JP2008228362A

JP2008228362A - 電源装置

Info

Publication number: JP2008228362A
Application number: JP2007058344A
Authority: JP
Inventors: Junji Ishiyama; 準二石山; Yoshihito Kawakami; 佳人川上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2008-09-25
Also published as: US20080218134A1; US7772822B2

Abstract

【課題】負荷の大小にかかわらず適切な起動時間でオーバーシュートの無い立ち上がりを可能とする。
【解決手段】起動時の出力直流電圧Ｖｏが立ち上がっていない状態においても、タイマー７のカウント時間内ではスイッチ回路４がオンして、誤差増幅器２の誤差信号Ｖｅをクランプ回路５によってクランプし、ＰＷＭ回路６に過大な信号が入力することを防止して負荷１３に供給する電力を制御する。これにより、電源装置としての供給電力が制限されて突入電流の発生を防止できる。このクランプするタイマー７のカウント時間を管理して適切な起動時間でオーバーシュートの無い立ち上がりができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ等の入力電源から入力された直流電圧が制御され、この直流電圧を出力する際、起動時の供給電力を制限するソフトスタート機能を有する電源装置に関するものである。

電源装置には、シリーズレギュレータやスイッチングレギュレータ等の方式がある。電源装置が安定な出力直流電圧を負荷に供給するために、いずれの方式にも共通するのは、出力直流電圧を検出して帰還する構成であり、出力直流電圧が目標値より低ければ供給電力を増加し、出力直流電圧が目標値より高ければ供給電力を低減する。このため、電源装置は出力直流電圧が低い起動時においては、供給電力を能力限界まで増大するので、入力電源からの突入電流が流れる。また、出力直流電圧が目標値を越えてから供給電力を低減するので、過剰に電力を供給してしまうことによるオーバーシュートが出力直流電圧に発生してしまう。

このような起動時の入力突入電流や出力オーバーシュートを抑制するために用いられる技術が、起動時に供給電力を制限するソフトスタート機能である。特許文献１に開示されているソフトスタート機能を備えた電源装置の回路構成を図６に示す。

図６において、１は基準電圧源であり、電源装置の出力直流電圧Ｖｏの目標とする基準電圧Ｅ０を生成する。２は誤差増幅器であり、出力直流電圧Ｖｏと基準電圧Ｅ０を比較して誤差信号Ｖｅを出力する。３は基準信号発生回路であり、所定の周波数で増減する基準信号を生成する。４はスイッチ回路であり、出力直流電圧Ｖｏが所定値に達するとオフする。５はクランプ回路であり、電圧源から構成されてクランプ電圧Ｖｃ１を生成する。６はＰＷＭ回路であり、誤差信号Ｖｅと基準信号を比較して駆動パルスを出力する。８は入力直流電圧Ｖｉｎの入力端子である。

また、９はスイッチングトランジスタ、１０はダイオード、１１はインダクタ、１２はコンデンサであり、降圧コンバータと呼ばれる電圧変換部を構成する。電圧変換部では、ＰＷＭ回路６から出力される駆動パルスに従ってスイッチングトランジスタ９がオン／オフを繰り返すことにより、入力直流電圧Ｖｉｎがチョッピングされ、ダイオード１０で整流後、インダクタ１１とコンデンサ１２によって平滑されて出力直流電圧Ｖｏが負荷１３へ供給される。出力直流電圧Ｖｏはスイッチングトランジスタ９のスイッチング周期に占めるオン時間の割合（デューティ比と称する）が大きいと高くなる。

図６において、出力直流電圧Ｖｏと基準電圧Ｅ０を比較した誤差増幅器２が出力する誤差信号Ｖｅは、出力直流電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０より低いと上昇し、出力直流電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０より高いと下降する。通常動作時においては、スイッチ回路４はオフしており、誤差増幅器２が出力する誤差信号Ｖｅと基準信号発生回路３が出力する基準信号がＰＷＭ回路６で比較される。このことにより、ＰＷＭ回路６から出力されるパルス信号のパルス幅は、誤差信号Ｖｅが高いほど大きくなる。

すなわち、出力直流電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０より低いと、誤差信号Ｖｅは上昇し、スイッチングトランジスタ９のデューティ比は大きくなり、出力直流電圧Ｖｏを高くする。逆に出力直流電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０より高いと、誤差信号Ｖｅは下降し、スイッチングトランジスタ９のデューティ比は小さくなり、出力直流電圧Ｖｏを低減する。このような帰還動作によって、出力直流電圧Ｖｏは基準電圧Ｅ０に等しくなるように制御される。

さて、起動時のソフトスタート動作は、ＰＷＭ回路６の入力信号にスイッチ回路４を介してクランプ回路５のクランプ電圧Ｖｃ１を印加する。このことにより、実際には高電位な誤差信号Ｖｅより低いクランプ電圧Ｖｃ１をＰＷＭ回路６に入力し、スイッチングトランジスタ９のデューティ比を小さくして供給電力を制限する。この動作は出力直流電圧Ｖｏが設定電圧に近づくまで続けることにより、突入電流が発生することを防止している。
特開２００５−２６９８３８号公報

しかしながら、前記従来のソフトスタート機能を有する電源装置では、ＰＷＭ回路６に入力するクランプ電圧Ｖｃ１の設定と負荷１３によっては、供給電力の超過や不足が発生する。図７に前記従来のソフトスタート機能を有する電源装置における起動時のタイミングチャートを示す。前記従来の電源装置は負荷１３が軽負荷の時には起動時の出力直流電圧Ｖｏにオーバーシュートが発生する。また、負荷１３が重負荷の時には起動するのに長い時間を要するという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、負荷の大小にかかわらず適切な起動時間でオーバーシュートのない立ち上がりを可能とするソフトスタート機能を有する電源装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した電源装置は、入力直流電圧を変換した出力直流電圧を負荷に供給する電源装置であって、出力直流電圧と目標値との誤差に応じた誤差信号を出力する誤差増幅器と、誤差信号に従って負荷に供給する電力を調整する制御部と、起動時からの所定時間を計時するタイマーと、誤差信号の電圧が第１のクランプ電圧以上にならないようにクランプする第１のクランプ回路と、所定時間内は誤差信号を第１のクランプ回路に印加するスイッチ回路とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２，３に記載した電源装置は、請求項１の電源装置であって、タイマーの所定時間が、出力直流電圧を要求する起動時間以内に設定されたこと、または、第１のクランプ電圧が、誤差信号の動作下限値以上に設定されたことを特徴とする。

また、請求項４に記載した電源装置は、請求項１〜３の電源装置であって、第１のクランプ電圧より高い第２のクランプ電圧を有する第２のクランプ回路を備え、スイッチ回路が、タイマーの所定時間の経過後における出力直流電圧に応じて、誤差信号を第２のクランプ回路に印加するか解放するかを選択し切り換えることを特徴とする。

前記構成によれば、負荷の状態に関係なく突入電流とオーバーシュートを抑制し、安定した起動ができる。

本発明によれば、負荷の状態に関係なく入力突入電流と出力オーバーシュートが抑制され、常に安定した起動ができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における電源装置を示す回路構成図である。ここで、前記従来例を示す図６において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付してこれを示し、以下の各図においても同様とする。

図１において、１は基準電圧源であり、電源装置の出力直流電圧Ｖｏの目標とする基準電圧Ｅ０を生成する。２は誤差増幅器であり、出力直流電圧Ｖｏと基準電圧Ｅ０を比較して誤差信号Ｖｅを出力する。３は基準信号発生回路であり、所定の周波数で増減する基準信号を生成する。４はスイッチ回路であり、後述するタイマーにより所定時間に達するとオフする。５はクランプ回路であり、電圧源から構成されてクランプ電圧Ｖｃ１を生成する。６はＰＷＭ回路であり、誤差信号Ｖｅと基準信号を比較して駆動パルスを出力する。７はスイッチ回路４を制御するタイマーであり、少なくともタイマー７でカウントされる時間内はスイッチ回路４をオンし、誤差信号Ｖｅにかかわらず誤差増幅器２の出力をクランプする。８は入力直流電圧の入力端子である。

また、９はスイッチングトランジスタ、１０はダイオード、１１はインダクタ、１２はコンデンサであり、インダクタ１１とコンデンサ１２との直列回路にダイオード１０を並列接続し、ダイオード１０にスイッチングトランジスタ９を介して入力直流電圧Ｖｉｎを印加する、降圧コンバータと呼ばれる電圧変換部を構成する。

電圧変換部では、ＰＷＭ回路６から出力される駆動パルスに従ってスイッチングトランジスタ９がオン／オフを繰り返すことにより、入力直流電圧Ｖｉｎがチョッピングされ、ダイオード１０で整流後、インダクタ１１とコンデンサ１２によって平滑されて出力直流電圧Ｖｏが負荷１３へ供給される。出力直流電圧Ｖｏはスイッチングトランジスタ９のスイッチング周期に占めるオン時間の割合（デューティ比と称する）が大きいと高くなる。

図１において、出力直流電圧Ｖｏと基準電圧Ｅ０を比較した誤差増幅器２の出力する誤差信号Ｖｅは、出力直流電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０より低いと上昇し、出力直流電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０より高いと下降する。通常動作時においては、スイッチ回路４はオフしており、誤差増幅器２が出力する誤差信号Ｖｅと基準信号発生回路３が出力する基準信号がＰＷＭ回路６で比較される。このことにより、ＰＷＭ回路６から出力されるパルス信号のパルス幅は、誤差信号Ｖｅが高いほど大きくなる。

図２および図３は、図１の電源装置の起動時における各部のタイミングチャートを示す。図２は負荷１３が軽い場合、図３は負荷１３が重い場合である。起動時に電源装置の出力直流電圧Ｖｏが立ち上がっていない状態では、基準電圧源１が早く立ち上がり、誤差増幅器２の出力する誤差信号Ｖｅを上昇しても、タイマー７の設定時間内はスイッチ回路４がオンしており、誤差信号Ｖｅはクランプ電圧Ｖｃ１にクランプされる。このため、ＰＷＭ回路６に過大な信号が入力することを防止し、スイッチングトランジスタ９のデューティ比は大きくならず、電源装置としての供給電力が制限されるので突入電流の発生を防止できる。

さらに、タイマー７のカウント時間後、図２および図３の時刻ｔ１において、スイッチ回路４はオフし、誤差増幅器２の出力する誤差信号Ｖｅとクランプ回路５とは切り離される。

図２では軽負荷なので、誤差信号Ｖｅがクランプされた供給電力制限状態となっているタイマー７のカウント時間内に、出力直流電圧Ｖｏは基準電圧Ｅ０に近づいていて、時刻ｔ１において誤差信号Ｖｅは既に低いレベルになっている。スイッチ回路４がオフしても誤差信号Ｖｅの変動は少なく、その際、供給電力制限状態とほとんど変わらないので、出力直流電圧Ｖｏにオーバーシュートは発生しない。

一方、重負荷の図３においては、誤差信号Ｖｅがクランプされた供給電力制限状態となっているタイマー７のカウント時間内では、出力直流電圧Ｖｏは基準電圧Ｅ０に達せず、時刻ｔ１において誤差信号Ｖｅはクランプ電圧Ｖｃ１より高いレベルにある。したがって、時刻ｔ１においてスイッチ回路４がオフすると、誤差信号Ｖｅはクランプ電圧Ｖｃ１との差分だけ上昇し、スイッチングトランジスタ９のデューティ比は大きくなって負荷１３への供給電力が増し、出力直流電圧Ｖｏも上昇する。しかし供給電力が増しても、負荷１３が重いのでオーバーシュートは発生しない。

以上のように、負荷１３の軽重にかかわらず、入力突入電流と出力オーバーシュートの発生を抑制することができる。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２における電源装置を示す回路構成図である。図４において、１は基準電圧源であり、電源装置の出力直流電圧Ｖｏの目標とする基準電圧Ｅ０を生成する。２は誤差増幅器であり、出力直流電圧Ｖｏと基準電圧Ｅ０を比較して誤差信号Ｖｅを出力する。３は基準信号発生回路であり、所定の周波数で増減する基準信号を生成する。４ａはスイッチ回路であり、後述するタイマーにより所定時間に達するとオフする。５ａはクランプ回路であり、電圧源から構成され、それぞれ異なったレベルのクランプ電圧Ｖｃ１とクランプ電圧Ｖｃ２を生成する。ただし、クランプ電圧Ｖｃ２はクランプ電圧Ｖｃ１よりも高いものとする。６はＰＷＭ回路であり、誤差信号Ｖｅと基準信号を比較して駆動パルスを出力する。７はスイッチ回路４ａを制御するタイマーであり、少なくともタイマー７でカウントされている時間内はスイッチ回路４ａをオンし、誤差信号Ｖｅにかかわらず誤差増幅器２の出力をクランプする。８は入力直流電圧の入力端子である。

図５は図４の電源装置の起動時における各部のタイミングチャートを示す。起動時に電源装置の出力直流電圧Ｖｏが立ち上がっていない状態では、基準電圧源１が早く立ち上がり、誤差増幅器２の出力する誤差信号Ｖｅを上昇しても、タイマー７の設定時間内はスイッチ回路４ａがオンしており、誤差信号Ｖｅはクランプ電圧Ｖｃ１にクランプされる。このため、ＰＷＭ回路６に過大な信号が入力することを防止し、スイッチングトランジスタ９のデューティ比は大きくならず、電源装置としての供給電力が制限されるので突入電流の発生を防止できる。

さらに、タイマー７のカウント時間後、図５の時刻ｔ１において、負荷の状態によりスイッチ回路４ａは以下の動作をする。

まず、軽負荷において、出力直流電圧Ｖｏと基準電圧Ｅ０は近い電圧値になっており、この場合スイッチ回路４ａはオフする。この時、時刻ｔ１において誤差信号Ｖｅは既に低いレベルになっている。スイッチ回路４ａがオフしても誤差信号Ｖｅの変動は少なく、その際、供給電力制限状態とほとんど変わらないので、出力直流電圧Ｖｏにオーバーシュートは発生しない。

次に、重負荷において、出力直流電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０より非常に低い電圧値なっている場合、スイッチ回路４ａはオフする。この時、時刻ｔ１において誤差信号Ｖｅはクランプ電圧より非常に高いレベルにある。したがって、時刻ｔ１においてスイッチ回路４ａがオフすると、誤差信号Ｖｅはクランプ電圧との差分だけ上昇し、スイッチングトランジスタ９のデューティ比は大きくなって負荷１３への供給電力が増し、出力直流電圧Ｖｏも上昇する。供給電力が増しても、負荷１３が重いのでオーバーシュートは発生しない。しかも適切な起動時間が得られる。

軽負荷でも重負荷でもない中間の負荷状態において、出力直流電圧Ｖｏが基準電圧Ｅ０より低い電圧値になっている場合、スイッチ回路４ａをオフすると、時刻ｔ１において誤差信号Ｖｅはクランプ電圧より高いレベルにあり、誤差信号Ｖｅは上昇し、スイッチングトランジスタ９のデューティ比は大きくなって負荷１３への供給電力が増す。この時、負荷１３は中間の負荷状態にあるため多少のオーバーシュートが発生することが考えられる。

そこで、負荷１３が軽負荷と重負荷の中間の状態にある時は、スイッチ回路４ａは誤差信号Ｖｅのクランプレベルをクランプ電圧Ｖｃ２に切り換える。この時、時刻ｔ１において誤差信号Ｖｅはクランプ電圧Ｖｃ１とクランプ電圧Ｖｃ２より高いレベルにあり、クランプ電圧Ｖｃ２はクランプ電圧Ｖｃ１より高いレベルにある。したがって、時刻ｔ１において誤差信号Ｖｅはクランプ電圧Ｖｃ１からクランプ電圧Ｖｃ２に切り替わり、スイッチングトランジスタ９のデューティ比は大きくなって負荷１３への供給電力が多少増し、出力直流電圧Ｖｏも上昇する。ここで供給電力が多少増すが、負荷１３によってオーバーシュートの発生は抑えられる。しかも最適な起動時間が得られる。

ここで、軽負荷、中負荷、重負荷の判断について、例えば、負荷の状態として時刻ｔ１における負荷１３の両端にかかる電圧により判断を行う。より具体的な例として、時刻ｔ１において負荷１３の両端にかかる出力直流電圧Ｖｏを測定し、目標設定電圧の９０％以上を軽負荷、４０％以下を重負荷、それ以外を中間の中負荷と判断する。

また、クランプ電圧Ｖｃ２をオフする時刻ｔ２のタイミングとして、誤差信号Ｖｅの電圧レベルがクランプ電圧Ｖｃ２と近くになったときクランプ電圧Ｖｃ２をオフする。この時、負荷１３の両端にかかる出力直流電圧Ｖｏは設定電圧値近くになっており、誤差信号Ｖｅの変動も少なくオーバーシュートの発生は抑えられ、さらに最適な起動時間を得られる。

以上のように、負荷１３の状態によってクランプ電圧を制御することで、入力突入電流と出力オーバーシュートの発生を抑制し、適切な起動時間でのスタートアップが可能となる。

なお、本実施形態１，２の説明において、クランプ回路５，５ａは電圧源に限定されず、誤差信号Ｖｅをクランプできる構成であればよい。

また、各実施形態において、電圧変換部に降圧コンバータを用いて説明したが、本発明はこの構成に限定されるものでもない。電圧変換部の構成にはシリーズレギュレータ、昇圧コンバータ等各種の電圧変換回路が適用できる。本発明は、通常動作時の出力直流電圧の制御に誤差増幅器を用いる電源装置であれば、電圧変換部の構成にかかわらず適用可能である。

本発明に係る電源装置は、負荷の状態に関係なく入力突入電流と出力オーバーシュートが抑制され、常に安定した起動ができ、バッテリ等の入力電源から入力された直流電圧が制御され、この直流電圧を出力する装置として有用である。

本発明の実施形態１における電源装置の回路構成図本実施形態１における軽負荷時の入出力信号のタイミング図本実施形態１における重負荷時の入出力信号のタイミング図本発明の実施形態２における電源装置の回路構成図本実施形態２における入出力信号のタイミング図従来の電源装置の回路構成図従来例の入出力信号のタイミング図

符号の説明

１基準電圧源
２誤差増幅器
３基準信号発生回路
４，４ａスイッチ回路
５，５ａクランプ回路
６ＰＷＭ回路
７タイマー
８入力端子
９スイッチングトランジスタ
１０ダイオード
１１インダクタ
１２コンデンサ
１３負荷

Claims

入力直流電圧を変換した出力直流電圧を負荷に供給する電源装置であって、
前記出力直流電圧と目標値との誤差に応じた誤差信号を出力する誤差増幅器と、前記誤差信号に従って負荷に供給する電力を調整する制御部と、起動時からの所定時間を計時するタイマーと、前記誤差信号の電圧が第１のクランプ電圧以上にならないようにクランプする第１のクランプ回路と、前記所定時間内は前記誤差信号を第１のクランプ回路に印加するスイッチ回路とを備えたことを特徴とする電源装置。
前記タイマーの所定時間が、前記出力直流電圧を要求する起動時間以内に設定されたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記第１のクランプ電圧が、前記誤差信号の動作下限値以上に設定されたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記第１のクランプ電圧より高い第２のクランプ電圧を有する第２のクランプ回路を備え、
前記スイッチ回路は、前記タイマーの所定時間の経過後における前記出力直流電圧に応じて、前記誤差信号を前記第２のクランプ回路に印加するか解放するかを選択し切り換えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。