(57)【要約】      （修正有）【課題】電源装置において、電源装置の高効率化によってバッテリー装置等の動作時間の拡大、小型化、コストダウンを図る。【解決手段】Ａ／Ｄコンバータ１１とＲＯＭ１２とＰＷＭジェネレーター１３とＦＥＴドライブ回路１４と絶縁トランス１５とエラーアンプ１６と入力部１０と出力部１１とで構成され、安価なマイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ（汎用ロジックＩＣ等）を用いて、入力電圧に応じてスイッチング周波数、デューディーを最適化して高効率化を実現する。また、入力情報をＡ／Ｄコンバータ１１で読み込み、読み込まれたデーターに対応する制御データーを、ＲＯＭ１２から取り出し、入力電圧に応じて異なる、最適化されたスイッチング周波数をＰＷＭジェネレーター１３に出力しフィードバック情報と合成させる。【選択図】図１
2009195095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源装置において、安価なマイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ（汎用ロジックＩＣ等）を用いて入力電圧、負荷条件を監視し、得られた入力電圧値、負荷条件等の情報をもとに、出力効率が最大となる、最適なスイッチング周波数とデューティーを制御することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記の電源装置において、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ等にあらかじめ演算された入力電圧と最適なスイッチング周波数の対応表を用いる事により、演算時間の短縮、消費電力の低減を行い、使用されるマイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ等の演算能力が低くても済むため、簡便で安価なもので制御が可能となることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
前記の電源装置において、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ（汎用ロジックＩＣ等）を用いてスイッチング周波数、最大デューティーのペアを制御することにより、部品の追加なしに過電流、過電圧機能等を実現可能とする電源装置。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】  電子機器の電力供給は主にバッテリーに代表される直流（ＤＣ）電源と商用電源（ＡＣ）電源より行なわれる。近年の低電圧、省電力技術の開発により、これらの電力供給装置（電源）要求される電力供給形態は様々なものがあり多出力化、高効率化、小型化の研究・開発が日々進められている。これらの電源は、従来アナログ方式と呼ばれるフィードバック技術を元に発展してきた。しかし、近年の技術進歩対応する為には制御上の問題などから対応しきれないような状況が発生しており、デジタル制御方式の導入により、これらの諸問題を解決しようと様々な電源装置が提案されている。【０００３】  電源に対する要求事項の中でも、特に電源の高効率化に対する要求は多い。その要求に答えるため、使用部品の厳選、改良やその制御方法の検討など様々なアプローチがなされている。使用スイッチであるＦＥＴのＯＮ抵抗の低減、入力容量の低減、共振回路を用いたソフトスイッチングと呼ばれる技術の導入などがこの具体的な例である。【０００４】  電源の高効率化は、使用電力の削減といった経済的な効果のみならず、発熱の低下による高信頼性、長寿命などの恩恵をもたらすだけではなく、昨今多く用いられるようになった、蓄電池などで動作するいわゆるバッテリー駆動の装置においては、限られたエネルギーでの動作となるため、装置の動作時間にも影響を与える為に、益々高効率化された電源の要求が高まっている。【０００５】  これらのバッテリー駆動装置は、商用電力からの電力供給との併用が前提となっていることが多く、通常状態では、時間的な変化の少ない安定した電源からの電力供給を前提としている。しかし、バッテリー装置では、その電気化学的特性から放電と共に出力電圧が低下するため、必ずしも入力電圧一定といった安定した電力供給は期待できない。【０００６】  一方、多くの電源は、入力電圧の変動には対応しているが、一般的には出力効率特性が変化する入力変動特性を持つ。これは、使用時間の大部分を占める安定した商用電源からの電力供給を基準に設計時に定格入力、定格負荷時に出力効率が最大となるよう設計されているためである。これらの問題を解決する手段として、従来のアナログ制御の狭い制御範囲で対応する事が考えられるが、対応は簡単ではなく、開発コスト等を含め経済的ではない。また、ソフトスタートや過電流保護など付加機能の要求が多い為、部品を追加による原価の上昇や、小型化の難しさなどの課題も多々ある。【０００７】  これらの諸問題を解決する方法として、たとえば特許文献１に記載されているように、出力電圧の変動に対応したデジタル制御方式の電源装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００７−３０６７６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  入力電圧変動特性は、バッテリーなど短時間では一定とみなせるが放電特性により電圧の変化する入力源の場合において、電源の効率の低下は装置の動作時間に影響を与える。別の見方をすれば入力電圧範囲内において、定格以外の入力電圧値で使用する場合、とり得る最大の出力効率を得られず不経済である。また、付加機能の追加により対応した場合には、部品点数が増え、部品原価上昇、小型化への弊害が起こり得る。これを解決する為に、デジタル制御技術を導入した場合でも、制御部に自身の消費電力が大きいマイクロコンピュータ等を用いると、電源装置の効率特性に影響を及ぼし、高効率化の弊害となり得る。上記のような問題を解決するために、消費電力の少ない必要最小限の制御用マイクロコンピュータ等を用いて入力電圧や負荷の状態に応じて制御方法を最適化し、効率を向上させることが望まれる。
これらの考え方を用いた特許として、特開２００３−８８１１０にあるように、入力源に応じてスイッチング周波数を切り替えることにより効率改善を得るという提案がされている。しかし、実施例ではアナログ、デジタルの切り替え方等にとどまっている。また内部で提案されている連続的な制御は従来からあるデジタル制御では演算量の増大により高性能ＣＰＵを必要とする。
そこで本発明では、入力電圧、負荷条件を監視しながら、安価により望ましい制御方法に変更できる電源装置を提供し、先の課題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  先の課題を解決する為、電源装置において、入力電圧、出力電圧を監視しながら、各々の入力電圧に応じて出力効率が最大となるように、スイッチング周波数、デューティーを変化させる制御方法を用いる。一次側にスイッチング周波数、デューティーを可変できる制御部を設ける。また制御部での消費電力を低減させる為、制御部に比較的性能の低いマイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ等を用いて、スイッチング周波数、デューティーを制御する。これは、デジタル電源において要求される高度な演算が消費電力の増大をもたらす為、演算に必要な消費電力を低減させる為の手法である。【００１０】  演算を必要最小限にする為、比較的変動の激しい負荷変動及び入力変動に対する制御は、従来のアナログ的手法に任せ、その制御で対応できない部分をデジタル制御で補完する事により過度なデジタル演算能力を必要としない構成にて成立させる方法である。比較的低速なマイコロコンピュータが使用できることで、消費電力及びコストの低減と効率アップの両立を達成させる。具体的な演算の手法としては、予め演算を行なった結果とその演算条件の関係をテーブル化し、そのテーブルを参照する事により制御を行なう手法を利用する。この手法により多大な時間を必要とする演算時間を削減し、より低機能なハードウエアの付加でも必要とする機能を実現可能とする。【００１１】また、本電源装置において、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ、ＲＯＭ等を用いて最大デューティーを定めることにより、電源装置における過電流、過電圧保護機能を実現する。【００１２】  よって、本発明のスイッチング電源装置では、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ、ＲＯＭ等に記録される、入力電圧と最適なスイッチング周波数の関係の参照テーブルを用いる事により演算が簡素化されることで、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ等の消費電力の低減をはかる。
【発明の効果】
【００１３】  入力電圧に応じた最適な制御を得ることができ、とりえる最高の出力効率で動作が可能となる。これにより、バッテリー等の限られたエネルギーでの動作を要求される装置の動作時間の拡大が期待できる。また、制御を追加する事により発生する演算時間の増大、消費電力の増加を、テーブル化の手法を用いる事で、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ等の消費電力増加を最小限に留める事で、電源装置の効率特性への影響も低減できる。【００１４】  また、マイクロコンピュータ、ＡＳＩＣ等の追加により一次側に設けた制御部を電源装置の付加機能にも活用することができ、部品点数の低減によるコストダウン、小型化に貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  図１は電源装置のブロック図である。まず、このブロック図について説明する。本回路は、Ａ／Ｄコンバータ１１とＲＯＭ１２とＰＷＭジェネレーター１３とＦＥＴドライブ回路１４と絶縁トランス１５とエラーアンプ１６と入力部１０と出力部１１とで構成される。電源回路において、Ａ／Ｄコンバータ１１とＲＯＭ１２とＰＷＭジェネレーター１３は一体化されたＡＳＩＣ、若しくはマイクロコンピュータ（以下マイコンと記す）で構成した場合も同等のブロック構成であるとみなす。また場合によってはエラーアンプ１６まで集積されたマイコンでも良い。【００１６】  本方式の特徴は、入力部１０に入力された情報を、Ａ／Ｄコンバータ１１により取り込みこれに対応する制御量を、データーテーブルであるＲＯＭ１２から取り出し、エラーアンプ１６より得られた情報とＰＷＭジェネレーター１３重ね合わせる事で、入力系とフィードバック系の異なる制御を線形的に結合させる事である。
これは、従来アナログ制御ＩＣで行なっていたＰＷＭの基本周波数を、アナログフイードバックの応答特性に影響を与えない程度の速さで変化させるものである。つまり設計段階で一義的に決定されていた周波数を、使用条件に合わせ、動的に変化させるものであるため、２つの専用設計の電源を切り替えて使用するのと大きく変わるものではない。それ故、切り替えタイミングを適切に行なえば、従来技術の延長である事は明白であり実用化が容易であることが判る。【００１７】  デーブルの作成は一般的なアナログ制御電源の設計手法と同じであり、従来はコンデンサや抵抗といった、動的に変更不可能であったパラメーターを数値的に記憶して使用するのと等しい。従来の設計手法により決められたパラメーターをコンパレータとアナログスイッチで切り替える方法であれば、今回の発明と同等なことは容易に実現できるが、より経済的に簡便な方法としては、マイコンを利用したほうが良い
これらの制御パラメーターは、もちろん計算で求めたものでも良いが、実験より求めたデーターを用いても良い。重要なのは、これらをテーブル化する事で、演算量を減らし、簡便なハードウエアで実現できる事である。【００１８】  いずれの方法にせよ作成されたテーブルデーターは、次のようにして制御に利用する。先ず、入力情報をＡ／Ｄコンバータで読み込み、読み込まれたデーターに対応する制御データーを、ＲＯＭ１２から取り出し、入力電圧に応じて異なる、最適化されたスイッチング周波数をＰＷＭジェネレーター１３に出力しフィードバック情報と合成させる。これにより、マイコンの演算時間の短縮、消費電力の低減につながる。【００１９】  入力部のマイコンで、スイッチング周波数、最大デューティーを定める。これを利用して過負荷、負荷短絡、過大電圧印加などによる発煙、発火等がないようにするための過電流、過電圧保護といった付加機能も設けることができる。【００２０】  出力電圧調整は従来のアナログスイッチング電源と同じように、主にエラーアンプ１６からの誤差信号によって生成される。出力電源が絶縁型の場合には、一次側と二次側はフォトカプラで絶縁を得る方法と、補助トランスを用いた方法があり、エラーアンプの位置は、１次側、２次側を問わない。よって絶縁型のみならず、非絶縁型の電源であっても実用上問題は無い。【００２１】  図２は、フィードバック制御量と、スイッチング周波数の重ね合わせ方の実施例である。フォトトランジスタ側を、一次側の抵抗の両端へ接続し、一次側のコンデンサと抵抗による充放電の時間の変化と、シュミットインバータを用いることでデューティーを調整して行う。
またフォトカプラを使用しない構成例が図３である。補助トランスにより一次側に出力電圧を取り出し、その電圧の変動によってデューティーを変化させ出力電圧を調整する。入力電圧に応じて制御方法、スイッチング周波数を変化させることにより、高効率化、高機能化することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】  電源装置の高効率化、高機能化によりバッテリー駆動装置の動作時間の拡大、また制御部を集約することにより電源装置の小型化、コストダウンも期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ブロック図
【図２】フォトカプラ使用時の説明図
【図３】フォトカプラ未使用時の説明図
【符号の説明】
【００２４】１０    入力部
１１    Ａ／Ｄコンバータ
１２    ＲＯＭ
１３    ＰＷＭジェネレータ
１４    ＦＥＴドライブ回路
１５    トランス（絶縁）
１６    エラーアンプ（絶縁）
１７    出力部
【図１】
2009195095.tif 000003
【図２】
2009195095.tif 000004
【図３】
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