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発明の名称 スイッチング電源装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−97288(P2007−97288A)
公開日 平成19年4月12日(2007.4.12)
出願番号 特願2005−282127(P2005−282127)
出願日 平成17年9月28日(2005.9.28)
代理人 【識別番号】100107308
【弁理士】
【氏名又は名称】北村 修一郎
発明者 豊嶋 亮蔵
要約 課題
小規模な構成で、軽負荷の場合における効率の低下を抑制すると共に、負荷変動に対する応答性に優れたスイッチング電源装置を提供する。

解決手段
入力電圧Viを制御パルスPによってスイッチングして所定の出力電圧Voに電圧変換する電圧変換手段1と、基準電圧refと出力電圧Voとの電圧差を検出して制御パルスPのパルス幅を制御する電圧制御手段2と、制御パルスPを生成するための発振信号Xを生成する発振手段3と、を備え、所定の被駆動装置20へ所定の出力電圧Voを供給するスイッチング電源装置10であって、被駆動装置20は、自身の稼動状態に基づく負荷の重さを示す発振制御信号Sを出力し、発振手段3は、発振制御信号Sに基づいて発振信号Xの周波数を変更する。
特許請求の範囲
【請求項1】
入力電圧を制御パルスによってスイッチングして所定の出力電圧に電圧変換する電圧変換手段と、
基準電圧と前記出力電圧との電圧差を検出して前記制御パルスのパルス幅を制御する電圧制御手段と、
前記制御パルスを生成するための発振信号を生成する発振手段と、を備え、
所定の被駆動装置へ前記所定の出力電圧を供給するスイッチング電源装置であって、
前記被駆動装置は、自身の稼動状態に基づく負荷の重さを示す発振制御信号を出力し、
前記発振手段は、前記発振制御信号に基づいて前記発振信号の周波数を変更するスイッチング電源装置。
【請求項2】
前記被駆動装置は、少なくとも前記所定の出力電圧を供給されて動作する動作部と、前記動作部への前記所定の出力電圧の供給をオンオフするスイッチとを有し、
前記発振制御信号は、前記スイッチのオン又はオフの状態を示す信号である請求項1に記載のスイッチング電源装置。
【請求項3】
前記被駆動装置は、少なくとも前記所定の出力電圧を供給されて動作する動作部と、前記動作部の動作を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記動作部に対する制御状態に基づいて前記発振制御信号を生成する請求項1に記載のスイッチング電源装置。
【請求項4】
前記被駆動装置は、少なくとも前記所定の出力電圧を供給されて動作する動作部と、前記動作部の動作を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記動作部に対する制御状態及び前記動作部の稼動状態に基づいて前記発振制御信号を生成する請求項1に記載のスイッチング電源装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、入力された電圧をスイッチング制御により所定の電圧に変換して出力するスイッチング電源装置に関する。特に予め特定される被駆動装置に所定の電圧を出力するためのスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
スイッチング電源は、スイッチング素子の高速スイッチング動作を利用した電源である。構造的に、小型、軽量、高効率であるため、スイッチング方式は電源としてよく用いられる。特に、予め特定される被駆動装置に所定の電圧を供給するための電源は、この被駆動装置を含む装置に組み込まれることが多い。従って、小型、軽量、高効率のスイッチング電源が必要とされる。
【0003】
スイッチング電源は、実際に出力される出力電圧と目標となる所定の電圧との電圧差を検出し、安定した電圧が出力されるようにスイッチング周波数を制御する。一般に、負荷電力制御方式のスイッチング電源では、被駆動装置で消費される電力が増大するに伴ってスイッチング周波数を遅らせる。従って、被駆動装置の電力が小さくなるとき、即ち、軽負荷の場合にはスイッチング周波数が上昇し、スイッチング素子のスイッチング損失が増大し、電圧変換効率が悪くなる。
【0004】
このような問題を解決するため、下記に出典を示す特許文献1には、スイッチング損失が減り、効率向上を図ることのできるスイッチング電源回路が提案されている。このスイッチング電源回路は、スイッチング周波数の元となる発振回路の発振周波数に基づいて軽負荷状態か否かを判別する軽負荷検出経路を具備する。そして、軽負荷の場合には、発振回路による発振を制限する。これにより、負荷の状態によって、間欠発振動作をすることになり、スイッチング周波数が低くなる。その結果、スイッチング損失が減り、効率向上を図ることができる。
【0005】
【特許文献1】特開2001−245471号公報(第1図、第2〜25段落)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1に記載の技術によれば、軽負荷の場合における効率の低下を抑制することができる。しかし、負荷の重さを検出・判別するために、軽負荷検出回路を必要とする。スイッチング電源は、上述したように小型、軽量、高効率である点が利点である。特に装置に組み込まれる場合には、小型化も重要であり、回路規模も可能な限り小さくすることがより好ましい。つまり、軽負荷検出回路などの付加回路を可能な限り、設けない方が好ましい。
【0007】
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。即ち、小規模な構成で、軽負荷の場合における効率の低下を抑制すると共に、負荷変動に対する応答性に優れたスイッチング電源装置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】
【0008】
上記目的を達成するための本発明に係るスイッチング電源装置は以下のように構成される。
入力電圧を制御パルスによってスイッチングして所定の出力電圧に電圧変換する電圧変換手段と、基準電圧と前記出力電圧との電圧差を検出して前記制御パルスのパルス幅を制御する電圧制御手段と、前記制御パルスを生成するための発振信号を生成する発振手段と、を備え、所定の被駆動装置へ前記所定の出力電圧を供給するスイッチング電源装置であって、以下の特徴を備える。
即ち、前記被駆動装置は、自身の稼動状態に基づく負荷の重さを示す発振制御信号を出力し、前記発振手段は、前記発振制御信号に基づいて前記発振信号の周波数を変更することを特徴とする。
【0009】
この特徴構成によれば、被駆動装置自身が、稼動状態に基づいて負荷の重さを示す発振制御信号を出力する。従って、被駆動装置の稼動状態によって負荷が変動し、負荷の変動によって、出力電圧が変動し、この変動が検出されるよりも早く、負荷の変動を発振手段に伝達することができる。その結果、負荷が軽くなる場合には迅速に効率の低下を抑制することができ、負荷が重くなる場合には迅速に出力を増強することができる。
また、この構成によれば、負荷の重さを検出する軽負荷検出回路は必要とされない。従って、スイッチング電源装置の構成を小規模にすることができる。
【0010】
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記特徴に加え、下記構成を特徴とすることができる。
即ち、前記被駆動装置は、少なくとも前記所定の出力電圧を供給されて動作する動作部と、前記動作部への前記所定の出力電圧の供給をオンオフするスイッチとを有し、前記発振制御信号は、前記スイッチのオン又はオフの状態を示す信号である点を特徴とする。
【0011】
被駆動装置が有する動作部を駆動するスイッチのオン又はオフの状態は、被駆動装置の駆動状態を示すものである。従って、このオン又はオフの状態を示す信号を発信制御信号とすることによって、被駆動装置は、発振手段に稼動状態に基づく負荷の重さを伝達することができる。
【0012】
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記特徴に加え、下記構成を特徴とすることができる。
即ち、前記被駆動装置は、少なくとも前記所定の出力電圧を供給されて動作する動作部と、前記動作部の動作を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記動作部に対する制御状態に基づいて前記発振制御信号を生成することを特徴とする。
【0013】
動作部の動作を制御する制御部は、動作部への制御状態から、動作部の稼動状態を推定することができる。つまり、制御部は、現在の稼動状態や、先の稼動予定を推定して、発振制御信号を生成することができる。
そして、被駆動装置の負荷が変動し、出力電圧が変動し、この変動が検出されるよりも早く、負荷の変動を発振手段に伝達することができる。つまり、スイッチング電源装置は、負荷の変動に先んじて発振手段の発振周波数を変動させることができる。その結果、負荷が軽くなる場合には迅速に効率の低下を抑制することができ、負荷が重くなる場合には迅速に出力を増強することができる。
また、この構成によれば、付加の重さを検出する軽負荷検出回路は必要とされない。従って、スイッチング電源装置の構成を小規模にすることができる。
【0014】
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、下記構成を特徴とすることができる。
前記被駆動装置は、少なくとも前記所定の出力電圧を供給されて動作する動作部と、前記動作部の動作を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記動作部に対する制御状態及び前記動作部の稼動状態に基づいて前記発振制御信号を生成することを特徴とする。
【0015】
動作部の動作を制御する制御部は、動作部への制御状態から、動作部の稼動状態を推定することができる。また、通常は、被制御対象(この場合は動作部)の動作状態(稼動状態)を制御部が把握した上で、フィードバック制御が行われることが多い。制御部は、このフィードバック制御において、動作部の現在の稼動状態を加味した上で、新たな制御後の動作部の稼動状態を推定することができる。つまり、制御部は動作部の稼動状態をより正確に推定して、発振制御信号を生成することができる。このように、制御部が、動作部に対する制御状態と動作部の稼動状態とから、より精度の高い発振制御信号を生成するので、負荷変動に対する応答性が向上する。
その結果、スイッチング電源装置は、より正確且つ迅速に負荷の変動に先んじて発振手段の発振周波数を変動させることができる。また、上記構成と同様に、軽負荷検出回路は必要とされないので、スイッチング電源装置の構成を小規模にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明に係るスイッチング電源装置10の原理を示すブロック図である。スイッチング電源装置10は、所定の被駆動装置20へ所定の出力電圧Voを供給する電源装置である。電圧変換手段1は、入力電圧Viを制御パルスPによってスイッチングして所定の出力電圧Voに電圧変換する。電圧制御手段2は、基準電圧refと出力電圧Voとの電圧差を検出して制御パルスPのパルス幅を制御する。発振手段3は、制御パルスPを生成するための発振信号Xを生成する。基準電圧生成手段4は、基準電圧refを生成する。
被駆動装置20は、自身の稼動状態に基づいて被駆動装置20の負荷の重さを示す発振制御信号Sを出力する。発振手段3は、発振制御信号Sに基づいて発振信号Xの周波数を変更する。
【0017】
図2は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置10の構成例を模式的に示すブロック図である。電圧変換手段1は、スイッチング素子として、パワーMOSFET11を有している。入力電圧Viは、制御パルスPに基づき、パワーMOSFET11によってスイッチングされる。そして、インダクタ12a、ダイオード12b、コンデンサ12cなどからなる平滑回路12によって、スイッチングによるリップルが除去されて、出力電圧Voが生成される。
【0018】
出力電圧Voは、被駆動装置20の負荷状況(負荷の重さ)によって変動する。従って、出力電圧Voは電圧制御手段2にフィードバックされ、スイッチング電源装置10はこの変動を解消するように構成される。電圧制御手段2は、トランジスタやオペアンプなどを用いた比較増幅回路2aを有して構成される。基準電圧生成手段4としての定電圧回路4aからは、基準電圧refが電圧制御手段2に入力される。発振手段3としての三角波生成回路3aからは、三角波状の発振信号Xが電圧制御手段2に入力される。尚、三角波状とは、もちろんのこぎり波なども含むものである。電圧制御手段2は、出力電圧Voと基準電圧refとを比較し、方形波状の制御パルスPのデューティー比を制御する。デューティー比の制御は、三角波状の発振信号Xを方形波に変換するしきい値を変動させることによって行われる。
【0019】
基準電圧生成手段4としての定電圧回路4aは、ツェナーダイオードやフォロワ回路(ボルテージフォロワ、エミッタフォロワなど)を有して構成される。
発振手段3としての三角波生成回路3aでは、制御パルスPを生成する元の信号となる三角波状の発振信号Xを生成する。三角波生成回路3aは、下記に説明するように、被駆動装置20からの発振制御信号Sに基づいて発振信号Xの周波数を変更可能に構成されている。
三角波生成回路3aは、コンデンサの充放電制御回路を有して構成される。このコンデンサの充放電の時間によって発振信号Xの周波数が定められる。コンデンサの充放電時間は、充放電電流の制御によって変更することができる。この電流は、定電流回路によって規定することができる。従って、定電流回路の電流値を変更することによって発振信号Xの発振周波数を変更することができる。
定電流回路の電流値は、定電流回路の抵抗器の抵抗値によって規定される。定電流回路の抵抗値を可変にすれば、抵抗値の変更によって発振信号Xの発振周波数を変更することができる。
【0020】
尚、上記説明においては、発振信号Xは三角波であり、三角波はコンデンサの充放電によって生成されるとしたが、これは本願発明を限定するものではない。発振子や発振器、発振回路によって正弦波状の波形が生成され、方形波状に変換され、積分回路を経て三角波が形成されるものであってもよい。発振子は、抵抗器やコンデンサの定数を変更することにより、発振周波数を変更することができる。また、可変周波数発振器では端子の設定によって発振周波数を変更することができる。
つまり、発振手段3が、被駆動装置20からの発振制御信号Sに基づいて発振信号Xの周波数を変更するものであれば、発振方法や波形は適宜変更可能である。
【0021】
図3は、図2の被駆動装置20の第1実施形態を模式的に示すブロック図である。本実施形態において、被駆動装置20は、制御部21と、動作部22とを有して構成される。ここで、例えば、被駆動装置20は車載カメラの制御システムであり、マイクロコンピュータ21Aと第1カメラ22aと第2カメラ22bとから構成される(以下、適宜、カメラ22a、カメラ22bと略称する。)。動作部22としてのカメラ22a、22bは、スイッチング電源装置10の出力電圧Voを供給され、これを電源電圧として動作する。制御部21としてのマイクロコンピュータ21Aは、カメラ22a、22bの動作を制御する。
【0022】
ここで、カメラ22a、22bの動作の制御とは、例えば、下記のような制御である。カメラ22a、22bの電源のオンオフ制御、ズーム制御、撮影方向制御、補助照明のオンオフ制御、感度制御など、種々の制御が含まれる。
【0023】
本発明において、被駆動装置20は所定の装置であり、スイッチング電源装置10と一体又は、組み合わせて使用される。従って、上記種々の制御が実施された場合のカメラ22a、23bの負荷の重さは、予め実験等によって明らかである。マイクロコンピュータ21Aは、カメラ22a、22bへの制御によって変化した後の、被駆動装置20の負荷の重さを予め記憶しておくことや、演算することが可能である。例えば、第1カメラ22aの電源をオフからオンに制御する場合には、負荷が重くなることを記憶又は演算することができる。逆に、オンからオフに制御する場合には、負荷が軽くなることを記憶又は演算することができる。そして、この記憶又は演算結果を用いて、スイッチング電源装置10に発振制御信号Sを出力する。即ち、制御部21は、動作部22に対する制御状態に基づいて発振制御信号Sを生成する。
【0024】
このように、負荷の重さ(大きさ)に影響する動作部22の動作を制御する制御部21が、スイッチング電源装置10に発振制御信号Sを出力する。そして、スイッチング電源装置10の発振手段3が、発振制御信号Sに基づいて発振信号Xの発振周波数を変更する。その結果、実際に負荷が変動して、スイッチング電源装置10の出力電圧Voが変動する前に、発振手段3によって発振周波数を変更することが可能となる。従って、スイッチング電源装置10は、負荷変動に対して良好に応答することのできるものとなる。また、スイッチング電源装置10に負荷変動を検出する手段を備えることなく、負荷変動に応答できるので、小規模な構成を実現することができる。被駆動装置20も、負荷変動を検出する必要はなく、動作部22への制御に応じて発振制御信号Sを出力するので、規模を増大させることはない。
【0025】
図4は、図2の被駆動装置20の第2実施形態を模式的に示すブロック図である。第1実施形態と同様に、被駆動装置20は、例えば、車載カメラの制御システムであり、マイクロコンピュータ21Aと、第1カメラ22a、第2カメラ22bとから構成される。本実施形態においては、マイクロコンピュータ21Aは、制御部21として機能すると共に、動作部22としても機能する。マイクロコンピュータ21Aは、第1カメラ22aからの画像データを画像処理する第1演算部23aと、第2カメラ22bからの画像データを画像処理する第2演算部23bとを備えている(以下、適宜、演算部23a、演算部23bと略称する。)。マイクロコンピュータ21Aに備えられる制御部21は、カメラ22a、22bと、演算部23a、23bとを制御する。
【0026】
ここで、カメラ22a、22bの動作の制御とは、第1実施形態と同様に、下記のような制御である。カメラ22a、22bの電源のオンオフ制御、ズーム制御、撮影方向制御、補助照明のオンオフ制御、感度制御など、種々の制御が含まれる。
また、演算部23a、23bの制御とは、例えば、下記のような制御である。画像の色補正、傾き補正、歪補正、画像合成、物体認識、モニタ表示画像の生成など、種々の制御が含まれる。また、カメラ22a、22bからの撮影データ画像情報より、演算部22a、23bにおける明度補正などの各種補正の要否を推定することもできる。
【0027】
本発明において、被駆動装置20は所定の装置であり、スイッチング電源装置10と一体又は、組み合わせて使用される。従って、上記種々の制御が実施された場合の動作部22(カメラ22a、22b、演算部23a、23b)の負荷の重さは、予め実験等によって明らかである。マイクロコンピュータ21Aは、動作部22への制御によって変化した後の、被駆動装置20の負荷の重さを予め記憶しておくことや、演算することが可能である。また、上述したように画像補正の要否を推定するなど、制御部21へフィードバックされる動作部22の実際の稼動状態から被駆動装置20の負荷の重さをより正確に演算可能である(フィードバック経路は、図面簡略化のため不図示。)。
【0028】
また、上述したカメラ22a、22bへの制御の他、演算部23a、23bへの制御や稼動状態によって変化する負荷の重さも演算可能である。例えば、単にモニタに撮影画像を表示するだけの場合に比べ、撮影画像中から障害物を認識する場合には、演算量が増加して負荷が重くなる。制御部21は、演算部23a、23bの演算処理のステータスなどのフィードバックを受け、各ステータスにおける演算負荷を演算することができる。そして、この演算結果を用いて、動作部22としての稼動状態をより正確に推定し、スイッチング電源装置10に発振制御信号Sを出力する。
【0029】
このように、負荷の重さ(大きさ)に影響する動作部22の動作を制御する制御部21が、スイッチング電源装置10に発振制御信号Sを出力する。そして、スイッチング電源装置10の発振手段3が、発振制御信号Sに基づいて発振信号Xの発振周波数を変更する。その結果、実際に負荷が変動して、スイッチング電源装置10の出力電圧Voが変動する前に、発振手段3によって発振周波数を変更することが可能となる。従って、スイッチング電源装置10は、負荷変動に対して良好に応答することのできるものとなる。また、スイッチング電源装置10に負荷変動を検出する手段を備えることなく、負荷変動に応答できるので、小規模な構成を実現することができる。被駆動装置20も、負荷変動を検出する必要はなく、動作部22への制御に応じて発振制御信号Sを出力するので、規模を増大させることはない。
【0030】
図5は、図2の被駆動装置20の第3実施形態を模式的に示すブロック図である。本実施形態において、被駆動装置20は、スイッチ26(26a、26b)と、動作部22としての第1機器25a、第2機器25bとを有して構成される。ここで、例えば、被駆動装置20は車載カメラの制御システムや、ソレノイドなどのアクチュエータ駆動システムである。第1機器25aや第2機器25bは、車載カメラやソレノイドなどである(以下、適宜、機器25a、機器25bと略称する。)。機器25a、25bは、スイッチング電源装置10の出力電圧Voを供給され、出力電圧Voを電源電圧として動作する。スイッチ26aと26bとは、機器25aと25bとに対して電源電圧の供給をオンオフすることによって、機器25aと25bとの動作を制御する。スイッチ26aと26bとは、それぞれのスイッチに連動するスイッチ27aと27bとを有している。
【0031】
本発明において、被駆動装置20は所定の装置であり、スイッチング電源装置10と一体又は、組み合わせて使用される。従って、上記スイッチ26aと26bとの一方又は双方がオンされた場合の付加の重さは、予め実験等によって明らかである。従って、スイッチ26a、26bに連動するスイッチ27a、27bを介して、スイッチング電源装置10に発振制御信号F(S)を出力する。即ち、駆動装置20は、スイッチ26a、26bのオン又はオフの状態を示す信号(F)を、スイッチング電源装置10へ出力する。
【0032】
図5に示す例においては、スイッチ27a、27bのオンオフによって、並列に接続される抵抗器R1、R2、R1a、R2aの合成抵抗が変化する。信号Fを介して、この合成抵抗が図2に示す発振手段3に伝達されて、発振周波数が変化する。本実施例では、このように抵抗値を変化させることによって、発振周波数を変化させる例を用いたが、これに限ることはない。スイッチ27a、27bのオンオフによる信号線を別個に用意し、発振手段3にそれぞれのオンオフ状態を伝達する形式でもかまわない。
【0033】
尚、図5に示す例においては、スイッチ26a、26b及びこれらに連動するスイッチ27a、27bのオンオフ操作は、オンオフ指示SS1、SS2によってなされる。このオンオフ指示SS1、SS2は、機械的指示であってもよいし、電気的な信号による指示であってもよい。
【0034】
このように、駆動装置20が自身の稼動状態に基づく負荷の重さを示す発振制御信号F(S)をスイッチング電源装置10に出力する。そして、スイッチング電源装置10の発振手段3が、発振制御信号S(F)に基づいて発振信号Xの発振周波数を変更する。その結果、実際に負荷が変動して、スイッチング電源装置10の出力電圧Voが変動する前に、発振手段3によって発振周波数を変更することが可能となる。従って、スイッチング電源装置10は、負荷変動に対して良好に応答することのできるものとなる。また、スイッチング電源装置10に負荷変動を検出する手段を備えることなく、負荷変動に応答できるので、小規模な構成を実現することができる。被駆動装置20も、負荷変動を検出する必要はなく、動作部22への制御に応じて発振制御信号Sを出力するので、規模を増大させることはない。
【0035】
以上、説明したように本発明によって、小規模な構成で、軽負荷の場合における効率の低下を抑制すると共に、負荷変動に対する応答性に優れたスイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明に係るスイッチング電源装置の原理を示すブロック図
【図2】本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置の構成例を模式的に示すブロック図
【図3】図2の被駆動装置の第1実施形態を模式的に示すブロック図
【図4】図2の被駆動装置の第2実施形態を模式的に示すブロック図
【図5】図2の被駆動装置の第3実施形態を模式的に示すブロック図
【符号の説明】
【0037】
1 :電圧変換手段
2 :電圧制御手段
3 :発振手段
10 :スイッチング電源装置
20 :被駆動装置
21 :制御部
22 :動作部
26 :スイッチ
Vi :入力電圧
Vo :出力電圧
P :制御パルス
X :発振信号
S :発振制御信号
ref:基準電圧




 

 


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