(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号のパルス幅に基づいて出力電源電圧を制御するスイッチング素子を有し、制御量に基づくパルス幅の駆動信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動して出力電圧を制御するスイッチング電源であって、
出力電圧をサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段から得られた出力電圧と、基準電圧との差分から偏差を求める偏差算出手段と、
前記スイッチング電源の初期入力電圧を前記スイッチング電源の入力電圧で除算し、この除算した値と前記偏差算出手段で求められた偏差とを乗算して、補正偏差を算出する補正偏差算出手段と、
前記補正偏差算出手段で算出された補正偏差に基づいて、前記スイッチング素子のパルス幅を制御する制御量を求める制御量演算手段と、
前記制御量演算手段からの制御量に基づくパルス幅の駆動信号を生成するドライブ手段と、を備えることを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】
制御量に基づくパルス幅の駆動信号に基づいてスイッチング素子を駆動して出力電圧を制御するスイッチング電源の制御プログラムであって、
出力電圧をサンプリングする工程と、
前記サンプリングにより得られた出力電圧と、基準電圧との差分から偏差を求める工程と、
前記スイッチング電源の初期入力電圧を前記スイッチング電源の入力電圧で除算し、この除算した値と前記偏差を求める工程で求められた偏差とを乗算して、補正偏差を算出する工程と、
前記補正偏差を算出する工程で算出された補正偏差に基づいて、スイッチング素子のパルス幅を制御する制御量を求める工程と、
を備えることを特徴とするスイッチング電源の制御方法。
【請求項３】
制御量に基づくパルス幅の駆動信号に基づいてスイッチング素子を駆動して出力電圧を制御するようにしたスイッチング電源の制御プログラムであって、
出力電圧をサンプリングするステップと、
前記サンプリングにより得られた出力電圧と、基準電圧との差分から偏差を求めるステップと、
前記スイッチング電源の初期入力電圧を前記スイッチング電源の入力電圧で除算し、この除算した値と前記偏差を求めるステップで求められた偏差とを乗算して、補正偏差を算出するステップと、
前記補正偏差を算出するステップで算出された補正偏差に基づいて、スイッチング素子のパルス幅を制御する制御量を求めるステップと、
を備えることを特徴とするスイッチング電源の制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタル制御方式のスイッチング電源、スイッチング電源の制御方法、スイッチング電源の制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング電源における整流スイッチのオン・オフを制御する手段として電圧モード制御手段というものが存在する。具体的に図５で示す。図５に示す実施例に係るスイッチング電源は、電源回路の出力側に誤差アンプ５１の負の入力を接続して検出電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの誤差を増幅するように構成してある。この誤差アンプ５１の出力を比較器５２の正の入力に接続し、この比較器５２の負の入力に発振器５３を接続して、この発振器５３から比較器５２に三角波を送信するように構成してある。この比較器５２の出力をドライバ１１の入力に接続し、このドライバ１１の出力を整流スイッチＱ１のゲート並びに転流スイッチＱ２のゲートに接続してある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第６１４７４７８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このような制御手段を有するスイッチング電源は、入出力電圧の大きさによって、周波数特性が変わり、スイッチング電源に対して最適なゲインの設定を行うことが困難であるという課題を有する。例えば、図６で示すように、入力電圧を５Ｖ，９Ｖ，１２Ｖと変化させた場合、入力電圧が１２Ｖに比べて９Ｖの方が偏差の落ち込みが大きい。さらに、５Ｖになるとこれが顕著になる。
【０００４】
最適なゲインの設定を行うことが困難であると、これに伴い、入力急変時や出力急変時における出力電圧が大きく変化し、安定したスイッチング電源の動作を得ることが困難である。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、入出力電圧の大きさに関係なく、同一の周波数特性を得ることができるスイッチング電源、スイッチング電源の制御方法、スイッチング電源の制御プログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源は、駆動信号のパルス幅に基づいて出力電源電圧を制御するスイッチング素子を有し、制御量に基づくパルス幅の駆動信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動して出力電圧を制御するスイッチング電源であって、出力電圧をサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段から得られた出力電圧と、基準電圧との差分から偏差を求める偏差算出手段と、前記求められた偏差と入力電圧とを用いて補正偏差を算出する補正偏差算出手段と、前記補正偏差算出手段で算出された補正偏差に基づいて、前記スイッチング素子のパルス幅を制御する制御量を求める制御量演算手段と、前記制御量演算手段からの制御量に基づくパルス幅の駆動信号を生成するドライブ手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、前記補正偏差算出手段は、前記スイッチング電源の初期入力電圧を前記スイッチング電源の入力電圧で除算し、この除算した値と前記偏差とを乗算して、前記補正偏差を算出することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るスイッチング電源の制御方法は、制御量に基づくパルス幅の駆動信号に基づいてスイッチング素子を駆動して出力電圧を制御するスイッチング電源の制御プログラムであって、出力電圧をサンプリングする工程と、前記サンプリングにより得られた出力電圧と、基準電圧との差分から偏差を求める工程と、前記求められた偏差と入力電圧とを用いて補正偏差を算出する工程と、前記補正偏差算出手段で算出された補正偏差に基づいて、スイッチング素子のパルス幅を制御する制御量を求める工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るスイッチング電源の制御プログラムは、制御量に基づくパルス幅の駆動信号に基づいてスイッチング素子を駆動して出力電圧を制御するようにしたスイッチング電源の制御プログラムであって、出力電圧をサンプリングするステップと、前記サンプリングにより得られた出力電圧と、基準電圧との差分から偏差を求めるステップと、前記求められた偏差と入力電圧とを用いて補正偏差を算出するステップと、前記補正偏差算出手段で算出された補正偏差に基づいて、スイッチング素子のパルス幅を制御する制御量を求めるステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、入出力電圧の大きさに関係なく、同一の周波数特性を得ることが可能である。スイッチング電源に対して最適なゲイン設定が行えることで、入力急変時や出力急変時における出力電圧の変化が一定化し、安定したスイッチング電源の動作を得ることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係るスイッチング電源の実施形態を示すものである。本実施形態のスイッチング電源は、図１に示すように、直流入力電源Ｖｉｎと並列に接続された入力コンデンサＣ１と、そのゲートに与えられる駆動パルス信号のパルス幅によりＰＷＭで出力電源電圧を制御するＭＯＳＦＥＴからなる２つのスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、出力インダクタＬ１と、平滑コンデンサＣ２と、出力電源電圧を取り込み、この出力電源電圧に応じて、スイッチング素子Ｑ１とＱ２に与える駆動信号のパルス幅を制御するための制御信号を生成するディジタル制御回路１０と、ディジタル制御回路１０の制御信号に基づいて、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２に駆動パルス信号を供給するドライバ１１とから構成される。
【００１２】
直流入力電源Ｖｉｎの正側は、正側の電源ラインＬＮ１１に接続され、直流入力電源Ｖｉｎ負側は、負側の電源ラインＬＮ２１に接続され、電源ラインＬＮ１１と電源ラインＬＮ２１との間に、入力コンデンサＣ１が接続される。電源ラインＬＮ１１と電源ラインＬＮ１２との間に、スイッチング素子Ｑ１が接続される。電源ラインＬＮ１２と電源ラインＬＮ２１との間に、スイッチング素子Ｑ２が接続される。スイッチング素子Ｑ１及びスイッチング素子Ｑ２のゲートには、ドライバ１１から、駆動パルス信号が供給される。電源ラインＬＮ１２と電源ラインＬＮ１３との間に、出力インダクタＬ１が接続される。電源ラインＬＮ１３と電源ラインＬＮ２１との間に、平滑コンデンサＣ２が接続される。また、電源ラインＬＮ１３と電源ラインＬＮ２１との間に、負荷ＲＬが接続される。
【００１３】
スイッチング電源回路の出力電圧Ｖｏｕｔは、電源ラインＬＮ１３から取り出され、この出力電圧Ｖｏｕｔは、ディジタル制御回路１０に送られる。ディジタル制御回路１０は、出力電圧ＶｏｕｔをサンプリングしてＡ／Ｄ変換するサンプリング部２１と、この出力電圧Ｖｏｕｔのサンプル値から、スイッチング素子Ｑ１とＱ２に与える駆動信号のパルス幅を制御するための制御信号を求める演算部２２とからなる。
【００１４】
演算部２２は、基準電圧Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差を求め、この偏差と入力電圧Ｖｉｎとから補正偏差を算出し、この補正偏差に基づいて、スイッチング素子Ｑ１とＱ２に与える駆動信号のパルス幅を制御するための制御信号を生成する。
【００１５】
ディジタル制御回路１０からの制御信号は、ドライバ１１に送られる。ドライバ１１で、ディジタル制御回路１０からの制御信号に基づくパルス幅の駆動パルスが形成される。この駆動パルスがスイッチング素子Ｑ１及びＱ２のゲートに供給される。
【００１６】
図２は、本発明の実施形態のディジタル制御回路１０の処理を示すものである。
図２において、先ず、図１の直流入力電源Ｖｉｎの最初の入力電圧を演算用の入力電圧（初期入力電圧）Ｖｉｎ０として設定する（ステップＳ１）。続いて、制御パラメータを設定する（ステップＳ２）。なお、本実施例では、比例要素を含む制御パラメータ、積分要素を含む制御パラメータ、並びに微分要素を含む制御パラメータの３つの制御パラメータを設定する。続いて、基準電圧Ｖｒｅｆを設定し（ステップＳ３）、さらに、入力電圧Ｖｉｎを設定する（ステップＳ４）。
【００１７】
続いて、図１のサンプリング部２１のＡ／Ｄコンバータから出力電圧Ｖｏｕｔを取得する（ステップＳ５）。そして、基準電圧Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差Ｅ（ｎ）を求める（ステップＳ６）。この偏差Ｅ（ｎ）と前記入力電圧Ｖｉｎと初期入力電圧Ｖｉｎ０とを用いて、補正偏差Ｅ（ｎ）’を算出する（ステップＳ７）。
【００１８】
ここで、ステップＳ７における補正偏差Ｅ（ｎ）’は、下式により求められる。
Ｅ（ｎ）’＝（Ｖｉｎ０／Ｖｉｎ）×Ｅ（ｎ）  …（１）
【００１９】
そして、ステップＳ７により求められた補正偏差Ｅ（ｎ）’を用いて、パルス幅の制御量を演算する（ステップＳ８）。
ここで、制御量Ｕ（ｎ）の演算は、以下のようにして行われる。
Ｕ（ｎ）＝Ｕ（ｎ−１）＋Δｄ  …（２）
なお、Δｄの演算は、以下のようにして行われる。
Δｄ＝Ｋ０＊Ｅ（ｎ）’＋Ｋ１＊Ｅ（ｎ−１）’＋Ｋ２＊Ｅ（ｎ−２）’  …（３）
なお、Ｋ０，Ｋ１，Ｋ２はパラメータであり、例えば、Ｋ０を比例要素を含む制御パラメータ、Ｋ１を積分要素を含む制御パラメータ、Ｋ２を微分要素を含む制御パラメータとすることができる。
【００２０】
ステップＳ５で、このようにして補正偏差Ｅ（ｎ）’を使って、制御量が求められる。この制御量に基づいて、スイッチング素子Ｑ１とＱ２に与える駆動信号のパルス幅、即ちデューティ（ｄｕｔｙ）が制御される（ステップＳ９）。このステップＳ９が終了したら、ステップＳ５に戻り、ステップＳ５からステップＳ９までの動作を繰り返す。
【００２１】
このように、本実施形態では、ステップＳ４でスイッチング電源回路の入力電圧Ｖｉｎを設定し、ステップＳ５でスイッチング電源回路の出力電圧Ｖｏｕｔを取り込み、ステップＳ６で、基準電圧Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差Ｅ（ｎ）を求め、ステップＳ７で、この補正偏差Ｅ（ｎ）’を算出している。
【００２２】
以上のような処理により、入出力電圧の大きさに関係なく、同一の周波数対ゲイン特性を得ることが可能である。スイッチング電源に対して最適なゲイン設定が行えることで、入力急変時や出力急変時における出力電圧の変化が一定化し、最適なスイッチング電源の動作を得ることができる。
【００２３】
図３は、上述のディジタル制御回路１０の処理を、機能ブロック図で示したものである。
図３において、初期入力電圧Ｖｉｎ０及び入力電圧Ｖｉｎは入力電圧設定部３３に入力電圧が入力される。サンプリング部２１からの出力電圧Ｖｏｕｔのサンプル値は、偏差算出手段である減算器３１に供給される。また、減算器３１には、基準電圧発生器３２から、基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。減算器３１で、基準電圧Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差Ｅ（ｎ）が求められる。
【００２４】
減算器３１で求められた基準電圧Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差Ｅ（ｎ）は、制御量算出部３４に送られる。制御量演算部３４で、（１）式に基づいて、補正偏差Ｅ（ｎ）’を求め、（２）式及び（３）式に基づいてパルス幅の制御量が求められる。この制御量がドライバ１１に送られ、この制御量に基づくパルス幅の駆動パルスで、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２が駆動される。
【００２５】
以上のようなディジタル制御回路１０を用いて、図２に示すような処理を行うことにより、本発明の制御では、入出力電圧の大きさに関係なく、同一の周波数特性を得ることが可能である。図４には本発明に係るスイッチング電源に制御した場合の負荷急増波形を示してある。図４の波形図も図６の波形図と同様に、入力電圧を５Ｖ，９Ｖ，１２Ｖと変化させているが、図６に示す従来の制御の負荷急増波形と図４に示す本発明の制御の負荷急増波形とを比較して分かるように、本発明に係るスイッチング電源による制御では、入力電圧の大きさに関係なく、同一の周波数特性を得ることが可能である。スイッチング電源に対して最適なゲイン設定が行えることで、入力急変時や出力急変時における出力電圧の変化が一定化し、安定したスイッチング電源の動作を得ることができる。なお、図４及び図６において、横軸は時間を示し、縦軸は偏差を示す。
【００２６】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、出力電圧を制御する処理をディジタル制御回路で行うようにしたディジタル制御方式のスイッチング電源に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態のスイッチング電源の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施形態のスイッチング電源での電源制御処理の一例のフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態のスイッチング電源での電源制御処理の説明に用いる機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態のスイッチング電源の効果を示すグラフである。
【図５】従来のスイッチング電源の構成を示す回路図である。
【図６】従来のスイッチング電源の効果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ディジタル制御回路
１１  ドライバ
２１  サンプリング部
２２  演算部
３１  減算器
３２  基準電圧発生器
３３  入力電圧設定部
３４  制御量演算部
５１  誤差アンプ
５２  比較器
５３  発振器
Ｃ１  入力コンデンサ
Ｃ２  平滑コンデンサ
Ｌ１  出力インダクタ
Ｑ１，Ｑ２  スイッチング素子
【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】
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