JP4840377B2

JP4840377B2 - 電源回路及びその制御方法

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Publication number: JP4840377B2
Application number: JP2008030591A
Authority: JP
Inventors: 偉史内川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP2009194960A

Description

本発明は、電源回路及びその制御方法に関する。

近年の飛躍的なコンピュータ機器の発展に伴い、論理回路ごとに様々な供給電圧要求がある。
電源回路はこのような多種多様な要求に対して適切な電圧を安定して給電することが使命となる。
しかし電源回路出力電圧と実際の論理回路供給電圧には配線抵抗などによるドロップが生じるため規定の電圧を供給できていない可能性がある。
特にDC-DCコンバータから負荷までの配線が長い設計や供給電圧が低い場合にこの影響は顕著である。

そこで論理回路LSI(Large Scale Integrated circuit：大規模集積回路)近傍の供給電圧を計測して電源回路へフィードバックし、電源出力電圧を補正するリモートセンス機能が通常の電源回路には搭載されている。
リモートセンス機能の一般的な動作原理としては、電圧ドロップにより出力電圧より低くなった供給電圧をリモートセンス機能によりフィードバックし、供給電圧が規定値より高い場合は電源回路内のコンバータPWM(Pulse Width Modulation：パルス幅変調)制御のデューティ比を減少、低い場合は増加させるように制御することにより出力電圧を補正して規定値に安定化することが出来る。

しかし本発明に関連する電源回路のリモートセンス機能では供給電圧を直にフィードバックする構造であるため、負荷側(論理回路など)に異常が生じた際にその影響が電源回路内へ直接流入することが懸念される。
つまりDC-DCコンバータのフィードバック制御系において負荷からの外乱を防止する手段が無いため、負荷側の影響から電源回路を保護することが困難である。

そこで、このような問題を解決すべく種々の提案がなされ、リモートセンスに関する技術が特許文献１〜４に記載されている。
特許文献１に記載のリモートセンシング電位検出型車両用電源装置は、直流出力電圧を負荷（バッテリを含んでもよい）に出力する出力端子と、直流出力電圧を制御するスイッチング素子とを有するスイッチング電源回路部と、読み込まれる出力端子の電位としてのローカル電位並びに負荷の電位としてのリモートセンシング電位のうち、リモートセンシング電位が正常である場合にはリモートセンシング電位に基づいて決定したPWM制御信号により直流出力電圧を制御し、リモートセンシング電位が異常低下した場合にはローカル電位に基づいて決定したPWM制御信号により直流出力電圧を制御する電圧制御回路部とを備えるリモートセンシング電位検出型車両用電源装置において、電圧制御回路部は、リモートセンシング電位と所定のリモートセンシング基準電位との差であるリモートセンシング電位差を検出するリモートセンシング電位差検出回路と、ローカル電位と所定のローカル基準電位との差であってリモートセンシング電位差より正常時に大きく設定されたローカル電位差を検出するローカル電位差検出回路と、両電位差のうち小さい方の電位差に対応して形成したPWM制御信号によりスイッチング電源回路部のスイッチング素子をPWM制御するPWM制御回路と、を備えるものである。

このモートセンシング電位検出型車両用電源装置によれば、リモートセンシング電位とその基準電位との差（リモートセンシング電位差）と、ローカル電位とその基準電位との差（ローカル電位差）をダイオードを用いることなく互いに独立に検出し、ローカル電位差がリモートセンシング電位正常時より大きくなるように設定しておき、両電位差のうち小さい方の電位差によりPWM制御を行う。このようにすれば、正常時にはリモートセンシング電位に基づいたPWM制御により好適な駆動電圧を負荷に給電することができるとともに、車両の振動などにより負荷への電源配線が断線したり、接続不良となったとしても、リモートセンシング電位差が非常に大きくなるので素早くローカル電位差に応じたPWM制御に切り替えることができるとしている。

特許文献２記載のリモートセンス式安定電源保護回路は、負荷の電源供給端子の電圧をリモートセンスして電源出力を安定化するリモートセンス式安定化電源において、リモートセンス式電源の電源出力端子と負荷の電圧検出端子との間に直列に接続したダイオードおよび抵抗を有し、電源出力の異常からリモートセンス式安定化電源を保護するものである。

このリモートセンス式安定電源保護回路によれば、電源出力端子と電圧検出端子との間にダイオードと抵抗を直列に装入しているので、電源出力の異常に伴う過電圧の防止および過電流の制限に効果がるとともに、負荷電圧を正しく検出しフィードバックできるとしている。

特許文献３に記載のリモートセンシング回路は、電源回路から負荷に供給される電源回路の出力電圧を制御するリモートセンシング回路において、電源回路の出力端と負荷の入力端をそれぞれ切り替える切替スイッチと、この切替スイッチに接続される電圧を検出する第１の電圧検出器と、その検出電圧を基準電圧と比較して誤差電圧を出力する誤差増幅器と、この誤差増幅器の出力に基づいて電源回路の出力電圧を制御する制御回路と、負荷の入力電圧を基準電圧と比較し、その出力に基づいて切替スイッチを切り替える比較器とを備えるものである。

このリモートセンシング回路によれば、負荷の入力端の接続が外れ、或いはラインの電圧降下により負荷の入力端の電圧が低い場合には、切替スイッチは電源回路の出力端を第１の電圧検出器に接続し、電源回路の出力電圧を利用したループで電源回路の出力電圧を制御する。これにより、電源回路が規定の最大出力電力を超えることが防止され、電展開路の発振や故障が防止される。

特許文献４に記載のリモートセンス式電源供給装置は、電源装置から給電線を介して負荷へ給電し、負荷の両端から電源装置に電圧検出線を接続し、電源装置は電圧検出線を介して検出した負荷の両端の電圧に基づいて負荷に供給する電圧をフィードバック制御するリモートセンス式電源供給装置において、電源装置の正極側給電線接続端子と電源装置の正極側電圧検出線接続端子との間の電位差が予め設定した断線検出電圧を越えた場合、ならびに、電源装置の負極側給電線接続端子と電源装置の負極側電圧検出線接続端子との間の電位差が予め設定した断線検出電圧を越えた場合に、電源装置の動作を停止させまたは出力電圧を低減させる動作停止装置を備えたものである。

このリモートセンス式電源供給装置によれば、給電線の断線、ならびに、電圧検出線の断線を検出して、電源装置の動作を停止させたり、電源装置の出力電圧を低減させたりする構成としたので、給電線ならびに電圧検出線が正常に接続されていない状態で、負荷へ電力を供給するのを防止することができるとともに、電源装置ならびに負荷を保護することができるとしている。
特開２００５−４５９４５号公報特開平０３−１４５９２７号公報特開昭６１−２４０３０８号公報特開平１１−２２５４２９号公報

上述のように本発明に関連する電源のリモートセンスでは供給先の電圧情報を無尽蔵に取り込むため、負荷側に異常が発生した際に外乱となり電源回路フィードバック制御系に影響を及ぼす。
特に電源出力端から論理回路までの配線抵抗やコンデンサ容量によるRC遅延、VR回路などの漏れ電圧およびその他のノイズなどによる外乱によって供給電圧が出力電圧よりも瞬時もしくは常時高くなる場合、以下のようなコンバータのPWM制御誤動作が懸念される。
本発明に関連するリモートセンスでは電源回路へ伝達された負荷側の電圧値を参照してコンバータPWMデューティ比が制御されるため、供給電圧が出力電圧よりも高くなった場合に実際の電源出力電圧および電流量に対し適正値(設計値)よりも低いデューティ比で制御されるような現象が生じる。
このようにデューティ比が適性値よりも低い場合、PWM制御が破綻しているためコンバータ内のチョークコイルの電流連続性より電流変動に対する出力電圧変動が正にも負にも非常に大きくなる。
よって図５に示すように大きく電流増加もしくは電流減少した場合に出力電圧変動によるレギュレーション逸脱が容易に発生し、最悪の場合機器の破損や保護機能による電源回路の停止に至る可能性が示唆される。
図５は、本発明に関連する電源回路の問題点を説明するための説明図である。
同図より、１〜４の問題点が挙げられる。
１．負荷（論理回路）近傍での外乱により、出力電圧＞参照電圧となる。
２．参照電圧が高いという誤情報をリモートセンスが電源回路にフィードバックする。
３．PWMduty比が適正値より低くなり、チョークコイル制御が破綻する。
４．出力側の急激な電流変動により出力電圧不安定となる。

また、上述した特許文献１〜４に記載の発明は、リモートセンシング回路から電源回路へのノイズを防止しておらず、負荷側の影響から電源回路を保護が不十分である。
そこで、本発明の目的は、負荷側の異常に対する電源回路を保護を十分に行える電源回路及びその制御方法を提供することにある。

本発明の回路は、DC-DCコンバータと、前記DC-DCコンバータを保護するリモートセンス保護回路とを有する電源回路において、前記リモートセンス保護回路は、前記DC-DCコンバータの出力電圧Voと負荷側供給電圧Vrsとを比較し、負荷側の異常を検出する検出回路と、前記検出回路からの情報を参照して電源回路フィードバック系に返す参照電圧Vsenceを決定するフィードバック回路とを有し、正常時には参照電圧Vsense＝負荷側供給電圧Vrsとなるように制御を行い、異常の際には負荷側供給電圧Vrsを切り離し出力電圧Voをフィードバックし、前記出力電圧Vo＜負荷側供給電圧Vrsとなった場合、供給電圧Vrsの影響を阻止するために参照電圧Vsense＝出力電圧Voを出力し、リモートセンスを使用しない場合は、参照電圧Vsense＝出力電圧Vo−Ir*R （但し、Rは前記フィードバック回路の入力端間に接続された抵抗、IrはRに流れる電流）となるようにし、出力電圧Voをフィードバックして前記DC-DCコンバータを制御することを特徴とする。

本発明の方法は、DC-DCコンバータと、前記DC-DCコンバータを保護するリモートセンス保護回路とを有する電源回路の制御方法において、前記リモートセンス保護回路は、前記DC-DCコンバータの出力電圧Voと負荷側供給電圧Vrsとを比較し、負荷側の異常を検出する検出回路と、前記検出回路からの情報を参照して電源回路フィードバック系に返す参照電圧Vsenceを決定するフィードバック回路とを有し、正常時には参照電圧Vsense＝負荷側供給電圧Vrsとなるように制御を行い、異常の際には負荷側供給電圧Vrsを切り離し出力電圧Voをフィードバックし、前記出力電圧Vo＜負荷側供給電圧Vrsとなった場合、供給電圧Vrsの影響を阻止するために参照電圧Vsense＝出力電圧Voを出力し、リモートセンスを使用しない場合は、参照電圧Vsense＝出力電圧Vo−Ir*R （但し、Rは前記フィードバック回路の入力端間に接続された抵抗、IrはRに流れる電流）となるようにし、出力電圧Voをフィードバックして前記DC-DCコンバータを制御することを特徴とする。

本発明によれば、負荷側の供給電圧に異常が生じた際にはリモートセンスが遮断されるため、電源回路のフィードバック制御系を外乱から保護することが出来る。従って、負荷側の異常に対する電源回路を保護を十分に行える電源回路及びその制御方法の提供を実現することができる。

本発明に係る電源回路の一実施の形態は、DC-DCコンバータと、前記DC-DCコンバータを保護するリモートセンス保護回路とを有する電源回路において、前記リモートセンス保護回路は、前記DC-DCコンバータの出力電圧Voと負荷側供給電圧Vrsとを比較し、負荷側の異常を検出する検出回路と、前記検出回路からの情報を参照して電源回路フィードバック系に返す参照電圧Vsenceを決定するフィードバック回路とを有し、正常時には参照電圧Vsense＝負荷側供給電圧Vrsとなるように制御を行い、異常の際には負荷側供給電圧Vrsを切り離し出力電圧Voをフィードバックし、前記出力電圧Vo＜負荷側供給電圧Vrsとなった場合、供給電圧Vrsの影響を阻止するために参照電圧Vsense＝出力電圧Voを出力し、リモートセンスを使用しない場合は、参照電圧Vsense＝出力電圧Vo−Ir*R （但し、Rは前記フィードバック回路の入力端間に接続された抵抗、IrはRに流れる電流）となるようにし、出力電圧Voをフィードバックして前記DC-DCコンバータを制御することを特徴とする。
また、本発明に係る電源回路の制御方法の一実施の形態は、DC-DCコンバータと、前記DC-DCコンバータを保護するリモートセンス保護回路とを有する電源回路の制御方法において、前記リモートセンス保護回路は、前記DC-DCコンバータの出力電圧Voと負荷側供給電圧Vrsとを比較し、負荷側の異常を検出する検出回路と、前記検出回路からの情報を参照して電源回路フィードバック系に返す参照電圧Vsenceを決定するフィードバック回路とを有し、正常時には参照電圧Vsense＝負荷側供給電圧Vrsとなるように制御を行い、異常の際には負荷側供給電圧Vrsを切り離し出力電圧Voをフィードバックし、前記出力電圧Vo＜負荷側供給電圧Vrsとなった場合、供給電圧Vrsの影響を阻止するために参照電圧Vsense＝出力電圧Voを出力し、リモートセンスを使用しない場合は、参照電圧Vsense＝出力電圧Vo−Ir*R （但し、Rは前記フィードバック回路の入力端間に接続された抵抗、IrはRに流れる電流）となるようにし、出力電圧Voをフィードバックして前記DC-DCコンバータを制御することを特徴とする。

なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。

次に本発明に係る電源回路の実施例について図を参照して説明する。
図１は、本発明に係る電源回路の制御方法を適用した電源回路の一実施例を示す概念図である。
［構成の説明］
本発明に係るリモートセンス保護回路は図１に示すように負荷側の異常を検出するための検出回路と電源回路にフィードバックする参照電圧を決定するフィードバック回路から構成される。
検出回路は電源回路出力電圧Voと負荷側供給電圧Vrsを比較し、負荷側の異常を検出する回路である。
さらに検出回路からの情報を参照してフィードバック回路が選択的に自動で電源回路フィードバック系に返す参照電圧Vsenceを決定する。

［動作の説明］」
図２は、図１に示した電源回路の制御方法を説明するための動作原理図である。
上述のように比較回路に入力される出力電圧Voと負荷への供給電圧Vrsとを常時比較し、Vrs＞Voの時を異常動作とする。
異常の際には供給電圧Vrsを切り離し出力電圧Voをフィードバックすることを基本原理として、検出回路で低い方の値を参照電圧Vsenceとしてフィードバックするものである。
まず正常時には配線抵抗を考慮すると基本的に検出回路内ではVo ＞ Vrsが成り立つので、従来のリモートセンスと同様に参照電圧Vsense ＝ Vrsとなるようにフィードバック回路が制御を行い、供給電圧Vrsが電源回路にフィードバックされる。

しかし上述の課題のようにRC遅延や漏れ電圧、ノイズなどの影響によりVo ＜ Vrsとなった場合、供給電圧Vrsの影響を阻止するために参照電圧Vsense ＝ Voをフィードバック回路が出力する。

これにより負荷側に異常が生じ供給電圧Vrsが出力電圧Voより高くなった場合でも、PWMのデューティ比は出力電圧の変動を参照することが可能となるため、安定した制御を行うことが出来る。

またリモートセンスを使用しない場合は、供給電圧Vrsがopenとなるため自動的に参照電圧Vsense ＝ Vo−Ir*R となるように設計し、自動的に出力電圧VoをフィードバックしてDC-DCコンバータを制御する回路とする。
供給電圧Vrsがショートした場合は参照電圧Vsense ＝ 0であるため電源回路は自動的に停止する。
ただしこれは設計方針にて自在に変更可能である。
上記の動作を自動で繰り返すことにより正常な場合は供給電圧Vrsを、異常な場合は出力電圧Voを選択的にフィードバック系に返すことでDC-DCコンバータのPWM制御を常に安定して持続可能とすることができる。

次に本発明の他の実施例について説明する。
図３は、本発明に係る電源回路の制御方法を適用した電源回路の他の実施例を示す回路図である。同図は、本発明の一実現方法としてコンパレータとMOSFETを用いたリモートセンス保護回路を作成し、一般的なバックコンバータに適応した例を示す。
同図に示すバックコンバータは、リモートセンス保護回路と、抵抗Z1、Z2、コンパレータ、MOSFETを用いたインバータ、チョークコイルL、及びコンデンサCで構成されたリモートセンス回路とで構成されている。
同図のリモートセンスフィルタのMOSFETが切り離す手段を構成している。

図４は、図３に示した回路の動作原理図である。
図４に示す回路において、Vrs ＞ Voの異常時にフィードバックループを変更させることで上記の課題を解決できる。

［効果］
本実施例により負荷側の供給電圧に異常が生じた際にはリモートセンスが遮断されるため、電源回路のフィードバック制御系を外乱から保護することが出来る。
また異常時にも出力側からのフィードバックを受けてPWM制御できるため、常に出力変動に対して適正なデューティ比により安定したDC-DCコンバータの制御を常に持続可能とすることができる。

本発明は、非常に簡素で安価な回路であるため実現が容易であり、通常のDC-DCコンバータに組み込むことが可能である。

本発明に係る電源回路の制御方法を適用した電源回路の一実施例を示す概念図である。図１に示した電源回路の制御方法を説明するための動作原理図である。本発明に係る電源回路の制御方法を適用した電源回路の他の実施例を示す回路図である。図３に示した回路の動作原理図である。本発明に関連する電源回路の問題点を説明するための説明図である。

符号の説明

DC-DC converter DC-DCコンバータ
Ro 負荷
Vsense 参照電圧
Vo 出力電圧
Vrs 供給電圧
Rs : Interconnection Resistance 配線抵抗
L チョークコイル
C コンデンサ
R 抵抗
Vref DC-DCコンバータリファレンス電圧
Vi 入力電圧
+/-E 内部電圧、駆動電圧

Claims

DC-DCコンバータと、前記DC-DCコンバータを保護するリモートセンス保護回路とを有する電源回路において、
前記リモートセンス保護回路は、
前記DC-DCコンバータの出力電圧Voと負荷側供給電圧Vrsとを比較し、負荷側の異常を検出する検出回路と、前記検出回路からの情報を参照して電源回路フィードバック系に返す参照電圧Vsenceを決定するフィードバック回路とを有し、
正常時には参照電圧Vsense＝負荷側供給電圧Vrsとなるように制御を行い、異常の際には負荷側供給電圧Vrsを切り離し出力電圧Voをフィードバックし、前記出力電圧Vo＜負荷側供給電圧Vrsとなった場合、供給電圧Vrsの影響を阻止するために参照電圧Vsense＝出力電圧Voを出力し、リモートセンスを使用しない場合は、参照電圧Vsense＝出力電圧Vo−Ir*R （但し、Rは前記フィードバック回路の入力端間に接続された抵抗、IrはRに流れる電流）となるようにし、出力電圧Voをフィードバックして前記DC-DCコンバータを制御することを特徴とする電源回路。
DC-DCコンバータと、前記DC-DCコンバータを保護するリモートセンス保護回路とを有する電源回路の制御方法において、
前記リモートセンス保護回路は、前記DC-DCコンバータの出力電圧Voと負荷側供給電圧Vrsとを比較し、負荷側の異常を検出する検出回路と、前記検出回路からの情報を参照して電源回路フィードバック系に返す参照電圧Vsenceを決定するフィードバック回路とを有し、
正常時には参照電圧Vsense＝負荷側供給電圧Vrsとなるように制御を行い、異常の際には負荷側供給電圧Vrsを切り離し出力電圧Voをフィードバックし、前記出力電圧Vo＜負荷側供給電圧Vrsとなった場合、供給電圧Vrsの影響を阻止するために参照電圧Vsense＝出力電圧Voを出力し、リモートセンスを使用しない場合は、参照電圧Vsense＝出力電圧Vo−Ir*R （但し、Rは前記フィードバック回路の入力端間に接続された抵抗、IrはRに流れる電流）となるようにし、出力電圧Voをフィードバックして前記DC-DCコンバータを制御することを特徴とする電源回路の制御方法。