CN104956575A - Dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DC-DC变换器。该DC-DC变换器(101)具备：使被开关切换元件(Q1)开关切换的电压电流平滑的平滑电路；和通过开关切换元件(Q1)的控制来控制平滑电路的输出电压电流的控制部(10)。平滑电路具备：由电感器(L1)以及平滑电容器(C2、C3)构成的第1平滑电路；和由电感器(L1)以及电容器(C4)构成的第2平滑电路。第1平滑电路使被开关切换元件(Q1)开关切换的电压电流平滑并提供给负载(RL)。第2平滑电路使被开关切换元件(Q1)开关切换的电压电流平滑并提供给分压电路(R1、R2)。控制部(10)对开关切换元件(Q1)进行反馈控制以使得提供给分压电路的电压恒定。由此，能够使输出电压特性不产生损耗地具有斜率。

Description

DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及使电流电压特性具有规定的斜率的DC-DC变换器。
背景技术
为了高输出化，存在将多个电源并联连接构成的电源装置。在使用多个电源的情况下，提出了以将施加给各个电源的负载分散来使电源的负担均等为目的的各种方式。例如，在专利文献1中公开了一种将多个电压源并联连接构成的并联驱动型电源装置。
专利文献1所述的并联驱动型电源装置具备2个DC-DC变换器。在专利文献1中，在各DC-DC变换器的输出侧插入电阻，使DC-DC变换器各自的电流电压特性(表示电压变化相对于电流变化的特性)具有斜率，进一步使该斜率相同。在该结构中，若流向与并联驱动型电源装置连接的负载的输出电流较小，则只有输出电压较高的DC-DC变换器输出电流，若流向负载的输出电流变大，则2个DC-DC变换器都输出电流。这样，分散了分别施加给2个DC-DC变换器的负载。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-168090号公报
发明内容
-发明要解决的课题-
但是，在专利文献1中，由于将电阻与DC-DC变换器的负载电流的路径连接，因此存在产生基于电阻的损耗，转换效率降低的问题。
因此，本发明的目的在于，提供一种能够使电流电压特性不产生损耗地具有斜率的DC-DC变换器。
-解决课题的手段-
本发明的DC-DC变换器具备：对输入到直流电源输入部的电压电流进行开关切换的开关切换电路；使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑的平滑电路；和通过所述开关切换电路的控制来控制所述平滑电路的输出电压电流的开关切换控制电路，所述平滑电路具备：使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给主负载的第1平滑电路；和使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给副负载的第2平滑电路，所述开关切换控制电路根据提供给所述副负载的电压与基准电压的比较来对所述开关切换电路进行反馈控制。
本发明的DC-DC变换器具备：对输入到直流电源输入部的电压电流进行开关切换的开关切换电路；使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑的平滑电路；和通过所述开关切换电路的控制来控制所述平滑电路的输出电压电流的开关切换控制电路，所述开关切换电路具备：分别对输入到所述直流电源输入部的电压电流进行开关切换的第1开关切换电路以及第2开关切换电路，所述平滑电路具备：使被所述第1开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给主负载的第1平滑电路；和使被所述第2开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给副负载的第2平滑电路，所述开关切换控制电路根据提供给所述副负载的电压与基准电压的比较来对所述第1开关切换电路以及所述第2开关切换电路进行反馈控制。
本发明的DC-DC变换器具备：对输入到直流电源输入部的电压电流进行开关切换的开关切换电路；使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑的平滑电路；和通过所述开关切换电路的控制来控制所述平滑电路的输出电压电流的开关切换控制电路，所述开关切换电路具备：分别对输入到所述直流电源输入部的电压电流进行开关切换的第3开关切换电路以及第4开关切换电路，所述平滑电路具备：使被所述第3开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给主负载以及副负载的第3平滑电路；和使被所述第4开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给主负载以及副负载的第4平滑电路，所述开关切换控制电路根据提供给所述副负载的电压与基准电压的比较来对所述第3开关切换电路以及所述第4开关切换电路进行反馈控制。
在这些结构中，不是根据向主负载的输出电压，而是根据向副负载的输出电压来对开关切换电路进行开关切换控制。由此，与流向主负载的输出电流无关地(负载恒定的状态下)，进行开关切换控制以使得来自开关切换电路的输出电压恒定。在来自开关切换电路的输出电压恒定的情况下，由于元件的内部电阻以及布线电阻(以下，称为总电阻)等的影响，向主负载的输出电压比来自开关切换电路的输出电压降低“总电阻×流向主负载的电流”。因此，随着流向主负载的输出电流的增加，输出电压降低。其结果，能够在不使用电压下降用的电阻的情况下，也就是说，能够使电流电压特性不产生基于其电阻的损耗地具有斜率。
所述副负载也可以是具备相对于施加电压的输出电压具有温度依存性的电阻分压电路的结构。
在该结构中，能够根据温度来移动电压斜率，能够防止并联动作时电流集中在特定的DC-DC变换器(发热集中)。其结果，能够实现平衡好的并联动作。
-发明效果-
根据本发明，能够在不使用电压下降用电阻的情况下，使电流电压特性具有斜率。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的升压型DC-DC变换器的电路图
图2是表示电流电压特性的图
图3是表示并联驱动的2个DC-DC变换器的电流电压特性的图
图4是实施方式2所涉及的降压型DC-DC变换器的电路图
图5是实施方式3所涉及的DC-DC变换器的电路图
图6是实施方式4所涉及的DC-DC变换器的电路图
图7是实施方式5所涉及的DC-DC变换器的电路图
图8是实施方式6所涉及的DC-DC变换器的电路图
图9是表示随着温度变化而变化的电流电压特性的图
图10是实施方式7所涉及的DC-DC变换器的电路图
具体实施方式
(实施方式1)
在实施方式1中，说明将本发明所涉及的DC-DC变换器设为对输入的直流电压进行升压的升压型DC-DC变换器，并生成该DC-DC变换器的下垂(droop)特性的例子。
图1是实施方式1所涉及的升压型DC-DC变换器的电路图。实施方式1所涉及的DC-DC变换器101具备：直流电源Vin所连接的输入端子IN1、IN2；和负载(本发明的主负载)RL所连接的输出端子OUT1、OUT2。DC-DC变换器101对从输入端子IN1、IN2输入的直流电压进行升压，将升压了的直流电压从输出端子OUT1、OUT2输出到负载RL。
以下，将来自输出端子OUT1、OUT2的输出电流设为I1，将输出电压设为Vo1。
输入端子IN1、IN2与输入电容器C1连接。输入端子IN1、IN2与串联连接的电感器L1以及开关切换元件Q1连接。开关切换元件Q1是n型MOS-FET，其漏极与电感器L1连接，源极与输入端子IN2连接。此外，开关切换元件Q1的栅极与后述的控制部(本发明的开关切换控制电路)10连接，通过被从控制部10输入控制信号来接通断开。
在输入端子IN1与输出端子OUT1之间，连接有上述的电感器L1和与该电感器L1串联连接的二极管D1。二极管D1的阳极与电感器L1连接，阴极与输出端子OUT1连接。二极管D1的阴极与平滑电容器C2、C3连接。
在该结构中，通过开关切换元件Q1被接通断开，从而从输入端子IN1、IN2输入的直流电压被升压，升压了的直流电压从输出端子OUT1、OUT2输出到负载RL。
另外，上述的开关切换元件Q1相当于本发明的开关切换电路，电感器L1以及平滑电容器C2、C3相当于本发明的第1平滑电路。
在电感器L1以及开关切换元件Q1的连接点具备二极管D2以及平滑电容器C4。二极管D2的阳极与电感器L1连接，阴极与平滑电容器C4连接。另外，由上述的电感器L1以及平滑电容器C4构成的平滑电路相当于本发明的第2平滑电路。
在二极管D2的阴极具备由例如10kΩ的电阻(本发明的副负载)R1、R2构成的分压电路。控制部10通过分压电路检测第2平滑电路的输出电压。以下，将该输出电压设为Vo2，将输出电流设为I2。
控制部10向开关切换元件Q1的栅极输出控制信号，对开关切换元件Q1进行开关切换控制，从而对所输入的直流电压进行升压。此外，控制部10检测输出电压Vo2，对开关切换元件Q1进行反馈控制以使得输出电压Vo2恒定(基准电压)。由此，DC-DC变换器101中的电流电压特性具有斜率。具体来讲，随着输出电流I1的增加，输出电压Vo1降低。
图2是表示电流电压特性的图，表示输出电压Vo1，Vo2相对于输出电流I1、I2的特性。如图2所示，控制部10对开关切换元件Q1进行PWM控制，以使得无论输出电流I2的大小如何，输出电压Vo2都恒定。但是，由于输出电流I2是根据电阻R1、R2来定的，因此不取决于负载RL而恒定，实质上不会变动。在电感器L1与开关切换元件Q1的连接点，连接有二极管D1的线与连接有二极管D2的线并联连接，在负载RL是无负载的情况下，连接有二极管D1的线为输出电压Vo2。另外，由于输出电流I2比输出电流I1小(I2＜＜I1)，因此连接有二极管D2的线的电压下降部分能够忽略。
在连接有二极管D1的线存在二极管D1的内部电阻以及布线电阻等(将这些的总电阻设为r)。因此，在电感器L1与输出端子OUT1之间产生“r×输出电流I1”的电压下降。其结果，输出电压Vo1＝Vo2-r×输出电流I1。因此，如图2所示，输出电压Vo1成为从电压Vo2倾斜的特性。另外，输出电压Vo1的斜率是根据电阻r来定的。
通过使电流电压特性具有斜率，例如在将2个DC-DC变换器并联驱动的情况下，能够分散分别施加到2个DC-DC变换器的负载。图3是表示并联驱动的2个DC-DC变换器的电流电压特性的图。如图3所示，使2个DC-DC变换器的电流电压特性具有斜率。第1DC-DC变换器如图3的特性(1)所示，具有以无负载时的输出电压Va为起点，随着负载的增加，输出电压减少的电流电压特性。第2DC-DC变换器如图3的特性(2)所示，具有以无负载时的输出电压Vb(＜Va)为起点，随着负载的增加，输出电压减少的电流电压特性。
在使这2个DC-DC变换器并联驱动的情况下，在流向负载的输出电流较小时(输出电流Ia时)，只有第1DC-DC变换器输出电压V1。也就是说，负载只施加给第1DC-DC变换器。若流向负载的输出电流变大(输出电流Ib时)，则第1DC-DC变换器与第2DC-DC变换器分别输出电压V2。此时，第1DC-DC变换器输出输出电流Ic，第2DC-DC变换器输出输出电流Ib。也就是说，向第1以及第2DC-DC变换器双方施加负载，输出输出电流Ib+Ic。
这样，通过图1所示的DC-DC变换器101的电流电压特性具有图2所示的斜率，从而流向负载RL的输出电流I1增大，导致输出电压Vo1降低，DC-DC变换器101的负担被减少。并且，在本实施方式中，通过进行使根据分压电路来检测的输出电压Vo2恒定的反馈控制，从而在流向负载RL的电流路径不使用电压下降用的电阻，因此能够使电流电压特性不产生损耗地具有斜率。这里，也可以利用从第2平滑电路(L1、C4)输出的输出电压Vo2来向例如控制IC等小负载提供电力。在该情况下，由于控制IC等的负载变动较小，能够忽略，因此可以说流向副负载的输出电流I2实质上恒定。
(实施方式2)
在实施方式2中，说明将本发明所涉及的DC-DC变换器设为对输入的直流电压进行降压的降压型DC-DC变换器，并使电流电压特性具有斜率的例子。以下，对于与实施方式1同样的部件付与相同的符号，并省略说明。
图4是实施方式2所涉及的降压型DC-DC变换器的电路图。实施方式2所涉及的DC-DC变换器102对从输入端子IN1、IN2输入的直流电压进行降压，并将降压了的直流电压从输出端子OUT1、OUT2输出到负载RL。
在输入端子IN1与输出端子OUT1之间，连接有串联连接的开关切换元件Q1以及电感器L2。开关切换元件Q1是n型MOS-FET，其漏极与输入端子IN1连接，源极与电感器L2连接。
开关切换元件Q1与开关切换元件Q2连接。开关切换元件Q2也是n型MOS-FET，其漏极与开关切换元件Q1连接，源极与输入端子IN2连接。此外，在电感器L2与输出端子OUT1之间，连接有平滑电容器C2、C3。
开关切换元件Q1、Q2各自的栅极分别与控制部11连接，通过被从控制部11输出控制信号来接通断开。
在该结构中，通过开关切换元件Q1、Q2交替地接通断开，从而从输入端子IN1、IN2输入的直流电压被降压，降压了的直流电压被从输出端子OUT1、OUT2输出到负载RL。另外，开关切换元件Q2也可以是二极管。
上述的开关切换元件Q1、Q2相当于本发明的开关切换电路，电感器L2以及平滑电容器C2、C3相当于本发明的第1平滑电路。
开关切换元件Q1、Q2的连接点与由电感器L3以及平滑电容器C4构成的平滑电路(本发明所涉及的第2平滑电路)连接。与实施方式1同样地，该平滑电路与由电阻R1、R2构成的分压电路连接。
控制部11与实施方式1的控制部10同样地，进行使根据分压电路来检测的输出电压Vo2恒定的反馈控制。由此，能够在流向负载RL的电流路径不使用电压下降用的电阻的情况下，使DC-DC变换器102的电流电压特性不产生损耗地具有斜率。在该实施方式2中，由于在流向负载RL的电流路径存在电感器L2的内部电阻，因此电流电压特性的斜率比实施方式1大。
(实施方式3)
实施方式3是将实施方式2所涉及的DC-DC变换器102的开关切换元件Q1的接通电阻以及电感器L2的内部电阻用于具有斜率的电流电压特性的生成的例子。图5是实施方式3所涉及的DC-DC变换器的电路图。
输入端子IN1与开关切换元件Q3连接。开关切换元件Q3是n型MOS-FET，漏极与输入端子IN1连接，源极与电感器L3连接。此外，开关切换元件Q3与开关切换元件Q4连接。
另外，在DC-DC变换器103，开关切换元件Q1、Q2相当于本发明所涉及的第1开关切换电路，开关切换元件Q3、Q4相当于本发明所涉及的第2开关切换电路。此外，电感器L2以及平滑电容器C2、C3相当于本发明所涉及的第1平滑电路，由电感器L3以及平滑电容器C4构成的平滑电路相当于本发明所涉及的第2平滑电路。
控制部11根据由电阻R1、R2构成的分压电路来检测输出电压Vo2，对开关切换元件Q1、Q2、Q3、Q4进行反馈控制以使得输出电压Vo2恒定(基准电压)。由此，与实施方式2同样地，能够使电流电压特性具有斜率。在该DC-DC变换器103的电路中，电流电压特性的斜率是根据开关切换元件Q1的接通电阻、电感器L2的内部电阻以及布线电阻来定的。因此，实施方式3的电压电流特性的斜率比实施方式2大开关切换元件Q1的接通电阻部分。
这样，实施方式3与实施方式1、2同样地，能够在流向负载RL的电流路径不使用电压下降用的电阻的情况下，使电压电流特性具有斜率。进一步地，通过利用开关切换元件Q1的接通电阻，从而能够实现具有比实施方式1、2大的斜率的电压电流特性。
(实施方式4)
实施方式4表示将两个实施方式2所涉及的DC-DC变换器102并联配置而构成的交错(interleave)方式的DC-DC变换器的例子。图6是实施方式4所涉及的DC-DC变换器的电路图。
输入端子IN1与开关切换元件Q5以及电感器L4连接。电感器L4与输出端子OUT1连接。此外，开关切换元件Q5与由电感器L5以及平滑电容器C4构成的平滑电路连接。
在DC-DC变换器104，开关切换元件Q1、Q2相当于本发明所涉及的第1开关切换电路，开关切换元件Q5、Q6相当于本发明所涉及的第2开关切换电路。此外，电感器L2、L3以及平滑电容器C2、C3、C4相当于本发明所涉及的第3平滑电路，电感器L4、L5以及平滑电容器C2、C3、C4相当于本发明所涉及的第4平滑电路。
开关切换元件Q1、Q2被驱动器电路13A进行开关切换控制，开关切换元件Q5、Q6被驱动器电路13B进行开关切换控制。此外，驱动器电路13A、13B被从控制部12输入驱动信号。并且，驱动器电路13A和驱动器电路13B进行开关切换控制以使得开关切换元件Q1与开关切换元件Q5分别具有相互180度的相位差，此外，进行开关切换控制以使得开关切换元件Q2与开关切换元件Q6分别具有相互180度的相位差。
控制部12进行使根据分压电路来检测的输出电压Vo2恒定的反馈控制。由此，能够在流向负载RL的电流路径不使用电压下降用的电阻的情况下，使电流电压特性具有斜率。此外，通过设为交错方式，能够减少输出电流I1的脉动(ripple)。
(实施方式5)
实施方式5是设置了实施方式2的DC-DC变换器102中的电感器L3或电阻R4破损等用于控制输出电压Vo2的电路产生断线的情况的保护电路的例子。
图7是实施方式5所涉及的DC-DC变换器的电路图。在图7所示的DC-DC变换器105中，在电感器L3与电阻R1、R2之间连接有电阻R4。此外，电阻R4、R1的连接点经由电阻R3来与输出端子OUT1连接。各电阳值例如为，电阳R1、R2＝10kΩ，电阻R3＝1kΩ，电阻R4＝10Ω。
在该电路结构中，在正常时，在开关切换元件Q1的接通时流过的电流通过电感器L3，流向电阻R4、R1、R2。然后，控制部10根据分压电路(电阻R4、R1、R2)来检测输出电压Vo2。另一方面，在由于电感器L3的破损等产生断线的情况下，在开关切换元件Q1的接通时流过的电流不流过通过电感器L3的线。在该情况下，通过电感器L2的电流经由电阻R3，流向电阻R1、R2。由此，控制部10根据分压电路(电阻R3、R1、R2)来检测输出电压Vo1。
这样，在实施方式5所涉及的DC-DC变换器105中，即使在断线等异常产生的情况下，也能够防止输出过电压这样的异常。
(实施方式6)
实施方式6表示将实施方式2所涉及的DC-DC变换器的分压电路设为具有温度依存性的电阻分压电路的例子。
图8是实施方式6所涉及的DC-DC变换器的电路图。DC-DC变换器106是在实施方式2中说明的DC-DC变换器102的电路结构的基础上，还具备与电阻R1并联连接的热敏电阻Th的结构。热敏电阻Th根据开关切换元件Q1、Q2以及电感器L2等的温度来确定电阻值。电阻值根据温度而变化，其结果，控制部10检测的输出电压Vo2也变化。由于输出电压Vo2根据温度而变化，因此能够实现DC-DC变换器106的负载分散。
图9是表示随着温度变化而变化的电流电压特性的图。例如，在使2个DC-DC变换器并联驱动的情况下，在施加给第1DC-DC变换器的负载较大，与第2DC-DC变换器相比发热更大时，如图9所示，第1DC-DC变换器的电流电压特性向比常温时的特性低的方向移动。其结果，第1DC-DC变换器的输出电流降低，温度下降。
此外，由于第1DC-DC变换器的输出电流降低，因此负载被分散到第2DC-DC变换器，来自第2DC-DC变换器的输出电流增加。其结果，第2DC-DC变换器的发热变大。由此，保证了2个DC-DC变换器的发热的平衡。
另一方面，在施加到第1DC-DC变换器的负载较小，与第2DC-DC变换器相比发热较小时，如图9所示，第1DC-DC变换器的电流电压特性向比常温时的特性高的方向移动。其结果，第1DC-DC变换器的输出电流增加，温度上升。第1DC-DC变换器的输出电流增加，也就是说，由于施加到第1DC-DC变换器的负载变大，因此施加到第2DC-DC变换器的负载变小。其结果，来自第2DC-DC变换器的输出电流减少，第2DC-DC变换器的温度下降。由此，保证了2个DC-DC变换器的发热的平衡。
综上所述，通过根据温度来使电流电压特性移动，从而能够防止并联驱动时向一个DC-DC变换器的热集中。
(实施方式7)
实施方式7是具备对在实施方式2所涉及的DC-DC变换器102产生的过渡响应进行控制的电路的例子。
图10是实施方式7所涉及的DC-DC变换器的电路图。图10所示的DC-DC变换器107在实施方式2所涉及的DC-DC变换器102的结构的基础上，还具备由电阻R5以及电容器C5构成的CR串联电路。该CR串联电路连接在电阻R1、R2的连接点与输出端子OUT1之间。
DC-DC变换器107的控制部10在过渡响应的情况下，检测来自CR串联电路的输出电压，进行反馈控制。由此，能够提高输出电流I1急剧增加或者减少的情况下的响应性。
另外，虽然在实施方式7中，表示了将用于过渡响应的控制的CR串联电路应用于降压型DC-DC变换器的情况的例子，但CR串联电路对于升压型DC-DC变换器也同样能够应用。
-符号说明-
10、11、12-控制部
13A、13B-驱动器电路
101、102、103、104、105、106-DC-DC变换器
C1-输入电容器
C2、C3、C4-平滑电容器
D1、D2-二极管
L1、L2、L3、L4、L5-电感器
Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6-开关切换元件
RL-负载
R1、R2-分压电阻
R3、R4-电阻
Vi-直流电源
IN1、IN2-输入端子(直流电源输入部)
OUT1、OUT2-输出端子

Claims (4)

1.一种DC-DC变换器，具备：
开关切换电路，其对输入到直流电源输入部的电压电流进行开关切换；
平滑电路，其使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑；和
开关切换控制电路，其通过所述开关切换电路的控制来控制所述平滑电路的输出电压电流，
所述平滑电路具备：
第1平滑电路，该第1平滑电路使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给主负载；和
第2平滑电路，该第2平滑电路使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给副负载，
所述开关切换控制电路根据提供给所述副负载的电压与基准电压的比较来对所述开关切换电路进行反馈控制。
2.一种DC-DC变换器，具备：
开关切换电路，其对输入到直流电源输入部的电压电流进行开关切换；
平滑电路，其使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑；和
开关切换控制电路，其通过所述开关切换电路的控制来控制所述平滑电路的输出电压电流，
所述开关切换电路具备：分别对输入到所述直流电源输入部的电压电流进行开关切换的第1开关切换电路以及第2开关切换电路，
所述平滑电路具备：
第1平滑电路，该第1平滑电路使被所述第1开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给主负载；和
第2平滑电路，该第2平滑电路使被所述第2开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给副负载，
所述开关切换控制电路根据提供给所述副负载的电压与基准电压的比较来对所述第1开关切换电路以及所述第2开关切换电路进行反馈控制。
3.一种DC-DC变换器，具备：
开关切换电路，其对输入到直流电源输入部的电压电流进行开关切换；
平滑电路，其使被所述开关切换电路开关切换的电压电流平滑；和
开关切换控制电路，其通过所述开关切换电路的控制来控制所述平滑电路的输出电压电流，
所述开关切换电路具备：分别对输入到所述直流电源输入部的电压电流进行开关切换的第1开关切换电路以及第2开关切换电路，
所述平滑电路具备：
第3平滑电路，该第3平滑电路使被所述第1开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给主负载以及副负载；和
第4平滑电路，该第4平滑电路使被所述第2开关切换电路开关切换的电压电流平滑并提供给主负载以及副负载，
所述开关切换控制电路根据提供给所述副负载的电压与基准电压的比较来对所述第1开关切换电路以及所述第2开关切换电路进行反馈控制，
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的DC-DC变换器，其中，
所述副负载具备在相对于施加电压的输出电压中具有温度依存性的电阻分压电路。
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