CN105141128B - Dc‑dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DC‑DC变换器。在DC/DC变换器中，各通道通过使用非线性控制的数字控制而动作，分别测量开关元件(1)接通的时间点与其他开关元件(j，j＝2、3、…、N)接通的时间点之间的时间间隔，在测量出的间隔在规定范围内的情况下，维持开关元件j上次使用的接通时间的设定而继续动作，另一方面，在范围外的情况下，通过在设定的范围内增减该开关元件(j)的接通时间而偏离基本频率，使开关元件(1)接通的时间点与该开关元件(j)接通的时间点之间的间隔返回到规定范围内。

Description

DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种使用了接通时间固定的非线性控制的、2个通道以上的数字控制DC-DC变换器。
背景技术
在模拟控制DC/DC变换器的控制方法中，有称作滞环控制的非线性控制。在该滞环控制中，在输出电压的反馈系统中没有误差放大器，不需要进行相位补偿，因此能够进行非常高速的响应。
图4是表示2个通道滞环控制电源电路的一例的图。图5是表示2个通道滞环控制的输入纹波电流波形的图。
第1通道的开关电源电路由开关元件21和开关元件31、交互地驱动该开关元件21和开关元件31的驱动器81、LC滤波器91构成。通过使用比较器CMP1的负反馈电路来控制驱动器81。同样地，第2通道的开关电源电路由开关元件22和开关元件32、交互地驱动该开关元件22和开关元件32的驱动器82、LC滤波器92构成。通过使用比较器CMP2的负反馈电路来控制驱动器82。此外，图4中Vref是基准电压。在该图4的电源电路的例子中，如图5所示，第1通道的电流波形与第2通道的电流波形重叠。
此外，在使用PWM控制的DC/DC变换器中，使2个通道以上的DC/DC变换器的各通道的开关的相位移动，减少各通道的开关元件的接通时间的重复时间，由此能够减少输入电容器的纹波电流。
图6是表示2个通道PWM控制电源电路的图。图7是表示2个通道PWM控制电源的输入纹波电流波形的图。
第1通道的开关电源电路由开关元件21和开关元件31、交互地驱动该开关元件21和开关元件31的驱动器81、LC滤波器91构成。通过使用误差放大器AMP1的负反馈电路来控制驱动器81。同样地，第2通道的开关电源电路由开关元件22和开关元件32、交互地驱动该开关元件22和开关元件32的驱动器82、LC滤波器92构成。通过使用误差放大器AMP2的负反馈电路来控制驱动器82。此外，图6中Vref是基准电压。
此外，在非线性控制DC/DC变换器中，在一定的稳定动作状态稳定地进行控制的情况下，根据输入电压Vin、输出电压Vo以及开关元件2i的接通时间ton，可知频率f是固定的，在图1、图4所示的非绝缘同步整流降压型DC/DC变换器的情况下，以下式(1)表示频率f。
f＝Vo/(Vin×ton) …(1)
在日本特开2010-259280号公报、日本特开2011-259686号公报、日本特开2013-062966号公报、日本特开2013-243875号公报等中公开了开关电源装置，然而都没有假定输入电容器的纹波电流的减少。
为了在DC/DC变换器中实现高速响应，由于在PWM控制等线性控制中存在界限，因此需要滞环(hysteretic)控制等非线性控制。然而，在将滞环控制等非线性控制应用于2个通道以上的DC/DC变换器中时，根据各通道的开关的相位，开关元件的接通时间的重复时间增加，输入电容器的纹波电流变大，从而对输入电容器的寿命产生影响。另一方面，在将PWM控制等线性控制应用于2个通道以上的DC/DC变换器中时，对各通道的开关的相位进行移动变得容易，从而能够减少输入电容器的纹波电流，但高速响应变得困难。
发明内容
因此，鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的是提供一种在使用非线性控制的2个通道以上的数字控制降压型DC/DC变换器中，通过控制各通道的相位差来实现输入电容器纹波电流的减小的DC/DC变换器。
本发明的DC/DC变换器是使用接通时间固定的非线性控制的2个通道以上的数字控制降压型DC/DC变换器，该DC/DC变换器具备：与输入端子并联连接的第1～第N通道的开关电源电路、将从所述各通道的开关电源电路的输出端子输出的输出电压变换为数字信号的A/D变换器、以及输入由所述A/D变换器进行变换而得到的数字信号的运算处理装置，其中N为2以上的整数。并且，所述各个开关电源电路由以下部分构成：开关元件，其第1端子与所述输入端子连接而进行接通/断开；电感器，其第1端子与所述开关元件的第2端子连接；电容器，其连接在所述电感器的第2端子与0伏之间；以及驱动电路，其驱动所述开关元件。所述运算处理装置构成为：在判定为所述第2～第N通道的开关电源电路的开关元件接通时，测定从所述第1通道的开关电源电路的开关元件接通的时刻到该第2～第N通道的开关电源电路的开关元件接通的时刻的时间间隔，所述测定出的时间间隔在规定范围内的情况下，维持所述开关电源电路上次所使用的接通时间的设定而继续动作，另一方面，所述测定出的时间间隔在规定范围外的情况下，在规定时间内增减开关元件的接通时间地动作而返回到所述规定范围内，使各通道的电源电路的开关元件的开关的相位移动，以便减少各通道的所述开关元件的接通时间的重复时间。
根据本发明，在使用非线性控制的2个通道以上的数字控制DC/DC变换器中，在除了负荷急变时等情况之外的频率变动较少的状态下，将各通道的开关的相位差控制成保持一定以上，由此实现高速响应以及输入电容器的纹波电流减少，此外，在负荷急变时等情况下，开关元件的接通时间的重复时间瞬间增加，在输入电容器中产生较大的纹波电流，但是能够逐渐使各通道的开关的相位移动，能够将长期的输入电容器的纹波电流抑制成与PWM控制等线性控制相同。
附图说明
参照附图，对以下的实施例进行说明，从而使本发明的上述及其他目的和特征更加明确。
图1是表示具备2个通道以上的非线性数字控制电源电路的本发明的DC/DC变换器的图。
图2是表示2个通道非线性数字控制电源的输入纹波电流波形的图。
图3是表示图1的DC/DC变换器中的运算处理装置所执行的开关元件的接通时间控制的流程图。
图4是表示现有技术的2个通道滞环控制电源电路的图。
图5是表示现有技术的2个通道滞环控制的输入纹波电流波形的图。
图6是表示现有技术的2个通道PWM控制电源电路的图。
图7是表示现有技术的2个通道PWM控制电源的输入纹波电流波形的图。
具体实施方式
使用图1说明本发明的DC/DC变换器。
DC/DC变换器是是使用接通时间(ON-time)固定的非线性控制的2个通道(channel)以上的数字控制降压型DC/DC变换器，该DC/DC变换器具备：与输入端子并联连接的第1～第N(其中，N为2以上的整数)通道的开关电源电路(非线性数字控制电源电路)71、72、…7N、将从所述各通道的开关电源电路71、72、…、7N的输出端子输出的输出电压变换为数字信号的A/D变换器61、62、…、6N以及输入由所述A/D变换器61、62、…、6N变换而得到的数字信号的运算处理装置7。还向运算处理装置7输入通过A/D变换器6M将输入电压变换为数字信号后的信号。
一个开关电源电路7i(i＝1、2、…、N)具备：第1端子与所述输入端子Vin连接来进行接通/断开(ON/OFF)的开关元件2i和开关元件3i、第1端子与开关元件2i的第2端子连接的电感器4i、连接在该电感器4i的第2端子与0V之间的电容器5i以及交互地驱动开关元件2i和开关元件3i的驱动器8i。此外，由电感器4i和电容器5i构成LC滤波器9i。
DC/DC变换器的运算处理装置7判定所述第2～第N通道的开关电源电路7j(j＝2、3、…、N)的开关元件2j是否接通，在判定为接通时，测定从第1通道的开关电源电路71的开关元件21接通的时刻到该开关电源电路7j中的开关元件2j接通的时刻的时间间隔。然后，在该测定出的时间间隔在规定范围内的情况下，保持该开关电源电路7j上次使用的接通时间的设定地继续进行动作，另一方面，在该测定出的时间间隔为规定范围外的情况下，使该开关元件2j的接通时间在预定时间内增减地动作而返回到所述规定范围内，并且使各通道的开关电源电路71～7N的开关元件21～2N的开关的相位移动，以便减少各通道的所述开关元件的导通时间的重复时间。
此时，通过驱动器81～8N来驱动开关元件31～3N，以便在开关元件21～2N的断开时间进行接通。
预先，在图1的第1通道的开关电源电路71中，根据在动作稳定动作时能够稳定控制的基本动作频率fch1，使用输入电压Vin和输出电压Vo-1来决定开关元件21的接通时间。同样地，从在第2～第N通道的开关电源电路72～7N的稳定动作时能够稳定控制的频率范围，决定开关元件2j(j＝2、3、…、N)的接通时间范围。此时，设在第2～第N通道的频率范围内包含第1通道的基本动作频率fch1。此外，根据基本动作频率fch1和通道数N分别决定第1通道的开关电源电路71的开关元件21和第2～第N通道j(j＝2、3、…N)的开关电源电路7j的开关元件2j接通的定时间隔范围，以便减少各开关元件22～2N的接通时间的重复时间。
图2表示本发明的2个通道非线性数字控制电源的输入纹波电流(ripplecurrent)波形。
在频率变动较大的期间，在第1通道和第2通道的开关元件的接通时间存在重复时间且输入纹波电流增大，然而随着频率变动的变小，以消除接通时间的重复的方式进行控制，来减轻输入纹波电流。
图3是表示图1的运算处理装置7所执行的开关元件21～2N的接通时间控制的流程图。
在动作状态下，各个第1～第N通道通过使用了非线性控制的数字控制来进行动作，如图3所示，通过运算处理装置7的计时功能来测量开关元件21接通的时间点与开关元件2j(j＝2、3、…、N)接通的时间点之间的间隔(时间间隔)，
(a)在该测量出的各间隔在事先决定的范围内的情况下，维持开关元件2j上次使用的接通时间的设定而继续进行动作，另一方面，
(b)在测量出的各间隔在上述范围外的情况下，使该开关元件2j的接通时间在预先设定的范围内进行增减而偏离基本频率fch1，由此使开关元件21和开关元件2j接通的定时间隔返回到范围内。
以下，按照各步骤来说明图3的流程图。
首先，运算处理装置7在第j通道(j＝2、3、…、N)的开关电源电路7j中的开关元件2j接通的时间点，测定从第1通道的开关电源电路71中的开关元件21接通的时刻到该开关元件2j接通的时刻的间隔(时间间隔)(步骤sa01)。之后，运算处理装置7判断该测定出的间隔是否在规定的范围内(步骤sa02)，如果在规定的范围内，则该开关元件2j的接通时间维持上次的设定地继续动作(步骤sa03)，更新j(j＝j+1)，返回到步骤sa01。另一方面，如果该测定出的时间间隔不在规定的范围内，则使该开关元件2j的接通时间在事先决定的接通时间范围内进行增减地继续动作，更新j(j＝j+1)，返回到步骤sa01。

Claims (1)

1.一种DC/DC变换器，是使用接通时间固定的非线性控制的2个通道以上的数字控制降压型DC/DC变换器，该DC/DC变换器具备：与输入端子并联连接的第1通道～第N通道的开关电源电路、将从所述各通道的开关电源电路的输出端子输出的输出电压变换为数字信号的A/D变换器、以及输入由所述A/D变换器进行变换而得到的数字信号的运算处理装置，其中N为2以上的整数，该DC/DC变换器的特征在于，
所述各通道的开关电源电路具备：
开关元件，其一端与所述输入端子连接并进行接通/断开；
电感器，其一端与所述开关元件的另一端连接；
电容器，其与所述电感器的另一端连接，并且连接在输出端子与0伏之间；以及
驱动电路，其驱动所述开关元件，
以所述第1通道的开关电源电路的开关元件接通的定时为基准，使用所述运算处理装置的内部计时器监视第2通道～第N通道的开关电源电路的所述开关元件接通的定时的各间隔，在所述第1通道的开关电源电路的开关元件与所述第2通道～第N通道的开关电源电路的开关元件接通的定时的间隔在规定范围内的情况下，以所述开关电源电路上次所使用的接通时间的设定而继续动作，在所述第1通道的开关电源电路的开关元件与所述第2通道～第N通道的开关电源电路的开关元件接通的定时的间隔在规定范围外的情况下，在规定时间内增减开关元件接通的定时地动作而返回到规定范围内，使各通道的开关电源电路的开关元件的开关的相位移动，以便减少各通道的所述开关元件(2-1～2-N)的接通时间的重复时间。
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