JPH04197075A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、帰還制御型の電源装置に関する。

［従来の技術］ 従来のアナログスイッチング制御型の電源装置としては
、例えば総合電子出版社「高速スイッチングレギュレー
タ；清水和男著」に開示されているが、近年では第４図
に示すようなディジタル制御型の電源装置が知られてい
る。

第４図において、直流電圧源１の出力電圧ｖ１．。

は、トランジスタ等のスイッチ２によりスイッチングさ
れて矩形波となり、この矩形波はロウパスフィルタ（Ｌ
ＰＦ）３により平滑化されて直流電圧となる。この直流
電圧が負荷４の電源電圧となる。すなわち、直流電圧源
１の出力電圧Ｖｌ）Ｉは、スイッチ２とＬＰＦ３により
降下され、所望値の電源電圧として負荷４に印加される
。

この場合、ＬＰＦ３から出力される直流電圧は、また、
Ａ／Ｄ変換器５によりディジタルデータに変換されて比
較！８の一方の入力端子に印加される。他方、制御端子
７からは負荷に印加される電源電圧の値を指定する目標
直流電圧が供給され、この目標直流電圧は、Ａ／Ｄ変換
器６によりディジタルデータに変換されて比較器８の他
方の入力端子に印加される。比較器８はこれら直流電圧
の差を演算して差信号を出力する。

パルス幅変調（ＰＷＭ）回路９は、比較器８から出力さ
れる差信号により、ＬＰＦ３から出力される直流電圧と
制御端子７から入力される目標直流電圧との差に比例し
た幅のパルスを出力し、このパルス幅に応してスイッチ
２をオン、オフする。

したがって、上記回路は負帰還ループを構成しており、
ＬＰＦ３の出力電圧と制御端子７からの入力電圧が一致
した状態で安定し、負荷４に所望の値の直流電圧が印加
される。

［発明が解決しようとるす課題］ しかしながら、上記従来の電源装置においては、比較器
８の出力はディジタルデータであって、ＰＷＭ回路９か
ら出力されるスイッチングパルスのパルス幅はこのディ
ジタルデータに応したものであるから、このディジタル
データのビット数をＮとすると、ＬＰＦ３の出力電圧の
最小変化率すなわち負荷４に印加される電源電圧の量子
化誤差はＶ、、／２Ｎとなる。したがって、この量子化
誤差を減少させるためには、ＰＷＭ回路９が扱うディジ
タルデータのビット数を増加する方法しかなく、回路規
模が増大するという間原点がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、回路規
模が増大することなく負荷に印加する電源電圧の量子化
誤差を減少することができるようにした電源装置を提供
することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、直流電圧源の出
力直流電圧の電圧値までを複数に区分して複数の電圧範
囲が予め設定され、負荷に印加する電源電圧の目標値が
属する電圧範囲を検出し。

検出した電圧範囲の下限電圧に対応する時間所定の周期
でスイッチをオンにする制御部と、平滑化回路で生成さ
れて負荷に印加される前記電源電圧と前記目標値との差
を算出し、前記制御部が前記スイッチをオフにする期間
、前記差に応じた時間所定の周期で一前記スイッチをオ
ンにする駆動回路を設ける。

［作用コ 本発明によると、上記構成により、負荷に印加される電
源電圧は、一方では、制御部により、負荷に印加する電
源電圧の目標値が属する電圧範囲の下限電圧値になるよ
うに制御され、他方、駆動回路により、この目標電圧と
下限電圧値に制御されたこの電源電圧との差がなくなる
ように制御されるわ したがって、駆動回路は直流電圧源の出力直流電圧の電
圧値より狭い電圧範囲で上記電源電圧を制御することが
できるので、駆動回路でのビット数を増加することなく
負荷に印加する電源電圧の量子化誤差を減少させること
ができる。

［実施例コ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明による電源装置の一実施例を示す回路図
、第２図（ａ）は第１図の電源装置の分圧を示す説明図
、第２図（ｂ）は第１図のスイッチの印加電圧を示す波
形図、第３図は第１図の制御部の動作を説明するための
フローチャートである。

第１図において、直流電圧源１１の子端子（電圧Ｖ　Ｉ
　Ｎ　）は、抵抗１２の一端と、ｐｎｐトランジスタ１
３のエミッタとｎｐｎトランジスタ１４のコレクタに接
続されている。抵抗１２の他端はトランジスタ１３のベ
ースに接続され、トランジスタ１３のコレクタはトラン
ジスタ１４のベースに接続されている。したがって、こ
れら抵抗１２とトランジスタ１３．１４はトランジスタ
１３のベース電圧に応じて直流電圧源１１の出力電圧Ｖ
ＩＮをオン、オフするスイッチ（１２〜１４）を構成し
ている。

このスイッチ（１２〜１４）のトランジスタ１４のエミ
ッタは、ダイオード１５のカソードとコイル１６の一旦
に接続され、ダイオード１５の他端は接地されている。

コイル１６の他端はコンデンサ１７と負荷１８のそれぞ
れの一端に接続され、コンデンサ１７と負荷１８の他端
は共に接地されている。したがって、コイル１６とコン
デンサ１７は、トランジスタ１４のエミッタ電圧を平滑
化して電圧Ｖ。１、を出力する平滑回路（１６，１７）
を構成している。

コイル１６の他端（出力電圧Ｖ。５、）はまたＡ／Ｄ変
換器１９の入力端子に接続され、Ａ／Ｄ変換器１９の出
力端子は比較器２０の一方の入力端子に接続されている
。制御端子２１からは負荷１８に印加される電源電圧■
。５、の値を指定する目標直流電圧Ｖ、が入力され、こ
の目標直流電圧■、は、Ａ／Ｄ変換器２２でディジタル
データに変換されて比較器２０の他方の入力端子と制御
部２３に印加される。

パルス幅変調（ＰＷＭ）回路２４は、比較器２０の出力
信号により、平滑回路（１６，１７）から出力される直
流電圧Ｖ。。、と制御端子２１に入力した直流電圧■、
の差に比例した幅のパルスを出力し、ベース抵抗２５を
介してｎｐｎトランジスタ２６のベースに印加する。ま
た、制御部２３には、後述するように、電圧０から直流
電圧源１１の直流電圧ＶＡＮまでの範囲を等分した複数
の電圧範囲が予め設定されており、この制御部２３は目
標電圧■、かどの電圧範囲に属するかを検出し、検出し
た電圧範囲の下限電圧に対応する幅のパルスを出力し、
ベース抵抗２７を介してｎｐｎトランジスタ２８のベー
スに印加する。

トランジスタ２６．２８のコレクタは共にスイッチ（１
２〜１４）を構成するトランジスタ１３のベースに接続
され、エミッタは共に接地されている。したがって、ト
ランジスタ２６．２８のいずれか一方がオンになると、
スイッチ（１２〜１４）がオフになり、トランジスタ２
６．２８の双方がオフになると、スイッチ（１２〜１４
）がオンになる。

このようにして、帰還ループが構成され、スイッチ（１
２〜１４）がオンのときには、図示実線で示すように、
直流電圧源１１の出力電圧ＶＩＨによってスイッチ（１
２〜１４）、平滑回路（１６゜１７）を介して電流が流
れ、また、スイッチ（１２〜１４）がオフのときには、
コイル１６に蓄積されたエネルギーにより、図示破線で
示すように、ダイオード１５、コイル１６を介して電流
が流れ、これにより、電圧■。４．が生じて負荷１８に
印加される。

ここで、例えば第２図（ａ）に示すように、電圧領から
直流電圧源１１の出力電圧ＶＩＮの値までの範囲をＶ、
、Ｖ、、Ｖ。（但し、ｖ　ｒｓ＞　ｖ　、＞　ｖ　、＞
ｖ６〉ｏ）で４等分し、負荷１８の電源電圧すなわち平
滑回路（１６，１７）の出力電圧Ｖ。５、を電圧範囲Ｖ
、〜Ｖ、の範囲で制御する場合について説明する。

一般に、入力電圧ｖｉをオン、オフスイッチングし、こ
のスイッチの出力を平滑回路で平滑して直流電圧■。を
得る場合、このスイッチのオン、オフの周期をＴ、オン
期間の時間長をＴ。Ｎとすると、 である。

第２図（ｂ）はＰＷＭ回路２４と制御部２３とによるス
イッチ（１２〜１４）のスイッチパルスの波形を示して
おり、この波形のＩＩＬＩ＋　　（低レベル）でスイッ
チ（１２〜１４）はオンし、ｔｒ　ＨＩ＋（高レベル）
でオフする。したがって、この波形の１１　Ｌ　Ｐ＋期
間の幅がスイッチングパルスのパルス幅である。

いま、負荷１８に印加する電源電圧■。。、を、第２図
（ａ）に示すように、電圧範囲Ｖ、〜■、内の所定値に
設定するものとする。制御部２３は、Ａ／Ｄ変換器２２
の出力データにより、目標直流電圧Ｖ、がこの電圧範囲
■、〜■、内にあることを検出し、この電圧範囲■、〜
■、の下限値Ｖ、に対応したパルス＠Ｔｂのパルスを発
生する。このパルスの周期はＴである。そこで、上記式
（１）におイテ、Ｖ、をｖｂ、　Ｔｏ）ｌをＴ、、Ｖ、
をＶＩＮとすると、 　ｒ　Ｎ により、パルス幅Ｔｂが求められ、上記のように、制御
部２３は周期Ｔ、パルス＠Ｔｂのパルスを発生してトラ
ンジスタ２８のベースに供給する。

かかるパルスによるスイッチ（１２〜１４）のオン、オ
フ動作は、電圧■。５ｔを電圧値Ｖ、に定めるものであ
る。

一方、比較器２０は電圧Ｖ。５．と電圧範囲Ｖ、〜Ｖ、
内の目標直流電圧■、との差を検出するが、この電圧Ｖ
　ｅ　ｕ　ｔは制御部２３によって、上記のように、電
圧範囲Ｖ、〜Ｖｂの下限値■、に定められるように制御
されるから、比較器２０はこの下限値Ｖ、と目標直流電
圧Ｖ、との差を検出する。この差に応じたパルス幅のＰ
ＷＭ信号をＰＷＭ回路２４が発生し、トランジスタ２６
のベースに供給する。

このＰＷＭ（ｉ号によるスイッチ（１２〜１４）のオン
、オフ動作は、制御部２３からのパルスのＨ′″となる
（Ｔ　　’ｒｂ）期間行なわれる。

ここで、ＰＷＭ信号の周期をＴ、　、　　１Ｌ　Ｌ　Ｐ
＋の時間長をＴ　ｐｗＭとし、上記式（１）において、
ｖｏを（Ｖ、　　Ｖ、、＝）、ＴＯＮをＴｐｗＭ＋Ｔを
Ｔｐ−ＶｔをＶ　、）＋とすると、 　Ｉ　Ｎ により、パルス幅Ｔ　ＰＷＭが求められるが、上記のよ
うに、電圧■。５ｔは制御部２３によって電圧値Ｖ、に
制御されるから、式（３）における電圧■。。。

は、比較器２０によるＰＷＭ回路２４の制御により、電
圧値■、から目標電圧Ｖ、に等しくなっていく。

すなわち、スイッチ（１２〜１４）、比較器２０゜ＰＷ
Ｍ回路２４からなる負帰還ループは、電圧Ｖ。。、を電
圧範囲Ｖ、〜Ｖ、内で制御する。

したがって、比較器２０からのディジタルデータのビッ
ト数をＮとすると、ＰＷＭ回路２４による電源電圧Ｖ。

、、の量子化誤差は（Ｖ、−Ｖ、）／２Ｎとなり、従来
の電圧範囲ＶＩＮ〜０で制御する場合に比べ、ビット数
Ｎを等しいとすると、（■。

Ｖｂ）／ＶｒＮ倍に低減されることになる。

以上のことは、電圧範囲Ｖｌ）Ｉ〜Ｖ　、　、　Ｖ　ｂ
〜■。。

■。〜Ｏについても同様である。

次に、第３図を参照して上記実施例の動作、特に制御部
２３の動作を説明する。

制御部２３は例えばマイクロコンピュータにより構成さ
れ、予め直流電圧源１１の電圧ｖｌＮを４等分した電圧
値Ｖ、、Ｖ、、Ｖ。と、制御周期Ｔ及び電圧範囲Ｖ、、
、〜Ｖ、、Ｖ、〜Ｖ　ｂ　、　Ｖ　ｂ〜Ｖ。、■。

〜Ｏにそれぞれ対応する時間間隔Ｔ　ａＴ　Ｔｂｌ　Ｔ
、、。

Ｔ。が設定されている。

ステップ３１において、負荷１８の目標直流電圧Ｖ、が
制御端子２１．Ａ／Ｄ変換器２２を介して入力されると
、続くステップ３２において、Ｖ、＞Ｖ、か否かを判定
し、Ｖ、）Ｖ、の場合にステップ３３に進んでパルス幅
をＴ、に設定し、トランジスタ２８をこのパルスＩＩＩ
！Ｔ、の間にオフにし、残りの時間（Ｔ−Ｔ、）の間オ
ンにする。

また、Ｖ、＞Ｖ、＞Ｖ、の場合（ステップ３４）には、
ステップ３５に進んでパルス幅をＴ、に設定し、トラン
ジスタ２７をこのパルス幅Ｔ、の間オフにし、残りの時
間（Ｔ−’ｒ、）の間オンにする。

同様に、Ｖ、＞Ｖ、＞Ｖ。の場合（ステップ３６）には
、ステップ３７に進んでパルス幅をＴｏに設定し、トラ
ンジスタ２７をこのパルスＩＩＩＴ、の間オフにし、残
りの時間（Ｔ−Ｔｅ）の間オンにし、また、Ｖ、、＞Ｖ
、の場合（ステップ３６）には、ステップ３８に進んで
パルス幅をＴ。に設定し、トランジスタ２７を常にオン
にする。

したがって、上記実施例によれば、４等分の電圧範囲Ｖ
　Ｉｘ−Ｖ　、　、　Ｖ、−Ｖｂ　、　Ｖ　＋、−Ｖ　
、　、　Ｖ　、〜０を設定した場合、ＰＷＭ回路２４は
、負荷１８の設定電圧■、が属する電圧範囲Ｖ、Ｎ−Ｖ
、、Ｖ、〜Ｖ　ｂ　、　Ｖ　ｂ〜Ｖ。、■。〜Ｏの上限
値と下限値の間で制御するので、従来例と同一のビット
数のＰＷＭ回路２４を用いた場合に比べ、量子化誤差を
１／４に減少させることができる。

また、直流電圧源１１の出力電圧ＶＩＮの電圧値までの
区分数は制御部２３にプログラム可能であるので、直流
電圧源１１の電圧Ｖｌ）ｌまでの範囲を更に細かく区分
することにより量子化誤差を更に減少させることができ
る。

尚、上記実施例では、ＰＷＭ回路２４によりスイッチ（
１２〜１４）をパルス駆動するようにしたが、他のパル
ス変調信号で駆動してもよいことは勿論である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によると、予め直流電圧源
の直流電圧までの電圧範囲を等分して複数の電圧範囲を
設定するので、負−荷に設定すべき目標電圧が属する電
圧範囲の下限電圧は制御部により制御され、他方、該目
標電圧と該下限電圧との間の電圧差がパルス朴動回路に
より制御されることになり、したがって、パルス駆動回
路は直流電圧源の直流電圧より狭い電圧範囲で制御する
ことができるので、パルス駆動回路でのビット数を増加
することなく負荷に対する電源電圧の量子化誤差を減少
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電源装置の一実施例を示す回路図
、第２図（ａ）は第１図における制御部とＰＷＭ回路の
動作を示す説明図、第２図（ｂ）は第１図におけるスイ
ッチの駆動電圧を示す波形図、第３図は第１図の制御部
の動作を説明するためのフローチャート、第４図は従来
の電源装置を示す回路図である。 １１・・・・・直流電圧源、１３，１４，２６．２８・
・トランジスタ、１５・・・・・・ダイオード、１６・
・・コイル、１７・・・・・コンデンサ、１８・・・・
負荷、１９．２２・・・・Ａ／Ｄ変換器、２ｏ・・・・
・比較器、２１・・・・・制御端子、２３・・・・制御
部、２４・・・・パルス幅変調（ＰＷＭ）回路。 第１図 第２図 ＩＮ 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直流電圧源と、 前記直流電圧源の出力直流電圧をオン、オフするスイッ
   チと、 前記スイッチの出力電圧を平滑化し、負荷の電源電圧と
   なる直流電圧を生成する平滑化回路と、 前記直流電圧源の出力直流電圧の電圧値までを複数に区
   分して複数の電圧範囲が予め設定されており、負荷に印
   加する前記電源電圧の目標値が属する電圧範囲を検出し
   、検出した電圧範囲の下限電圧に対応する時間所定の周
   期でスイッチをオンにする制御部と、 前記平滑化回路で生成される前記直流電圧と前記目標値
   との差を算出し、前記制御部が前記スイッチをオフにす
   る期間、前記差に応じた時間所定の周期で前記スイッチ
   をオンにする駆動回路を設けたことを特徴とする電源装
   置。 ２、請求項１において、 前記駆動回路はパルス幅変調回路であることを特徴とす
   る電源装置。