JP6695536B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents

Description

本開示は、外部負荷への出力電流に応じてリアクトルに流れる電流の電流モードを切り替えるスイッチング電源回路に関する。

スイッチング電源回路においては、ノイズの発生を抑制するために、負荷の消費電力に応じて電流モードを切り替えることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この提案のスイッチング電源回路によれば、負荷の消費電力が小さいときには電流モードを不連続モードに設定し、負荷の消費電力が大きくなると電流モードを臨界モードに切り替え、負荷の消費電力が更に大きくなると電流モードを連続モードに切り替える。

特開２０１４−２００１７４号公報

ところで、スイッチング電源回路は、通常、出力電圧が目標電圧となるよう、スイッチング素子の駆動デューティ比をフィードバック制御するように構成される。
このため、上記提案のスイッチング電源回路のように、負荷の消費電力に応じて電流モードを切り替えるようにすると、そのモード切り替えによって出力電圧が大きく変動し、出力電圧が目標電圧に収束するのに時間がかかるようになる。

また、出力電圧の変動は、出力経路に並列接続されるコンデンサにて吸収することができるが、上記のようにモード切り替えによって生じる電圧変動を抑制するには、コンデンサの容量を大きくする必要があり、スイッチング電源回路の大型化を招くことになる。

本開示の一局面は、負荷の消費電力に応じて電流モードを切り替えるスイッチング電源回路において、電流モードの切り替えによって生じる出力変動を抑制できるようにすることを目的とする。

本開示の一局面のスイッチング電源回路は、外部から直流電力を取り込むための一対の入力端と、コンデンサ及び負荷がそれぞれ接続される一対の出力端とを備える。そして、これら一対の入力端及び一対の出力端は、それぞれ、一対の電流経路にて接続されている。

一対の電流経路の一方である第１電流経路には、リアクトルが直列に設けられており、更に、このリアクトルと入力端との間には、スイッチング素子が設けられている。
第１電流経路におけるリアクトルとスイッチング素子との接続点と、一対の電流経路の他方である第２電流経路との間には、スイッチング素子がオン状態からオフ状態に切り替えられたときにリアクトルに電流を流すための半導体素子が設けられている。

また、本開示の一局面のスイッチング電源回路には、電流検出部と、第１タイマと、第２タイマと、リセット部と、制御部が備えられている。
電流検出部は、半導体素子を介してリアクトルに電流が流れていないことを検出して検出信号を出力するものであり、第１タイマは、スイッチング素子のオン時間を計時し、そ
の計時期間中、スイッチング素子をオンさせるものである。

また、第２タイマは、第１タイマがスイッチング素子をオンさせてからの時間を計時し、その計時時間が設定時間に達すると一定パルス幅のパルス信号を出力するものである。
そして、リセット部は、電流検出部から検出信号が出力され、第２タイマからパルス信号が出力されているとき、第１タイマをリセットして、第１タイマによるオン時間の計時を開始させる。

また、制御部は、負荷への出力電流に応じて第１タイマ及び第２タイマの計時時間を設定することで、出力電流が閾値電流以上であるときにはリアクトルに流れる電流の電流モードを臨界モードに設定し、出力電流が閾値電流未満であるときには電流モードを不連続モードに設定する。

このため、本開示の一局面のスイッチング電源回路によれば、制御部が設定する第１タイマ及び第２タイマの計時時間を調整することで、負荷への出力電流に応じて、電流モードを切り替えることができるだけでなく、各電流モードでのスイッチング素子のオン・オフ時間及びその周期（換言すればスイッチング周波数）を調整することができるようになる。

この結果、本開示の一局面のスイッチング電源回路によれば、制御部が第１タイマ及び第２タイマの計時時間を設定することによって、各電流モードで、出力電流を数値制御することができるようになり、負荷の駆動に必要な負荷電力が変化しても、その変化に応じて出力電流を適正且つ高速に制御することが可能になる。

従って、電流モードの切り替えによって出力電流が変動するのを抑制することができ、その出力変動を抑制するために設けられるコンデンサの容量を小さくして、スイッチング電源回路を小型化することができる。

また、本開示の一局面のスイッチング電源回路によれば、不連続モードと臨海モードとの２つの電流モードを使って、出力電流を広範囲に定量的に制御することができることから、制御部を、コンピュータ等の数値制御回路にて構成することができる。

そして、このようにすれば、出力電流の制御範囲など、スイッチング電源回路の仕様を、制御部で用いる制御パラメータを調整することで任意に設定することができるようになり、設計の自由度を高めることができる。

また、各電流モードでのスイッチング周波数を任意に設定できるので、下限周波数を高めに設定することで、リアクトル（一般にコイル）を小さくし、スイッチング電源回路の小型化を図ることができる。

また、本開示の一局面のスイッチング電源回路は、力率改善回路として利用すれば、入力電圧に応じた出力電流の制御を適正に行うことができ、広い入力電圧範囲で、正確な力率改善ができる。

ここで、上記のように出力電流に応じてスイッチング素子のオン・オフ時間及びスイッチング周波数を制御するには、制御部は、次のように構成するとよい。
すなわち、制御部は、臨界モードでは、第１タイマの計時時間を出力電流が大きい程長くなるように設定すると共に、第２タイマの計時時間を第１タイマの計時時間よりも所定時間（例えば数十％）長くなるように設定する。

また、制御部は、不連続モードでは、第１タイマの計時時間を臨界モードでの最小値に固定し、第２タイマの計時時間を、臨界モードでの最小値よりも長く、且つ、出力電流が小さいほど長くなるように設定する。

このようにすれば、スイッチング周波数は、各電流モードの境界領域で最も高くなり、出力電流が閾値電流から離れるに従い低下する。また、不連続モードでは、出力電流が大きくなるに従い駆動デューティ比が高くなり、臨海モードでは、出力電流が大きくなるに従いスイッチング素子のオン時間が長くなる。

そして、このようにスイッチング素子のオン・オフ時間及びスイッチング周波数を制御することにより、出力電流を適正にしかも広範囲に調整できるようになる。
なお、制御部は、臨界モードでは、第１タイマの計時時間の低下に伴い第２タイマの計時時間が予め設定された下限値以下にならないように、第２タイマの計時時間を設定するように構成するとよい。

つまり、臨界モードでは、出力電流は、第１タイマの計時時間、つまり、スイッチング素子のオン時間と比例関係であるが、このオン時間が短くなると、スイッチング周波数が高くなる。そして、スイッチング周波数が高くなりすぎると、効率が悪くなり、場合によってはノイズ発生等の問題が生じる。

そこで、臨界モードと不連続モードとの境界領域では、臨界モードでの第２タイマの計時時間の低下を制限することで、スイッチング周波数が高くなりすぎるのを防止するのである。このようにすれば、臨界モードで第１タイマの計時時間が短くなる領域では、スイッチング周波数が固定されて、出力電流に応じてスイッチング周波数が変化しなくなるが、スイッチング周波数が高くなりすぎるのを抑制できる。

一方、電流検出部は、例えば、リアクトルに電流検出用抵抗を直列接続することで、電流検出用抵抗の両端電圧から電流を検出するようにしてもよい。また、例えば、リアクトルを構成するコイルに対し二次コイルを設け、その二次コイルに流れる電流を、電流検出用抵抗を使って検出するようにしてもよい。しかし、電流検出部をこのように構成すると、電流検出用抵抗で電流が消費されることから、電力損失が大きくなる。

このため、電流検出部は、半導体素子の両端の電位差に基づき、リアクトルに電流が流れていないことを検出するよう構成するとよい。このようにすれば、半導体素子の両端の電位を抵抗分圧等で検出して、その電位差を検出するようにすればよいので、電力損失を低減できる。

実施形態のスイッチング電源回路全体の構成を表す回路図である。 制御部の制御動作を説明する説明図である。 図２の臨界モードでの各部の動作を表すタイムチャートである。 図２の不連続モードでの各部の動作を表すタイムチャートである。 図２の臨界モードと不連続モードの境界領域での各部の動作を表すタイムチャートである。 スイッチング電源回路の変形例を表す回路図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本実施形態のスイッチング電源回路は、所謂チョッパ式降圧コンバータであり、図１に示すように構成されている。

すなわち、本実施形態のスイッチング電源回路には、外部から直流電力を取り込むための一対の入力端Ｔｉ１，Ｔｉ２と、コンデンサＣ１及び負荷２がそれぞれ接続される一対の出力端Ｔｏ１，Ｔｏ２と、入力端Ｔｉ１，Ｔｉ２及び出力端Ｔｏ１，Ｔｏ２をそれぞれ接続する一対の電流経路ＬＨ，ＬＬと、を備える。

入力端Ｔｉ１、出力端Ｔｏ１及び電流経路ＬＨは、直流電圧の正極側であり、入力端Ｔｉ２、出力端Ｔｏ２及び電流経路ＬＬは、直流電圧の負極側である。
そして、一対の電流経路ＬＨ，ＬＬの内、第１電流経路としての一方の電流経路ＬＬには、リアクトルとしてのコイルＬ１が直列に接続されており、更に、その電流経路ＬＬの入力端Ｔｉ２側には、スイッチング素子としてのＦＥＴ１０が直列接続されている。

なお、図１において、ＦＥＴ１０は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴにて構成されているが、本開示のスイッチング素子は、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴであってもよく、バイポーラトランジスタであってもよく、サイリスタであってもよい。つまり、スイッチング素子としては、制御端子を備えた半導体素子であればよい。

また、コイルＬ１とＦＥＴ１０との接続点と、第２電流経路としての電流経路ＬＨとの間には、ＦＥＴ１０がオン状態からオフ状態に切り替えられたときにコイルＬ１に電流を流すための半導体素子として、ダイオードＤ１が設けられている。

つまり、ダイオードＤ１は、アノードがコイルＬ１とＦＥＴ１０との接続点に接続され、カソードが電流経路ＬＨに接続されることで、ＦＥＴ１０がターンオフしたときにコイルＬ１に蓄積されたエネルギにて電流経路ＬＨ側に電流を流し、コンデンサＣ１を充電させる。

また、本実施形態のスイッチング電源回路には、ダイオードＤ１を介してコイルＬ１に電流が流れていないことを検出して、検出信号を出力するための電流検出部１１が設けられている。

電流検出部１１は、ダイオードＤ１の両端の電位を、それぞれ、分圧用の抵抗Ｒ１，Ｒ２、抵抗Ｒ３，Ｒ４により分圧して取り込み、その電位差が略零となったこと（換言すればコイルＬ１に流れる電流の臨界点）を検出するコンパレータ１２にて構成されている。

そして、この電流検出部１１（つまりコンパレータ１２）からの検出信号は、リセット部としてのＡＮＤ回路１４の一方の入力端子に入力される。
次に、本実施形態のスイッチング電源回路には、図３〜図５に示すように、ＦＥＴ１０のオン時間ＴＡを計時し、その計時期間中、ＦＥＴ１０をオンさせる第１タイマ１６と、第１タイマ１６がＦＥＴ１０をオンさせてからの時間を計時し、その計時時間が設定時間ＴＢに達すると一定パルス幅のパルス信号を出力する第２タイマ１８が備えられている。

そして、第２タイマ１８からのパルス信号は、リセット部としてのＡＮＤ回路１４の他方の入力端子に入力される。このため、ＡＮＤ回路１４からは、第２タイマ１８からのパルス信号と、コンパレータ１２からの検出信号が共にハイレベルであるとき、ハイレベルの信号が出力される。

第１タイマ１６は、ＡＮＤ回路１４から出力されるハイレベルの信号によりリセットされ、この信号の立ち下がりタイミングから時間ＴＡの計時を開始する。
次に、第１タイマ１６及び第２タイマ１８による計時時間ＴＡ，ＴＢは、制御部２０にて設定される。

制御部２０は、外部から入力される出力電流Ｉｏの指令値に応じて、第１タイマ１６及び第２タイマ１８の計時時間ＴＡ，ＴＢを設定することで、図２に示すように、負荷２への出力電流Ｉｏが閾値電流以上であるときには、コイルＬ１に流れる電流の電流モードを臨界モードに設定し、出力電流Ｉｏが閾値電流未満であるときには電流モードを不連続モードに設定する。

なお、制御部２０に入力される出力電流Ｉｏの指令値は、例えば、負荷２の消費電力の変化等によって生じる出力電圧の変動（規定電圧からのずれ）に基づき、出力電圧を一定にするために設定される。

制御部２０は、コンピュータ等の数値制御回路にて構成されており、この指令値（つまり出力電流）に対応する計時時間ＴＡ，ＴＢの制御データをメモリから読み出し、第１タイマ１６及び第２タイマ１８に設定することで、各タイマ１６，１８にその時間ＴＡ、ＴＢを計時させる。

具体的には、制御部２０は、臨界モードでは、図３に示すように、第１タイマ１６の計時時間ＴＡを出力電流Ｉｏが大きい程長くなるように設定すると共に、第２タイマ１８の計時時間ＴＢを第１タイマ１６の計時時間ＴＡよりも所定時間長くなるように設定する。

つまり、この臨界モードでは、第１タイマ１６の計時時間ＴＡ（換言すれば、ＦＥＴ１０のオン時間）と出力電流Ｉｏとが比例することから、出力電流Ｉｏの指令値に応じて計時時間ＴＡを設定することで、出力電流Ｉｏを指令値に制御する。

また、制御部２０は、不連続モードでは、図４に示すように、第１タイマ１６の計時時間ＴＡを、臨界モードでの計時時間ＴＡの最小値に固定し、第２タイマ１８の計時時間ＴＢを、臨界モードでの計時時間ＴＢの最小値よりも長く、且つ、出力電流Ｉｏの指令値が小さいほど長くなるように設定する。

また、制御部２０は、臨界モードでは、図５に示すように、第１タイマ１６の計時時間ＴＡの低下に伴い、第２タイマ１８の計時時間ＴＢが予め設定された下限値以下にならないように、第２タイマ１８の計時時間ＴＢを設定する。

つまり、臨界モードにおいて、断続モードとの境界領域では、コンパレータ１２で臨界点が検出されてＦＥＴ１０がオンされるまでの時間が通常時よりも延長することで、ＦＥＴ１０がオンされる周期が短くなりすぎるのを（換言すれば、スイッチング周波数が高くなりすぎるのを）防止している。

以上説明したように、本実施形態のスイッチング電源回路によれば、制御部２０は、外部から入力される出力電流Ｉｏの指令値に応じて、コイルＬ１に流れる電流の電流モードを、臨界モード及び不連続モードの何れかに切り替える。

また、制御部２０は、この切り替えを、出力電流Ｉｏの指令値に応じて第１タイマ１６及び第２タイマ１８の計時時間ＴＡ，ＴＢを設定することにより行う。
このため、本実施形態のスイッチング電源回路によれば、負荷２への出力電流に応じて、電流モードを切り替えることができるだけでなく、各電流モードでのスイッチング素子のオン・オフ時間及びその周期（換言すればスイッチング周波数）を調整することができる。

従って、本実施形態のスイッチング電源回路によれば、制御部２０が第１タイマ１６及
び第２タイマ１８の計時時間ＴＡ，ＴＢを設定することによって、各電流モードで出力電流Ｉｏを定量的に制御することができるようになる。

よって、負荷２の消費電力が変化しても、その変化に応じて出力電流Ｉｏを適正且つ高速に制御することができるようになる。また、電流モードの切り替え等で出力電流が変動することも抑制できることから、その出力変動を抑制するために設けられるコンデンサＣ１の容量を小さくして、スイッチング電源回路を小型化することができる。

また、各電流モードでのスイッチング周波数を任意に設定できるので、下限周波数を高めに設定することで、コイルＬ１を小さくし、スイッチング電源回路の小型化を図ることができる。

また、本実施形態のスイッチング電源回路は、力率改善回路として利用すれば、入力電圧に応じた出力電流の制御を適正に行うことができ、広い入力電圧範囲で、正確な力率改善ができる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態では、リアクトルとしてのコイルＬ１及びスイッチング素子としてのＦＥＴ１０は、負極側の電流経路ＬＬに設けられるものとして説明したが、これは、ＦＥＴ１０の駆動電圧を低電圧にできるようにするためである。

このため、図６に示すように、リアクトルとしてのコイルＬ１及びスイッチング素子としてのＦＥＴ１０は、正極側の電流経路ＬＨに設けるようにしても、本開示のスイッチング電源回路を上記実施形態と同様に構成することはできる。

また、上記実施形態では、ＦＥＴ１０がオン状態からオフ状態に切り替えられたときにコイルＬ１に電流を流すための半導体素子として、ダイオードＤ１を用いるものとして説明した。

これに対し、例えば、ダイオードＤ１に代えてＦＥＴ等の制御端子付きの半導体素子を設け、この半導体素子のオン・オフ状態を、ＦＥＴ１０と同期して、ＦＥＴ１０とは逆方向に切り替えるようにしてもよい。つまり、本開示の半導体素子としては、ダイオードＤ１に代えて、同期整流用のスイッチング素子を用いて構成してもよい。

また、上記実施形態では、電流検出部１１は、分圧用の抵抗Ｒ１〜Ｒ４とコンパレータ１２とを用いて構成するものとして説明した。これに対し、電流検出部１１は、図６に例示するように、電流経路ＬＬに電流検出用抵抗Ｒ５を設け、コンパレータ１２でその両端電圧が、略零の閾値電圧Ｖｔｈ以下であるか否かを判定するように構成してもよい。また、コイルＬ１に対し二次コイルを設け、その二次コイルを使ってコイルＬ１に流れる電流を検出するようにしてもよい。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

Ｔｉ１，Ｔｉ２…入力端、Ｔｏ１，Ｔｏ２…出力端、２…負荷、Ｃ１…コンデンサ、ＬＨ，ＬＬ…電流経路、Ｌ１…コイル、１０…ＦＥＴ、Ｄ１…ダイオード、１１…電流検出部、Ｒ１〜Ｒ５…抵抗、１２…コンパレータ、１４…ＡＮＤ回路、１６…第１タイマ、１８…第２タイマ、２０…制御部。

Claims (4)

1. 外部から直流電力を取り込むための一対の入力端と、
   コンデンサ及び負荷がそれぞれ接続される一対の出力端と、
   前記一対の入力端及び前記一対の出力端をそれぞれ接続する一対の電流経路と、
   前記一対の電流経路の一方である第１電流経路に直列に設けられたリアクトルと、
   前記第１電流経路において前記リアクトルと前記入力端との間に直列に設けられたスイッチング素子と、
   前記第１電流経路における前記リアクトルと前記スイッチング素子との接続点と、前記一対の電流経路の他方である第２電流経路との間に設けられ、前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態に切り替えられたときに前記リアクトルに電流を流すための半導体素子と、
   前記半導体素子を介して前記リアクトルに電流が流れていないことを検出して検出信号を出力する電流検出部と、
   前記スイッチング素子のオン時間を計時し、該計時期間中前記スイッチング素子をオンさせる第１タイマと、
   前記第１タイマが前記スイッチング素子をオンさせてからの時間を計時し、該計時時間が設定時間に達すると一定パルス幅のパルス信号を出力する第２タイマと、
   前記電流検出部から前記検出信号が出力され、前記第２タイマから前記パルス信号が出力されているとき、前記第１タイマをリセットして、前記第１タイマによる前記オン時間の計時を開始させるリセット部と、
   前記負荷への出力電流に応じて前記第１タイマ及び前記第２タイマの計時時間を設定することで、前記負荷への出力電流が閾値電流以上であるときには前記リアクトルに流れる電流の電流モードを臨界モードに設定し、前記負荷への出力電流が閾値電流未満であるときには前記電流モードを不連続モードに設定する制御部と、
   を備えたスイッチング電源回路
2. 前記制御部は、
   前記臨界モードでは、前記第１タイマの計時時間を前記出力電流が大きい程長くなるように設定すると共に、前記第２タイマの計時時間を前記第１タイマの計時時間よりも所定時間長くなるように設定し、
   前記不連続モードでは、前記第１タイマの計時時間を前記臨界モードでの最小値に固定し、前記第２タイマの計時時間を、前記臨界モードでの最小値よりも長く、且つ、前記出力電流が小さいほど長くなるように設定する、
   ように構成されている、請求項１に記載のスイッチング電源回路。
3. 前記制御部は、前記臨界モードでは、前記第１タイマの計時時間の低下に伴い前記第２タイマの計時時間が予め設定された下限値以下にならないように、前記第２タイマの計時時間を設定するように構成されている、請求項２に記載のスイッチング電源回路。
4. 前記電流検出部は、前記半導体素子の両端の電位差に基づき前記リアクトルに電流が流れていないことを検出するよう構成されている、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のスイッチング電源回路。

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