(57)【要約】【課題】スイッチング電源装置の発生するノイズのレベルを低減させること。【解決手段】スイッチングＩＣを用いた電源装置において、スイッチングＩＣ２０のスイッチング周波数を設定する端子に、時間の周期関数で変化する電圧を印加する三角波発生回路部３０と定電流回路部４０とを設けた。これにより、スイッチングＩＣ２０のスイッチング周波数を周期的に変動させることができ、スイッチングノイズのスペクトルを拡散させることができる。これにより、ノイズレベルを低減させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチングＩＣを用いた電源装置において、
前記スイッチングＩＣのスイッチング周波数を設定する端子に、時間の周期関数で変化する電圧を印加する装置を設けたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記時間の周期関数は、三角波、鋸歯状波、時間の経過に伴い増加率が順次減少する指数関数と減少率が順次減少する指数関数、正弦波、又は、余弦波であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノイズレベルを低減させたスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング電源装置として、下記特許文献１に記載の装置が知られている。この装置は、出力直流電圧を一定にするために、出力直流電圧を検出して、この出力電圧が所定値よりも高くなるとパルス幅を広くし、所定値よりも低くなるとパルス幅を狭くするＰＷＭ変調信号を出力している。そして、この信号ＰＷＭ変調信号により直列接続のトランジスタのオンオフ期間を制御して、平滑回路のコンデンサが所定電圧になるように、充電するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１２２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このスイッチング電源は、所定周期の矩形波でスイッチングされるために、基本周期の整数倍の位置で鋭い線スペクトルを有した、雑音が発生されるという問題がある。たとえば、自動車に、このスイッチング電源を搭載して、直流のバッテリ電圧を昇圧又は降圧して、直流電圧を得た後、ＬＥＤランプや電子装置を駆動する場合に、給電回路に、上記のノイズが重畳され、電子装置に影響を与えるという問題がある。一般的には、電子機器に影響を与えないためにノイズレベルは、所定値以下であることが規定されている。このため、スイッチング電源を、自動車などに搭載する場合には、ノイズ対策が要求されている。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、スイッチング電源装置から誘導されるノイズのレベルを低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、スイッチングＩＣを用いた電源装置において、スイッチングＩＣのスイッチング周波数を設定する端子に、時間の周期関数で変化する電圧を印加する装置を設けたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、時間の周期関数は、三角波、鋸歯状波、時間の経過に伴い増加率が順次減少する指数関数と減少率が順次減少する指数関数、正弦波、又は、余弦波であることを特徴とする。三角波は、厳密に直線ではなく、ＣＲ回路の充放電回路で実現する場合には、電圧は、指数関数で増加減少するので、曲線的であっても良い。鋸歯状波においても同様である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、スイッチング電源装置のスイッチング周波数が、時間に関して周期的に変動するので、スイッチングＩＣから出力される信号のスペクトルは、スペクトル拡散されて、ブロードになる。この結果、ノイズレベルのピーク値の低減が実現され、他の電気機器に対する電磁ノイズの影響を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１０】
図１に本実施例１のスイッチング電源装置１０の構成を示す。スイッチング電源装置１０は、スイッチングＩＣ２０、三角波発生回路部３０、定電流回路部４０、出力回路部５０とで、構成されている。スイッチングＩＣ２０には、ＮＥＣ製のＭＰＣ４９４を用いた。
【００１１】
出力回路部５０は、それぞれのソースとソースが直列接続されたトランジスタＴｒ１とＴｒ２とを有している。トランジスタＴｒ１のドレインは、一次コイルＬ１の一端に接続され、ソースは接地されている。また、トランジスタＴｒ２のドレインは、一次コイルＬ２の一端に接続され、ソースは接地されている。トランジスタＴｒ１とＴｒ２のゲートは、スイッチングＩＣ２０の信号出力端子に、それぞれ、接続されている。一次コイルＬ１とＬ２は直列接続されており、その接続点Ｐ５は、バッテリ５２の正電極に接続されている。接続点Ｐ５と反対側の一次コイルＬ１とＬ２の端子は、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のドレインに、それぞれ、接続されている。一次コイルＬ１とＬ２には、直列接続された二次コイルＬ３、Ｌ４が電磁結合しており、それらの接続点Ｐ６は接地されている。接続点Ｐ６と反対側の二次コイルＬ３とＬ４の端子は、それぞれ、ダイオードＤ１とＤ２のアノードに接続されている。ダイオードＤ１とＤ２のカソードは接続されて、コイルＬ５にの一端に接続され、そのコイルＬ５の他端Ｐ７と、接地間にコンデンサＣ１が接続されている。トランジスタＴｒ１がオンのときに、コイルＬ１とＬ３、ダイオードＤ１、コイルＬ５を介して、コンデンサＣ１に充電され、トランジスタＴｒ２がオンの時に、コイルＬ２とＬ４、ダイオードＤ２、コイルＬ５を介して、コンデンサＣ１に充電される。このようにして、出力端子Ｐ１、Ｐ２間から、所定の直流電圧が出力される。
【００１２】
スイッチングＩＣ２０の端子ｇ１と接地間には抵抗Ｒ２が接続され、端子ｇ２と接地間にはコンデンサＣ２が接続されている。この抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との値により、スイッチングＩＣ２０で生成される矩形波信号の周期が決定される。
【００１３】
定電流回路部４０は、演算増幅器ＯＰ１と、その出力端子にベースが接続されたトランジスタＴｒ３と、トランジスタＴｒ３のエミッタと接地間に接続された抵抗Ｒ３とから成る。演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子には、抵抗Ｒ３の端子電圧が帰還しているので、トランジスタＴｒ３のコレクタ電流Ｉ１は、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子に入力される電圧Ｖ１に比例した大きさとなる。すなわち、定電流回路部４０は、電圧Ｖ１に比例した定電流をスイッチングＩＣ２０から吸引する回路である。これにより、電流Ｉ１が大きくなるほど、スイッチングＩＣ２０から抵抗Ｒ２が接続されている端子を見たインピーダンスが等価的に小することができ、スイッチングＩＣ２０の発生する方形波の周波数を大きくすることができる。この結果、電圧Ｖ１により、抵抗Ｒ２の等価抵抗を変化させることができるので、スイッチングＩＣ２０の出力する方形波信号の周波数を電圧Ｖ１により変化させることができる。
【００１４】
三角波発生回路３０は、主として、演算増幅器ＯＰ２、ＯＰ３、トランジスタＴｒ４、Ｔｒ５を有している。演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子には、バッテリＶｒｅｆと接地間に直列接続された抵抗Ｒ５とＲ６の接続点Ｐ３が接続されており、その非反転入力端子には、演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子の電圧Ｖ１が帰還されている。
【００１５】
演算増幅器ＯＰ２の出力端子には、抵抗Ｒ１１を介してトランジスタＴｒ４のベースに接続されている。トランジスタＴｒ４のコレクタと接続点Ｐ３間には抵抗Ｒ７が接続されている。トランジスタＴｒ４と抵抗Ｒ７は、演算増幅器ＯＰ２の出力に履歴特性を持たせるためのものある。演算増幅器ＯＰ２の出力端子は、演算増幅器ＯＰ３の反転入力端子に接続されている。また、演算増幅器ＯＰ２の出力端子と、バッテリＶｒｅｆ間には、抵抗Ｒ１２とＲ１３の直列接続が接続されている。そして、抵抗Ｒ１２とＲ１３の接続点Ｐ８が、トランジスタＴｒ５のベースに接続されている。トランジスタＴｒ５のコレクタと接地間には、抵抗Ｒ８とコンデンサＣ３の直列接続回路が配設されている。トランジスタＴｒ５は、コレクタに接続された抵抗Ｒ８を介して、コンデンサＣ３を充電させるためのものである。
【００１６】
演算増幅器ＯＰ３の出力端子と接地間には、直列接続された抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３が配設されており、それらの接続点Ｐ４が演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器ＯＰ３の出力段トランジスタはオープンコレタクになっているので、その出力がＨレベルであっても、トランジスタＴｒ５と抵抗Ｒ８とを介してのみ、バッテリＶｒｅｆからコンデンサＣ３は充電される。また、抵抗Ｒ４を介して、コンデンサＣ３の電荷は、演算増幅器ＯＰ３の接地に放電される。したがって、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ８とコンデンサＣ３の値は、三角波の発信周波数を決定する。
【００１７】
次に、三角波発生回路部３０の作用について説明する。まず、演算増幅器ＯＰ２の出力がＬレベルにあると、演算増幅器ＯＰ３の出力はＨレベルになり、トランジスタＴｒ５はオンする。これにより、コンデンサＣ３は、トランジスタＴｒ５と抵抗Ｒ８を介して、充電されて、その端子Ｐ４の電圧Ｖ１が、抵抗Ｒ８とコンデンサＣ３とで決定される時定数を有した指数関数に従って上昇する。その端子電圧Ｖ１が、演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に設定される所定電圧Ｔｈ１を越えると、演算増幅器ＯＰ２の出力は、Ｈレベルとなる。この結果、演算増幅器ＯＰ３の出力はＬレベルとなり、トランジスタＴｒ５はオフする。この結果、コンデンサＣ３に充電された電荷は、抵抗Ｒ４を介して、演算増幅器ＯＰ３の接地に放電し、その端子電圧Ｖ１は、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３とで決定される時定数を有した指数関数に従って低下する。その電圧Ｖ１が所定電圧Ｔｈ２以下となると、演算増幅器ＯＰ２の出力はＬレベルとなり、演算増幅器ＯＰ３の出力は、Ｈレベルとなり、コンデンサＣ３が充電されて、その端子電圧Ｖ１は、所定電圧Ｔｈ１に向けて上昇する。これが、繰り返されることにより、 電圧Ｖ１は、所定の周波数で振動することになる。
【００１８】
演算増幅器ＯＰ２の出力がＬレベルの時、トランジスタＴｒ４がオンしているので、抵抗Ｒ６には、抵抗Ｒ７を介して、電流が供給される。この状態での、端子Ｐ３の電位が所定電圧Ｔｈ１である。また、演算増幅器ＯＰ２の出力がＨレベルの時、トランジスタＴｒ４はオフしているので、端子Ｐ３の電位は、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の値だけで決定される。この時の端子Ｐ３の電位が所定電圧Ｔｈ２である。抵抗Ｒ６に抵抗Ｒ７を介して電流が供給されていない分だけ、所定電圧Ｔｈ２は所定電圧Ｔｈ１よりも低くなる。これにより、演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子の電圧を所定電圧Ｔｈ１とＴｈ２とで変化させることができ、演算増幅器ＯＰ２の動作に履歴特性を持たせることができる。
【００１９】
三角波の波形は、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３の充放電特性と、抵抗Ｒ８とコンデンサＣ３の充電特性により決定される。したがって、厳密には、指数関数で増加、減少する波形となる。時定数を大きくすることで、直線にすることができる。なお、この三角波の波形が、直線でなくとも、本件発明の効果を減少させるものではない。
【００２０】
上記のスイッチング電源装置１０において、演算増幅器ＯＰ１の出力電圧を、周波数１２０Ｈｚ、最低値０．１Ｖ、最大値０．８Ｖの三角波とし、スイッチングＩＣ２０の方形波の基準周波数（基準クロック）を２０５ｋＨｚとなるように回路定数を決定した。このような構成により、スイッチングＩＣ２０で生成される方形波の周波数は、２０５ｋＨｚを中心に、±１０ｋＨｚだけ、２００Ｈｚの周期で、変動させ、周波数変調させることができた。すなわち、スペクトル拡散させることができた。
【００２１】
このように決定したスイッチング電源装置１０を用いて、端子間Ｐ１、Ｐ２から５０Ｖの直流電圧を発生させた。尚、バッテリ電圧Ｖｒｅｆは１２Ｖである。この時の給電ラインＬＬにおけるノイズのスペクトルを測定した。その結果を図２に示す。また、本発明による周波数変調をせずに、スイッチングＩＣ２０で生成される方形波のクロック周波数を、２０５ｋＨｚに固定した場合の、電源ラインＬＬのノイズのスペクトルを測定した。その結果を図３に示す。
【００２２】
図３の結果から理解されるように、基本周波数１０２．５ｋＨｚの整数倍の周波数で、鋭い線スペクトルが得られているのが分かる。なお、出力回路部５０は、プシュプルコンバータスイッチング方式が採用されており、スイッチングＩＣ２０は、周波数２０５ｋＨｚのクロックを１／２に分周して、トランジスタＴｒ１とＴｒ２とを、それぞれ、１０２．５ｋＨｚの信号で、オンオフ制御している。よって、端子間Ｐ１、Ｐ２の電圧のリップルは、トランジスタＴｒ１とＴｒ２の動作態様により、スイッチングＩＣ２０で生成される基本クロックの周波数の１／２である１０２．５ｋＨｚとなる。この場合の最大ノイズレベルは、−７４ｄＢｍである。一方、本発明によるスイッチング電源装置の場合には、最大ノイズレベルは、−８２ｄＢｍである。−８ｄＢｍだけ、ノイズレベルを低減させることができた。
【００２３】
上記の装置で、スイッチングＩＣ２０で生成する基本クロックの基本周波数、スイッチングＩＣ２０が、制御するトランジスタＴｒ１とＴｒ２のオンオフ周波数、それらの周波数に対する変化幅の割合（周波数変調度）、三角波発生回路部３０の出力する三角波の周波数などは任意である。周波数変調度を大きくするほど、ノイズレベルを低減できる。また、三角波の周波数が高いほど、ノイズレベルを低減させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、ノイズレベルを低減させたスイッチング電源装置に用いることができ、電磁波環境対策に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の具体的な実施例１に係るスイッチング電源装置の構成を示す展開図。
【図２】実施例１のスイッチング電源装置により発生するノイズのスペクトルの測定図。
【図３】本発明を用いないスイッチング電源装置により発生するノイズのスペクトルの測定図。
【符号の説明】
【００２６】
１０…スイッチング電源装置
２０…スイッチングＩＣ
３０…三角波発生回路部
４０…定電流回路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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