特開 2023-93849 スイッチング電源装置、及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023093849

(43)【公開日】2023-07-05

(54)【発明の名称】スイッチング電源装置、及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20230628BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

H02M3/28 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021208942

(22)【出願日】2021-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090022

【弁理士】

【氏名又は名称】長門 侃二

(72)【発明者】

【氏名】川脇 将吾

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA15

5H730AS01

5H730BB26

5H730BB61

5H730DD04

5H730DD16

5H730EE03

5H730EE07

5H730EE59

5H730FD01

5H730FG07

5H730FG22

5H730XX23

5H730XX32

5H730XX42

(57)【要約】

【課題】負荷電流の低下を適切に見極めて出力電圧の上昇を低コストで抑制する。
【解決手段】スイッチング電源装置１は、ＰＦＭ制御される第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、及び共振回路により一定の目標電圧Ｖtargetを出力する電圧変換部２と、電圧変換部２の出力電圧ＶoutをＰＦＭ制御の変調周波数Ｆmodに変換する周波数制御部４と、変調周波数Ｆmodに基づいて第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をＰＦＭ制御で駆動する駆動回路５と、を備え、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutが共に増加した場合に、駆動回路５のＰＦＭ制御を間欠制御する間欠制御回路８と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＰＦＭ制御されるスイッチング素子及び共振回路により一定の目標電圧を出力する電圧変換部と、
前記電圧変換部の出力電圧を前記ＰＦＭ制御の変調周波数に変換する周波数制御部と、
前記変調周波数に基づいて前記スイッチング素子を前記ＰＦＭ制御で駆動する駆動回路と、を備え、
前記変調周波数及び前記出力電圧が共に増加した場合に、前記駆動回路の前記ＰＦＭ制御を間欠制御する間欠制御回路と、を備えるスイッチング電源装置。

【請求項2】

前記変調周波数は、前記ＰＦＭ制御の上限周波数よりも低く設定される所定の第１周波数閾値に達した場合に増加と判定され、
前記出力電圧は、前記変調周波数が前記上限周波数である場合の電圧よりも低く設定される所定の第１出力電圧閾値に達した場合に増加と判定される、請求項１に記載のスイッチング電源装置。

【請求項3】

前記間欠制御の開始時において、前記出力電圧が前記第１出力電圧閾値に達するよりも前に、前記変調周波数が前記第１周波数閾値に達するよう設定される、請求項２に記載のスイッチング電源装置。

【請求項4】

前記駆動回路は、前記出力電圧が前記目標電圧よりも低い所定の第２出力電圧閾値に低下した場合に前記ＰＦＭ制御を再開する、請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチング電源装置。

【請求項5】

ＰＦＭ制御されるスイッチング素子及び共振回路により一定の目標電圧を出力するスイッチング電源装置の制御方法であって、
前記目標電圧として出力される出力電圧を前記ＰＦＭ制御の変調周波数に変換し、
前記変調周波数に基づいて前記スイッチング素子を前記ＰＦＭ制御で駆動し、
前記変調周波数及び前記出力電圧が共に増加した場合に、前記ＰＦＭ制御を間欠制御する、スイッチング電源装置の制御方法。

【請求項6】

前記変調周波数は、前記ＰＦＭ制御の上限周波数よりも低く設定される所定の第１周波数閾値に達した場合に増加と判定され、
前記出力電圧は、前記変調周波数が前記上限周波数である場合の電圧よりも低く設定される所定の第１出力電圧閾値に達した場合に増加と判定される、請求項５に記載のスイッチング電源装置の制御方法。

【請求項7】

前記間欠制御の開始時において、前記出力電圧が前記第１出力電圧閾値に達するよりも前に、前記変調周波数が前記第１周波数閾値に達するよう設定される、請求項６に記載のスイッチング電源装置の制御方法。

【請求項8】

前記出力電圧が前記目標電圧よりも低い所定の第２出力電圧閾値に低下した場合に前記ＰＦＭ制御を再開する、請求項５乃至７のいずれかに記載のスイッチング電源装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、スイッチング電源装置、及びその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＬＬＣ共振回路方式のスイッチング電源装置は、小容量から高容量まで様々な市場ニーズに高効率、低ノイズで対応可能であることから、従来から広く使用されている。このようなスイッチング電源装置は、例えばパルス周波数変調（ＰＦＭ：Pulse Frequency Modulation）で制御される場合、出力電流が小さくなる軽負荷時にはスイッチング周波数を上昇させ、重負荷時にはスイッチング周波数を低下させることで、出力電圧を一定に制御して負荷装置に安定的な電力を供給する。

【0003】

ここで、上記のようなスイッチング電源装置は、スイッチング素子が安定的な動作を行うための上限周波数が設定されているため、負荷電流が極端に低い場合や無負荷状態においては出力電圧の上昇を抑制できず、過電圧保護（ＯＶＰ：Over Voltage Protection）が機能してラッチオフに至る可能性が生じる。

【0004】

このような問題に対し、例えば特許文献１には、負荷電流が所定の閾値以下である場合にアクティブ抵抗を有効にすることでダミー負荷を取るスイッチング電源装置が開示されている。また、特許文献１には、ダミー負荷によっても出力電圧を制御できない場合に、スイッチングの駆動と停止とを繰り返す間欠動作により、出力電圧を所定の範囲に維持する制御態様が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１８－１０７９９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記のような従来技術では、負荷電流を測定するための電流検出抵抗に関し、微小電流を測定するためには抵抗値を高くしなければならない反面、負荷電流が大きい場合の損失増大により電力変換効率が低下する。また、抵抗値が比較的小さい電流検出抵抗で微小な負荷電流を測定するには、高性能の検出用ＩＣが必要となる他、ゼロ電圧付近の動作を確定するためのマイナス電源の構築が必要になるため、コストの上昇を招来する。

【0007】

更に、上記のようなスイッチング電源装置においては、出力電圧の上昇が必ずしも負荷電流の低下に起因しているとは限らず、出力電圧の一時的な上昇時にスイッチングの間欠動作を行うと動作の不安定化を招くことがある。また、出力電圧の上昇が内部故障により生じている場合には、当該間欠動作により制御を無理に継続するよりも、むしろ適切にラッチオフさせることにより制御を停止させる方が好適であることもある。そのため、スイッチングの間欠動作を出力電圧に基づいて制御する上記のような従来技術では、出力電圧の上昇に対して必ずしも適切な制御を行うことが出来ない虞が生じる。

【0008】

本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、負荷電流の低下を適切に見極めて出力電圧の上昇を低コストで抑制することができるスイッチング電源装置及びその制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、本開示のスイッチング電源装置は、ＰＦＭ制御されるスイッチング素子及び共振回路により一定の目標電圧を出力する電圧変換部と、前記電圧変換部の出力電圧を前記ＰＦＭ制御の変調周波数に変換する周波数制御部と、前記変調周波数に基づいて前記スイッチング素子を前記ＰＦＭ制御で駆動する駆動回路と、を備え、前記変調周波数及び前記出力電圧が共に増加した場合に、前記駆動回路の前記ＰＦＭ制御を間欠制御する間欠制御回路と、を備えるスイッチング電源装置である。

【0010】

また、上記目的を達成するため、本開示のスイッチング電源装置の制御方法は、ＰＦＭ制御されるスイッチング素子及び共振回路により一定の目標電圧を出力するスイッチング電源装置の制御方法であって、前記目標電圧として出力される出力電圧を前記ＰＦＭ制御の変調周波数に変換し、前記変調周波数に基づいて前記スイッチング素子を前記ＰＦＭ制御で駆動し、前記変調周波数及び前記出力電圧が共に増加した場合に、前記ＰＦＭ制御を間欠制御する、スイッチング電源装置の制御方法である。

【発明の効果】

【0011】

本開示に係るスイッチング電源装置、及びその制御方法によれば、負荷電流の低下を適切に見極めて出力電圧の上昇を低コストで抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】スイッチング電源装置の全体構成図である。

【図2】帰還回路の内部構成を表す回路図である。

【図3】正常動作時及び異常動作時における変調周波数及び出力電圧のそれぞれの電圧変化を示す波形である。

【図4】負荷電流が低下した場合における従来の電源装置に係る変調周波数及び出力電圧のそれぞれの変化を示す波形である。

【図5】負荷電流が低下した場合における本実施形態のスイッチング電源装置に係る変調周波数及び出力電圧のそれぞれの変化を示す波形である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照しつつ実施形態について詳細に説明する。尚、本開示は、以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

【0014】

図１は、スイッチング電源装置１の全体構成図である。本実施形態におけるスイッチング電源装置１は、いわゆるＬＬＣ共振回路方式の絶縁型ＤＣ‐ＤＣコンバータであり、電圧変換部２、及び帰還回路３を備える。そして本実施形態に係るスイッチング電源装置１は、電圧変換部２の一次側に設けられた高電位側入力端子Ｔin(＋)及び低電位側入力端子Ｔin(－)からなる一対の入力端子に入力される入力電圧Ｖinを変換し、電圧変換部２の二次側に設けられた高電位側出力端子Ｔout(＋)及び低電位側出力端子Ｔout(－)からなる一対の出力端子に出力電圧Ｖoutとして出力する。これにより、スイッチング電源装置１は、出力電圧Ｖoutを一定の目標電圧Ｖtargetとなるよう制御して安定化された電力を出力先の負荷装置（図示せず）に供給する。ここで、本実施形態における低電位側入力端子Ｔin(－)及び低電位側出力端子Ｔout(－)は、いずれも接地されているものとする。

【0015】

電圧変換部２は、入力コンデンサＣin、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、トランスＴｒ、共振コイルＬｒ、共振コンデンサＣｒ、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、及び出力コンデンサＣoutを含む。

【0016】

入力コンデンサＣinは、一端が高電位側入力端子Ｔin(＋)に接続され、他端が低電位側入力端子Ｔin(－)に接続されることにより、入力電圧Ｖinを平滑化する入力フィルタである。

【0017】

第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）からなるスイッチング素子であり、ゲートに接続された後述する駆動回路５によりＰＦＭ制御(Pulse Frequency Modulation)されることで直流の入力電圧Ｖinを交流電力に変換する。ここで、第１スイッチＳＷ１は、ドレインが高電位側入力端子Ｔin(＋)に接続されると共に、ソースが第２スイッチＳＷ２のドレインに接続されている。また、第２スイッチＳＷ２は、低電位側入力端子Ｔin(－)に接続されている。尚、各スイッチの端子には電流制限用の抵抗器が適宜接続されている。

【0018】

トランスＴｒは、一次側コイルＬ１１及び二次側コイルＬ２１、Ｌ２２を含み、電圧変換部２の一次側回路と二次側回路とを直流的に絶縁しつつ、一次側回路から供給される交流電力を二次側回路に伝達する。ここで、一次側コイルＬ１１の巻き始め端は、共振コイルＬｒを介して、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２との連結点に接続されている。また、一次側コイルＬ１１の巻き終わり端は、共振コンデンサＣｒを介して、第２スイッチＳＷ２のソースに接続されている。すなわち、共振コイルＬｒ、一次側コイルＬ１１、及び共振コンデンサＣｒによりＬＬＣ共振回路が構成されている。

【0019】

第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２は、例えばショットキーバリアダイオードであり、トランスＴｒから出力される交流電力を直流電力に変換する整流回路を構成する。ここで、第１ダイオードＤ１は、アノードが二次側コイルＬ２１の巻き始め端に接続され、カソードが出力コンデンサＣoutの一端に接続されている。また、第２ダイオードＤ２は、アノードが二次側コイルＬ２２の巻き終わり端に接続され、カソードが出力コンデンサＣoutの一端に接続されている。そして、二次側コイルＬ２１、Ｌ２２の連結店は、出力コンデンサＣoutの他端に接続されている。

【0020】

出力コンデンサＣoutは、一端が高電位側出力端子Ｔout(＋)に接続され、他端が低電位側出力端子Ｔout(－)に接続されることにより、出力電圧Ｖoutを平滑化する出力フィルタである。

【0021】

これにより、電圧変換部２は、一対の出力端子に安定化された出力電圧Ｖoutを出力する。尚、電圧変換部２は、図１に示す構成に限定されるものではなく、スイッチング素子及び共振回路を含む様々な形態の電力変換機構を採用することができる。

【0022】

続いて、電圧変換部２を制御するための帰還回路３について具体的に説明する。図２は、帰還回路３の内部構成を表す回路図である。帰還回路３は、周波数制御部４、駆動回路５、出力電圧検出部６、過電圧保護回路７、及び間欠制御回路８を備える。

【0023】

周波数制御部４は、電圧変換部２から出力される出力電圧Ｖoutを入力値とし、ＰＦＭ制御のための変調周波数Ｆmodに変換する回路であり、本実施形態においては当該変調周波数Ｆmodに相当する周波数制御電圧として駆動回路５に出力する。

【0024】

より具体的には、周波数制御部４は、第１アンプＡＭＰ１を含むほか、その増幅率の調整や高周波ノイズの除去のための複数の抵抗器及びコンデンサを適宜備える。第１アンプＡＭＰ１は、高電位側出力端子Ｔout(＋)に出力される出力電圧Ｖoutを分圧した電圧が非反転入力として入力され、所定の第１基準電圧Ｒｅｆ１が反転入力として入力されることにより、出力電圧Ｖoutに応じたＰＦＭ制御のための周波数制御電圧が出力される。尚、周波数制御部４は、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２の破損を防止するため、ＰＦＭ制御の周波数に上限周波数Ｆmaxが設定されている。

【0025】

駆動回路５は、周波数制御部４が変換した変調周波数Ｆmodに基づいて、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をＰＦＭ制御で駆動するためのドライバであり、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２のゲート電圧を当該変調周波数Ｆmodに応じて交互にＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、電圧変換部２の入力電圧Ｖinや負荷の変動に拘らず、電圧変換部２が出力する出力電圧Ｖoutが目標電圧Ｖtargetとなるよう制御する。

【0026】

出力電圧検出部６は、出力アンプＡＭＰｖを含むほか、その増幅率の調整のための複数の抵抗器を適宜備え、高電位側出力端子Ｔout(＋)及び低電位側出力端子Ｔout(－)のそれぞれの電圧を入力値として、それらの差から出力電圧Ｖoutを検出する回路である。

【0027】

過電圧保護回路７は、出力電圧検出部６が検出した出力電圧Ｖoutを監視し、出力電圧Ｖoutが上昇して所定の過電圧閾値Ｖovpに達した場合に、いわゆるラッチオフ状態として駆動回路５の動作を停止させる回路である。より具体的には、過電圧保護回路７は、出力電圧検出部６の出力値を非反転入力とし、所定の第２基準電圧Ｒｅｆ２が反転入力として入力される第２コンパレータＣＰ２と、アノードが抵抗器を介して第１補助電源ＳＰ１に接続され、カソードが第２コンパレータＣＰ２の出力端子及び駆動回路５に接続されるラッチオフダイオードＤoffとを備える。

【0028】

間欠制御回路８は、周波数制御部４からの変調周波数Ｆmod、及び出力電圧検出部６からの出力電圧Ｖoutが共に増加した場合に、駆動回路５のＰＦＭ制御を間欠制御する回路である。ここで、本実施形態に係る間欠制御回路８は、電圧上昇検出回路８ａ、電圧判定ダイオードＤｖ、周波数上昇検出回路８ｂ、周波数判定ダイオードＤｆ、及び発振停止回路８ｃを備える。

【0029】

電圧上昇検出回路８ａは、主要構成として、第３コンパレータＣＰ３、第１抵抗器Ｒ１、第２抵抗器Ｒ２、及び第１履歴ダイオードＤａを含む。第３コンパレータＣＰ３は、第１抵抗器Ｒ１を介して非反転入力に出力電圧検出部６の出力信号が入力され、反転入力に所定の第３基準電圧Ｒｅｆ３が入力される。また、第１履歴ダイオードＤａは、アノードが第２抵抗器Ｒ２を介して第３コンパレータＣＰ３の反転入力に接続され、カソードが第３コンパレータＣＰ３の出力側に接続される。これにより、第３コンパレータＣＰ３は、いわゆるヒステリシスコンパレータを構成する。

【0030】

当該構成により第３コンパレータＣＰ３は、出力側の電圧がローレベルである状態では、出力電圧検出部６が検出した出力電圧Ｖoutを第１抵抗器Ｒ１及び第２抵抗器Ｒ２により分圧した電圧が非反転入力に入力される。そして、第３コンパレータＣＰ３は、当該電圧が第３基準電圧Ｒｅｆ３まで上昇した場合、すなわち出力電圧Ｖoutが第１出力電圧閾値Ｖｔｈ１に達した場合に、出力側の電圧がローレベルからハイレベルに切り替わる。

【0031】

また、第３コンパレータＣＰ３は、出力側の電圧がハイレベルである状態では、出力電圧検出部６から出力される出力電圧Ｖoutが第１抵抗器Ｒ１のみを介して非反転入力に入力される。そして、第３コンパレータＣＰ３は、当該電圧が第３基準電圧Ｒｅｆ３まで低下した場合、すなわち出力電圧Ｖoutが第２出力電圧閾値Ｖｔｈ２まで低下した場合に、出力側の電圧がハイレベルからローレベルに切り替わる。

【0032】

ここで、本実施形態における電圧上昇検出回路８ａは、出力電圧Ｖoutが目標電圧Ｖtargetに対して＋２％まで上昇した電圧を第１出力電圧閾値Ｖｔｈ１として設定し、出力電圧Ｖoutが目標電圧Ｖtargetに対して－２％まで下降した電圧を第２出力電圧閾値Ｖｔｈ２として設定する。すなわち、電圧上昇検出回路８ａは、出力電圧Ｖoutが目標電圧Ｖtargetから２％上昇した場合に出力をローレベルからハイレベルに切り替え、出力電圧Ｖoutが目標電圧Ｖtargetから２％低下した場合に出力をハイレベルからローレベルに切り替える。

【0033】

電圧判定ダイオードＤｖは、カソードが第３コンパレータＣＰ３の出力側に接続され、電圧上昇検出回路８ａがハイレベル信号を出力した場合に逆バイアス状態となる。

【0034】

周波数上昇検出回路８ｂは、主要構成として、第４コンパレータＣＰ４、第３抵抗器Ｒ３、第４抵抗器Ｒ４、及び第２履歴ダイオードＤｂを含む。第４コンパレータＣＰ４は、第３抵抗器Ｒ３を介して非反転入力に周波数制御部４の出力信号が入力され、反転入力に所定の第４基準電圧Ｒｅｆ４が入力される。また、第２履歴ダイオードＤｂは、アノードが第４抵抗器Ｒ４を介して第４コンパレータＣＰ４の反転入力に接続され、カソードが第４コンパレータＣＰ４の出力側に接続される。これにより、第４コンパレータＣＰ４は、いわゆるヒステリシスコンパレータを構成する。

【0035】

当該構成により第４コンパレータＣＰ４は、出力側の電圧がローレベルである状態では、周波数制御部４が出力した変調周波数Ｆmodに相当する周波数制御電圧を第３抵抗器Ｒ３及び第４抵抗器Ｒ４により分圧した電圧が非反転入力に入力される。そして、第４コンパレータＣＰ４は、当該電圧が第４基準電圧Ｒｅｆ４まで上昇した場合、すなわち変調周波数Ｆmodが第１周波数閾値Ｆｔｈ１に達した場合に、出力側の電圧がローレベルからハイレベルに切り替わる。

【0036】

また、第４コンパレータＣＰ４は、出力側の電圧がハイレベルである状態では、周波数制御部４から出力される変調周波数Ｆmodに相当する周波数制御電圧が第３抵抗器Ｒ３のみを介して非反転入力に入力される。そして、第４コンパレータＣＰ４は、当該電圧が第４基準電圧Ｒｅｆ４まで低下した場合、すなわち変調周波数Ｆmodが第２周波数閾値Ｆｔｈ２まで低下した場合に、出力側の電圧がハイレベルからローレベルに切り替わる。

【0037】

周波数判定ダイオードＤｆは、カソードが第４コンパレータＣＰ４の出力側に接続され、周波数上昇検出回路８ｂがハイレベル信号を出力した場合に逆バイアス状態となる。

【0038】

発振停止回路８ｃは、主要構成として、第５コンパレータＣＰ５、第５抵抗器Ｒ５、及び第６抵抗器Ｒ６を含む。第５コンパレータＣＰ５は、第２補助電源ＳＰ２が第５抵抗器Ｒ５及び第６抵抗器Ｒ６を介して非反転入力に接続され、反転入力が所定の第５基準電圧Ｒｅｆ５に接続され、出力側が駆動回路５に接続されている。また、第５抵抗器Ｒ５及び第６抵抗器Ｒ６の連結点が電圧判定ダイオードＤｖ及び周波数判定ダイオードＤｆのそれぞれのアノードに接続されている。

【0039】

そして、第５コンパレータＣＰ５は、電圧判定ダイオードＤｖ及び周波数判定ダイオードＤｆの少なくとも一方が順バイアス状態である場合には非反転入力がローレベルであり、共に逆バイアス状態になった場合に非反転入力がハイレベルに切り替わる。このとき、第５コンパレータＣＰ５は、ＰＦＭ制御を一時的に中断する制御信号を駆動回路５へ出力する。また、第５コンパレータＣＰ５は、電圧判定ダイオードＤｖ及び周波数判定ダイオードＤｆの少なくとも一方が順バイアス状態に復帰すると、ＰＦＭ制御を中断する制御信号を停止することにより駆動回路５のＰＦＭ制御を再開させる。すなわち、間欠制御回路８は、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutが共に増加した場合に、駆動回路５のＰＦＭ制御を間欠制御し、出力電圧Ｖoutの変動を抑制する。

【0040】

次に、負荷電流Ｉloadが十分大きい場合におけるスイッチング電源装置１の各部の動作について説明する。図３は、正常動作時及び異常動作時における変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutのそれぞれの電圧変化を示す波形である。ここで、横軸は時間の経過を表し、縦軸は周波数及び電圧のそれぞれの大きさを表している。また、過電圧保護回路７の出力レベルをＯＶＰとして表している。

【0041】

図３のタイミングＴ０からタイミングＴ１までの期間に示すように、スイッチング電源装置１が定常状態で動作している場合には、出力電圧Ｖoutが本実施形態の目標電圧Ｖtargetである５４Ｖとなっており、これに伴い変調周波数Ｆmodも一定の定常周波数Ｆｓに維持されている。

【0042】

ここで、スイッチング電源装置１は、タイミングＴ１からタイミングＴ２までの期間に示すように、例えば電圧変換部２への入力電圧Ｖin、又は負荷電流Ｉloadが変動することがある。このような場合であっても、周波数制御部４は、出力電圧Ｖoutが破線Ｐ１で示すような変動を受けないよう、これに合わせて変調周波数ＦmodをＰ２のように調整する。このため、出力電圧Ｖoutは、タイミングＴ１からタイミングＴ２までの期間においても、目標電圧Ｖtargetの５４Ｖを維持することができる。すなわち、スイッチング電源装置１は、タイミングＴ０からタイミングＴ３までの期間に示すように、入力変動及び負荷変動に対しても正常動作時であれば一定の安定した出力電圧Ｖoutを負荷装置に供給することができる。

【0043】

一方、スイッチング電源装置１の異常動作時には、タイミングＴ３に示すように、出力電圧Ｖoutが上昇を開始しているにも拘らず変調周波数Ｆmodが低下し、出力電圧Ｖoutの変動を抑制することができない状態となってしまう。例えば、周波数制御部４において、第１アンプＡＭＰ１に内部故障が発生した場合や、一定であるはずの第１基準電圧Ｒｅｆ１が既定値とは異なる電圧となってしまう場合に、出力電圧Ｖoutの上昇を招くことがある。尚、出力電圧Ｖoutが上昇し且つ変調周波数Ｆmodが定常周波数Ｆｓに維持される場合にも、出力電圧Ｖoutの変動を抑制することができない異常動作となる。

【0044】

このような場合には、過電圧保護回路７は、出力電圧Ｖoutが上昇して所定の過電圧閾値Ｖovpに達するタイミングＴ４において、ＯＶＰとしてハイレベル信号を出力して駆動回路５の動作を停止させ、スイッチング電源装置１を適切にラッチオフさせる。これによりスイッチング電源装置１は、タイミングＴ５に示すように、出力電圧Ｖout及び変調周波数Ｆmodを０にして過電圧に対する安全性を確保する。尚、本実施形態においては、出力電圧Ｖoutが目標電圧Ｖtargetに対して１０％上昇した電圧を過電圧閾値Ｖovpとして設定している。

【0045】

ここで、スイッチング電源装置１の異常動作時であっても、上記したように第１基準電圧Ｒｅｆ１が既定値とは異なる電圧となる場合には、ラッチオフに至る前に正常動作に復帰することがある。例えば、異常動作時において第１基準電圧Ｒｅｆ１が徐々に既定値に復帰する場合、出力電圧Ｖout及び変調周波数Ｆmodは、図３のＰ３及びＰ４に示す破線のように定常状態に復帰する。この場合には、スイッチング電源装置１は、タイミングＴ４以降においてもラッチオフに至ることなく正常に動作を継続することができる。尚、このような定常状態への復帰は、第１基準電圧Ｒｅｆ１が急激に復帰した場合には瞬間的に完了することもある。

【0046】

続いて、軽負荷又は無負荷におけるスイッチング電源装置１の動作及び制御方法について説明する。共振回路方式の一般的な電源装置においては、負荷電流Ｉloadが低下して軽負荷又は無負荷の状態になると、出力電圧Ｖout及び変調周波数Ｆmodの安定化が困難になり、共に上昇することになる。以下では、本実施形態に係るスイッチング電源装置１の効果について、上記した間欠制御回路８を備えない従来の電源装置と比較して説明する。

【0047】

図４は、負荷電流Ｉloadが低下した場合における従来の電源装置に係る変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutのそれぞれの変化を示す波形である。尚、負荷電流Ｉloadの定格が0.1A以上であるものとする。

【0048】

図４に示すように、従来の電源装置は、負荷電流Ｉloadが定格電流以上である期間では、変調周波数Ｆmodが定常周波数Ｆｓ、出力電圧Ｖoutが５４Ｖで一定の出力を維持しているものの、タイミングＴ６のように負荷電流Ｉloadが定格電流未満に低下した場合には、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutの上昇を抑制することができなくなる。

【0049】

また、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutが上昇を続けると、タイミングＴ７において変周波数Ｆmodが上限周波数Ｆmaxに達して頭打ちとなる。これにより、出力電圧Ｖoutは、更に上昇してタイミングＴ８において過電圧閾値Ｖovp（すなわち＋１０％）に達し、過電圧保護回路７の出力信号がローレベルからハイレベルに切り替わることによりラッチオフに至るため駆動回路５がＰＦＭ制御を停止する。

【0050】

そして、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutは、やがてタイミングＴ９において共に０となる。これによりスイッチング電源装置１は、出力電圧Ｖoutの過剰な上昇に対する過電圧保護が機能して動作を停止することができる反面、故障ではない負荷電流Ｉloadの低下に起因して動作の継続が妨げられてしまうことになる。

【0051】

このような課題に対し、出力電圧Ｖoutの上昇を検出して一時的に駆動回路５のＰＷＭ制御を停止して間欠動作をさせる手段も考えられるが、このような手段では、図３のタイミングＴ３からタイミングＴ４までの期間のように、内部故障に起因して出力電圧Ｖoutが上昇した場合であっても間欠動作により無理に制御を継続させることになるため、事態の悪化を招く虞も生じる。

【0052】

そこで、本実施形態のスイッチング電源装置１は、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutが共に増加した場合に、駆動回路５のＰＦＭ制御を間欠制御する間欠制御回路８を備えることにより、出力電圧Ｖoutの上昇が負荷電流Ｉloadの低下に起因するか否かを判断し、出力電圧Ｖoutの上昇を適切な手段により抑制する。

【0053】

図５は、負荷電流Ｉloadが低下した場合における本実施形態のスイッチング電源装置１に係る変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutのそれぞれの変化を示す波形である。図５に示すように、本実施形態に係るスイッチング電源装置１においても、タイミングＴ１０のように負荷電流Ｉloadが定格電流以下に低下すると、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutが上昇する。

【0054】

しかしながら、タイミングＴ１１に示すように、変調周波数Ｆmodが第１周波数閾値Ｆｔｈ１以上まで上昇し、且つ出力電圧Ｖoutが第１出力電圧閾値Ｖｔｈ１以上まで上昇した場合、図２に示す電圧判定ダイオードＤｖ及び周波数判定ダイオードＤｆが共に逆バイアス状態になる。このため、間欠制御回路８は、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutが共に増加した場合に、第５コンパレータＣＰ５の出力をローレベルからハイレベルへ切換え、駆動回路５のＰＦＭ制御を一時的に停止させる制御を行う。これにより、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutは、タイミングＴ１１からタイミングＴ１２までの期間として示されるように共に低下していくことになる。

【0055】

ここで、第１周波数閾値Ｆｔｈ１は、図５に示されるようにＰＦＭ制御の上限周波数Ｆmaxよりも低い周波数に設定されている。また、第１出力電圧閾値Ｖｔｈ１は、変調周波数Ｆmodが上限周波数Ｆmaxに一致するときの出力電圧Ｖoutの電圧値、すなわち本実施形態においては＋５％のラインよりも低い電圧に設定されている。そして、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutは、それぞれの閾値に達した場合に増加したと判定されることでＰＦＭ制御の間欠制御が開始される。これにより、スイッチング電源装置１は、変調周波数Ｆmodが上限周波数Ｆmaxに達する前の段階において確実に間欠制御を開始することができる。

【0056】

尚、図５においては、変調周波数Ｆmodが第１周波数閾値Ｆｔｈ１に達するタイミングと、出力電圧Ｖoutが第１電圧閾値Ｖｔｈ１である＋２％に達するタイミングとが同時であるものとして示している。ただし、これらのタイミングは必ずしも同時である必要は無い。例えば、間欠制御が開始されるタイミングＴ１１付近において、出力電圧Ｖoutが第１出力電圧閾値Ｖｔｈ１に達するよりも前に、変調周波数Ｆmodが第１周波数閾値Ｆｔｈ１に達するよう両者の閾値を設定してもよい。この場合には、出力電圧Ｖoutが第１電圧閾値Ｖｔｈ１である＋２％に上昇した時点で間欠制御が開始されることになるため、負荷電流Ｉloadが低下した場合における出力電圧Ｖoutの上限値を、任意の設定値（ここでは＋２％）で制限することができる。

【0057】

そして、タイミングＴ１２に示すように、変調周波数Ｆmodが第２周波数閾値Ｆｔｈ２まで低下し、又は出力電圧Ｖoutが第２出力電圧閾値Ｖｔｈ２である－２％まで低下した場合、図２に示す電圧判定ダイオードＤｖ又は周波数判定ダイオードＤｆが順バイアス状態になる。このため、間欠制御回路８は、変調周波数Ｆmod又は出力電圧Ｖoutの少なくとも一方が低下した場合に、第５コンパレータＣＰ５の出力をハイレベルからローレベルへ切換え、駆動回路５のＰＦＭ制御を再開させる制御を行う。

【0058】

これにより、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutは、タイミングＴ１２からタイミングＴ１３までの期間として示されるように共に再び増加していくことになる。しかし、スイッチング電源装置１は、軽負荷状態又は無負荷状態である期間においては、例えばタイミングＴ１３及び１４のようにＰＦＭ制御の停止及び再開を繰り返す間欠制御により出力電圧Ｖoutを±２％の範囲に制限することができる。

【0059】

ここで、第２出力電圧閾値Ｖｔｈ２は、－２％に限定されるものではないが、少なくとも目標電圧Ｖtargetよりも低く設定されることにより、間欠動作中の出力電圧Ｖoutが目標電圧Ｖtargetを跨ぐまでＰＦＭ制御の停止期間を確保し、間欠制御における動作効率の低下を抑制することができる。

【0060】

そして、タイミングＴ１５に示すように負荷電流Ｉloadが定格の0.1A以上まで回復すると、変調周波数Ｆmod及び出力電圧Ｖoutが定常周波数Ｆｓ及び目標電圧Ｖtargetにそれぞれ復帰して定常動作が継続される。

【0061】

以上のように、本実施形態に係るスイッチング電源装置１は、共振回路を介して一定の出力電圧Ｖoutを供給する電圧変換部２のＰＦＭ制御において、出力電圧ＶoutとＰＦＭ制御の変調周波数Ｆmodとが共に増加した場合に、ＰＦＭ制御の停止と再会を繰り返す間欠制御を行う。これによりスイッチング電源装置１は、例えば軽負荷状態又は無負荷状態により変調周波数Ｆmodの調整だけでは出力電圧Ｖoutの上昇を抑制することができない場合であっても、所定の電圧範囲内で出力電圧Ｖoutを制御することができる。このとき、スイッチング電源装置１は、出力電圧Ｖoutの上昇のみならず変調周波数Ｆmodの上昇も併せて監視することにより、出力電圧Ｖoutの上昇が負荷電流Ｉloadの低下又は内部故障等のいずれに起因するかを判断することができるため、内部故障時の適切なラッチオフを妨げることなく、負荷電流Ｉloadの低下を適切に見極めて出力電圧Ｖoutの上昇を低コストで抑制することができる。

【0062】

＜実施態様＞
本開示の第１の実施態様は、ＰＦＭ制御されるスイッチング素子及び共振回路により一定の目標電圧を出力する電圧変換部と、前記電圧変換部の出力電圧を前記ＰＦＭ制御の変調周波数に変換する周波数制御部と、前記変調周波数に基づいて前記スイッチング素子を前記ＰＦＭ制御で駆動する駆動回路と、を備え、前記変調周波数及び前記出力電圧が共に増加した場合に、前記駆動回路の前記ＰＦＭ制御を間欠制御する間欠制御回路と、を備えるスイッチング電源装置である。

【0063】

第１の実施態様に係るスイッチング電源装置は、共振回路を介して一定の出力電圧を供給する電圧変換部のＰＦＭ制御において、当該出力電圧とＰＦＭ制御の変調周波数とが共に増加した場合に、当該ＰＦＭ制御の停止と再会を繰り返す間欠制御を行う。これによりスイッチング電源装置は、例えば軽負荷状態又は無負荷状態により変調周波数の調整だけでは出力電圧の上昇を抑制することができない場合であっても、所定の電圧範囲内で出力電圧を制御することができる。このとき、スイッチング電源装置は、出力電圧の上昇のみならず変調周波数の上昇も併せて監視することにより、出力電圧の上昇が負荷電流の低下又は内部故障等のいずれに起因するかを判断することができるため、内部故障時の適切なラッチオフを妨げることなく、負荷電流の低下を適切に見極めて出力電圧の上昇を低コストで抑制することができる。

【0064】

本開示の第２の実施態様は、上記した第１の実施態様において、前記変調周波数は、前記ＰＦＭ制御の上限周波数よりも低く設定される所定の第１周波数閾値に達した場合に増加と判定され、前記出力電圧は、前記変調周波数が前記上限周波数である場合の電圧よりも低く設定される所定の第１出力電圧閾値に達した場合に増加と判定される、スイッチング電源装置である。

【0065】

第２の実施態様によれば、負荷電流が低下した場合に、変調周波数がＰＦＭ制御の上限周波数に達する前に間欠制御が開始されるよう、変調周波数及び出力電圧の増加を検出する閾値が設定されているため、出力上昇の制御が可能な段階で確実に出力電圧を抑制することができる。

【0066】

本開示の第３の実施態様は、上記した第２の実施態様において、前記間欠制御の開始時において、前記出力電圧が前記第１出力電圧閾値に達するよりも前に、前記変調周波数が前記第１周波数閾値に達するよう設定される、スイッチング電源装置である。

【0067】

第３の実施態様によれば、負荷電流が低下した場合に、先に変調周波数が第１周波数閾値に達し、その後に出力電圧が第１出力電圧閾値に達した時点でＰＦＭ制御の間欠制御が開始されるため、当該間欠制御における出力電圧を任意に設定した電圧範囲に制限することができる。

【0068】

本開示の第４の実施態様は、上記した第１乃至３のいずれかの実施態様において、前記駆動回路は、前記出力電圧が前記目標電圧よりも低い所定の第２出力電圧閾値に低下した場合に前記ＰＦＭ制御を再開する、スイッチング電源装置である。

【0069】

第４の実施態様によれば、ＰＦＭ制御の間欠動作において、ＰＦＭ制御を一時的に停止した後、出力電圧が目標電圧を跨ぐまでＰＦＭ制御の再開を保留して停止期間を確保することにより、間欠制御における動作効率の低下を抑制することができる。

【0070】

本開示の第５の実施態様は、ＰＦＭ制御されるスイッチング素子及び共振回路により一定の目標電圧を出力するスイッチング電源装置の制御方法であって、前記目標電圧として出力される出力電圧を前記ＰＦＭ制御の変調周波数に変換し、前記変調周波数に基づいて前記スイッチング素子を前記ＰＦＭ制御で駆動し、前記変調周波数及び前記出力電圧が共に増加した場合に、前記ＰＦＭ制御を間欠制御する、スイッチング電源装置の制御方法である。

【0071】

第５の実施態様に係るスイッチング電源装置の制御方法は、共振回路を介して一定の出力電圧を供給する電圧変換部のＰＦＭ制御において、当該出力電圧とＰＦＭ制御の変調周波数とが共に増加した場合に、当該ＰＦＭ制御の停止と再会を繰り返す間欠制御を行う。これによりスイッチング電源装置の制御方法によれば、例えば軽負荷状態又は無負荷状態により変調周波数の調整だけでは出力電圧の上昇を抑制することができない場合であっても、所定の電圧範囲内で出力電圧を制御することができる。このとき、スイッチング電源装置は、出力電圧の上昇のみならず変調周波数の上昇も併せて監視することにより、出力電圧の上昇が負荷電流の低下又は内部故障等のいずれに起因するかを判断することができるため、内部故障時の適切なラッチオフを妨げることなく、負荷電流の低下を適切に見極めて出力電圧の上昇を低コストで抑制することができる。

【0072】

本開示の第６の実施態様は、上記した第５の実施態様において、前記変調周波数は、前記ＰＦＭ制御の上限周波数よりも低く設定される所定の第１周波数閾値に達した場合に増加と判定され、前記出力電圧は、前記変調周波数が前記上限周波数である場合の電圧よりも低く設定される所定の第１出力電圧閾値に達した場合に増加と判定される、スイッチング電源装置の制御方法である。

【0073】

第６の実施態様によれば、負荷電流が低下した場合に、変調周波数がＰＦＭ制御の上限周波数に達する前に間欠制御が開始されるよう、変調周波数及び出力電圧の増加を検出する閾値が設定されているため、出力上昇の制御が可能な段階で確実に出力電圧を抑制することができる。

【0074】

本開示の第７の実施態様は、上記した第６の実施態様において、前記間欠制御の開始時において、前記出力電圧が前記第１出力電圧閾値に達するよりも前に、前記変調周波数が前記第１周波数閾値に達するよう設定される、スイッチング電源装置の制御方法である。

【0075】

第７の実施態様によれば、負荷電流が低下した場合に、先に変調周波数が第１周波数閾値に達し、その後に出力電圧が第１出力電圧閾値に達した時点でＰＦＭ制御の間欠制御が開始されるため、当該間欠制御における出力電圧を任意に設定した電圧範囲に制限することができる。

【0076】

本開示の第８の実施態様は、上記した第５乃至７のいずれかの実施態様において、前記出力電圧が前記目標電圧よりも低い所定の第２出力電圧閾値に低下した場合に前記ＰＦＭ制御を再開する、スイッチング電源装置の制御方法である。

【0077】

第８の実施態様によれば、ＰＦＭ制御の間欠動作において、ＰＦＭ制御を一時的に停止した後、出力電圧が目標電圧を跨ぐまでＰＦＭ制御の再開を保留して停止期間を確保することにより、間欠制御における動作効率の低下を抑制することができる。

【符号の説明】

【0078】

１ スイッチング電源装置
２ 電圧変換部
３ 帰還回路
４ 周波数制御部
５ 駆動回路
６ 出力電圧検出部
７ 過電圧保護回路
８ 間欠制御回路
８ａ 電圧上昇検出回路
８ｂ 周波数上昇検出回路
８ｃ 発振停止回路
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ
Ｔｒ トランス
Ｌｒ 共振コイル
Ｃｒ 共振コンデンサ
Ｄｖ 電圧判定ダイオード
Ｄｆ 周波数判定ダイオード
ＡＭＰ１、ＡＭＰｖ 第１アンプ、出力アンプ
ＣＰ２～ＣＰ５ 第２コンパレータ～第５コンパレータ
Ｒｅｆ１～Ｒｅｆ５ 第１基準電圧～第５基準電圧
Ｒ１～Ｒ６ 第１抵抗器～第６抵抗器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】