JP4907312B2 - 定電圧定電流電源 - Google Patents

Description

本発明はポータブル電子機器などに搭載されるバッテリを充電するための定電圧定電流電源に関する。

近年、携帯電話、ノート型パソコン、及びディジタルカメラなどのポータブル電子機器の小型化・軽量化が進み、それらの普及に伴って、ポータブル電子機器の電源として、繰り返し充放電することが可能な二次電池が用いられる機会が多くなってきた。このような二次電池としては、例えば、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、及びリチウムイオン電池などが知られている。この種の二次電池を充電するには、所定の直流電流を二次電池に安定に供給する定電流電源が必要である。

特開２００３−７９１３７号公報には、直流電源をスイッチングするスイッチングトランジスタと、スイッチングトランジスタの出力を平滑にするフィルタ回路と、フィルタ回路を経た出力電流を供給する電流路にシリーズに挿入された低抵抗素子と、低抵抗素子の電圧降下を増幅する増幅回路と、増幅回路の出力電圧と基準電圧とを比較してその差によってスイッチングトランジスタのゲートに入力するスイッチングパルス波のスイッチングデューティを制御する電圧制御回路とを備える定電流回路が開示されている。
特開２００３−７９１３７号公報

ところで、外部直流電源から出力される直流電圧をトランジスタのスイッチング動作によってパルス電圧に変換し、インダクタンスとキャパシタとからなるフィルタによって、そのパルス電圧を平滑化して二次電池を充電する方式の中には、キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）に生じるリップル電圧を抽出して、これをフィードバック信号として制御回路に供給することにより、制御回路によるトランジスタのスイッチング制御を実現しているものがある。

しかし、等価直列抵抗に生じるリップル電圧を用いてトランジスタを安定的にフィードバック制御するには、ある程度高い等価直列抵抗を有するキャパシタを適用する必要があるものの、キャパシタの等価直列抵抗の抵抗値が高いと、二次電池に供給される電流のリップル成分が大きくなってしまい、安定した充電制御を実現することができない。

そこで、本発明は、スイッチングトランジスタのスイッチング動作によって生成されたパルス電圧を平滑化するためのフィルタに含まれるキャパシタとして、等価直列抵抗が小さいものを適用した場合でも、安定した充電制御を可能とする定電圧定電流電源を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる定電圧定電流電源は、バッテリを充電するためのものであり、スイッチング素子と、フィルタと、リップル電圧検出回路と、第一の積分型エラーアンプと、第二の積分型エラーアンプと、制御回路とを備える。スイッチング素子は、外部直流電源から出力される直流電圧をスイッチングすることによりパルス電圧を出力するためのものであり、その電流入力端子が外部直流電源に接続される。フィルタは、パルス電圧を平滑化するためのものであり、キャパシタと、抵抗素子と、インダクタンスとを有する。キャパシタはその第一の端子がグランドに接続されるとともにその第二の端子がバッテリの充電端子に接続される。抵抗素子は、その第一の端子がキャパシタの第二の端子に接続される。インダクタンスは、その第一の端子が抵抗素子の第二の端子に接続されるとともにその第二の端子がスイッチング素子の電流出力端子に接続される。リップル電圧検出回路はインダクタンスに発生するリップル電圧を抽出し、これを出力する。第一の積分型エラーアンプは抵抗素子を流れる電流の直流成分とその目標値との偏差を時間積分してなる第一のエラー信号を出力する。第二の積分型エラーアンプは、抵抗素子の第一の端子に出力される電圧の直流成分とその目標値との偏差を時間積分してなる第二のエラー信号を出力する。制御回路は、リップル電圧、第一のエラー信号、及び第二のエラー信号に基づいてスイッチング素子のスイッチング動作をデューティ制御する。

本発明によれば、抵抗素子は、キャパシタの等価直列抵抗と等価な機能を有する。抵抗素子として、フィードバック系の安定動作に必要かつ十分なフィードバック信号を制御回路に供給するための抵抗値を有するものを適用することで、キャパシタとして、等価直列抵抗の小さなものを適用できる。キャパシタの等価直列抵抗を小さくすることで、バッテリに入力されるリップル電圧の発生を抑制し、安定した充電制御を実現できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる定電圧定電流電源１０の回路構成を示す。
定電圧定電流電源１０は、ポータブル電子機器（コンパクトディスクプレイヤ、ミニディスクプレイヤなど）に内蔵されているバッテリＢＡＴ（ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、及びリチウムイオン電池などの二次電池）を定電圧定電流充電するためのものであり、直流電源２０から出力される直流電圧をトランジスタＴｒのスイッチング動作によってパルス電圧に変換し、そのパルス電圧をフィルタ４０によって直流電圧に平滑化しつつ、抵抗素子Ｒ１に生じる電流又は電圧を基にリップル電圧検出回路５０及びエラー増幅器６０のそれぞれによって定電圧定電流充電用のフィードバック信号を生成し、トランジスタＴｒのスイッチング動作におけるデューティ比を制御回路３０によってフィードバック制御している。

直流電源２０は、例えば、商用電源（１００Ｖ交流電源）を交流アダプタ（一般に電源トランスと整流平滑回路とから成る）に通して得られる外部直流電源（３Ｖ〜１０Ｖ程度）である。直流電源２０は、トランジスタＴｒの電流入力端子Ｄに接続されており、直流電源２０から出力される直流電圧は、トランジスタＴｒのスイッチング動作によってパルス電圧に変換される。

フィルタ４０は、パルス電圧に含まれるリップル成分を除去し、パルス電圧を平滑化するためのリップルフィルタであり、ダイオードＤ、インダクタンスＬ、抵抗素子Ｒ１、及びキャパシタＣ１を有する。キャパシタＣ１は、その第一の端子がグランドに接続されるとともに、その第二の端子４６がバッテリＢＡＴの充電端子７０に接続される。抵抗素子Ｒ１は、その第一の端子４５がキャパシタＣ１の第二の端子４６に接続される。インダクタンスＬは、その第一の端子４３が抵抗素子Ｒ１の第二の端子４４に接続されるとともにその第二の端子４２がトランジスタＴｒの電流出力端子Ｓに接続される。ダイオードＤは、その第一の端子（アノード）がグランドに接続されるとともに、その第二の端子（カソード）４１がトランジスタＴｒの電流出力端子Ｓに接続される。

トランジスタＴｒがオン状態のときには、直流電源２０からインダクタンスＬに電流が流れ、その電気エネルギーは磁気エネルギーとしてインダクタンスＬに蓄えられる。インダクタンスＬを流れる電流は、抵抗素子Ｒ１を通過し、そしてキャパシタＣ１によって平滑された後、バッテリＢＡＴに供給される。一方、トランジスタＴｒがオフ状態に遷移すると、ダイオード素子Ｄがオンになり、インダクタンスＬに蓄積されたエネルギーがダイオードＤを通してバッテリＢＡＴに供給される。

尚、トランジスタＴｒとフィルタ４０とは、直流電源２０から出力される直流電圧を降圧するための降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして機能する。

リップル電圧検出回路５０は、インダクタンスＬと抵抗素子Ｒ１との間に分岐接続しており、インダクタンスＬを流れるリップル電圧を抽出し、これをフィードバック信号として制御回路３０に供給する。リップル電圧検出回路５０は、並列接続してなる抵抗素子Ｒ２とキャパシタＣ２とを有する。

エラー増幅回路６０は、抵抗素子Ｒ１を流れる電流の直流成分とその目標値との偏差を時間積分してなるエラー信号を出力する積分型エラーアンプＡＭＰ１と、抵抗素子Ｒ１の第一の端子４５に出力される電圧の直流成分とその目標値との偏差を時間積分してなるエラー信号を出力する積分型エラーアンプＡＭＰ２とを有する。

積分型エラーアンプＡＭＰ１は、抵抗素子Ｒ３，Ｒ４を介して抵抗素子Ｒ１の両端に接続するとともに、抵抗素子Ｒ８を介して制御回路３０に接続している。エラーアンプＡＭＰ１は、抵抗素子Ｒ１に流れる電流の目標値に抵抗素子Ｒ１の抵抗値を乗じてなる目標電圧（定電流基準電圧）Ｖ１を発生させるための定電圧源Ｖ１と、定電圧源Ｖ１にシリーズに接続される抵抗素子Ｒ６，Ｒ７と、エラーアンプＡＭＰ１の非反転端子と出力端子との間に接続されるキャパシタＣ３とを有する。

積分型エラーアンプＡＭＰ２は、抵抗素子Ｒ５，Ｒ１１を介して抵抗素子Ｒ１の第一の端子４５に接続するとともに、抵抗素子Ｒ９，Ｒ１２を介して制御回路３０に接続している。エラーアンプＡＭＰ２は、抵抗素子Ｒ１の第一の端子４５に出力される電圧の目標値に等しい目標電圧（定電圧基準電圧）Ｖ２を発生させるための定電圧源Ｖ２と、定電圧源Ｖ２にシリーズに接続される抵抗素子Ｒ１０と、エラーアンプＡＭＰ２の非反転端子と出力端子との間に接続されるキャパシタＣ４とを有する。

リップル電圧検出回路５０から出力されるフィードバック信号と、エラー増幅器６０から出力されるフィードバック信号は、線形的に加算された上で、制御回路３０に供給される。制御回路３０は、これらのフィードバック信号に基づいてトランジスタＴｒの電流制御端子Ｇに入力されるスイッチング制御信号を生成し、トランジスタＴｒによるスイッチング動作をデューティ制御（又は周波数制御）する。制御回路３０として、例えば、公知のＤＣ／ＤＣコンバータコントローラＩＣを適用できる。

尚、リップル電圧検出回路５０から出力されるフィードバック信号は、バッテリＢＡＴに供給される電流／電圧の交流成分を制御するために利用され、エラー増幅器６０から出力されるフィードバック信号は、バッテリＢＡＴに供給される電流／電圧の直流成分（オフセット値）を制御するために利用される。

本実施形態によれば、抵抗素子Ｒ１は、キャパシタＣ１の等価直列抵抗と等価な機能を有する。抵抗素子Ｒ１として、フィードバック系の安定動作に必要かつ十分なフィードバック信号を制御回路３０に供給するための抵抗値を有するものを適用することで、キャパシタＣ１として、等価直列抵抗の小さなもの（例えばセラミックコンデンサなど）を適用できる。キャパシタＣ１の等価直列抵抗を小さくすることで、バッテリＢＡＴに入力されるリップル電圧の発生を抑制し、安定した充電制御を実現できる。また、定電圧定電流電源１０の小型化にも資することができる。

また、本実施形態によれば、電圧に変換し得る制御対象と目標値（基準電圧）との偏差を時間積分してなるエラー信号をフィードバック信号として制御回路３０に供給するためのエラーアンプＡＭＰ１，ＡＭＰ２を設けているので、電圧に変換し得る任意の物理量（例えば温度など）を制御対象としてフィードバック制御することが可能となり、定電圧定電流電源１０の応用範囲を拡大することができる。

本実施形態に係わる定電圧定電流電源の回路構成図である。

符号の説明

１０…定電圧定電流電源 ２０…直流電源 ３０…制御回路 ４０…フィルタ ５０…リップル電圧検出回路 ６０…エラー増幅器

Claims (1)

1. バッテリを充電するための定電圧定電流電源であって、
   外部直流電源から出力される直流電圧をスイッチングすることによりパルス電圧を出力するスイッチング素子と、
   前記パルス電圧を平滑化するフィルタであって、その第一の端子がグランドに接続されるとともにその第二の端子が前記バッテリの充電端子に接続されるキャパシタと、その第一の端子が前記キャパシタの第二の端子に接続される抵抗素子と、その第一の端子が前記抵抗素子の第二の端子に接続されるとともにその第二の端子が前記スイッチング素子の電流出力端子に接続されるインダクタンスとを有するフィルタと、
   前記インダクタンスに発生するリップル電圧を抽出し、前記リップル電圧を出力するリップル電圧検出回路と、
   前記抵抗素子を流れる電流の直流成分とその目標値との偏差を時間積分してなる第一のエラー信号を出力する第一の積分型エラーアンプと、
   前記抵抗素子の前記第一の端子に出力される電圧の直流成分とその目標値との偏差を時間積分してなる第二のエラー信号を出力する第二の積分型エラーアンプと、
   前記リップル電圧、前記第一のエラー信号、及び前記第二のエラー信号に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング動作をデューティ制御する制御回路と、
   を備える定電圧定電流電源。

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