JP4280568B2

JP4280568B2 - Switching power supply device and electronic device

Info

Publication number: JP4280568B2
Application number: JP2003182173A
Authority: JP
Inventors: 孝矢野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP2005020886A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源装置及びそれを用いた電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トランジスタを繰り返しオン・オフさせ、そのオン・オフの時間の比率を変えることによって、直流の出力電圧の安定化させるスイッチング電源装置が知られており、電力変換効率が良く、また小型・軽量化が可能なため広く普及している。
【０００３】
スイッチング電源装置の一般的な構成を図５に示す。図示されるスイッチング電源装置は、スイッチング素子４０，インダクタ４１，ダイオード４２，コンデンサ４３からなるＤＣ変換部と、ローパスフィルタ４５，誤差アンプ４６，ＰＷＭ（パルス幅変調）回路４７からなるフィードバック制御部とから構成される。ＤＣ変換部は、いわゆるブーストコンバータと呼ばれるものであって、スイッチング素子４０がオン・オフされることにより、負荷５０が接続された出力端子間に電源の出力電圧Ｖｉｎを昇圧した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【０００４】
フィードバック制御部は、出力電圧Ｖｏｕｔを監視して、一定な出力電圧Ｖｏｕｔとなるようにスイッチング素子４０のオン時間・オフ時間の比率を制御する。出力電圧Ｖｏｕｔは、ローパスフィルタ４５により、所定の周波数（遮断周波数）以上の電圧変動成分がカットされて誤差アンプ４６に入力される。
【０００５】
誤差アンプ４６は、設定電圧Ｖｒｅｆが入力されており、ローパスフィルタ４５からの出力電圧Ｖｏｕｔと設定電圧Ｖｒｅｆとの差に応じた誤差信号を出力する。ＰＷＭ回路４７は、出力電圧Ｖｏｕｔと設定電圧Ｖｒｅｆとの差が「０」となるように、誤差信号に基づいてスイッチング素子４０のオン時間とオフ時間の比率、すなわち、スイッチング素子４０を駆動する駆動信号のデューティ比を制御する。このようにスイッチング素子４０のオン時間とオフ時間の比率をフィードバック制御することにより、負荷変動などで負荷電流が変動した場合であっても、出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆと同じ電圧に保たれるようにしている。
【０００６】
また、出力電圧をＡ／Ｄ変換した結果に基づいてＰＩＤ制御やΔΣ演算等により、スイッチング素子４０のオン時間とオフ時間の比率を制御するように、フィードバック制御するものも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第３１９１２７５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のローパスフィルタは、フィードバック制御の安定性を確保するためのものであるが、これの応答性を低くすれば、すなわち遮断周波数を低く設定すれば、電気的なノイズの影響を受けにくくすることができる。しかし、応答性を低くすると、出力電圧を変更した時た負荷が急変した際に、フィードバック制御の遅延やその変動が検出されないなどの理由によって、設定された電圧に達するまでに時間がかかったり、出力電圧の変動が補正されないなどの現象が発生してしまうという問題があった。従来のスイッチング電源装置のローパスフィルタは、インダクタ，抵抗，コンデンサなどを用いた積分回路と呼ばれるものが用いられており、インダクタ，抵抗，コンデンサなどの回路定数が固定されているので応答性を変化させることはできなかった。
【０００９】
また、特許文献１では、デジタルデータを用いてフィードバック制御を行う構成も記載されているが、上記のようなスイッチング電源装置の特性については触れられていない。
【００１０】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、種々の条件下に最適な特性とすることができるスイッチング電源装置及び電子機器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載のスイッチング電源装置では、フィードバック制御部を、クロックパルスの入力毎に出力電圧をサンプリングしてデジタル変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、クロックパルスの入力毎にＡ／Ｄ変換器からの出力を取り込んで演算結果を出力するローパスフィルタとしてのデジタルフィルタと、クロックパルスの入力毎にデジタルフィルタからの出力をアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換器からのアナログ電圧と予め設定された設定電圧値との差に基づいてスイッチング素子のオン時間とオフ時間の比率を調節するＰＷＭ変調手段と、周波数の異なるクロックパルスを選択的に発生し、クロックパルスをＡ／Ｄ変換器，デジタルフィルタ及びＤ／Ａ変換器に送出するクロック発生手段と、出力電圧の変更時，変動時に相対的に高い周波数のクロックパルスをクロック発生手段に発生させることで、デジタルフィルタの特性及びフィードバック制御部の応答性を変化させる周波数制御手段とを備えるようにしたものである。
【００１２】
請求項２記載のスイッチング電源装置では、デジタルフィルタを、クロックパルスの周波数の変化によって、遮断周波数が変化するようにしたものである。また、請求項３記載のスイッチング電源装置では、デジタルフィルタを、Ａ／Ｄ変換器から取り込んだ出力の移動平均を求めることによりローパスフィルタとして機能させるものである。請求項４記載のスイッチング電源装置では、周波数制御手段を、負荷変動が生じる動作変化が負荷回路に対して行われるときには、その動作変化に先立って相対的に高い周波数のクロックパルスをクロック発生手段に発生させるようにしたものである。請求項５記載の電子機器では、上記スイッチング電源装置と、負荷回路の動作を制御する制御手段とを備え、周波数制御手段を、制御手段による負荷回路の動作制御に応じてクロック発生手段が発生するクロックパルスの周波数を変更するようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を実施したデジタルカメラの構成を図１に示す。スイッチング電源装置（以下。電源装置と称する）２は、デジタルカメラの各部に給電する。負荷回路としての撮影機構３は、イメージセンサによる被写体像の撮影，メモリカードへの画像データの記録のための各種回路、電子ビューファインダとして機能するＬＣＤやこれを駆動するための回路，撮影レンズのフォーカシングやズーミングを行うための装置等から構成されており、これらは電源装置２からの給電を受けて動作する。
【００１４】
システムコントローラ４は、操作部５からの操作信号に応じて電源装置２及び撮影機構３を制御する。操作部５は、これを操作することにより、デジタルカメラの電源のオン・オフ、シャッタレリーズ（撮影指示）、ズーミング等の指示を行うことができ、その操作に応じた操作信号を出力する。システムコントローラ４は、操作部８の操作により、電源のオンが指示されると電源装置２を起動して、撮影機構３に給電を開始する。なお、システムコントローラ４は、電池６から微弱電流の供給を受けて電源のオフのときにも作動しており、電源のオン操作を監視している。
【００１５】
電源装置２は、ＤＣ変換部１０とフィードバック制御部２０とから構成されている。ＤＣ変換部１０は、電池６，インダクタ１１，スイッチング素子１２，ダイオード１３，コンデンサ１４からなる。このＤＣ変換部１０は、いわゆるブスート・コンバータであり、スイッチング素子１２をオン・オフして、インダクタ１１に電池６からの電流を断続的に流すことにより、電池６からの電源電圧Ｖｉｎを昇圧した出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。出力電圧Ｖｏｕｔは、前述のように撮影機構３に供給される。
【００１６】
なお、本発明を実施する上では、ＤＣ変換部１０は、スイッチング素子のオン時間・オフ時間の比率によって出力電圧が制御されるものであれば、ブーストコンバータに限らず各種回路形式を採用することができる。
【００１７】
フィードバック制御部２０は，Ａ／Ｄ変換器２１，デジタルフィルタ２２，Ｄ／Ａ変換器２３，誤差アンプ２４，ＰＷＭ回路２５，クロック発生器２６から構成されている。Ａ／Ｄ変換器２１は、ＤＣ変換部１０の出力電圧Ｖｏｕｔをサンプリングし、それをデジタル変換した出力電圧データＤｏｕｔを出力する。
【００１８】
デジタルフィルタ２２には、Ａ／Ｄ変換器２１からの出力電圧データＤｏｕｔが入力される。このデジタルフィルタ２２は、詳細を後述するが、順次入力される出力電圧データＤｏｕｔに対してデジタル演算によって重み付けを行った移動平均を求めることによりローパスフィルタとして機能する。デジタルフィルタ２２での演算結果は、移動平均電圧データＤｆとしてＤ／Ａ変換器２３に送られる。Ｄ／Ａ変換器２３は、移動平均電圧データＤｆをアナログの電圧（以下、移動平均電圧という）Ｖｆに変換する。
【００１９】
誤差アンプ２４の一方の入力端子には、移動平均電圧Ｖｆが、他方の入力端子には設定電圧Ｖｒｅｆがそれぞれ入力される。この誤差アンプ２４は、移動平均電圧Ｖｆと設定電圧Ｖｒｅｆとの差（Ｖｆ−Ｖｒｅｆ）に応じた誤差信号を出力する。設定電圧Ｖｒｅｆは、撮影機構３に給電すべき電圧と同じにされている。
【００２０】
ＰＷＭ回路２５は、誤差アンプ２４とともにＰＷＭ変調手段を構成し、誤差信号に応じてオン時間とオフ時間の比率を調節してスイッチング素子１２を駆動する。このＰＷＭ回路２５は、誤差信号に示される移動平均電圧Ｖｆと設定電圧Ｖｒｅｆとの差が「０」となるように、スイッチング素子１２のオン時間とオフ時間の比率を調節する。具体的には、移動平均電圧Ｖｆが設定電圧Ｖｒｅｆよりも高いときは、スイッチング素子１２のオフ時間に対するオン時間を短く（デューティ比を小さく）し、低いときはスイッチング素子１２のオフ時間に対するオン時間を長く（デューティ比を大きく）する。このようにして、スイッチング素子１２のオン時間とオフ時間の比率を調節することで、出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆと同じになるようにする。
【００２１】
クロック発生器２６は、Ａ／Ｄ変換器２１，デジタルフィルタ２２，Ｄ／Ａ変換器２３にクロックパルスを送出し、これらを同期させて作動させる。このクロック発生器２６は、後述するようにシステムコントローラ４の制御によりクロックパルスの周波数（以下クロック周波数という）が制御される。なお、ＰＷＭ回路２５をクロックパルスによって、Ａ／Ｄ変換器２１，デジタルフィルタ２２，Ｄ／Ａ変換器２３と同期させて動作する構成とした場合には、このＰＷＭ回路２５にもクロックパルスを送出する。
【００２２】
Ａ／Ｄ変換器２１は、クロックパルスの入力毎に，出力電圧Ｖｏｕｔをサンプリングした結果を出力電圧データＤｏｕｔとし出力する。デジタルフィルタ２２は、クロックパルスの入力毎に，Ａ／Ｄ変換器２１からの出力電圧データＤｏｕｔを取り込みその結果得られるを移動平均電圧データＤｆを出力する。Ｄ／Ａ変換器２２は、クロックパルスが入力される毎に、デジタルフィルタ２２から出力される移動平均電圧データＤｆを取り込んでアナログの移動平均電圧Ｖｆに変換して出力する。
【００２３】
上記デジタルフィルタ２２の構成を図２に示す。デジタルフィルタ２２は、乗算器３１ａ〜３１c と、遅延器３２ａ，３２ｂと、加算器３３とから構成される。乗算器３１ａ，３１ｃは、それぞれ入力される出力電圧データＶｏｕｔに値「１／４」を乗算して出力し、乗算器３１ｂは、値「１／２」を乗算して出力する。各遅延器３２ａ，３２ｂは、入力される出力電圧データＤｏｕｔを１クロックパルス分遅らせて出力する。乗算器３１ａと遅延器３２ａには、Ａ／Ｄ変換器２１から出力電圧データＤｏｕｔが入力され、乗算器３１ｂと遅延器３２ｂとには、遅延器ａから出力電圧データＤｏｕｔが入力される。また、乗算器３１ｃには、遅延器３２ｂからの出力電圧電圧データＤｏｕｔが入力される。加算器は、上記の各乗算器３１ａ〜３１ｃの乗算結果を加算し、移動平均電圧データＤｆとして出力する。
【００２４】
このように構成されたデジタルフィルタ２２は、クロック周波数に応じた遮断周波数・応答性を有するローパスフィルタとして機能する。そして、本発明では、デジタルフィルタ２２に入力するクロック周波数を変化させることでデジタルフィルタの特性を変化させ、デジタルカメラの動作に最適な応電源装置２の特性を得ている。なお、デジタルフィルタ２２の構成は、クロック周波数によって遮断周波数、応答性が変化するものであれば図２に示されるものに限らない。また、デジタルフィルタ２２が行う演算はハード的に行ってもよく、ソフト的に行ってもよい。
【００２５】
システムコントローラ４は、コントロール信号によってクロック発生器２６を制御して、撮影機構３の動作に応じたクロック周波数に切り換える。クロック周波数は、デジタルフィルタ２２に送出されるクロックパルスの他、デジタルフィルタ２２に同期させてＡ／Ｄ変換器２１，Ｄ／Ａ変換器２２を動作させるために、これらへのクロックパルスについても同時にクロック周波数が切り換えられる。この例では、クロック発生器２６は、周波数が低い通常クロック周波数と、この通常クロック周波数よりも周波数が高い高速クロック周波数との２種類のクロックパルスを選択的に出力し、高速クロック周波数は通常クロック周波数の２倍となっている。
【００２６】
撮影機構３の動作が一定しており負荷電流がほとんど変動しない、すなわち負荷変動がほとんどないような通常時では、クロック発生器２６は通常クロック周波数でクロックパルスを発生し、デジタルフィルタ２２の遮断周波数を下げる。すなわち、図３のグラフに実線で示すように、デジタルフィルタ２２が透過する周波数域を低周波側にシフトして、電気的なノイズによる影響を低減し、フィードバック制御部２０によるフィードバック制御を安定させる。これにより、電源装置２からの出力電圧Ｖｏｕｔの安定化を図る。
【００２７】
一方、フィードバック制御に高速な応答性が要求されるとき、すなわち出力電圧の変更時，変動時には、クロック発生器２６は高速クロック周波数でクロックを発生し、デジタルフィルタ２２を含むフィードバック制御部２０の応答性を高くする。すなわち、スイッチング素子１２のオン時間とオフ時間の調節間隔となるクロックパルスの入力間隔を短くすることによって、フィードバック制御部２０の応答性を高くし、出力電圧を速やかに設定電圧とし、電圧変動を速やかに解消させる。また、高速クロック周波数を用いた場合には、図３のグラフで破線で示すように、デジタルフィルタ２２が透過する周波数域を高周波側にシフトされることにより、負荷が急変した場合にも、それによる出力電圧Ｖｏｕｔの変動を検出可能となり，フィードバック制御をより好ましいものとなる。
【００２８】
この例における出力電圧Ｖｏｕｔの変更時としては、出力電圧Ｖｏｕｔを０Ｖから設定電圧Ｖｒｅｆと同じ大きさにする電源装置２を起動時がある。また、出力電圧Ｖｏｕｔの変動時としては、負荷変動が生じるとき、すなわち負荷回路としての撮影機構３が何らかの動作を開始したときや、その動作を停止したときがある。システムコントローラ４は、電源装置２を起動時にはそれと同時に、負荷変動時には、それに先立ってクロック周波数を高速クロック周波数に切り換える。
【００２９】
なお、電源装置２の起動は、操作部５の操作に応答してシステムコントローラ４に制御されて行われる。また、負荷変動は、撮影機構３の動作の開始や停止，動作自体によるものであり、撮影機構３の動作は、操作部５の操作に応答してシステムコントローラ４によって制御されている。したがって、システムコントローラ４は、電源装置２の起動時にはそれと同時に、また負荷変動が生じるときには事前にクロック周波数を高くすることができる。
【００３０】
次に上記構成の作用について図４を参照しながら説明する。操作部５が操作されて、電源のオンが指示されると、電源装置２を起動させるとともに、Ｌレベルのコントロール信号によってクロック発生器２６に高速クロック周波数の発生を指示する。
【００３１】
電源装置２が起動されると、スイッチング素子１２が繰り返しオン・オフされ、電池６の出力電圧ＶｉｎがＤＣ変換部２０によって昇圧され、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。
【００３２】
一方、クロック発生器２６からは高速クロック周波数のクロックパルスが発生され、そのクロックパルスが送出されることにより、出力電圧ＶｏｕｔがＡ／Ｄ変換器２１によってサンプリングされて出力電圧データＤｏｕｔとして出力され、この出力電圧データＤｏｕｔを用いてデジタルフィルタ２２による移動平均電圧データＤｆの算出が行われる。続いて移動平均電圧データＤｆがＤ／Ａ変換器２３によって移動平均電圧Ｖｆに変換されて誤差アンプ２４に入力される。そして、誤差アンプ２４からは、移動平均電圧Ｖｆ、すなわちローパスフィルタとしてのデジタルフィルタ２２を通した出力電圧Ｖｏｕｔと設定電圧Ｖｒｅｆとの差に応じた誤差信号が出力されてＰＷＭ回路２５に送られることにより、スイッチング素子１２のオン時間とオフ時間の比率の調節が行われる。
【００３３】
上記の出力電圧Ｖｏｕｔのサンプリングからそのサンプリング結果に基づく移動平均電圧Ｖｆの出力は、クロックパルスの発生毎に繰り返し行われるから、スイッチング素子１２のオン時間とオフ時間の比率の調節もクロックパルスの発生毎に繰り返し行われる。そして、高速クロック周波数でクロックパルスが発生されているので、スイッチング素子１２のオン時間とオフ時間の比率の調節間隔が短いので、短時間で出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆとなり、素早くデジタルカメラが使用可能状態となる。
【００３４】
例えば電圧検出用のセンサによる検出や、所定の時間が経過することで出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆに達したことが検知されると、システムコントローラ４は、コントロール信号をＨレベルとする。すると、クロック発生器２６は高速クロック周波数に代えて通常クロック周波数でのクロックパルスの送出を開始する。通常クロック周波数となると、フィードバック制御部２０のクロックパルス毎の動作は高速クロック周波数の場合と同じであるが、デジタルフィルタ２２の遮断周波数が低くなるため、結果として電源装置２は電気的なノイズの影響を受けて出力電圧Ｖｏｕｔが変動にしにくくなる。結果として、撮影機構３の動作が不安定になることもない。
【００３５】
操作部５を操作して、例えば撮影レンズのズーミングや撮影指示をすると、撮影レンズを駆動するためのモータが作動されたり、また撮影で得られる画像データの処理や画像データをメモリに記録するために，電源装置２に対する負荷が高くなり、またそれらの処理が完了すると負荷が低くなるように、負荷が急変する。システムコントローラ４は、このような場合に備えて操作部５の指示に基づき、上記のように負荷が急変する処理を撮影機構３に指示するときには、その指示に先立って、コントロール信号をＬレベルとしてクロック発生器２６に高速クロック周波数でのクロックパルスの送出を指示する。
【００３６】
これにより、図４に示されるように、負荷が増大している期間の前後、すなわち負荷が急変するときに、出力電圧Ｖｏｕｔが低下，上昇しても、前述のようにフィードバック制御部２０は、高速クロック周波数で動作しているから、その電圧変動に速やかに応答して、出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆとなるようにスイッチング素子１２のオン時間・オフ時間の比率を調節する。結果として、出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆからずれている時間を短くすることができ、撮影機構３の動作を安定させることができる。
【００３７】
撮影レンズのズーミングや画像データのメモリへの書き込みが完了し、負荷が変動しない状態となると、システムコントローラ４の制御によって通常クロック周波数でのクロックパルスの送出を行う。
【００３８】
以上のようにして、電源装置２の特性を変化させることにより、デジタルカメラの動作に応じた最適な特性を持たせるもとができる。
【００３９】
上記実施形態では、デジタルカメラにスイッチング電源装置を内蔵した例について説明したが、この他にスイッチング電源装置を用いる各種の電子機器に本発明を利用することができる。また、スイッチング電源装置にシステムコントローラによるクロック周波数の制御機能を持たせてクロック周波数を変化させてもよい。
【００４０】
上記実施形態では、クロック周波数を２段階に変化させているが、３段階以上に変化させてもよい。また、出力電圧の変更を行うスイッチング電源装置では、その出力電圧を変更する際にも応答性を高めるためにクロック周波数を高くしてもよい。さらに、上記実施形態では、スイッチング電源装置の起動と同時、負荷変動が発生する前にクロック周波数を高くするようにしているが、出力電圧の変動に応じてクロック周波数を高くするように制御してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ＤＣ変換部の出力電圧をＡ／Ｄ変換器，ローパスフィルタとして機能するのデジタルフィルタ，Ｄ／Ａ変換器を通して得られるアナログ電圧と設定電圧値との差に基づいて、ＤＣ変換部のスイッチング素子のオン時間とオフ時間の比率を調節するとともに、Ａ／Ｄ変換器，デジタルフィルタ及びＤ／Ａ変換器に供給するクロックパルスの周波数を出力電圧の変更または変動時に高くし、あるいは負荷回路の動作に応じて変化するようにしたから、スイッチング電源装置の特性を動的に変化させることができ、出力電圧の変動のとき、出力電圧を変更するときに応答性を高め、また通常時には電気的なノイズの影響を低減して安定した出力電圧を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したデジタルカメラの構成を示すブロック図である。
【図２】スイッチング電源装置内のデジタルフィルタの構成を示すブロック図である。
【図３】クロック周波数の違いによるデジタルフィルタの周波数特性を示すグラフである。
【図４】スイッチング電源装置の動作を説明するタイミングチャートである。
【図５】従来のスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２スイッチング電源装置
３撮影機構
４システムコントローラ
１０ＤＣ変換部
１２スイッチング素子
２０フィードバック制御部
２１Ａ／Ｄ変換器
２２デジタルフィルタ
２３Ｄ／Ａ変換器
２４誤差アンプ
２５ＰＷＭ回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply device and an electronic device using the same.
[0002]
[Prior art]
A switching power supply that stabilizes the DC output voltage by repeatedly turning on and off the transistor and changing the ratio of the on and off times is known, which has good power conversion efficiency, and is small and lightweight. Widespread because it is possible.
[0003]
A general configuration of the switching power supply device is shown in FIG. The illustrated switching power supply device includes a DC conversion unit including a switching element 40, an inductor 41, a diode 42, and a capacitor 43, and a feedback control unit including a low-pass filter 45, an error amplifier 46, and a PWM (pulse width modulation) circuit 47. Composed. The DC conversion unit is a so-called boost converter, and outputs the output voltage Vout obtained by boosting the output voltage Vin of the power source between the output terminals connected to the load 50 when the switching element 40 is turned on / off. To do.
[0004]
The feedback control unit monitors the output voltage Vout and controls the ratio between the on time and the off time of the switching element 40 so that the output voltage Vout becomes constant. The output voltage Vout is input to the error amplifier 46 after the voltage fluctuation component equal to or higher than a predetermined frequency (cutoff frequency) is cut by the low-pass filter 45.
[0005]
The error amplifier 46 receives the set voltage Vref, and outputs an error signal corresponding to the difference between the output voltage Vout from the low pass filter 45 and the set voltage Vref. The PWM circuit 47 drives the switching element 40 based on the ratio between the ON time and the OFF time of the switching element 40 based on the error signal so that the difference between the output voltage Vout and the set voltage Vref becomes “0”. Controls the duty ratio of the signal. Thus, by performing feedback control of the ratio between the on time and the off time of the switching element 40, the output voltage Vout is maintained at the same voltage as the set voltage Vref even when the load current fluctuates due to load fluctuation or the like. I am doing so.
[0006]
Also known is feedback control so that the ratio of the ON time to the OFF time of the switching element 40 is controlled by PID control, ΔΣ calculation, or the like based on the result of A / D conversion of the output voltage (for example, , See Patent Document 1).
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3191275 [0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the above-mentioned low-pass filter is for ensuring the stability of the feedback control. However, if the responsiveness of the low-pass filter is lowered, that is, if the cut-off frequency is set low, the low-pass filter is not easily affected by electrical noise. can do. However, if the responsiveness is lowered, when the load when the output voltage is changed suddenly, it takes time to reach the set voltage due to the delay of feedback control or its fluctuation is not detected, etc. There has been a problem that a phenomenon occurs in which fluctuations in output voltage are not corrected. A conventional low-pass filter for a switching power supply device uses what is called an integration circuit using an inductor, a resistor, a capacitor, etc., and the circuit constants such as the inductor, the resistor, the capacitor, etc. are fixed, so that the responsiveness is changed. I couldn't.
[0009]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 also describes a configuration for performing feedback control using digital data, but does not touch on the characteristics of the switching power supply device as described above.
[0010]
The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and an object thereof is to provide a switching power supply device and an electronic apparatus that can have optimum characteristics under various conditions.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the switching power supply device according to claim 1, the feedback control unit samples an output voltage for each input of the clock pulse, converts the output voltage into a digital signal, and outputs the clock pulse. A digital filter as a low-pass filter that takes in the output from the A / D converter for each input and outputs a calculation result, and a D / A converter for converting the output from the digital filter into an analog voltage for each clock pulse input And PWM modulation means for adjusting the ratio of the on-time and off-time of the switching element based on the difference between the analog voltage from the D / A converter and a preset voltage value, and a clock pulse having a different frequency is selected Generating means for automatically generating and sending clock pulses to an A / D converter, a digital filter and a D / A converter , When changing the output voltage, in Rukoto it is generated in the clock generating means of the clock pulses of relatively high frequency at the time of change, so and a frequency control means for varying the responsiveness of the characteristics and the feedback control unit of the digital filter It is a thing.
[0012]
In the switching power supply device according to claim 2 , the cutoff frequency is changed by changing the frequency of the clock pulse in the digital filter. In the switching power supply device according to the third aspect, the digital filter functions as a low-pass filter by obtaining a moving average of the output taken from the A / D converter. According to a fourth aspect of the present invention, when the operation change that causes the load fluctuation is made to the load circuit, the frequency control means supplies a clock pulse having a relatively high frequency to the clock generation means prior to the operation change. It is made to generate. According to a fifth aspect of the present invention, the electronic device includes the switching power supply device and a control unit that controls the operation of the load circuit, and the frequency generation unit is generated by the clock generation unit in accordance with the operation control of the load circuit by the control unit. The frequency of the clock pulse is changed.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The configuration of a digital camera embodying the present invention is shown in FIG. A switching power supply (hereinafter referred to as a power supply) 2 supplies power to each part of the digital camera. The photographing mechanism 3 as a load circuit includes various circuits for photographing a subject image by an image sensor and recording image data on a memory card, an LCD functioning as an electronic viewfinder, a circuit for driving the circuit, and a photographing lens. The apparatus is composed of a device for performing focusing and zooming, and the like, and operates by receiving power from the power supply device 2.
[0014]
The system controller 4 controls the power supply device 2 and the photographing mechanism 3 according to an operation signal from the operation unit 5. By operating this, the operation unit 5 can instruct on / off of the power of the digital camera, shutter release (shooting instruction), zooming, and the like, and outputs an operation signal corresponding to the operation. When the system controller 4 is instructed to turn on the power by operating the operation unit 8, the system controller 4 activates the power supply device 2 and starts supplying power to the imaging mechanism 3. The system controller 4 also operates when the power is turned off by receiving a weak current supplied from the battery 6 and monitors the power-on operation.
[0015]
The power supply device 2 includes a DC conversion unit 10 and a feedback control unit 20. The DC conversion unit 10 includes a battery 6, an inductor 11, a switching element 12, a diode 13, and a capacitor 14. The DC conversion unit 10 is a so-called boost converter, and boosts the power supply voltage Vin from the battery 6 by turning on and off the switching element 12 and causing the current from the battery 6 to flow intermittently through the inductor 11. Output voltage Vout is output. The output voltage Vout is supplied to the imaging mechanism 3 as described above.
[0016]
In carrying out the present invention, the DC conversion unit 10 adopts various circuit formats as well as the boost converter as long as the output voltage is controlled by the ratio of the ON time / OFF time of the switching element. Can do.
[0017]
The feedback control unit 20 includes an A / D converter 21, a digital filter 22, a D / A converter 23, an error amplifier 24, a PWM circuit 25, and a clock generator 26. The A / D converter 21 samples the output voltage Vout of the DC converter 10 and outputs output voltage data Dout obtained by digitally converting the sampled voltage.
[0018]
The output voltage data Dout from the A / D converter 21 is input to the digital filter 22. As will be described in detail later, the digital filter 22 functions as a low-pass filter by obtaining a moving average obtained by weighting output voltage data Dout that is sequentially input by digital calculation. The calculation result in the digital filter 22 is sent to the D / A converter 23 as moving average voltage data Df. The D / A converter 23 converts the moving average voltage data Df into an analog voltage (hereinafter referred to as a moving average voltage) Vf.
[0019]
The moving average voltage Vf is input to one input terminal of the error amplifier 24, and the set voltage Vref is input to the other input terminal. The error amplifier 24 outputs an error signal corresponding to the difference (Vf−Vref) between the moving average voltage Vf and the set voltage Vref. The set voltage Vref is the same as the voltage to be supplied to the imaging mechanism 3.
[0020]
The PWM circuit 25 constitutes PWM modulation means together with the error amplifier 24, and drives the switching element 12 by adjusting the ratio of the on time and the off time according to the error signal. The PWM circuit 25 adjusts the ratio of the ON time to the OFF time of the switching element 12 so that the difference between the moving average voltage Vf indicated by the error signal and the set voltage Vref becomes “0”. Specifically, when the moving average voltage Vf is higher than the set voltage Vref, the ON time with respect to the OFF time of the switching element 12 is shortened (duty ratio is reduced), and when it is low, the ON time with respect to the OFF time of the switching element 12 Is increased (duty ratio is increased). In this way, the output voltage Vout is made equal to the set voltage Vref by adjusting the ratio between the on time and the off time of the switching element 12.
[0021]
The clock generator 26 sends clock pulses to the A / D converter 21, the digital filter 22, and the D / A converter 23, and operates them in synchronization. The clock generator 26 controls the frequency of the clock pulse (hereinafter referred to as the clock frequency) under the control of the system controller 4 as will be described later. When the PWM circuit 25 is configured to operate in synchronization with the A / D converter 21, the digital filter 22, and the D / A converter 23 by a clock pulse, the clock pulse is also sent to the PWM circuit 25. To do.
[0022]
The A / D converter 21 outputs the output voltage data Dout as a result of sampling the output voltage Vout every time a clock pulse is input. The digital filter 22 takes in the output voltage data Dout from the A / D converter 21 every time a clock pulse is input, and outputs the moving average voltage data Df obtained as a result. Each time a clock pulse is input, the D / A converter 22 takes in the moving average voltage data Df output from the digital filter 22 and converts it into an analog moving average voltage Vf for output.
[0023]
The configuration of the digital filter 22 is shown in FIG. The digital filter 22 includes multipliers 31a to 31c, delay units 32a and 32b, and an adder 33. The multipliers 31a and 31c multiply the output voltage data Vout input by the value “1/4” and output the result, and the multiplier 31b multiplies the value “1/2” and outputs the result. Each delay device 32a, 32b delays the input output voltage data Dout by one clock pulse and outputs it. The output voltage data Dout is input from the A / D converter 21 to the multiplier 31a and the delay unit 32a, and the output voltage data Dout is input from the delay unit a to the multiplier 31b and the delay unit 32b. Further, the output voltage voltage data Dout from the delay device 32b is input to the multiplier 31c. The adder adds the multiplication results of the multipliers 31a to 31c and outputs the result as moving average voltage data Df.
[0024]
The digital filter 22 configured as described above functions as a low-pass filter having a cutoff frequency / responsiveness corresponding to the clock frequency. In the present invention, the characteristics of the digital filter are changed by changing the clock frequency input to the digital filter 22 to obtain the characteristics of the power supply device 2 that is optimal for the operation of the digital camera. The configuration of the digital filter 22 is not limited to that shown in FIG. 2 as long as the cutoff frequency and the responsiveness change depending on the clock frequency. The calculation performed by the digital filter 22 may be performed in hardware or may be performed in software.
[0025]
The system controller 4 controls the clock generator 26 with the control signal to switch to the clock frequency corresponding to the operation of the photographing mechanism 3. In addition to the clock pulse sent to the digital filter 22, the clock frequency is synchronized with the digital filter 22 so that the A / D converter 21 and the D / A converter 22 are operated. The clock frequency is switched. In this example, the clock generator 26 selectively outputs two types of clock pulses, a normal clock frequency having a low frequency and a high-speed clock frequency having a frequency higher than the normal clock frequency. The high-speed clock frequency is the normal clock frequency. It is twice the frequency.
[0026]
In a normal time when the operation of the imaging mechanism 3 is constant and the load current hardly fluctuates, that is, there is almost no load fluctuation, the clock generator 26 generates a clock pulse at the normal clock frequency, and the cutoff frequency of the digital filter 22 Lower. That is, as indicated by a solid line in the graph of FIG. 3, the frequency range transmitted through the digital filter 22 is shifted to the low frequency side to reduce the influence of electrical noise and stabilize the feedback control by the feedback control unit 20. . Thereby, the output voltage Vout from the power supply device 2 is stabilized.
[0027]
On the other hand, when high-speed response is required for feedback control, that is, when the output voltage is changed or fluctuated, the clock generator 26 generates a clock at a high-speed clock frequency, and the response of the feedback control unit 20 including the digital filter 22 is generated. Increase sex. That is, by shortening the input interval of the clock pulse, which is the adjustment interval between the ON time and OFF time of the switching element 12, the responsiveness of the feedback control unit 20 is increased, the output voltage is quickly set to the set voltage, and the voltage fluctuation is reduced. Eliminate promptly. Further, when a high-speed clock frequency is used, as shown by a broken line in the graph of FIG. 3, even when the load suddenly changes by shifting the frequency range that the digital filter 22 transmits to the high-frequency side, It becomes possible to detect the fluctuation of the output voltage Vout due to the above, and the feedback control becomes more preferable.
[0028]
When the output voltage Vout is changed in this example, there is a time of starting up the power supply device 2 that makes the output voltage Vout the same as the set voltage Vref from 0V. In addition, when the output voltage Vout fluctuates, there is a time when a load fluctuates, that is, when the photographing mechanism 3 as a load circuit starts some operation or when the operation stops. The system controller 4 switches the clock frequency to the high-speed clock frequency at the same time when the power supply device 2 is started up and at the same time when the load changes.
[0029]
The power supply device 2 is activated under the control of the system controller 4 in response to the operation of the operation unit 5. The load fluctuation is caused by the start, stop, and operation of the photographing mechanism 3, and the operation of the photographing mechanism 3 is controlled by the system controller 4 in response to the operation of the operation unit 5. Therefore, the system controller 4 can increase the clock frequency at the same time when the power supply device 2 is started up and at the same time when a load change occurs.
[0030]
Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIG. When the operation unit 5 is operated to turn on the power, the power supply device 2 is activated, and the clock generator 26 is instructed to generate a high-speed clock frequency by an L level control signal.
[0031]
When the power supply device 2 is activated, the switching element 12 is repeatedly turned on / off, and the output voltage Vin of the battery 6 is boosted by the DC converter 20 and output as the output voltage Vout.
[0032]
On the other hand, a clock pulse having a high-speed clock frequency is generated from the clock generator 26. By sending the clock pulse, the output voltage Vout is sampled by the A / D converter 21 and output as output voltage data Dout. The moving average voltage data Df is calculated by the digital filter 22 using the output voltage data Dout. Subsequently, the moving average voltage data Df is converted into a moving average voltage Vf by the D / A converter 23 and input to the error amplifier 24. The error amplifier 24 outputs an error signal corresponding to the difference between the moving average voltage Vf, that is, the output voltage Vout that has passed through the digital filter 22 as a low-pass filter, and the set voltage Vref, and is sent to the PWM circuit 25. Thus, the ratio of the on time and the off time of the switching element 12 is adjusted.
[0033]
Since the output of the moving average voltage Vf based on the sampling result from the sampling of the output voltage Vout is repeatedly performed every time the clock pulse is generated, the adjustment of the ratio between the ON time and the OFF time of the switching element 12 is also generated by the clock pulse. Repeated every time. Since the clock pulse is generated at the high-speed clock frequency, the adjustment interval of the ratio between the ON time and the OFF time of the switching element 12 is short, so that the output voltage Vout becomes the set voltage Vref in a short time, and the digital camera is used quickly. It becomes possible.
[0034]
For example, when it is detected that the output voltage Vout has reached the set voltage Vref as a result of detection by a voltage detection sensor or a predetermined time has elapsed, the system controller 4 sets the control signal to the H level. Then, the clock generator 26 starts sending clock pulses at the normal clock frequency instead of the high-speed clock frequency. When the normal clock frequency is reached, the operation for each clock pulse of the feedback control unit 20 is the same as in the case of the high-speed clock frequency. However, since the cutoff frequency of the digital filter 22 is low, the power supply device 2 is The output voltage Vout is less likely to fluctuate due to the influence. As a result, the operation of the photographing mechanism 3 does not become unstable.
[0035]
For example, when the operation unit 5 is operated and zooming of the photographic lens or an instruction to shoot is performed, a motor for driving the photographic lens is operated, or processing of image data obtained by shooting and recording of image data in the memory are performed. In addition, the load suddenly changes so that the load on the power supply device 2 is increased and the load is decreased when the processing is completed. In preparation for such a case, the system controller 4 sets the control signal to the L level prior to instructing the photographing mechanism 3 to perform the processing in which the load suddenly changes as described above based on the instruction of the operation unit 5. The clock generator 26 is instructed to send clock pulses at a high-speed clock frequency.
[0036]
Thus, as shown in FIG. 4, before and after the period when the load is increasing, that is, when the load suddenly changes, the feedback control unit 20 is Since it operates at the high-speed clock frequency, the ratio of the ON time / OFF time of the switching element 12 is adjusted so that the output voltage Vout becomes the set voltage Vref in response to the voltage fluctuation promptly. As a result, the time during which the output voltage Vout deviates from the set voltage Vref can be shortened, and the operation of the imaging mechanism 3 can be stabilized.
[0037]
When zooming of the photographic lens and writing of image data to the memory are completed and the load does not fluctuate, clock pulses are transmitted at the normal clock frequency under the control of the system controller 4.
[0038]
By changing the characteristics of the power supply device 2 as described above, it is possible to provide optimum characteristics according to the operation of the digital camera.
[0039]
In the above embodiment, the example in which the switching power supply device is built in the digital camera has been described. However, the present invention can be applied to various electronic devices using the switching power supply device. Further, the clock frequency may be changed by providing the switching power supply device with a clock frequency control function by the system controller.
[0040]
In the above embodiment, the clock frequency is changed in two stages, but it may be changed in three stages or more. Further, in the switching power supply device that changes the output voltage, the clock frequency may be increased in order to improve the responsiveness even when the output voltage is changed. Further, in the above embodiment, the clock frequency is increased before the load fluctuation occurs simultaneously with the activation of the switching power supply device. However, the clock frequency is controlled to be increased according to the fluctuation of the output voltage. Also good.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the difference between the set voltage value and the analog voltage obtained through the D / A converter, the digital filter functioning as the A / D converter, the low-pass filter, and the output voltage of the DC conversion unit. And adjusting the ratio of the on-time and off-time of the switching element of the DC converter, and changing the output voltage or the frequency of the clock pulse supplied to the A / D converter, the digital filter and the D / A converter. Since it is increased when it fluctuates or changes according to the operation of the load circuit, the characteristics of the switching power supply can be changed dynamically. When the output voltage fluctuates, it responds when changing the output voltage. In addition, it is possible to obtain a stable output voltage by improving the performance and reducing the influence of electrical noise in normal times.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a digital camera embodying the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a digital filter in the switching power supply device.
FIG. 3 is a graph showing frequency characteristics of a digital filter according to a difference in clock frequency.
FIG. 4 is a timing chart illustrating the operation of the switching power supply device.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a conventional switching power supply device.
[Explanation of symbols]
2 Switching power supply device 3 Imaging mechanism 4 System controller 10 DC converter 12 Switching element 20 Feedback controller 21 A / D converter 22 Digital filter 23 D / A converter 24 Error amplifier 25 PWM circuit

Claims

スイッチング素子のオン，オフによって電源からの電圧を変圧して出力電圧として負荷回路に給電するＤＣ変換部と、このＤＣ変換部からの出力電圧に基づきスイッチング素子のオン時間とオフ時間の比率を制御し、出力電圧を安定化させるフィードバック制御部とを備えたスイッチング電源装置において、
前記フィードバック制御部は、クロックパルスの入力毎に出力電圧をサンプリングしてデジタル変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、クロックパルスの入力毎にＡ／Ｄ変換器からの出力を取り込んで演算結果を出力するローパスフィルタとしてのデジタルフィルタと、クロックパルスの入力毎にデジタルフィルタからの出力をアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器と、Ｄ／Ａ変換器からのアナログ電圧と予め設定された設定電圧値との差に基づいてスイッチング素子のオン時間とオフ時間の比率を調節するＰＷＭ変調手段と、周波数の異なるクロックパルスを選択的に発生し、クロックパルスをＡ／Ｄ変換器，デジタルフィルタ及びＤ／Ａ変換器に送出するクロック発生手段と、出力電圧の変更時，変動時に相対的に高い周波数のクロックパルスをクロック発生手段に発生させることで、デジタルフィルタの特性及びフィードバック制御部の応答性を変化させる周波数制御手段とを備えることを特徴とするスイッチング電源装置。A DC converter that transforms the voltage from the power supply by turning on and off the switching element and supplies power to the load circuit as an output voltage, and controls the ratio between the ON time and the OFF time of the switching element based on the output voltage from the DC converter In a switching power supply device including a feedback control unit that stabilizes the output voltage,
The feedback control unit samples an output voltage every time a clock pulse is input, converts it into a digital signal, and outputs the result from the A / D converter every time a clock pulse is input. A digital filter as a low-pass filter that outputs a signal, a D / A converter that converts an output from the digital filter into an analog voltage every time a clock pulse is input, an analog voltage from the D / A converter, and a preset setting PWM modulation means for adjusting the ratio of the on-time and off-time of the switching element based on the difference from the voltage value, selectively generating clock pulses of different frequencies, and generating clock pulses from an A / D converter, a digital filter, Clock generation means for sending to the D / A converter and a clock pulse with a relatively high frequency when the output voltage is changed or fluctuated At Rukoto is generated in the clock generating means, the switching power supply device, characterized in that it comprises a frequency control means for varying the responsiveness of the characteristics and the feedback control unit of the digital filter.

前記デジタルフィルタは、クロックパルスの周波数の変化によって、遮断周波数が変化することを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。The switching power supply according to claim 1, wherein the digital filter has a cutoff frequency that changes according to a change in a frequency of a clock pulse.

前記デジタルフィルタは、Ａ／Ｄ変換器から取り込んだ出力の移動平均を求めることによりローパスフィルタとして機能することを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。3. The switching power supply device according to claim 2, wherein the digital filter functions as a low-pass filter by obtaining a moving average of outputs taken from the A / D converter.

前記周波数制御手段は、負荷変動が生じる動作変化が負荷回路に対して行われるときには、その動作変化に先立って相対的に高い周波数のクロックパルスを前記クロック発生手段に発生させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。The frequency control means causes the clock generation means to generate a clock pulse having a relatively high frequency prior to the operation change when an operation change that causes a load change is made to the load circuit. Item 4. The switching power supply device according to any one of Items 1 to 3.

請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置と、負荷回路の動作を制御する制御手段とを備え、
前記周波数制御手段は、前記制御手段による前記負荷回路の動作制御に応じてクロック発生手段が発生するクロックパルスの周波数を変更することを特徴とする電子機器。 A switching power supply device according to any one of claims 1 to 4, and a control means for controlling the operation of the load circuit,
It said frequency control means, an electronic device and changes the frequency of the clock pulses clock generating means generates in response to the operation control of the load circuit by the control means.