特許 7488111 電源装置と、電源装置の閾値を設定する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-13

(45)【発行日】2024-05-21

(54)【発明の名称】電源装置と、電源装置の閾値を設定する方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/145 20060101AFI20240514BHJP

【ＦＩ】

H02M3/145 C

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020091526

(22)【出願日】2020-05-26

(65)【公開番号】P2021191040

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2023-04-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002664

【氏名又は名称】弁理士法人相原国際知財事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 秀明

(72)【発明者】

【氏名】アナンダ ビターナゲ

(72)【発明者】

【氏名】▲濱▼田 健志

(72)【発明者】

【氏名】藤井 庸平

【審査官】尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１０３６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２５５９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０３５５１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／００－３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷装置に電力を供給する電源装置であって、
前記負荷装置を流れる出力電流を検出する電流検出部と、
検出された出力電流が入力される第１入力部と、過電流の有無を判定する閾値が入力される第２入力部とを備え、前記検出された出力電流と前記閾値とを比較して過電流の発生を判定する比較器と、
前記出力電流を前記負荷装置の最大許容電流以下に制御する制御部と、
を備え、
前記出力電流として、前記最大許容電流のｎ分の１（ｎは２以上の数）となる基準電流を前記負荷装置に流しているときに、前記第２入力部に、前記閾値に代えて、電流と対応して単調に且つ離散的に時間変化するデジタル値を入力し、前記基準電流と前記デジタル値との比較により前記比較器の出力が切り替わったときのデジタル値をｎ倍した値を前記閾値に設定する、ことを特徴とする電源装置。

【請求項2】

負荷装置を流れる出力電流を検出する電流検出部と、検出された出力電流が入力される第１入力部と、過電流の有無を判定する閾値が入力される第２入力部とを備え、前記検出された出力電流と前記閾値とを比較して過電流の発生を判定する比較器と、前記出力電流を前記負荷装置の最大許容電流以下に制御する制御部と、備え、前記負荷装置に電力を供給する電源装置において、前記閾値を設定する方法であって、
前記出力電流として、前記最大許容電流のｎ分の１（ｎは２以上の数）となる基準電流を前記負荷装置に流す工程と、
前記負荷装置に前記基準電流を流しているときに、前記第２入力部に、前記閾値に代えて、電流と対応して単調に且つ離散的に時間変化するデジタル値を入力する工程と、
前記基準電流と前記デジタル値との比較により前記比較器の出力が切り替わったときのデジタル値をｎ倍した値を、前記閾値として設定する工程と、
を有する、ことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源装置と、電源装置の閾値を設定する方法とに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、マイコンを使ったフルデジタル制御によるスイッチング電源が増えている。フルデジタル制御では、電源の出力電圧や出力電流、温度などのアナログ情報をＡ／Ｄコンバータなどでデジタル値に変換してマイコンに取り込み、これらのデータを基に各種制御を行い、スイッチング電源を最適な状態で動作させている。また、各種シーケンス動作をファームウエアで設定できるので、部品点数の削減が可能となり、システムの小型化が実現できる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

スイッチング電源において、フルデジタル制御を行うにあたり、負荷装置を流れる過電流を検出するために、過電流に対応したデジタル値からなる閾値を使用していた。しかしながら、デジタル制御では、電流の検出は、クロックサイクル毎の特定タイミングで行われるので、アナログ制御に比べて、検出される電流が低くなる傾向がある。また、電源を構成するコンデンサの容量のばらつきに起因してピーク電流が変化するために、検出電流に装置毎に個体差があった。

【0004】

本発明の目的は、過電流を判定するための閾値を装置毎に設定して実際の過電流判断に用いる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】

【0005】

＜本発明の第１の態様＞
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様は、負荷装置に電力を供給する電源装置であって、前記負荷装置を流れる出力電流を検出する電流検出部と、検出された出力電流が入力される第１入力部と、過電流の有無を判定する閾値が入力される第２入力部とを備え、前記検出された出力電流と前記閾値とを比較して過電流の発生を判定する比較器と、前記出力電流を前記負荷装置の最大許容電流以下に制御する制御部と、を備え、前記出力電流として、前記最大許容電流のｎ分の１（ｎは２以上の数）となる基準電流を前記負荷装置に流しているときに、前記第２入力部に、前記閾値に代えて、電流と対応して単調に且つ離散的に時間変化するデジタル値を入力し、前記基準電流と前記デジタル値との比較により前記比較器の出力が切り替わったときのデジタル値をｎ倍した値を前記閾値に設定する、ことを特徴とすることを特徴とする。

【0006】

上記構成により、比較器にて、負荷装置を流れる最大許容電流のｎ分の１となる一定の基準電流と、電流と対応したデジタル値とを比較し、このデジタル値を単調且つ離散的に時間変化させることによって、比較器からの出力変化を観察する。出力の変化が生じたときのデジタル値を基準電流に対応させる。この基準電流に対応させたデジタル値をｎ倍して得られた新たなデジタル値を、過電流を判別する閾値として設定する。電源装置の動作中は、設定された閾値を比較器の第２入力部に入力して、負荷装置の過電流の有無を判別する。

【0007】

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、負荷装置を流れる出力電流を検出する電流検出部と、検出された出力電流が入力される第１入力部と、過電流の有無を判定する閾値が入力される第２入力部とを備え、前記検出された出力電流と前記閾値とを比較して過電流の発生を判定する比較器と、前記出力電流を前記負荷装置の最大許容電流以下に制御する制御部と、備え、前記負荷装置に電力を供給する電源装置において、前記閾値を設定する方法であって、前記出力電流として、前記最大許容電流のｎ分の１（ｎは２以上の数）となる基準電流を前記負荷装置に流す工程と、前記負荷装置に前記基準電流を流しているときに、前記第２入力部に、前記閾値に代えて、電流と対応して単調に且つ離散的に時間変化するデジタル値を入力する工程と、前記基準電流と前記デジタル値との比較により前記比較器の出力が切り替わったときのデジタル値をｎ倍した値を、前記閾値として設定する工程と、
を有する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、負荷装置の過電流を判定する閾値を、電源装置の個体毎に設定して、実際の過電流判定に用いることができる。従って、負荷装置の過電流検出の検出精度を向上させることができる。また、閾値を設定するために、負荷装置に対して最大許容電流ではなく、そのｎ分の１の電流を流すので、電源装置及び負荷装置を構成する電気部品への負担を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図を示す。

【図2】最大許容電流のｎ分の１の電流を流して閾値を設定する方法を説明するグラフである。

【図3】最大許容電流の２分の１の電流を流して閾値を設定する方法を説明するグラフである。

【図4】ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１に、一実施形態に係る電源装置を示す。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

【0011】

＜電源装置の構成＞
図１に、一実施形態であるＤＣ／ＤＣコンバータ１を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、スイッチング回路１０と、スイッチング回路１０を制御する制御回路２０とを有する。

【0012】

スイッチング回路１０は、降圧チョッパ型であり、入力部１１と出力部１２との間に、第１コンデンサ１３と、スイッチング素子１４と、ダイオード１５と、インダクタ１６と、第２コンデンサ１７とを有する。入力部１１は、一対の入力端子１１Ａ，１１Ｂを有し、直流電源２に接続される。出力部１２は、一対の出力端子１２Ａ，１２Ｂを有し、負荷装置３に接続される。本実施形態において、負荷装置３に流すことのできる最大許容電流は１２Ａである。

【0013】

スイッチング回路１０は、入力部１１と出力部１２とを電気的に接続する高電位側の第１ラインＬ１と、低電位側の第２ラインＬ２とを含む。第１ラインＬ１には、入力端子１１Ａから出力端子１２Ａに向けて、スイッチング素子１４と、インダクタ１６とが直列に接続されている。

【0014】

スイッチング素子１４は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなり、ドレインが入力端子１１Ａに接続され、ソースがインダクタ１６に接続される。ＭＯＳＦＥＴのゲートには、後述する制御部からの制御信号が入力される。インダクタ１６は、一端がスイッチング素子１４に接続され、他端が出力端子１２Ａに接続される。

【0015】

第１コンデンサ１３は、電解コンデンサからなり、スイッチング素子１４の入力端子１１Ａ側おいて、第１ラインＬ１と第２ラインＬ２との間に接続され、入力部１１に入力される入力電圧を平滑化する。

【0016】

ダイオード１５は、第１ラインＬ１においてスイッチング素子１４とインダクタ１６との間のノードＮ１と、第２ラインＬ２のノードＮ２との間に接続される。ダイオード１５は、アノードがノードＮ２に接続され、カソードがノードＮ１に接続される。

【0017】

第２コンデンサ１７は、電解コンデンサからなり、インダクタ１６の出力側の第１ラインＬ１と第２ラインＬ２との間に接続され、インダクタ１６からの出力電圧を平滑化する。

【0018】

第２ラインＬ２には、抵抗Ｒが接続されて、スイッチング回路１０から出力されて負荷装置３を流れる出力電流を検出する。

【0019】

制御回路２０は、電圧検出部２１と、電流検出部２２と、アナログコンパレータ２３と、制御部２４と、メモリ２５とを有し、出力部１２から負荷装置３に向けて印加される出力電圧及び出力電流を制御する。特に、制御回路２０は、出力電流を最大許容電流以下に制御する。出力電流が最大許容電流を上回る場合は、制御回路２０は、負荷装置３に過電流が流れていると判断してスイッチング素子１４をオフに切替え、負荷装置３への電力の出力を遮断する。

【0020】

電圧検出部２１は、スイッチング回路１０の出力電圧を検出する。電流検出部２２は、出力電流を検出する。アナログコンパレータ２３は、第１及び第２入力部と１の出力部を有し、比較器として、第１入力部に入力される出力電流を第２入力部に入力される閾値と比較して、出力電流が過電流であるか否かを判別する。出力電流が閾値よりも大きい場合、アナログコンパレータ２３は、過電流検出信号を制御部２４に出力する。

【0021】

制御部２４は、マイコンからなり、スイッチング回路１０の出力電圧に基づき、スイッチング素子１４に対して制御信号を送りＰＷＭ制御を行う。また、制御部２４は、アナログコンパレータ２３の出力に基づき、出力電流が閾値を上回ると判断したときは、負荷装置３の過電流を検出したと判断し、過電流検出信号を送る。過電流検出信号に反応して、制御部２４は、スイッチング素子１４をオフにして電力の出力を遮断する。

【0022】

メモリ２５は、フラッシュメモリからなり、過電流を判別する閾値を格納する。

【0023】

また、制御回路２０は、フルデジタル制御を行うので、スイッチング回路１０を流れる電流値の各々を、デジタル変換したＡＤ値に対応させたテーブルをメモリ２５内に格納している。本実施形態では、ＡＤ値は、「デジタル値」の一例であり、１２ビットの２進数であるが、表記は１０進数である。従って、１２ビットの２進数で表すことのできる最大値は、１０進数の「４０９５」に対応する。

【0024】

＜電源装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータの動作＞
ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作について説明する。入力部１１に直流電源２から電力が入力されると、制御回路２０が起動され、制御部２４は、スイッチング素子１４に対してＰＷＭ制御を行う。スイッチング素子１４は、電圧検出部２１からの出力に基づき制御信号に応じてオンオフされ、オンのときは入力電力をインダクタ１６に供給し、オフのときは入力電力のインダクタ１６への供給を遮断する。従って、直流電源２からの入力電力は、第１コンデンサ１３で平滑化され、スイッチング素子１４でのＰＷＭ制御により電力が調整される。次に、電力は、インダクタ１６に供給され、第２コンデンサ１７での平滑化を経て、所望の出力電圧を備えた電力として出力部１２から出力される。

【0025】

また、負荷装置３を流れる出力電流は、電流検出部２２によって検出されて、アナログコンパレータ２３の第１入力部に入力される。アナログコンパレータ２３にて、出力電流は閾値と比較される。出力電流が閾値よりも小さい場合、制御部２４は、スイッチング素子１４のＰＷＭ制御を継続して負荷装置３への給電を継続する。一方、出力電流が閾値より大きい場合、アナログコンパレータ２３は、過電流検出信号を制御部２４に送る。制御部２４は、過電流検出信号の入力によりスイッチング素子１４をオフにし、電力供給を遮断する。

【0026】

＜閾値の設定方法＞
次に、負荷装置３の過電流を判定する閾値を設定する方法について、図２を参照しながら以下に説明する。

【0027】

ＤＣ／ＤＣコンバータ１を動作させて、負荷装置３に向けて出力電流を流す。負荷装置３の最大許容電流１２Ａを、図２に示すＡＤ値の最大値Ｔｍａｘに対応させる。そして、最大許容電流のｎ分の１の電流（ｎは２以上の数）が出力電流となるよう、制御部２４がスイッチング素子１４に対してＰＷＭ制御を行う。この出力電流が、基準電流として電流検出部２２で検出され、アナログコンパレータ２３の第１入力部に入力される。

【0028】

一方、アナログコンパレータ２３の第２入力部に、メモリ２５に格納したテーブルからＡＤ値を最大値から順次読み出して入力する。そして、アナログコンパレータ２３に入力されるＡＤ値を、時間の経過に伴い１つずつ単調に離散的に減少させる。ＡＤ値Ｔｃａｌを第２入力部に入力した時刻ｔ_１において、アナログコンパレータ２３の出力が、例えばＬＯＷからＨＩＧＨ（またはＨＩＧＨからＬＯＷ）に切り替わったとする。このとき、制御回路２０は、基準電流がＡＤ値「Ｔｃａｌ」に対応すると判断する。則ち、制御回路２０は、最大許容電流１２Ａのｎ分の１の電流がＡＤ値「Ｔｃａｌ」で検出されると認識する。次に、制御回路２０は、電流とＡＤ値とが比例関係であることを利用して、ＡＤ値「Ｔｃａｌ」をｎ倍にしたＡＤ値「ｎ・Ｔｃａｌ」を、１２Ａの過電流を判別する閾値としてメモリ２５に格納する。

【0029】

その後、実際にＤＣ／ＤＣコンバータ１を動作させるとき、メモリ２５に格納しているＡＤ値「ｎ・Ｔｃａｌ」を読み出して、アナログコンパレータ２３の第２入力部に入力して、負荷装置３の過電流を判別する閾値として用いる。

【0030】

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１毎に閾値を設定してメモリ２５に格納する。

【0031】

また、最大許容電流のｎ分の１の電流をＤＣ／ＤＣコンバータ１に流して閾値を求めるので、最大許容電流をＤＣ／ＤＣコンバータ１に流して閾値を求める場合に比較して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及び負荷装置３を構成する電気部品への負担を低減できる。

【0032】

次に、ｎ＝２として閾値を設定する方法を、図３を参照しながら以下に説明する。

【0033】

直流電源２からＤＣ／ＤＣコンバータ１への給電を開始してＤＣ／ＤＣコンバータ１を起動する。負荷装置３に流すことのできる最大許容電流は１２Ａ（１２ビットの２進数で４０９５）であるから、制御回路２０は、スイッチング素子１４に対するＰＷＭ制御により、最大許容電流の２分の１となる６Ａの電流を基準電流としてスイッチング回路１０に流す。この６Ａの基準電流が電流検出部２２で検出されて、アナログコンパレータ２３の第１入力部に入力される。

【0034】

一方、６Ａの基準電流をスイッチング回路１０に連続的に流しているときに、アナログコンパレータ２３の第２入力部に、メモリ２５に格納したテーブルからＡＤ値として最大値になる値「４０９５」から読み出して入力し、時間の経過に伴いＡＤ値を１つずつ単調に減少させる。ＡＤ値「２０００」を第２入力部に入力した時刻ｔ_２において、アナログコンパレータ２３の出力が、例えばＬＯＷからＨＩＧＨ（またはＨＩＧＨからＬＯＷ）に切り替わったとする。このとき、制御回路２０は、基準電流６ＡがＡＤ値「２０００」に対応すると認識する。次に、制御回路２０は、ＡＤ値「２０００」を２倍にしたＡＤ値「４０００」を、過電流１２Ａを判別する閾値としてメモリ２５に格納する。

【0035】

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を動作させるとき、メモリ２５に格納されたＡＤ値「２０００」を閾値として読み出す。「２０００」をアナログコンパレータ２３の第２入力部に入力させて、第１入力部に入力される入力電流と比較して、負荷装置３を流れる過電流の有無を判別する。

【0036】

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１毎に閾値を設定してメモリ２５に格納する。

【0037】

また、閾値を設定するために、スイッチング回路１０に最大許容電流ではなく、その２分の１の電流を流して閾値を求めるので、スイッチング回路１０に最大許容電流を流して閾値を求める場合に比較して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を構成する電気部品の破壊や損傷を防止できる。

【0038】

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作について、図４を参照して以下に説明する。ステップＳ１において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が電源２に接続されると、制御回路２０は、最大許容電流を含む初期設定をメモリ２５から読み出す。ステップＳ２において、閾値の設定が行われたか否かをチェックする。閾値の設定が既に行われている場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、ステップＳ３にて、制御回路２０は、メモリ２５から閾値を読み出し、アナログコンパレータ２３の第２入力部に入力する。閾値の設定が行われていない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、ステップＳ４にて、図２又は図３を参照して説明したように基準電流をスイッチング回路１０及び負荷装置３に流して閾値を設定し、アナログコンパレータ２３の第２入力部に入力する。閾値の読み出し又は設定が完了した後、ステップＳ５にて、制御回路２０は、起動要求が入力されたか否かをチェックする。起動要求が入力された場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、スイッチング回路１０を起動させる（ステップＳ６）。スイッチング回路１０の動作中に、負荷装置３への過電流が検出された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、アナログコンパレータ２３は、制御部２４に過電流検出信号を出力してスイッチング回路１０の動作を停止させる（ステップＳ９）。

【0039】

スイッチング回路１０の動作中、制御回路２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の停止要求が入力されたか否かをチェックする（ステップＳ８）。停止要求が入力された場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、制御回路２０は、スイッチング回路１０の動作を停止して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の運転を停止する（ステップＳ９）。

【0040】

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１毎に正確な閾値が設定されるので、負荷装置３を流れる過電流を適切に検出してＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を停止することができる。

【0041】

なお、上記実施形態において、ｎ＝２の場合を記載したが、ｎは、２以上であれば適宜の数を用いることができる。ｎが大きくなるにつれて、閾値を設定するために流す基準電流は最大許容電流に比べてより少量とすることができるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及び負荷装置３を構成する電気部品に対する負荷をより抑制することができる。

【符号の説明】

【0042】

１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３ 負荷装置
１０ スイッチング回路
２０ 制御回路
２２ 電流検出部
２３ アナログコンパレータ
２４ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】