(57)【要約】【課題】高い安定度が要求される機器において、スイッチングノイズの影響を本質的に回避できるスイッチング直流電源とその電源同期方法を提供する。【解決手段】商用交流電源１の特定の位相に同期してスイッチング回路３を作動させる電源同期回路１０を備える。電源同期回路１０は、１ＭＨｚ以上の安定なクロック信号を発振する高周波発振器１２と、商用交流電圧の特定の位相（例えばゼロクロス点）を検出する位相検出回路１４と、クロック信号をカウントして１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満のスイッチング・クロックを形成する分周回路１６と、特定の位相に同期して分周回路のカウントを許可する許可信号を出力するエネーブル回路１８とを有する。分周回路１６は、許可信号に応じてクロック信号をカウントしてスイッチング・クロックをスイッチング回路３に出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電圧を第１直流電圧に整流する第１整流回路と、前記第１直流電圧のスイッチング制御によりスイッチングパルスを発生させるスイッチング回路と、前記スイッチングパルスの電圧を変換するトランスと、該トランスで電圧変換されたスイッチングパルスを第２直流電圧に整流する第２整流回路とを有するスイッチング直流電源であって、
商用交流電源の特定の位相に同期してスイッチング回路を作動させる電源同期回路を備える、ことを特徴とするスイッチング直流電源。
【請求項２】
前記電源同期回路は、１ＭＨｚ以上の安定なクロック信号を発振する高周波発振器と、
商用交流電圧の特定の位相を検出する位相検出回路と、
前記クロック信号をカウントして１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満のスイッチング・クロックを形成する分周回路と、
前記特定の位相に同期して分周回路のカウントを許可する許可信号を出力するエネーブル回路と、を有し、
前記分周回路は、前記許可信号に応じて前記クロック信号をカウントしてスイッチング・クロックを前記スイッチング回路に出力する、ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング直流電源。
【請求項３】
前記商用交流電圧の特定の位相は、ゼロクロス点であり、
さらに、ゼロクロス点とクロック信号の立ち上がり点が一致しないようにずらす移相設定回路を有する、ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング直流電源。
【請求項４】
商用交流電圧を第１直流電圧に整流する第１整流回路と、前記第１直流電圧から１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満の高周波パルスを発生させるスイッチング回路と、前記高周波パルスの電圧を変換するトランスと、該トランスで電圧変換された高周波パルスを第２直流電圧に整流する第２整流回路とを有するスイッチング直流電源の電源同期方法であって、
スイッチング回路で発生するスイッチングパルスを商用交流電源の周波数に同期させる、ことを特徴とするスイッチング直流電源の電源同期方法。
【請求項５】
１ＭＨｚ以上の安定なクロック信号を発振させる高周波発振ステップと、
商用交流電圧の特定の位相を検出する位相検出ステップと、
前記特定の位相に同期して許可信号を出力するカウント許可ステップと、
前記許可信号に応じて前記クロック信号をカウントして１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満のスイッチング・クロックを形成する分周ステップと、を有し、
該スイッチング・クロックを前記スイッチング回路に出力して前記スイッチング回路を作動させる、ことを特徴とする請求項４に記載のスイッチング直流電源の電源同期方法。
【請求項６】
前記商用交流電圧の特定の位相は、ゼロクロス点であり、
さらに、ゼロクロス点とクロック信号の立ち上がり点が一致しないようにずらす、ことを特徴とする請求項５に記載のスイッチング直流電源の電源同期方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用交流電源からスイッチング方式で直流電源を形成するスイッチング直流電源とその電源同期方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング直流電源は、一般的に交流電源を整流して直流電源とし、この直流電源の出力を一旦インバータスイッチ等で交流電圧に変換し、この交流電圧をトランスによって変圧し、この出力を整流回路によって再度直流電圧に変換するものである。
かかるスイッチング直流電源は、特許文献１、非特許文献１、等に開示されている。
【０００３】
図４は、従来のスイッチング直流電源の具体例である。この図において、商用交流電源１の交流電圧は、第１整流回路２内のダイオードの全波整流および抵抗、コンデンサによるフィルターで平滑され直流電圧となる。この直流電圧は、トランジスタなどのスイッチング回路３で１ｋＨｚ以上のスイッチングパルスに変換される。スイッチング回路３は、電源制御回路４で制御される。
スイッチングパルス電圧は、トランス５により降圧（又は昇圧）される。トランスで降圧（又は昇圧）されたスイッチングパルスは第２整流回路６により全波整流され、さらに直流平滑回路７内の抵抗とコンデンサのフィルター、トランジスタと基準電源ＩＣによる安定化電圧回路により直流電圧に変換される。
【０００４】
また、偏差検出アンプ８により直流平滑回路７の電圧と基準電圧９との偏差から、スイッチング回路３を制御して、出力の電圧または電流安定化を図る方式もある。この方式は高い周波数の信号のトランス結合を行うので、小さなトランスを使用できるので電源の軽量化に役立つ。
【０００５】
電源制御回路４には、例えばパルス幅変調素子（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が用いられる。また、スイッチング回路３には、トランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラモードトランジスタ）などが用いられる。
【０００６】
また伝統的なチョッパ型のスイッチングレギュレータでも、スイッチング素子の直後に接続された整流用のインダクタＬとコンデンサＣのタイムコンスタントおよびスイッチング周波数の関係で、ある程度は出力の直流電圧が変更できる。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−７８５３５号、「直流電源装置」
【非特許文献１】東芝ホームページ、インターネット＜ＵＲＬ：ｗｗｗ．ｓｅｍｉｃｏｎ．ｔｏｓｈｉｂａ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｄ／ｐｄｆ＿ｐｒｅｓｅｎ／ｔｒ＿ＰＷＭＯＳＦＥＴ４＿２００５０２．ｐｄｆ＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来のスイッチング直流電源は、入力の商用交流電源とは非同期にスイッチングして電力制御を行うため、このスイッチング回路による電力制御時に生じる急峻なパルスの変化（立ち上がりと立ち下り）により、スイッチングノイズが発生していた。
この結果、この直流電源では、入力の商用交流電源の周波数とは非同期に入力側にスイッチングノイズが生じ、また空間的にもノイズを電磁波として放射していた。
【０００９】
上述したスイッチングノイズは、スイッチングパルスに相当する数ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数であり、フィルターにより一般的な機器には影響が及ばない程度まで除去することができる。
【００１０】
しかし、高い安定度が要求される機器、たとえばＸ線自由電子レーザー用加速器の構成機器の電源や高感度地震計の電源などでは、フィルターによる除去のみでは不十分であり、スイッチングノイズの悪影響を受けるおそれがあった。
またフィルターでは、電源の外部機器に対するこのスイッチングノイズの影響を少なくできる可能性はあるが、完全な除去はできなかった。
【００１１】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高い安定度が要求される機器において、スイッチングノイズの影響を本質的に回避できるスイッチング直流電源とその電源同期方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、商用交流電圧を第１直流電圧に整流する第１整流回路と、前記第１直流電圧のスイッチング制御によりスイッチングパルスを発生させるスイッチング回路と、前記スイッチングパルスの電圧を変換するトランスと、該トランスで電圧変換されたスイッチングパルスを第２直流電圧に整流する第２整流回路とを有するスイッチング直流電源であって、
商用交流電源の特定の位相に同期してスイッチング回路を作動させる電源同期回路を備える、ことを特徴とするスイッチング直流電源が提供される。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記電源同期回路は、１ＭＨｚ以上の安定なクロック信号を発振する高周波発振器と、
商用交流電圧の特定の位相を検出する位相検出回路と、
前記クロック信号をカウントして１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満のスイッチング・クロックを形成する分周回路と、
前記特定の位相に同期して分周回路のカウントを許可する許可信号を出力するエネーブル回路と、を有し、
前記分周回路は、前記許可信号に応じて前記クロック信号をカウントしてスイッチング・クロックを前記スイッチング回路に出力する。
【００１４】
前記商用交流電圧の特定の位相は、ゼロクロス点であり、
さらに、ゼロクロス点とクロック信号の立ち上がり点が一致しないようにずらす移相設定回路を有する、ことが好ましい。
【００１５】
また本発明によれば、商用交流電圧を第１直流電圧に整流する第１整流回路と、前記第１直流電圧から１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満の高周波パルスを発生させるスイッチング回路と、前記高周波パルスの電圧を変換するトランスと、該トランスで電圧変換された高周波パルスを第２直流電圧に整流する第２整流回路とを有するスイッチング直流電源の電源同期方法であって、
スイッチング回路で発生するスイッチングパルスを商用交流電源の周波数に同期させる、ことを特徴とするスイッチング直流電源の電源同期方法が提供される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、１ＭＨｚ以上の安定なクロック信号を発振させる高周波発振ステップと、
商用交流電圧の特定の位相を検出する位相検出ステップと、
前記特定の位相に同期して許可信号を出力するカウント許可ステップと、
前記許可信号に応じて前記クロック信号をカウントして１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満のスイッチング・クロックを形成する分周ステップと、を有し、
該スイッチング・クロックを前記スイッチング回路に出力して前記スイッチング回路を作動させる。
【００１７】
前記商用交流電圧の特定の位相は、ゼロクロス点であり、
さらに、ゼロクロス点とクロック信号の立ち上がり点が一致しないようにずらす、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明の装置及び方法によれば、電源同期回路により、商用交流電源の特定の位相に同期してスイッチング回路を作動させるので、スイッチング直流電源の外部機器へのスイッチングノイズの影響を時間的に一定にできる。
このことは、外部機器へのスイッチングノイズの影響を大きく低減できることを意味する。すなわちノイズの発生タイミングが既知なので、そのタイミングを避けてコンピュータにアナログデータをディジタルに変換して取り込むことが可能となる。
従って結果的に、本発明の電源とそれで駆動される回路が組み込まれた検出装置や機器の、検出感度や安定度の向上につなげることができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
上述したように、フィルターによるスイッチングノイズの完全除去は不可能である。また、一般的な電子機器では問題の無い状況にあるが、非常に高い安定性や低ノイズを要求される高精度機器では、スイッチングノイズに対するさらなる対処が必要である。
高精度の実験等の機器において、スイッチング直流電源によるパルス性ノイズの影響を少なくするためには、ノイズの発生を時間的・空間的に一定にすれば外部機器でのノイズ対策がやりやすい。
具体的には、ノイズの発生を一定にすれば外部機器に対する影響がほぼ既知なので、その機器内にフィルターを追加したり、影響のないタイミングで機器を動作させることが可能となる。それは、電源出力の一定のタイミングで機器を動作させれば、ノイズの影響の無い、出力変動が常に一定であるタイミングで機器を動作でき（実効的に常に一定の電源出力になる）、機器の動作安定度を実効的に上げること意味する。
【００２０】
以上の観点に立ち、本発明の手段では、電源回路の入力商用電力の電圧ゼロクロス点を検出して、その検出タイミングにより水晶発振子からの１ＭＨｚ以上の安定な信号のカウントを、エネーブル回路でスタートさせる。これにより、直流電源のスイッチングタイミング（位相）を商用電力の位相に合わせる（同期させる）ことができる。
加えて、このカウンタで発振子の信号は分周され、ｋＨｚオーダーの電源用スイッチング・クロックが作られる。ここでゼロクロス点を検出する代わりに商用交流電源の位相を正確に検出しても良い。
なお水晶発振のような高い周波数の信号で商用交流電源のゼロクロスタイミングまたは位相を検出するのは、検出・位相設定の時間精度（位相検出・設定精度）を上げるためである。
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本発明によるスイッチング直流電源の構成図である。
この図に示すように、本発明によるスイッチング直流電源は、第１整流回路２、スイッチング回路３、トランス５、及び第２整流回路６を有する。
第１整流回路２は、図示しないダイオード、抵抗、及びコンデンサを備え、例えば６０Ｈｚ又は５０Ｈｚの商用交流電源１の交流電圧を第１直流電圧に整流する。
スイッチング回路３は、例えばトタンジスタであり、第１直流電圧のスイッチング制御によりスイッチングパルスを発生させる。
トランス５は、スイッチングパルスの電圧を変換する。この電圧変換は、降圧又は昇圧のいずれであってもよい。
第２整流回路６は、トランス５で電圧変換されたスイッチングパルスを第２直流電圧に整流する。
【００２３】
図１において、本発明のスイッチング直流電源は、さらに、直流平滑回路７及び偏差検出アンプ８を備える。直流平滑回路７は、抵抗とコンデンサからなるフィルターであり、第２直流電圧を更に平滑化する。
また偏差検出アンプ８は、直流平滑回路７の電圧と基準電圧９との偏差から、スイッチング回路３を制御して、出力の電圧または電流の安定化をはかるようになっている。
【００２４】
図１において、本発明のスイッチング直流電源は、さらに、電源同期回路１０を備える。この電源同期回路１０は、商用交流電源１の特定の位相に同期してスイッチング回路３を作動させる機能を有する。
【００２５】
図２は、図１の電源同期回路の構成図である。この図において、電源同期回路１０は、高周波発振器１２、位相検出回路１４、分周回路１６、及びエネーブル回路１８を有する。
高周波発振器１２は、例えば水晶発振器であり、１ＭＨｚ以上（この例では１２．８ＭＨｚ）の安定なクロック信号を発振する。
位相検出回路１４は、例えばコンパレータであり、商用交流電圧の特定の位相（例えばゼロクロス点）を検出する。
分周回路１６は、例えば複数（この例では２つ）のカウンタ又はシフトレジスタであり、高周波発振器１２のクロック信号（１ＭＨｚ以上）をカウントして、これを例えば１／１０〜１／１０００に分周して、１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満のスイッチング・クロックを形成する。
またこの分周回路１６は、エネーブル回路１８が出力する許可信号に応じてクロック信号をカウントして上述のスイッチング・クロックを形成し、このスイッチング・クロックをスイッチング回路３に出力するようになっている。
エネーブル回路１８は、位相検出回路１４で検出した特定の位相（例えばゼロクロス点）に同期して分周回路１６のカウントを許可する許可信号を出力する。
【００２６】
商用交流電圧の特定の位相は、好ましくは、ゼロクロス点である。またこの場合、電源同期回路１０は、さらに、移相設定回路１７を有し、ゼロクロス点とクロック信号の立ち上がり点が一致しないようにずらすようになっている。
【００２７】
また、この図で１３は波形整形器であり、高周波発振器１２のクロック信号の波形をパルス状に整形する。また、１１は、トランスであり、商用交流電圧を位相検出回路１４に適した電圧（例えば１０Ｖ）に変圧するようになっている。
【００２８】
図２において、高周波発振器１２は、例えば水晶発振器であり、１ＭＨｚ以上（この例では１２．８ＭＨｚ）のサイン波を発生する。水晶発振器の信号は、波形整形器１３で波形が整形されパルス状になる。分周回路１６は、そのパルスをカウントダウンしてスイッチング回路３用のスイッチング・クロックを生成する。この過程でパルスは、分周回路１６のカウンタで１ＭＨｚ以上から１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満の周波数へ変換される。
【００２９】
位相検出回路１４（コンパレータ）は、スイッチング直流電源へ入力される商用交流電源１の電圧ゼロクロスタイミング（ゼロクロス点）を検出する。エネーブル回路１８は、この検出タイミングで許可信号を生成して、分周回路１６に入力し、分周回路１６はこのタイミングでカウントを開始する。
【００３０】
上述した構成により、位相検出回路１４で商用交流電源１の各周期の正確な位相検出を行うことで、分周回路１６におけるカウンタ動作の商用交流電源１に対する正確な同期性を確保することができる。
生成されたスイッチングパルスは、図１の第１整流回路２を通してトランス５の前（上流側）に設置されたスイッチング回路３（トランジスタやＩＧＢＴなどのスイッチング素子）に加えられる。
スイッチング回路３でパルス化された電力は、トランス５により電圧調整されて、第２整流回路６および直流平滑回路７などにより整流され安定な直流電力になる。
【００３１】
本発明のスイッチング直流電源の電源同期方法は、上述したスイッチング回路３で発生するスイッチングパルスを商用交流電源１の周波数に同期させることを特徴とする。
【００３２】
すなわち、本発明のスイッチング直流電源の電源同期方法は、高周波発振ステップ、位相検出ステップ、カウント許可ステップ、及び分周ステップを有し、
高周波発振ステップで、１ＭＨｚ以上の安定なクロック信号を発振させ、
位相検出ステップで、商用交流電圧の特定の位相を検出し、
カウント許可ステップで、前記特定の位相に同期して許可信号を出力し、
分周ステップで、前記許可信号に応じて前記クロック信号をカウントして１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満のスイッチング・クロックを形成する。
このスイッチング・クロックをスイッチング回路３に出力してスイッチング回路３を作動させることで、スイッチング回路３で発生するスイッチングパルスを商用交流電源１の周波数に同期させる。
【００３３】
特に、商用交流電圧の特定の位相は、ゼロクロス点であり、さらに、ゼロクロス点とクロック信号の立ち上がり点が一致しないようにずらすのがよい。
【００３４】
図３は、本発明のスイッチング直流電源の作動説明図である。この図は、具体的なスイッチングパルス生成のタイムチャートを示している。
この図において、（Ａ）が商用交流電源１の交流電圧信号であり、（Ｂ）はその１周期の拡大図である。また（Ｃ）は、分周回路１６の出力信号、すなわち１ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ未満のスイッチングパルスである。
さらに（Ｄ）は、本発明によるスイッチングパルスの拡大模式図であり、本発明では、商用交流電源の０Ｖに同期して交流電圧のゼロクロス点のタイミングにて高周波発振器１２（水晶）で作られた信号（１ＭＨｚ以上）をカウントし始める。そして、分周回路１６のカウンタによる分周でスイッチングパルスを形成する。
従って、本発明によるスイッチング直流電源の外部機器へのスイッチングノイズは、（Ｄ）に縦の細線で示すように、ゼロクロス点から固定されたタイミングで発生する。これにより、スイッチングノイズの影響を時間的に一定にできる。
なお、ゼロクロスタイミングのカウント許可信号と水晶の信号の立ち上がりタイミングが一致すると不安定になることがある。そのために、図２の移相設定回路１７で両者のタイミングが一致しないようにずらしている。
【００３５】
図３の（Ｅ）（Ｆ）は、電源同期がない、非同期の場合を示している。これらの場合には、細線で示すスイッチングノイズの発生タイミングが、ゼロクロス点に同期せず、ランダムに発生する。これにより、スイッチングノイズの影響を時間的に一定にできず、前述したように悪影響を及ぼすことがある。
【００３６】
上述した本発明のスイッチング直流電源は、ノイズを嫌う科学的な実験を含めた全て分野に利用が可能であり、加速器科学、地球科学、工学などへの広い適用範囲がある。特に、高い安定性が必要な実験機器、たとえばＸ線自由電子レーザー用加速器の構成機器の電源などに使用可能である。加えてノイズを嫌う高感度の地震計や高感度ひずみ計などの測地分野、高感度に位置を測定する電子顕微鏡や半導体製造用リソグラフィー分野の、ステージなどの機器にも使用できる。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるスイッチング直流電源の構成図である。
【図２】図１の電源同期回路の構成図である。
【図３】本発明のスイッチング直流電源の作動説明図である。
【図４】従来のスイッチング直流電源の構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  商用交流電源、２  第１整流回路、３  スイッチング回路、
４  電源制御回路、５  トランス、６  第２整流回路、
７  直流平滑回路、８  偏差検出アンプ、９  基準電圧、
１０  電源同期回路、１１  トランス、１２  高周波発振器、
１３  波形整形器、１４  位相検出回路、１６  分周回路、
１７  移相設定回路、１８  エネーブル回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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