JPH0276307A - スイッチング形直流電力増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は直流を含む低周波増幅器に係り、特にスイッチ
ング形直流電力増幅器の帰還制御回路に関するものであ
る。

（従来技術及び発明が解決しようとする課題）第８図は
従来のスイッチング形直流電力増幅器を示したブロック
図である０図において、１は直流電源、２はパルス電圧
変換器、３は変成器、４は整流回路、５は平滑回路及び
６は負荷で、直流電源１から負荷６に信号電圧が供給さ
れる。また、入力信号７と平滑回路５の出力が誤差増幅
器８に入力され、パルス信号発生回路９を介してパルス
電圧変換器２が制御される。

次に、この回路の動作と問題点について述べる。

入力信号７は直流を含む低周波信号であり、誤差増幅器
８によって必要な電圧に増幅され、この増幅後の信号は
更にパルス信号発生回路９によって高周波パルス信号に
変換される。一方、直流電源１はパルス電圧変換器２に
よってパルス信号発生回路９からの高周波パルス信号に
従った高周波交流電圧に変換されるが、この高周波はい
わゆる搬送波であり、変成器３によって変圧され、整流
回路４によって脈流に検波された後、平滑回路５によっ
て平滑され、入力信号７と相似な低周波信号電圧となり
、負荷６に供給される。ここで、負荷６の両端電圧であ
る平滑回路５の電圧すなわち出力信号は誤差増幅器８へ
帰還され、入力信号７と比較され、この結果、スイッチ
ング形直流電力増幅器（以下、単に電力増幅器という、
）の入出力周波数特性が改善される。しかし、この構成
では、入力信号７が直接誤差増幅器８に接続されるため
、電力増幅器の入出力周波数特性を平滑回路５のカット
オフ周波数のみによって決定し、また、直流型４１の電
圧変動が出力電圧に現れる影響あるいは帰還制御ループ
の安定性を誤差増幅器８の伝達特性のみによって調整す
る必要があった。

以下、上記問題点を第２図に示す第１図における負帰還
ループの開ループ−巡伝達特性図を用いて詳細に説明す
る０図において、横軸は周波数（ＫＨ）、縦軸は利得（
ｄｂ）及び位相（度）である、なお、他の伝達特性図に
おいても同様とする。また、Ａｔ、Ａオは開ループ利得
特性、φ。

は位相特性、１０は平滑回路５のカットオフ周波数、１
１は発振周波数、１２は位相余裕である。

第８図及び第９図において、ループ内に存在する平滑回
路５による位相遅れに誤差増幅器８あるいはパルス発生
回路９で生じる位相遅れが加算され、位相余裕１２が少
なく、安定性が低い。このため、直流型ｆｉｌの電圧変
動による出力電圧の変動を小さくするのに必要な開ルー
プ利得Ａ、を設定すると、位相が１８０度遅れる発振周
波数１１において発振し、この発振を停止させるために
開ループ利得Ａ□を低く設定すると出力特性が悪化する
。

つまり第１０図の直流電源電圧対出力電圧特性に示すよ
うに、直流電源１の電圧変動による出力電圧の変動が電
圧Ｖ　＋　（利得大）から電圧Ｖｉ（利得小）へと大き
くなるのみならず、電力増幅器として必要な入出力電圧
利得を確保するのが困難となる。

この対策として、第１１図の開ループ−巡伝達特性図に
示すように、誤差増幅器８の伝達特性を調整することに
よって開ループ位相遅れが１８０度となる直前の周波数
を進相補償周波数１３に選定し、進相補償を行い位相特
性φ８の位相余裕１２を増加させる方法がある。しかし
、この進相補償を有効とするには、誤差増幅器８が必要
とする開ループ利得Ａｓの特性より誤差増幅器８を構成
する演算増幅器の裸利得Ａ４の方が充分に大きい必要が
ある。一方、このような要求を満たす高利得周波数帯域
積の演算増幅器は実現性が低い、従って、進相補償を行
うには事実上限界があった。

以上の問題点を解決するため、本発明は、高安定、高利
得、広周波数帯域を同時に満足するスイッチング形直流
電力増幅器を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は直流電源の直流電圧
をパルス電圧に変換するパルス電圧変換器と、変成器、
整流回路および平滑回路とを有し、前記平滑回路の出力
電圧と入力信号の電圧との差を増幅する誤差増幅器およ
び誤差増幅器の出力電圧に従ったパルス信号を前記パル
ス電圧変換器へ帰還するスイッチング形直流電力増幅器
において、前記入力信号と入力信号を印加すべき前記誤
差増幅器の入力端子との間に前置増幅器を接続したこと
を特徴とするスイッチング形直流電力増幅器を要旨とす
る。

さらに、誤差増幅器の帰還制御ループを進相補償したこ
と、及び誤差増幅器の直流利得による閉ループ利得の上
昇を、前置増幅器の直流利得によって相殺することを要
旨とする。

（実施例） 以下、図面に沿って本発明の実施例について説明する。

なお、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸
脱しない範囲で種々の変更あるいは改良を行いうろこと
は言うまでもない。

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である０図
は直流型ａ１．パルス変換器２．変成器３、整流回路４
．平滑回路５．負荷６．入力出力７、誤差増幅器８及び
パルス発生回路９は第８図に示した従来の構成と同様で
あり、前置増幅器１４を入力信号７と誤差増幅器８の入
力側との朋に接続した電力増幅器である。

図において、入力信号７と誤差増幅器８との間に前置増
幅器１４を接続することにより、帰還制御ループにおけ
る進相補償を容易にし、誤差増幅器８の直流利得を大き
く設定し、前置増幅器１４の直流利得を小さく設定する
。

第２図は本発明の開ループ−巡伝達特性を示したもので
、誤差増幅器８の伝達特性を調整することによって実現
される。

以下、本発明のスイッチング形直流電力増幅器について
第１図及び第２図を用いて詳細に説明する。

まず、直流電源１の電圧変動が出力電圧に及ぼす影響を
小さくするのに充分な開ループ利得Ａ′。

を設定する０次に進相補償が可能となる程度の開ループ
利得となるように平滑フィルタのカットオフ周波数１０
以下の利得を設定する。最後に、平滑フィルタのカット
オフ周波数１０よりわずかに高い進相補償周波数１５に
おいて進相補償を行う、この結果、従来の方法に比べ、
帰還制御ループの位相φ３の位相余裕１２が極めて大き
くなり、安定性が著しく向上する。

しかし、直流利得Ａ　’　Ｓを高く設定するため、第３
図に示すように、制御ループの閉ループ特性Ａ。

は直流に近い低周波領域でその利得が大きくなり、増幅
器としての線形性が低下する。そこで、前置増幅器１４
の伝達特性Ａ、のこの周波数領域の利得を低く設定する
。この結果、総合的な直流電力増幅器の入出力伝達特性
Ａ、は必要な周波数帯域で平坦となる。

また、開ループの直流利得Ａ’Ｓ（第２図）が高いので
、第４図の直流電源電圧対出力電圧の特性図に示すよう
に、直流電源１の電圧変動による出力電圧の変動も小さ
い。

第５図は本発明の一実施例を示す回路図である。

図において、直流電源ｌ、パルス電圧変換器２゜変成器
３．整流回路４．平滑回路５．負荷６．入力信号７．誤
差増幅器８及びパルス発生回路９゜前置増幅器１４の構
成は第１図に示した構成と同様である。

図において、パルス電圧変換器２．変成器３゜整流回路
４．平滑回路５はスイッチングレギュレータに用いる１
石フォワードコンバータ回路と同一構成である。従って
、本実施例の場合、パルス信号発生回路９はパルス幅変
調回路となる。誤差増幅器８における抵抗Ｒｓ、コンデ
ンサＣ８は開ループ直流利得Ａｓ（第２図）を高く設定
するために用いている。抵抗ＲＩ＋　Ｒａ、Ｒｓ、Ｒａ
は進相補償を容易にするよう、平滑回路５のインダクタ
し、コンデンサＣ０で定まる平滑回路５のカットオフ周
波数１０（第２図）以下の開ループ利得を設定し、誤差
増幅器８のコンデンサＣ１によって進相補償を行うてい
る。前置増幅器１４における抵抗Ｒ・、コンデンサＣ８
は、抵抗Ｒｓ、コンデンサｃｍによって帰還制御回路の
閉ループ利得Ａ。

（第３図）が直流に近い低周波領域で上昇するのを相殺
するよう、この周波数領域の利得を低下させている。抵
抗Ｒ１，コンデンサＣ１によって前置増幅器１４の最大
利得を設定し、電力増幅器としての総合的入出力伝達特
性Ａｓ（第３図）を調整している。

本実施例の開ループ−巡伝達特性および入出力伝達利得
を第６図に示す、また、Ａ、は入力伝達利得、Ａ１．は
開ループ利得、φ４は位相である。

また、　１０は平滑フィルタのカットオフ周波数、１５
は進相補償周波数、１２は位相余裕である。

第５図の実施例は、１石フォワードコンバータ回路によ
るものであるが、本発明によるスイッチング形直流電力
増幅器の構成は、第７図に示すスイッチングレギュレー
タの構成（直流電源１．パルス電圧変換器２．変成器３
．電圧回路４．平滑回路６．誤差増幅器８．パルス信号
発生回路９及び基準電源１６）における基準電源１６の
代わりに前置増幅器１４および入力信号７を接続したの
と同一である。したがうて、スイッチングレギュレータ
回路に１石フライバック回路、ブッシェプル回路をはじ
め、パルス電圧変換器２に共振を用いた共撮影回路や変
成器３を用いないチョッパ形回路等を用いた場合でも同
様の構成でスイッチング形直流電力増幅器が実現できる
ことは言うまでもない。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、直流電源の直流
電圧をパルス電圧に変換するパルス電圧変換器と、変成
器、整流回路および平滑回路とを有し、前記平滑回路の
出力電圧と入力信号の電圧との差を増幅する誤差増幅器
および誤差増幅器の出力電圧に従ったパルス信号を前記
パルス電圧変換器へ帰還するスイッチング形直流電力増
幅器において、前記入力信号と入力信号を印加すべき前
記誤差増幅器の入力端子との間に前置増幅器を接続した
こと、さらに誤差増幅器の帰還制御ループを進相補償し
たこと、誤差増幅器の直流利得による閉ループ利得の上
昇を、前置増幅器の直流利得によって相殺することによ
り、高安定、高利得。

広周波数帯域を同時に満足するスイッチング形直流電力
増幅器を提供できる。

本発明を用いれば、誤差増幅器を構成する演算増幅器の
利得周波数帯域積は特に大きい必要がない、したがって
、スイッチングレギュレータの制御回路用集積回路が、
本発明により、スイッチング形直流電力増幅器の制御回
路に容易に使用可能となり、本発明を実現するのに特に
新たな部品を必要としないという利点がある。

スイッチング形直流電力増幅器は、変成器による昇降圧
が容易なため、直流電源の電圧に無関係に出力電圧を設
定することができ、かつ電力変換効率が高い、したがっ
て、電池を直流電源とした場合、電池の保有するエネル
ギーを充分に活用することができる。すなわち、非スイ
ッチング形増幅器を用いるのに比べ、使用時間を同一と
すれば電池の個数や体積を低減でき、電池の個数や体積
を同一とすれば使用時間を長くすることができる。

また、本発明によるスイッチング形直流電力増幅器では
、消耗や温度変化による電池電圧変動が出力電圧に現れ
る影響が小さく、さらに、帰還制御回路の安定性が高い
ので、温湿度変化の大きい使用環境や携帯する用途に適
している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成をを示すブロック図、第２図は本
発明の開ループ−巡伝達特性を示すボード線図、第３図
は本発明の各部伝達利得特性図、第４図は本発明の直流
電源電圧と出力電圧との関係図、第５図は本発明の実施
例、第６図は実施例における開ループ−巡伝達特性およ
び入出力伝達利得、第７図はスイッチングレギュレータ
の構成を示すブロック図、第８図は従来のスイッチング
形直流電力増幅器の構成を示すブロック図、第９図は第
１図の帰還制御回路の開ループ−巡伝達特性を示すボー
ド線図、第１０図は第２図における安定化した場合の直
流電源電圧と出力電圧との関係図、第１１図は第２図に
おいて発振する場合の進相補償の方法を示した図である
。 １・・・・・直流電源 ２・・・・・パルス電圧変換器 ３・・・・・変成器 ４・・・・・整流回路 ５・・・・・平滑回路 ６・・・・・負荷 ７・・・・・入力信号 ８・・・・・誤差増幅器 ９・・・・・パルス信号発生回路 １０・・・・・平滑フィルタカットオフ周波数１１・・
・・・発振周波数 １２・・・・・位相余裕 １３、１５・・・進相補償周波数 １４・・・・・前置増幅器 １６・・・・・基準電源 Ａ４　・・・・演算増幅器の裸利得 Ａ、・・・・開ループ利得 Ａｏ、・・・・直流利得 Ａ、・・・・制御ループの閉ループ特性Ａ、・・・・前
置増幅器の伝達特性 Ａ、・・・・入出力伝達特性 第１図 第２図 Ｊｌｌ蓮象（Ｈｚ） 第３図 周液数（Ｈｚ） 第７図 １５図 第６図 Ｊ１彼校（Ｈｚ） 第８図　　□ 第９図 、１３１２枚（Ｈｚ） 第１０図 第１１図 周坂狡（Ｈｚ） 手続補正書（自制

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流電源の直流電圧をパルス電圧に変換するパル
   ス電圧変換器と、変成器、整流回路および平滑回路とを
   有し、前記平滑回路の出力電圧と入力信号の電圧との差
   を増幅する誤差増幅器および誤差増幅器の出力電圧に従
   ったパルス信号を前記パルス電圧変換器へ帰還するスイ
   ッチング形直流電力増幅器において、前記入力信号と入
   力信号を印加すべき前記誤差増幅器の入力端子との間に
   前置増幅器を接続したことを特徴とするスイッチング形
   直流電力増幅器。
2. （２）誤差増幅器の帰還制御ループを進相補償したこと
   を特徴とする請求項１記載のスイッチング形直流電力増
   幅器。
3. （３）誤差増幅器の直流利得による閉ループ利得の上昇
   を、前置増幅器の直流利得によって相殺することを特徴
   とした請求項１記載のスイッチング形直流電力増幅器。