JP2019110733A - スイッチング電源 - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチングノイズの発生を抑制しつつ、出力リップル電圧を低減することができるスイッチング電源を提供する。【解決手段】スイッチング電源は、入力端から電圧を入力させるためのスイッチング素子を含む電圧変換器を備え、スイッチング素子におけるスイッチング周波数を所定の変動範囲で変動させるスぺクトラム拡散機能を有する。スイッチング電源は、スイッチング周波数の変動範囲を設定し、入力端から入力される電圧の値が所定の閾値以上である場合、設定した変動範囲の下限値を上昇する周波数設定部と、周波数設定部により設定された変動範囲内においてスイッチング周波数を変動させてスイッチング素子を駆動させるための制御信号を発生する信号発生器と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、スぺクトラム拡散機能を有するスイッチング電源に関する。
スイッチング電源では、装置内に含まれるスイッチング素子（例えば、トランジスタ）のオンオフ制御に応じて流れる電流の方向が切り替わる。このとき、スイッチング電源では、非常に大きなスイッチングノイズが発生する。スイッチングノイズは、外部への電磁界放射ノイズとなり、周囲の電子機器での電磁障害を発生させる要因となる。このため、上記スイッチング電源では、スイッチングノイズの発生を抑制することが課題となっている。
ところで、スイッチング電源では、スイッチングノイズの発生を抑制するために、スペクトラム拡散が行われている。スペクトラム拡散は、スイッチング周波数を所定の変動範囲で変動させて１つの信号を複数のスイッチング周波数に対応する複数の信号に拡散することで、ノイズ等の要因による信号への影響を低減する技術のことである。スイッチング周波数を所定の変動範囲で変動する場合に、当該所定の変動範囲が広いほどスペクトラム拡散の効果が高く、スイッチングノイズの発生を抑制する効果を発揮する。
特開２０１５−２２８７６１号公報
しかしながら、スイッチング周波数の変動範囲が広いほど、以下の問題が発生することがある。例えば、スイッチング電源に入力される電圧が高く、スイッチング周波数が低い場合に、出力リップル電圧が大きくなる。スイッチング電源から出力される電圧を電源とする装置によっては、出力リップル電圧の増大により、誤動作、又は破損することがある。また、スイッチング周波数が高い場合、スイッチング素子のスイッチング損失が増加するため、変換効率が悪化する。変換効率の悪化は、消費電流の増加に繋がる。
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、スイッチングノイズの発生を抑制しつつ、出力リップル電圧を低減することができるスイッチング電源を提供することにある。
上記目的を達成するため、本実施形態に係るスイッチング電源は、入力端から電圧を入力させるためのスイッチング素子を含む電圧変換器を具備し、前記スイッチング素子におけるスイッチング周波数を所定の変動範囲で変動させるスぺクトラム拡散機能を有することを前提とし、前記スイッチング周波数の変動範囲を設定し、前記入力端から入力される電圧の値が所定の閾値以上である場合、設定した前記変動範囲の下限値を上昇する周波数設定部と、前記周波数設定部により設定された前記変動範囲内において前記スイッチング周波数を変動させて前記スイッチング素子を駆動させるための制御信号を発生する信号発生器と、を具備する。
出力リップル電圧は、入力端から電圧変換器に入力される電圧が高く、かつスイッチング周波数が低いほど大きくなる。本実施形態における周波数設定部は、入力端から電圧変換器に入力される電圧の値が所定の閾値以上である場合、設定したスイッチング周波数の変動範囲の下限値を上昇する。これにより、本実施形態に係るスイッチング電源は、出力リップル電圧を低減することができる。
かくして、本実施形態に係るスイッチング電源は、スイッチングノイズの発生を抑制しつつ、出力リップル電圧を低減することができる。
本実施形態に係るスイッチング電源を示すブロック図である。 制御端子において発生した電圧に応じた、スイッチング周波数の変動範囲を示す図である。 入力端から入力される電圧に応じた、スイッチング周波数の変動範囲を示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。
図１は、本実施形態に係るスイッチング電源１を示すブロック図である。図１に示すスイッチング電源１は、後述するスイッチング素子１１におけるスイッチング周波数を所定の変動範囲で変動させるスぺクトラム拡散機能を有する。
スイッチング電源１は、例えば、第１正極端Ｔ１及び第１負極端Ｔ２を有する入力端Ｉから入力される電圧（入力電圧）Ｖｉｎを変換して、第２正極端Ｔ３及び第２負極端Ｔ４を有する出力端Ｏから出力する電源である。第２負極端Ｔ４は、グランドＧＮＤに地絡される。また、本実施形態に係るスイッチング電源１には、プルアップ抵抗Ｒ１と、制御端子Ｔ５とが設けられている。プルアップ抵抗Ｒ１は、後述する制御回路２０の周波数設定部２４と、制御回路２０に電源電圧を供給する定電圧源Ｖｃｃとの間に接続される。制御端子Ｔ５は、当該プルアップ抵抗Ｒ１と、周波数設定部２４との間に設けられる。制御端子Ｔ５には、例えば、電圧変換器１０から出力される電圧の供給を受ける外部装置が接続される。
図１に示すスイッチング電源１は、電圧変換器１０、及び制御回路２０を有する。電圧変換器１０は、入力電圧Ｖｉｎを変換して、出力端Ｏから出力する。電圧変換器１０は、入力電圧Ｖｉｎを入力させるためのスイッチング素子１１を含む。ここで、本実施形態における電圧変換器１０は、例えば、絶縁型降圧コンバータ、非絶縁型降圧コンバータ、絶縁型昇圧コンバータ、非絶縁型昇圧コンバータ、非絶縁型双方向コンバータ、又は絶縁型双方向コンバータであり、いずれかのコンバータを構成するための部品を備えている。
制御回路２０は、スイッチング素子１１を駆動させるための制御信号を出力する。本実施形態における制御回路２０は、例えば、マイコンである。制御回路２０は、上記プルアップ抵抗Ｒ１を介して、定電圧源Ｖｃｃが接続される。本実施形態における制御回路２０は、信号発生器２１、差分増幅器２２、補償器２３、及び周波数設定部２４を有する。
信号発生器２１は、上記スイッチング素子１１を駆動させるための制御信号を発生する。信号発生器２１から出力される制御信号は、一定の周期でオン期間、又はオフ期間を繰り返すパルス信号である。信号発生器２１は、例えば、後述する補償器２３により算出されたデューティ比に応じて、１周期当たりの制御信号のパルス幅を設定する。このとき、信号発生器２１は、後述する周波数設定部２４により設定された変動範囲内においてスイッチング周波数を変動させる。
差分増幅器２２には、アナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）２５を介して、電圧変換器１０から出力端Ｏに出力された電圧（出力電圧）Ｖｏｕｔが入力される。また、差分増幅器２２は、出力端Ｏから入力された出力電圧Ｖｏｕｔ、及び基準電圧生成部２６から出力される基準電圧Ｖｒｅｆの差分を増幅する。なお、基準電圧生成部２６から出力される基準電圧Ｖｒｅｆの値は、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔの理想出力値である。
補償器２３は、差分増幅器２２により増幅された、出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆとの差分に基づいて、スイッチング素子１１の制御量を算出する。言い換えれば、補償器２３は、出力電圧Ｖｏｕｔ、及び基準電圧Ｖｒｅｆの差分に基づいて、スイッチング素子１１を駆動させるための制御信号のデューティ比を算出する。補償器２３は、例えば、ＰＩ（比例積分）演算によって、上記差分が０に近づくように、上記デューティ比を算出する。上記差分が０に近づくように、上記デューティ比を算出する理由としては、入力電圧Ｖｉｎの値が変化しても、出力電圧Ｖｏｕｔの値を一定にするためである。
周波数設定部２４は、スイッチング素子１１におけるスイッチング周波数の変動範囲を設定する。例えば、周波数設定部２４には、アナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）２７を介して、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓが入力される。周波数設定部２４は、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓに応じて、スイッチング周波数の変動範囲を設定する。ここで、本実施形態において、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓの値は、制御端子Ｔ５に接続された外部装置に含まれる抵抗Ｒ２の値、上記プルアップ抵抗Ｒ１の値、及び定電圧源Ｖｃｃの電源電圧の値から算出される。
図２は、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓに応じた、スイッチング周波数の変動範囲を示す図である。図２の横軸は、スイッチング周波数であり、図２の縦軸は、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓである。図２に示すように、周波数設定部２４は、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓに応じて、スイッチング周波数の変動範囲を段階的に広げて設定する。
例えば、図２に示すように、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓが電圧値ａ、及び電圧値ｂの間にある場合、スイッチング周波数の変動範囲をＷ１とする。また、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓが電圧値ｂ、及び電圧値ｃの間にある場合、スイッチング周波数の変動範囲をＷ２とする。また、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓが電圧値ｃ、及び電圧値ｄの間にある場合、スイッチング周波数の変動範囲をＷ３とする。また、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓが電圧値ｄ、及び電圧値ｅの間にある場合、スイッチング周波数の変動範囲をＷ４とする。
周波数設定部２４は、図２に示すように、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓに応じて、スイッチング周波数の変動範囲を段階的に広げて設定している。ここで、制御端子Ｔ５から入力される電圧の値Ｖｓは、上述の通り、制御端子Ｔ５に接続された外部装置に含まれる抵抗Ｒ２の値、上記プルアップ抵抗Ｒ１の値、及び定電圧源Ｖｃｃの電源電圧の値から算出される。言い換えれば、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓの値は、制御端子Ｔ５に接続される外部装置により変化する。すなわち、周波数設定部２４は、制御端子Ｔ５に接続される外部装置に応じて、スイッチング周波数の変動範囲を設定することができる。
ここで、周波数設定部２４は、所定のスイッチング周波数Ｆｃを中心周波数として、所定のスイッチング周波数Ｆｃの前後に同一の周波数帯域幅に亘って、スイッチング周波数の変動範囲を設定している。本実施形態における周波数設定部２４は、高いスイッチング周波数において発生するスイッチング素子１１のスイッチング損失を考慮して、スイッチング周波数の変動範囲を低いスイッチング周波数の帯域寄りに設定するようにしてもよい。
また、周波数設定部２４は、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓの値が所定の閾値（例えば、図２に示す電圧値ａ）未満である場合、スイッチング周波数の変動範囲を設定しない。すなわち、信号発生器２１において、スイッチング周波数を変動させず、スペクトラム拡散を行わない。この理由としては、例えば、装置内の他の機器の周波数とスイッチング周波数の変動範囲が重なり、干渉することで誤作動の原因となるためである。
また、周波数設定部２４には、アナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）２８を介して、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎが入力される。周波数設定部２４は、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎの値が所定の閾値以上である場合、設定したスイッチング周波数の変動範囲の下限値を上昇する。
図３は、入力端Ｉから入力される電圧Ｖｉｎに応じた、スイッチング周波数の変動範囲を示す図である。ここで、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓが電圧値ｄ、及び電圧値ｅの間にあり、スイッチング周波数の変動範囲がＷ４であるとする。周波数設定部２４は、入力端Ｉから入力される電圧Ｖｉｎの値が所定の閾値（例えば、図３に示す電圧値ｘ）以上である場合に、設定したスイッチング周波数の変動範囲Ｗ４の下限値Ｆｍｉｎを上昇する。また、周波数設定部２４は、入力端Ｉから入力される電圧Ｖｉｎの値の上昇に沿って、基準とするスイッチング周波数の変動範囲Ｗ４の下限値Ｆｍｉｎを上昇する。
ここで、出力リップル電圧は、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎが高く、かつスイッチング周波数が低いほど大きくなる。本実施形態における周波数設定部２４は、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎの値が所定の閾値以上である場合、設定したスイッチング周波数の変動範囲の下限値を上昇する。これにより、本実施形態に係るスイッチング電源１は、出力リップル電圧を低減することができる。
また、電圧変換器１０が絶縁型コンバータである場合、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎが高く、かつスイッチング周波数が低いほど、電圧変換器１０に含まれる変圧器（トランス）の磁気飽和が発生しやすく、スイッチング電源１が破損する虞がある。本実施形態における周波数設定部２４は、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎの値が所定の閾値以上である場合、設定したスイッチング周波数の変動範囲の下限値を上昇する。これにより、本実施形態に係るスイッチング電源１は、変圧器の磁気飽和を防止することができる。
（総括）
上述の通り、本実施形態に係るスイッチング電源１は、入力端Ｉから電圧Ｖｉｎを入力させるためのスイッチング素子１１を含む電圧変換器１０を備え、スイッチング素子１１におけるスイッチング周波数を所定の変動範囲で変動させるスぺクトラム拡散機能を有する。スイッチング電源１は、スイッチング周波数の変動範囲を設定し、入力端Ｉから入力される電圧Ｖｉｎの値が所定の閾値以上である場合、設定した変動範囲の下限値を上昇する周波数設定部２４と、周波数設定部２４により設定された変動範囲内においてスイッチング周波数を変動させてスイッチング素子１１を駆動させるための制御信号を発生する信号発生器２１と、を有する。
上記構成によれば、本実施形態に係るスイッチング電源１において、周波数設定部２４は、図２に示すように、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓに応じて、スイッチング周波数の変動範囲を段階的に広げて設定している。ここで、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓの値は、上述の通り、制御端子Ｔ５に接続された外部装置に含まれる抵抗Ｒ２の値、上記プルアップ抵抗Ｒ１の値、及び定電圧源Ｖｃｃの電源電圧の値から算出される。言い換えれば、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓの値は、制御端子Ｔ５に接続される外部装置により変化する。すなわち、周波数設定部２４は、制御端子Ｔ５に接続される外部装置に応じて、スイッチング周波数の変動範囲を設定することができる。
また、出力リップル電圧は、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎが高く、かつスイッチング周波数が低いほど大きくなる。本実施形態における周波数設定部２４は、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎの値が所定の閾値以上である場合、設定したスイッチング周波数の変動範囲の下限値を上昇する。これにより、本実施形態に係るスイッチング電源１は、出力リップル電圧を低減することができる。
また、電圧変換器１０が絶縁型コンバータである場合、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎが高く、かつスイッチング周波数が低いほど、電圧変換器１０に含まれる変圧器（トランス）の磁気飽和が発生しやすく、スイッチング電源１が破損する虞がある。本実施形態における周波数設定部２４は、入力端Ｉから電圧変換器１０に入力される電圧Ｖｉｎの値が所定の閾値以上である場合、設定したスイッチング周波数の変動範囲の下限値を上昇する。これにより、本実施形態に係るスイッチング電源１は、変圧器の磁気飽和を防止することができる。
かくして、本実施形態に係るスイッチング電源１は、スイッチングノイズの発生を抑制しつつ、出力リップル電圧を低減することができる。
ここで、周波数設定部２４は、所定のスイッチング周波数Ｆｃを中心周波数として、所定のスイッチング周波数Ｆｃの前後に同一の周波数帯域幅に亘って、スイッチング周波数の変動範囲を設定している。本実施形態における周波数設定部２４は、高いスイッチング周波数において発生するスイッチング素子１１のスイッチング損失を考慮して、スイッチング周波数の変動範囲を低いスイッチング周波数の帯域寄りに設定するようにしてもよい。これにより、本実施形態に係るスイッチング電源１は、装置の要求に合わせて仕様を変更することができる。
なお、上記実施形態に係るスイッチング電源１において、スイッチング周波数の変動範囲は、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓの値により変化する。しかしながら、本実施形態に係るスイッチング電源１は、これに限定されない。例えば、本実施形態に係るスイッチング電源１において、スイッチング周波数の変動範囲は、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓの値によらず、一定であってもよい。
また、実施形態に係るスイッチング電源１は、制御端子Ｔ５において発生した電圧Ｖｓを制御回路２０に入力している。しかしながら、本実施形態に係るスイッチング電源１は、これに限定されない。例えば、本実施形態に係るスイッチング電源１に外部電源を接続し、当該外部電源において発生した任意の電圧を制御回路２０に入力してもよい。
なお、本実施形態に係るスイッチング電源１は、上記にて説明した内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能である。
１ スイッチング電源
１０ 電圧変換器
１１ スイッチング素子
２０ 制御回路
２１ 信号発生器
２２ 差分増幅器
２３ 補償器
２４ 周波数設定部
２５，２７，２８ アナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）
２６ 基準電圧生成部
Ｉ 入力端
Ｏ 出力端
Ｒ１ プルアップ抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｔ１ 第１正極端
Ｔ２ 第１負極端
Ｔ３ 第２正極端
Ｔ４ 第２負極端
Ｔ５ 制御端子

Claims (6)

  1. 入力端から電圧を入力させるためのスイッチング素子を含む電圧変換器を具備し、前記スイッチング素子におけるスイッチング周波数を所定の変動範囲で変動させるスぺクトラム拡散機能を有するスイッチング電源において、
    前記スイッチング周波数の変動範囲を設定し、前記入力端から入力される電圧の値が所定の閾値以上である場合、設定した前記変動範囲の下限値を上昇する周波数設定部と、
    前記周波数設定部により設定された前記変動範囲内において前記スイッチング周波数を変動させて前記スイッチング素子を駆動させるための制御信号を発生する信号発生器と、
    を具備するスイッチング電源。
  2. 前記周波数設定部、及び電源電圧を供給する定電圧源の間に接続されたプルアップ抵抗と、
    前記周波数設定部、及び前記プルアップ抵抗の間に設けられた制御端子と、をさらに具備し、
    前記周波数設定部は、前記制御端子において発生する電圧であって、前記制御端子に接続された外部装置に含まれる抵抗の値、前記プルアップ抵抗の値、及び前記電源電圧の値から算出される電圧の値に応じて前記スイッチング周波数の変動範囲を設定する、請求項１に記載のスイッチング電源。
  3. 前記周波数設定部は、前記制御端子において発生する電圧の値が所定の閾値未満である場合、前記変動範囲を設定しない、請求項２に記載のスイッチング電源。
  4. 前記周波数設定部は、前記制御端子において発生する電圧に応じて前記スイッチング周波数の変動範囲を段階的に広げて設定し、段階的に広げて設定した前記変動範囲を基準として、前記入力端から入力される電圧の値が所定の閾値以上である場合に基準とする前記変動範囲の下限値を上昇する請求項２、又は３に記載のスイッチング電源。
  5. 前記外部装置は、前記電圧変換器から出力される電圧の供給を受ける、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のスイッチング電源。
  6. 前記周波数設定部は、外部電源において発生した任意の電圧の値に応じて前記スイッチング周波数の変動範囲を設定する、請求項１に記載のスイッチング電源。
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