JP7545370B2 - Power Supplies - Google Patents

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Description

本発明は、容量性負荷を駆動する電源装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply device that drives a capacitive load.

近年、誘電エラストマアクチュエータは、自由な形態を持たせたアクチュエータとしてハプティクス等の様々な分野での開発が行われている。誘電エラストマアクチュエータは、製作コストが安く、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する効率が良いアクチュエータである。 In recent years, dielectric elastomer actuators have been developed as free-form actuators in various fields such as haptics. Dielectric elastomer actuators are inexpensive to manufacture and are highly efficient at converting electrical energy into mechanical energy.

誘電エラストマアクチュエータは、コンデンサ構造の容量性負荷であり、印加電圧に応じた変位が発生するものである。従って、発生させたい変位に応じた電圧を印加する必要がある。すなわち、容量性負荷の駆動には、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる電源装置が必要となる。 A dielectric elastomer actuator is a capacitive load with a capacitor structure, which generates a displacement according to the applied voltage. Therefore, it is necessary to apply a voltage according to the displacement to be generated. In other words, driving a capacitive load requires a power supply device that can arbitrarily control the voltage and pass positive and negative currents.

特開2004-46595号公報JP 2004-46595 A

図4に示す電源装置10は、DCDCコンバータ11とDCACインバータ12とを備え、出力段がブリッジタイプの電源装置である。このように出力段がブリッジタイプの電源装置10は、正負両方の電流を供給できるので、容量性負荷CLを理想的に駆動できる。しかしながら、DCDCコンバータ11とDCACインバータ12をそれぞれ制御するため、制御ICなど必要な部品が多く、制御も複雑となる。さらに、高価なスイッチング素子やゲートドライバが必要となり、コストが高くなる。 The power supply device 10 shown in FIG. 4 is a power supply device with a bridge type output stage that includes a DCDC converter 11 and a DCAC inverter 12. As described above, the power supply device 10 with a bridge type output stage can supply both positive and negative currents, and therefore can ideally drive the capacitive load CL. However, since the DCDC converter 11 and the DCAC inverter 12 are controlled separately, many components such as a control IC are required, and the control is complicated. Furthermore, expensive switching elements and gate drivers are required, which increases costs.

なお、特許文献1には、ボルテージフォロワとして動作する放電型低速アンプ及び充電型高速アンプ、入力端子同士及び出力端子同士がそれぞれ接続された電源装置が提案されている。この電源装置は、負荷変動に応じて放電型低速アンプと充電型高速アンプとのいずれかを動作させて充放電を行っている。従って、正負の電流を流すことのできる電源装置ではあるが、電圧を任意に制御するものではない。 Patent Document 1 proposes a power supply device in which a discharge-type low-speed amplifier and a charge-type high-speed amplifier that operate as voltage followers have their input terminals connected to each other and their output terminals connected to each other. This power supply device operates either the discharge-type low-speed amplifier or the charge-type high-speed amplifier in response to load fluctuations to charge and discharge. Therefore, although this power supply device can pass positive and negative currents, it does not arbitrarily control the voltage.

本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる安価な電源装置を提供する点にある。 The present invention was made in consideration of these problems, and its purpose is to provide an inexpensive power supply device that can arbitrarily control the voltage and can supply positive and negative currents.

本発明に係る電源装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明に係る電源装置は、出力電圧指令値に応じた出力電圧で容量性負荷を駆動する電源装置であって、前記出力電圧の検出値である検出電圧を出力する電圧検出回路と、前記出力電圧の上昇時に電圧源として機能し、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が第1基準電圧と等しくなるように前記出力電圧を負帰還制御して前記容量性負荷に電荷を供給する電荷供給部と、前記出力電圧の下降時に電流源として機能し、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が前記第1基準電圧よりも高い第2基準電圧と等しくなるように前記容量性負荷から電荷を引き抜く引抜電流を負帰還制御する電荷引抜部と、を具備することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the power supply device according to the present invention is configured as follows.
The power supply device of the present invention is a power supply device that drives a capacitive load with an output voltage corresponding to an output voltage command value, and is characterized in comprising: a voltage detection circuit that outputs a detection voltage that is a detection value of the output voltage; a charge supply unit that functions as a voltage source when the output voltage rises and supplies charge to the capacitive load by negative feedback controlling the output voltage so that the detection voltage to which the output voltage command value has been added becomes equal to a first reference voltage; and a charge extraction unit that functions as a current source when the output voltage falls and negative feedback controls an extraction current that extracts charge from the capacitive load so that the detection voltage to which the output voltage command value has been added becomes equal to a second reference voltage that is higher than the first reference voltage.

本発明の電源装置は、容量性負荷に印加する出力電圧が正または負の片電圧で、正電圧出力電源の場合、出力電流の吐出しかできない安価な1象限でのみ動作するDCDCコンバータを電荷供給部として採用することができる。従って、容量性負荷の駆動に必要な、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる電源装置を安価に提供できるいう効果を奏する。 The power supply device of the present invention applies a single voltage, positive or negative, to the capacitive load. In the case of a positive voltage output power supply, an inexpensive DC-DC converter that operates only in one quadrant and can only discharge an output current can be used as the charge supply unit. This has the effect of providing an inexpensive power supply device that can arbitrarily control the voltage required to drive a capacitive load and can pass positive and negative currents.

本発明に係る電源装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a power supply device according to the present invention; 図1に示す電荷供給部のみで容量性負荷を駆動した場合の各部の波形図である。2 is a waveform diagram of each part when a capacitive load is driven only by the charge supply part shown in FIG. 1 . 図1に示す電源装置で容量性負荷を駆動した場合の各部の波形図である。2 is a waveform diagram of each part when a capacitive load is driven by the power supply device shown in FIG. 1. 従来の電源装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a conventional power supply device.

以下に、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

本実施の形態の電源装置1は、図1を参照すると、電荷供給部2と、容量性負荷CLから電荷を引き抜く電流源として機能する電荷引抜部3とを備え、容量性負荷CLに印加する電圧は正または負の片電圧で、かつ任意電圧(直流、正弦波、矩形波など)を印加する。 Referring to FIG. 1, the power supply device 1 of this embodiment includes a charge supply unit 2 and a charge extraction unit 3 that functions as a current source that extracts charge from the capacitive load CL, and the voltage applied to the capacitive load CL is a positive or negative single voltage, and any voltage (DC, sine wave, square wave, etc.) is applied.

電荷供給部2は、容量性負荷CLに電荷を供給する電圧源として機能し、直流電源Eからの入力電圧Vinを出力電圧Voutに変換して容量性負荷CLに供給するDC-DCコンバータである。なお、図1に示す電荷供給部2は、フライバック式のスイッチング電源で構成した例が示されているが、フォワード方式等の他の方式であっても良い。 The charge supply unit 2 is a DC-DC converter that functions as a voltage source that supplies charge to the capacitive load CL, converting the input voltage Vin from the DC power source E into an output voltage Vout and supplying it to the capacitive load CL. Note that while the charge supply unit 2 shown in FIG. 1 is an example configured as a flyback type switching power supply, it may be configured in other ways, such as a forward type.

電荷供給部2は、トランス21と、スイッチング素子22と、出力整流平滑回路23と、電圧検出回路24と、制御回路25と、ドライバ26とを備えている。 The charge supply unit 2 includes a transformer 21, a switching element 22, an output rectifier smoothing circuit 23, a voltage detection circuit 24, a control circuit 25, and a driver 26.

トランス21は、1次巻線と、2次巻線とを備え、1次巻線の極性と、2次巻線の極性とは、逆に設定されている。トランス21の1次巻線は、直流電源Eの正極端子とスイッチング素子22との間に接続されている。これにより、直流電源Eが入力電圧Vinとしてトランス21の1次巻線に印加される。 The transformer 21 has a primary winding and a secondary winding, and the polarity of the primary winding and the polarity of the secondary winding are set to be opposite. The primary winding of the transformer 21 is connected between the positive terminal of the DC power source E and the switching element 22. As a result, the DC power source E is applied to the primary winding of the transformer 21 as the input voltage Vin.

スイッチング素子22は、例えば、N型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成される。スイッチング素子22のドレインは、トランス21の1次巻線に接続されていると共に、スイッチング素子22のソースは、接地端子に接続されている。これにより、入力電圧Vinは、トランス21の1次巻線を介して接続されたスイッチング素子22のオンオフ動作により、オフ期間にトランス21の2次巻線に出力される。 The switching element 22 is, for example, an N-type MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). The drain of the switching element 22 is connected to the primary winding of the transformer 21, and the source of the switching element 22 is connected to the ground terminal. As a result, the input voltage Vin is output to the secondary winding of the transformer 21 during the off period by the on/off operation of the switching element 22 connected via the primary winding of the transformer 21.

出力整流平滑回路23は、整流ダイオードD1と、出力コンデンサC1とを備え、トランス21の2次巻線の両端子間に、整流ダイオードD1を介して出力コンデンサC1が接続されている。これにより、トランス21の2次巻線に誘起される交流電圧は、出力整流平滑回路23により整流平滑され、直流の出力電圧Voutとして容量性負荷CLに供給される。 The output rectifier smoothing circuit 23 includes a rectifier diode D1 and an output capacitor C1, and the output capacitor C1 is connected between both terminals of the secondary winding of the transformer 21 via the rectifier diode D1. As a result, the AC voltage induced in the secondary winding of the transformer 21 is rectified and smoothed by the output rectifier smoothing circuit 23 and supplied to the capacitive load CL as a DC output voltage Vout.

電圧検出回路24は、出力コンデンサC1の両端子間に直列に接続された抵抗R1と抵抗R2とを備え、抵抗R1と抵抗R2との接続点の検出電圧Vdetを出力電圧Voutの電圧検出信号として制御回路25に出力する。 The voltage detection circuit 24 includes resistors R1 and R2 connected in series between both terminals of the output capacitor C1, and outputs the detection voltage Vdet at the connection point between resistors R1 and R2 to the control circuit 25 as a voltage detection signal of the output voltage Vout.

検出電圧Vdetには、抵抗R3を介して出力電圧指令値Vcontが加算されて制御回路25に入力されるように構成されている。すなわち、制御回路25は、検出電圧Vdetに出力電圧指令値Vcontを加算して負帰還制御をすることで、出力電圧指令値Vcontに応じた任意の出力電圧Voutを発生させる。 The detection voltage Vdet is configured to have the output voltage command value Vcont added to it via resistor R3 and input to the control circuit 25. That is, the control circuit 25 adds the output voltage command value Vcont to the detection voltage Vdet and performs negative feedback control to generate an arbitrary output voltage Vout according to the output voltage command value Vcont.

制御回路25は、エラーアンプ27と、コンパレータ28と、三角波発振器29とを備えている。エラーアンプ27の反転入力端子(-)には、出力電圧指令値Vcontが加算された検出電圧Vdetが、エラーアンプ27の非反転入力端子(+)には、第1基準電圧Vref1がそれぞれ入力される。エラーアンプ27は、検出電圧Vdetと第1基準電圧Vref1との誤差電圧を増幅した誤差信号を、コンパレータ28の非反転入力端子(+)に出力する。 The control circuit 25 includes an error amplifier 27, a comparator 28, and a triangular wave oscillator 29. The inverting input terminal (-) of the error amplifier 27 receives the detection voltage Vdet to which the output voltage command value Vcont has been added, and the non-inverting input terminal (+) of the error amplifier 27 receives the first reference voltage Vref1. The error amplifier 27 outputs an error signal obtained by amplifying the error voltage between the detection voltage Vdet and the first reference voltage Vref1 to the non-inverting input terminal (+) of the comparator 28.

コンパレータ28の反転入力端子(-)には、三角波発振器29からの三角波信号が入力される。そして、コンパレータ28は、エラーアンプ27からの誤差信号と、三角波発振器29からの三角波信号との比較結果を出力する。コンパレータ28の出力がスイッチング素子22をオンオフ制御する制御信号となり、ドライバ26を介してスイッチング素子22のゲートに入力される。 A triangular wave signal from a triangular wave oscillator 29 is input to the inverting input terminal (-) of the comparator 28. The comparator 28 then outputs the result of comparing the error signal from the error amplifier 27 with the triangular wave signal from the triangular wave oscillator 29. The output of the comparator 28 becomes a control signal that controls the on/off of the switching element 22, and is input to the gate of the switching element 22 via the driver 26.

電荷供給部2は、出力段がダイオード構成になっているため、正電圧出力電源の場合、出力電流は吐出しかできない。従って、電荷供給部2のみで容量性負荷CLを駆動する場合、電圧上昇時は問題なく駆動できるが、電圧下降時は容量性負荷CLにたまった電荷を引き抜くことができずに、自然放電に頼るしかない。 The charge supply unit 2 has a diode-configured output stage, so in the case of a positive voltage output power supply, it can only discharge output current. Therefore, when driving the capacitive load CL using only the charge supply unit 2, it can drive without problems when the voltage rises, but when the voltage drops, it cannot extract the charge accumulated in the capacitive load CL and must rely on natural discharge.

図2は、電荷供給部2のみで容量性負荷CLを駆動した場合の各部の波形図であり、(a)は出力電圧指令値Vcont、(b)は出力電圧Vout、(c)は検出電圧Vdetを示している。電荷供給部2のみで容量性負荷CLを駆動した場合、大きな容量の容量性負荷CLの駆動や、高い周波数での駆動時に、電荷供給部2は、容量性負荷CLにチャージされた電荷を引き抜けない。従って、図2(a)、(b)に示すように、出力電圧指令値Vcontの下降時に出力電圧Voutを追随して下降させることができず、出力電圧指令値Vcontと相似な出力電圧Voutを得ることができない。対策として、容量性負荷CLに並列に負荷抵抗を入れることで電圧を下降させることもできるが、無駄な電力の消費が発生してしまう。 Figure 2 is a waveform diagram of each part when the capacitive load CL is driven only by the charge supply unit 2, where (a) shows the output voltage command value Vcont, (b) shows the output voltage Vout, and (c) shows the detection voltage Vdet. When the capacitive load CL is driven only by the charge supply unit 2, the charge supply unit 2 cannot extract the charge charged in the capacitive load CL when driving a capacitive load CL with a large capacity or when driving at a high frequency. Therefore, as shown in Figures 2(a) and (b), when the output voltage command value Vcont drops, the output voltage Vout cannot be lowered accordingly, and an output voltage Vout similar to the output voltage command value Vcont cannot be obtained. As a countermeasure, the voltage can be lowered by inserting a load resistor in parallel with the capacitive load CL, but this results in unnecessary power consumption.

このように、出力電圧指令値Vcont(出力電圧Vout)の下降時は、負帰還制御がはずれてしまうので、図2(c)に示すように、検出電圧Vdetが第1基準電圧Vref1の値に制御されずに上昇する。そこで、本実施の形態の電源装置1は、検出電圧Vdetが第1基準電圧Vref1よりも上昇した場合に動作し、容量性負荷CLから電荷を引き抜く電流源として機能する電荷引抜部3を備える。 In this way, when the output voltage command value Vcont (output voltage Vout) drops, the negative feedback control is lost, and the detection voltage Vdet rises without being controlled to the value of the first reference voltage Vref1, as shown in FIG. 2(c). Therefore, the power supply device 1 of this embodiment is equipped with a charge extraction unit 3 that operates when the detection voltage Vdet rises above the first reference voltage Vref1 and functions as a current source that extracts charge from the capacitive load CL.

電荷引抜部3は、可変インピーダンス素子31と、抵抗R4と、エラーアンプ32と、オペアンプ33とを備えている。可変インピーダンス素子31と抵抗R4とからなる直列回路が、容量性負荷CLと並列に接続されている。本実施の形態では、可変インピーダンス素子31をN型MOSFETで構成したが、可変インピーダンス素子31は、NPN型バイポーラトランジスタ等であっても良い。 The charge extraction unit 3 includes a variable impedance element 31, a resistor R4, an error amplifier 32, and an operational amplifier 33. A series circuit consisting of the variable impedance element 31 and resistor R4 is connected in parallel with the capacitive load CL. In this embodiment, the variable impedance element 31 is configured as an N-type MOSFET, but the variable impedance element 31 may be an NPN-type bipolar transistor, etc.

エラーアンプ32の非反転入力端子(+)には、出力電圧指令値Vcontが加算された検出電圧Vdetが、エラーアンプ32の反転入力端子(-)には、第2基準電圧Vref2がそれぞれ入力される。第2基準電圧Vref2は、電荷供給部2において、検出電圧Vdetとの誤差電圧の基準となる第1基準電圧Vref1よりも高い値に設定されている。エラーアンプ32は、検出電圧Vdetと第2基準電圧Vref2との誤差電圧を増幅した誤差信号を、オペアンプ33の非反転入力端子(+)に出力する。 The detection voltage Vdet to which the output voltage command value Vcont has been added is input to the non-inverting input terminal (+) of the error amplifier 32, and the second reference voltage Vref2 is input to the inverting input terminal (-) of the error amplifier 32. The second reference voltage Vref2 is set to a value higher than the first reference voltage Vref1, which is the reference for the error voltage with respect to the detection voltage Vdet, in the charge supply unit 2. The error amplifier 32 outputs an error signal obtained by amplifying the error voltage between the detection voltage Vdet and the second reference voltage Vref2 to the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 33.

オペアンプ33の反転入力端子(-)は、可変インピーダンス素子31と抵抗R4との接続点に接続され、可変インピーダンス素子31に流れる引抜電流I_dscgを抵抗R4によって電圧に変換した電流検出信号が入力される。そして、オペアンプ33は、エラーアンプ32からの誤差信号と、電流検出信号との比較結果を出力する。オペアンプ33の出力が可変インピーダンス素子31を電流制御する制御信号となり、可変インピーダンス素子31のゲートに入力される。 The inverting input terminal (-) of the operational amplifier 33 is connected to the connection point between the variable impedance element 31 and resistor R4, and receives a current detection signal obtained by converting the pull-out current I_dscg flowing through the variable impedance element 31 into a voltage by resistor R4. The operational amplifier 33 then outputs the result of comparing the error signal from the error amplifier 32 with the current detection signal. The output of the operational amplifier 33 becomes a control signal that controls the current of the variable impedance element 31, and is input to the gate of the variable impedance element 31.

図3は、電荷供給部2と電荷引抜部3を備えた電源装置1で容量性負荷CLを駆動した場合の各部の波形図であり、(a)は出力電圧指令値Vcont、(b)は出力電圧Vout、(c)は引抜電流I_dscg、(d)は検出電圧Vdetを示している。電荷供給部2と電荷引抜部3を備えた電源装置1で容量性負荷CLを駆動した場合、大きな容量の容量性負荷CLの駆動や、高い周波数での駆動時に、容量性負荷CLにチャージされた電荷を電荷引抜部3によって引き抜くことができる。従って、図3(a)、(b)に示すように、出力電圧指令値Vcontの下降時に出力電圧Voutを追随して下降させることができる。 Figure 3 is a waveform diagram of each part when a capacitive load CL is driven by a power supply device 1 equipped with a charge supply unit 2 and a charge extraction unit 3, where (a) shows the output voltage command value Vcont, (b) shows the output voltage Vout, (c) shows the extraction current I_dscg, and (d) shows the detection voltage Vdet. When a capacitive load CL is driven by a power supply device 1 equipped with a charge supply unit 2 and a charge extraction unit 3, the charge stored in the capacitive load CL can be extracted by the charge extraction unit 3 when driving a capacitive load CL with a large capacity or when driving at a high frequency. Therefore, as shown in Figures 3(a) and (b), when the output voltage command value Vcont drops, the output voltage Vout can be lowered accordingly.

以上の構成により、電荷供給部2は、出力電圧指令値Vcontが加算された検出電圧Vdetを第1基準電圧Vref1で監視し、電圧上昇時(期間X、出力電圧Voutが出力電圧指令値Vcontより下の時)に第1基準電圧Vref1を使って電圧源として動作して、容量性負荷CLに電荷を供給する。すなわち、電圧上昇時において、電荷供給部2は、図3(d)に示すように、検出電圧Vdetが第1基準電圧Vref1と等しくなるように出力電圧Voutを負帰還制御して、容量性負荷CLの電荷を供給する。この時、検出電圧Vdetは、第2基準電圧Vref2を下回っているため、図3(c)に示すように、電荷引抜部3が動作することはない。 With the above configuration, the charge supply unit 2 monitors the detection voltage Vdet to which the output voltage command value Vcont is added using the first reference voltage Vref1, and when the voltage rises (period X, when the output voltage Vout is lower than the output voltage command value Vcont), it operates as a voltage source using the first reference voltage Vref1 to supply charge to the capacitive load CL. That is, when the voltage rises, the charge supply unit 2 negatively feedback controls the output voltage Vout so that the detection voltage Vdet is equal to the first reference voltage Vref1, as shown in FIG. 3(d), to supply charge to the capacitive load CL. At this time, since the detection voltage Vdet is lower than the second reference voltage Vref2, the charge extraction unit 3 does not operate, as shown in FIG. 3(c).

電荷引抜部3は、出力電圧指令値Vcontが加算された検出電圧Vdetを第1基準電圧Vref1よりも高い第2基準電圧Vref2で監視し、電圧下降時(期間Y、出力電圧Voutが出力電圧指令値Vcontより上の時)に第2基準電圧Vref2を使って電流源として動作して、容量性負荷CLから電荷を引き抜く。すなわち、電圧下降時において、電荷引抜部3は、図3(c)、(d)に示すように、検出電圧Vdetが第2基準電圧Vref2と等しくなるように引抜電流I_dscgを負帰還制御して、容量性負荷CLから電荷を引き抜く。この時、検出電圧Vdetは、第1基準電圧Vref1を上回っているため、電荷供給部2が動作することはない。 The charge extraction unit 3 monitors the detection voltage Vdet to which the output voltage command value Vcont has been added using a second reference voltage Vref2 higher than the first reference voltage Vref1, and when the voltage drops (period Y, when the output voltage Vout is higher than the output voltage command value Vcont), it operates as a current source using the second reference voltage Vref2 to extract charge from the capacitive load CL. That is, when the voltage drops, the charge extraction unit 3 performs negative feedback control of the extraction current I_dscg so that the detection voltage Vdet becomes equal to the second reference voltage Vref2, as shown in Figures 3(c) and (d), to extract charge from the capacitive load CL. At this time, the detection voltage Vdet is higher than the first reference voltage Vref1, so the charge supply unit 2 does not operate.

この結果、電圧上昇時には、電荷供給部2が第1基準電圧Vref1で負帰還制御され、電圧下降時には、電荷引抜部3が第2基準電圧Vref2で負帰還制御されることになり、電荷供給部2の動作と電荷引抜部3の動作とが自動的に切り替わる。なお、電荷引抜部3の第2基準電圧Vref2は、電荷供給部2の第1基準電圧Vref1よりも大きいため、電荷供給部2と電荷引抜部3との動作切り替え時にはヒステリシスをもって電荷供給部2と電荷引抜部3が同時に動作しないため、ノイズ誤動作の影響を受けにくい。 As a result, when the voltage rises, the charge supply unit 2 is negatively feedback controlled by the first reference voltage Vref1, and when the voltage falls, the charge extraction unit 3 is negatively feedback controlled by the second reference voltage Vref2, and the operation of the charge supply unit 2 and the operation of the charge extraction unit 3 are automatically switched. Note that since the second reference voltage Vref2 of the charge extraction unit 3 is greater than the first reference voltage Vref1 of the charge supply unit 2, when switching between the operation of the charge supply unit 2 and the charge extraction unit 3, there is hysteresis and the charge supply unit 2 and the charge extraction unit 3 do not operate simultaneously, making it less susceptible to noise malfunctions.

なお、第2基準電圧Vref2と第1基準電圧Vref1と差が小さいほど電荷供給部2の動作と電荷引抜部3の動作とをスムーズに切り替えることができる。しかし、第2基準電圧Vref2と第1基準電圧Vref1と差が小さいほど、ノイズ等によって誤動作の虞が高くなる。従って、これらことを踏まえ、第2基準電圧Vref2及び第1基準電圧Vref1の値は、適宜設定される。 The smaller the difference between the second reference voltage Vref2 and the first reference voltage Vref1, the smoother the switching between the operation of the charge supply unit 2 and the operation of the charge extraction unit 3. However, the smaller the difference between the second reference voltage Vref2 and the first reference voltage Vref1, the higher the risk of malfunction due to noise, etc. Therefore, taking these factors into consideration, the values of the second reference voltage Vref2 and the first reference voltage Vref1 are set appropriately.

以上説明したように、本実施の形態は、出力電圧指令値Vcontに応じた出力電圧Voutで容量性負荷CLを駆動する電源装置1であって、出力電圧Voutの検出値である検出電圧Vdetを出力する電圧検出回路24と、出力電圧指令値Vcontの上昇時に電圧源として機能し、出力電圧指令値Vcontが加算された検出電圧Vdetが第1基準電圧Vref1と等しくなるように出力電圧Voutを負帰還制御して容量性負荷CLに電荷を供給する電荷供給部2と、出力電圧指令値Vcontの下降時に電流源として機能し、出力電圧指令値Vcontが加算された検出電圧Vdetが第1基準電圧Vref1よりも高い第2基準電圧Vref2と等しくなるように容量性負荷CLから電荷を引き抜く引抜電流I_dscgを負帰還制御する電荷引抜部3とを備える。
この構成により、容量性負荷CLに印加する出力電圧Voutが正または負の片電圧で、正電圧出力電源の場合、出力電流の吐出しかできない安価な1象限でのみ動作するDCDCコンバータを電荷供給部2として採用することができる。従って、容量性負荷CLの駆動に必要な、電圧を任意に制御でき、且つ正負の電流を流すことのできる電源装置を安価に提供できる。
As described above, this embodiment provides a power supply device 1 that drives a capacitive load CL with an output voltage Vout that corresponds to an output voltage command value Vcont, and includes a voltage detection circuit 24 that outputs a detection voltage Vdet that is a detection value of the output voltage Vout, a charge supply unit 2 that functions as a voltage source when the output voltage command value Vcont rises and supplies charge to the capacitive load CL by negative feedback controlling the output voltage Vout so that the detection voltage Vdet to which the output voltage command value Vcont has been added becomes equal to the first reference voltage Vref1, and a charge extraction unit 3 that functions as a current source when the output voltage command value Vcont falls and performs negative feedback control of an extraction current I_dscg that extracts charge from the capacitive load CL so that the detection voltage Vdet to which the output voltage command value Vcont has been added becomes equal to a second reference voltage Vref2 that is higher than the first reference voltage Vref1.
With this configuration, when the output voltage Vout applied to the capacitive load CL is a single voltage, either positive or negative, and the power supply is a positive voltage output power supply, an inexpensive DCDC converter that operates only in one quadrant and can only discharge an output current can be used as the charge supply unit 2. Therefore, it is possible to provide an inexpensive power supply device that can arbitrarily control the voltage required to drive the capacitive load CL and can pass positive and negative currents.

さらに、本実施形態において、電荷供給部2は、出力電圧指令値Vcontが加算された検出電圧Vdetが反転入力端子(-)に、第1基準電圧Vref1が非反転入力端子(+)にそれぞれ入力される電荷供給用のエラーアンプ27(電荷供給用エラーアンプ)を備えて、エラーアンプ27から出力される誤差信号(電荷供給用誤差信号)に基づいて前記出力電圧を負帰還制御し、電荷引抜部3は、出力電圧指令値Vcontが加算された検出電圧Vdetが非反転入力端子(+)に、第2基準電圧Vref2が反転入力端子(-)にそれぞれ入力されるエラーアンプ32(電荷引抜用エラーアンプ)を備えて、エラーアンプ32から出力される誤差信号(電荷引抜用誤差信号)に基づいて引抜電流I_dscgを負帰還制御する。
この構成により、電荷供給部2と電荷引抜部3とが同時に動作してしまうことがなく、電荷供給部2の動作と電荷引抜部3の動作が自動で切り替わり、大きな容量の容量性負荷CLの駆動や、高い周波数での駆動時においても、出力電圧指令値Vcontに出力電圧Voutを追随させることができる。
Furthermore, in this embodiment, the charge supply unit 2 includes an error amplifier 27 for charge supply (error amplifier for charge supply) in which the detection voltage Vdet to which the output voltage command value Vcont has been added is input to an inverting input terminal (-) and a first reference voltage Vref1 is input to a non-inverting input terminal (+), and negative feedback controls the output voltage based on an error signal (error signal for charge supply) output from the error amplifier 27, and the charge extraction unit 3 includes an error amplifier 32 (error amplifier for charge extraction) in which the detection voltage Vdet to which the output voltage command value Vcont has been added is input to a non-inverting input terminal (+) and a second reference voltage Vref2 is input to an inverting input terminal (-), and negative feedback controls the extraction current I_dscg based on the error signal (error signal for charge extraction) output from the error amplifier 32.
With this configuration, the charge supply unit 2 and the charge extraction unit 3 do not operate simultaneously, and the operation of the charge supply unit 2 and the operation of the charge extraction unit 3 are automatically switched, making it possible to make the output voltage Vout follow the output voltage command value Vcont even when driving a capacitive load CL with a large capacity or when driving at a high frequency.

なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、同一構成要素には、各図において、同一符号を付している。 It is clear that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that each embodiment may be modified as appropriate within the scope of the technical concept of the present invention. Furthermore, the number, position, shape, etc. of the above-described components are not limited to the above-described embodiments, and may be any number, position, shape, etc. that is suitable for implementing the present invention. The same components are denoted by the same reference numerals in each drawing.

1、10 電源装置
2 電荷供給部
3 電荷引抜部
11 DCDCコンバータ
12 DCACインバータ
21 トランス
22 スイッチング素子
23 出力整流平滑回路
24 電圧検出回路
25 制御回路
26 ドライバ
27 エラーアンプ
28 コンパレータ
29 三角波発振器
31 可変インピーダンス素子
32 エラーアンプ
33 オペアンプ
C1 出力コンデンサ
CL 容量性負荷
D1 整流ダイオード
E 直流電源
R1~R4 抵抗
1, 10 Power supply device 2 Charge supply section 3 Charge extraction section 11 DCDC converter 12 DCAC inverter 21 Transformer 22 Switching element 23 Output rectifier smoothing circuit 24 Voltage detection circuit 25 Control circuit 26 Driver 27 Error amplifier 28 Comparator 29 Triangular wave oscillator 31 Variable impedance element 32 Error amplifier 33 Operational amplifier C1 Output capacitor CL Capacitive load D1 Rectifier diode E DC power supplies R1 to R4 Resistor

Claims (3)

出力電圧指令値に応じた出力電圧で容量性負荷を駆動する電源装置であって、
前記出力電圧の検出値である検出電圧を出力する電圧検出回路と、
前記出力電圧の上昇時に電圧源として機能し、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が第1基準電圧と等しくなるように前記出力電圧を負帰還制御して前記容量性負荷に電荷を供給する電荷供給部と、
前記出力電圧の下降時に電流源として機能し、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が前記第1基準電圧よりも高い第2基準電圧と等しくなるように前記容量性負荷から電荷を引き抜く引抜電流を負帰還制御する電荷引抜部と、を具備することを特徴とする電源装置。
A power supply device that drives a capacitive load with an output voltage according to an output voltage command value,
a voltage detection circuit that outputs a detection voltage that is a detection value of the output voltage;
a charge supply unit that functions as a voltage source when the output voltage increases and that performs negative feedback control of the output voltage so that the detection voltage to which the output voltage command value is added becomes equal to a first reference voltage, and supplies charge to the capacitive load;
a charge extraction unit that functions as a current source when the output voltage drops, and performs negative feedback control on an extraction current that extracts charge from the capacitive load so that the detection voltage to which the output voltage command value is added becomes equal to a second reference voltage that is higher than the first reference voltage.
前記電荷供給部は、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が反転入力端子に、前記第1基準電圧が非反転入力端子にそれぞれ入力される電荷供給用エラーアンプを備えて、前記電荷供給用エラーアンプから出力される電荷供給用誤差信号に基づいて前記出力電圧を負帰還制御し、
前記電荷引抜部は、前記出力電圧指令値が加算された前記検出電圧が非反転入力端子に、前記第2基準電圧が反転入力端子にそれぞれ入力される電荷引抜用エラーアンプを備えて、前記電荷引抜用エラーアンプから出力される電荷引抜用誤差信号に基づいて前記引抜電流を負帰還制御することを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
the charge supply unit includes a charge supply error amplifier, the detection voltage to which the output voltage command value has been added is input to an inverting input terminal, and the first reference voltage is input to a non-inverting input terminal, and performs negative feedback control of the output voltage based on a charge supply error signal output from the charge supply error amplifier;
2. The power supply device according to claim 1, wherein the charge extraction unit includes an error amplifier for charge extraction, the detection voltage to which the output voltage command value has been added being input to a non-inverting input terminal, and the second reference voltage being input to an inverting input terminal, and negative feedback controls the extraction current based on a charge extraction error signal output from the error amplifier for charge extraction.
前記電荷供給部は、1象限でのみ動作するDCDCコンバータであることを特徴とする請求項1又は2に記載の電源装置。 The power supply device according to claim 1 or 2, characterized in that the charge supply unit is a DC-DC converter that operates only in one quadrant.
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