JP7348667B2 - switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング電源に関するもので、特に又は例えば、半導体レーザーの駆動に用いる高速な立ち上り時間を有するパルスを出力できる電源に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply, and more particularly or to a power supply capable of outputting pulses with a fast rise time for use, for example, in driving semiconductor lasers.
近年半導体レーザーが多く用いられるようになってきている。半導体レーザーは従来の固体レーザー、炭酸ガスレーザーに比べ設置、保守が容易なメリットがあり、更に多く用いられていくと考えられる。更に、半導体レーザーは高出力になりつつあり、それとともに従来の連続駆動からパルス駆動を行いたいとの要求があり、それも高速のパルス駆動が必要になってきている。半導体レーザーを駆動するための電源は、従来ドロッパー電源が多く用いられているが、ドロッパー電源は効率が悪いために発熱が大きく、サイズも大きくなりがちである。すなわち、溶接、切断用途のレーザー加工機の場合多くは1立方メートル、50kg程度の電源設備を備えることが多く、多量の発熱に対応するため水冷となっており、メンテナンス上も使いやすいものではないのが現状である。 Semiconductor lasers have come into widespread use in recent years. Semiconductor lasers have the advantage of being easier to install and maintain than conventional solid-state lasers and carbon dioxide lasers, and are expected to become more widely used. Furthermore, as semiconductor lasers are becoming more powerful, there is a demand for pulsed driving instead of the conventional continuous driving, and high-speed pulsed driving is also becoming necessary. Conventionally, a dropper power supply is often used as a power supply to drive a semiconductor laser, but dropper power supplies are inefficient, generate a lot of heat, and tend to be large in size. In other words, most laser processing machines used for welding and cutting are equipped with power supply equipment that weighs about 1 cubic meter and weighs about 50 kg, and are water-cooled to cope with the large amount of heat generated, making them difficult to maintain and use. is the current situation.
半導体レーザーを駆動する電源は従来のドロッパー電源に代わりスイッチング電源を用いることが効率および小型化の点から望ましい。しかるにスイッチング電源はスイッチング素子により電源電流をON・OFFし、得られたパルス波形をコイルとコンデンサにより平滑化して出力電流のリップルを少なくするようにしている。そのため十分に綺麗な電源出力を得るためには、コイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスの値を大きくする必要があり、コイルとコンデンサによる遅延のため、高速なパルス波形の電源出力を得ることは難しいと言われている。一般的な汎用のスイッチング電源が用いられることがあるが、効率が良く小型にできる特徴の一方、電源の立ち上り時間は数ms以上と遅く、レーザー加工に必要な高速のパルス駆動には適していない。更にスイッチング電源を構成するスイッチング素子、コイルを複数用い、多相にしたものも例えば下記の特許文献1又は2に示すように提案されている。
From the viewpoint of efficiency and miniaturization, it is desirable to use a switching power supply instead of a conventional dropper power supply as the power supply for driving the semiconductor laser. However, in a switching power supply, the power supply current is turned on and off by a switching element, and the resulting pulse waveform is smoothed by a coil and a capacitor to reduce ripples in the output current. Therefore, in order to obtain a sufficiently clean power output, it is necessary to increase the values of the coil inductance and capacitor capacitance, and because of the delay caused by the coil and capacitor, it is difficult to obtain a high-speed pulse waveform power output. It is said. A general-purpose switching power supply is sometimes used, but while it is efficient and can be made compact, the power supply startup time is slow at several milliseconds or more, making it unsuitable for the high-speed pulse drive required for laser processing. . Furthermore, a multi-phase power supply using a plurality of switching elements and coils constituting a switching power supply has also been proposed, as shown in, for example,
上記した多相のものでも高速のパルス駆動には適していない。 Even the multiphase type described above is not suitable for high-speed pulse driving.
本発明はこういった従来の問題を解決するためになされたもので、例えばインダクタンス、キャパシタンスが極力小さな値のコイルとコンデンサを用い、得られる平滑化されないリップルの多い出力波形を、電源電圧を適切に設定又は選択し、ON・OFFするスイッチング素子を多相にて複数組み合わせ、例えば、高速な立ち上り時間と共に十分に綺麗な電源出力を得る方法を提供するものである。 The present invention was made in order to solve these conventional problems. For example, by using a coil and capacitor whose inductance and capacitance are as small as possible, the resulting unsmoothed output waveform with many ripples can be corrected by adjusting the power supply voltage appropriately. The present invention provides a method for obtaining a sufficiently clean power output with a fast rise time, for example, by combining a plurality of switching elements that are set or selected and turned on and off in a multiphase manner.
この目的を達成するための本発明の高速スイッチング電源は、一次電源、前記一次電源に繋がる複数(複数相)のスイッチング素子、複数のスイッチング素子に繋がる複数(複数相)のコイル、複数のコイルに繋がる一つのコンデンサ(一組のコンデンサを含む)により構成され、コイルの数(コイルの相数)に応じて電源電圧又は一次電源電圧を設定又は選択することにより、複数のコイルに流れる電流の総和(出力電流:負荷に流れる電流)を一定にする手段を有する。例えば、スイッチング素子は並列に配置され、それぞれのスイッチング素子にコイルが直列に接続されて、複数のコイルは並列に配置される。そして、例えば、複数のコイルに流れる電流が合流又は合成して負荷(例えばレーザー又はレーザーダイオード)に流れるように、例えばコンデンサと並列して負荷が接続され To achieve this objective, the high-speed switching power supply of the present invention includes a primary power supply, a plurality of switching elements (multiple phases) connected to the primary power supply, a plurality of coils (multiple phases) connected to the plurality of switching elements, and a plurality of coils. It is composed of one connected capacitor (including a set of capacitors), and by setting or selecting the power supply voltage or primary power supply voltage according to the number of coils (number of coil phases), it is possible to calculate the sum of the current flowing through multiple coils. It has means to keep the output current (output current: current flowing through the load) constant. For example, switching elements are arranged in parallel, coils are connected in series to each switching element, and the plurality of coils are arranged in parallel. Then, for example, a load is connected in parallel with the capacitor so that the currents flowing through the multiple coils are combined or combined and flow to the load (for example, a laser or a laser diode).
ここでは例えば、前記複数(複数相)のスイッチング素子のそれぞれは、スイッチング素子に接続された前記コイルの電流を変化させる又は制御する機能を有し、コイルの電流を増加させる駆動側のスイッチング素子とコイルの電流を減少させる還流側のスイッチング素子により構成される。例えば、駆動側のスイッチング素子がONで還流側のスイッチング素子がOFFのときは、一次電源から駆動側のスイッチング素子を介しコイルに電流が流れてコイルにエネルギーが蓄積され、駆動側のスイッチング素子がOFFで還流側のスイッチング素子がONのときは、還流側のスイッチング素子からコイルを通ってエネルギーを放出しながら電流が流れ続けるように構成できる。また、還流側のスイッチング素子の代わりにダイオードを用いることもできる。 Here, for example, each of the plurality of switching elements (multiple phases) has a function of changing or controlling the current of the coil connected to the switching element, and a drive-side switching element that increases the current of the coil. It is composed of a switching element on the freewheeling side that reduces the current in the coil. For example, when the switching element on the driving side is ON and the switching element on the freewheeling side is OFF, current flows from the primary power source to the coil via the switching element on the driving side, energy is stored in the coil, and the switching element on the driving side is turned off. When the switching element on the freewheeling side is OFF and the switching element on the freewheeling side is ON, the current may continue to flow from the switching element on the freewheeling side through the coil while releasing energy. Furthermore, a diode can be used instead of the switching element on the freewheeling side.
本発明のスイッチング電源は、コイルの個数(相数)がN個であり、N個のコイルに流れる電流の波形は同一であり、位相は2π/Nずつずれ、かつ電源電圧を出力電圧×( 1+( 電流が減少するコイルの本数)/( 電流が増加するコイルの本数))となるよう設定又は選択する手段を有することができる。出力電圧は負荷に加わる電圧である。N個のコイルを流れる電流は、どのタイミングにおいても電流が減少するコイルの本数及び電流が増加するコイルの本数は同一であるように制御される。あるいは、N個のコイルを流れる電流は、N=NON+NOFF(NON、NOFFは自然数)を満たすNON、NOFFについてコイル電流の増減周期の前半NON/Nで増加し、後半NOFF/Nで減少するように制御される。ここではどのタイミングにおいても電流が増加するコイルの本数はNONで電流が減少するコイルの本数はNOFFである。 In the switching power supply of the present invention, the number of coils (number of phases) is N, the waveforms of the currents flowing through the N coils are the same, the phases are shifted by 2π/N, and the power supply voltage is output voltage x ( 1+(number of coils where current decreases)/(number of coils where current increases)). Output voltage is the voltage applied to the load. The current flowing through the N coils is controlled so that the number of coils in which the current decreases and the number of coils in which the current increases are the same at any timing. Alternatively, the current flowing through N coils increases in the first half NON/N of the coil current increase/decrease cycle for NON and NOFF satisfying N=NON+NOFF (NON and NOFF are natural numbers), and decreases in the second half NOFF/N. controlled. Here, at any timing, the number of coils whose current increases is NON, and the number of coils whose current decreases is NOFF.
また、本発明のスイッチング電源は、複数のスイッチング素子を制御することにより、複数のコイルに流れる電流の総和(出力電流:負荷に流れる電流)を目標値に制御する手段を有することができる。 Furthermore, the switching power supply of the present invention can include means for controlling the sum of currents flowing through a plurality of coils (output current: current flowing through a load) to a target value by controlling a plurality of switching elements.
また、電源電圧又は一次電源電圧を変化させることにより、例えばコイルに流れる電流の増加速度を変化させ、複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御する手段を有することができる。 Further, by changing the power supply voltage or the primary power supply voltage, it is possible to have means for controlling the sum of the currents flowing through the plurality of coils to a target value by changing the rate of increase of the current flowing through the coils, for example.
更に、複数のスイッチング素子に挿入又は接続(例えば直列に接続)された抵抗値(抵抗の抵抗値)を変化させることにより、例えばコイルに流れる電流の減少速度を変化させ、複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御する手段を有することができる。 Furthermore, by changing the resistance value (resistance value of the resistor) inserted or connected (for example, connected in series) to multiple switching elements, for example, the rate of decrease of the current flowing through the coils can be changed, and the current flowing through the multiple coils can be changed. It is possible to have means for controlling the total sum to a target value.
次に、電源電圧又は一次電源電圧を変化させることにより立ち上げを速くする手段を有し、更に複数のスイッチング素子に挿入又は接続(例えば直列に接続)された抵抗値を変化させることにより立ち下げを速くする手段を有することができる。 Next, it has a means to speed up the startup by changing the power supply voltage or the primary power supply voltage, and further has a means to speed up the startup by changing the resistance value inserted or connected (for example, connected in series) to multiple switching elements. It is possible to have a means to speed up the process.
例えば、前記複数のスイッチング素子の制御、電源電圧の変化、挿入された抵抗値の変化は複数のコイルに流れる電流の総和が目標値より少ない時はコイルにより大きな電流が流れるように、複数のコイルに流れる電流の総和が目標値より大きい時はコイルにより少ない電流が流れるように動作させ、複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御する。 For example, by controlling the plurality of switching elements, changing the power supply voltage, and changing the inserted resistance value, when the sum of the currents flowing through the plurality of coils is less than the target value, a larger current flows through the coil. When the sum of the currents flowing through the coils is larger than the target value, the coils are operated so that less current flows, and the sum of the currents flowing through the plurality of coils is controlled to the target value.
更にこの目的を達成するための本発明のスイッチング電源は、コイルとコンデンサによって決まる共振周波数がスイッチング周波数の0.1倍以上となる特徴を有し、立ち上り時にもしくは出力電流に応じて相数(動作する相数)を増減する特徴を有し、出力電流に応じてクロック周期を変化する特徴を有し、複数のコイルに流れる電流値を揃える特徴を有し、位相補償をディジタル制御により実現する特徴を有することができる。 Furthermore, the switching power supply of the present invention to achieve this object has the characteristic that the resonance frequency determined by the coil and the capacitor is 0.1 times or more of the switching frequency, and the number of phases (operation It has the feature of increasing or decreasing the number of phases), the feature of changing the clock cycle according to the output current, the feature of matching the current value flowing through multiple coils, and the feature of realizing phase compensation by digital control. can have.
そして、上記の手段を有するスイッチング電源によりレーザーを駆動することを特徴とするレーザー装置を実現することができる。負荷、レーザー又はレーザーダイオードは、例えば、複数のコイルと直列に接続され、かつ、コンデンサと並列に接続される。 Then, it is possible to realize a laser device characterized in that a laser is driven by a switching power supply having the above means. The load, laser or laser diode, for example, is connected in series with the plurality of coils and in parallel with the capacitor.
本発明により高出力の半導体レーザー装置に対しスイッチング電源による高速のパルス駆動が可能となり精密なレーザー加工を実現することができる。更にスイッチング電源を採用する手段により効率が高まり、小型化、低コスト化が可能となる。 According to the present invention, high-speed pulse drive using a switching power supply is possible for a high-output semiconductor laser device, and precise laser processing can be realized. Furthermore, by employing a switching power supply, efficiency is increased, and miniaturization and cost reduction are possible.
以下、本発明の第1の実施形態のスイッチング電源又はレーザー装置について、図1乃至図3を参照して説明する。 Hereinafter, a switching power supply or a laser device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
第1の実施形態のスイッチング電源は、一次電源、一次電源に繋がる複数のスイッチング素子、複数のスイッチング素子に繋がる複数のコイル、複数のコイルに繋がる一つのコンデンサにより構成され、電源電圧、すなわち一次電源電圧を設定又は選択する手段により複数のコイルに流れる電流の総和を一定にする構造を備えたものである。 The switching power supply of the first embodiment includes a primary power supply, a plurality of switching elements connected to the primary power supply, a plurality of coils connected to the plurality of switching elements, and one capacitor connected to the plurality of coils. This device has a structure in which the total sum of currents flowing through a plurality of coils is made constant by means of setting or selecting a voltage.
最初に第1の実施形態のスイッチング電源又はスイッチング電源装置の構成について図1を用いて説明する。 First, the configuration of the switching power supply or switching power supply device of the first embodiment will be described using FIG. 1.
図1において、10は一次電源である。一次電源10を構成するものとして、11は電源トランスであり二次側には複数のタップが引き出してあって、二次側の出力電圧を選択できる構造を有している。12はスイッチであり後に述べるように電源トランス11の二次側に準備されている複数のタップを選択することによりスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に与える電源電圧を設定又は選択できるようにするものである。13、14、15、16は整流ダイオードでありこれらによりブリッジ方式の整流を行う。17はコンデンサであり、整流ダイオード13、14、15、16により得られた脈流を直流にしてスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に与える一次電源電圧を得るものである。
In FIG. 1, 10 is a primary power source. The
18はFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)であり全体の制御を行う機能を有する。19はタイミング発生であり概ね1μsから3μsの周期にて位相の異なるタイミングパルスを発生させる機能を有する。
18 is an FPGA (field programmable gate array), which has a function of controlling the entire system. A
20、21、22、23はレベル変換回路でありタイミング発生19から与えられるタイミングパルスからスイッチング素子を駆動するパルスに変換する。24、25、26、27は駆動側のスイッチング素子であり、PチャネルのFETが使われ、ソース端子は上記一次電源電圧に接続される。28、29、30、31は還流側のスイッチング素子であり、NチャネルのFETが使われ、ドレイン端子は上記駆動側のスイッチング素子24、25、26、27のドレイン端子に接続されている。32、33、34、35は還流側のダイオードであり、ショットキーダイオードを用いて高速に電流の切り替えを実現し、還流側のスイッチング素子28、29、30、31に並列に接続される。還流側のダイオードは還流側のスイッチング素子と一体になって動作するが、還流側のスイッチング素子を省略し、還流側のダイオードのみにその役割を与えることも可能である。36、37、38、39はコイルでありコアに複数回の巻き線を施し、適切なそれぞれ同一のインダクタンスの値を有し、駆動側のスイッチング素24、25、26、27のドレイン端子もしくは還流側のスイッチング素28、29、30、31のドレイン端子から流れ込む電流をゆるやかな勾配で変化させる役割を持つ。40はコンデンサであり、コイル36、37、38、39から流れ込む電流を受けて一定の電圧を保つ役割を持つ。コンデンサ40と実質的に同じ機能を有すれば、複数のコンデンサを直列又は並列に配置することもできるのは言うまでもない。41は負荷となる半導体レーザーダイオードであり、コイル36、37、38、39に直列に、かつ、コンデンサ40に並列に接続され、通常のダイオードと同じく印加される電流に対し、電流が増加するに従い1.8V程度の両端電圧から2.1V程度までゆるやかに上昇する性質を持つ。より大きな光出力を得るため複数の半導体レーザーダイオードを直列に接続することがあり、その場合は接続数に応じてより大きな印加電圧が要求される。駆動側のスイッチング素子24と還流側のスイッチング素子28とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子25と還流側のスイッチング素子29とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子26と還流側のスイッチング素子30とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子27と還流側のスイッチング素子31とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成している。
20, 21, 22, and 23 are level conversion circuits that convert timing pulses given from the
次に第1の実施形態のスイッチング電源の動作を図2を用いて説明する。 Next, the operation of the switching power supply of the first embodiment will be explained using FIG. 2.
図2において42はタイミング発生19から出力される10ns~100ns程度の周期を有するクロックであり、高速スイッチング電源の動作の礎となる。43はタイミング発生19から出力されるタイミングパルスであり、レベル変換回路20を通して駆動側スイッチング素子24に与えられる。このタイミングパルスがONの時は駆動側スイッチング素子24がONとなり一次電源電圧をコイル36に印加しコイル電流i1を増加させる。44はタイミング発生19から出力されるタイミングパルスであり、レベル変換回路20を通して還流側スイッチング素子28に与えられる。このタイミングパルスがONの時は還流側スイッチング素子28がONとなりコイル36に流れるコイル電流i1を吸収する。45はコイル36の電流i1の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子24および還流側のスイッチング素子28の動作により電流の増加と減少を繰り返す。駆動側のスイッチング素子24がONのときは還流側のスイッチング素子28はOFFであり、駆動側のスイッチング素子24がOFFのときは還流側のスイッチング素子28はONであるが、この時、駆動側のスイッチング素子24と還流側のスイッチング素子28が同時にONすると駆動側のスイッチング素子24と還流側のスイッチング素子28に突き抜け電流が発生するためタイミング44はタイミング43の立ち下りより遅く立ち上り、タイミング44はタイミング43の立ち上りより早く立ち下がることが望まれる。
In FIG. 2, 42 is a clock having a period of about 10 ns to 100 ns, which is output from the
46はタイミング発生19から出力されるタイミングパルスであり、レベル変換回路21を通して駆動側スイッチング素子25に与えられる。このタイミングパルスがONの時は駆動側スイッチング素子25がONとなり一次電源電圧をコイル37に印加しコイル電流i2を増加させる。47はタイミング発生19から出力されるタイミングパルスであり、レベル変換回路21を通して還流側スイッチング素子29に与えられる。このタイミングパルスがONの時は還流側スイッチング素子29がONとなりコイル37に流れるコイル電流i2を吸収する。48はコイル37の電流i2の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子25および還流側のスイッチング素子29の動作により電流の増加と減少を繰り返す。タイミング46およびタイミング47はタイミング43およびタイミング44に対し1/4周期(位相は2π/4)遅く動作させる。
46 is a timing pulse outputted from the
49はタイミング発生19から出力されるタイミングパルスであり、レベル変換回路22を通して駆動側スイッチング素子26に与えられる。このタイミングパルスがONの時は駆動側スイッチング素子26がONとなり一次電源電圧をコイル38に印加しコイル電流i3を増加させる。50はタイミング発生19から出力されるタイミングパルスであり、レベル変換回路22を通して還流側スイッチング素子30に与えられる。このタイミングパルスがONの時は還流側スイッチング素子30がONとなりコイル38に流れるコイル電流i3を吸収する。51はコイル38の電流i3の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子26および還流側のスイッチング素子30の動作により電流の増加と減少を繰り返す。タイミング49およびタイミング50はタイミング43およびタイミング44に対し1/2周期(位相は2π/2)遅く動作させる。
49 is a timing pulse outputted from the
52はタイミング発生19から出力されるタイミングパルスであり、レベル変換回路23を通して駆動側スイッチング素子27に与えられる。このタイミングパルスがONの時は駆動側スイッチング素子27がONとなり一次電源電圧をコイル39に印加しコイル電流i4を増加させる。53はタイミング発生19から出力されるタイミングパルスでありレベル変換回路23を通して還流側スイッチング素子31に与えられる。このタイミングパルスがONの時は還流側スイッチング素子31がONとなりコイル39に流れるコイル電流i4を吸収する。54はコイル39の電流i4の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子27および還流側のスイッチング素子31の動作により電流の増加と減少を繰り返す。タイミング52およびタイミング53はタイミング43およびタイミング44に対し3/4周期(位相は2π×3/4)遅く動作させる。
52 is a timing pulse output from the
上記ではコイルの数N=4としてN個又はN相のコイルに流れる電流の波形は同一であり、位相は2π/N(2π/4)ずつずれることを説明した。 In the above description, it has been explained that the number of coils N=4, and the waveforms of the currents flowing through N coils or N phase coils are the same, and the phases are shifted by 2π/N (2π/4).
第1の実施形態のスイッチング電源において上記の動作に加えて複数のコイルに流れる電流の総和を一定にする手段として電源電圧を設定又は選択することが行われる。すなわち出力電圧をVO、電流が増加するコイルの本数をNON、電流が減少するコイルの本数をNOFFとして、電源電圧VSをVS=VO×(1+(NOFF/NON))となるよう設定又は選択するが、この原理を図2および図3を用いて説明する。 In addition to the above-described operations, the switching power supply of the first embodiment also sets or selects the power supply voltage as a means for keeping the sum of the currents flowing through the plurality of coils constant. In other words, set or select the power supply voltage VS so that VS=VO×(1+(NOFF/NON)), where the output voltage is VO, the number of coils where the current increases is NON, and the number of coils where the current decreases is NOFF. However, this principle will be explained using FIGS. 2 and 3.
図1において一次電源10はスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に一次電源電圧VSを供給する。駆動側スイッチング素子24がONの時は一次電源の電源電圧をVS、レーザー電源出力(負荷又はレーザーダイオード41出力電圧、負荷又はレーザーダイオード41に加わる電圧)をVO、コイル36のインダクタンスの値をLとして図2の45に示すコイル36に流れる電流i1はT秒後には次式の増加量i1ONとなる。
In FIG. 1, a
i1ON=(VS-VO)×T/L i1ON=(VS-VO)×T/L
駆動側スイッチング素子24がOFFの時は図2の45に示すコイル36に流れる電流i1はT秒後には次式の減少量i1OFFとなる。
When the driving
i1OFF=-(VO×T/L) i1OFF=-(VO×T/L)
図2の48に示すコイル37に流れる電流i2、51に示すコイル38に流れる電流i3、54に示すコイル39に流れる電流i4についても同一の一次電源電圧VSが印加されるため、電流i2のT秒後の増加量i2ON、電流i2のT秒後の減少量i2OFF、電流i3のT秒後の増加量i3ON、電流i3のT秒後の減少量i3OFF、電流i4のT秒後の増加量i4ON、電流i4のT秒後の減少量i4OFFは上記i1の場合のi1ON、i1OFFと同じとなる。すなわち、どのコイル36、37、38、39においてもT秒後の増加量iLONは(VS-VO)×T/Lとなり、T秒後の減少量iLOFFは-(VO×T/L)となる。レーザー出力電流はi1、i2、i3、i4の総和となるが、一定の値を保つためには、図2の45、48、51、54に示す各コイルに流れる電流について、どのタイミングにおいても、電流増加のコイルの電流増加量の合計と電流減少のコイルの電流減少量の合計との合算(iLON ×NON+iLOFF×NOFF)が0となる必要がある。すなわち、次式が成り立つ必要がある。
Since the same primary power supply voltage VS is applied to the current i2 flowing through the
iLON ×NON+iLOFF×NOFF=(VS-VO)×T/L×NON-VO×T/L×NOFF=0 iLON ×NON+iLOFF×NOFF=(VS-VO)×T/L×NON-VO×T/L×NOFF=0
これよりVS=VO×(1+(NOFF/NON))が得られる。 From this, VS=VO×(1+(NOFF/NON)) is obtained.
第1の実施形態のスイッチング電源での図2の45、48、51、54に示すコイル電流i1、i2、i3、i4のタイミングは前半1/2を増加、後半1/2を減少とする繰り返しサイクルを持ち、又は前半1/2を増加、後半1/2を減少とする繰り返しサイクルを持つと考えられるので、NON=NOFF=2であるからVSは次式となる。 In the switching power supply of the first embodiment, the timings of the coil currents i1, i2, i3, and i4 shown at 45, 48, 51, and 54 in FIG. 2 are repeated such that the first half is increased and the second half is decreased. Since it is considered to have a cycle, or a repeating cycle in which the first half is increased and the second half is decreased, NON=NOFF=2, so VS becomes the following equation.
VS=2×VO VS=2×VO
図3は第1の実施形態のスイッチング電源での図2の45、48、51、54に示すコイル電流i1、i2、i3、i4の変化を示している。図3に示すようにコイル36、コイル37、コイル38、コイル39に流れる電流i1、i2、i3、i4は上下する勾配が等しい三角波となり、すなわち等しい波形の三角波となり、コンデンサ40に流れ込む電流の総和であるレーザー出力電流iはi1+i2+i3+i4であり、a-bの区間では平坦な一定の値をとる。
FIG. 3 shows changes in coil currents i1, i2, i3, and i4 shown at 45, 48, 51, and 54 in FIG. 2 in the switching power supply of the first embodiment. As shown in FIG. 3, the currents i1, i2, i3, and i4 flowing through the
電源電圧VSは別の設定又は選択が可能であり、NON=3、NOFF=1であれば、すなわち、コイル電流が前半3/4を増加、後半1/4を減少とする繰り返しサイクルを持つ等しい波形の三角波であればVSは次式となりレーザー出力電流を平坦な一定の値とすることができる。 The supply voltage VS can be set or selected differently, if NON=3, NOFF=1, i.e. the coil current is equal with repeated cycles increasing in the first half and decreasing in the second half. If the waveform is a triangular wave, VS becomes the following equation, and the laser output current can be kept at a flat constant value.
VS=4/3×V0 VS=4/3×V0
すなわち出力電圧VOの4/3倍の電源電圧とし繰り返しサイクルの前半3/4を増加、後半1/4を減少とする位相がπ/2ずつずれている同一波形の電流とすれば、同様にレーザー出力電流は一定の値を得られる。 In other words, if the power supply voltage is 4/3 times the output voltage VO, and the current has the same waveform with the phase increasing by 3/4 in the first half of the repetition cycle and decreasing in the second half by π/2, the same waveform will be obtained. A constant value can be obtained for the laser output current.
図1に示す駆動側スイッチング素子24、25、26、27、還流側スイッチング素子28、29、30、31、コイル36、37、38、39には若干の抵抗値が存在するためその影響を上記の電源電圧に補正することもある。また、半導体レーザーダイオードが必要とする出力電圧が固定の値を持ち、コイルに流れる電流の波形が一種類の場合は対応する固定の一次電源電圧があればよいため図1における電源トランス11の複数のタップおよびスイッチ12は不要である。しかしながら、半導体レーザーダイオードが必要とする出力電圧が変化する場合又はコイルに流れる電流の波形が複数種類あって変化が可能な場合は対応する複数の一次電源電圧を得ることができるように一次電源電圧(タップ)を構成する必要がある。
Since there are some resistance values in the drive
コイルの数は負荷となる半導体レーザーダイオードの構成と許容できるリップルの量に応じて選定することができる。コイルの数に対するNONとNOFFの組み合わせ、増加時間と減少時間の組み合わせに応じた電源電圧は例えば次の表1により与えられる。表1では、それぞれのコイルに流れる電流波形は同一であり、位相は2π/コイルの数ずつずれる。 The number of coils can be selected depending on the configuration of the semiconductor laser diode serving as the load and the amount of tolerable ripple. The power supply voltage according to the combination of NON and NOFF and the combination of increase time and decrease time with respect to the number of coils is given by, for example, Table 1 below. In Table 1, the current waveforms flowing through each coil are the same, and the phases are shifted by 2π/number of coils.
従来の複数のコイルを有するスイッチング電源では本発明のコイル36、コイル37、コイル38、コイル39に相当するコイルのインダクタンスおよびコンデンサ40に相当するコンデンサのキャパシタンスの値を大きくしてコイルに流れる電流の総和を平均値において一定の値に保っている。
In a conventional switching power supply having a plurality of coils, the current flowing through the coils is increased by increasing the inductance of the coils corresponding to the
本発明による高速スイッチング電源は、各瞬間において電流の総和が一定の値に保たれるとの異なる特徴を有する。そのため本発明のコイル36、コイル37、コイル38、コイル39のインダクタンスおよびコンデンサ40のキャパシタンスは微小な値を与えることができる。この特徴により、レーザー電源出力の立ち上り時間を高速にすることができ、高速スイッチング電源を実現することができる。
The fast switching power supply according to the invention has the different feature that the sum of the currents at each moment is kept at a constant value. Therefore, the inductance of the
以下、本発明の第2の実施形態のスイッチング電源又はレーザー装置について、図4乃至図6を参照して説明する。 A switching power supply or laser device according to a second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 4 to 6.
第2の実施形態のスイッチング電源は、一次電源、前記一次電源に繋がる複数のスイッチング素子、複数のスイッチング素子に繋がる複数のコイル、複数のコイルに繋がる一つのコンデンサにより構成され、電源電圧、すなわち一次電源電圧を設定又は選択する手段とスイッチング素子を制御する手段により複数のコイルに流れる電流の総和を一定にし、すなわちリップルの量が減少したものとし、かつ、目標値に制御する構造を備えたものである。 The switching power supply of the second embodiment includes a primary power supply, a plurality of switching elements connected to the primary power supply, a plurality of coils connected to the plurality of switching elements, and one capacitor connected to the plurality of coils. A device with a structure that uses means for setting or selecting the power supply voltage and means for controlling the switching elements to keep the sum of the currents flowing through multiple coils constant, that is, to reduce the amount of ripple, and to control it to a target value. It is.
最初に第2の実施形態のスイッチング電源の構成について図4を用いて説明する。 First, the configuration of the switching power supply according to the second embodiment will be described using FIG. 4.
図4において、110は一次電源である。一次電源110を構成するものとして、111は電源トランスであり二次側には複数のタップが引き出してあって、二次側の出力電圧を選択できる構造を有している。112はスイッチであり後に述べるように電源トランス111の二次側に準備されている複数のタップを選択することによりスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に与える電源電圧を設定又は選択できるようにするものである。113、114、115、116は整流ダイオードでありこれらによりブリッジ方式の整流を行う。117はコンデンサであり、整流ダイオード113、114、115、116により得られた脈流を直流にしてスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に与える一次電源電圧を得るものである。
In FIG. 4, 110 is a primary power source. The
118はFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)であり全体の制御を行う機能を有する。119はタイミング発生であり概ね1μsから3μsの周期にて位相の異なるタイミングパルスを発生させる機能を有する。120、121、122は電圧-PWM(Pulse Width Modulation)変換回路であり、出力の差異電圧値をパルスの時間幅に変換する機能を有する。123、124、125はレベル変換回路であり電圧-PWM変換回路120、121、122から与えられるタイミングパルスからスイッチング素子を駆動するパルスに変換する。126、127、128は駆動側のスイッチング素子であり、PチャネルのFETが使われ、ソース端子は上記一次電源電圧に接続される。129、130、131は還流側のスイッチング素子であり、NチャネルのFETが使われ、ドレイン端子は上記駆動側のスイッチング素子126、127、128のドレイン端子に接続されている。132、133、134は還流側のダイオードであり、ショットキーダイオードを用いて高速に電流の切り替えを実現し、還流側のスイッチング素子129、130、131に並列に接続される。135、136、137はコイルでありコアに複数回の巻き線を施し、適切なそれぞれ同一のインダクタンスの値を有し、駆動側のスイッチング素子126、127、128のドレイン端子もしくは還流側のスイッチング素子129、130、131のドレイン端子から流れ込む電流をゆるやかな勾配で変化させる役割を持つ。138はコンデンサであり、コイル135、136、137から流れ込む電流を受けて一定の電圧を保つ役割を持つ。139は負荷となる半導体レーザーダイオードであり、コイル135、136、137に直列に、かつ、コンデンサ138に並列に接続され、通常のダイオードと同じく印加される電流に対し、電流が増加するに従い1.8V程度の両端電圧から2.1V程度までゆるやかに上昇する性質を持つ。140は半導体レーザーダイオード139に流れる電流を測定する電流検出抵抗であり数10mΩ程度の大電流を流せる抵抗が用いられる。より大きな光出力を得るため複数の半導体レーザーダイオードを直列に接続することがあり、その場合は接続数に応じてより大きな印加電圧が要求される。駆動側のスイッチング素子126と還流側のスイッチング素子129とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子127と還流側のスイッチング素子130とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子128と還流側のスイッチング素子131とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成している。
141はA/Dコンバータであり電流検出抵抗140の両端の電圧を数値に変換し、半導体レーザーダイオード139に流れる電流を数値化する。142は位相補償回路であり、ディジタルフィルタにより構成され、半導体レーザーダイオード139に流れる電流値を強く制御しても制御ループが発振しないように位相補償を行う役割を有する。143はレーザー電流レジスタであり位相補償回路142の出力を保持する。144は出力値レジスタであり目標とする半導体レーザーダイオード139に流す電流値を保持する。145は引き算回路でありレーザー電流レジスタ143の値と出力値レジスタ144の値を比較し半導体レーザーダイオード139に流す目標電流値と半導体レーザーダイオード139に流れている実際電流値の差異電圧値を出力する。
141 is an A/D converter that converts the voltage across the
次に第2の実施形態のスイッチング電源について電圧-PWM変換回路の構成を図5を用いて説明する。 Next, the configuration of the voltage-PWM conversion circuit for the switching power supply of the second embodiment will be explained using FIG. 5.
図5においてFPGA118、タイミング発生119、位相補償回路142、レーザー電流レジスタ143、出力値レジスタ144、引き算回路145、レベル変換回路123は図4に示したものである。図5は電圧-PWM変換回路120の構成を示すものであり、電圧-PWM変換回路121及び122部分は図示を省略しているが、電圧-PWM変換回路121及び122は電圧-PWM変換回路120と同様又は同一の構成のものである。
In FIG. 5, the
電圧-PWM変換回路120、121、122は、出力の差異電圧値をパルスの時間幅に変換する機能を有する。電圧-PWM変換回路120、121、123を構成するものとして146はカウンタでありタイミング発生119からの基準パルスを受け、時間と共に増加する数値を出力して駆動および還流のタイミングを発生する。147は引き算回路でありカウンタ146から与えられる出力と引き算回路145の出力である差異電圧値を引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。
The voltage-
148は駆動タイミングを与えるフリップフロップ(F.F.)であり、タイミング発生119からの基準パルスおよび引き算回路147の出力を受け、差異電圧値が小さければ短い幅のパルスを発生させ、駆動側のスイッチング素子126、127、128の駆動時間を縮め、差異電圧値が大きければ長い幅のパルスを発生させ、駆動側のスイッチング素子126、127、128の駆動時間を延長する機能を有する。149は還流タイミングを与えるフリップフロップ(F.F.)であり、タイミング発生119からの基準パルスおよび引き算回路147の出力を受け、差異電圧値が小さければ長い幅のパルスを発生させ、還流側のスイッチング素子129、130、131の駆動時間を延長し、差異電圧値が大きければ短い幅のパルスを発生させ、還流側のスイッチング素子129、130、131の駆動時間を短縮する機能を有する。
148 is a flip-flop (F.F.) that provides drive timing; it receives the reference pulse from the
次に第2の実施形態のスイッチング電源の動作を図6を用いて説明する。 Next, the operation of the switching power supply according to the second embodiment will be explained using FIG.
最初に図4における電圧-PWM変換回路120に関係する動作を説明する。図6において150はタイミング発生119から出力される10ns~100ns程度の周期を有するクロックであり、スイッチング電源の動作の礎となる。151は図5におけるカウンタ146のリセットおよびフリップフロップ148のセットのタイミングを示し、本実施形態ではタイミング発生119より3μs毎に規則正しくパルスが与えられる。152はフリップフロップ148のリセットのタイミングを示し、引き算回路147から出力されるパルスにより発生位置が変動する。153はフリップフロップ148の出力信号のレベル変換回路123を通しての駆動側のスイッチング素子126への入力を示し、フリップフロップ148のセットタイミングおよびリセットタイミングによりON、OFFを繰り返し、この入力がONの時は駆動側のスイッチング素子126を駆動する。154はフリップフロップ149のセットのタイミングを示し、本実施形態では引き算回路147から出力されるパルスにより発生位置が変動する。155はフリップフロップ149のリセットタイミングを示し、タイミング発生119より3μs毎に規則正しくパルスが与えられる。156はフリップフロップ149の出力信号のレベル変換回路123を通しての還流側のスイッチング素子129への入力を示し、フリップフロップ149のセットタイミングおよびリセットタイミングによりON、OFFを繰り返し、この入力がONの時は還流側のスイッチング素子129を駆動する。157はコイル135の電流i1の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子126および還流側のスイッチング素子129の動作により電流の増加と減少を繰り返す。駆動側のスイッチング素子126がONのときは還流側のスイッチング素子129はOFFであり、駆動側のスイッチング素子126がOFFのときは還流側のスイッチング素子129はONであるが、この時、駆動側のスイッチング素子126と還流側のスイッチング素子129が同時にONすると駆動側のスイッチング素子126と還流側のスイッチング素子129に突き抜け電流が発生するためフリップフロップ149のセットのタイミング154はフリップフロップ148のリセットのタイミング152より若干遅くし、フリップフロップ149のリセットタイミング155はフリップフロップ148のセットタイミング151より若干早く発生させるのが望まれる。
First, the operation related to the voltage-
次に図4における電圧-PWM変換回路121に関係する動作を説明する。電圧-PWM変換回路121は電圧-PWM変換回路120と同様に、カウンタ146、引き算回路147及びフリップフロップ148、149を有して構成され、タイミング発生119と引き算回路145の出力を受け、電圧-PWM変換回路120と同様に動作する。図6では電圧-PWM変換回路121のフリップフロップ148のセットリセットのタイミング及びフリップフロップ149のセットリセットのタイミングは、基本的には、電圧-PWM変換回路120のフリップフロップ148のセットリセットのタイミング及びフリップフロップ149のセットリセットのタイミングに対し1/3周期遅くなる。そして、フリップフロップ148のリセットのタイミング及びフリップフロップ149のセットのタイミングは引き算回路147から出力されるパルスにより発生位置が変動することとなるが図示は省略する。図6の158は駆動側スイッチング素子127への入力信号を示し、この入力がフリップフロップ148のセットからリセットまでに対応してONの時は駆動側のスイッチング素子127を駆動する。159は還流側スイッチング素子130への入力信号を示し、この入力がフリップフロップ149のセットからリセットまでに対応してONの時は還流側のスイッチング素子130を駆動する。160はコイル136の電流i2の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子127および還流側のスイッチング素子130の動作により電流の増加と減少を繰り返す。これらの158および159のパルス信号は、基本的に、タイミング153及びタイミング156に示したパルス信号(実線で示す信号)に対し1/3周期遅くなったタイミングにて動作する。
Next, the operation related to the voltage-
次に図4における電圧-PWM変換回路122に関係する動作を説明する。電圧-PWM変換回路122は電圧-PWM変換回路120と同様に、カウンタ146、引き算回路147及びフリップフロップ148、149を有して構成され、タイミング発生119と引き算回路145の出力を受け、電圧-PWM変換回路120と同様に動作する。図6では電圧-PWM変換回路122のフリップフロップ148のセットリセットのタイミング及びフリップフロップ149のセットリセットのタイミングは、基本的には、電圧-PWM変換回路120のフリップフロップ148のセットリセットのタイミング及びフリップフロップ149のセットリセットのタイミングに対し2/3周期遅くなる。そしてフリップフロップ148のリセットのタイミング及びフリップフロップ149のセットのタイミングは引き算回路147から出力されるパルスにより発生位置が変動することとなるが図示は省略する。図6の161は駆動側スイッチング素子128への入力信号を示し、この入力がフリップフロップ148のセットからリセットまでに対応してONの時は駆動側のスイッチング素子128を駆動する。162は還流側スイッチング素子131への入力信号を示し、この入力がフリップフロップ149のセットからリセットまでに対応してONの時は還流側のスイッチング素子131を駆動する。163はコイル137の電流i3の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子128および還流側のスイッチング素子131の動作により電流の増加と減少を繰り返す。これらの161および162のパルス信号は、基本的に、タイミング153およびタイミング156に示したパルス信号(実線で示す信号)に対し2/3周期遅くなったタイミングにて動作する。
Next, the operation related to the voltage-
図4の構成は相数が3相であり、コイル135、136、137を流れる電流i1、i2、i3(図6の157、160、163のコイル電流)は、基本的に、すなわち電流の目標値制御又はフィードバック制御を行わない場合には、前半2/3増加又は上昇、後半1/3減少又は下降の同一の波形を有し、位相が2π/3ずつずれているので(図6の実線で示すコイル電流)、コイルの数に応じた電源電圧と増加時間と減少時間の表1の中から相数3、NON2、NOFF1を選択し、一次電源110の電圧を(3/2)×出力電圧VO(電流検出抵抗140による電圧降下は無視できるほど小さい)とする。以上にて図4および図5に示した回路にて図6のタイミングにて動作すれば駆動側スイッチング素子126、127、128および還流側スイッチング素子129、130、131からの電流がコイル135、136、137に流れ、コンデンサ138はコイル135、136、137から流れ込む電流i1、i2、i3を受けて一定の電圧を保ち、半導体レーザーダイオード139にリップルのない電流を流し込むことができる。
The configuration in FIG. 4 has three phases, and the currents i1, i2, i3 flowing through the
一方この電流が目標の値になるように制御する機能が必要となる。この機能を実現すべく電流検出抵抗140、A/Dコンバータ141および位相補償142を通してレーザー電流レジスタ143が準備され、レーザー電流レジスタ143はレーザーダイオード139に流れる電流に比例する値が設定される。レーザー電流レジスタ143の値は出力値レジスタ144に予め設定されている目標レーザー電流と引き算回路145で比較され差異電圧値を発生させる。
On the other hand, a function is required to control this current so that it reaches a target value. In order to realize this function, a laser
レーザーダイオード139に流れている実際電流値が目標電流値より大きい時はレーザー電流レジスタ143に大きな値が保持され、出力値レジスタ144の値と引き算回路145にて比較され小さな差異電圧値を出力する。電圧-PWM変換回路120、121、122それぞれでカウンタ146から与えられる出力と引き算回路145の差異電圧値を引き算回路147にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。電圧-PWM変換回路120では、具体的に、図6の152に示すaの早い位置のフリップフロップ148へのリセットパルスとなり、153に示す駆動側スイッチング素子126入力へのcの短い幅のパルスとなる。更に154に示すeの早い位置のフリップフロップ149へのセットパルスとなり、156に示す還流側スイッチング素子129入力へのgの長い幅のパルスとなる。すなわち電圧-PWM変換回路120、121、122で引き算回路147から出力されるタイミングが早ければ駆動側スイッチング素子126、127、128がONする時間幅は狭くなり、還流側スイッチング素子129、130、131がONする時間幅は広くなって結果として、例えば、157に示すコイル135の電流i1はkの小さな値となる。
When the actual current value flowing through the
レーザーダイオード139に流れている実際電流値が目標電流値より小さい時はレーザー電流レジスタ143に小さな値が保持され、出力値レジスタ144の値と引き算回路145にて比較され大きな差異電圧値を出力する。電圧-PWM変換回路120、121、122それぞれでカウンタ146から与えられる出力と引き算回路145の差異電圧値を引き算回路147にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。電圧-PWM変換回路120では、具体的に、図6の152に示すbの遅い位置のフリップフロップ148へのリセットパルスとなり、153に示す駆動側スイッチング素子126入力へのdの長い幅のパルスとなる。更に154に示すfの遅い位置のフリップフロップ149へのセットパルスとなり、156に示す還流側スイッチング素子129入力へのhの短い幅のパルスとなる。すなわち電圧-PWM変換回路120、121、122で引き算回路147から出力されるタイミングが遅ければ駆動側スイッチング素子126、127、128がONする時間幅は広くなり、還流側スイッチング素子129,130、131がONする時間幅は狭くなって結果として、例えば、157に示すコイル135の電流i1はjの大きな値となる。
When the actual current value flowing through the
このようにして駆動側のスイッチング素子126、127、128、還流側のスイッチング素子129、130、131の動作タイミングを制御することにより複数のコイル135、136、137に流れる電流i1、i2、i3の総和を目標値に制御できる。
In this way, by controlling the operation timings of the driving
ところで、負荷となる半導体レーザーダイオードの印加電圧は半導体レーザーダイオードの印加電流が増加するに従い1.8V程度から2.1V程度までゆるやかに上昇する性質を持っている。そのため半導体レーザーダイオードへの印加電流が増加するに従い図4のスイッチング電源の一次電源電圧は(3/2)×1.8V=2.7Vから(3/2)×2.1V=3.15Vまで変化するのが望ましい。しかしながらこの変化量は少ないため半導体レーザーダイオードの印加電圧の平均値である1.95Vを出力電圧として一次電源電圧を(3/2)×1.95V=2.925Vとすることができる。また、半導体レーザーダイオード139への目標となる印加電流を変化させると、半導体レーザーダイオード139に流す電流を目標レーザー電流に保つ制御を行うため、目標レーザー電流が少ない時は上記の表1の増加時間より増加時間が短くかつ減少時間が長くなり、目標レーザー電流が大きい時は上記の表1の増加時間より増加時間が長くかつ減少時間が短くなる。そのため、複数のコイルに流れる電流の総和は一定とならず若干のリップルが生じることになる。しかしながら表1の増加時間と制御された増加時間の差による影響は少なく、リップルは1%程度の値を保つことができるため半導体レーザーダイオードの駆動に問題は生じない。相数6以上とすればリップルは更に低い0.1%以下とすることができる。
Incidentally, the voltage applied to the semiconductor laser diode serving as a load has a property of gradually rising from about 1.8V to about 2.1V as the applied current to the semiconductor laser diode increases. Therefore, as the current applied to the semiconductor laser diode increases, the primary power supply voltage of the switching power supply in Figure 4 increases from (3/2) x 1.8V = 2.7V to (3/2) x 2.1V = 3.15V. Change is desirable. However, since this amount of change is small, the primary power supply voltage can be set to (3/2)×1.95V=2.925V by setting the output voltage to 1.95V, which is the average value of the voltage applied to the semiconductor laser diode. Furthermore, when the target applied current to the
表1を用いて具体的な種々のスイッチング電源の一次電源電圧を定めるのに、出力電圧VOとして、上記のように半導体レーザーダイオードの印加電圧の平均値を採用できるが、半導体レーザーダイオードの印加電圧の最低値と最高値の間の任意の値を出力電圧VOとして採用しても問題は生じない。 To determine the primary power supply voltage of various switching power supplies using Table 1, the average value of the applied voltage of the semiconductor laser diode can be adopted as the output voltage VO as described above. No problem will occur even if any value between the lowest and highest values of is adopted as the output voltage VO.
以下、本発明の第3の実施形態のスイッチング電源又はレーザー装置について図7乃至図10を参照して説明する。 A switching power supply or laser device according to a third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 7 to 10.
第3の実施形態のスイッチング電源は、一次電源、前記一次電源に繋がる複数のスイッチング素子、複数のスイッチング素子に繋がる複数のコイル、複数のコイルに繋がる一つのコンデンサにより構成され、電源電圧、すなわち一次電源電圧を設定又は選択する手段と電源電圧を変化させる手段により、複数のコイルに流れる電流の総和を一定にし、すなわちリップルの量が減少したものとし、かつ、電流を制御する構造を備えたものである。 The switching power supply of the third embodiment includes a primary power supply, a plurality of switching elements connected to the primary power supply, a plurality of coils connected to the plurality of switching elements, and one capacitor connected to the plurality of coils. A device that uses means for setting or selecting the power supply voltage and means for changing the power supply voltage to keep the sum of the currents flowing through multiple coils constant, that is, to reduce the amount of ripple, and has a structure that controls the current. It is.
最初に第3の実施形態のスイッチング電源の構成について図7を用いて説明する。図7において、210および211は一次電源である。一次電源210および一次電源211を構成するものとして、212、213は電源トランスであり二次側には複数のタップが引き出してあって、二次側の出力電圧を選択できる構造を有している。214、215はスイッチであり後に述べるように電源トランス212、213の二次側に準備されている複数のタップを選択することによりスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に与える電源電圧を設定又は選択できるようにするものである。216、217、218、219、220、221、222、223は整流ダイオードでありこれらによりブリッジ方式の整流を行う。224、225はコンデンサであり、整流ダイオード216、217、218、219、220、221、222、223により得られた脈流を直流にしてスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に与える一次電源電圧を得るものである。一次電源211の電源トランス213のタップは一次電源210の電源トランス212のタップより高い電圧のタップを備えていて、一次電源211は一次電源210より高い一次電源電圧を供給する。226、227、228はPチャネルのFETであり、一次電源210に接続されている。229、230、231はPチャネルのFETであり、一次電源211に接続されている。スイッチング電源には、通常は、すなわち電流の目標値制御又はフィードバック制御を行わない場合は、一次電源210の電圧を加えることができるように構成されている。
First, the configuration of the switching power supply according to the third embodiment will be described using FIG. 7. In FIG. 7, 210 and 211 are primary power sources. As components of the
232はFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)であり全体の制御を行う機能を有する。233はタイミング発生であり概ね1μsから3μsの周期にて位相の異なるタイミングパルスを発生させる機能を有する。 234、235、236は第二の電圧-PWM(Pulse Width Modulation)変換回路であり、出力の差異電圧値をパルスの時間幅に変換する機能を有する。237、238、239はNチャネルのFETであり第二の電圧-PWM変換回路234、235、236の出力を受けFET226、227、228を駆動する。240、241、242はNチャネルのFETであり第二の電圧-PWM変換回路234、235、236の出力を受けFET229、230、231を駆動する。
232 is an FPGA (field programmable gate array), which has a function of controlling the entire system. A
243、244、245はレベル変換回路でありタイミング発生233から与えられるタイミングパルスからスイッチング素子を駆動するパルスに変換する。246、247、248は駆動側のスイッチング素子であり、PチャネルのFETが使われ、ソース端子は上記FET226、227、228もしくはFET229、230、231を介して一次電源電圧210、211に接続される。249、250、251は還流側のスイッチング素子であり、NチャネルのFETが使われ、ドレイン端子は上記駆動側のスイッチング素子246、247、248のドレイン端子に接続されている。252、253、254は還流側のダイオードであり、ショットキーダイオードを用いて高速に電流の切り替えを実現し、還流側のスイッチング素子249、250、251に並列に接続される。255、256、257はコイルでありコアに複数回の巻き線を施し、適切なそれぞれ同一のインダクタンスの値を有し、駆動側のスイッチング素子246、247、248のドレイン端子もしくは還流側のスイッチング素249、250、251のドレイン端子から流れ込む電流をゆるやかな勾配で変化させる役割を持つ。258はコンデンサであり、コイル255、256、257から流れ込む電流を受けて一定の電圧を保つ役割を持つ。259は負荷となる半導体レーザーダイオードであり、コイル255、256、257に直列に、かつ、コンデンサ218に並列に接続され、通常のダイオードと同じく印加される電流に対し、電流が増加するに従い1.8V程度の両端電圧から2.1V程度までゆるやかに上昇する性質を持つ。260は半導体レーザーダイオード259に流れる電流を測定する電流検出抵抗であり数10mΩ程度の大電流を流せる抵抗が用いられる。より大きな光出力を得るため複数の半導体レーザーダイオードを直列に接続することがあり、その場合は接続数に応じてより大きな印加電圧が要求される。駆動側のスイッチング素子246と還流側のスイッチング素子249とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子247と還流側のスイッチング素子250とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子248と還流側のスイッチング素子251とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成している。
261はA/Dコンバータであり電流検出抵抗260の両端の電圧を数値に変換し、半導体レーザーダイオード259に流れる電流を数値化する。262は位相補償回路であり、ディジタルフィルタにより構成され、半導体レーザーダイオード259に流れる電流値を強く制御しても制御ループが発振しないように位相補償を行う役割を有する。263はレーザー電流レジスタであり位相補償回路262の出力を保持する。264は出力値レジスタであり目標とする半導体レーザーダイオード259に流す電流値を保持する。265は引き算回路でありレーザー電流レジスタ263の値と出力値レジスタ264の値を比較し半導体レーザーダイオード259に流す目標電流値と半導体レーザーダイオード259に流れている実際電流値の差異電圧値を出力する。
261 is an A/D converter that converts the voltage across the
次に第3の実施形態のスイッチング電源について第二の電圧-PWM変換回路の構成を図8を用いて説明する。 Next, the configuration of the second voltage-PWM conversion circuit for the switching power supply of the third embodiment will be explained using FIG. 8.
図8においてFPGA232、タイミング発生233、位相補償回路262、レーザー電流レジスタ263、出力値レジスタ264、引き算回路265、FET237、240は図7に示したものである。図8は第二の電圧-PWM変換回路234の構成を示すものであり、第二の電圧-PWM変換回路235及び236部分は図示を省略しているが、第二の電圧-PWM変換回路235及び236は第二の電圧-PWM変換回路234と同様又は同一の構成のものである。
In FIG. 8, the
第二の電圧-PWM変換回路234、235、236は、出力の差異電圧値をパルスの時間幅に変換する機能を有する。第二の電圧-PWM変換回路234、235、236を構成するものとして266はカウンタでありタイミング発生233からの基準パルスを受け、時間と共に増加する数値を出力して駆動および還流のタイミングを発生する。267は引き算回路でありカウンタ266から与えられる出力と引き算回路265の出力である差異電圧値を引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。
The second voltage-
268は電圧の変化タイミングを与えるフリップフロップ(F.F.)であり、タイミング発生233からの基準パルスおよび引き算回路267のパルスを受け、差異電圧値が小さければ、短い幅のパルスを発生させてFET237、238、239に出力するとともに、長い幅のパルスを発生させてFET240、241、242に出力し、また、差異電圧値が大きければ、長い幅のパルスを発生させてFET237、238、239に出力するとともに、短い幅のパルスを発生させてFET240、241、242に出力する機能を有する。フリップフロップ268の出力はFET237、238、239に接続される出力とFET240、241、242に接続される出力がありこれらはお互い反対の論理をとる。
268 is a flip-flop (F.F.) that provides voltage change timing, and receives the reference pulse from the
電源電圧を設定又は選択し、電源電圧を変化させる手段により、コイルに流れる電流の増加速度を変化させる第3の実施形態のスイッチング電源の第1の応用例として複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御するスイッチング電源の動作を図9を用いて説明する。 As a first application example of the switching power supply of the third embodiment, which sets or selects the power supply voltage and changes the increasing speed of the current flowing through the coils by means of changing the power supply voltage, the sum of the currents flowing through a plurality of coils is calculated. The operation of the switching power supply that is controlled to the target value will be explained using FIG. 9.
図9において269はタイミング発生233から出力される10ns~100ns程度の周期を有するクロックであり、スイッチング電源の動作の礎となる。270はタイミング発生233が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路243を通して駆動側のスイッチング素子246を駆動する。271はタイミング発生233が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路243を通して還流側のスイッチング素子249を駆動する。ここで図8における第二の電圧-PWM変換回路234の動作を説明する。図9において272は図8におけるカウンタ266のリセットおよびフリップフロップ268のセットのタイミングを示し、本形態ではタイミング発生233より3μs毎に規則正しくパルスが与えられる。273はフリップフロップ268のリセットのタイミングを示し、引き算回路267から出力されるパルスにより発生位置が変動する。274はフリップフロップ268の出力によるFET237の入力を示し、フリップフロップ268のセットタイミングおよびリセットタイミングによりON、0FFを繰り返し、この出力がONの時はFET237を介してFET226をONとする。275はフリップフロップ268の出力によるFET240の入力を示し、フリップフロップ268のセットタイミングおよびリセットタイミングにより274に示すFET237の入力と逆論理のON、OFFを繰り返し、この出力がONの時はFET240を介してFET229をONとする。
In FIG. 9, 269 is a clock output from the
276はコイル255の電流i1の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子246及び還流側のスイッチング素子249の動作により電流の増加と減少を繰り返す。駆動側のスイッチング素子246がONの時は還流側のスイッチング素子249はOFFであり、駆動側のスイッチング素子246がOFFの時は還流側のスイッチング素子249はONであるが、この時、駆動側のスイッチング素子246と還流側のスイッチング素子249が同時にONすると駆動側のスイッチング素子246と還流側のスイッチング素子249に突き抜け電流が発生するためタイミング270はタイミング271の立ち下りより遅く立ち上り、タイミング270はタイミング271の立ち上りより早く立ち下がることが望まれる。
Reference numeral 276 indicates a change in the current i1 of the
277はタイミング発生233が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路244を通して駆動側のスイッチング素子247を駆動する。278はタイミング発生233が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路244を通して還流側のスイッチング素子250を駆動する。タイミング277およびタイミング278はタイミング270およびタイミング271に対し1/3周期(位相は2π/3)遅く動作させる。
Reference numeral 277 indicates a signal outputted by the
図7における第二の電圧-PWM変換回路235はタイミング発生233と引き算回路265の出力である差異電圧値を受け、カウンタ266から与えられる出力と引き算回路265の差異電圧値を引き算回路267にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。第二の電圧-PWM変換回路235のフリップフロップ268のセットリセットのタイミングは、基本的には、電圧-PWM変換回路234のフリップフロップ268のセットリセットのタイミングに対し1/3周期遅くなり、FET238およびFET241の動作タイミングはFET237およびFET240の動作タイミングに対し1/3周期遅くなる。そして、第二の電圧-PWM変換回路235のフリップフロップ268のリセットのタイミングは引き算回路267から出力されるパルスにより発生位置が変動することとなるが図示は省略する。279はコイル256の電流i2の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子247および還流側のスイッチング素子250の動作により電流の増加と減少を繰り返す。
The second voltage-
280はタイミング発生233が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路245を通して駆動側のスイッチング素子248を駆動する。281はタイミング発生233が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路245を通して還流側のスイッチング素子251を駆動する。タイミング280およびタイミング281はタイミング270およびタイミング271に対し2/3周期(位相は4π/3)遅く動作させる。
Reference numeral 280 indicates a signal output by the
図7における第二の電圧-PWM変換回路236はタイミング発生233と引き算回路265の出力である差異電圧値を受け、カウンタ266から与えられる出力と引き算回路265の差異電圧値を引き算回路267にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。第二の電圧-PWM変換回路236のフリップフロップ268のセットリセットのタイミングは、基本的には、電圧-PWM変換回路234のフリップフロップ268のセットリセットのタイミングに対し2/3周期遅くなり、FET239およびFET242の動作タイミングはFET237およびFET240の動作タイミングに対し2/3周期遅くなる。そして、第二の電圧-PWM変換回路236のフリップフロップ268のリセットのタイミングは引き算回路267から出力されるパルスにより発生位置が変動することとなるが図示は省略する。282はコイル257の電流i3の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子248および還流側のスイッチング素子251の動作により電流の増加と減少を繰り返す。
The second voltage-
図7の構成は相数が3相であり、コイル255、256、257を流れる電流i1、i2、i3は、基本的には、すなわち電流の目標値制御又はフィードバック制御を行わない場合には、前半2/3増加又は上昇、後半1/3減少又は下降の同一の波形を有し、位相が2π/3ずつずれているので(図9の276、279、282のコイル電流)、コイルの数に応じた電源電圧と増加時間と減少時間の表1の中から相数3、NON2、NOFF1を選択し、一次電源210の電圧を(3/2)×出力電圧VO(電流検出抵抗260による電圧降下は無視できるほど小さい)とする。図7および図8に示した回路で図9のタイミングにて動作すれば駆動側スイッチング素子246、247、248および還流側スイッチング素子249、250、251からの電流がコイル255、256、257に流れ、コンデンサ258はコイル255、256、257から流れ込む電流i1、i2、i3を受けて一定の電圧を保ち、半導体レーザーダイオード259にリップルのない電流を流し込むことができる。
The configuration of FIG. 7 has three phases, and the currents i1, i2, and i3 flowing through the
一方この電流が目標の値になるように制御する機能が必要となる。この機能を実現すべく電流検出抵抗260、A/Dコンバータ261および位相補償262を通してレーザー電流レジスタ263が準備され、レーザー電流レジスタ263は半導体レーザーダイオード259に流れる電流に比例する値が設定される。レーザー電流レジスタ263の値は出力値レジスタ264に予め設定されている目標レーザー電流と引き算回路265で比較され差異電圧値を発生させる。
On the other hand, a function is required to control this current so that it reaches a target value. In order to realize this function, a laser
半導体レーザーダイオード259に流れている実際電流値が目標電流値より大きい時はレーザー電流レジスタ263に大きな値が保持され、出力値レジスタ264の値と引き算回路265にて比較され大きな差異電圧値を出力する。第二の電圧-PWM変換回路234、235、236それぞれでカウンタ266から与えられる出力と引き算回路265の差異電圧値を引き算回路267にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。第二の電圧-PWM変換回路234では、具体的に、図9の273に示すaの遅い位置のフリップフロップ268へのリセットパルスとなり、274に示すcの長い幅のFET237への入力パルスとなる。275は274の逆論理でありeの短い幅のFET240への入力パルスとなる。すなわち第二の電圧-PWM変換回路234、235、236で引き算回路267から出力されるタイミングが遅ければFET237、238、239を介してFET226、227、228がONとなる低い一次電圧が長く駆動スイッチング素子246、247、248を通してコイル255、256、257に印加され、その後FET240、241、242を介してFET229、230、231がONとなる高い一次電圧が短く駆動スイッチング素子246、247、248を通してコイル255、256、257に印加され、例えば、276に示すgの小さな値のコイル255の電流i1となる。
When the actual current value flowing through the
半導体レーザーダイオード259に流れている実際電流値が目標電流値より小さい時はレーザー電流レジスタ263に小さな値が保持され、出力値レジスタ264の値と引き算回路265にて比較され小さな差異電圧値を出力する。第二の電圧-PWM変換回路234、235、236それぞれでカウンタ266から与えられる出力と引き算回路265の差異電圧値を引き算回路267にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。第二の電圧-PWM変換回路234では、具体的に、273に示すbの早い位置のフリップフロップ268へのリセットパルスとなり、274に示すdの短い幅のFET237への入力パルスとなる。275は274の逆論理でありfの長い幅のFET240への入力パルスとなる。すなわち第二の電圧-PWM変換回路234、235、236で引き算回路267から出力されるタイミングが早ければFET237、238、239を介してFET226、227、228がONとなる低い一次電圧が短く駆動スイッチング素子246、247、248を通してコイル255、256、257に印加され、その後FET240、241、242を介してFET229、230、231がONとなる高い一次電圧が長く駆動スイッチング素子246、247、248を通してコイル255、256、257に印加され、例えば、276に示すhの大きな値のコイル255の電流i1となる。
When the actual current value flowing through the
すなわち、図7において駆動側スイッチング素子246、247、248がONの時は一次電源の電源電圧をVS、レーザー電源出力をVO、コイル255、256、257のインダクタンスの値をLとしてコイル255、256、257に流れる電流i1、i2、i3はそれぞれ、T秒後には次式の増加量iLONとなる。
That is, in FIG. 7, when the driving
iLON=(VS-VO)×T/L iLON=(VS-VO)×T/L
この式にてコイル電流は電源電圧VSと、レーザー出力電圧VOの差異に比例して増加するのでVSを適宜上下する手段によりコイル電流を制御できる。 According to this formula, the coil current increases in proportion to the difference between the power supply voltage VS and the laser output voltage VO, so the coil current can be controlled by means of increasing or decreasing VS as appropriate.
コイル電流を強く増加させようとする時はFET226、227、228を通した低い一次電圧を印加する時間に対しFET229、230、231を通した高い一次電圧を印加する時間を長くすることによりコイル電流を増加する。コイル電流を弱く増加させようとする時はFET226、227、228を通した低い一次電圧を印加する時間に対しFET229、230、231を通した高い一次電圧を印加する時間を短くすることによりコイル電流の増加を少なくする。
When trying to strongly increase the coil current, increase the coil current by increasing the time to apply the high primary voltage through
すなわち出力電流が小さければ電源電圧を高くし、出力電流が大きければ電源電圧を低く制御する手段により複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御できる。また、半導体レーザーダイオード259の印加電圧の変動、一次電源の電圧の制御による電流波形の変化の影響は少なく、やはり、リップルは1%程度の値を保つことができるため半導体レーザーダイオードの駆動に問題は生じない。
That is, if the output current is small, the power supply voltage is increased, and if the output current is large, the power supply voltage is controlled to be low. By this means, the sum of the currents flowing through the plurality of coils can be controlled to the target value. In addition, the influence of changes in the voltage applied to the
電源電圧を変化させる手段により、コイルに流れる電流の増加速度を変化させる第3の実施形態のスイッチング電源の第2の応用例として、立ち上げを速くすることを特徴とするスイッチング電源を図7乃至図10を用いて以下に説明する。 As a second application example of the switching power supply of the third embodiment in which the rate of increase of the current flowing through the coil is changed by means of changing the power supply voltage, a switching power supply characterized by quick start-up is shown in FIGS. This will be explained below using FIG.
スイッチング電源のレーザー出力電流を更に急速に立ち上げようとする時は図7において出力値レジスタ264に立ち上げ前に大きな値を設定する。次に第二の電圧-PWM変換回路234の動作を説明する。タイミング発生233を動作させ、図9における270に示すように駆動側スイッチング素子246を駆動し、更に271に示すように還流側スイッチング素子249を駆動する。更にタイミング発生233を動作させ、図9の272と同様のタイミングの図10の283に示すパルスにて、図8の第二の電圧-PWM変換回路234のカウンタ266およびフリップフロップ268に対しセットが行われる。続いて出力値レジスタ264に大きな値が設定されているため図10の284に示すように、aの早いタイミングにてフリップフロップ268のリセットパルスが発生する。そのため立ち上げ直後のフリップフロップ268は285のbに示すように短いパルスをFET237に入力し、このためFET226が長くOFFとなる。同時に286に示すようにcの長いパルスをFET240に入力し、このためFET229が長くONとなって高い一次電源電圧が駆動スイッチング素子246に印加される。このためコイル255に流れる電流は287のdに示すように急速に大きくなり出力電流も大きくなる。
When attempting to raise the laser output current of the switching power supply more rapidly, a large value is set in the
また、図9における277に示すように駆動側スイッチング素子247を駆動し、更に278に示すように還流側スイッチング素子250を駆動する。図7の第二の電圧-PWM変換回路235は第二の電圧-PWM変換回路234と同様に動作し、図10の288の短いパルスにしたがいFET238に入力し、このためFET227が長くOFFとなる。同時に289の長いパルスにしたがいFET241に入力し、このためFET230が長くONとなって、高い一次電源電圧が駆動スイッチング素子247に印加される。このためコイル256に流れる電流i2は290に示すように急速に大きくなり出力電流も大きくなる。これらの288および289のパルス信号はタイミング285および286に示したパルス信号に対し1/3周期遅くなったタイミングにて動作する。
Further, as shown at 277 in FIG. 9, the drive
さらに、図9における280に示すように駆動側スイッチング素子248を駆動し、更に281に示すように還流側スイッチング素子251を駆動する。図7の第二の電圧-PWM変換回路236は第二の電圧-PWM変換回路234と同様に動作し、図10の291の短いパルスにしたがいFET239に入力し、このためFET228が長くOFFとなる。同時に292の長いパルスにしたがいFET242に入力し、このためFET231が長くONとなって、高い一次電源電圧が駆動スイッチング素子248に印加される。このためコイル257に流れる電流i3は293に示すように急速に大きくなり出力電流も大きくなる。これらの291および292のパルス信号はタイミング285および286に示したパルス信号に対し2/3周期遅くなったタイミングにて動作する。
Furthermore, as shown at 280 in FIG. 9, the drive
このようにすればコイル255、256、257の電流i1、i2、i3は急速に立ち上がる。コイル255、256、257の電流の増加に伴い、出力値レジスタ264の値を大きな値から順次下げていき、図10の285のe、f、gに示すようにFET237入力を順次幅の広いパルスとしてコイル電流の増加を減少させ、立ち上げ終了時には目標とするレーザーダイオード259に流す電流値を設定する。立ち上げ完了後は継続して電源電圧を変化させる手段により、コイル255、256、257に流れる電流i1、i2、i3の増加速度を変化させ、複数のコイル255、256、257に流れる電流の総和を目標値に制御するように動作させる。
In this way, the currents i1, i2, i3 of the
以下、本発明の第4の実施形態のスイッチング電源又はレーザー装置について図11乃至図14を参照して説明する。 A switching power supply or laser device according to a fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 11 to 14.
第4の実施形態の高速スイッチング電源は、一次電源、前記一次電源に繋がる複数のスイッチング素子、複数のスイッチング素子に繋がる複数のコイル、複数のコイルに繋がる一つのコンデンサにより構成され、電源電圧、すなわち一次電源電圧を設定又は選択する手段と、スイッチング素子に挿入又は接続された抵抗値を変化(変化態様が抵抗を有効にするか又は短絡させるかしかない場合を含む)させる手段と、により、複数のコイルに流れる電流の総和を一定にし、すなわちリップルの量を減少させ、かつ、目標値に制御する構造を備えたものである。 The high-speed switching power supply of the fourth embodiment includes a primary power supply, a plurality of switching elements connected to the primary power supply, a plurality of coils connected to the plurality of switching elements, and one capacitor connected to the plurality of coils, and the power supply voltage, i.e. A means for setting or selecting the primary power supply voltage, and a means for changing the value of a resistance inserted or connected to a switching element (including cases where the mode of change is only to enable or short-circuit the resistance). It has a structure that keeps the total sum of current flowing through the coils constant, that is, reduces the amount of ripple, and controls it to a target value.
最初に第4の実施形態のスイッチング電源の構成について図11を用いて説明する。 First, the configuration of the switching power supply according to the fourth embodiment will be described using FIG. 11.
図11において、310は一次電源である。一次電源310を構成するものとして、311は電源トランスであり二次側には複数のタップが引き出してあって、二次側の出力電圧を選択できる構造を有している。312はスイッチであり後に述べるように電源トランス311の二次側に準備されている複数のタップを選択することによりスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に与える電源電圧を設定又は選択できるようにするものである。313、314、315、316は整流ダイオードでありこれらによりブリッジ方式の整流を行う。317はコンデンサであり、整流ダイオード313、314、315、316により得られた脈流を直流にしてスイッチング電源又はスイッチング電源の本体に与える一次電源電圧を得るものである。
In FIG. 11, 310 is a primary power source. The
318はFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)であり全体の制御を行う機能を有する。319はタイミング発生であり概ね1μsから3μsの周期にて位相の異なるタイミングパルスを発生させる機能を有する。320、321、322はレベル変換回路でありタイミング発生319から与えられるタイミングパルスからスイッチング素子を駆動するパルスに変換する。323、324、325は駆動側のスイッチング素子であり、PチャネルのFETが使われ、ソース端子は上記一次電源電圧に接続される。326、327、328は還流側のスイッチング素子であり、NチャネルのFETが使われ、ドレイン端子は上記駆動側のスイッチング素子323、324、325のドレイン端子に接続されている。329、330、331は還流側のダイオードであり、ショットキーダイオードを用いて高速に電流の切り替えを実現し、還流側のスイッチング素子326、327、328に並列に接続される。332、333、334は減衰抵抗であり還流側のスイッチング素子326、327、328および還流側のダイオード329、330、331に直列に挿入されている。335、336、337はNチャネルのFETであり減衰抵抗332、333、334に並列に接続されている。駆動側のスイッチング素子323と還流側のスイッチング素子326とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子324と還流側のスイッチング素子327とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成し、駆動側のスイッチング素子325と還流側のスイッチング素子328とで一つ、一組又は一相のスイッチング素子を構成している。
318 is an FPGA (field programmable gate array) and has a function of controlling the entire system. A
338、339、340は第三の電圧-PWM(Pulse Width Modulation)変換回路であり、出力の差異電圧値をパルスの時間幅に変換する機能を有する。通常は第三の電圧-PWM変換回路338、339、340からFET335のゲート、FET336のゲート、FET337のゲートに対し電圧が印加されており、FET335、FET336、FET337はONの状態となって減衰抵抗332、333、334は短絡状態にされている。
338, 339, and 340 are third voltage-PWM (Pulse Width Modulation) conversion circuits, which have a function of converting an output difference voltage value into a pulse time width. Normally, a voltage is applied from the third voltage-
341、342、343はコイルでありコアに複数回の巻き線を施し、適切なそれぞれ同一のインダクタンスの値を有し、駆動側のスイッチング素子323、324、325のドレイン端子もしくは還流側のスイッチング素326、327、328のドレイン端子から流れ込む電流をゆるやかな勾配で変化させる役割を持つ。344はコンデンサであり、コイル341、342、343から流れ込む電流を受けて一定の電圧を保つ役割を持つ。345は負荷となる半導体レーザーダイオードであり、コイル341、342、343に直列に、かつ、コンデンサ344に並列に接続され、通常のダイオードと同じく印加される電流に対し、電流が増加するに従い1.8V程度の両端電圧から2.1V程度までゆるやかに上昇する性質を持つ。346は半導体レーザーダイオード345に流れる電流を測定する電流検出抵抗であり数10mΩ程度の大電流を流せる抵抗が用いられる。より大きな光出力を得るため複数の半導体レーザーダイオードを直列に接続することがあり、その場合は接続数に応じてより大きな印加電圧が要求される。
341, 342, and 343 are coils having multiple windings around the core, each having the same appropriate inductance value, and connected to the drain terminals of the switching
347はA/Dコンバータであり電流検出抵抗346の両端の電圧を数値に変換し、半導体レーザーダイオード345に流れる電流を数値化する。348は位相補償回路であり、ディジタルフィルタにより構成され、半導体レーザーダイオード345に流れる電流値を強く制御しても制御ループが発振しないように位相補償を行う役割を有する。349はレーザー電流レジスタであり位相補償回路348の出力を保持する。350は出力値レジスタであり目標とする半導体レーザーダイオード345に流す電流値を保持する。351は引き算回路でありレーザー電流レジスタ349の値と出力値レジスタ350の値を比較し半導体レーザーダイオード345に流す目標電流値と半導体レーザーダイオード345に流れている実際電流値の差異電圧値を出力する。
347 is an A/D converter that converts the voltage across the
次に第4の実施形態のスイッチング電源について第三の電圧-PWM変換回路の構成を図12を用いて説明する。 Next, the configuration of the third voltage-PWM conversion circuit for the switching power supply of the fourth embodiment will be explained using FIG. 12.
図12においてFPGA318、タイミング発生319、位相補償回路348、レーザー電流レジスタ349、出力値レジスタ350、引き算回路351、FET335、減衰抵抗332は図11に示したものである。図12は電圧-PWM変換回路338の構成を示すものであり、電圧-PWM変換回路339及び340部分は図示を省略しているが、電圧-PWM変換回路339及び340は電圧-PWM変換回路338と同様又は同一の構成のものである。
In FIG. 12, the
第三の電圧-PWM変換回路338、339、340は、出力の差異電圧値をパルスの時間幅に変換する機能を有する。第三の電圧-PWM変換回路338、339、340を構成するものとして352はカウンタでありタイミング発生319からの基準パルスを受け、時間と共に増加する数値を出力して減衰抵抗制御のタイミングを発生する。353は引き算回路でありカウンタ352から与えられる出力と引き算回路351の出力である差異電圧値を引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。354は減衰抵抗制御のタイミングを与えるフリップフロップ(F.F.)であり、タイミング発生319からの基準パルスおよび引き算回路353のパルスを受け、差異電圧値が小さければ短い幅のパルスを発生させ、差異電圧値が大きければ長い幅のパルスを発生させる機能を有する。この出力はFET335、336、337のゲートに印加され減衰抵抗332、333、334の抵抗値を有効か短絡かに変化させる。
The third voltage-
電源電圧を設定又は選択し、還流回路に挿入された抵抗値を変化させる手段により、コイルに流れる電流の減少速度を変化させる第4の実施形態のスイッチング電源の第1の応用例として複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御するスイッチング電源の動作を図13を用いて説明する。 As a first application example of the switching power supply of the fourth embodiment, a plurality of coils are used as a first application example of the switching power supply of the fourth embodiment, in which the speed of decrease of the current flowing through the coil is changed by means of setting or selecting the power supply voltage and changing the resistance value inserted in the freewheeling circuit. The operation of the switching power supply that controls the sum of currents flowing through the circuit to a target value will be explained using FIG. 13.
図13において355はタイミング発生319から出力される10ns~100ns程度の周期を有するクロックであり、スイッチング電源の動作の礎となる。356はタイミング発生319が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路320を通して駆動側のスイッチング素子323を駆動する。357はタイミング発生319が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路320を通して還流側のスイッチング素子326を駆動する。ここで図12における第三の電圧-PWM変換回路338の動作を説明する。図13において358は図12におけるカウンタ352のリセットおよびフリップフロップ354のセットのタイミングを示し、本形態ではタイミング発生319より3μs毎に規則正しくパルスが与えられる。359はフリップフロップ354のリセットのタイミングを示し、引き算回路353から出力されるパルスにより発生位置が変動する。360はフリップフロップ354の出力によるFET335の入力を示し、フリップフロップ354のセットタイミングおよびリセットタイミングによりON、OFFを繰り返し、この出力がONの時はFET335を介して減衰抵抗332を短絡する。
In FIG. 13, 355 is a clock having a period of about 10 ns to 100 ns, which is output from the
361はコイル341の電流i1の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子323および還流側のスイッチング素子326の動作により電流の増加と減少を繰り返す。駆動側のスイッチング素子323がONの時は還流側のスイッチング素子326はOFFであり、駆動側のスイッチング素子323がOFFの時は還流側のスイッチング素子326はONであるが、この時、駆動側のスイッチング素子323と還流側のスイッチング素子326が同時にONすると駆動側のスイッチング素子323と還流側のスイッチング素子326に突き抜け電流が発生するためタイミング356はタイミング357の立ち下りより遅く立ち上がり、タイミング356はタイミング357の立ち上がりより早く立ち下がることが望まれる。
361 indicates a change in the current i1 of the
362はタイミング発生319が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路321を通して駆動側のスイッチング素子324を駆動する。363はタイミング発生319が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路321を通して還流側のスイッチング素子327を駆動する。タイミング362およびタイミング363はタイミング356およびタイミング357に対し1/3周期(位相は2π/3)遅く動作させる。
Reference numeral 362 indicates a signal outputted by the
図11における第三の電圧-PWM変換回路339はタイミング発生319と引き算回路351の出力である差異電圧値を受け、カウンタ352から与えられる出力と引き算回路351の差異電圧値を引き算回路353にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。第三の電圧-PWM変換回路339のフリップフロップ354のセットリセットのタイミングは、基本的には、電圧-PWM変換回路338のフリップフロップ354のセットリセットのタイミングに対し1/3周期遅くなり、FET336の動作タイミングはFET335の動作タイミングに対し1/3周期遅くなる。そして、第三の電圧-PWM変換回路339のフリップフロップ354のリセットのタイミングは引き算回路353から出力されるパルスにより発生位置が変動することとなるが図示は省略する。364はコイル342の電流i2の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子324および還流側のスイッチング素子327の動作により電流の増加と減少を繰り返す。
The third voltage-
365はタイミング発生319が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路322を通して駆動側のスイッチング素子325を駆動する。366はタイミング発生319が一定のタイミングにて出力する信号を示し、この信号がONの時はレベル変換回路322を通して還流側のスイッチング素子328を駆動する。タイミング365およびタイミング366はタイミング356およびタイミング357に対し2/3周期(位相は4π/3)遅く動作させる。
Reference numeral 365 indicates a signal outputted by the
図11における第三の電圧-PWM変換回路340はタイミング発生319と引き算回路351の出力である差異電圧値を受け、カウンタ352から与えられる出力と引き算回路351の差異電圧値を引き算回路353にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。第三の電圧-PWM変換回路340のフリップフロップ354のセットリセットのタイミングは、基本的には、電圧-PWM変換回路338のフリップフロップ354のセットリセットのタイミングに対し2/3周期遅くなり、FET337の動作タイミングはFET335の動作タイミングに対し2/3周期遅くなる。そして、第三の電圧-PWM変換回路340のフリップフロップ354のリセットのタイミングは引き算回路353から出力されるパルスにより発生位置が変動することとなるが図示は省略する。367はコイル343の電流i3の変化を示しており、駆動側のスイッチング素子325および還流側のスイッチング素子328の動作により電流の増加と減少を繰り返す。
The third voltage-
図11の構成は相数が3相であり、コイル341、342、343を流れる電流i1、i2、i3は、基本的には、すなわち電流の目標値制御又はフィードバック制御を行わない場合には、前半2/3増加又は上昇、後半1/3減少又は下降の同一の波形を有し、位相が2π/3ずつずれているので(図13の361、364、367のコイル電流)、コイルの数に応じた電源電圧と増加時間と減少時間の表1の中から相数3、NON2、NOFF1を選択し、一次電源310の電圧を(3/2)×出力電圧VO(電流検出抵抗346による電圧降下は無視できるほど小さい)とする。図11および図12に示した回路で図13のタイミングにて動作すれば駆動側スイッチング素子323、324、325および還流側スイッチング素子326、327、328からの電流がコイル341、342、343に流れ、コンデンサ344はコイル341、342、343から流れ込む電流i1、i2、i3を受けて一定の電圧を保ち、半導体レーザーダイオード345にリップルのない電流を流し込むことができる。
The configuration of FIG. 11 has three phases, and the currents i1, i2, and i3 flowing through the
一方この電流が目標の値になるように制御する機能が必要となる。この機能を実現すべく電流検出抵抗346、A/Dコンバータ347および位相補償348を通してレーザー電流レジスタ349が準備され、レーザー電流レジスタ349はレーザーダイオード345に流れる電流に比例する値が設定される。レーザー電流レジスタ349の値は出力値レジスタ350に予め設定されている目標レーザー電流と引き算回路351で比較され差異電圧値を発生させる。
On the other hand, a function is required to control this current so that it reaches a target value. In order to realize this function, a laser
半導体レーザーダイオード345に流れている実際電流値が目標電流値より大きい時はレーザー電流レジスタ349に大きな値が保持され、出力値レジスタ350の値と引き算回路351にて比較され小さな差異電圧値を出力する。第三の電圧-PWM変換回路338、339、340それぞれでカウンタ352から与えられる出力と引き算回路351の差異電圧値を引き算回路353にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。第三の電圧-PWM変換回路338では、具体的に、図13における359に示すaの早い位置のフリップフロップ354へのリセットパルスとなり、360に示すcの短い幅のFET335への入力パルスとなって減衰抵抗332の短絡を早く開放する。すなわち第三の電圧-PWM変換回路338、339、340で引き算回路353から出力されるタイミングが早ければFET335、336、337を介して減衰抵抗332、333、334が長く有効となり、例えば、361に示すeの早く減衰するコイル電流となる。
When the actual current value flowing through the
半導体レーザーダイオード345に流れている実際電流値が目標電流値より小さい時はレーザー電流レジスタ349に小さな値が保持され、出力値レジスタ350の値と引き算回路351にて比較され大きな差異電圧値を出力する。第三の電圧-PWM変換回路338、339、340それぞれでカウンタ352から与えられる出力と引き算回路351の差異電圧値を引き算回路353にて引き算により比較し、等しくなった時にパルスを出力する。第三の電圧-PWM変換回路338では、具体的に、359に示すbの遅い位置のフリップフロップ354へのリセットパルスとなり、360に示すdの長い幅のFET335への入力パルスとなって減衰抵抗332の短絡を継続する。すなわち第三の電圧-PWM変換回路338、339、340で引き算回路353から出力されるタイミングが遅ければFET335、336、337を介して減衰抵抗332、333、334が長く無効となり、例えば361に示すfのように、大きく減衰しないコイル電流となる。
When the actual current value flowing through the
図11において還流側スイッチング素子326、327、328がONの時はレーザー出力電圧をVO、減衰抵抗332、333、334の抵抗値をRd(短絡の場合は0)、コイル341、342、343のインダクタンスをLとしてコイル341、342、343に流れる電流iL(i1、i2、i3)はそれぞれ、T秒後には次式の減少量iLOFFとなる。
In FIG. 11, when the freewheeling
iLOFF=-(VO+Rd×iL)×T/L iLOFF=-(VO+Rd×iL)×T/L
これによりRdの値が大きければコイル電流は大きく減衰するのでRdの値を適宜上下する手段によりコイル電流を制御できる。コイル電流を維持する時は減衰抵抗332、333、334の値の0もしくは低い値の時間を長くすることによりコイル電流の減少を少なくできる。コイル電流を減少させようとする時は減衰抵抗332、333、334の値を有効又は大きくする時間を長くすることによりコイル電流の減少を大きくできる。
As a result, if the value of Rd is large, the coil current is greatly attenuated, so the coil current can be controlled by means of appropriately increasing or decreasing the value of Rd. When maintaining the coil current, the decrease in the coil current can be reduced by lengthening the time during which the values of the damping
すなわち出力電流が小さければ減衰抵抗の値を短絡又は低くし、出力電流が大きければ減衰抵抗の値を有効又は高くする制御手段により複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御できる。 That is, if the output current is small, the value of the attenuation resistor is short-circuited or lowered, and if the output current is large, the value of the attenuation resistor is enabled or increased.The total sum of the currents flowing through the plurality of coils can be controlled to the target value.
半導体レーザーダイオード345の印加電圧の変動、減衰抵抗により制御された電流波形の変化による影響は少なく、リップルは1%程度の値を保つことができるため半導体レーザーダイオードの駆動に問題は生じない。
The influence of fluctuations in the voltage applied to the
スイッチング素子に挿入された抵抗値を変化させる手段により、コイルに流れる電流の減少速度を変化させる第4の実施形態のスイッチング電源の第2の応用例として立ち下りを速くすることを特徴とするスイッチング電源を図11乃至図14を用いて以下に説明する。 A second application example of the switching power supply of the fourth embodiment, in which the rate of decrease of the current flowing through the coil is changed by means of changing the resistance value inserted in the switching element, is a switching device characterized in that the fall is made faster. The power supply will be explained below using FIGS. 11 to 14.
スイッチング電源のレーザー出力電流を遮断する時は、コイルおよびコンデンサに蓄えられたエネルギーの残存によりレーザー出力電流は急速には減少しない。より急速にレーザー出力電流を減少させるにはコイルに蓄えられたエネルギーを還流回路に減衰抵抗を挿入して消費させる手段が有効である。 When cutting off the laser output current of the switching power supply, the laser output current does not decrease rapidly due to residual energy stored in the coil and capacitor. In order to more rapidly reduce the laser output current, it is effective to consume the energy stored in the coil by inserting a damping resistor into the circulation circuit.
図14を用いてレーザー出力電流の供給状態から急速に遮断する手法を説明する。 A method of rapidly cutting off the laser output current from the supply state will be described using FIG. 14.
レーザー出力電流の供給時は、図14の368および369、374および375、378および379の前半部分に示すようにタイミング発生319から駆動側のスイッチング素子323および還流側のスイッチング素子326、駆動側のスイッチング素子324および還流側のスイッチング素子327、駆動側のスイッチング素子325および還流側のスイッチング素子328を動作させてレーザーダイオード345を駆動している。更に第三の電圧-PWM変換338、339、340を動作させ図13に示したタイミングにて複数のコイル341、342、343に流れる電流の総和を目標値に制御している。この時は減衰抵抗332、333、334は短絡の時間が長い状態にありコイル電流の減衰は少ない。
When the laser output current is supplied, as shown in the first half of 368 and 369, 374 and 375, 378 and 379 in FIG. The
次にスイッチング電源のレーザー出力電流を遮断する時は、図14の368の後半部分に示すようにタイミング発生319から駆動側のスイッチング素子323の動作を停止し、369の後半部分に示すように還流側のスイッチング素子326を動作させる。更に第三の電圧-PWM変換338を動作させ、図14の370に示すタイミングでカウンタ352およびフリッププロップ354をセットし、371に示すタイミングでフリップフロップ354をaの位置の早いタイミングにてリセットさせる。このようにして372のbのようにFET335への入力を長い時間OFFとして減衰抵抗332を有効としている。すなわち減衰抵抗332は抵抗値の高い時間が長い状態にあり373のcに示すようにコイル341に流れる電流i1の減衰は大きい。
Next, when cutting off the laser output current of the switching power supply, the operation of the driving
同様に図14の374の後半部分に示すようにタイミング発生319から駆動側のスイッチング素子324の動作を停止し、375の後半部分に示すように還流側のスイッチング素子327を動作させる。更に第三の電圧-PWM変換339を第三の電圧-PWM変換338と同様に動作させ376のdのようにFET336の入力を長い時間OFFとして減衰抵抗333を有効としている。すなわち減衰抵抗333は抵抗値の高い時間が長い状態にあり377のeに示すようにコイル342に流れる電流i2の減衰は大きい。
Similarly, as shown in the second half of 374 in FIG. 14, the driving
同様に図14の378の後半部分に示すようにタイミング発生319から駆動側のスイッチング素子325の動作を停止し、379の後半部分に示すように還流側のスイッチング素子328を動作させる。更に第三の電圧-PWM変換340を第三の電圧-PWM変換338と同様に動作させ380のfのようにFET337の入力を長い時間OFFとして減衰抵抗334を有効としている。すなわち減衰抵抗334は抵抗値の高い時間が長い状態にあり381のgに示すようにコイル343に流れる電流i3の減衰は大きい。
Similarly, as shown in the second half of 378 in FIG. 14, the operation of the
すなわちレーザー電流を遮断する時は減衰抵抗332、333、334を有効にすることによりコイル341、342、343の電流を減少させることができ、レーザー出力電流を急速に減少させることができる。
That is, when cutting off the laser current, the currents in the
ここでは減衰抵抗およびこれを制御するFETはそれぞれのコイル又はスイッチング素子について一組だけ設けられているが、スイッチング素子に挿入された抵抗値を変化させる手段の第1の応用例および第2の応用例にて減衰抵抗332などおよびこれを制御するFET335などを複数準備するなどして減衰抵抗の値を種々に変化させたり、また連続的に変化する手段を準備することにより、広範囲な制御が可能になることはいうまでもない。
Here, only one set of attenuation resistors and FETs for controlling the attenuation resistors are provided for each coil or switching element. For example, by preparing
コイルとコンデンサによって決まる共振周波数がスイッチングの周波数の0.1倍以上となることを特徴とする高速スイッチング電源について以下本発明の第1の実施形態の図1乃至図3を用いて説明する。 A high-speed switching power supply characterized in that the resonance frequency determined by the coil and the capacitor is 0.1 times or more the switching frequency will be described below with reference to FIGS. 1 to 3 of the first embodiment of the present invention.
図2のコイル電流45に示したようにコイルに流れる電流は43で定まるスイッチング周波数を有する三角波状に増加し減少する。この電流の増減は出力電圧および出力電流に大きなリップルを生ぜしめ、出力電圧および出力電流が一定にならない。これを避けるため従来のスイッチング電源は図1におけるコイル36のインダクタンスLおよびコンデンサ40のキャパシタンスCの値を43で定まるスイッチング周波数に対し十分小さな値とする。すなわち次の式を満足する値とされている。具体的にはスイッチング周波数300kHzに対して1kHz以下のLC共振周波数とされる。
As shown by the coil current 45 in FIG. 2, the current flowing through the coil increases and decreases in a triangular waveform having a switching frequency determined by 43. This increase or decrease in current causes large ripples in the output voltage and output current, and the output voltage and output current do not become constant. In order to avoid this, in the conventional switching power supply, the values of the inductance L of the
LC共振周波数=1/(2π√(LC))<<0.1×スイッチング周波数 LC resonance frequency = 1/(2π√(LC)) <<0.1× switching frequency
しかるに本発明による第1の実施形態では次の式を満足する値とされる。具体的にはスイッチング周波数300kHzに対して同等の300kHz程度のLC共振周波数とするのがよい。 However, in the first embodiment of the present invention, the value is set to satisfy the following equation. Specifically, it is preferable to set the LC resonance frequency to about 300 kHz, which is equivalent to the switching frequency of 300 kHz.
LC共振周波数=1/(2π√(LC))≧0.1×スイッチング周波数 LC resonance frequency = 1/(2π√(LC))≧0.1×switching frequency
このように本発明による高速スイッチング電源はコイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスを極端に小さくするが、図3に示したように電源電圧を設定又は選択し複数のコイルに流れる電流の増加の総量と減少の総量を等しくすることによりリップルを無くすことができる。そして、コイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスを極端に小さくすることにより出力電圧および出力電流を急速に立ち上げることが可能となり、従来のスイッチング電源にない大きな特徴が生じるものと考えられる。 In this way, the high-speed switching power supply according to the present invention makes the inductance of the coil and the capacitance of the capacitor extremely small, but by setting or selecting the power supply voltage as shown in Fig. 3, the total amount of current flowing through multiple coils can be increased or decreased. Ripple can be eliminated by making the total amount equal. Furthermore, by extremely reducing the inductance of the coil and the capacitance of the capacitor, it is possible to rapidly increase the output voltage and output current, which is considered to be a major feature not found in conventional switching power supplies.
立ち上り時にもしくは出力電流に応じて相数を増減することを特徴とする高速スイッチング電源について以下説明する。 A high-speed switching power supply characterized by increasing or decreasing the number of phases at startup or in accordance with the output current will be described below.
相数を増減する第一の応用例として立ち上り時は複数のスイッチング素子を同時にONさせて立ち上りを速くすることを特徴とするスイッチング電源について以下図3および図15を用いて説明する。図3においては図1における駆動側スイッチング素子24、25、26、27および還流側スイッチング素子28、29、30、31を順次動作させレーザー出力電流を生成している。一方図15においてaの部分は図1における駆動側スイッチング素子24、25、26、27を同時に動作させ、コイル36、37、38、39に電流i1、i2、i3を流しこむ。すなわちこの部分は4倍の電流iがコンデンサ40に流れ込み、急速に立ち上がるレーザー出力電流が得られる。このため図15では図3に比べ立ち上り時間は1/4に短縮される。上昇途中に経過時間もしくはコンデンサ40の両端電圧が定められた値を超えた時に図3の制御方式に戻す手段によりレーザー出力電流はオーバーシュートなしに急速な立ち上り時間を得ることが可能となる。
As a first application example of increasing/decreasing the number of phases, a switching power supply characterized in that a plurality of switching elements are simultaneously turned on at the time of startup to speed up the startup will be described below with reference to FIGS. 3 and 15. In FIG. 3, the driving
相数を増減する第二の応用例として出力電流に応じて相数を増減することを特徴とするスイッチング電源について以下図16を用いて説明する。図16(a)は図1に示す4相のコイルを用いたスイッチング電源において実線のコイル電流i1、i2、i3、i4の総和をレーザー出力電流iにて示している。これに対し、出力するレーザー電流iの値を破線で示すように小さくしていくとコイル電流i1、i2、i3、i4が破線で示すように三角波全体が低い値に移行し、三角波の低い部分が0となってしまう。更に出力するレーザー電流iの値を小さくしていくとコイル電流i1、i2、i3、i4が0の時間が発生する。スイッチング電源は出力電流が低減しコイル36、37、38、39に流れる電流が0の値を継続すると出力電圧に不連続な変化を生じせしめる性質がありリップルが増大する。こうなる事態を避ける方法として第一の実施形態におけるタイミング発生19を制御して、図16(b)に示すように4相のコイルを用いてレーザー電流を供給せず2相のコイル36、38を用いてレーザー電流を供給すれば、例えば電流が半分なので、コイル電流として同じ三角波の値を保つことが可能となる。このように出力電流を低減した場合には相数を減少させる手段が有効となる。
As a second application example of increasing/decreasing the number of phases, a switching power supply characterized by increasing/decreasing the number of phases according to the output current will be described below with reference to FIG. 16. FIG. 16(a) shows the sum of solid line coil currents i1, i2, i3, and i4 as laser output current i in the switching power supply using the four-phase coil shown in FIG. On the other hand, when the value of the output laser current i is decreased as shown by the broken line, the entire triangular wave shifts to a lower value as shown by the broken line for the coil currents i1, i2, i3, and i4, and the lower part of the triangular wave becomes 0. When the value of the laser current i to be output is further reduced, a time occurs when the coil currents i1, i2, i3, and i4 are 0. A switching power supply has a property of causing a discontinuous change in the output voltage when the output current decreases and the current flowing through the
出力電流に応じてクロック周期を変化することを特徴とする高速スイッチング電源について以下図16を用いて説明する。図16(a)は図1に示す4相のコイルを用いたスイッチング電源において実線のコイル電流i1、i2、i3、i4の総和をレーザー出力電流iにて示している。これに対し、出力するレーザー電流iの値を破線で示すように小さくしていくとコイル電流i1、i2、i3、i4が破線で示すように三角波全体が低い値に移行し、三角波の低い部分が0となってしまう。更に出力するレーザー電流iの値を小さくしていくとコイル電流i1、i2、i3、i4が0の時間が発生する。スイッチング電源は出力電流が低減しコイルに流れる電流が0の値を継続すると出力電圧に不連続な変化を生じせしめる性質がありリップルが増大する。こうなる事態を避ける方法として第一の実施形態におけるタイミング発生19を制御して、図16(c)に示すように、クロック周期を低減してコイル36、37、38、39を流れる電流i1、i2、i3、i4の振幅を減少させる。図16(c)ではクロック周期を半減してレーザー電流iを供給すれば、例えば電流が半分なので、0にならない三角波を保つことが可能となる。このように出力電流を低減した場合にはクロック周期を低減する手段が有効となる。
A high-speed switching power supply characterized by changing the clock period according to the output current will be described below with reference to FIG. 16. FIG. 16(a) shows the sum of solid line coil currents i1, i2, i3, and i4 as laser output current i in the switching power supply using the four-phase coil shown in FIG. On the other hand, when the value of the output laser current i is decreased as shown by the broken line, the entire triangular wave shifts to a lower value as shown by the broken line for the coil currents i1, i2, i3, and i4, and the lower part of the triangular wave becomes 0. When the value of the laser current i to be output is further reduced, a time occurs when the coil currents i1, i2, i3, and i4 are 0. A switching power supply has a property of causing a discontinuous change in the output voltage when the output current decreases and the current flowing through the coil continues to have a value of 0, resulting in an increase in ripple. As a method to avoid such a situation, the
複数のコイルに流れる電流値を揃える手段を有することを特徴とする高速スイッチング電源について図17を用いて電流値を揃える動作を以下に説明する。 Regarding a high-speed switching power supply characterized by having a means for equalizing the current values flowing through a plurality of coils, the operation of equalizing the current values will be described below using FIG. 17.
図17において、110から145までの構成および動作は図4を用いて説明した第2の実施形態と同様であり説明を省略する。146、147、148は微小抵抗であり、還流側のスイッチング素子129、130、131および還流側のダイオード132、133、134に対し直列に挿入されている。149はマルチプレクサであり微小抵抗146、147、148に生じる電圧を選択しA/Dコンバータ141に送る。
In FIG. 17, the configuration and operation from 110 to 145 are the same as those in the second embodiment described using FIG. 4, and the description thereof will be omitted.
部品定数のばらつきに起因して、多相のスイッチング電源において各相の電流はともすればばらついてしまう。電流の多いコイルと電流の少ないコイルがあれば電流の少ないコイルにおいて電流が0となるケースが生じてしまいレーザー出力電流にリップルが生じてしまう。そのため微小抵抗146、147、148に生じる還流電流をマルチプレクサ149を切り替えて測定し、各コイル135、136、137に流れる電流の平均値に対し電流の多いコイルの駆動側スイッチング素子に対しては短めに、各コイルに流れる電流の平均値に対し電流の少ないコイルの駆動側スイッチング素子に対しては長めに電流を流す手段、すなわちONすることにより、各コイルに流れる電流を均一な値にすることができる。
Due to variations in component constants, the currents of each phase in a multiphase switching power supply tend to vary. If there is a coil with a large current and a coil with a small current, there will be a case where the current becomes 0 in the coil with a small current, resulting in a ripple in the laser output current. Therefore, the return current generated in the
また電源電圧を変化させる手段、還流回路に挿入されたに抵抗値を変化させる手段によっても同様に各コイルに流れる電流を均一な値にすることができる。微小抵抗146、147、148は図11における減衰抵抗332、333、334と同一とすることができ第三の電圧-PWM(Pulse Width Modulation)変換回路388、339、340を制御しFET335、336、337をOFFさせて減衰抵抗332、333、334に生じる還流電流をマルチプレクサを通して測定することにより同様に各コイル135、136、137に流れる電流を均一な値にすることができる。
Further, the current flowing through each coil can be made uniform by means for changing the power supply voltage and means for changing the resistance value inserted in the freewheeling circuit. The
位相補償をディジタル制御により実現することを特徴とするスイッチング電源について図18を用いて位相補償の動作を説明する。 The operation of phase compensation will be described with reference to FIG. 18 regarding a switching power supply characterized in that phase compensation is realized by digital control.
図18におけるスイッチング素子510は図4、図7、図11における駆動側スイッチング素子126、246、323、ダイオード511は図4、図7、図11における還流側のダイオード132又は還流側のスイッチング素子129、還流側のダイオード252又は還流側のスイッチング素子249、還流側のダイオード329又は還流側のスイッチング素子326、コイル512は図4、図7、図11におけるコイル135、コイル255、コイル341 、コンデンサ513は図4、図7、図11におけるコンデンサ138、コンデンサ258、コンデンサ344、半導体レーザーダイオード514は図4、図7、図11における半導体レーザーダイオード139、半導体レーザーダイオード259、半導体レーザーダイオード345、電流検出抵抗515は図4、図7、図11おける電流検出抵抗140、電流検出抵抗260、電流検出抵抗346である。スイッチング素子510、ダイオード511、コイル512は図4、図7、図11と同様、回路を構成する相数に応じて並列に追加することができる。516は遅延要素であり図4、図7、図11における出力電流を受けるA/Dコンバータ141、A/Dコンバータ261、A/Dコンバータ347の有する遅延、FPGA 118、FPGA 232、FPGA 318の有する計算に伴う遅延が含まれる。抵抗517、抵抗518は位相補償用の抵抗であり、コンデンサ519は抵抗517、抵抗518と組み合わせて階段状の位相補償の特性を定め、520は利得が1のアンプであり、抵抗521は位相補償用の抵抗であり、コンデンサ522は抵抗521と組み合わせて高域で下降する位相補償の特性を定め、抵抗517、抵抗518、コンデンサ519、アンプ520、抵抗521、コンデンサ522にて図4、図7、図11の位相補償142、位相補償262、位相補償348を構成し、位相補償の出力を与える。523は利得がGAINの値を持つアンプであり、図4、図7、図11における引き算回路145、引き算回路265、引き算回路351に相当し、位相補償の出力と目標とする電流値Vmの差を得る。524はコンパレータであり、図5、図8、図12における引き算回路147、267、353に相当し、アンプ523の出力をマイナス端子に受け、プラス端子に周期をもつ三角波を印加する手段によりアンプ523の出力に比例する時間幅のパルスを出力する。遅延要素516、アンプ520、アンプ523、コンパレータ524にて電流検出抵抗515の出力電圧VRを一定にするための負帰還のループを構成している。抵抗517、抵抗518、コンデンサ519、抵抗521、コンデンサ522によりアンプ523の周波数特性を決めてラグリード補償法を構成しVRの信号から負帰還信号の遅延回路を通して遅れる発振要素を無くす役割を持つ。高速スイッチング電源は立ち上げ時、負荷である半導体レーザーダイオードの加工時の加工対象物による影響、立ち下げ時に多くの変動を受ける。この変動に対応するために状況に応じて位相補償特性をダイナミックに変更できるディジタル位相補償は有効な手段となる。
The switching
本発明によるスイッチング電源を用い半導体レーザーダイオードを駆動すれば高速な立ち上り時間と共にリップルのない十分に綺麗な電源出力を得る方法を提供できる。高速のパルス駆動が可能となれば精密なレーザー加工を実現することができ、更にスイッチング電源を採用する手段により効率が高まり、小型化、低コスト化が可能となる。 By driving a semiconductor laser diode using the switching power supply according to the present invention, it is possible to provide a method for obtaining a sufficiently clean power output without ripples as well as a fast rise time. If high-speed pulse drive becomes possible, precise laser processing can be achieved, and the use of a switching power supply increases efficiency, making it possible to reduce the size and cost.
本発明による高速のスイッチング電源をレーザーを駆動する電源に適用する手段により加工性のよいレーザー加工機を小型、高効率の電源により実現することができる。更に高速の立ち上り時間を要する他の用途に展開することは容易である。 By applying the high-speed switching power supply according to the present invention to a power supply for driving a laser, a laser beam processing machine with good processability can be realized using a small and highly efficient power supply. It is easy to expand to other applications requiring even faster rise times.
10 第1の実施形態のスイッチング電源の一次電源
24、25、26、27 第1の実施形態のスイッチング電源の駆動側スイッチング素子
28、29、30、31 第1の実施形態のスイッチング電源の還流測スイッチング素子
36、37、38、39 第1の実施形態のスイッチング電源のコイル
40 第1の実施形態のスイッチング電源のコンデンサ
41 第1の実施形態のレーザー装置の半導体レーザーダイオード
110 第2の実施形態のスイッチング電源の一次電源
126、127、128 第2の実施形態のスイッチング電源の駆動側スイッチング素子
129、130、131 第2の実施形態のスイッチング電源の還流測スイッチング素子
135、136、137 第2の実施形態のスイッチング電源のコイル
138 第2の実施形態のスイッチング電源のコンデンサ
139 第2の実施形態のレーザー装置の半導体レーザーダイオード
142 第2の実施形態のスイッチング電源の位相補償回路
146、147、148 微小抵抗
149 マルチプレクサ
210、211 第3の実施形態のスイッチング電源の一次電源
246、247、248 第3の実施形態のスイッチング電源の駆動側スイッチング素子
249、250、251 第3の実施形態のスイッチング電源の還流測スイッチング素子
255、256、257 第3の実施形態のスイッチング電源のコイル
258 第3の実施形態のスイッチング電源のコンデンサ
259 第3の実施形態のレーザー装置の半導体レーザーダイオード
262 第3の実施形態のスイッチング電源の位相補償回路
310 第4の実施形態のスイッチング電源の一次電源
323、324、325 第4の実施形態のスイッチング電源の駆動側スイッチング素子
326、327、328 第4の実施形態のスイッチング電源の還流測スイッチング素子
332、333、334 減衰抵抗
341、342、343 第4の実施形態のスイッチング電源のコイル
344 第4の実施形態のスイッチング電源のコンデンサ
345 第4の実施形態のレーザー装置の半導体レーザーダイオード
348 第4の実施形態のスイッチング電源の位相補償回路
510 駆動側スイッチング素子
512 コイル
513 コンデンサ
10 Primary power supplies 24, 25, 26, 27 of the switching power supply of the first embodiment Drive-side switching elements 28, 29, 30, 31 of the switching power supply of the first embodiment Freewheel measurement of the switching power supply of the first embodiment Switching elements 36, 37, 38, 39 Coil 40 of the switching power supply of the first embodiment Capacitor 41 of the switching power supply of the first embodiment Semiconductor laser diode 110 of the laser device of the first embodiment Primary power supplies 126, 127, 128 of the switching power supply 129, 130, 131 of the driving side switching elements of the switching power supply of the second embodiment Freewheel measurement switching elements 135, 136, 137 of the switching power supply of the second embodiment Second implementation Coil 138 of the switching power supply of the second embodiment Capacitor 139 of the switching power supply of the second embodiment Semiconductor laser diode 142 of the laser device of the second embodiment Phase compensation circuit 146, 147, 148 of the switching power supply of the second embodiment 149 Multiplexers 210, 211 Primary power supplies 246, 247, 248 of the switching power supply of the third embodiment Drive-side switching elements 249, 250, 251 of the switching power supply of the third embodiment Return current measurement of the switching power supply of the third embodiment Switching elements 255, 256, 257 Coil 258 of the switching power supply of the third embodiment Capacitor 259 of the switching power supply of the third embodiment Semiconductor laser diode 262 of the laser device of the third embodiment Switching power supply of the third embodiment Phase compensation circuit 310 of the switching power supply of the fourth embodiment Primary power supplies 323, 324, 325 Drive-side switching elements 326, 327, 328 of the switching power supply of the fourth embodiment Freewheeling measurement of the switching power supply of the fourth embodiment Switching elements 332, 333, 334 Attenuation resistors 341, 342, 343 Coil 344 of the switching power supply of the fourth embodiment Capacitor 345 of the switching power supply of the fourth embodiment Semiconductor laser diode 348 of the laser device of the fourth embodiment Phase compensation circuit 510 of the switching power supply according to the fourth embodiment Drive-side switching element 512 Coil 513 Capacitor
Claims (11)
前記複数のスイッチング素子を制御する手段により、前記複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御することを特徴とする高速スイッチング電源。 Consisting of a primary power source, multiple switching elements connected to the primary power source, multiple coils connected to the multiple switching elements, and one capacitor connected to the multiple coils, the power supply voltage is set or selected according to the number of coils. In a switching power supply that keeps the sum of currents flowing through the plurality of coils constant by means of
A high-speed switching power supply characterized in that the total sum of currents flowing through the plurality of coils is controlled to a target value by means for controlling the plurality of switching elements.
電源電圧を変化させる手段により、前記複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御することを特徴とする高速スイッチング電源。 Consisting of a primary power source, multiple switching elements connected to the primary power source, multiple coils connected to the multiple switching elements, and one capacitor connected to the multiple coils, the power supply voltage is set or selected according to the number of coils. In a switching power supply that keeps the sum of currents flowing through the plurality of coils constant by means of
A high-speed switching power supply, characterized in that the sum of currents flowing through the plurality of coils is controlled to a target value by means of changing the power supply voltage .
電源電圧を変化させる手段により、立ち上げを速くすることを特徴とする高速スイッチング電源。 Consisting of a primary power source, multiple switching elements connected to the primary power source, multiple coils connected to the multiple switching elements, and one capacitor connected to the multiple coils, the power supply voltage is set or selected according to the number of coils. In a switching power supply that keeps the sum of currents flowing through the plurality of coils constant by means of
A high-speed switching power supply characterized by faster start-up by changing the power supply voltage.
前記複数のスイッチング素子に挿入又は接続された抵抗値を変化させる手段により、前記複数のコイルに流れる電流の総和を目標値に制御することを特徴とする高速スイッチング電源。 Consisting of a primary power source, multiple switching elements connected to the primary power source, multiple coils connected to the multiple switching elements, and one capacitor connected to the multiple coils, the power supply voltage is set or selected according to the number of coils. In a switching power supply that keeps the sum of currents flowing through the plurality of coils constant by means of
A high-speed switching power supply characterized in that the sum of currents flowing through the plurality of coils is controlled to a target value by means for changing the resistance value inserted or connected to the plurality of switching elements .
前記複数のスイッチング素子に挿入又は接続された抵抗値を変化させる手段により、立ち下げを速くすることを特徴とする高速スイッチング電源。 Consisting of a primary power source, multiple switching elements connected to the primary power source, multiple coils connected to the multiple switching elements, and one capacitor connected to the multiple coils, the power supply voltage is set or selected according to the number of coils. In a switching power supply that keeps the sum of currents flowing through the plurality of coils constant by means of
A high-speed switching power supply characterized in that the power supply is turned down quickly by means of changing the resistance value inserted or connected to the plurality of switching elements .
前記コイルと前記コンデンサによって決まる共振周波数がスイッチング周波数の0.1倍以上となることを特徴とする高速スイッチング電源。 Consisting of a primary power source, multiple switching elements connected to the primary power source, multiple coils connected to the multiple switching elements, and one capacitor connected to the multiple coils, the power supply voltage is set or selected according to the number of coils. In a switching power supply that keeps the sum of currents flowing through the plurality of coils constant by means of
A high-speed switching power supply characterized in that a resonance frequency determined by the coil and the capacitor is 0.1 times or more of a switching frequency .
立ち上り時にもしくは出力電流に応じてコイルの相数を増減することを特徴とする高速スイッチング電源。 Consisting of a primary power source, multiple switching elements connected to the primary power source, multiple coils connected to the multiple switching elements, and one capacitor connected to the multiple coils, the power supply voltage is set or selected according to the number of coils. In a switching power supply that keeps the sum of currents flowing through the plurality of coils constant by means of
A high-speed switching power supply characterized by increasing or decreasing the number of coil phases at startup or according to the output current .
出力電流に応じてクロック周期を変化することを特徴とする高速スイッチング電源。 Consisting of a primary power source, multiple switching elements connected to the primary power source, multiple coils connected to the multiple switching elements, and one capacitor connected to the multiple coils, the power supply voltage is set or selected according to the number of coils. In a switching power supply that keeps the sum of currents flowing through the plurality of coils constant by means of
A high-speed switching power supply characterized by changing the clock cycle depending on the output current.
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