JPH0819250A - 電源装置 - Google Patents
電源装置Info
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- JPH0819250A JPH0819250A JP14498894A JP14498894A JPH0819250A JP H0819250 A JPH0819250 A JP H0819250A JP 14498894 A JP14498894 A JP 14498894A JP 14498894 A JP14498894 A JP 14498894A JP H0819250 A JPH0819250 A JP H0819250A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高効率で動作する電源装置の提供。
【構成】 基準電圧に応じて必要なパルスを発生するパ
ルス制御回路4、パルス制御回路が発生したパルスに従
ってスイッチング動作するスイッチ素子群2、出力電圧
に応じてスイッチ素子を選択するスイッチ素子選択回路
7、スイッチ素子のスイッチング動作によって得られた
パルス電圧を平滑して所望の出力電圧を生成する平滑回
路3を有し、出力電圧、電流又は電力に応じて損失が最
小となるスイッチ素子を組合せて選択動作させる。
ルス制御回路4、パルス制御回路が発生したパルスに従
ってスイッチング動作するスイッチ素子群2、出力電圧
に応じてスイッチ素子を選択するスイッチ素子選択回路
7、スイッチ素子のスイッチング動作によって得られた
パルス電圧を平滑して所望の出力電圧を生成する平滑回
路3を有し、出力電圧、電流又は電力に応じて損失が最
小となるスイッチ素子を組合せて選択動作させる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は電源装置、特にスイッ
チ素子のスイッチング動作によって入力電圧をチョッピ
ングして所望の出力電圧を生成する電源装置(通常スイ
ッチング電源と呼ばれる電源装置)に関するものであ
る。
チ素子のスイッチング動作によって入力電圧をチョッピ
ングして所望の出力電圧を生成する電源装置(通常スイ
ッチング電源と呼ばれる電源装置)に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】バッテリ等の直流電圧から異なる出力電
圧を生成する電源装置として従来一般的なものに、スイ
ッチング電源と呼ばれる電源装置がある。この電源装置
は、トランジスタなどのスイッチ素子を高速にオン、オ
フさせ、一定の時間比率で入力電圧を出力端子に出力す
ること(いわゆるチョッピング)によって、必要な電圧
を生成するもので、簡単な構成の割に高効率な動作が得
られるため、バッテリ駆動の携帯機器や低消費電力を目
指す機器に広く使用されている。ここで効率とは次式に
従って定義される。
圧を生成する電源装置として従来一般的なものに、スイ
ッチング電源と呼ばれる電源装置がある。この電源装置
は、トランジスタなどのスイッチ素子を高速にオン、オ
フさせ、一定の時間比率で入力電圧を出力端子に出力す
ること(いわゆるチョッピング)によって、必要な電圧
を生成するもので、簡単な構成の割に高効率な動作が得
られるため、バッテリ駆動の携帯機器や低消費電力を目
指す機器に広く使用されている。ここで効率とは次式に
従って定義される。
【0003】 効率=(電源装置から負荷への供給電力)/(バッテリ
等から電源装置への供給電力) こうした電源装置の動作原理を、図を用いて説明する。
等から電源装置への供給電力) こうした電源装置の動作原理を、図を用いて説明する。
【0004】図11は従来の電源装置のうち、降圧形の
スイッチング電源の基本回路構成図である。図11にお
いて、直流電源1は電源装置の出力を生成するためのソ
ースであり、チョッピングの対象である。この直流電源
1は、Pチャネル電界効果トランジスタであるスイッチ
素子群2のソースに接続されている。パルス制御回路4
は、基準電圧Vrの大きさに応じたパルス幅のパルスを
発生する。パルス制御回路4の出力端子はドライバ5に
接続される。ドライバ5の出力はスイッチ素子群2のゲ
ートに接続され、パルス制御回路4から入力されたパル
スに従ってスイッチ素子群2をオン・オフし、直流電源
1の電圧をチョッピングする。従って、スイッチ素子群
2によってチョッピングされたパルス電圧は、スイッチ
素子群2の出力側であるドレインに現れる。このドレイ
ンは、ダイオード31、インダクタンス素子32、コン
デンサ33を有する平滑回路3に接続され、これらの回
路素子によって平滑された電圧が平滑回路3の出力端子
から目的の電圧値で出力される。
スイッチング電源の基本回路構成図である。図11にお
いて、直流電源1は電源装置の出力を生成するためのソ
ースであり、チョッピングの対象である。この直流電源
1は、Pチャネル電界効果トランジスタであるスイッチ
素子群2のソースに接続されている。パルス制御回路4
は、基準電圧Vrの大きさに応じたパルス幅のパルスを
発生する。パルス制御回路4の出力端子はドライバ5に
接続される。ドライバ5の出力はスイッチ素子群2のゲ
ートに接続され、パルス制御回路4から入力されたパル
スに従ってスイッチ素子群2をオン・オフし、直流電源
1の電圧をチョッピングする。従って、スイッチ素子群
2によってチョッピングされたパルス電圧は、スイッチ
素子群2の出力側であるドレインに現れる。このドレイ
ンは、ダイオード31、インダクタンス素子32、コン
デンサ33を有する平滑回路3に接続され、これらの回
路素子によって平滑された電圧が平滑回路3の出力端子
から目的の電圧値で出力される。
【0005】つぎに、図11の構成におけるチョッピン
グ動作と出力電圧Voutの調整の様子を、図12に示
すチョッピング動作の波形図によって説明する。
グ動作と出力電圧Voutの調整の様子を、図12に示
すチョッピング動作の波形図によって説明する。
【0006】図12において、 (a):パルス制御回路4の出力パルスの波形 (b):ドライバ5の出力波形 (c):直流電源1の電圧Vinをチョッピングして得
られたパルス電圧の波形、および平滑後の出力電圧Vo
utの波形 である。
られたパルス電圧の波形、および平滑後の出力電圧Vo
utの波形 である。
【0007】パルス制御回路4は、スイッチ素子群2の
オン期間をton、オフ期間をtoff、オン・オフの
周期をts(=ton+toff)とするパルスを出力
する。このとき、tsに対するtonの比率Dは基準電
圧Vrと直流電源1の電圧Vinから、次のように決め
られるものとする。
オン期間をton、オフ期間をtoff、オン・オフの
周期をts(=ton+toff)とするパルスを出力
する。このとき、tsに対するtonの比率Dは基準電
圧Vrと直流電源1の電圧Vinから、次のように決め
られるものとする。
【0008】ton/ts≡D=Vr/Vin すると出力電圧Voutと直流電源1の電圧Vinとの
関係は次式で示され、 Vout=(ton/ts)×Vin =D×Vin =Vr となる。すなわちパルス制御回路4は基準電圧Vrに応
じたDのパルスを発生して、出力電圧Voutを調整す
る。
関係は次式で示され、 Vout=(ton/ts)×Vin =D×Vin =Vr となる。すなわちパルス制御回路4は基準電圧Vrに応
じたDのパルスを発生して、出力電圧Voutを調整す
る。
【0009】また、図13のように基準電圧Vrが時間
とともに変動する場合には、基準電圧Vrが大きくなる
とDも大きくなり、Vrが小さくなるとDも小さくなる
ため、基準電圧Vrの変動に応じて出力電圧Voutが
変動する、出力可変の電源装置として動作する。
とともに変動する場合には、基準電圧Vrが大きくなる
とDも大きくなり、Vrが小さくなるとDも小さくなる
ため、基準電圧Vrの変動に応じて出力電圧Voutが
変動する、出力可変の電源装置として動作する。
【0010】出力電圧Voutを基準電圧Vrにより良
く一致させるためにフィードバックを追加する場合もあ
る。その構成を図14に示す。
く一致させるためにフィードバックを追加する場合もあ
る。その構成を図14に示す。
【0011】出力電圧Voutは、まず誤差電圧増幅回
路6に入力される。この誤差電圧増幅回路6は、出力電
圧Voutの精度を改善するための補助回路で、基準電
圧Vrと出力電圧Voutの差を次式に従って増幅し、
基準電圧Vrから補正された基準電圧Vr´を生成す
る。
路6に入力される。この誤差電圧増幅回路6は、出力電
圧Voutの精度を改善するための補助回路で、基準電
圧Vrと出力電圧Voutの差を次式に従って増幅し、
基準電圧Vrから補正された基準電圧Vr´を生成す
る。
【0012】 Vr´=Vr+G(Vr−Vout) (1) G:誤差電圧増幅器のゲイン このため出力電圧Voutと基準電圧Vrの大小に従っ
て、補正基準電圧Vr’と基準電圧Vrの関係も次式の
ように定まる。
て、補正基準電圧Vr’と基準電圧Vrの関係も次式の
ように定まる。
【0013】 Vr>Vout なら Vr’>Vr (2) Vr=Vout なら Vr’=Vr (3) Vr<Vout なら Vr’<Vr (4) ここで増幅の効果により、出力電圧Voutと基準電圧
Vrの差が微妙であっても、補正基準電圧Vr’の基準
電圧Vrに対する変動量は増幅され、次に述べるパルス
制御回路4が感度よく反応することになる。
Vrの差が微妙であっても、補正基準電圧Vr’の基準
電圧Vrに対する変動量は増幅され、次に述べるパルス
制御回路4が感度よく反応することになる。
【0014】こうして得られた補正基準電圧Vr’は、
パルス制御回路4へと入力される。このパルス制御回路
4は、補正基準電圧Vr’が大きいほど出力パルスがオ
ンである時間の比率を増加させ、逆の場合はオン比率を
減少させるものである。そのため、現在の出力電圧Vo
utが基準電圧Vrより低ければ補正基準電圧Vr’が
(1)式に従って増加し、オン比率が増加する。一方、
現在の出力電圧Voutが基準電圧Vrより高ければ補
正基準電圧Vr’が減少し、オン比率が減少することに
なる。
パルス制御回路4へと入力される。このパルス制御回路
4は、補正基準電圧Vr’が大きいほど出力パルスがオ
ンである時間の比率を増加させ、逆の場合はオン比率を
減少させるものである。そのため、現在の出力電圧Vo
utが基準電圧Vrより低ければ補正基準電圧Vr’が
(1)式に従って増加し、オン比率が増加する。一方、
現在の出力電圧Voutが基準電圧Vrより高ければ補
正基準電圧Vr’が減少し、オン比率が減少することに
なる。
【0015】こうして発生したパルス制御回路4の出力
パルスは、スイッチ素子群2を制御するドライバ5に入
力される。ドライバ5の出力はスイッチ素子群2のゲー
トに接続されている。ここでパルス制御回路4の出力パ
ルスがハイならばドライバ5がスイッチ素子群2がオン
し、ローならばオフする。この結果、スイッチ素子群2
による直流電源1のチョッピングが可能となる。この
際、前記した誤差電圧増幅回路6およびパルス制御回路
4の動作によって、出力電圧Voutを上昇させるべき
ときにはスイッチ素子群2のオンの比率が増加し、下降
させるべきときにはスイッチ素子群2のオンの比率が減
少するため、上昇と下降の均衡する点で所望の電圧が得
られる。
パルスは、スイッチ素子群2を制御するドライバ5に入
力される。ドライバ5の出力はスイッチ素子群2のゲー
トに接続されている。ここでパルス制御回路4の出力パ
ルスがハイならばドライバ5がスイッチ素子群2がオン
し、ローならばオフする。この結果、スイッチ素子群2
による直流電源1のチョッピングが可能となる。この
際、前記した誤差電圧増幅回路6およびパルス制御回路
4の動作によって、出力電圧Voutを上昇させるべき
ときにはスイッチ素子群2のオンの比率が増加し、下降
させるべきときにはスイッチ素子群2のオンの比率が減
少するため、上昇と下降の均衡する点で所望の電圧が得
られる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】以上の原理によれば、
所望の出力電圧が得られるものの、電源装置の効率とい
う点からは考察を要する点がある。すなわち、スイッチ
素子には寄生抵抗として必ずオン抵抗が存在するため、
このオン抵抗による定常的な電力消費(損失)が生じる
点である。電源装置の組み込まれる本体装置が電池動作
をするような場合、こうした定常的損失は最小限に抑え
る必要がある。近年、電源装置の効率改善手段として、
スイッチ素子のオン抵抗低減による定常的損失の改善が
進んでいるものの、この場合、スイッチ素子が大型化す
る傾向にある。大型化によってオン抵抗は減るが、この
とき入力容量等の寄生容量が増加し、スイッチ素子の応
答時間が長くなる結果、スイッチのオン・オフ遷移中に
スイッチ素子自身で大きなスイッチング損失(過渡的損
失)が発生する。これら2つの損失の関係を図15によ
って説明する。
所望の出力電圧が得られるものの、電源装置の効率とい
う点からは考察を要する点がある。すなわち、スイッチ
素子には寄生抵抗として必ずオン抵抗が存在するため、
このオン抵抗による定常的な電力消費(損失)が生じる
点である。電源装置の組み込まれる本体装置が電池動作
をするような場合、こうした定常的損失は最小限に抑え
る必要がある。近年、電源装置の効率改善手段として、
スイッチ素子のオン抵抗低減による定常的損失の改善が
進んでいるものの、この場合、スイッチ素子が大型化す
る傾向にある。大型化によってオン抵抗は減るが、この
とき入力容量等の寄生容量が増加し、スイッチ素子の応
答時間が長くなる結果、スイッチのオン・オフ遷移中に
スイッチ素子自身で大きなスイッチング損失(過渡的損
失)が発生する。これら2つの損失の関係を図15によ
って説明する。
【0017】図15は、スイッチ素子によってチョッピ
ングされた電源の電圧波形を示している。理想的なスイ
ッチ素子においては電圧の上昇、下降が図15(a)の
ように矩形になるが、実際は図15(b)のように波形
の遷移期間tdr,tdfが発生する。オン抵抗が小さ
い(つまり、一般に大型で寄生容量が大きい)スイッチ
素子ほど、期間tdr,tdfは延びる。図15(c)
は、(b)よりオン抵抗が小さいスイッチ素子の場合
で、寄生容量の増加に伴い、さらに遷移時間が延びるこ
とを示している。この期間tdr,tdfではスイッチ
素子自身で大きな損失が生じるため、オン期間tonに
対してtdr,tdfの割合が増加するに従い、スイッ
チング損失の割合は増加する。従って、パルスのオン期
間が小さく出力電圧が低いほど、また高周波でスイッチ
ングするほどスイッチング損失が顕著になる。
ングされた電源の電圧波形を示している。理想的なスイ
ッチ素子においては電圧の上昇、下降が図15(a)の
ように矩形になるが、実際は図15(b)のように波形
の遷移期間tdr,tdfが発生する。オン抵抗が小さ
い(つまり、一般に大型で寄生容量が大きい)スイッチ
素子ほど、期間tdr,tdfは延びる。図15(c)
は、(b)よりオン抵抗が小さいスイッチ素子の場合
で、寄生容量の増加に伴い、さらに遷移時間が延びるこ
とを示している。この期間tdr,tdfではスイッチ
素子自身で大きな損失が生じるため、オン期間tonに
対してtdr,tdfの割合が増加するに従い、スイッ
チング損失の割合は増加する。従って、パルスのオン期
間が小さく出力電圧が低いほど、また高周波でスイッチ
ングするほどスイッチング損失が顕著になる。
【0018】ここで仮に、時間的に変動する基準電圧V
rに追従した出力電圧Voutを得ることができる出力
可変型の電源装置を考える。このような電源装置におい
て、仕様として要求される最大出力電圧、電流又は電力
(以降、最大出力電圧等という)を効率よく得ようとす
ると、スイッチ素子のオン抵抗が小さい、すなわち比較
的大型のスイッチ素子が必要とされる。しかしこのよう
なスイッチ素子は、上記に示したスイッチング損失によ
り出力電圧、電流又は電力(以降、出力電圧等という)
の小さな場合に効率が極端に低下する。この対策とし
て、スイッチ素子の小型化によるスイッチング損失の低
減が考えられる。しかしこの場合、出力電圧等が小さい
場合の効率は改善されるが、大きい場合には、オン抵抗
による損失が増大し、効率が低下する。
rに追従した出力電圧Voutを得ることができる出力
可変型の電源装置を考える。このような電源装置におい
て、仕様として要求される最大出力電圧、電流又は電力
(以降、最大出力電圧等という)を効率よく得ようとす
ると、スイッチ素子のオン抵抗が小さい、すなわち比較
的大型のスイッチ素子が必要とされる。しかしこのよう
なスイッチ素子は、上記に示したスイッチング損失によ
り出力電圧、電流又は電力(以降、出力電圧等という)
の小さな場合に効率が極端に低下する。この対策とし
て、スイッチ素子の小型化によるスイッチング損失の低
減が考えられる。しかしこの場合、出力電圧等が小さい
場合の効率は改善されるが、大きい場合には、オン抵抗
による損失が増大し、効率が低下する。
【0019】この発明は上記の課題を解決するためにな
されたもので、設定される基準電圧を可変としつつ、出
力電圧等が低域から高域に至るまで高効率に動作する電
源装置を提供することを目的とする。
されたもので、設定される基準電圧を可変としつつ、出
力電圧等が低域から高域に至るまで高効率に動作する電
源装置を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の電源装置は、基準電圧に応じて必要な幅のパ
ルスを発生するパルス制御回路と、パルス制御回路の発
生するパルスに従ってスイッチング動作し、入力電圧を
チョッピングしてパルス電圧を生成する複数のスイッチ
素子を含むスイッチ素子群と、出力すべき電圧、電流又
は電力に応じてスイッチ素子群から動作すべきスイッチ
素子を選択するスイッチ素子選択回路と、スイッチ素子
選択回路が選択したスイッチ素子によって生成されたパ
ルス電圧を平滑し、所望の出力電圧を生成する平滑回路
と、を備えるものである。
に本発明の電源装置は、基準電圧に応じて必要な幅のパ
ルスを発生するパルス制御回路と、パルス制御回路の発
生するパルスに従ってスイッチング動作し、入力電圧を
チョッピングしてパルス電圧を生成する複数のスイッチ
素子を含むスイッチ素子群と、出力すべき電圧、電流又
は電力に応じてスイッチ素子群から動作すべきスイッチ
素子を選択するスイッチ素子選択回路と、スイッチ素子
選択回路が選択したスイッチ素子によって生成されたパ
ルス電圧を平滑し、所望の出力電圧を生成する平滑回路
と、を備えるものである。
【0021】また本発明の電源装置におけるスイッチ素
子選択回路は、出力すべき電圧、電流又は電力に応じ
て、前記スイッチ素子群から異なる個数のスイッチ素子
を選択することを特徴とするものである。
子選択回路は、出力すべき電圧、電流又は電力に応じ
て、前記スイッチ素子群から異なる個数のスイッチ素子
を選択することを特徴とするものである。
【0022】さらに本発明の電源装置は、スイッチ素子
群が特性の異なるスイッチ素子を含み、かつスイッチ素
子選択回路が、出力すべき電圧、電流又は電力に応じて
スイッチ素子群から特性の異なるスイッチ素子を選択す
ることを特徴とする。
群が特性の異なるスイッチ素子を含み、かつスイッチ素
子選択回路が、出力すべき電圧、電流又は電力に応じて
スイッチ素子群から特性の異なるスイッチ素子を選択す
ることを特徴とする。
【0023】
【作用】上記構成による本発明によれば、パルス制御回
路が基準電圧に応じて必要な幅のパルスを発生し、その
パルスに従ってスイッチ素子がスイッチング動作し、入
力電圧がチョッピングされる。こうしてパルス電圧が生
成され、このパルス電圧が平滑回路によって所望の電圧
値に平滑される。この際、スイッチ素子群に含まれる複
数のスイッチ素子から、出力電圧等に応じてスイッチ素
子選択回路が最適のスイッチ素子を選択するため、基準
電圧が変化した場合であっても高い電源効率を保つこと
ができる。
路が基準電圧に応じて必要な幅のパルスを発生し、その
パルスに従ってスイッチ素子がスイッチング動作し、入
力電圧がチョッピングされる。こうしてパルス電圧が生
成され、このパルス電圧が平滑回路によって所望の電圧
値に平滑される。この際、スイッチ素子群に含まれる複
数のスイッチ素子から、出力電圧等に応じてスイッチ素
子選択回路が最適のスイッチ素子を選択するため、基準
電圧が変化した場合であっても高い電源効率を保つこと
ができる。
【0024】また本発明の電源装置におけるスイッチ素
子選択回路は、出力電圧等に応じてスイッチ素子群から
異なる個数のスイッチ素子を選択するため、出力電圧等
が大きい場合は多数のスイッチ素子を、小さい場合は小
数のスイッチ素子を動作させることができ、高い電源効
率を維持することができる。
子選択回路は、出力電圧等に応じてスイッチ素子群から
異なる個数のスイッチ素子を選択するため、出力電圧等
が大きい場合は多数のスイッチ素子を、小さい場合は小
数のスイッチ素子を動作させることができ、高い電源効
率を維持することができる。
【0025】さらに本発明の電源装置におけるスイッチ
素子選択回路は、出力電圧等に応じてスイッチ素子群か
ら特性の異なるスイッチ素子を選択するため、出力電圧
等が大きい場合はオン抵抗の小さなスイッチ素子を、出
力電圧等が小さい場合は寄生容量の小さなスイッチ素子
を動作させることができ、高い電源効率が実現される。
素子選択回路は、出力電圧等に応じてスイッチ素子群か
ら特性の異なるスイッチ素子を選択するため、出力電圧
等が大きい場合はオン抵抗の小さなスイッチ素子を、出
力電圧等が小さい場合は寄生容量の小さなスイッチ素子
を動作させることができ、高い電源効率が実現される。
【0026】
実施例1.本発明の第一実施例に係る電源装置を説明す
る。図1は本実施例の電源装置の回路構成を示す図であ
る。本実施例は従来例の構成に比べ、スイッチ素子群2
が2つのスイッチ素子から構成される点、およびパルス
制御回路4の出力側にスイッチ素子選択回路7が新たに
設けられている点が異なるため、従来例同様の構成につ
いては簡単に説明し、スイッチ素子群2およびスイッチ
素子選択回路7周辺の構成と動作を中心に説明する。
る。図1は本実施例の電源装置の回路構成を示す図であ
る。本実施例は従来例の構成に比べ、スイッチ素子群2
が2つのスイッチ素子から構成される点、およびパルス
制御回路4の出力側にスイッチ素子選択回路7が新たに
設けられている点が異なるため、従来例同様の構成につ
いては簡単に説明し、スイッチ素子群2およびスイッチ
素子選択回路7周辺の構成と動作を中心に説明する。
【0027】図1において、スイッチ素子群2は2つの
スイッチ素子21および22から構成され、これらのス
イッチ素子は並列に配置されている。ここでスイッチ素
子21は、オン抵抗が小さいが寄生容量の大きいFE
T、一方、スイッチ素子22はオン抵抗が大きいもの
の、寄生容量の小さいFETである。この関係は、スイ
ッチ素子21、22それぞれのオン抵抗をR1、R2、
および寄生容量をC1、C2としたとき、 R1<R2 C1>C2 と表現することができる。
スイッチ素子21および22から構成され、これらのス
イッチ素子は並列に配置されている。ここでスイッチ素
子21は、オン抵抗が小さいが寄生容量の大きいFE
T、一方、スイッチ素子22はオン抵抗が大きいもの
の、寄生容量の小さいFETである。この関係は、スイ
ッチ素子21、22それぞれのオン抵抗をR1、R2、
および寄生容量をC1、C2としたとき、 R1<R2 C1>C2 と表現することができる。
【0028】直流電源1はスイッチ素子21および22
のそれぞれのソースに接続され、チョッピングされたパ
ルス電圧をいずれか一方のドレインから出力する。さら
にこれらのドレインは、ダイオード31、インダクタン
ス素子32、コンデンサ33を有する平滑回路3に接続
され、これらの回路素子によって平滑された電圧が平滑
回路3から必要な電圧で出力される。
のそれぞれのソースに接続され、チョッピングされたパ
ルス電圧をいずれか一方のドレインから出力する。さら
にこれらのドレインは、ダイオード31、インダクタン
ス素子32、コンデンサ33を有する平滑回路3に接続
され、これらの回路素子によって平滑された電圧が平滑
回路3から必要な電圧で出力される。
【0029】本実施例では従来例と違い、パルス制御回
路4とドライバ群5の間にスイッチ素子選択回路7が設
けられているため、パルス制御回路4から出力されたパ
ルスは、まずスイッチ素子選択回路7へ入力される。こ
の回路は出力電圧に応じてスイッチ素子21および22
から動作すべき1つのスイッチ素子を選択するものであ
る。スイッチ素子選択回路7は後述する新たな電圧Vx
を基準として、出力電圧VoutがVx以上であればス
イッチ素子21を選択し、そうでなければスイッチ素子
22を選択する。これは、オン抵抗が小さいスイッチ素
子21を高出力電圧域に、寄生容量の小さいスイッチ素
子22を低出力電圧域に、それぞれ択一的に使用するた
めの配慮である。スイッチ素子選択回路によって選択さ
れたスイッチ素子が動作する様子は従来例と同様であ
る。ここで注意すべきは、このスイッチ素子選択回路7
の機能がスイッチ素子の選択だけにあり、実際に選択さ
れたスイッチ素子のオン、オフを決めるパルス波形自体
には何等影響しないことである。
路4とドライバ群5の間にスイッチ素子選択回路7が設
けられているため、パルス制御回路4から出力されたパ
ルスは、まずスイッチ素子選択回路7へ入力される。こ
の回路は出力電圧に応じてスイッチ素子21および22
から動作すべき1つのスイッチ素子を選択するものであ
る。スイッチ素子選択回路7は後述する新たな電圧Vx
を基準として、出力電圧VoutがVx以上であればス
イッチ素子21を選択し、そうでなければスイッチ素子
22を選択する。これは、オン抵抗が小さいスイッチ素
子21を高出力電圧域に、寄生容量の小さいスイッチ素
子22を低出力電圧域に、それぞれ択一的に使用するた
めの配慮である。スイッチ素子選択回路によって選択さ
れたスイッチ素子が動作する様子は従来例と同様であ
る。ここで注意すべきは、このスイッチ素子選択回路7
の機能がスイッチ素子の選択だけにあり、実際に選択さ
れたスイッチ素子のオン、オフを決めるパルス波形自体
には何等影響しないことである。
【0030】スイッチ素子選択回路7の出力は、それぞ
れスイッチ素子21、22を駆動するドライバ51、5
2へと接続される。いま仮にスイッチ素子21が選択さ
れているとすれば、スイッチ素子選択回路7は、パルス
制御回路4で生成されたパルスをドライバ51のみに伝
搬してスイッチ素子21をチョッピング動作させつつ、
スイッチ素子22をオフ状態に置く。スイッチ素子21
が動作する様子は従来例で説明した通りである。
れスイッチ素子21、22を駆動するドライバ51、5
2へと接続される。いま仮にスイッチ素子21が選択さ
れているとすれば、スイッチ素子選択回路7は、パルス
制御回路4で生成されたパルスをドライバ51のみに伝
搬してスイッチ素子21をチョッピング動作させつつ、
スイッチ素子22をオフ状態に置く。スイッチ素子21
が動作する様子は従来例で説明した通りである。
【0031】ここで、スイッチ素子21、22を切り替
えるべき電圧Vxの決定方法と、切り替えによる効果
を、図2および図3によって説明する。
えるべき電圧Vxの決定方法と、切り替えによる効果
を、図2および図3によって説明する。
【0032】図2は、仮にスイッチ素子21、22をそ
れぞれ単独で用いた場合、電源装置が示す出力電圧−効
率特性を表した図である。図2において、スイッチ素子
21のみを用いた電源装置では、出力電圧−効率特性の
曲線は曲線1を、またスイッチ素子22のみを用いた電
源装置では曲線2をたどるものとする。このとき両曲線
の交点の電圧をもって、切り替え電圧Vxと決定する。
この図は、スイッチ素子21を用いた場合は高出力電圧
域で高効率となるものの、低出力電圧域では低効率とな
り、スイッチ素子22を用いた場合はその特性が逆にな
ることを示している。
れぞれ単独で用いた場合、電源装置が示す出力電圧−効
率特性を表した図である。図2において、スイッチ素子
21のみを用いた電源装置では、出力電圧−効率特性の
曲線は曲線1を、またスイッチ素子22のみを用いた電
源装置では曲線2をたどるものとする。このとき両曲線
の交点の電圧をもって、切り替え電圧Vxと決定する。
この図は、スイッチ素子21を用いた場合は高出力電圧
域で高効率となるものの、低出力電圧域では低効率とな
り、スイッチ素子22を用いた場合はその特性が逆にな
ることを示している。
【0033】ここで本実施例のスイッチ素子選択回路7
は、出力電圧Voutの大きさがVx以上(高出力電圧
域)ならばスイッチ素子21を、またVoutがVx未
満(低出力電圧域)ならばスイッチ素子22を選択する
よう調整されているため、高出力電圧域においてはスイ
ッチ素子21が、また低出力電圧域においてはスイッチ
素子22が、それぞれ択一的に動作する。従って本実施
例による電源装置の出力電圧−効率特性の曲線は図3に
示す実線となり、出力電圧の低域から高域に至るまで、
効率のよい電源装置が実現されるのである。
は、出力電圧Voutの大きさがVx以上(高出力電圧
域)ならばスイッチ素子21を、またVoutがVx未
満(低出力電圧域)ならばスイッチ素子22を選択する
よう調整されているため、高出力電圧域においてはスイ
ッチ素子21が、また低出力電圧域においてはスイッチ
素子22が、それぞれ択一的に動作する。従って本実施
例による電源装置の出力電圧−効率特性の曲線は図3に
示す実線となり、出力電圧の低域から高域に至るまで、
効率のよい電源装置が実現されるのである。
【0034】なお、出力電圧が切り替え電圧Vx付近に
ある場合、切換えが頻繁に生じて動作が不安定になる可
能性があるが、その場合はスイッチ素子選択回路にヒス
テリシス特性を与え、安定動作をさせればよい。
ある場合、切換えが頻繁に生じて動作が不安定になる可
能性があるが、その場合はスイッチ素子選択回路にヒス
テリシス特性を与え、安定動作をさせればよい。
【0035】実施例2.次に、実施例1における出力電
圧を基準電圧により精度良く一致させるために、実施例
1にフィードバック制御を追加した第二の実施例を説明
する。図4は本実施例の電源装置の回路構成を示したも
ので、誤差電圧増幅回路6を追加した構成となる。
圧を基準電圧により精度良く一致させるために、実施例
1にフィードバック制御を追加した第二の実施例を説明
する。図4は本実施例の電源装置の回路構成を示したも
ので、誤差電圧増幅回路6を追加した構成となる。
【0036】つぎに、出力電圧を基準電圧に一致させる
ための構成を説明する。
ための構成を説明する。
【0037】出力電圧Voutは、まず誤差電圧増幅回
路6に入力される。この回路によって従来例通り補正基
準電圧Vr’が生成され、この補正基準電圧Vr’がパ
ルス制御回路4へと入力される。このパルス制御回路4
は、補正基準電圧Vr’が大きいほど出力パルスのオン
比率を増加させ、逆の場合は減少させるものである。
路6に入力される。この回路によって従来例通り補正基
準電圧Vr’が生成され、この補正基準電圧Vr’がパ
ルス制御回路4へと入力される。このパルス制御回路4
は、補正基準電圧Vr’が大きいほど出力パルスのオン
比率を増加させ、逆の場合は減少させるものである。
【0038】本実施例では実施例1と同様に、パルス制
御回路4とドライバ群5の間にスイッチ素子選択回路7
が設けられているため、パルス制御回路4から出力され
たパルスは、まずスイッチ素子選択回路7へ入力され
る。この回路は出力電圧に応じてスイッチ素子21およ
び22から動作すべき1つのスイッチ素子群2を選択す
るものである。スイッチ素子選択回路7は切り換え電圧
Vxを基準として、出力電圧VoutがVx以上であれ
ばスイッチ素子21を選択し、そうでなければスイッチ
素子22を選択する。これは、実施例1と同様にオン抵
抗が小さいスイッチ素子21を高出力電圧域に、寄生容
量の小さいスイッチ素子22を低出力電圧域に、それぞ
れ択一的に使用するための配慮である。スイッチ素子選
択回路7によって選択されたスイッチ素子が動作する様
子は従来例と同様である。
御回路4とドライバ群5の間にスイッチ素子選択回路7
が設けられているため、パルス制御回路4から出力され
たパルスは、まずスイッチ素子選択回路7へ入力され
る。この回路は出力電圧に応じてスイッチ素子21およ
び22から動作すべき1つのスイッチ素子群2を選択す
るものである。スイッチ素子選択回路7は切り換え電圧
Vxを基準として、出力電圧VoutがVx以上であれ
ばスイッチ素子21を選択し、そうでなければスイッチ
素子22を選択する。これは、実施例1と同様にオン抵
抗が小さいスイッチ素子21を高出力電圧域に、寄生容
量の小さいスイッチ素子22を低出力電圧域に、それぞ
れ択一的に使用するための配慮である。スイッチ素子選
択回路7によって選択されたスイッチ素子が動作する様
子は従来例と同様である。
【0039】実施例3.次に本発明の第三の実施例につ
いて説明する。図5は本実施例の電源装置の回路構成を
示したもので、第二の実施例で2個としたスイッチ素子
の個数を3個以上としたものである。本実施例も第二の
実施例同様の構成を有するが、スイッチ素子群2が3個
以上のスイッチ素子21〜2n(n≧3)によって、ま
たドライバ群5が3個以上のドライバ51〜5nによっ
て構成される点でのみ異なる。また本実施例におけるス
イッチ素子21〜2nそれぞれのオン抵抗R1〜Rn、
および寄生容量C1〜Cnには、 R1<R2<・・・<Rn C1>C2>・・・>Cn なる関係があるものとする。
いて説明する。図5は本実施例の電源装置の回路構成を
示したもので、第二の実施例で2個としたスイッチ素子
の個数を3個以上としたものである。本実施例も第二の
実施例同様の構成を有するが、スイッチ素子群2が3個
以上のスイッチ素子21〜2n(n≧3)によって、ま
たドライバ群5が3個以上のドライバ51〜5nによっ
て構成される点でのみ異なる。また本実施例におけるス
イッチ素子21〜2nそれぞれのオン抵抗R1〜Rn、
および寄生容量C1〜Cnには、 R1<R2<・・・<Rn C1>C2>・・・>Cn なる関係があるものとする。
【0040】図6は、仮にスイッチ素子21〜2nをそ
れぞれ単独で用いた場合、電源装置が示す出力電圧−効
率特性を表した図である。図6において、スイッチ素子
21のみを用いた電源装置では、出力電圧−効率特性の
曲線は曲線1を、スイッチ素子22のみを用いた電源装
置では曲線2をたどるものとし、以下同様に、スイッチ
素子2nのみを用いた電源装置では曲線nをたどるもの
とする。また曲線1と曲線2の交点の電圧をVx1、曲
線2と曲線3の交点の電圧をVx2とし、以下同様に曲
線n−1と曲線nの交点の電圧をVxn−1とする。こ
の図は、スイッチ素子2k(k=1、2、・・・、n)
を用いた場合、kが大きくなるほど高出力電圧域で低効
率となるものの、低出力電圧域では高効率となることを
示している。ここでスイッチ素子選択回路7は出力電圧
Voutの値に従ってそれぞれ、 なるドライバを選択するものとする。
れぞれ単独で用いた場合、電源装置が示す出力電圧−効
率特性を表した図である。図6において、スイッチ素子
21のみを用いた電源装置では、出力電圧−効率特性の
曲線は曲線1を、スイッチ素子22のみを用いた電源装
置では曲線2をたどるものとし、以下同様に、スイッチ
素子2nのみを用いた電源装置では曲線nをたどるもの
とする。また曲線1と曲線2の交点の電圧をVx1、曲
線2と曲線3の交点の電圧をVx2とし、以下同様に曲
線n−1と曲線nの交点の電圧をVxn−1とする。こ
の図は、スイッチ素子2k(k=1、2、・・・、n)
を用いた場合、kが大きくなるほど高出力電圧域で低効
率となるものの、低出力電圧域では高効率となることを
示している。ここでスイッチ素子選択回路7は出力電圧
Voutの値に従ってそれぞれ、 なるドライバを選択するものとする。
【0041】以上の構成における動作を説明する。
【0042】本実施例の電源装置においても、従来例同
様、パルス制御回路4が基準電圧Vrに一致した出力電
圧Voutを出力させるべきパルスを発生する。この
際、出力電圧Voutの大きさがVx1以上なら、スイ
ッチ素子選択回路7がドライバ51を選択するため、こ
のドライバ51がパルス制御回路4で生成されたパルス
に従ってスイッチ素子21をスイッチングさせる。また
VoutがVx1未満だがVx2以上ならばスイッチ素
子22を選択し、以下同様に、オン抵抗が大きくなる順
にスイッチ素子を切り換えていく。この結果、本実施例
の電源装置の出力電圧−効率特性は図7の実線をたど
り、低域から高域に至るまで、第一の実施例よりもさら
に効率のよい電源装置が実現される。
様、パルス制御回路4が基準電圧Vrに一致した出力電
圧Voutを出力させるべきパルスを発生する。この
際、出力電圧Voutの大きさがVx1以上なら、スイ
ッチ素子選択回路7がドライバ51を選択するため、こ
のドライバ51がパルス制御回路4で生成されたパルス
に従ってスイッチ素子21をスイッチングさせる。また
VoutがVx1未満だがVx2以上ならばスイッチ素
子22を選択し、以下同様に、オン抵抗が大きくなる順
にスイッチ素子を切り換えていく。この結果、本実施例
の電源装置の出力電圧−効率特性は図7の実線をたど
り、低域から高域に至るまで、第一の実施例よりもさら
に効率のよい電源装置が実現される。
【0043】実施例4.次に本発明の第四の実施例につ
いて説明する。図8は本実施例の回路構成を示したもの
で、先の実施例3とは、複数のスイッチ素子21〜2n
の選択方法、および複数のスイッチ素子21〜2nがす
べて同じ特性である点で異なる。
いて説明する。図8は本実施例の回路構成を示したもの
で、先の実施例3とは、複数のスイッチ素子21〜2n
の選択方法、および複数のスイッチ素子21〜2nがす
べて同じ特性である点で異なる。
【0044】図9の曲線1,2,…,m,…,nは、各
々1個、2個、…、m個、…、n個のスイッチ素子を用
いた場合の特性である。ここで、曲線1と曲線2の交点
の電圧をVx1、曲線2と曲線3の交点の電圧をVx2
とし、以下同様に曲線n−1と曲線nの交点の電圧をV
xn−1とする。本実施例では、以下の関係式に従って
選択動作させるスイッチ素子(ドライバ)の個数を決定
する。
々1個、2個、…、m個、…、n個のスイッチ素子を用
いた場合の特性である。ここで、曲線1と曲線2の交点
の電圧をVx1、曲線2と曲線3の交点の電圧をVx2
とし、以下同様に曲線n−1と曲線nの交点の電圧をV
xn−1とする。本実施例では、以下の関係式に従って
選択動作させるスイッチ素子(ドライバ)の個数を決定
する。
【0045】 以上の構成における動作を説明する。
【0046】出力電圧Voutの大きさがVxn−1以
上なら、スイッチ素子選択回路7がn個のドライバ5
1,52,…,5nのすべてを選択するため、これらn
個のドライバ51,…,5nがパルス制御回路4で生成
されたパルスに従ってn個のスイッチ素子21,…,2
nをスイッチングさせる。またVoutがVxn−1未
満だがVxn−2以上ならば、n−1個のスイッチ素子
を選択し、以下同様に、n−2個,…,m個、…,1個
のスイッチ素子を選択していく。この結果本実施例の出
力電圧−効率特性は図10の実線をたどり、低域から高
域に至るまで、第二の実施例と同様、第一の実施例より
もさらに効率の良い電源装置が得られる。
上なら、スイッチ素子選択回路7がn個のドライバ5
1,52,…,5nのすべてを選択するため、これらn
個のドライバ51,…,5nがパルス制御回路4で生成
されたパルスに従ってn個のスイッチ素子21,…,2
nをスイッチングさせる。またVoutがVxn−1未
満だがVxn−2以上ならば、n−1個のスイッチ素子
を選択し、以下同様に、n−2個,…,m個、…,1個
のスイッチ素子を選択していく。この結果本実施例の出
力電圧−効率特性は図10の実線をたどり、低域から高
域に至るまで、第二の実施例と同様、第一の実施例より
もさらに効率の良い電源装置が得られる。
【0047】なお、本実施例では、n個のスイッチ素子
全てが同じ特性と仮定したが、実際には同じ特性である
必要はない。この場合は、各スイッチ素子の出力電圧−
効率特性から最適の組合せでスイッチを選択すればよ
い。
全てが同じ特性と仮定したが、実際には同じ特性である
必要はない。この場合は、各スイッチ素子の出力電圧−
効率特性から最適の組合せでスイッチを選択すればよ
い。
【0048】また、第一、第二、第三、第四実施例とも
降圧形の電源装置を示したが、本発明は昇圧形、昇降圧
形などの電源装置にも適用することが可能である。切り
替え電圧Vx決定の方法も、第一、第二、第三、第四実
施例に示す方法に限る必要はない。Vxを外部から調節
できるようにすれば、実験等によって最適の値が設定で
きるため、さらに実用的な電源装置が提供される。さら
に、第一、第二、第三、第四実施例ともスイッチ素子の
切り換えを出力電圧に対して行ったが、これは基準電圧
に対して行ってもよく、出力電力又は出力電流に対して
行っても同様の効果がある。
降圧形の電源装置を示したが、本発明は昇圧形、昇降圧
形などの電源装置にも適用することが可能である。切り
替え電圧Vx決定の方法も、第一、第二、第三、第四実
施例に示す方法に限る必要はない。Vxを外部から調節
できるようにすれば、実験等によって最適の値が設定で
きるため、さらに実用的な電源装置が提供される。さら
に、第一、第二、第三、第四実施例ともスイッチ素子の
切り換えを出力電圧に対して行ったが、これは基準電圧
に対して行ってもよく、出力電力又は出力電流に対して
行っても同様の効果がある。
【0049】
【発明の効果】以上説明したように本発明の電源装置に
よれば、スイッチ素子群に含まれる複数のスイッチ素子
から、出力電圧等に応じてスイッチ素子選択回路が最適
のスイッチ素子を選択するため、基準電圧が変化した場
合であっても高い電源効率を保つことができる。この
際、スイッチ素子選択回路が出力電圧等に応じてスイッ
チ素子群から異なる個数、または特性の異なるスイッチ
素子を選択するため、選択するスイッチ素子の組合せに
よって、出力電圧等の低域から高域に至るまで、非常に
高い電源効率を実現することができる。これらの結果、
本発明の電源装置をバッテリ駆動の携帯機器等に使用す
ると、従来の電源装置に比べて、バッテリ動作時間の大
幅な改善が可能となる。
よれば、スイッチ素子群に含まれる複数のスイッチ素子
から、出力電圧等に応じてスイッチ素子選択回路が最適
のスイッチ素子を選択するため、基準電圧が変化した場
合であっても高い電源効率を保つことができる。この
際、スイッチ素子選択回路が出力電圧等に応じてスイッ
チ素子群から異なる個数、または特性の異なるスイッチ
素子を選択するため、選択するスイッチ素子の組合せに
よって、出力電圧等の低域から高域に至るまで、非常に
高い電源効率を実現することができる。これらの結果、
本発明の電源装置をバッテリ駆動の携帯機器等に使用す
ると、従来の電源装置に比べて、バッテリ動作時間の大
幅な改善が可能となる。
【図1】本発明の第一実施例に係る電源装置の回路構成
図である。
図である。
【図2】スイッチ素子21、22を単独で用いた場合、
電源装置が示す出力電圧−効率特性図である。
電源装置が示す出力電圧−効率特性図である。
【図3】本発明の第一実施例に係る電源装置の出力電圧
−効率特性図である。
−効率特性図である。
【図4】本発明の第二実施例に係る電源装置の回路構成
図である。
図である。
【図5】本発明の第三実施例に係る電源装置の回路構成
図である。
図である。
【図6】スイッチ素子21〜2nを単独で用いた場合、
電源装置が示す出力電圧−効率特性図である。
電源装置が示す出力電圧−効率特性図である。
【図7】本発明の第三実施例に係る電源装置の出力電圧
−効率特性図である。
−効率特性図である。
【図8】本発明の第四実施例に係る電源装置の回路構成
図である。
図である。
【図9】m個(1≦m≦n)のスイッチ素子を並列動作
させたとき電源装置が示す出力電圧−効率特性図であ
る。
させたとき電源装置が示す出力電圧−効率特性図であ
る。
【図10】本発明の第四実施例に係る電源装置の出力電
圧−効率特性図である。
圧−効率特性図である。
【図11】従来のスイッチング電源装置の基本回路構成
を示す構成図である。
を示す構成図である。
【図12】図1の電源装置における各部の動作波形を示
す図である。
す図である。
【図13】一般的な出力可変電源装置の動作概念図であ
る。
る。
【図14】図1の電源装置にフィードバックを追加した
電源装置を示す図である。
電源装置を示す図である。
【図15】スイッチ素子によってチョッピングされた電
圧の波形を示す図である。
圧の波形を示す図である。
2 スイッチ素子群 21〜2n スイッチ素子 3 平滑回路 4 パルス制御装置 7 スイッチ素子選択回路
Claims (3)
- 【請求項1】 基準電圧に追従した出力電圧を得る出力
可変型の電源装置であって、 基準電圧に応じて必要な幅のパルスを発生するパルス制
御回路と、 パルス制御回路の発生するパルスに従ってスイッチング
動作し、入力電圧をチョッピングしてパルス電圧を生成
する複数のスイッチ素子を含むスイッチ素子群と、 出力すべき電圧、電流又は電力に応じて、スイッチ素子
群から電源効率を最大にするスイッチ素子を選択して動
作させるスイッチ素子選択回路と、 スイッチ素子選択回路が選択したスイッチ素子によって
生成されたパルス電圧を平滑し、所望の出力電圧を生成
する平滑回路と、 を備えることを特徴とする電源装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の電源装置において、 前記スイッチ素子選択回路は、出力すべき電圧、電流又
は電力に応じて、前記スイッチ素子群から異なる個数の
スイッチ素子を選択することを特徴とする電源装置。 - 【請求項3】 請求項1に記載の電源装置において、 前記スイッチ素子群は、特性の異なるスイッチ素子を含
み、 前記スイッチ素子選択回路は、出力すべき電圧、電流又
は電力に応じて、前記スイッチ素子群から特性の異なる
スイッチ素子を選択することを特徴とする電源装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14498894A JP3438330B2 (ja) | 1994-06-27 | 1994-06-27 | 電源装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14498894A JP3438330B2 (ja) | 1994-06-27 | 1994-06-27 | 電源装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0819250A true JPH0819250A (ja) | 1996-01-19 |
JP3438330B2 JP3438330B2 (ja) | 2003-08-18 |
Family
ID=15374871
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP14498894A Expired - Fee Related JP3438330B2 (ja) | 1994-06-27 | 1994-06-27 | 電源装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3438330B2 (ja) |
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1994
- 1994-06-27 JP JP14498894A patent/JP3438330B2/ja not_active Expired - Fee Related
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