(57)【要約】【課題】スイッチング電源回路に使用され、スイッチングの周波数を自由に定められ、その周波数を所定周波数帯に満遍無く拡散できるＰＷＭ制御装置の提供。【解決手段】入力された直流電力を、基準周波数に基づく所定周波数の範囲で変動させながらスイッチングする為のＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御装置。電流検出器４が検出した出力電流値に基づき、基準周波数を定める周波数決定手段（１）と、定めた基準周波数に基づく所定周波数の範囲で、ＰＷＭ信号の周波数を変動させる周波数変動手段（１）と、スイッチング電源回路への入力電圧値を検出する手段５と、検出した入力電圧値及び目標電圧値に基づき、ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する算出手段（１）と、スイッチング電源回路の出力電圧値を検出する手段８と、検出した出力電圧値及び目標電圧値の算出した差に基づき、デューティ比を補正する補正手段（１）とを備える構成である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その出力電流値を検出する電流検出器を備え、入力された直流電力を、基準周波数に基づく所定周波数の範囲で変動させながらスイッチングすることにより電圧変換するスイッチング電源回路に使用され、前記直流電力をスイッチングする為のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力するＰＷＭ制御装置であって、
前記電流検出器が検出した出力電流値に基づき、前記基準周波数を定める周波数決定手段と、該周波数決定手段が定めた基準周波数に基づく所定周波数の範囲で、前記ＰＷＭ信号の周波数を変動させる周波数変動手段と、前記スイッチング電源回路への入力電圧値を検出する手段と、該手段が検出した入力電圧値及び目標電圧値に基づき、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する算出手段と、前記スイッチング電源回路の出力電圧値を検出する手段と、該手段が検出した出力電圧値及び目標電圧値の差を算出し、算出した差に基づき、前記算出手段が算出したデューティ比を補正する補正手段とを備えることを特徴とするＰＷＭ制御装置。
【請求項２】
前記周波数決定手段は、電流検出器が検出した出力電流値が所定電流値以下であるときは、前記基準周波数を所定周波数低下させるように構成してある請求項２記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項３】
前記補正手段が補正したデューティ比が、予め設定されたデューティ比上限値を超えるときは、デューティ比を該デューティ比上限値とする手段と、前記補正手段が補正したデューティ比が、予め設定されたデューティ比下限値未満であるときは、デューティ比を該デューティ比下限値とする手段とを更に備える請求項１又は２記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項４】
前記スイッチング電源回路の出力電流値が過電流値であることを示す過電流信号を割込みにより受信する手段と、該手段が過電流信号を受信したときに、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を割込処理により０にする手段と、前記スイッチング電源回路の出力電圧値が過電圧値であることを示す過電圧信号を割込みにより受信する手段と、該手段が過電圧信号を受信したときに、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を割込処理により０にする手段とを更に備える請求個１乃至３の何れか１項に記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項５】
前記周波数変動手段は、乱数を発生させる手段を備え、該手段が発生させた乱数に基づき、前記ＰＷＭ信号の周波数を変動させるように構成してある請求個１乃至４の何れか１項に記載のＰＷＭ制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載されたＰＷＭ制御装置を備え、入力された直流電力を、該ＰＷＭ制御装置が出力したＰＷＭ信号でスイッチングすることにより電圧変換するように構成してあることを特徴とするスイッチング電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力された直流電力をスイッチングすることにより電圧変換するスイッチング電源回路に使用されるＰＷＭ制御装置、及び該ＰＷＭ制御装置を備えるスイッチング電源回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源回路は、スイッチング素子をオン／オフすることにより、直流電力を降圧又は昇圧する電源回路であり、断続する直流電力が変圧器及び平滑回路、又は平滑回路のみを通流することにより電圧変換される。また、チョークコイルを使用し、回路を断続的に短絡させることにより昇圧するものもある。
スイッチング電源回路では、その変圧比は、スイッチング素子をオン／オフするパルス信号の周波数には関係せず、そのパルス信号のデューティ比により定められる。
【０００３】
その為、従来のスイッチング電源回路では、スイッチング素子をスイッチングするパルス信号を、スイッチングＩＣが内蔵するオペアンプを用いた三角波発生回路によりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御して作成している。つまり、三角波発生回路が発生させた三角波と、目標電圧値に関連する電圧信号との大小を比較し、その比較結果に応じてパルス信号（ＰＷＭ信号）のデューティ比が定まる。
【０００４】
パルス信号の周波数は、三角波発生回路を構成する積分回路に通流する電流値で定まり、前述したスイッチングＩＣでは、その積分回路に通流する電流値を定める為の抵抗が外付けされるようになっている。
スイッチング電源回路では、スイッチング素子をオン／オフすることにより電磁ノイズが発生するので、その電磁ノイズが特定の周波数に集中しないように、スイッチング用のパルス信号の周波数を時系列的に拡散させる様々な技術が提案され実用化されている。
【０００５】
特許文献１には、コンデンサを充電しかつ放電させる抵抗を用いて三角波を発生させ、発生させた三角波の電圧と電源の出力電圧とを比較することにより生成されるスイッチング信号の周波数を拡散させる周波数拡散回路が開示されている。他のコンデンサを介して抵抗に電流を供給する出力端子を有し、他のコンデンサへの充電経路と他のコンデンサの放電経路とが別個に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１１５０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したようなスイッチングＩＣでは、スイッチング用のパルス信号の周波数を、回路素子を使用して拡散しているので、拡散する周波数帯が偏る可能性があり、電磁ノイズが、期待する程には拡散せず低減されない虞があるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング電源回路に使用され、スイッチング用のパルス信号の周波数を自由に定めることができ、その周波数を所定周波数帯に満遍無く拡散させ、電磁ノイズを更に低減させることが可能なＰＷＭ制御装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、スイッチング用のパルス信号の周波数を自由に定めることができ、その周波数を所定周波数帯に満遍無く拡散させ、電磁ノイズを更に低減させることが可能なＰＷＭ制御装置を備えたスイッチング電源回路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】
【０００９】
第１発明に係るＰＷＭ制御装置は、その出力電流値を検出する電流検出器を備え、入力された直流電力を、基準周波数に基づく所定周波数の範囲で変動させながらスイッチングすることにより電圧変換するスイッチング電源回路に使用され、前記直流電力をスイッチングする為のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力するＰＷＭ制御装置であって、前記電流検出器が検出した出力電流値に基づき、前記基準周波数を定める周波数決定手段と、該周波数決定手段が定めた基準周波数に基づく所定周波数の範囲で、前記ＰＷＭ信号の周波数を変動させる周波数変動手段と、前記スイッチング電源回路への入力電圧値を検出する手段と、該手段が検出した入力電圧値及び目標電圧値に基づき、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する算出手段と、前記スイッチング電源回路の出力電圧値を検出する手段と、該手段が検出した出力電圧値及び目標電圧値の差を算出し、算出した差に基づき、前記算出手段が算出したデューティ比を補正する補正手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
このＰＷＭ制御装置は、スイッチング電源回路に使用され、入力された直流電力をスイッチングする為のＰＷＭ信号を出力する。スイッチング電源回路は、電流検出器がその出力電流値を検出し、入力された直流電力を、基準周波数に基づく所定周波数の範囲で変動させながらスイッチングすることにより電圧変換する。このＰＷＭ制御装置では、周波数決定手段が、電流検出器が検出した出力電流値に基づき基準周波数を定め、周波数変動手段が、周波数決定手段が定めた基準周波数に基づく所定周波数の範囲で、ＰＷＭ信号の周波数を変動させる。検出する手段が、スイッチング電源回路への入力電圧値を検出し、算出手段が、その検出した入力電圧値及び目標電圧値に基づき、ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する。検出する手段が、スイッチング電源回路の出力電圧値を検出し、補正手段が、その検出した出力電圧値及び目標電圧値の差を算出し、算出した差に基づき、算出手段が算出したデューティ比を補正する。
【００１１】
第２発明に係るＰＷＭ制御装置は、前記周波数決定手段は、電流検出器が検出した出力電流値が所定電流値以下であるときは、前記基準周波数を所定周波数低下させるように構成してあることを特徴とする。
【００１２】
このＰＷＭ制御装置では、周波数決定手段は、電流検出器が検出した出力電流値が所定電流値以下であるときは、基準周波数を所定周波数低下させるので、スイッチング電源回路の出力が小さいときは、スイッチング周波数を下げて効率を向上させることができる。
【００１３】
第３発明に係るＰＷＭ制御装置は、前記補正手段が補正したデューティ比が、予め設定されたデューティ比上限値を超えるときは、デューティ比を該デューティ比上限値とする手段と、前記補正手段が補正したデューティ比が、予め設定されたデューティ比下限値未満であるときは、デューティ比を該デューティ比下限値とする手段とを更に備えることを特徴とする。
【００１４】
このＰＷＭ制御装置では、補正手段が補正したデューティ比が、予め設定されたデューティ比上限値を超えるときは、デューティ比をデューティ比上限値とし、補正手段が補正したデューティ比が、予め設定されたデューティ比下限値未満であるときは、デューティ比をデューティ比下限値とする。
【００１５】
第４発明に係るＰＷＭ制御装置は、前記スイッチング電源回路の出力電流値が過電流値であることを示す過電流信号を割込みにより受信する手段と、該手段が過電流信号を受信したときに、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を割込処理により０にする手段と、前記スイッチング電源回路の出力電圧値が過電圧値であることを示す過電圧信号を割込みにより受信する手段と、該手段が過電圧信号を受信したときに、前記ＰＷＭ信号のデューティ比を割込処理により０にする手段とを更に備えることを特徴とする。
【００１６】
このＰＷＭ制御装置では、スイッチング電源回路の出力電流値が過電流値であることを示す過電流信号を割込みにより受信したときに、ＰＷＭ信号のデューティ比を割込処理により０にする。スイッチング電源回路の出力電圧値が過電圧値であることを示す過電圧信号を割込みにより受信したときに、ＰＷＭ信号のデューティ比を割込処理により０にする。
【００１７】
第５発明に係るＰＷＭ制御装置は、前記周波数変動手段は、乱数を発生させる手段を備え、該手段が発生させた乱数に基づき、前記ＰＷＭ信号の周波数を変動させるように構成してあることを特徴とする。
【００１８】
このＰＷＭ制御装置では、周波数変動手段は、発生させた乱数に基づき、ＰＷＭ信号の周波数を変動させる。
【００１９】
第６発明に係るスイッチング電源回路は、請求項１乃至５の何れか１項に記載されたＰＷＭ制御装置を備え、入力された直流電力を、該ＰＷＭ制御装置が出力したＰＷＭ信号でスイッチングすることにより電圧変換するように構成してあることを特徴とする。
【００２０】
このスイッチング電源回路では、請求項１乃至５の何れか１項に記載されたＰＷＭ制御装置を備え、入力された直流電力を、ＰＷＭ制御装置が出力したＰＷＭ信号でスイッチングすることにより電圧変換する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るＰＷＭ制御装置によれば、スイッチング電源回路に使用され、スイッチング用のパルス信号の周波数を自由に定めることができ、その周波数を所定周波数帯に満遍無く拡散させ、電磁ノイズを更に低減させることが可能なＰＷＭ制御装置を実現することができる。
【００２２】
本発明に係るスイッチング電源回路によれば、スイッチング用のパルス信号の周波数を自由に定めることができ、その周波数を所定周波数帯に満遍無く拡散させ、電磁ノイズを更に低減させることが可能なＰＷＭ制御装置を備えたスイッチング電源回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るＰＷＭ制御装置及びスイッチング電源回路の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すスイッチング電源回路の動作例を示すフローチャートである。
【図３】図１に示すスイッチング電源回路の動作例を示すフローチャートである。
【図４】図１に示すスイッチング電源回路の動作例を示すフローチャートである。
【図５】マイクロコンピュータのＰＷＭ信号の周波数を変動させる動作を説明する為の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るＰＷＭ制御装置及びスイッチング電源回路の実施の形態の構成を示すブロック図である。
このスイッチング電源回路は、車両に搭載され、昇圧又は降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が内蔵するスイッチング素子３をスイッチングするマイクロコンピュータ（ＰＷＭ制御装置、以下、マイコンと記載）１と、入力電圧及び出力電圧を分圧する抵抗Ｒ１，Ｒ２及びＲ３，Ｒ４と、コンパレータ１１，１２とを備えている。
【００２５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、スイッチング素子３をオン／オフすることにより、直流電力（ここでは、車載バッテリからの電力）を降圧又は昇圧するものであり、断続する直流電力が変圧器及び平滑回路、又は平滑回路のみ（ここでは、図示を省略）を通流することにより電圧変換される。また、図示しないチョークコイルを使用し、スイッチング素子３で回路を断続的に短絡させることにより昇圧するものであっても良い。
【００２６】
コンパレータ１１は、抵抗Ｒ３，Ｒ４により分圧された出力電圧と、過電圧判定の基準となる電圧値とを比較し、出力電圧の方が高いときは、過電圧であることを示す過電圧信号を出力する。
コンパレータ１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が内蔵する電流検出器４が出力電流値を検出し、それに応じて出力した電圧値と、過電流判定の基準となる電圧値とを比較し、出力電流値に応じた電圧値の方が高いときは、過電流であることを示す過電流信号を出力する。
【００２７】
マイコン１は、抵抗Ｒ１，Ｒ２により分圧された入力電圧をＡ／Ｄ変換して読込む電圧値読込端子５と、抵抗Ｒ３，Ｒ４により分圧された出力電圧をＡ／Ｄ変換して読込む電圧値読込端子８と、コンパレータ１１が出力した過電圧信号を受信する割込み端子９と、コンパレータ１２が出力した過電流信号を受信する割込み端子１０とを備えている。
マイコン１は、また、イグニッションキーの操作信号等、昇圧（又は降圧）を指示する信号を受信するＩ／Ｏ端子６と、スイッチング素子３をスイッチングするＰＷＭ信号を出力する出力端子７と、電流検出器４が出力電流値を検出し、それに応じて出力した電圧値をＡ／Ｄ変換して読込む電圧値読込端子１３とを備えている。
【００２８】
以下に、このような構成のスイッチング電源回路の動作を、それを示す図２，３，４のフローチャートを参照しながら説明する。
マイコン１は、先ず、Ｉ／Ｏ端子６で昇圧（ここでは昇圧とする）を指示する信号を受信しているか否かを判定する（Ｓ１）。
マイコン１は、Ｉ／Ｏ端子６で昇圧を指示する信号を受信していなければ、受信する迄待機する（Ｓ１）。マイコン１は、昇圧を指示する信号を受信していれば（Ｓ１）、電圧値読込端子１３で電流検出器４が検出した出力電流値（を示す電圧値）を読込む（Ｓ３）。
【００２９】
マイコン１は、次に、読込んだ出力電流値が所定電流値以下であるか否かを判定し、所定電流値以下でなければ、ＰＷＭ信号の周波数を、予め定めてある基準周波数に決定する（Ｓ５）。マイコン１は、読込んだ出力電流値が所定電流値以下であれば、ＰＷＭ信号の周波数を、予め定めてある基準周波数より所定周波数低い基準周波数に決定する（Ｓ５）。
【００３０】
マイコン１は、次に、決定した基準周波数（Ｓ５）を中心周波数として、図５Ａに示すように、上限値及び下限値の間を周期的に変動する周波数パターンを設定し、設定した周波数パターン内の現時点に対応する周波数を、ＰＷＭ信号の周波数に決定する（Ｓ７）。
尚、図５Ｂに示すように、一様な離散型確率密度分布を有する乱数ｘと、図５Ｃに示すように、下限値ａ及び上限値ｂ間の周波数Ｆとを、式Ｆ＝（ｂ−ａ）ｘ＋ａにより対応させておき、マイコン１が乱数を発生させ、発生させた乱数に対応する周波数を、ＰＷＭ信号の周波数に決定する（Ｓ７）ようにしても良い。ここで、決定した基準周波数＝（ａ＋ｂ）／２である。
【００３１】
マイコン１は、次に、電圧値読込端子５で入力電圧値を読込み（Ｓ９）、読込んだ入力電圧値及び目標電圧値に基づき、ＰＷＭ信号のデューティ比を算出する（Ｓ１１）。次いで、マイコン１は、電圧値読込端子８で出力電圧値を読込み（Ｓ１３）、読込んだ出力電圧値及び目標電圧値の差分を算出する（Ｓ１５）。
マイコン１は、次に、算出した出力電圧値及び目標電圧値の差分（Ｓ１５）に基づき、例えばＰＩＤ制御によりＰＷＭ信号のデューティ比の補正値を算出し（Ｓ１７）、算出した補正値を算出したデューティ比（Ｓ１１）に加算して、デューティ比を補正する（Ｓ１９）。
【００３２】
マイコン１は、次に、補正したデューティ比（Ｓ１９）が、予め定めてあるデューティ比上限値を超えているか否かを判定し（Ｓ２１）、超えていなければ、補正したデューティ比（Ｓ１９）が、予め定めてあるデューティ比下限値未満であるか否かを判定する（Ｓ２３）。
マイコン１は、補正したデューティ比（Ｓ１９）が、デューティ比下限値未満でなければ（Ｓ２３）、決定した周波数（Ｓ７）、及び補正したデューティ比（Ｓ１９）のＰＷＭ信号を出力端子７から出力する（Ｓ２９）。
【００３３】
マイコン１は、補正したデューティ比（Ｓ１９）が、デューティ比上限値を超えていれば（Ｓ２１）、デューティ比をデューティ比上限値とした（Ｓ２５）後、決定した周波数（Ｓ７）及びデューティ比上限値（Ｓ２５）のＰＷＭ信号を出力端子７から出力する（Ｓ２９）。
マイコン１は、補正したデューティ比（Ｓ１９）が、デューティ比下限値未満であれば（Ｓ２３）、デューティ比をデューティ比下限値とした（Ｓ２７）後、決定した周波数（Ｓ７）及びデューティ比下限値（Ｓ２７）のＰＷＭ信号を出力端子７から出力する（Ｓ２９）。
【００３４】
スイッチング素子３は、マイコン１が出力したＰＷＭ信号により、入力された電力をスイッチングし、これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が昇圧する。
マイコン１は、ＰＷＭ信号を出力端子７から出力した（Ｓ２９）後、Ｉ／Ｏ端子６で昇圧を指示する信号を受信しているか否かを判定する（Ｓ１）。
【００３５】
マイコン１は、上述した動作を実行しながら、割込み端子１０で過電流信号を受信するか否かを監視しており（Ｓ３１）、過電流信号を受信すれば、割込処理によりデューティ比を０にした（Ｓ３３）後、Ｉ／Ｏ端子６で昇圧を指示する信号を受信しているか否かを判定する（Ｓ１）。
マイコン１は、また、上述した動作を実行しながら、割込み端子１０で過電圧信号を受信するか否かを監視しており（Ｓ３５）、過電圧信号を受信すれば、割込処理によりデューティ比を０にした（Ｓ３７）後、Ｉ／Ｏ端子６で昇圧を指示する信号を受信しているか否かを判定する（Ｓ１）。
つまり、マイコン１は、過電流信号又は過電圧信号を受信している間は、ステップ１及び割込処理のみを実行し、昇圧動作を実行しない。
【符号の説明】
【００３６】
１  マイクロコンピュータ（ＰＷＭ制御装置、マイコン）
２  ＤＣ／ＤＣコンバータ
３  スイッチング素子
４  電流検出器
５，８，１３  電圧値読込端子
６  Ｉ／Ｏ端子
７  出力端子
９，１０  割込み端子
１１，１２  コンパレータ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４  抵抗
【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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