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公開番号2021005959
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019118812
出願日20190626
発明の名称入力直流電圧を出力直流電圧に変換するスイッチングレギュレータ回路
出願人ファナック株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】接続される負荷に適したスイッチングレギュレータ回路を実現する。
【解決手段】入力された第1の電圧をスイッチング素子のオンオフ動作により第2の電圧に変換して負荷2側へ出力するスイッチングレギュレータ回路1は、スイッチングレギュレータ回路1の電源投入時に、スイッチングレギュレータ回路1に接続された負荷2に流れる負荷電流に関する情報を取得する負荷情報取得部14と、負荷情報取得部14により取得された負荷電流に関する情報に基づいて、負荷電流の大きさを判定する負荷電流判定部11と、負荷電流判定部11による判定結果に応じて、スイッチング素子に対するスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定部12と、スイッチング周波数設定部12が設定したスイッチング周波数に従ってスイッチング素子をオンオフ動作させるスイッチング制御部13と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
入力された第1の電圧をスイッチング素子のオンオフ動作により第2の電圧に変換して負荷側へ出力するスイッチングレギュレータ回路であって、
前記スイッチングレギュレータ回路に接続された負荷に流れる負荷電流の大きさを判定する負荷電流判定部と、
前記負荷電流判定部による判定結果に応じて、前記スイッチング素子に対するスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定部と、
前記スイッチング周波数設定部が設定した前記スイッチング周波数に従って前記スイッチング素子をオンオフ動作させるスイッチング制御部と、
を備える、スイッチングレギュレータ回路。
続きを表示(約 830 文字)【請求項2】
前記スイッチング周波数設定部は、前記負荷電流が大きいほど、前記スイッチング周波数をより低い値に設定する、請求項1に記載のスイッチングレギュレータ回路。
【請求項3】
前記負荷電流判定部は、前記負荷電流と少なくとも1つの閾値との比較結果に基づき、前記負荷電流の大きさを判定する、請求項1または2に記載のスイッチングレギュレータ回路。
【請求項4】
前記スイッチングレギュレータ回路の電源投入時に、前記負荷電流に関する情報を取得する負荷情報取得部をさらに備え、
前記負荷電流判定部は、前記負荷情報取得部により取得された前記負荷電流に関する情報に基づいて、前記負荷電流の大きさを判定する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータ回路。
【請求項5】
前記負荷電流に関する情報は、前記スイッチングレギュレータ回路が設けられた機械装置内に設けられた記憶部に記憶され、
前記負荷情報取得部は、前記記憶部から前記負荷電流に関する情報を取得する、請求項4に記載のスイッチングレギュレータ回路。
【請求項6】
前記負荷情報取得部は、前記スイッチングレギュレータ回路に接続された負荷から、前記負荷電流に関する情報を取得する、請求項4に記載のスイッチングレギュレータ回路。
【請求項7】
前記負荷情報取得部は、前記スイッチングレギュレータ回路に接続された負荷が有する抵抗から、前記負荷電流に関する情報を取得する、請求項6に記載のスイッチングレギュレータ回路。
【請求項8】
前記負荷電流に関する情報は、前記スイッチングレギュレータ回路が設けられたモータ駆動装置の上位コントローラに記憶され、
前記負荷情報取得部は、前記上位コントローラから前記負荷電流に関する情報を取得する、請求項4に記載のスイッチングレギュレータ回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、入力直流電圧を出力直流電圧に変換するスイッチングレギュレータ回路に関する。
続きを表示(約 7,400 文字)【背景技術】
【0002】
安定した直流電源電圧を負荷(装置)に供給する電源装置として、スイッチングレギュレータ回路が広く用いられている。スイッチングレギュレータ回路は、スイッチング素子のオンオフ動作により、入力された直流電圧を他の大きさの直流電圧に変換し、負荷側へ出力する。スイッチングレギュレータ回路は、FET(電界効果トランジスタ)などのスイッチング素子と、コイル(インダクタ)と、コンデンサとを備える。
【0003】
スイッチングレギュレータ回路は、安定した直流電圧を出力することから、スイッチングレギュレータ回路に接続される負荷の種類や数によって、スイッチングレギュレータ回路に接続された負荷に供給される電流(以下、「負荷電流」と称する。)の大きさが変わる。また、スイッチングレギュレータ回路では、所定のスイッチング周波数に従ってスイッチング素子をオンオフ動作させることから、負荷電流に当該スイッチング周波数に関連するリップル電流が含まれることになる。負荷電流に対するリップル電流の割合は、スイッチング周波数とコイルのインダクタンスとの組み合わせ如何により変わる。通常は、リップル電流が最大負荷電流に対してある一定の割合になるようなスイッチング周波数及びコイルのインダクタンスが選定される。
【0004】
例えば、スイッチング素子をオン/オフ制御して負荷電流を制御する電流制限回路において、負荷電流を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果と予め設定した負荷電流の上限値とを比較する比較手段と、該比較手段により負荷電流が上記上限値を越えたことが検出されると、上記スイッチング素子をオフ状態にするオフ制御手段と、所定の周期で上記スイッチング素子をオン状態にするオン制御手段と、を有することを特徴とする電流制限回路が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
例えば、電源のエネルギー伝達エレメントに結合される第1の端子と電源の供給レールに結合される第2の端子の間に結合された電力スイッチと、第3の端子および電力スイッチに結合された制御回路とを備えるスイッチング・レギュレータであって、第3の端子が電源の出力部に結合され、制御回路は、電源の出力に応じて帰還信号を生成するように結合され、制御回路は、帰還信号に応じて電力スイッチを切り換えるように結合されており、制御回路は、帰還信号の値の第1の範囲に対して、固定のスイッチング周波数で電力スイッチを切り換えるように結合され、制御回路は、帰還信号の値の第2の範囲に対して、帰還信号に応じて、サイクルをスキップすることなく電力スイッチのスイッチング周波数を変化させるように結合され、制御回路が、第3の端子に結合され、かつ帰還信号を生成するように結合される帰還信号回路と、帰還信号に応じて電力スイッチを切り換えるように結合されたパルス幅変調器回路とを含み、電力スイッチを切り換えるためにパルス幅変調器回路によって生成される駆動信号のオン時間値とオフ時間値が、電源の出力部に結合された負荷のレベルの関数として同時に変化し、帰還信号の値の第2の範囲に対しサイクルをスキップすることなく電力スイッチのスイッチング周波数を変化させるスイッチング・レギュレータが知られている(例えば、特許文献2参照。)。
【0006】
例えば、所定電圧値の直流電力を出力し、スイッチング周波数を変動させることにより出力電力を変化させるように構成されたスイッチング電源(11,51,52)と、前記スイッチング周波数に関する情報を取得し、その取得した情報に基づき、前記スイッチング周波数と同じ周波数の電磁ノイズ及び前記スイッチング周波数のn倍(nは2以上の自然数)の各n次周波数の電磁ノイズのうち少なくとも1つを対象電磁ノイズとして、その少なくとも1つの対象電磁ノイズのうち何れかが、特定の周波数を動作パラメータとして有する特定装置(103)に対してその特定の周波数での動作に影響を及ぼす可能性があるか否かを判定する判定部(20,22,24)と、前記判定部により、前記少なくとも1つの対象電磁ノイズのうち何れかが前記特定装置における前記特定の周波数での動作に影響を及ぼす可能性があると判定された場合に、前記スイッチング電源から電力供給を受けて動作する少なくとも1つの負荷のうち少なくとも1つの特定負荷(34,41,61)の消費電力を増加又は減少させるように構成された負荷制御部(20,22,24)と、を備えることを特徴とする電源制御装置が知られている(例えば、特許文献3参照。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
特開平09−074343号公報
特開2012−217336号公報
特開2016−152716号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上述のように、安定した出力直流電圧を有するスイッチングレギュレータ回路から出力されて負荷に供給される負荷電流の大きさは、スイッチングレギュレータ回路に接続される負荷の種類や数に依存する。スイッチングレギュレータ回路のスイッチング周波数が一定の下では、負荷電流が大きくなるほど、スイッチング素子の発熱が大きくなる。その一方で、発熱を抑えるためにスイッチング周波数を低く設定すると、リップル電流が大きくなる。特に負荷電流が小さい場合は、大きなリップル電流の発生により、負荷電流がマイナスになる期間が発生する。非同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路の場合、負荷電流がマイナスになる期間中は、スイッチングレギュレータ回路から負荷側に負荷電流が流れないことから、スイッチングレギュレータ回路としての動作が不安定になる。同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路の場合、負荷電流がマイナスになる期間中は、負荷側からスイッチングレギュレータ回路に向けて負荷電流が逆流するので、効率が悪くなる。
【0009】
また、スイッチングレギュレータ回路から出力される負荷電流の大きさをリアルタイムで監視しながらスイッチング周波数を変更させる方法も考えられる。しかしながら、スイッチング周波数の変更期間中は、スイッチングレギュレータ回路からの出力電圧が不安定になり、スイッチングレギュレータ回路に接続された負荷(装置)の動作に悪影響を及ぼす。
【0010】
したがって、接続される負荷に適したスイッチングレギュレータ回路を実現することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本開示の一態様によれば、入力された第1の電圧をスイッチング素子のオンオフ動作により第2の電圧に変換して負荷側へ出力するスイッチングレギュレータ回路は、スイッチングレギュレータ回路に接続された負荷に流れる負荷電流の大きさを判定する負荷電流判定部と、負荷電流判定部による判定結果に応じて、スイッチング素子に対するスイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定部と、スイッチング周波数設定部が設定したスイッチング周波数に従ってスイッチング素子をオンオフ動作させるスイッチング制御部と、を備える。
【発明の効果】
【0012】
本開示の一態様によれば、接続される負荷に適したスイッチングレギュレータ回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
本開示の一実施形態による同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路を示す図である。
本開示の一実施形態による非同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路を示す図である。
本開示の一実施形態によるスイッチングレギュレータ回路の動作を説明するフローチャートである。
本開示の一実施形態による同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路において設定されるスイッチング周波数と負荷電流とリップル電流との関係を例示する図である。
本開示の一実施形態による同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路におけるスイッチング指令と負荷電流に発生するリップル電流との関係を例示する波形図であって、(A)はスイッチング素子を高スイッチング周波数でオンオフ動作させた場合を例示し、(B)はスイッチング素子を低スイッチング周波数でオンオフ動作させた場合を例示する。
従来のスイッチングレギュレータ回路において負荷電流が小さい場合に低いスイッチング周波数にてスイッチング素子をオンオフ動作させたときの波形図であって、(A)は同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路の波形を例示し、(B)は非同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路の波形を例示する。
第1の形態による負荷情報取得部を有する本開示の一実施形態によるスイッチングレギュレータ回路を示す図である。
第2の形態による負荷情報取得部を有する本開示の一実施形態によるスイッチングレギュレータ回路を示す図である。
第3の形態による負荷情報取得部を有する本開示の一実施形態によるスイッチングレギュレータ回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下図面を参照して、入力直流電圧を出力直流電圧に変換するスイッチングレギュレータ回路について説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施するための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。
【0015】
図1は、本開示の一実施形態による同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路を示す図である。
【0016】
一例として、同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路1について説明する。同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路1は、FET(電界効果トランジスタ)などのスイッチング素子SW1及びSW2と、入力端子21と、出力端子22と、コイル23と、コンデンサ24とを備える。同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路1は、スイッチング素子SW1とスイッチング素子SW2とを交互にオンオフ動作させることで、入力端子21を介して入力された直流の第1の電圧である入力電圧V
in
を、直流の第2の電圧である出力電圧V
out
に変換し、これを出力端子22を介して出力する。スイッチング素子SW1及びスイッチング素子SW2に対するオンオフ動作のデューティー比を変えることにより、出力電圧V
out
の大きさを調節することができる。例えば、スイッチングレギュレータ回路1は、24[V]の入力電圧V
in
に対して5[V]の出力電圧V
out
を出力することができる。スイッチングレギュレータ回路1は、安定した出力電圧V
out
を出力することから、スイッチングレギュレータ回路に接続される負荷の種類や数によって、スイッチングレギュレータ回路に接続された負荷に供給される電流である負荷電流の大きさが変わる。
【0017】
本実施形態によるスイッチングレギュレータ回路1は、負荷電流判定部11と、スイッチング周波数設定部12と、スイッチング制御部13と、負荷情報取得部14とを備える。
【0018】
負荷情報取得部14は、スイッチングレギュレータ回路1の電源投入時に、スイッチングレギュレータ回路1に接続された負荷に流れる負荷電流に関する情報を取得する。
【0019】
負荷電流判定部11は、負荷情報取得部14により取得された負荷電流に関する情報に基づいて、負荷電流の大きさを判定する。例えば負荷電流判定部11は、負荷電流と少なくとも1つの閾値との比較結果に基づき、負荷電流の大きさを判定する。閾値の大きさは、スイッチングレギュレータ回路1が適用される環境に応じて、許容できるリップル電流の大きさや発熱量を考慮して適宜設定すればよい。
【0020】
スイッチング周波数設定部12は、負荷電流判定部11による判定結果に応じて、スイッチング素子SW1及びSW2に対するスイッチング周波数を設定する。スイッチングレギュレータ回路1から出力される負荷電流の大きさは、スイッチングレギュレータ回路1に接続される負荷の種類や数に依存する。本実施形態では、負荷電流が大きい場合は、スイッチング素子SW1及びSW2の発熱を抑えるために、スイッチング周波数を低く設定する。逆に、負荷電流が小さい場合は、負荷電流に対するリップル電流の割合を下げるために、スイッチング周波数を高く設定する。すなわち、本実施形態によれば、スイッチング周波数設定部12は、負荷電流が大きいほどスイッチング周波数をより低い値に設定する。逆に言えば、スイッチング周波数設定部12は、負荷電流が小さいほどスイッチング周波数をより高い値に設定するということである。
【0021】
スイッチング制御部13は、スイッチング周波数設定部12が設定したスイッチング周波数に従ってスイッチング素子SW1及びSW2をオンオフ動作させる。
【0022】
また、本開示の一実施形態は、図1に示した同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路1以外に、非同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路にも適用可能である。図2は、本開示の一実施形態による非同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路を示す図である。非同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路1は、FET(電界効果トランジスタ)などのスイッチング素子SWと、入力端子21と、出力端子22と、コイル23と、コンデンサ24とを備える。非同期整流方式のスイッチングレギュレータ回路1は、スイッチング素子SWをオンオフ動作させることで、入力端子21を介して入力された直流の第1の電圧でなる入力電圧V
in
を、直流の第2の電圧である出力電圧V
out
に変換してこれを出力端子22を介して出力する。スイッチング素子SWに対するオンオフ動作のデューティー比を変えることにより、出力電圧V
out
の大きさを調節することができる。
【0023】
負荷電流判定部11、スイッチング周波数設定部12、スイッチング制御部13及び負荷情報取得部14は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらをソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、ASIC、DSPあるいはFPGAなどの演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の各部の機能を実現することができる。例えばスイッチング制御部13は、コントロールICにより構築することができる。またあるいは、スイッチング周波数設定部12、スイッチング制御部13及び負荷情報取得部14を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。
【0024】
続いて、本開示の一実施形態によるスイッチングレギュレータ回路1の動作について、より詳細に説明する。
【0025】
負荷電流判定部11は、負荷電流と少なくとも1つの閾値との比較結果に基づき負荷電流の大きさを判定し、スイッチング周波数設定部12は、負荷電流判定部11による判定結果に基づき、負荷電流が大きいほどスイッチング周波数をより低い値に設定する。ここでは、一例として、負荷電流と2つの閾値I
th1
及びI
th2
とを比較して負荷電流の大きさを判定し、3種類のスイッチング周波数を設定する例について説明する。
【0026】
図3は、本開示の一実施形態によるスイッチングレギュレータ回路の動作を説明するフローチャートである。
【0027】
ステップS101において、スイッチングレギュレータ回路1の電源が投入(ON)される。スイッチングレギュレータ回路1内の負荷電流判定部11、スイッチング周波数設定部12、スイッチング制御部13及び負荷情報取得部14は、例えばスイッチングレギュレータ回路1が設けられた機械装置(例えばモータ駆動装置)から電源供給を受けて動作する。スイッチングレギュレータ回路1の電源が投入されることで、負荷電流判定部11、スイッチング周波数設定部12、スイッチング制御部13及び負荷情報取得部14は動作を開始する。
【0028】
ステップS102において、負荷情報取得部14は、スイッチングレギュレータ回路1に接続された負荷に流れる負荷電流に関する情報を取得する。
【0029】
ステップS103及びステップS104において、負荷電流判定部11は、負荷電流と2つの閾値I
th1
及びI
th2
とを比較し、負荷電流の大きさを判定する。第2の閾値I
th2
は第1の閾値I
th1
よりも大きい値に設定される。
【0030】
ステップS103における負荷電流判定部11による比較の結果、負荷電流が第1の閾値I
th1
未満であると判定された場合はステップS105へ進み、負荷電流が第1の閾値I
th1
以上であると判定された場合はステップS104へ進む。
(【0031】以降は省略されています)

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