(57)【要約】本発明は特定の周波数成分のノイズが強くなることを回避できるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。本発明は、一次電源からの入力をスイッチングして二次電源として出力するスイッチング電源と、前記一次電源または前記二次電源の出力に含まれるノイズの周波数成分を解析し、前記周波数成分のうち最大振幅のノイズと異なる周波数で前記スイッチング電源にスイッチングさせるノイズ周波数解析装置を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次電源からの入力をスイッチングして二次電源として出力するスイッチング電源と、前記一次電源または前記二次電源の出力に含まれるノイズの周波数成分を解析し、前記周波数成分のうち最大振幅のノイズと異なる周波数で前記スイッチング電源にスイッチングさせるノイズ周波数解析装置を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
請求項１のスイッチング電源を前記一次電源または前記二次電源の間に複数並列接続し、前記ノイズ周波数解析装置は、前記解析したノイズの周波数成分のうち最大振幅のノイズと異なる周波数で前記スイッチング電源にスイッチングさせるスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記一次電源または前記二次電源の出力に含まれるノイズの周波数成分が複数ある場合、前記ノイズ周波数解析装置は前記複数あるノイズの周波数成分のいずれとも異なる周波数で前記スイッチング電源にスイッチングさせる請求項１または２のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記一次電源または前記二次電源のノイズ周波数の解析にはＦＦＴ（Fast  Fourier  Transform）を用いる請求項１から３のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記一次電源または前記二次電源の出力電圧の変動をデジタルデータに変換して前記ノイズ周波数解析装置に出力するＡＤコンバータを備える請求項１から４のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記一次電源と前記スイッチング電源及び前記二次電源と前記スイッチング電源の間にノイズフィルタを備えた請求項１から５のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記ノイズの周波数成分の解析は、前記スイッチング電源の動作開始前に行う請求項１から６のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項８】
前記スイッチング電源はＤＣ−ＤＣコンバータである請求項１から７のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
【請求項９】
一次電源からの入力をスイッチングして二次電源として出力するスイッチング電源の駆動方法であって、前記一次電源または前記二次電源の出力に含まれる周波数成分を解析し、前記周波数成分のうち最大振幅のノイズと異なる周波数で前記スイッチング電源をスイッチングさせることを特徴とするスイッチング電源の駆動方法。
【請求項１０】
一次電源からの入力をスイッチングして二次電源として出力するスイッチング電源の駆動プログラムであって、前記一次電源または前記二次電源の出力に含まれる周波数成分を解析する処理と、前記周波数成分のうち最大振幅のノイズと異なる周波数で前記スイッチング電源をスイッチングさせる処理をコンピュータに実行させること特徴とするスイッチング電源の駆動プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源装置、スイッチング電源の駆動方法、スイッチング電源の駆動プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、１つの製品内に複数のスイッチング電源（例えばDC-DCコンバータ）を搭載することが多くなっている。そのとき、同じ（スイッチング周波数をもつ）スイッチング電源を使用すると、一次電源に特定の周波数を持つノイズ成分が強くなり、既存の電源フィルタでノイズを除去するのが困難となり様々な弊害をもたらす。【０００３】
最近の製品には、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）が搭載されることが多く、年々高機能化が進んでいる。このＣＰＵを活用することで高度な制御が可能となっている。【０００４】
特許文献１（特開２０１４−８３１５５号公報）は、複数のスイッチング電源を用いる超音波診断装置で、複数のスイッチング電源を互いに異なるスイッチング周波数で動作させている。このようにすればスイッチング周波数の重畳に起因するレールノイズを低減できるとしている。【０００５】
また特許文献２（特開２０１２−１５１９３７号公報）には次のようなスイッチング電源装置が開示されている。複数台のスイッチング電源装置で電源システムを構成するとき、各スイッチング電源装置が有するスイッチング周波数の差の周波数のビートノイズが出力に発生する。これを解決するため、各スイッチング電源装置に同期運転制御回路を設け、１つのスイッチング電源装置をマスターとし、他をマスター電源の発振クロック信号に基づいてスイッチング周波数が決まるスレーブ電源としている。このようにすれば個々の発振クロック信号にばらつきがあったとしても、各スイッチング電源装置のスイッチング周波数が一致してビートノイズの発生を防げるとしている。【０００６】
また特許文献３（特開２０１１−１０４６６号公報）には、複数のスイッチング電源部を用いるスイッチング電源装置のノイズ低減手法が開示されている。スイッチング電源部内のスイッチング素子の状態を表す信号によって、スイッチング電源部を制御する変調信号を出力する変調信号出力部を制御し、かつこの変調信号出力部の構成を変更できるようにしている。また、変調信号出力部の構成の一例として変調信号の周波数を可変する周波数調整部を備えている。周波数調整部は、スイッチング電源部に起因するノイズが小さくなるように、その出力周波数を調整する。具体的には、測定などに影響を与えない周波数に設定する。【０００７】
特許文献３の図６は、半導体試験装置等で測定信号を測定する測定周波数と、スイッチング電源部が発生するノイズとの関係を示している。図６（Ａ）は測定周波数とノイズの周波数スペクトルの周波数が一致している場合を表している。この場合は、測定はノイズによって大きな影響を受ける。このようなときは、周波数調整部の出力周波数をずらすことにより、図６（Ｂ）のように測定周波数からノイズのスペクトルをずらすことができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−８３１５５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１５１９３７号公報
【特許文献３】特開２０１１−１０４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
複数のスイッチング電源を使用する場合、複数のスイッチング電源のスイッチング周波数が同一になると、特定の周波数成分のノイズが極大化してしまい、キャパシタやインダクタなどによる既存の電源フィルタではノイズを除去しきれない場合があった。自装置に内蔵するスイッチング電源のスイッチングのタイミングをずらすことで、ある程度のノイズ抑制は可能であった。しかし外部から供給される一次電源に重畳しているノイズの周波数は未知のため、一次電源に重畳しているノイズ成分と製品内のスイッチング電源のスイッチング周波数が同一になることは回避できなかった。【００１０】
特許文献１、２はいずれも複数のスイッチング電源の間で生じる問題についての発明であり、一次電源に重畳しているノイズ成分とスイッチング電源のスイッチング周波数が同一になることは解決できない。【００１１】
また特許文献３の測定周波数とは、半導体試験装置の試験対象から出力される信号の周波数であり、特許文献１、２と同様に、一次電源に重畳しているノイズ成分とスイッチング電源のスイッチング周波数が同一になることは解決できない。【００１２】
以上複数のスイッチング電源を用いる場合について述べたが、スイッチング電源が一つであっても、外部から供給される一次電源に重畳しているノイズの周波数が未知であることは変わりがない。そのためスイッチング電源が一つの場合も、一次電源に重畳しているノイズ成分とスイッチング電源のスイッチング周波数が同一になる恐れがある。【００１３】
本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、特定の周波数成分のノイズが強くなることを回避できるスイッチング電源装置、スイッチング電源の駆動方法、スイッチング電源の駆動プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、一次電源からの入力をスイッチングして二次電源として出力するスイッチング電源と、前記一次電源または前記二次電源の出力に含まれるノイズの周波数成分を解析し、前記周波数成分のうち最大振幅のノイズと異なる周波数で前記スイッチング電源にスイッチングさせるノイズ周波数解析装置を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置である。【００１５】
また本発明は、一次電源からの入力をスイッチングして二次電源として出力するスイッチング電源の駆動方法であって、前記一次電源または前記二次電源の出力に含まれる周波数成分を解析し、前記周波数成分のうち最大振幅のノイズと異なる周波数で前記スイッチング電源をスイッチングさせることを特徴とするスイッチング電源の駆動方法である。【００１６】
また本発明は、一次電源からの入力をスイッチングして二次電源として出力するスイッチング電源の駆動プログラムであって、前記一次電源または前記二次電源の出力に含まれる周波数成分を解析する処理と、前記周波数成分のうち最大振幅のノイズと異なる周波数で前記スイッチング電源をスイッチングさせる処理をコンピュータに実行させることを特徴とするスイッチング電源の駆動プログラムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、特定の周波数成分のノイズが強くなることを回避できるスイッチング電源装置、スイッチング電源の駆動方法、スイッチング電源の駆動プログラムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態のスイッチング電源を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態のスイッチング電源を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態で行う元データの時系列データから周波数系列データへの変換を示す図である。
【図４】背景技術を示す図で、一次電源の周波数成分を監視せずにスイッチング電源を動作させたときの周波数系列データを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のスイッチング電源の動作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す図で、一次電源のノイズの周波数成分とスイッチング電源によるノイズの周波数成分が重なるのを回避したことを示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す図で、複数のスイッチング電源のスイッチング電源周波数をずらしてノイズの周波数成分が重なるのを回避したことを示す図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を示す図で、二次電源側でノイズの周波数成分を検出するようにしたスイッチング電源装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態を示すブロック図である。本実施形態のスイッチング電源装置はスイッチング電源１０１とノイズ周波数解析装置３０４を備える。スイッチング電源１０１は一次電源１００からの入力をスイッチングして二次電圧１０２として出力する。この二次電圧１０２が二次電源である。ノイズ周波数解析装置３０４は、一次電源１００の出力に含まれる周波数成分を解析し、スイッチング電源１０１に対して、一次電源１００の最大のピークを持つノイズ周波数とは異なる周波数で一次電源１００をスイッチングさせる制御信号１０５を出力する。このようにすると、二次電源は、一次電源に重畳するノイズ成分とスイッチング電源１０１のスイッチング周波数が同一になることを回避し、特定の周波数成分のノイズが突出して大きくなるのを防ぐことができる。
（第２の実施形態）
＜実施形態の構成＞
図２は本発明の第２の実施形態のスイッチング電源装置を示すブロック図である。
【００２０】
スイッチング電源が複数（図２では１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの３つ）搭載されており、全て同じ一次電源１００を使用する。スイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはＣＰＵ１０４からそれぞれ制御信号１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃが入力され、それによってスイッチング周波数やスイッチングタイミングを制御することが可能である。本実施形態ではスイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃとしてはＤＣ−ＤＣコンバータを用いる。例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式のＤＣ−ＤＣコンバータを用いることができる。
【００２１】
ＡＤコンバータ１０３は一次電源１００の電圧をＡＤ（Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ）変換し、電圧値をデジタル化したデジタル信号１０８をＣＰＵ１０４に伝達する。ＣＰＵ１０４はマイコン（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ、Ｍｉｃｒｏ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）で構成される。ＣＰＵ１０４はＡＤコンバータ１０３から受け取ったデジタルデータを解析し、スイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに対して制御信号１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを出力する。制御信号１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは各スイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃのスイッチング周波数とスイッチングするタイミングを設定する。
【００２２】
電源フィルタ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃは、供給される一次電源１００に重畳しているノイズを除去する他、スイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが発生するスイッチングノイズが一次電源１００に重畳しないようにするために実装される。電源フィルタ１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃはスイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが発生するスイッチングノイズを除去するために実装される。
＜実施形態の動作＞
図２におけるＡＤコンバータ１０３は一次電源１００を一定周期でＡＤ変換し電圧値をデジタル信号１０８に変換する。ＣＰＵ１０４は、デジタル信号１０８を一次電源１００の電圧の時系列の変動を表すデータ（図３の元データ２０１）として受け取る。
【００２３】
一次電源１００の電圧値を表すデジタル信号１０８を受け取ったＣＰＵ１０４は、デジタル信号１０８に対してFFT（Fast  Fourier  Transform、高速フーリエ変換）などの処理を行い、図３に示す周波数系列の変換データ２０２に変換する。図３の縦軸は振幅である。
【００２４】
一次電源の出力電圧の周波数成分を監視せずにスイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを動作させると、図４に示す通り、元々一次電源に重畳しているノイズ成分Ｂ  ２０３ｂと同じ周波数でスイッチングすることがある。すると元々存在していたノイズ成分Ｂ２０３ｂにさらにスイッチング電源によるノイズ３０３が重畳してしまい、ノイズが増大してしまう。スイッチング電源の出力にはＤＣ成分以外に、ノイズであるＡＣ成分が重畳する。このＡＣ成分の周波数はスイッチング電源のスイッチング周波数であり、これがノイズ３０３である。
【００２５】
図４では一次電源に重畳する３つのノイズ成分のうち２０３ｂが最大振幅であり、これとスイッチング電源のノイズ成分が同一周波数であると、この周波数のノイズ成分が他の２０３ｂより小振幅のノイズ成分２０３ａ、２０３ｃよりも大きくなる。するとノイズフィルタで除去できなくなる可能性が出てくる。特定の周波数のノイズが極大になる結果、既存の一次電源フィルタ（図２における１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ）ではノイズ成分を除去しきれなくなる可能性がある。またスイッチング電源出力（図２における二次電圧１０２ａ〜１０２ｃ）にも大きなノイズが重畳して図２の電源フィルタ１０７ａ〜１０７ｃで除去しきれなくなったりする可能性がある。電源フィルタの出力つまりスイッチング電源装置の出力にはＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）が接続されていることが多いが、最近のＬＳＩは低電圧化が進んでいるため、少しのノイズでも致命的な誤動作を引き起こす。
【００２６】
そこで本実施形態では、スイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの動作を開始させる前に、図５のフローチャートに示すように、ＣＰＵ１０４が一次電源のＦＦＴ演算を行い、周波数ドメインでのノイズ成分２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃを得る（Ｓ５１）。このデータ２０２からノイズ成分が少ない周波数を特定する（Ｓ５２）。ＣＰＵ１０４が制御信号１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ経由でこの一次電源に重畳しているノイズが少ないスイッチング周波数でスイッチングするようスイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに対して制御を行う（Ｓ５３）。例えば一次電源のノイズで最大振幅の成分の周波数が500KHz、100KHz離した400KHzまたは600KHzがノイズ成分の少ない周波数だとすると、スイッチング周波数400KHzまたは600KHzでスイッチングする。ここでは600KHzでスイッチングさせた。このスイッチング周波数は最大振幅ではない他のノイズ２０３ａ、２０３ｃの周波数とも重ならない。本実施形態では３つのスイッチング電源のスイッチング周波数は同じとした。
【００２７】
その結果、図６に示す通り、一次電源に重畳するノイズ成分２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃとスイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃのスイッチングによるノイズ成分４００とが別の周波数となり重ならない。その結果特定の周波数成分のノイズが突出して大きくなることを防ぎ、既存・小型の電源フィルタ（図２における１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ）でノイズ除去しやすくなる。また、同様な作用により、スイッチ電源の二次側に発生するノイズについても、特定の周波数のノイズが強くなることを防ぎ、二次側の電源フィルタ（図２における１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ）で除去しやすくなる。なおスイッチング電源のノイズには一般にノーマルモードノイズとコモンモードノイズの二種類があるが、本実施形態ではその両方を対象にできる。
【００２８】
また本実施形態ではスイッチング電源の制御にＣＰＵを用いている。ＣＰＵを動作させるプログラムに、スイッチング電源の制御プログラムを追加している。そのためスイッチングコントローラを設けずＣＰＵにスイッチング信号を生成させることで、回路全体の小型化・低コスト化が可能になる。
【００２９】
また本実施形態では、ＡＤコンバータ１０３を設けている。最近の製品では電圧監視目的にＡＤコンバータが搭載されることが一般的になっており、そのＡＤコンバータの出力を流用できる。そのため新規に部品を追加する必要がない。
【００３０】
またスイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはＰＷＭ方式のスイッチング電源だけでなく、周波数制御方式のスイッチング電源なども適用可能である。
（第３の実施形態）
第２の実施形態では、複数のスイッチング電源のスイッチング周波数を同じとした。そかし、複数のスイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃのスイッチング周波数を互いにずらすこともできる。すると図７に示すように、スイッチング電源１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃがそれぞれ発生するノイズ成分５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃの周波数が互いに全て異なる。そのためノイズレベルをさらに下げることが可能となる。
（第４の実施形態）
第１〜第３の実施形態では一次電源側からノイズ成分の周波数を検出した。しかし図８に示す通り、二次側からでも検出可能である。ＡＤコンバータ６０３が二次電源としての二次電圧１０２ａ，１０２ｂ、１０２ｃを測定し、測定値をＡＤ変換したデジタル信号６０５をＣＰＵ１０４に出力する。以降は第１〜第３の実施形態と同様の動作である。ユーザは、自分が管理しているＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチング電源のスイッチング周波数は分かっているので、それ以外の周波数をノイズとして特定できる。
（第５の実施形態）
第１〜第４の実施形態では、スイッチング周波数は、一次電源または二次電源の、複数存在するノイズ成分の周波数のどれにも重ならない周波数を使った。しかし複数のノイズ成分のうち一部のノイズの振幅が非常に小さいと、その小振幅のノイズとスイッチング電源が発生するノイズの合計振幅がノイズフィルタで除去できる程度に収まることがある。その場合はスイッチング周波数と小振幅のノイズ成分の周波数が重なっても構わない。
【００３１】
具体的には、ノイズフィルタで除去できる電圧振幅を閾値として設定し、それ以下のピークのノイズであれば、重なっても良いとしてスイッチング周波数を決めることができる。本実施形態ではスイッチング周波数を決める際の自由度が向上する。
（第６の実施形態）
第１〜第５の実施形態では、スイッチング電源の動作開始前にノイズ成分が少ない周波数を特定している。しかしこれに限らず、スイッチング電源の動作中に特定してもよい。ノイズ成分が時間変化する可能性がある場合に有効である。また動作開始前と動作中の両方で特定しても良い。
【００３２】
なお、本発明のノイズ周波数解析装置は専用の装置によって実現してもよく、第２の実施形態で説明したようにＣＰＵ（コンピュータ）によっても実現可能である。このコンピュータは、メモリ（不図示）に格納されたソフトウェア・プログラムを読み出し、読み出したソフトウェア・プログラムをＣＰＵにおいて実行することにより、実行結果の制御信号を、スイッチング電源に出力する。上述した各実施形態の場合、係るソフトウェア・プログラムには、上述の、ＣＰＵ及びスイッチング電源の機能を実現可能な記述がなされていればよい。更に、このソフトウェア・プログラムを格納した、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体も、本発明を構成すると捉えることができる。
【００３３】
以上、本発明を、上述した各実施形態によって説明した。しかし、本発明の技術的範囲は、上述した各実施形態およびその変形例に記載した範囲には限定されない。当業者には、係る実施形態に対して多様な変更又は改良を加えることが可能であることは明らかである。そのような場合、係る変更又は改良を加えた新たな実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれ得る。
【００３４】
この出願は、２０１５年９月１５日に出願された日本出願特願２０１５−１８１３２７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００３５】
１００    一次電源
１０１    スイッチング電源
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ    二次電圧
１０３    ＡＤコンバータ
１０４    ＣＰＵ
３０４    ノイズ周波数解析装置
１０５、１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ    制御信号
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ    ノイズフィルタ
１０８、６０５    デジタル信号
２０１    元データ
２０２    変換データ
２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ    ノイズ成分
５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ    ノイズ成分
６０３    ＡＤコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017047068.tif 000008
【図７】
2017047068.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
2017047068.tif 000011
2017047068.tif 000012