JP2009195095A - Input voltage adaptive system power supply apparatus - Google Patents
Input voltage adaptive system power supply apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009195095A JP2009195095A JP2008061813A JP2008061813A JP2009195095A JP 2009195095 A JP2009195095 A JP 2009195095A JP 2008061813 A JP2008061813 A JP 2008061813A JP 2008061813 A JP2008061813 A JP 2008061813A JP 2009195095 A JP2009195095 A JP 2009195095A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power supply
- input voltage
- supply device
- switching frequency
- microcomputer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
本発明は、スイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply apparatus.
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。 Electric power is supplied mainly from a direct current (DC) power source represented by a battery and a commercial power source (AC) power source. With the recent development of low-voltage and power-saving technologies, there are various types of power supply required for these power supply devices (power supplies), and research and development on multiple outputs, high efficiency, and miniaturization are progressing daily. ing. These power sources have been developed based on a feedback technique called an analog method. However, in order to respond to technological progress in recent years, there are situations where it is impossible to respond due to control problems, etc. Various power supply devices are trying to solve these problems by introducing digital control system Proposed.
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。 Among the requirements for the power supply, there are many demands for improving the efficiency of the power supply. In order to respond to such demands, various approaches have been made, such as careful selection of parts used, improvement, and examination of control methods. Specific examples of this include reduction of the ON resistance of the FET that is the switch used, reduction of the input capacitance, and the introduction of a technique called soft switching using a resonant circuit.
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。 Higher efficiency of the power supply not only brings about economic effects such as reduction of power consumption, but also benefits such as high reliability and long life due to a decrease in heat generation. The so-called battery-powered device that operates in the above-described manner operates with limited energy, so that the operation time of the device is also affected, so that there is an increasing demand for a highly efficient power source.
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。 These battery drive devices are often premised on the combined use with power supply from commercial power, and in a normal state, power supply from a stable power source with little temporal change is assumed. However, since the output voltage of the battery device decreases with discharge due to its electrochemical characteristics, stable power supply such as a constant input voltage cannot be expected.
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。 On the other hand, many power supplies respond to input voltage fluctuations, but generally have input fluctuation characteristics in which output efficiency characteristics change. This is because the design is designed so that the rated input at the time of design and the output efficiency at the rated load are maximized based on the power supply from a stable commercial power source that occupies most of the usage time. As a means for solving these problems, it is conceivable to cope with a narrow control range of the conventional analog control, but the correspondence is not simple and is not economical including development costs. In addition, since there are many demands for additional functions such as soft start and overcurrent protection, there are many problems such as cost increase due to the addition of parts and difficulty in miniaturization.
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。
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。In the case of an input source in which the input voltage fluctuation characteristic can be considered constant for a short time, such as a battery, but the voltage changes due to the discharge characteristic, a decrease in the efficiency of the power supply affects the operation time of the apparatus. From another point of view, it is uneconomical because the maximum possible output efficiency cannot be obtained when using an input voltage value other than the rated value within the input voltage range. In addition, when it is dealt with by adding an additional function, the number of parts increases, which may cause an increase in parts cost and adverse effects on downsizing. In order to solve this problem, even when a digital control technique is introduced, if a microcomputer or the like that consumes a large amount of power is used for the control unit, the efficiency characteristics of the power supply device are affected, which can be a negative effect of higher efficiency. In order to solve the above problems, it is desired to optimize the control method in accordance with the input voltage and the state of the load by using a necessary minimum control microcomputer with low power consumption and improve the efficiency. .
As a patent using these concepts, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-88110, a proposal has been made to improve efficiency by switching a switching frequency according to an input source. However, in the embodiment, only analog and digital switching methods are used. In addition, the continuous control proposed internally requires a high-performance CPU due to an increase in the amount of calculation in the conventional digital control.
Therefore, the present invention provides a power supply device that can be changed to a more desirable control method at a lower cost while monitoring the input voltage and load conditions, and solves the above-mentioned problems.
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。 In order to solve the above problem, a control method is used in the power supply apparatus, which monitors the input voltage and the output voltage, and changes the switching frequency and the duty so that the output efficiency is maximized according to each input voltage. A controller capable of changing the switching frequency and duty is provided on the primary side. Further, in order to reduce power consumption in the control unit, the switching frequency and duty are controlled using a microcomputer, ASIC, or the like having relatively low performance for the control unit. This is a technique for reducing the power consumption required for computation because advanced computation required in the digital power supply causes an increase in power consumption.
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。 In order to minimize the computation, the control for load fluctuations and input fluctuations that are relatively fluctuating is left to the conventional analog method, and the part that cannot be handled by the control is complemented by digital control, and excessive digital computing ability This is a method that is established with a configuration that does not require the above. By using a relatively low speed computer, it is possible to achieve both reduction in power consumption and cost and improvement in efficiency. As a specific calculation method, a method of performing control by making a table of the relation between the result of the calculation in advance and the calculation condition and referring to the table is used. This technique reduces the computation time that requires a lot of time, and makes it possible to implement the necessary functions even with the addition of lower-function hardware.
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。Moreover, in this power supply device, the overcurrent and overvoltage protection functions in the power supply device are realized by determining the maximum duty using a microcomputer, ASIC, ROM, or the like.
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。 Therefore, in the switching power supply device of the present invention, the calculation is simplified by using the reference table of the relationship between the input voltage and the optimum switching frequency recorded in the microcomputer, ASIC, ROM, etc. Reduce power consumption of ASIC.
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。 Optimal control according to the input voltage can be obtained, and operation is possible with the highest possible output efficiency. As a result, it is possible to expect an increase in the operation time of a device that is required to operate with limited energy such as a battery. In addition, the calculation time and the increase in power consumption caused by the addition of control can be reduced by using the tabulation method to minimize the increase in power consumption of microcomputers, ASICs, etc. The effect on efficiency characteristics can also be reduced.
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。 In addition, the control unit provided on the primary side by adding a microcomputer, ASIC, etc. can also be used for the additional function of the power supply device, contributing to cost reduction and size reduction by reducing the number of parts.
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。 FIG. 1 is a block diagram of a power supply device. First, this block diagram will be described. This circuit includes an A / D converter 11, a
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。The feature of this method is that the information input to the input unit 10 is taken in by the A / D converter 11 and the corresponding control amount is taken out from the
This is to change the basic frequency of PWM, which has been conventionally performed by an analog control IC, at such a speed that does not affect the response characteristics of the analog feedback. In other words, since the frequency uniquely determined in the design stage is dynamically changed according to the use conditions, it is not greatly different from switching the power supply of two dedicated designs. Therefore, it can be seen that if the switching timing is properly performed, it is obvious that the conventional technique is an extension of the prior art, and that it can be easily put into practical use.
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。The creation of the table is the same as the design method of a general analog control power supply, and is equivalent to storing and using numerically parameters such as a capacitor and a resistor that could not be changed dynamically. If the parameter determined by the conventional design method is switched by a comparator and an analog switch, the equivalent of the present invention can be easily realized, but a more economical and simple method is to use a microcomputer. Good These control parameters may of course be obtained by calculation, but data obtained from experiments may also be used. What is important is that these can be made into a table to reduce the amount of calculation and can be realized with simple hardware.
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。 The table data created by either method is used for control as follows. First, input information is read by an A / D converter, control data corresponding to the read data is taken out from the
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。 The switching frequency and maximum duty are determined by the input microcomputer. By using this, it is possible to provide additional functions such as overcurrent and overvoltage protection in order to prevent smoke, fire, etc. due to overload, load short circuit, application of excessive voltage, and the like.
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。 The output voltage adjustment is generated mainly by an error signal from the error amplifier 16 as in the conventional analog switching power supply. When the output power supply is an insulation type, there are a method of obtaining insulation with a photocoupler on the primary side and a secondary side, and a method using an auxiliary transformer, and the position of the error amplifier can be on the primary side or the secondary side. Absent. Therefore, there is no practical problem even if the power source is not only an insulation type but also a non-insulation type.
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。FIG. 2 shows an embodiment of how to superimpose the feedback control amount and the switching frequency. The phototransistor side is connected to both ends of the primary-side resistor, and the duty is adjusted by using the Schmitt inverter and the change in charge / discharge time by the primary-side capacitor and resistor.
FIG. 3 shows a configuration example in which no photocoupler is used. The output voltage is extracted to the primary side by the auxiliary transformer, and the output voltage is adjusted by changing the duty according to the fluctuation of the voltage. High efficiency and high functionality can be achieved by changing the control method and switching frequency according to the input voltage.
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。 By increasing the efficiency and functionality of the power supply device, the operation time of the battery drive device can be extended, and by consolidating the control unit, the power supply device can be expected to be reduced in size and cost.
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10 Input unit 11 A /
13
16 Error amplifier (insulated)
17 Output section
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008061813A JP2009195095A (en) | 2008-02-14 | 2008-02-14 | Input voltage adaptive system power supply apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008061813A JP2009195095A (en) | 2008-02-14 | 2008-02-14 | Input voltage adaptive system power supply apparatus |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009195095A true JP2009195095A (en) | 2009-08-27 |
Family
ID=41076596
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008061813A Pending JP2009195095A (en) | 2008-02-14 | 2008-02-14 | Input voltage adaptive system power supply apparatus |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009195095A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012060820A (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-22 | Omron Automotive Electronics Co Ltd | Dc-dc converter |
JP2014018031A (en) * | 2012-07-11 | 2014-01-30 | Toyota Industries Corp | Power receiving apparatus and power transmission system |
US11563380B2 (en) | 2018-05-15 | 2023-01-24 | Mitsubishi Electric Corporation | Power device drive apparatus and method for manufacturing the same |
-
2008
- 2008-02-14 JP JP2008061813A patent/JP2009195095A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012060820A (en) * | 2010-09-10 | 2012-03-22 | Omron Automotive Electronics Co Ltd | Dc-dc converter |
JP2014018031A (en) * | 2012-07-11 | 2014-01-30 | Toyota Industries Corp | Power receiving apparatus and power transmission system |
US11563380B2 (en) | 2018-05-15 | 2023-01-24 | Mitsubishi Electric Corporation | Power device drive apparatus and method for manufacturing the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2010158098A (en) | Power supply unit and electronic apparatus | |
US20060255777A1 (en) | Apparatus and method for improving voltage converter low load efficiency | |
JP5589141B2 (en) | Operation control device for photovoltaic power generation system | |
US10069434B2 (en) | Power supply system capable of switching control power source of power control module | |
JP5469624B2 (en) | Reactive power compensator | |
TW201338348A (en) | Uninterruptible power supply system | |
TWI489759B (en) | System and method for electric power conversion | |
JP5602170B2 (en) | Method and electronic apparatus for controlling operation of processor | |
US8390260B2 (en) | Power supply for negative voltage load | |
JP4948881B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2018007316A (en) | Voltage control device and information processing device | |
JP2009195095A (en) | Input voltage adaptive system power supply apparatus | |
JP2006034088A (en) | Multi-output power supply circuit and electronic apparatus using the same | |
JP2001119956A (en) | Device and method for power factor adjusting | |
JP5573154B2 (en) | Power conditioner and power generation system equipped with the same | |
JP2010158116A (en) | Dc-dc converter | |
JP6902719B2 (en) | Converter system | |
JP2008054468A (en) | Instantaneous voltage drop compensator | |
JP2006246637A (en) | Switching power supply | |
JP2010051116A (en) | Switching power supply, power supply system, and electronic equipment | |
JP2015027203A (en) | Power conditioner, power conditioner system, and method of controlling power conditioner | |
CN110572058B (en) | Power supply capable of prolonging holding time | |
JP2010161844A (en) | Uninterruptible power supply device | |
JP2010098778A (en) | Dc-dc converter | |
JP2002125317A (en) | System stabilization apparatus |