JPH04109868A - スイッチング電源の制御方法 - 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〕 本発明は安定な電圧の直流電力を供給するための電源（
スイッチングレギュレータ）の制御方法およびその装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、電子機器等の小型化動向に呼応して、これらの機
器に安定な直流電力を供給する直流安定化電源に対して
も小型化の要請は一層高まっている。直流安定化電源の
制御方式には大別してドロッパ方式とスイッチング方式
があるが、小型化。

高効率化に有利なスイッチング方式が今日ドロッパ方式
に代わり広く使用されるようになった。ドロッパ方式が
抵抗変化によって出力電圧を制御するのに対して、スイ
ッチング方式の安定化電源（以下、スイッチング電源）
はスイッチング素子のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比（デユ
ーティ比）を制御することにより出力電圧を安定化する
。したがって、スイッチング電源はスイッチング周波数
を高めることによって小型化できる利点をもつ。

しかしながら、高周波化による小型化にも限界がある。

周波数が高くなるほどパワートランジスタや磁性素子の
パワー損失による発熱が大きくなり放熱対策にスペース
を費やすことになるからである。また、周波数が高くな
ると現在一般に用いられているパルス幅変調方式（以下
ＰＷＭ）では、スイッチング素子のストレージタイムや
デッドタイム、制御用ＩＣの信号遅延時間等により入力
電圧変動の制御可能範囲が狭くなる問題が生じる。

上記の問題のうち発熱については、共振型の回路および
低損失の磁性素子の採用によって解決が図られようとし
ている。しかしながら、スイッチング素子のストレージ
タイムや信号遅延時間等の問題に対しては、今日までに
抜本的対策はなされていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はスイッチング電源の一層の高周波化に対して、
現在実用化されているＰＷＭ制御方式に代えて、スイッ
チング素子などに付随する問題点を回避できる新しいス
イッチング電源の制御方式としてパルス数制御方式に基
づく新しい制御回路とそれを塔載するスイッチング電源
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、安定な直流電圧を供給するスイッチング電源
において、基準となる出力電圧Ｖｓに対して出力電圧Ｖ
ｏが変動するとき、変動の大きさＶｏ＝Ｖｓに応じて、
ｖｏ＞ＶｓのときはＮ番目のパルスを間引き、ＶＱ＜Ｖ
ｓのときはＮ番目とＮ＋１番目の間に１個のパルスを挿
入することにより、出力電圧を一定に制御するスイッチ
ング電源の制御方法および装置である。ここで、Ｎは次
式より求められる数値の小数点以下を四捨五入した整数
の絶対値である。

Ｎ＝Ｖ　ｓ　／　　（Ｖｏ　　Ｖ　ｓ　）　　　　　・
・・（＋）〔作用〕 すなわち、本発明で採用する制御方式はパルス周波数と
パルス幅を固定して一定時間に含まれるパルス数を代え
ることにより出力電圧を制御する方法で、入力電圧の変
動によって生じる基準状態に対する出力電圧の変動を検
知して、パルスの数を増減することにより出力電圧を一
定に制御する方法である。（＋）式で求められるＮのう
ち、その最大値は要求される精度を勘案して決められる
。

例えば、基準電圧に対して０．２％の精度が要求される
場合は、Ｎ＝５００となる。言い換えれば、本発明の方
式では±１／Ｎ＝０．００２の出力電圧の変動が生じた
ときに、出力電圧が基準電圧より高い場合はＮ（＝５０
０）番目のパルスを間引き、出力電圧が基準電圧より低
い場合はＮ（＝５００）番目とＮ＋］番目（＝５０１）
のパルスの間に１つのパルスを挿入するように制御系を
動作させる。

本発明の方法では、出力電圧はパルスの数に比例するの
で、基準電圧出力時のパルス数を発振パルス数の５０％
に設定するのがもっとも広範囲の入力電圧変動に対応で
きるので好ましい。また発振パルスから１つおきにパル
スを間引いてつくった５０％制御パルスがパルス形成の
容易さおよび出力電圧の安定化に有効である。本制御方
法においてはＮを変えて出力電圧を調節するが、これを
次式のように表すことができる。

Ｖ　ｏ／　Ｖ　ｓ　＝　（Ｎ＋１＞　／Ｎ　　　−・・
（２）ここで、Ｖｏは現在の出力電圧、Ｖｓは基１１！
！電圧である。一定時間に含まれるパルス数が出力電圧
に比例するので（２）式の左辺のＶｏとＶｓの比に近い
整数として右辺のパルス数Ｎを決めることができる。た
だし、右辺のＮ＋１はＶｏ＞Ｖｓのとき、Ｎ−１はＶｏ
＜　Ｖ　ｓのときに使用する。実際の制御では、（２）
式の右辺の符号を逆にする。すなわち、Ｖｏ＞Ｖｓのと
きはＮ番目のパルスを１つ間引き、Ｖ　Ｏ＜　Ｖ　ｓの
ときはＮ番目とＮ＋１番目の間に１つのパルスを挿入す
る。このようにすれば、出力電圧Ｖｏを基準電圧Ｖｓに
対して０〜２倍の範囲で制御することができる。

つぎに、本発明の実施態様について述べる。

（１）式においてＶｏ−〜′Ｓを差動増幅器によって求
め、これをＶ−ｆコンバータを通して５０％デユティの
矩形波にする。このときＶ−ｆコンバタは発振周波数を
Ｖｓに対してｆｓとなるように設定する。そのとき（３
）式が成立する。

Ｎ＝　ｆ　ｓ　／　ｆ　＝Ｔ／　Ｔ　ｓ　　　　・・１
３）ここで、ｆはＶ−ｆコンバータの発振周波数であり
、Ｔはその周期、Ｔｓはｆｓの周期を表す。

これらの矩形波をゲートとしてクロックパルスを通し、
ゲート１周期当りのクロックパルス数をｆｓのとき２ｎ
パルスとし、ｆのとき２　　ハルスであったとすると、
Ｎは（３）式から２°と求めることができる。ＶｏとＶ
ｓの大小は別途、例えば、ｖｏをＶ−ｆコンバータを通
して矩形波にしたのちディジタルコンパレータによって
ｆｓとの大小を判別する。

Ｖｏ、！＝Ｖｓが要求される精度内で等しいとき、パル
ス数は制御する必要はなく基準出力電圧に相当するパル
ス数のままにする。

つぎに、決定してＮの値に応じてパルス数を制御する方
法について説明する。

第１図はクロックパルスから基準電圧出力に対応する制
御パルスをつくる方法、および過剰電圧出力時（Ｖｏ＞
Ｖｓ）と不足電圧出力時（Ｖｏ＜Ｖｓ）の制御パルスを
つくる方法を示すタイミング区である。はじめにクロッ
ク発振器からのクロックパルスをフリップフロップに通
して発振器周波数の１／２の周波数の制御パルスｌθ０
％をつくる。また、別にクロックパルスを反転したのち
フリップフロップに通して制御パルスと１／４周期位相
差のパルス列をつくり、それを再度フリップフロップに
通すことによりゲート１をつくる。このゲート１と制御
パルス１００％との間でＡＮＤをとることによって制御
パルス５０％をつくることができ、これによってスイッ
チングトランジスタが制御されて基準電圧出力が得られ
る。過剰電圧出力の場合はゲート１パルスをクロックパ
ルスとして、すでに説明した方法でＮを決定したのち、
１／Ｎ分周器によってゲート２をつくり、ゲート２と制
御パルス５０％とでＡＮＤをとることによってＮに対応
した制御パルスをつくることができる（第１図は過剰電
圧２５％、すなわちＮ＝４番目のパルスを間引く場合を
示す）。一方、不足電圧出力の場合はゲート１と制御パ
ルス１００％とのＡＮＤをとったもの（すなわち５０％
制御パルス）と、ゲート２を反転したゲート３と制御パ
ルス１００％とのＡＮＤをとったものとの間でＯＲをと
ることによってＮに対応した挿入型の制御パルスをつく
ることができる（第１図は不足電圧出力２５％、すなわ
ちＮ＝４番目と５番目のパルスの間に１個のパルスを追
加する場合を示す）。

本発明のスイッチング電源制御方式は高周波化に対して
優れた特徴をもつ。従来のＰＷＭ方式ではパルス幅制御
にともなうパルス波形の変化が制御性に影響した。これ
に対して、パルスの数を変化させるだけの本発明方式で
はパルスの波形に無関係に制御できる。

さらに本発明のスイッチング電源制御方式は応答性（レ
スポンス）に関しても優れた特徴をもつ。

それは、出力電圧が変化したとき基準電圧に復帰する時
間は電圧変動率が大きいときははやく、電圧変動率が小
さいときにはゆっくり応答することである。これは、（
］）式から求められるＮが電圧変動の大きさに反比例す
るからである。Ｎの検出にカウンターを用いる場合、読
み取り時間はＮに比例するのでレスポンスはＮに比例す
る。したがって、本発明の制御方式を用いると自動的に
、基準電圧への早い復帰を要する電圧変動が大きいとき
レスポンスがはやくなり、電圧変動が小さい場合はレス
ポンスが遅くなる。従来のＰＷＭ制御ではパルス毎に制
御を行うため小さな出力変動にも応答し、ハンチングを
抑えるための措置が必要であった。

なお、本発明の方式において、Ｎの決定に要する時間が
実用上問題にならない場合でも、Ｎに対応したパルス数
制御における間引きあるいは挿入は電圧急変前の１過程
が終わってから急変後の過程に入るため遅れを生ずるこ
とがある。この遅れを最小限に抑えるために、ｔｏｏ　
ｋ　Ｈｚ以上のできるだけ高い周波数を用いることが好
ましい。

〔実施例］ 上記に述べた本発明のパルス数制御法によるスイッチン
グ電源の出力電圧安定化の方法と装置の構成について、
実施例に基づいてより詳細に説明する。

まず、基準仕様をつぎのように設定する。

基準電圧　　　　　　　　　　５Ｖ 出力電圧精度　　　　　　　　±０．２％制御出力電圧
範囲　　　　　　０〜ＩＯＶ最小制御電圧　　　　　　
　　１０ｍＶＮ値の最大値　　　　　　　　２９＝５１
２クロック周波数　　　　　　　ＩＭＨｚ制御パルス１
００％の周波数　　５００土出力電圧大小判定は第２ａ
図のブロック図に示す論理回路を用いて、ｖｏが１ｋＨ
ｚとなるように設定されたＶ／ｆコンバータに入れられ
、これをゲートとしてクロックＩＭＨｚをカウントし、
カウント数を基準パルス数５００との大小をディジタル
コンパレータで判定し、結果が出力される。ここでｖｏ
が５ｖのときパルス数は５００となっているが、矩形波
を特に形成させるためにフリップフロップを通すときは
Ｖ／ｆコンバータは５Ｖが２ｋＨｚとなるように設定し
なければならない。１パルスが１０ｍＶに相当するので
、５■±ｌＯｍＶの範囲は５■と判定する。したがって
出力電圧精度は±０．２％となる。

Ｎの算定は第２ｂ図に示す論理回路を用いて行う。すな
わち、出力電圧と基準出力電圧を差動増幅器に入れて両
者の差電圧を求め、これをＶ／ｆコンバータに入れて周
波数に変換したものをゲートとしてクロックＩＭＨｚを
カウントしてＮを求める。この際、Ｖ／ｆコンバータは
正電圧しが受っけないので先述したディジタルコンパレ
ータの出力を利用して差動増幅器の出力が常に正になる
ように入力を切り換える。そしてＶ／ｆコンバータを５
ｖが７．８１２５に臣となるように設定し、このときの
パルス数を２６＝６４となるようにする。さらに、カウ
ンターのカウント数を最大２　”　＝３２７６８となっ
たらカウントを打ち切るようにする。最大カウント数の
ときの差電圧は、周波数が１５．２５８Ｈｚであるから
、９．７６５ｍＶとなり設計仕様の最小制御電圧］Ｏｍ
Ｖにほぼ等しい。また（３）式から、Ｎの最大値は２’
＝５１２である。実際にＮを算定するには２進カウンタ
ー出力を６桁分シフトすることにより求めることができ
る。二〇Ｎ出力を利用して、第１図の制御パルスのタイ
ミング図に示すように、１／（Ｎ＋１）分局器とゲート
１パルスをクロックパルスとして用いてゲート２パルス
をつくり、これをさらに反転してゲート３パルスを形成
させる。

以上説明した過剰電圧出力時と不足電圧出力時の制御パ
ルスおよびゲートパルスを形成する回路を、基準電圧出
力時のそれとともに第３図に示す。

また、次の第１表に誤差電圧を検出したのちの応答時間
を示す。この表から明らかなように、誤差電圧が大きく
なるほど応答時間ははやくなることが分かる。

第１表 〔発明の効果〕 以上説明したように、スイッチング電源の出力電圧制御
方式として本発明のパルス数制御方式を採用すれば、ス
イッチング周波数に無関係な制御ができる。すなわち、
スイッチング素子のストレージタイムやデッドタイムの
影響を受けないから高周波化による入力電圧の制御可能
範囲の低減がない。これは共振型のスイッチング電源に
有利な特性である。また、出力変動が大きいほど復帰に
要する時間（応答時間）が短くなるという実用上きわめ
て有利な効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の各種制御パルスの構成例を示すタイミ
ング図である。 第２ａ図および第２ｂ図は制御回路の具体例を示すブロ
ック図であり、第２ａ図は基準電圧と出力電圧の大小関
係を判定する回路、第２ｂ図はＮを算定し、Ｎに対応す
る制御パルスを構成するための回路を示す。 第３図は、各々の状態において制御パルス及びゲートパ
ルスを生成する回路の構成例を示すブロック図である。 第１図 特許出願人　新日本製鐵株式會社 代理人　弁理士　杉　信　　　興　よ 制御パルス （Ｎ＝４のとき）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）安定な直流電圧を供給するスイッチング電源の制
   御方法において、所定の基準出力電圧Ｖｓに対して出力
   電圧Ｖ＿ｏが変動するとき、 Ｎ＝Ｖｓ／（Ｖ＿ｏ−Ｖｓ） より求められる数値の小数点以下を四捨五入した整数の
   絶対値をＮとし、変動の大きさＶ＿ｏ−Ｖｓに応じて、
   Ｖ＿ｏ＞ＶｓのときはＮ番目のパルスを間引き、Ｖ＿ｏ
   ＜ＶｓのときはＮ番目とＮ＋１番目の間に１個のパルス
   を挿入することにより、出力電圧を一定に制御すること
   を特徴とするスイッチング電源の制御方法。
2. （２）安定な直流電圧を供給するスイッチング電源の制
   御装置において、所定の基準出力電圧Ｖｓに対して出力
   電圧Ｖ＿ｏが変動するとき、 Ｎ＝Ｖｓ／（Ｖ＿ｏ−Ｖｓ） より求められる数値の小数点以下を四捨五入した整数の
   絶対値をＮとし、変動の大きさＶ＿ｏ−Ｖｓに応じて、
   Ｖ＿ｏ＞ＶｓのときはＮ番目のパルスを間引き、Ｖ＿ｏ
   ＜ＶｓのときはＮ番目とＮ＋１番目の間に１個のパルス
   を挿入することにより、出力電圧を一定に制御すること
   を特徴とするスイッチング電源の制御装置。