JP2020005333A - Switching power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ハーフブリッジ電流共振型の電力変換部を備えたスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply including a half-bridge current resonance type power conversion unit.
スイッチング電源装置は、負荷に供給している出力電力又は出力電流をリアルタイムに検出する機能を備えているのが一般的であり、この検出結果は、負荷及びスイッチング電源装置の異常を検出したり、負荷及びスイッチング電源装置を保護したりするために使用される。 The switching power supply generally has a function of detecting the output power or output current supplied to the load in real time, and this detection result detects an abnormality of the load and the switching power supply, It is used to protect loads and switching power supplies.
ハーフブリッジ電流共振型のコンバータは、出力電力や出力電流を検出するのが簡単でないことが知られており、この問題を解決するため、従来から様々な検出回路が提案されている。例えば、特許文献１に開示されているように、トランスの１次巻線と直列に挿入された共振用コンデンサに流れる共振用コンデンサ電流を検出する電流検出部と、検出された共振用コンデンサ電流を電圧信号に変換し、この電圧信号を整流することなく、スイッチングの半周期分（各スイッチ素子がターンオンするタイミングを起点とする半周期分）を平均化する処理を行い、平均化した電圧値を負荷電流（出力電流）に対応した値とみなす負荷電流抽出部とを備えたスイッチング電源装置があった。負荷電流抽出部は、抵抗、コンデンサ及びスイッチで構成された平均化回路を有し、スイッチを所定のタイミングでオンオフさせることによって、電圧信号の半周期分を平均化している。
It is known that it is not easy for a half-bridge current resonance type converter to detect output power and output current, and various detection circuits have been proposed to solve this problem. For example, as disclosed in
ハーフブリッジ電流共振型は、出力電圧の設定値が可変されたり入力電圧や出力電流が変化したりすると、スイッチング周波数が変化して共振用コンデンサ電流の大きさや波形も大きく変化する。したがって、通常は、共振用コンデンサ電流を観測して出力電流を検出するのは難しいが、特許文献１のスイッチング電源装置の構成であれば、原理的には出力電流を一定の精度で検出することができる。
In the half-bridge current resonance type, when the set value of the output voltage is changed or the input voltage or the output current changes, the switching frequency changes and the magnitude and waveform of the resonance capacitor current also change greatly. Therefore, it is usually difficult to detect the output current by observing the resonance capacitor current. However, in the configuration of the switching power supply device of
特許文献１のスイッチング電流装置は、共振用コンデンサ電流の電圧信号の半周期分を精度よく平均化することが求められるが、実際にはかなり難しい。例えば、上記の平均化回路を使用すると、スイッチがターンオフした瞬間にスイッチの両端に高電圧が印加され、これによって発生するスイッチングノイズが大きな誤差要因となるので、電圧信号の平均値を正確に抽出するのは容易ではない。
The switching current device of
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、出力電圧の設定値が可変されたり出力電流が変化したりしても出力電力又は出力電流を高精度に検出できるハーフブリッジ電流共振型のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background art, and has a half-bridge current resonance capable of detecting the output power or the output current with high accuracy even if the set value of the output voltage is changed or the output current is changed. It is an object of the present invention to provide a type of switching power supply.
本発明は、ハイサイド側及びローサイド側に配置された一対の主スイッチング素子、１次巻線と２次巻線とで入出力を絶縁するトランス、及び前記１次巻線と直列の位置に挿入された共振用コンデンサを有し、前記主スイッチング素子がスイッチングすることによって入力電圧を所定の出力電圧に変換し、負荷に向けて出力するハーフブリッジ電流共振型の電力変換部と、前記主スイッチング素子をスイッチングさせ、そのスイッチング周波数を可変することによって前記出力電圧を制御するスイッチング制御部と、前記共振用コンデンサに流れる共振用コンデンサ電流の大きさを示す電流特性値を検出し、電流特性値情報として出力する電流特性値検出部と、前記スイッチング周波数の値を示すスイッチング周波数情報と前記電流特性値情報とを取得し、当該各情報に基づいて、前記電力変換部の出力電力に対応した出力電力情報を生成する出力電力情報生成部とを備え、
前記電流特性値には、前記出力電力が一定の条件下で、その値が前記スイッチング周波数に応じて変化するスイッチング周波数依存特性があり、前記出力電力情報生成部は、前記電流特性値情報を取得すると、その時の前記スイッチング周波数情報を取得し、前記電流特性値情報から認識される前記電流特性値を、前記スイッチング周波数依存性をキャンセルした値に補正し、補正した値を前記出力電力に対応した値とみなして前記出力電力情報を生成するスイッチング電源装置である。
The present invention relates to a pair of main switching elements arranged on the high side and the low side, a transformer that insulates input and output between a primary winding and a secondary winding, and is inserted at a position in series with the primary winding. A half-bridge current resonance type power converter for converting an input voltage to a predetermined output voltage by switching the main switching element and outputting the output voltage to a load, and the main switching element. And a switching control unit that controls the output voltage by varying the switching frequency, and detects a current characteristic value indicating a magnitude of a resonance capacitor current flowing through the resonance capacitor, and detects the current characteristic value information as current characteristic value information. A current characteristic value detecting section to be output; switching frequency information indicating the value of the switching frequency; and the current characteristic value information. Get the door, based on the respective information, and an output power information generation unit that generates an output power information corresponding to the output power of the power conversion unit,
The current characteristic value has a switching frequency dependent characteristic whose value changes in accordance with the switching frequency under a condition where the output power is constant, and the output power information generation unit acquires the current characteristic value information. Then, the switching frequency information at that time is obtained, the current characteristic value recognized from the current characteristic value information is corrected to a value in which the switching frequency dependency is canceled, and the corrected value corresponds to the output power. A switching power supply that generates the output power information by regarding the value as a value.
前記電流特性値は、前記共振用コンデンサ電流のピーク値の絶対値であることが好ましい。また、前記出力電力情報生成部には、あらかじめ、前記スイッチング周波数依存特性をキャンセルするための数式が設定され、前記出力電力情報生成部は、前記数式に基づく演算を行って前記補正を実行する構成であることが好ましい。さらに、前記入力電圧を検出し、入力電圧情報として出力する入力電圧検出部を備え、前記出力電力情報生成部には、前記入力電圧を変数として盛り込んだ前記数式が設定され、前記出力電力信号記制御部は、前記入力電圧情報を取得し、取得した前記入力電圧情報から認識される前記入力電圧の値を前記数式に代入して前記補正を実行する構成であることが好ましい。 Preferably, the current characteristic value is an absolute value of a peak value of the resonance capacitor current. The output power information generating unit is set in advance with a formula for canceling the switching frequency dependent characteristic, and the output power information generating unit performs the correction based on the formula based on the formula. It is preferable that Furthermore, an input voltage detection unit that detects the input voltage and outputs the input voltage information as input voltage information is provided, and the output power information generation unit is set with the expression incorporating the input voltage as a variable, and outputs the output power signal. It is preferable that the control unit acquires the input voltage information, and substitutes the value of the input voltage recognized from the acquired input voltage information into the mathematical expression to execute the correction.
前記出力電力情報生成部は、生成した前記出力電力情報を外部出力する構成にすることができる。また、前記スイッチング制御部は、前記出力電力情報を取得し、前記出力電力情報から認識される前記出力電力の値が過電力基準値以下の時は、前記出力電圧が所定の設定値に保持されるように前記主スイッチング素子をスイッチングさせ、過電力基準値を超えている時は、前記主スイッチング素子のスイッチングを強制的に停止させる構成にすることができる。 The output power information generation unit may be configured to externally output the generated output power information. Further, the switching control unit acquires the output power information, and when the value of the output power recognized from the output power information is equal to or less than an overpower reference value, the output voltage is held at a predetermined set value. In this way, the main switching element is switched, and when the overpower reference value is exceeded, the switching of the main switching element is forcibly stopped.
本発明のスイッチング電源装置は、共振用コンデンサ電流の大きさを示す電流特性値（例えば、ピーク値の絶対値）を検出し、その電流特性値を、スイッチング周波数依存性をキャンセルした値に補正し、その補正した値を出力電力に対応した値とみなして出力電力信号を生成するという独特な動作を行う。この動作を行うことによって、出力電圧の設定値が可変されたり出力電流が変化したりしても、出力電力（又は出力電流）を高精度に把握することができる。 The switching power supply of the present invention detects a current characteristic value (for example, an absolute value of a peak value) indicating the magnitude of the resonance capacitor current, and corrects the current characteristic value to a value in which the switching frequency dependency is canceled. And performs a unique operation of generating an output power signal by regarding the corrected value as a value corresponding to the output power. By performing this operation, the output power (or the output current) can be grasped with high accuracy even if the set value of the output voltage is changed or the output current changes.
また、出力電力情報生成部をデジタルプロセッサ内に構成し、あらかじめ、スイッチング周波数依存特性をキャンセルするための数式を設定し、数式に基づく演算を行って上記の補正を実行する構成にすれば、出力電力情報生成部をよりコンパクトに構成することができる。 Further, if the output power information generation unit is configured in a digital processor, a mathematical expression for canceling the switching frequency dependent characteristic is set in advance, and the above-described correction is performed by performing an arithmetic operation based on the mathematical expression, The power information generation unit can be configured to be more compact.
以下、本発明のスイッチング電源装置の第一実施形態について、図１〜図４に基づいて説明する。この実施形態のスイッチング電源装置１０は、図１に示すように、ハーフブリッジ電流共振型の電力変換部１２を備えている。電力変換部１２は、入力電源１４が接続される入力端子１４ａ，１４ｂの間に、２つの主スイッチング素子１６(1)，１６(2)の直列回路が設けられている。主スイッチング素子１６(1)，１６(2)は、例えばＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴであり、主スイッチング素子１６(1)がハイサイド側、主スイッチング素子１６(2)がローサイド側に配置されている。ここでは、入力電源１４が出力する入力電圧Viは、変動幅が非常に小さいとする。
Hereinafter, a first embodiment of a switching power supply device of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the switching
ローサイド側の主スイッチング素子１６(2)の両端には、トランス１８の１次巻線１８ａ、共振用コンデンサ２０及び共振用インダクタ２２の直列回路が接続されている。共振用インダクタ２２は、トランス１８のリーケージインダクタで代用してもよい。そして、トランス１８の２次巻線１８ｂには、２つの整流素子２４と１つの平滑コンデンサ２６とが接続され、いわゆるセンタタップ型の整流平滑回路が形成されている。
A series circuit of a
電力変換部１２は、主スイッチング素子１６(1)，１６(2)が互いに逆位相でスイッチングし、トランス１８の１次巻線１８ａに交流電圧を発生させ、２次巻線１８ｂに発生する交流電圧を整流平滑することによって出力電圧Voを生成する。そして、出力端子２８ａ，２８ｂの間に接続された負荷２８に向けて、出力電圧Voと出力電流Io（出力電力Po）を供給する。
The
なお、電力変換部１２は、１次巻線１８ａ、共振用コンデンサ２０及び共振用インダクタ２２の直列回路をローサイド側の主スイッチング素子１６(2)の両端に接続してあるが、ハイサイド側の主スイッチング素子１６(1)の両端に接続してもよい。また、整流素子２４はダイオードであるが、ＭＯＳ型ＦＥＴ等の同期整流素子を使用してもよい。また、２次巻線１８ｂ及び整流平滑回路の構成はセンタタップ型であるが、ブリッジ整流型等の他の構成に変更してもよい。
The
スイッチング制御部３０は、主スイッチング素子１６(1)，１６(2)をスイッチングさせるための駆動パルスVg(1)，Vg(2)を生成し、そのスイッチング周波数Fswを可変することによって出力電圧Voを制御するブロックであり、例えば図２に示すように、誤差増幅回路３２と主スイッチング素子駆動回路３４とで構成することができる。
The
誤差増幅回路３２は、出力電圧Voの検出値Vo1と出力電圧Voの設定値に対応した基準電圧Vrとの差を増幅する反転増幅器３２ａを有し、その出力を絶縁用のフォトカプラ３２ｂを介して制御電流I32として出力する。制御電流I32は、出力電圧Voを設定値と一致させる方向に増減し、出力電圧Voが設定値より高くなると増加し、設定値より低くなると減少する。出力電圧Voの設定値は、外部接続端子３２ｃを通じて基準電圧Vrを変化させるよって可変することができる。
The
主スイッチング素子駆動回路３４は、発振器３４ａと駆動パルス生成回路３４ｂとで構成されている。発振器３４ａは、制御電流I32に基づいてスイッチング周波数Fswを決定し、駆動パルス生成回路は、発振器３４ａが決定したスイッチング周波数Fswの駆動パルスVg(1)，Vg(2)を生成し、主スイッチング素子１６(1)，１６(2)に向けて出力する。駆動パルスVg(1)，Vg(2)は、ハイレベルとローレベルを繰り返す電圧パルスであり、主スイッチング素子１６(1)は、駆動パルスVg(1)がハイレベルの時にオンし、主スイッチング素子１６(2)は、駆動パルスVg(2)がハイレベルの時にオンする。
The main switching
一般に、ハーフブリッジ電流共振型のコンバータは、スイッチング周波数Fswが固定された場合、出力電流Ioが小さくなると出力電圧Voが上昇し、出力電流Ioが大きくなると出力電圧Voが低下するという性質がある。したがって、例えば、出力電流Ioが小さくなって出力電圧Voが設定値より高くなると、誤差増幅回路３２が出力する制御電流Isが大きくなり、主スイッチング素子駆動回路３４は、制御電流Isの変化に応じて駆動パルスVg(1)，Vg(2)のスイッチング周波数Fswを高くする。その結果、出力電圧Voが低下して、もとの設定値に戻る。反対に、出力電流Ioが大きくなって出力電圧Voが設定値より低くなると、制御電流Isが小さくなり、主スイッチング素子駆動回路３４は、制御電流Isの変化に応じて駆動パルスVg(1)，Vg(2)のスイッチング周波数Fswを低くする。その結果、出力電圧Voが低下して、もとの設定値に戻る。
In general, a half-bridge current resonance type converter has a property that, when the switching frequency Fsw is fixed, the output voltage Vo increases when the output current Io decreases, and the output voltage Vo decreases when the output current Io increases. Therefore, for example, when the output current Io decreases and the output voltage Vo becomes higher than the set value, the control current Is output from the
このように、スイッチング制御部３０は、スイッチング周波数Fswを可変することによって出力電圧Voを制御する。また、制御電流Isは出力電圧Voにほぼ比例して変化し、スイッチング周波数Fswは制御電流Isにほぼ比例して変化する。
Thus, the switching
電流特性値検出部３６は、共振用コンデンサ２０に流れる共振用コンデンサ電流I20の大きさを示す電流特性値を検出するブロックである。共振用コンデンサ電流I20は、正負方向にほぼ均等に振幅する交流電流であり、ここでは、ピーク値の絶対値を電流特性値I20pとしている。
The current characteristic
電流特性値検出部３６は、例えば図３に示すように、分流用コンデンサ３６ａ及び電流検出用抵抗３６ｂで成る直列回路を共振用コンデンサ２０に並列接続し、共振用コンデンサ電流I20の一部を既知の比率で分流させる。そして、ダイオード３６ｃ及びコンデンサ３６ｄで成るピークホールド型の整流平滑回路を電流検出用抵抗３６ｂに並列接続し、電流検出用抵抗３６ｂに発生する交流電圧をピークホールドして出力する。コンデンサ３６ｄに並列接続された抵抗３６ｅは放電用抵抗であり、ピークホールド動作を妨げない程度の大きい値に設定されている。したがって、電流特性値検出部３６は、コンデンサ３６ｄに発生する電圧、つまり電流特性値I20pにほぼ比例した直流電圧を生成し、電流特性情報J(I20p）として出力する。
As shown in FIG. 3, for example, the current characteristic
電流特性値検出部３６は、ダイオード３６ｃがターンオフした瞬間にダイオード３６ｃの両端に高電圧が印加されないので、誤差要因となるスイッチングノイズがほとんど発生せず、出力電流特性値I20pを精度よく検出することができる。なお、ダイオード３６ｃ及びコンデンサ３６ｄで成る整流平滑回路は、電流検出用抵抗３６ｂに発生する交流電圧を半波整流してピークホールドする構成になっているが、全波整流してピークホールドする構成にしてもよい。
Since the high voltage is not applied to both ends of the
出力電力情報生成部３８は、スイッチング周波数Fswの値を示すスイッチング周波数情報J(Fsw)と電流特性値情報J(I20P)とを取得し、J(Fsw)とJ(I20P)に基づいて、電力変換部１２の出力電力Poに対応した出力電力情報J(Po)を生成して出力するブロックである。ここでは、デジタルプロセッサ内に設けられている。
The output power
出力電力情報生成部３８は、例えば図２に示すように、フォトカプラ３２ｂの出力に電流検出用抵抗３８ａを挿入し、制御電流Isが流れることによって電流検出用抵抗３８ａに発生する電圧、つまりスイッチング周波数Fswにほぼ比例した直流電圧をスイッチング周波数情報J(Fsw)として取得する。
For example, as shown in FIG. 2, the output power
また、出力電力情報生成部３８には、あらかじめ、次の数式（式（１）、（２））が設定されている。
式（１）は、左辺のIb(h)を算出する式であり、右辺の中ではIb，Fbが変数で、その他のIa1，Ia2，Fa1，Fa2は既知の定数である。また、式（２）は、左辺のPo(B)を算出する式であり、右辺の中ではIb(h)が変数で、その他のPk，Ia1は既知の定数である。以下、式（１）、（２）の意味について、図４（ａ）のグラフに基づいて説明する。 Equation (1) is an equation for calculating Ib (h) on the left side. In the right side, Ib and Fb are variables, and the other Ia1, Ia2, Fa1, and Fa2 are known constants. Equation (2) is an equation for calculating Po (B) on the left side. In the right side, Ib (h) is a variable, and other Pk and Ia1 are known constants. Hereinafter, the meanings of Expressions (1) and (2) will be described based on the graph of FIG.
図４（ａ）において、プロットA1とA2は、スイッチング電源装置１０の通電試験を行って測定したデータであり、出力電力Poを一定の基準値Pkに固定して、出力電圧Voの設定値を異なる値に変化させた時の、電流特性値I20pとスイッチング周波数Fswの測定値を各々プロットしたものである。例えば、プロットA1は、「Vo＝5V、Io＝20A、Po＝100W」の条件で測定された「I20p＝Ia1、Fsw＝Fa1」のプロットであり、プロットA2は、「Vo＝1V、Io＝100A、Po＝100W」の条件で測定された「I20p＝Ia2(＜Ia1）、Fsw＝Fa2(＞Fa1)」のプロットである。したがって、例えばプロットA1，A2を通る直線を描くと、その直線は、出力電力Poが一定の条件下における電流特性値I20pとスイッチング周波数Fswとの関係を近似的に表した直線となる。
In FIG. 4A, plots A1 and A2 are data measured by conducting an energization test of the switching
式（１）の中の定数Ia1，Ia2，Fa1，Fa2は、上記の通電試験の測定値であり、分数の部分は、プロットA1，A2を通る直線の傾きを表している。また、式（２）の中の定数Ia1も上記通電試験の測定値であり、Pkは通電試験の条件を示す基準値である。特に、プロットA1，A2を通る直線の傾きは、電流特性値I20pのスイッチング周波数依存特性の特徴を強く示す数値と言える。 The constants Ia1, Ia2, Fa1, and Fa2 in the equation (1) are measured values of the above-described energization test, and the fractional part represents the slope of a straight line passing through the plots A1 and A2. Further, the constant Ia1 in the equation (2) is also a measured value of the energization test, and Pk is a reference value indicating conditions of the energization test. In particular, it can be said that the slope of the straight line passing through the plots A1 and A2 is a numerical value that strongly indicates the switching frequency dependence characteristic of the current characteristic value I20p.
このように、式（１）、（２）の定数Ia1，Ia2，Fa1，Fa2，Pkは、スイッチング電源装置１０の通電試験を行うことによって決定され、決定された値が出力電力情報生成部３８に初期設定される。
As described above, the constants Ia1, Ia2, Fa1, Fa2, and Pk in the equations (1) and (2) are determined by performing the power-on test of the switching
スイッチング電源装置１０が実際に稼働して負荷２８に出力電力Po(B)を供給している時、出力電力情報生成部３８は、出力電力Po(B)を次のような手順で把握する。まず、電流特性値情報J(I20p)を取得して電流特性値I20pがIbであることを認識し、さらにスイッチング周波数情報J(Fsw)を取得してスイッチング周波数FswがFbであることを認識する。つまり、スイッチング電源装置１０が、図４（ａ）のプロットBで動作をしていることを認識する。
When the switching
そして、IbとFbを式（１）に代入し、Ibの補正値であるIb(h)を計算する。式（１）は、「スイッチング電源装置１０が、出力電力Po(B)の条件下で、スイッチング周波数Fa1で動作している」と仮定した時の電流特性値I20pの値（＝補正値Ib(h)）を、プロットBのIb，Fbに基づいて推定する式である。言い換えると、補正値Ib(h)は、スイッチング周波数Fa1を基準としてIbを規格化した値であり、電流特性値I20pが有するスイッチング周波数依存性をキャンセルした値と言うことができる。
Then, Ib and Fb are substituted into Expression (1), and Ib (h), which is a correction value of Ib, is calculated. Equation (1) represents the value of the current characteristic value I20p (= correction value Ib () assuming that “the switching
電流特性値Ia1と補正値Ib(h)の比率Ia1/Ib(h)は、出力電力PkとPo(B)の比率Pk/Po(B)とほぼ等しくなる。したがって、出力電力情報生成部３８は、式（１）で算出した補正値Ib(h)を式（２）に代入することによって、現在の出力電力Po(B)を算出することができる。そして、算出したPo(B)に対応した出力電力情報J(Po)を生成し、外部接続端子４０を通じて外部出力する。また、その時の出力電圧Vo(B)の値が把握できていれば、出力電流Io(B)＝Po(B)/Vo(B)を算出し、算出したIo(B)に対応した出力電流情報J(Io)を生成し、外部接続端子４０を通じて外部出力することも可能である。
The ratio Ia1 / Ib (h) between the current characteristic value Ia1 and the correction value Ib (h) is substantially equal to the ratio Pk / Po (B) between the output power Pk and Po (B). Therefore, the output power
なお、図４（ａ）のグラフでは、プロットA1，A2を通る直線の下側にプロットBがあり、Ib(h)＜Ia1となるので、現在の出力電力Po(B)が基準値Pkより小さいことが分かる。また、図４（ｂ）のグラフでは、プロットA1，A2を通る直線の上側にプロットBがあり、Ib(h)＞Ia1となるので、現在の出力電力Po(B)が基準値Pkより大きいことが分かる。 In the graph of FIG. 4A, the plot B is below the straight line passing through the plots A1 and A2, and Ib (h) <Ia1, so that the current output power Po (B) is higher than the reference value Pk. It turns out to be small. In the graph of FIG. 4B, the plot B is located above the straight line passing through the plots A1 and A2, and Ib (h)> Ia1, so that the current output power Po (B) is larger than the reference value Pk. You can see that.
以上説明したように、スイッチング電源装置１０は、共振用コンデンサ電流I20の大きさを示す電流特性値I20p（ピーク値の絶対値）を検出し、電流特性値I20pを、スイッチング周波数依存性をキャンセルした値に補正し、その補正した値を出力電力Poに対応した値とみなして出力電力情報J(Po)を生成するという独特な動作を行う。そして、この動作を行うことによって、出力電圧Voの設定値が可変されたり出力電流Ioが変化したりしても、出力電力Po（又は出力電流Io）を高精度に把握することができる。
As described above, the switching
また、出力電力情報生成部３８は、すべての構成がデジタルプロセッサ内に設けられ、あらかじめ、スイッチング周波数依存特性をキャンセルするための式（１）、（２）が設定され、式（１）、（２）に基づく演算を行って上記の補正を実行する構成になっている。したがって、複数のディスクリート部品を組み合わせて構成するよりも、出力電力情報生成部をコンパクトに構成することができる。また、上記のように、スイッチング電源装置１０の出荷検査で通電試験を行う時、その試験結果に基づいて式（１）、（２）に含まれる定数を決定することによって、装置毎の特性バラツキを容易に吸収することができる。
Further, the output power
次に、本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態について、図５、図６に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
Next, a second embodiment of the switching power supply of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, the same components as those of the switching
この実施形態のスイッチング電源装置４２は、上記と同様の電力変換部１２及び電流特性値検出部３６を備えており、構成が異なるのは、スイッチング制御部３０に代えてスイッチング制御部４４が設けられ、出力電力情報生成部３８に代えて出力電力情報生成部４６が設けられている点である。
The switching
出力電力情報生成部４６は、上記の出力電力情報生成部３８と同じ動作を行って出力電力情報J(Po)を生成するが、生成した出力電力情報J(Po)を外部出力するのではなく、スイッチング制御部４４に向けて出力する。
The output power
スイッチング制御部４４は、上記の出力電力情報生成部３０と同様の発振器３４ａと駆動パルス生成回路３４ｂとを備え、出力電力情報J(Po)から出力電力Po認識し、出力電力Poが過電力基準値Pth以下の時は、出力電圧Voが所定の設定値に保持されるように主スイッチング素子１６(1)，１６(2)をスイッチングさせ、出力電力Poが過電力基準値Pthを超えている時は、主スイッチング素子１６(1)，１６(2)のスイッチングを強制的に停止させる。スイッチングを停止させる時は、例えば、発振器３４ａ又は駆動パルス生成回路３４ｂの動作を停止させてもよいし、駆動パルスVg(1)，Vg(2)のハイレベルの時比率をゼロ％に保持させてもよい。
The switching
スイッチング電源装置４２によれば、上記のスイッチング電源装置１０と同様の効果を得ることができ、さらに、過剰電力を出力してスイッチング電源装置１０や負荷２８が破損したり焼損したりする事項を防止する過電力保護を行うことができる。例えば、図４（ａ）、（ｂ）の通電試験を行う時、基準値Pkを過電力基準値Pthと等しい値にすれば、過電力保護の動作点を高い精度で初期設定することができる。
According to the switching
なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の出力電力情報生成部３８，４６に設定された式（１）、（２）は、電流特性値I20pとスイッチング周波数Fswに対応した式であるが、これらの式は、電流特性値情報J(I20p)やスイッチング周波数情報J(Fsw)の形態に応じて、実質同一の式に置き換えることができる。例えば、電流特性値情報J(I20p)が電流特性値I20pに比例したアナログ電圧信号で、スイッチング周波数情報J(Fsw)がスイッチング周波数Fswに比例したアナログ電圧信号である場合、式（１）、（２）をアナログ電圧同士の関係を表した式に置き換えれば、各アナログ電圧をそのまま式に代入して出力電圧Po(B)を算出することができる。
The switching power supply of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the expressions (1) and (2) set in the output power
上記のように、電流特性値I20pには、出力電力Poが一定の条件下で、その値がスイッチング周波数Fswに応じて変化するスイッチング周波数依存特性があり、式（１）、（２）は、電流特性値I20pのスイッチング周波数依存特性をキャンセルするために設定された数式である。この式（１）、（２）は数式の一例であり、数式の内容は、出力電力Poの検出に求められる検出精度等を考慮して適宜変更することができる。上記実施形態では、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明したように、スイッチング周波数依存特性を２つの動作点（プロットA1とA2）の測定値に基づいて特定し、これをキャンセルする式（１）、（２）を設定しているが、例えば３つ以上の動作点の測定値に基づいてスイッチング周波数依存特性をより正確に特定し、これをキャンセルする数式を設定すれば、出力電力の検出精度をさらに向上させることができる。 As described above, the current characteristic value I20p has a switching frequency-dependent characteristic whose value changes according to the switching frequency Fsw under the condition that the output power Po is constant. Equations (1) and (2) are It is an equation set to cancel the switching frequency dependence of the current characteristic value I20p. The expressions (1) and (2) are examples of the expression, and the contents of the expression can be appropriately changed in consideration of the detection accuracy and the like required for detecting the output power Po. In the above embodiment, as described with reference to FIGS. 4A and 4B, the switching frequency dependence characteristic is specified based on the measured values of the two operating points (plots A1 and A2) and is canceled. Equations (1) and (2) are set. If, for example, a switching frequency dependent characteristic is more accurately specified based on measured values of three or more operating points, and a formula for canceling the switching frequency dependent characteristic is set, an output is obtained. Power detection accuracy can be further improved.
スイッチング電源装置１０，４２は、入力電源１４から供給される入力電圧Viの変動幅が小さいので、電流特性値I20pのスイッチング周波数依存特性に対する入力電圧Viの影響度は一定であるが、入力電圧Viの変動幅が大きい時（入力電圧範囲が広い装置の場合）は、入力電圧Viの変動も考慮することが好ましい。その場合、入力電圧Viを検出し、検出結果を入力電圧情報J(Vi)として出力する入力電圧検出部を設け、出力電力情報生成部に、入力電圧Viを変数として盛り込んだ数式を設定するとよい。ハーフブリッジ電流共振型は、出力電圧Voと出力電流Ioが一定で入力電圧Viだけが変動すると、スイッチング周波数Fswが入力電圧Viにほぼ比例して変化するという性質があるので、この性質を考慮して数式を設定すれば、入力電圧Viの変動幅が大きい時でも出力電力を精度よく検出することができる。
In the switching
出力電力情報生成部３８，４６は、すべてデジタルプロセッサ内に設けられているが、上述した機能の一部又は全部を、複数のディスクリート部品で構成されたアナログ回路で実施することも可能である。例えば図７は、オペアンプと抵抗とで成る第一増幅回路５０と第二増幅回路５２とで構成された出力電力情報生成部４８を示している。第一増幅回路５０は、いわゆる加算回路と呼ばれる回路であり、３つの抵抗５０ａ，５０ｂ，５０ｃの値を調節することによって、式（１）の演算処理とほぼ等価な入出力特性を実現することができ、上記の補正値Ib(h)に比例したアナログ電圧信号J(Ib(h))を生成することができる。後段の第二増幅回路５２は、２つの抵抗５２ａ，５２ｂの値を調節することによって、式（２）の演算処理とほぼ等価な入出力特性を実現することができ、上記の出力電圧Po(B)に比例したアナログ電圧信号J(Po)を生成することができる。
Although the output
図２、図６は、スイッチング制御部の内部構成の一例を示したものであり、本発明が目的とする動作が可能であれば、他の構成に変更してもよい。 FIG. 2 and FIG. 6 show an example of the internal configuration of the switching control unit, and the configuration may be changed to another configuration as long as the operation intended by the present invention is possible.
図３は、電流特性値検出部の内部構成の一例を示したものであり、本発明が目的とする動作が可能であれば、他の構成に変更してもよい。特に、電流特性値検出部が検出する電流特性値は、共振用コンデンサ電流の大きさを示すものであればよく、上記I20pのような「共振用コンデンサ電流のピーク値の絶対値」に限定されない。例えば、出力電力の検出精度が少し低下する可能性があるが、「共振用コンデンサ電流を全波整流した波形の平均値」を電流特性値にすることも可能であり、電流特性値検出部をそのような構成に変更してもよい。また、共振用コンデンサ電流は、共振用コンデンサの位置とは異なる位置で観測してもよく、例えば共振用インダクタと直列の位置で観測してもよい。 FIG. 3 shows an example of the internal configuration of the current characteristic value detection unit, and the configuration may be changed to another configuration as long as the operation intended by the present invention is possible. In particular, the current characteristic value detected by the current characteristic value detection unit only needs to indicate the magnitude of the resonance capacitor current, and is not limited to the “absolute value of the peak value of the resonance capacitor current” such as I20p. . For example, the detection accuracy of the output power may slightly decrease, but the “average value of the waveform obtained by full-wave rectification of the resonance capacitor current” may be used as the current characteristic value. You may change to such a structure. The resonance capacitor current may be observed at a position different from the position of the resonance capacitor, for example, at a position in series with the resonance inductor.
その他、各実施形態の説明や変形例の説明の中で触れたように、各情報（電流特性値情報、スイッチング周波数情報及び出力電力情報）の形態は、アナログ電圧信号、アナログ電流信号、デジタル信号等から自由に選択することができる。そして、各ブロック（スイッチング制御部、電流特値検出部及び出力電力情報生成部）は、相手方のブロックとの間で情報の受け渡しが実行できる構成にすればよい。また、出力電力情報を外部出力する場合、上記のような電気信号の形態で出力してもよいし、例えば、電源装置と一体に設けられたディスプレイに出力電力の値を表示するという形態で出力してもよい。 In addition, as mentioned in the description of each embodiment and the description of the modified examples, the form of each information (current characteristic value information, switching frequency information, and output power information) includes an analog voltage signal, an analog current signal, and a digital signal. And so on. Then, each block (the switching control unit, the current special value detection unit, and the output power information generation unit) may be configured to be able to transfer information to and from the counterpart block. When the output power information is externally output, the output power information may be output in the form of an electric signal as described above, or may be output, for example, by displaying the value of the output power on a display integrated with the power supply device. May be.
１０，４２ スイッチング電源装置
１２ ハーフブリッジ電流共振型の電力変換部
１６(1)，１６(2) 主スイッチング素子
１８ トランス
１８ａ １次巻線
１８ｂ ２次巻線
２０ 共振用コンデンサ
３０，４４ スイッチング制御部
３６ 電流特性値検出部
３８，４６，４８ 出力電力情報生成部
Fsw スイッチング周波数
I20 共振コンデンサ電流
I20p 共振コンデンサ電流の電流特性値（ピーク値の絶対値）
Io 出力電流
Po 出力電力
Pth 過電力基準値
Vi 入力電圧
Vo 出力電圧
J(Fsw) スイッチング周波数情報
J(I20p) 電流特性値情報
J(Po) 出力電力情報
J(Vi) 入力電圧情報
10, 42 Switching
Fsw switching frequency
I20 Resonant capacitor current
I20p Current characteristic value of resonant capacitor current (absolute value of peak value)
Io output current
Po output power
Pth Over power reference value
Vi input voltage
Vo output voltage
J (Fsw) Switching frequency information
J (I20p) Current characteristic value information
J (Po) Output power information
J (Vi) Input voltage information
Claims (3)
前記主スイッチング素子をスイッチングさせ、そのスイッチング周波数を可変することによって前記出力電圧を制御するスイッチング制御部と、
前記共振用コンデンサに流れる共振用コンデンサ電流の大きさを示す電流特性値を検出し、電流特性値情報として出力する電流特性値検出部と、
前記スイッチング周波数の値を示すスイッチング周波数情報と前記電流特性値情報とを取得し、当該各情報に基づいて、前記電力変換部の出力電力に対応した出力電力情報を生成する出力電力情報生成部とを備え、
前記電流特性値には、前記出力電力が一定の条件下で、その値が前記スイッチング周波数に応じて変化するスイッチング周波数依存特性があり、
前記出力電力情報生成部は、前記電流特性値情報を取得すると、その時の前記スイッチング周波数情報を取得し、前記電流特性値情報から認識される前記電流特性値を、前記スイッチング周波数依存性をキャンセルした値に補正し、補正した値を前記出力電力に対応した値とみなして前記出力電力情報を生成することを特徴とするスイッチング電源装置。 A pair of main switching elements arranged on the high side and the low side, a transformer for insulating input and output between a primary winding and a secondary winding, and a resonance inserted in a position in series with the primary winding A half-bridge current resonance type power conversion unit having a capacitor, converting an input voltage to a predetermined output voltage by switching of the main switching element, and outputting the output voltage to a load;
A switching control unit that controls the output voltage by switching the main switching element and changing a switching frequency thereof;
A current characteristic value detection unit that detects a current characteristic value indicating a magnitude of a resonance capacitor current flowing through the resonance capacitor, and outputs the current characteristic value information as current characteristic value information;
An output power information generation unit that obtains switching frequency information indicating the value of the switching frequency and the current characteristic value information, and generates output power information corresponding to the output power of the power conversion unit based on the information. With
The current characteristic value has a switching frequency dependent characteristic whose value changes according to the switching frequency under a condition where the output power is constant,
The output power information generating unit, when acquiring the current characteristic value information, acquires the switching frequency information at that time, the current characteristic value recognized from the current characteristic value information, cancels the switching frequency dependency. A switching power supply device, wherein the output power information is generated by correcting the output power information to a value corresponding to the output power.
前記出力電力情報生成部は、前記数式に基づく演算を行って前記補正を実行する請求項１記載のスイッチング電源装置。 In the output power information generation unit, a mathematical expression for canceling the switching frequency dependent characteristic is set in advance,
The switching power supply device according to claim 1, wherein the output power information generation unit performs the correction by performing an operation based on the mathematical expression.
前記出力電力信号記制御部は、前記入力電圧情報を取得し、取得した前記入力電圧情報から認識される前記入力電圧の値を前記数式に代入して前記補正を実行する請求項２記載のスイッチング電源装置。 An input voltage detection unit that detects the input voltage and outputs the input voltage information as input voltage information, wherein the output power information generation unit is set with the formula incorporating the input voltage as a variable,
The switching according to claim 2, wherein the output power signal control unit acquires the input voltage information, and executes the correction by substituting the value of the input voltage recognized from the acquired input voltage information into the mathematical expression. Power supply.
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