幅してA/D変換演算処理部94に出力する。
The
A/D変換演算処理部94は、増幅回路93からの出力信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を制御部8に出力することで、出力電流値Ioのデジタル値を制御部8に与える。
The A / D conversion
次に、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置1の動作の流れについて、説明する。図5は、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置1の動作の流れを示す図である。
Next, the operation flow of the switching
上側用交流電流センサ10は、スイッチング素子31からインダクタ4の一端に流れる第1の交流電流値I1を計測して、計測結果を演算部9に出力する(ステップS101)。下側用交流電流センサ11は、スイッチング素子32からインダクタ4の一端に流れる第2の交流電流値I2を計測して、計測結果を演算部9に出力する(ステップS102)。
The upper AC current sensor 10 measures the first AC current value I1 flowing from the switching
第2の交流電流センサ7は、平滑コンデンサ5に流れるリップル電流値Irを計測して、計測結果を演算部9に出力する(ステップS103)。
The second AC current sensor 7 measures the ripple current value Ir flowing through the smoothing
演算部9は、上側用交流電流センサ10で計測された第1の交流電流値I1と、第2の交流電流センサ7で計測された第2の交流電流値I2とを加算することで入力電流値Iinを算出する(ステップS104)。次に、演算部9は、算出した入力電流値Iinに対して、第2の交流電流センサ7で計測されたリップル電流値Irを差し引くことで、スイッチング電源装置1から出力される出力電流Ioを算出する(ステップ105)。そして、演算部9は、算出した出力電流値Ioをデジタル信号に変換して、制御部8に出力する(ステップS106)。
The
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs and the like within a range that does not deviate from the gist of the present invention.
上記実施形態では、スイッチング電源装置1が降圧型のスイッチングレギュレータである場合の一例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、昇圧型のスイッチングレギュレータ、DC/DCコンバータであってもよい。
In the above embodiment, an example of the case where the switching
また、上述の演算部9は、内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した演算部9の処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
Further, the above-mentioned
以上、説明したように、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置1は、入力電流値Iinを計測する第1の交流電流センサ6と、平滑コンデンサ5に流れるリップル電流値Irを計測する第2の交流電流センサ7と、第1の交流電流センサ6で計測された入力電流値Iinから、第2の交流電流センサ7で計測されたリップル電流値Irを差し引くことで、スイッチング電源装置1から出力される直流電流値(出力電流値Io)を算出する演算部9と、を備える。
As described above, the switching
このような構成によれば、シャント抵抗を用いることなく、直流電流を検出することができる。すなわち、スイッチング電源装置1は、電力損失を発生させることなく、出力電流値Ioを検出することができる。
According to such a configuration, the direct current can be detected without using the shunt resistor. That is, the switching
また、演算部9は、ロゴスキーコイルを用いて、インダクタ4の一端に接続されたスイッチング素子31に流れる第1の交流電流値I1とスイッチング素子32からインダクタ4の一端に流れる第2の交流電流値I2とを計測して、その計測した第1の交流電流値I1と第2の交流電流値I2とを加算することで入力電流値Iinを算出する。
Further, the
このような構成によれば、シャント抵抗を用いずに入力電流値Iinを検出することができる。すなわち、スイッチング電源装置1は、電力損失を発生させることなく、入力電流値Iinを検出することができる。
According to such a configuration, the input current value Iin can be detected without using the shunt resistance. That is, the switching
1 スイッチング電源装置
2 直流電源
3 スイッチング素子
4 インダクタ
5 平滑コンデンサ
6 第1の交流電流センサ
7 第2の交流電流センサ
8 制御部
9 演算部
10 上側用交流電流センサ
11 下側用交流電流センサ
91 加算回路
92 減算回路
93 増幅回路
94 A/D変換演算処理部
71,101,111 ロゴスキーコイル
72,102,112 積分回路
1 Switching
Claims (3)
前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との間に一端が接続されたインダクタと、
前記インダクタの他端とグランドとの間に接続される平滑コンデンサと、
前記第1のスイッチング素子から前記インダクタの一端に流れる第1の交流電流値を計測する上側用交流電流センサと、前記第2のスイッチング素子から前記インダクタの一端に流れる第2の交流電流値を計測する下側用交流電流センサとを有する第1の交流電流センサと、
前記平滑コンデンサに流れるリップル電流値を計測する第2の交流電流センサと、
前記第1の交流電流値と前記第2の交流電流値とを加算することで前記直流電源から前記インダクタに流れる入力電流値を算出する加算回路と、
前記入力電流値から、前記リップル電流値を差し引くことで、前記平滑コンデンサから出力される直流電流値を算出する演算部と、
を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。 A switching element having a first switching element and a second switching element connected in series with each other and connected to a DC power supply ,
An inductor in which one end is connected between the first switching element and the second switching element,
A smoothing capacitor connected between the other end of the inductor and ground,
An upper AC current sensor that measures the first AC current value that flows from the first switching element to one end of the inductor, and a second AC current value that measures the second AC current value that flows from the second switching element to one end of the inductor. A first alternating current sensor with a lower alternating current sensor and
A second AC current sensor that measures the ripple current value flowing through the smoothing capacitor, and
An adder circuit that calculates the input current value flowing from the DC power supply to the inductor by adding the first AC current value and the second AC current value.
A calculation unit that calculates the DC current value output from the smoothing capacitor by subtracting the ripple current value from the input current value.
A switching power supply characterized by being equipped with.
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