JP2018057108A

JP2018057108A - 電源装置

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Publication number: JP2018057108A
Application number: JP2016188502A
Authority: JP
Inventors: 崇司武藤; Takashi Muto
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: US20180088613A1; CN107872150B; CN107872150A; JP6711730B2; US10191502B2

Abstract

【課題】出力電圧の電圧値が変更された場合であっても、負荷に印加される印加電圧の低下を抑制することが可能な電源装置を提供する。
【解決手段】直流電圧を出力する電源装置１は、直流電圧を供給する負荷２が接続される正負一対の出力端子３０と、出力端子３０から出力される直流電圧の電圧値を検出する検出部４０と、出力端子３０から出力される直流電圧の指示値を、予め設定された複数の指示値の中から選択して設定する設定部５０と、負荷２を流れる電流の電流値の増加量に応じて、検出部４０により検出される電圧値及び設定部５０により設定される指示値の一方を増大させる補正部６０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧を出力する電源装置に関する。

従来、所定の電圧値の直流電圧を、所期の電圧値の直流電圧に変換する電源装置（所謂ＤＣ／ＤＣコンバータ）が利用されてきた。このような電源装置は、出力電圧の電圧値（以下「出力電圧」とする）を一定に維持するように構成される。一方、電源装置には、当該電源装置からの直流電圧を印加する負荷がケーブルを用いて接続される。このケーブルは所定のインピーダンスを有するため、負荷の消費電流が大きくなるにつれ、負荷に印加される印加電圧の電圧値（以下「印加電圧」とする）が低下してしまう。そこで、このような印加電圧の低下を補償する技術が検討されてきた（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の直流電源装置の安定化回路は、負荷に対する印加電圧が略一定となるように、負荷電流の増加（又は減少）に対応して、電源装置本体の出力電圧を高く（又は低く）する負荷電流対出力電圧特性を有する出力電圧補正回路を備えて構成される。

特開平７−１０４８７０号公報

例えば電源装置にあっては、用途によって出力電圧を変更する場合がある。しかしながら、特許文献１に記載の技術は、出力電圧が変更可能な電源装置への適用は検討されていない。例えば特許文献１に記載の技術において、電圧検出抵抗部が有する分圧抵抗の分圧比を変更して出力電圧を変更した場合、分圧抵抗の分圧比に応じて出力電圧の補正値も変更されてしまうため、負荷装置に印加される印加電圧が低下する可能性がある。

そこで、出力電圧が変更された場合であっても、負荷（上記「負荷装置」に相当）に印加される印加電圧の低下を抑制することが可能な電源装置が求められる。

本発明に係る電源装置の特徴構成は、直流電圧を出力する電源装置であって、前記直流電圧を供給する負荷が接続される正負一対の出力端子と、前記出力端子から出力される前記直流電圧の電圧値を検出する検出部と、前記出力端子から出力される前記直流電圧の指示値を、予め設定された複数の指示値の中から選択して設定する設定部と、前記負荷を流れる電流の電流値の増加量に応じて、前記検出部により検出される電圧値及び前記設定部により設定される指示値の一方を増大させる補正部と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、負荷電流（負荷電流の電流値）の大きさに応じて検出部により検出される電圧値及び設定部により設定される指示値の一方を増大させるので、出力（出力電圧）を補償して負荷に印加される印加電圧を所期の電圧値に維持することができる。また、この補償は、負荷電流（負荷電流の電流値）にのみ依存させることができるので、例えば電源装置から出力される直流電圧の指示値を変更した場合であっても、負荷電流に応じた電源装置の出力（出力電圧）を補償する補償値が変化しないようにすることができ、負荷に印加される印加電圧の低下を抑制することが可能となる。

また、前記検出部は、前記一対の出力端子のうちの正端子と接地電位との間に設けられ、前記補正部は、前記設定部と前記接地電位との間に設けられ、前記指示値を増大させると好適である。

このような構成とすれば、負荷電流の増大に応じて設定部により設定される指示値を大きくすることができる。したがって、負荷電流の大きさに応じて電源装置からの出力（出力電圧）を大きくすることができるので、負荷に印加される印加電圧の低下を抑制することが可能となる。

また、前記検出部は、前記直流電圧を前記接地電位との間で分圧する直列に接続された少なくとも２つの抵抗器を有し、前記補正部は、前記一対の出力端子のうちの負端子と前記接地電位との間に設けられる抵抗器を有し、前記設定部は、予め設定された定電圧からなる基準電圧を、前記負端子の電位との間で分圧する直列に接続された少なくとも２つの抵抗器を有し、当該少なくとも２つの抵抗器のうち前記基準電圧が印加される抵抗器が前記複数の指示値に応じて前記少なくとも２つの抵抗器とは異なる他の抵抗器と並列に接続されていると好適である。

このような構成とすれば、補正部が有する抵抗器の抵抗値によって負荷電流に応じた電源装置の出力（出力電圧）の補償値を設定することができる。したがって、簡素な構成で出力を補償することが可能となる。

電源装置の構成を模式的に示した図である。電源装置の出力電圧及び負荷への印加電圧と負荷電流との関係を示した図である。

本発明に係る電源装置は、当該電源装置と負荷とを接続するケーブルのインピーダンスによって生じる電圧降下を補償する機能を備えている。以下、本実施形態の電源装置１について説明する。

電源装置１は、直流電圧を出力するように構成され、特に本実施形態では直流電圧を所期の電圧値の直流電圧に変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータを例に挙げて説明する。図１は、本実施形態の電源装置１の構成を模式的に示した図である。図１に示されるように、電源装置１は、一対の入力端子１０、電圧変換部２０、一対の出力端子３０、検出部４０、設定部５０、補正部６０、誤差増幅器７０、スイッチング制御部８０を備える。

一対の入力端子１０は、電源装置１に所定の電圧値からなる入力電圧が印加される。本実施形態では、電源装置１はＤＣ／ＤＣコンバータとして説明しているので、入力電圧は直流電圧となる。このため、一対の入力端子１０は、正端子１０Ａ及び負端子１０Ｂから構成される。負端子１０Ｂは接地される。このため、入力電圧は接地電位を基準とした電位差の電圧が印加される。一対の入力端子１０に印加される直流電圧は、例えば交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータから供給することが可能である。

電圧変換部２０は、図示はしないがインダクタとスイッチング素子とダイオードとコンデンサとを備えて構成され、スイッチング素子のスイッチングに応じてインダクタにエネルギーを蓄え、このエネルギーに基づき入力電圧を所定の電圧値の直流電圧に変換する。このような電圧変換部２０は、例えば公知のフライバック方式の回路構成や、チョッパ式の回路構成を採用することが可能である。

一対の出力端子３０は、正負一対からなり、直流電圧を供給する負荷２が接続される。正負一対の出力端子３０とは、正端子３０Ａ及び負端子３０Ｂが相当する。正端子３０Ａは電圧変換部２０により所定の電圧値に変換された直流電圧が印加され、負荷２の正端子２Ａにケーブル３を介して接続される。また、負端子３０Ｂは、負荷２の負端子２Ｂにケーブル３を介して接続される。

検出部４０は、出力端子３０から出力される直流電圧の電圧値を検出する。本実施形態では、検出部４０は、一対の出力端子３０のうちの正端子３０Ａと接地電位との間に設けられる。したがって、出力端子３０から出力される直流電圧の電圧値は、接地電位を基準とした電位差として検出される。図１に示されるように、検出部４０は、出力端子３０から出力される直流電圧を接地電位との間で分圧する直列に接続された少なくとも２つの抵抗器Ｒ１、Ｒ２を有する。したがって、抵抗器Ｒ１及び抵抗器Ｒ２の抵抗値と、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで分圧された電圧値とに基づき、出力端子３０から出力される直流電圧を検出することが可能となる。抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで分圧された電圧は、後述する誤差増幅器７０の反転端子に入力される。

設定部５０は、出力端子３０から出力される直流電圧の指示値を、予め設定された複数の指示値の中から選択して設定する。出力端子３０から出力される直流電圧の指示値とは、電源装置１に要求される出力電圧の電圧値にあたる。本実施形態では、電源装置１は複数の電圧値の中から選択された電圧値の出力電圧を出力可能に構成されている。複数の電圧値の中からの選択は、電源装置１に対する出力電圧の要求指示（図示せず）に基づき、設定部５０が有するスイッチＳＷ（後述する）の開閉状態を制御して行われる。

本実施形態では、設定部５０は、基準電源５１と、少なくとも２つの抵抗器Ｒ４、Ｒ５と、当該少なくとも２つの抵抗器Ｒ４、Ｒ５とは異なる他の抵抗器Ｒ６、Ｒ７とを有する。基準電源５１は、負端子が電源装置１の負端子３０Ｂに接続して設けられ、負端子３０Ｂを基準電位として予め設定された定電圧からなる基準電圧Ｖｒｅｆを出力する。予め設定された定電圧とは、一定の直流電圧である。ここで、基準電圧Ｖｒｅｆは、電源装置１の出力電圧の精度に寄与する。よって、基準電圧Ｖｒｅｆは誤差の小さい一定の直流電圧とすると好適である。

２つの抵抗器Ｒ４、Ｒ５は直列に接続され、基準電圧Ｖｒｅｆを負端子３０Ｂとの間で分圧する。したがって、抵抗器Ｒ４の端子間電位をＶ１とすると、Ｖ１は以下の（１）式で示される。

抵抗器Ｒ６及び抵抗器Ｒ７は、２つの抵抗器Ｒ４、Ｒ５のうち基準電圧Ｖｒｅｆが印加される抵抗器Ｒ５と複数の指示値に応じて並列に接続されている。図１に示されるように、抵抗器Ｒ６は、スイッチＳＷのうちのスイッチＳＷ１と直列に接続された上で、抵抗器Ｒ５と並列に接続される。また、抵抗器Ｒ７は、スイッチＳＷのうちのスイッチＳＷ２と直列に接続された上で、抵抗器Ｒ５と並列に接続される。これにより、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２の一方又は双方の閉状態にすることで、上述したＲ４の端子間電位Ｖ１を変更する（大きくする）ことが可能となる。

抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ５との中点は、後述する誤差増幅器７０の非反転端子に接続される。これにより、抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ５との間の電圧が、指示値に応じた電圧指令として設定部５０から出力される。

補正部６０は、負荷２を流れる電流の電流値の増加量に応じて、設定部５０により設定される指示値を増大させる。負荷２を流れる電流とは、正端子３０Ａからケーブル３を介して負荷２の正端子２Ａに流れ込む電流Ｉ０、若しくは、負荷２の負端子２Ｂからケーブル３を介して負端子３０Ｂに流れ込む電流Ｉ０が相当する。なお、負荷２における損失は無視している。補正部６０は、このような電流Ｉ０が大きくなるにしたがって、設定部５０の指示値を増大させるべく、抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ５との中点（接続点）の電位を増大させる。

本実施形態では、補正部６０は、設定部５０と接地電位との間に設けられる。より具体的には、補正部６０は、一対の出力端子３０のうちの負端子３０Ｂと接地電位との間に設けられる抵抗器Ｒ３を有して構成される。したがって、上述した負荷２を流れる電流は、抵抗器Ｒ３を介して接地電位に流れることになる。ここで、抵抗器Ｒ３の端子間電位をＶ２とすると、Ｖ２は以下の（２）式で示される。ただし、誤差増幅器７０の入力インピーダンスは無限大とし、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２は開状態とする。

（２）式より、抵抗器Ｒ３の端子間電位Ｖ２は、電流Ｉ０に比例して増大する。一方、上述したように、設定部５０から誤差増幅器７０に対して出力される電圧指令は、抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ５との中点の電圧である。この電圧は、接地電位を基準にした場合、抵抗器Ｒ４の端子間電位Ｖ１と、抵抗器Ｒ３の端子間電位Ｖ２との和となる。したがって、上述したように補正部６０は、電流Ｉ０が大きくなるにしたがって、設定部５０による電圧指令を増大させることが可能となる。

誤差増幅器７０は、検出部４０の検出結果を設定部５０による電圧指令に一致するように電圧変換部２０が有するスイッチング素子のスイッチングを制御する。したがって、上述したように、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との中点の電位が誤差増幅器７０の反転端子に入力され、抵抗器Ｒ４と抵抗器Ｒ５との中点の電位が誤差増幅器７０の非反転端子に入力される。誤差増幅器７０の出力は、後述するスイッチング制御部８０に伝達される。

スイッチング制御部８０は、誤差増幅器７０の出力に基づいて電圧変換部２０が有するスイッチング素子のスイッチングを制御する。具体的には、スイッチング制御部８０は、誤差増幅器７０の出力に基づいてスイッチング素子を制御するＤＵＴＹを設定し、スイッチング素子をＰＷＭ制御する。これにより、負荷２を流れる電流の大きさに応じて、正端子３０Ａの電位を高くすることが可能となる。

上記のように構成した電源装置１の一対の出力端子３０における正端子３０Ａと負端子３０Ｂとの間の電位差（出力電圧Ｖａ）は（３）式で表される。ただし、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２は開状態とする。

また、スイッチＳＷ１のみ閉状態にすると、抵抗器Ｒ５と抵抗器Ｒ６とが並列接続された状態となるので、電位差（出力電圧Ｖａ）は（４）式で表される。

更に、スイッチＳＷ２のみ閉状態にすると、抵抗器Ｒ５と抵抗器Ｒ７とが並列接続された状態となるので、電位差（出力電圧Ｖａ）は（５）式で表される。

上記（３）式〜（５）式に示されるように、負荷２を流れる電流Ｉ０は独立項となる。したがって、設定部５０により電源装置１に要求される直流電圧の指示値に拘らず、ケーブル３による電圧降下による補償値を電流Ｉ０の大きさに応じて設定することが可能となる。

図２には、電源装置１から出力される出力電圧Ｖａと負荷２を流れる電流Ｉ０との関係、及び負荷２に印加される印加電圧Ｖｂと負荷２を流れる電流Ｉ０との関係が示される。なお、印加電圧Ｖｂとは、負荷２の正端子２Ａ及び負端子２Ｂの端子間電位である。図２の例では、ＶｓがスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２を開状態にした場合の出力電圧であり、ＶｔがスイッチＳＷ２のみを開状態にした場合の出力電圧であり、ＶｕがスイッチＳＷ１のみを開状態にした場合の出力電圧である。図２に示されるように、電源装置１の出力電圧Ｖａは、Ｖｓ、Ｖｔ、Ｖｕの何れであっても負荷電流が増大するにしたがって、大きくなり、負荷２への印加電圧Ｖｂは、負荷２を流れる電流に拘らず一定となる。

また、図２に示されるように、電源装置１の出力電圧ＶａがＶｓ、Ｖｔ、Ｖｕの何れであっても、印加電圧Ｖｂと出力電圧Ｖａとの差は、負荷２を流れる電流Ｉ０が同じである場合には同じ値となる。したがって、本電源装置１によれば、ケーブル３による電圧降下の補償を、電源装置１に要求される直流電圧の指示値に依存しないように行うことが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、補正部６０は、負荷２を流れる電流の電流値の増加量に応じて、設定部５０により設定される指示値を増大させるとして説明したが、補正部６０は、検出部４０により検出される電圧値を増大させるように構成することも可能である。具体的には、補正部６０は、負荷２を流れる電流の増加量に応じて、正端子３０Ａと誤差増幅器７０の反転端子との間の抵抗値が増大するように構成すると良い。

あるいは、補正部６０は、負荷２を流れる電流の増加量に応じて、基準電源５１の正端子と誤差増幅器７０の非反転端子との間の抵抗値が減少するように構成することも可能であるし、負荷２を流れる電流の増加量に応じて、誤差増幅器７０の反転端子と接地電位との間の抵抗値が減少するように構成することも可能である。

上記実施形態では、図１の回路構成を例に挙げて説明したが、図１に示される回路構成以外のものに採用することも可能である。

本発明は、直流電圧を出力する電源装置に用いることが可能である。

１：電源装置
２：負荷
３０：出力端子
３０Ａ：正端子
４０：検出部
５０：設定部
６０：補正部
Ｉ０：電流
Ｒ１：抵抗器
Ｒ２：抵抗器
Ｒ３：抵抗器
Ｒ４：抵抗器
Ｒ５：抵抗器
Ｒ６：抵抗器
Ｒ７：抵抗器
Ｖｒｅｆ：基準電圧

Claims

直流電圧を出力する電源装置であって、
前記直流電圧を供給する負荷が接続される正負一対の出力端子と、
前記出力端子から出力される前記直流電圧の電圧値を検出する検出部と、
前記出力端子から出力される前記直流電圧の指示値を、予め設定された複数の指示値の中から選択して設定する設定部と、
前記負荷を流れる電流の電流値の増加量に応じて、前記検出部により検出される電圧値及び前記設定部により設定される指示値の一方を増大させる補正部と、
を備える電源装置。
前記検出部は、前記一対の出力端子のうちの正端子と接地電位との間に設けられ、
前記補正部は、前記設定部と前記接地電位との間に設けられ、前記指示値を増大させる請求項１に記載の電源装置。
前記検出部は、前記直流電圧を前記接地電位との間で分圧する直列に接続された少なくとも２つの抵抗器を有し、
前記補正部は、前記一対の出力端子のうちの負端子と前記接地電位との間に設けられる抵抗器を有し、
前記設定部は、予め設定された定電圧からなる基準電圧を、前記負端子の電位との間で分圧する直列に接続された少なくとも２つの抵抗器を有し、当該少なくとも２つの抵抗器のうち前記基準電圧が印加される抵抗器が前記複数の指示値に応じて前記少なくとも２つの抵抗器とは異なる他の抵抗器と並列に接続されている請求項２に記載の電源装置。