開關電源裝置制造方法
【專利摘要】控制電路（24）具有確定主開關元件（14）的接通時間以及斷開時間的運算單元（28）、以及生成使主開關元件（14）接通/斷開的驅(qū)動脈沖的驅(qū)動脈沖生成單元（30）。在運算單元（28）中，以負的一次函數(shù)等定義對輸出電壓（Vo）和輸出微分值（Vd）的關系進行規(guī)定的控制函數(shù)式。運算單元（28）以與主開關元件（14）的開關周期同步的定時，采樣輸入電壓信號（Vi）、輸出電壓信號（Vo），以滿足上述控制函數(shù)式的方式計算以后的主開關元件（14）的接通時間以及斷開時間。驅(qū)動脈沖生成單元（30）基于由運算單元（28）確定的接通時間以及斷開時間，生成使主開關元件（14）接通/斷開的驅(qū)動脈沖（V14）。
【專利說明】開關電源裝置【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及使用數(shù)字控制型的控制電路使輸出恒定電壓化的開關電源裝置。
【背景技術】
[0002]以往，存在一種開關電源裝置，用使用了數(shù)字處理器等的智能性高的數(shù)字控制型的控制電路進行PWM(Pulse Width Modulation:脈沖寬度調(diào)制)控制、PFM(PulseFrequency Modulation:脈沖頻率調(diào)制)控制等,來使輸出恒定電壓化。特別在近年，強烈要求相對于電源裝置的外部環(huán)境的驟變減小輸出電壓的過渡性的變動的技術。 [0003]作為開關電源裝置的外部環(huán)境驟變的狀況，有輸入電壓在工作中急劇地變動、或負載的狀態(tài)變化從而輸出電流急劇地增減的情況。另外，在停止的開關電源裝置中，接通輸入電壓并啟動時的動作也成為問題。
[0004]例如，在為信息通信設備或服務器所用的開關電源裝置的情況下，可能頻繁地發(fā)生輸出電流從大致零到額定負載急劇地變化的狀況，所以要求輸出電壓控制相對于負載驟變的高速響應特性。并且，可以設想，在從一個輸入電源線對多個插件基板進行電壓供應的系統(tǒng)中，在保養(yǎng)時其他的插件基板被熱插拔，從而系統(tǒng)的電源線的負載狀態(tài)變化，從該電源線接受電力供應的開關電源裝置的輸入電壓驟變。因此，在這種系統(tǒng)中所用的開關電源裝置中，要求輸出電壓控制相對于輸入驟變的高速響應特性。并且，作為一般的事項，在接通輸入電壓時，在輸出電壓從零起上升并達到指定的輸出電壓的過程中產(chǎn)生超調(diào)(overshoot)或振動時，作為負載的電子設備可能會誤動作或故障，所以要求開關電源裝置的輸出電壓單調(diào)地增加并上升。
[0005]為了解決上述課題，提出了如例如專利文獻I所公開的那樣開關電源裝置，該開關電源裝置取得與動作中的輸入電壓相當?shù)男盘?輸入電壓信號)、與輸出電壓相當?shù)男盘?輸出電壓信號)以及與對該輸出電壓的變化進行表不的輸出電壓微分值相當?shù)男盘?輸出微分信號)，基于各信號進行指定的數(shù)字運算處理，來確定主開關元件的接通時間以及斷開時間。該開關電源裝置在控制電路的運算單元中，以斜率為負的一次函數(shù)定義了對輸出電壓信號與輸出微分值的關系進行規(guī)定的控制函數(shù)式。運算單元以與主開關元件的開關周期同步的定時，采樣輸入電壓信號、輸出電壓信號以及輸出微分信號，以滿足上述的控制函數(shù)式的方式計算以后的主開關元件的接通時間以及斷開時間。而且，基于由運算單元所確定的接通時間以及斷開時間，驅(qū)動脈沖生成單元生成使主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖。此時，輸出微分信號通過對平滑電容器的電流進行測定的電容器電流檢測單元、或?qū)敵鲭妷盒盘栠M行微分的微分單元等而獲得。
[0006]在先技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特開2011-91974號公報
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]發(fā)明要解決的課題
[0010]但是，在為專利文獻I的開關電源裝置的情況下，輸入電壓信號以及輸出電壓信號都是簡單地通過A/D變換器將輸入電壓以及輸出電壓的模擬信息數(shù)字化后的信號，要獲得輸出微分信號并不容易。例如，在為測定在平滑電容器中流動的電流并該模擬信息數(shù)字化而獲得輸出微分信號的方法的情況下，通常設置電流一電壓變換電路，在將電容器電流變換為電壓信號之后，必須通過A/D變換器進行數(shù)字化，存在電源裝置大型或損失增加等問題。另外，在為對通過A/D變換器數(shù)字化后的輸出電壓信號進行微分運算來獲得輸出微分信號的方法的情況下，隨著計算次數(shù)的增大，控制的延遲成為問題，所以為了使控制電路高速動作，必須削減控制電路的功能來減少計算次數(shù)、或使用能夠高速動作的高價的微型計算機。
[0011]本發(fā)明是鑒于上述【背景技術】而做出的，其目的在于，提供具有使相對于電源裝置的外部環(huán)境的驟變的過渡性的輸出電壓的變動減小的高速響應特性并且小型化、低成本化容易的數(shù)字控制型的開關電源裝置。
[0012]用于解決課題的手段
[0013]本發(fā)明的開關電源裝置，具備:電力變換電路，包含進行接通/斷開動作的主開關元件；以及控制電路，通過控制該接通/斷開動作，使輸出電壓恒定電壓化，上述控制電路具有:運算單元，確定上述主開關元件的接通時間以及斷開時間；以及驅(qū)動脈沖生成單元，生成使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖，在上述運算單元中，包含輸出電壓及對該輸出電壓的變化進行表不的輸出微分值作為變量，將這兩個變量的關系定義為與輸出電壓的一個值相對應的輸出微分值僅存在一個的連續(xù)函數(shù)式并且是以如下方式規(guī)定的控制函數(shù)式，即，在輸出電壓處于比使該輸出電壓恒定電壓化的目標值低的范圍時，對應的輸出微分值為正的值，在輸出電壓處于比目標值高的范圍時，對應的輸出微分值為負的值，在輸出電壓與目標值相等時，對應的輸出微分值為零，上述運算單元，以與主開關元件的開關周期同步的定時，采樣檢測到輸入電壓的輸入電壓信號和檢測或估計出輸出電壓的輸出電壓信號，以基于采樣到的這兩個信號導出的下次或這以后的采樣定時下的輸出電壓信號以及輸出微分值滿足由上述控制函數(shù)式所規(guī)定的關系的方式，進行對該采樣定時以后的開關周期中的主開關元件的接通時間以及斷開時間中的至少一方進行計算的運算處理，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成上述驅(qū)動脈沖，以在上述兩個信號的采樣定時以后的開關周期中，基于由上述運算單元所確定的接通時間以及斷開時間使上述主開關元件接通/斷開。
[0014]可以是，上述運算單元按上述主開關元件的每個開關周期進行上述各信號的采樣、及計算接通時間以及斷開時間中的至少一方的運算處理。在此情況下，上述電力變換電路，在上述主開關元件的接通期間，停止從輸入直流電源對輸出的電力供應并通過輸入直流電源對內(nèi)置的電感元件進行勵磁，在上述主開關元件的斷開期間，進行將蓄積于上述電感元件的勵磁能量釋放至輸出來進行電力供應的動作，上述運算單元在上述電感元件正在釋放勵磁能量期間進行上述各信號的采樣。上述驅(qū)動脈沖生成單元，生成將夾著上述各信號的采樣周期的中間時刻且前后相等的期間作為上述主開關元件的接通期間的驅(qū)動脈沖、或生成將夾著該采樣周期的中間時刻且前后相等的期間作為上述主開關元件的斷開期間的驅(qū)動脈沖。
[0015]可以是，上述電力變換電路，在上述主開關元件的接通期間，從輸入直流電源對輸出進行電力供應，并且通過輸入直流電源對內(nèi)置的電感元件進行勵磁，在上述主開關元件的斷開期間，進行將蓄積于上述電感元件的勵磁能量釋放至輸出來繼續(xù)電力供應的動作，上述運算單元，以上述主開關元件的開關周期的一半的周期，進行上述各信號的采樣、及計算接通時間以及斷開時間中的至少一方的運算處理，上述驅(qū)動脈沖生成單元，生成將夾著開關的一個周期之中的第二次采樣定時的前后的期間作為上述主開關元件的接通期間的驅(qū)動脈沖、或生成將夾著該第二次采樣定時的前后的期間作為上述主開關元件的斷開期間的驅(qū)動脈沖。
[0016]上述控制電路具備狀態(tài)變量估計單元，該狀態(tài)變量估計單元利用特定的電路部分的檢測值來估計檢測困難的地方的動作狀態(tài)，上述狀態(tài)變量估計單元進行如下處理，即，以上述運算單元采樣輸入電壓信號的定時，獲得該輸入電壓信號以及檢測了輸出電壓的輸出電壓信號，并且獲得上述運算單元在即將到達上述定時之前確定的接通時間以及斷開時間，并基于獲得的輸入電壓信號、輸出電壓信號、接通時間以及斷開時間，估計下一采樣定時的輸出電壓信號，上述運算單元，采樣該輸入電壓信號、輸出電壓信號、接通時間以及斷開時間、和上述狀態(tài)變量估計單元估計出的輸出電壓信號，并基于采樣到的信號進行上述的運算處理。
[0017]可以是，上述狀態(tài)變量估計單元進行如下處理，S卩，基于獲得的輸入電壓信號、輸出電壓信號、接通時間以及斷開時間，估計下一采樣定時的輸出電壓信號、以及由在輸出電流流動的路徑上存在的寄生電感引起的電壓下降成分，上述運算單元，采樣該輸入電壓信號、輸出電壓信號及接通時間以及斷開時間、和上述狀態(tài)變量估計單元估計出的輸出電壓信號以及上述電壓下降成分，并基于采樣到的信號進行上述的運算處理。另外，可以是，上述運算單元所定義的控制函數(shù)式以具有負的斜率的一次函數(shù)規(guī)定輸出電壓與輸出微分值的關系。
[0018]上述運算單元所定義的控制函數(shù)式規(guī)定為，在輸出電壓與目標值之差超過指定的值的范圍中，輸出微分值與輸出電壓無關，是恒定的。
[0019]可以是，上述運算單元以使互相的總計時間恒定的方式計算接通時間以及斷開時間這兩者?；蛘呱鲜鲞\算單元以接通時間恒定的方式計算斷開時間?；蛘?，上述運算單元以斷開時間恒定的方式計算接通時間。在此情況下，在由上述運算單元確定的接通時間以及斷開時間為作為接通的時間比而超過能夠變化的最大時間比的關系時，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成以該最大時間比使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖，在上述運算單元確定的接通時間以及斷開時間為作為接通的時間比而小于能夠變化的最小時間比的關系時，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成以該最小時間比使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖。
[0020]可以是，上述運算單元以相對于開關周期的接通的時間比恒定的方式計算接通時間以及斷開時間這兩者。在此情況下，在由上述運算單元確定的接通時間以及斷開時間的總計值超過能夠變化的最大時間時，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成以該最大時間使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖，在由上述運算單元確定的接通時間以及斷開時間的總計值低于能夠變化的最小時間時，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成以該最小時間使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖。
[0021]上述運算單元對于被初始設定為默認值的電路常數(shù)進行參數(shù)估計，并以使由上述運算單元采樣到的實際的輸出電壓信號與過去確定接通時間以及斷開時間時予想的該采樣定時的輸出電壓信號之差變小的方式進行更新。也可以是，定義將多個上述電路常數(shù)組合而成的常數(shù)即復合常數(shù)，上述參數(shù)估計以該復合常數(shù)的單位進行。另外，可以是，基于上述電路常數(shù)或上述復合常數(shù)的上述參數(shù)估計使用離線最小二乘法來進行。
[0022]在開關電源裝置中，例如，上述電力變換電路是具備使輸入電壓斷續(xù)的上述主開關元件、與上述主開關元件互補地接通/斷開的整流元件、對上述整流元件的兩端的斷續(xù)電壓進行平滑的平滑電感線圈以及平滑電容器的降壓斬波電路，
[0023]在上述運算處理電路中，使用上述主開關元件的開關周期T、上述平滑電感線圈的電感L、上述平滑電容器的容量C、上述輸出電流1以及上述平滑電感線圈的寄生電阻的電阻值R以下面的式子(I)、(2)定義的上述復合常數(shù)即P以及Vofs被初始設定為默認值，
[0024][數(shù)式I]
【權利要求】
1.一種開關電源裝置，具備: 電力變換電路，包含進行接通/斷開動作的主開關元件；以及 控制電路，通過控制該接通/斷開動作，使輸出電壓恒定電壓化， 上述控制電路具有: 運算單元，確定上述主開關元件的接通時間以及斷開時間；以及 驅(qū)動脈沖生成單元，生成使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖， 在上述運算單兀中，包含輸出電壓及對該輸出電壓的變化進行表不的輸出微分值作為變量，將這兩個變量的關系定義為:與輸出電壓的一個值相對應的輸出微分值僅存在一個的連續(xù)函數(shù)式并且是以如下方式規(guī)定的控制函數(shù)式，即，在輸出電壓處于比使該輸出電壓恒定電壓化的目標值低的范圍時，對應的輸出微分值為正的值；在輸出電壓處于比目標值高的范圍時，對應的輸出微分值為負的值；在輸出電壓與目標值相等時，對應的輸出微分值為零， 上述運算單元， 以與主開關元件的開關周期同步的定時，采樣檢測到輸入電壓的輸入電壓信號和檢測或估計出輸出電壓的輸出電壓信號； 以基于采樣到的這兩個信號導出的下次或這以后的采樣定時下的輸出電壓信號以及輸出微分值滿足上述控制函數(shù)式所規(guī)定的關系的方式，進行對該采樣定時以后的開關周期中的主開關元件的接通時間以及斷開時間中的至少一方進行計算的運算處理， 上述驅(qū)動脈沖生成單元生成 驅(qū)動脈沖，以在上述兩個信號的采樣定時以后的開關周期中，基于由上述運算單元所確定的接通時間以及斷開時間使上述主開關元件接通/斷開。
2.如權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述運算單元按上述主開關元件的每個開關周期進行上述各信號的采樣、及計算接通時間以及斷開時間中的至少一方的運算處理。
3.如權利要求2所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述電力變換電路，在上述主開關元件的接通期間，停止從輸入直流電源對輸出的電力供應并通過輸入直流電源對內(nèi)置的電感元件進行勵磁，在上述主開關元件的斷開期間，進行將蓄積于上述電感元件的勵磁能量釋放至輸出來進行電力供應的動作， 上述運算單元在上述電感元件正在釋放勵磁能量期間進行上述各信號的采樣。
4.如權利要求2所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述驅(qū)動脈沖生成單元，生成將夾著上述各信號的采樣周期的中間時刻且前后相等的期間作為上述主開關元件的接通期間的驅(qū)動脈沖、或生成將夾著該采樣周期的中間時刻且前后相等的期間作為上述主開關元件的斷開期間的驅(qū)動脈沖。
5.如權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述電力變換電路，在上述主開關元件的接通期間，從輸入直流電源對輸出進行電力供應，并且通過輸入直流電源對內(nèi)置的電感元件進行勵磁， 在上述主開關元件的斷開期間，進行將蓄積于上述電感元件的勵磁能量釋放至輸出來繼續(xù)電力供應的動作， 上述運算單元以上述主開關元件的開關周期的一半的周期，進行上述各信號的采樣、及計算接通時間以及斷開時間中的至少一方的運算處理，上述驅(qū)動脈沖生成單元，生成將夾著開關的一個周期之中的第二次采樣定時的前后的期間作為上述主開關元件的接通期間的驅(qū)動脈沖、或生成將夾著該第二次采樣定時的前后的期間作為上述主開關元件的斷開期間的驅(qū)動脈沖。
6.如權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述控制電路具備狀態(tài)變量估計單元，該狀態(tài)變量估計單元利用特定的電路部分的檢測值來估計檢測困難的地方的動作狀態(tài)， 上述狀態(tài)變量估計單元進行如下處理，即，以上述運算單元采樣輸入電壓信號的定時，獲得該輸入電壓信號以及檢測了輸出電壓的輸出電壓信號，并且獲得上述運算單元在即將到達上述定時之前確定的接通時間以及斷開時間，并基于獲得的輸入電壓信號、輸出電壓信號、接通時間以及斷開時間，估計下一采樣定時的輸出電壓信號， 上述運算單元，采樣該輸入電壓信號、輸出電壓信號、接通時間以及斷開時間、和由上述狀態(tài)變量估計單元估計出的輸出電壓信號，并基于采樣到的信號進行上述的運算處理。
7.如權利要求6所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述狀態(tài)變量估計單元進行如下處理，即，基于獲得的輸入電壓信號、輸出電壓信號、接通時間以及斷開時間，估計下一采樣定時的輸出電壓信號、以及由在輸出電流流動的路徑上存在的寄生電感引起的電壓下降成分， 上述運算單元，采樣該輸入電壓信號、輸出電壓信號及接通時間及斷開時間、和由上述狀態(tài)變量估計單元估 計出的輸出電壓信號及上述電壓下降成分，并基于采樣到的信號進行上述的運算處理。
8.如權利要求7所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述運算單元所定義的控制函數(shù)式，以具有負的斜率的一次函數(shù)規(guī)定輸出電壓與輸出微分值的關系。
9.如權利要求8所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述運算單元所定義的控制函數(shù)式被規(guī)定為，在輸出電壓與目標值之差超過指定的值的范圍中，輸出微分值與輸出電壓無關且為恒定的。
10.如權利要求9所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述運算單元，以使互相的總計時間恒定的方式計算接通時間以及斷開時間這兩者。
11.如權利要求9所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述運算單元，以接通時間恒定的方式計算斷開時間。
12.如權利要求9所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述運算單元，以斷開時間恒定的方式計算接通時間。
13.如權利要求10所述的開關電源裝置，其特征在于， 在上述運算單元確定的接通時間以及斷開時間為作為接通的時間比而超過能夠變化的最大時間比的關系時，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成以該最大時間比使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖， 在上述運算單元確定的接通時間以及斷開時間為作為接通的時間比而小于能夠變化的最小時間比的關系時，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成以該最小時間比使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖。
14.如權利要求9所述的開關電源裝置，其特征在于，上述運算單元，以相對于開關周期的接通的時間比恒定的方式計算接通時間以及斷開時間這兩者。
15.如權利要求14所述的開關電源裝置，其特征在于， 在上述運算單元確定的接通時間以及斷開時間的總計值超過能夠變化的最大時間時，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成以該最大時間使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖， 在上述運算單元確定的接通時間以及斷開時間的總計值低于能夠變化的最小時間時，上述驅(qū)動脈沖生成單元生成以該最小時間使上述主開關元件接通/斷開的驅(qū)動脈沖。
16.如權利要求15所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述運算單元對于被初始設定為默認值的電路常數(shù)進行參數(shù)估計，并以使由上述運算單元采樣到的實際的輸出電壓信號與過去確定接通時間以及斷開時間時予想的該采樣定時的輸出電壓信號之差變小的方式進行更新。
17.如權利要求16所述的開關電源裝置，其特征在于， 定義將多個上述電路常數(shù)組合而成的復合常數(shù)，上述參數(shù)估計以該復合常數(shù)的單位進行。
18.如權利要求16所述的開關電源裝置，其特征在于， 基于上述電路常數(shù)或上述復合常數(shù)的上述參數(shù)估計使用離線最小二乘法來進行。
19.如權利要求1所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述電力變換電路是具備使輸入電壓斷續(xù)的上述主開關元件、與上述主開關元件互補地接通/斷開的整流元件、對上述整流元件的兩端的斷續(xù)電壓進行平滑的平滑電感線圈以及平滑電容器的降壓斬波電路， 在上述運算處理電路中，使用上述主開關元件的開關周期T、上述平滑電感線圈的電感L、上述平滑電容器的容量C、上述輸出電流1以及上述平滑電感線圈的寄生電阻的電阻值R以下式(I )、(2)定義的上述復合常數(shù)P以及Vofs被初始設定為默認值，
20.如權利要求19所述的開關電源裝置，其特征在于， 上述運算單元，在進行上述參數(shù)估計的每個定時，使經(jīng)上述的運算處理確定的接通時間以及斷開時間小幅擴散變動，在輸出電壓隨著該擴散變動而變動的期間中進行各信號的采樣，并進行上述參數(shù)估計。`
【文檔編號】H02M3/155GK103620931SQ201280020146
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年7月25日 優(yōu)先權日:2011年7月26日
【發(fā)明者】臼田武史, 松尾芳樹 申請人:科索株式會社