JP2004048835A - Dc/dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、入力電圧Viから所望の出力電圧を生成するに際し、実出力電圧Voと出力電圧設定用基準電圧との誤差電圧Vithを求め、該誤差電圧Vithと出力電流設定用基準電圧Viref’との差電圧に応じた出力電流制御を行うDC/DCコンバータにおいて、出力電圧設定用基準電圧として、可変基準電圧Vaと固定基準電圧Vorefのいずれか低い方を用いるとともに出力電流設定用基準電圧Viref’として、可変基準電圧Vaと固定基準電圧Virefのいずれか低い方を用いる構成としている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力電圧を所定の電圧値に変換して出力するDC/DCコンバータに関し、特に、入力電圧から所望の出力電圧を生成するに際し、該出力電圧と第1基準電圧との誤差電圧を求め、該誤差電圧と第2基準電圧との差電圧に応じた出力電流制御を行うDC/DCコンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、特開平7−298614号公報に示されるようなソフトスタートコンデンサを用いたスイッチングDC/DCコンバータがあった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記DC/DCコンバータであれば、過電流保護を行えるようになるとともに電源投入時における負荷への突入電流を抑えられる。
【0004】
しかしながら、上記DC/DCコンバータでは、誤差電圧Vith(出力電圧Voと出力電圧設定用基準電圧Vorefとの差電圧を増幅して得られた電圧)と出力電流設定用基準電圧Virefを比較参照する必要があるが、この出力電流設定用基準電圧Virefが固定されている上、位相補償用(発振防止用)CR回路によって、電源投入時における誤差電圧Vithの立上がりが鈍るため、図5に示すように、誤差電圧Vithが出力電流設定用基準電圧Virefに達するまでに相当の時間を要していた。このように、誤差電圧Vithが出力電流設定用基準電圧Virefを下回る期間は、出力電流ioを負の値(或いは非常に小さい値)しか流せないため、電源投入直後には、出力電圧Voが立ち上がらない期間が生じてしまっていた。このような出力電圧Voの起動遅延が生じるとその間にソフトスタートコンデンサの充電が進んで端子電圧Vaが上昇してしまうため、誤差電圧Vithが出力電流設定用基準電圧Virefに達したときには、既に出力電圧Voと端子電圧Vaとの差が大きくなっており、結局出力電圧Voは比較的急峻に立ち上がる結果となっていた。
【0005】
ここで、出力電圧Voが端子電圧Va(または固定基準電圧Voref)に達するまで上昇すると、誤差電圧Vithは立ち下がり始めるが、前述と同様、位相補償用CR回路によってその立ち下がりが鈍るため、該誤差電圧Vithが出力電流設定用基準電圧Virefを下回るまでには相当の時間を要していた。そのため、上記DC/DCコンバータでは、出力電圧Voが端子電圧Va(または固定基準電圧Voref)に達してからも出力電流ioが流れ過ぎてしまい、出力電圧Voがオーバーシュートするおそれがあった。なお、このような出力電圧Voのオーバーシュートは、そのピーク値が固定基準電圧Vorefを超える場合はもちろん、固定基準電圧Vorefを超えない場合であっても、出力トランジスタ及び負荷に負担を与えかねないため、極力防止・低減する必要があった。
【0006】
また、上記DC/DCコンバータでは、電源遮断時における出力電圧Voのアンダーシュートについて、何ら考慮されていなかった。
【0007】
本発明は、上記の問題点に鑑み、電源投入時における出力電圧の急激な立上がり及びこれによるオーバーシュートの発生、及び/または電源遮断時における出力電圧の急激な低下及びこれによるアンダーシュートの発生を防止・低減することにより、出力トランジスタの過大電流による破壊や負荷の劣化を防止することが可能なDC/DCコンバータを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るDC/DCコンバータは、電源投入時及び/または電源遮断時に出力トランジスタに過大な電流が流れるのを防止するための出力電圧の電圧調整用コンデンサ及び/または放電回路を有し、PWM駆動された前記出力トランジスタを介することにより、入力電圧を所定の電圧値に変換して出力するDC/DCコンバータにおいて、前記出力電圧は、電源投入から前記電圧調整用コンデンサの一端の電圧が前記所定の電圧値に達するまでの殆どの期間、及び/または電源遮断から前記放電回路の一端の電圧が前記所定の電圧値に達するまでの殆どの期間、前記電圧調整用コンデンサ及び/または前記放電回路の一端の電圧と略相似して変化する構成としている。
【0009】
具体的には、本発明に係るDC/DCコンバータは、入力電圧から所望の出力電圧を生成するに際し、該出力電圧と第1基準電圧との誤差電圧を求め、該誤差電圧と第2基準電圧との差電圧に応じた出力電流制御を行うDC/DCコンバータであって、第1基準電圧として、電源投入時から上昇し始める及び/または電源遮断時から低下し始める可変基準電圧と第1固定基準電圧のいずれか低い方を用いるとともに、第2基準電圧として、前記可変基準電圧と第2固定基準電圧のいずれか低い方を用いる構成としている。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係るDC/DCコンバータの要部構成を示す回路図である。本図に示す通り、本実施形態のDC/DCコンバータは、スイッチ素子として異なる2電位間(入力電位Vi・接地電位GND間)に直列接続された一対のNチャネルMOS電界効果トランジスタN1、N2(以下、FETN1、N2と呼ぶ)を有して成り、FETN1、N2の接続ノードからLCフィルタ(コイルL1及びコンデンサC1)を介して所望の出力電圧Voを得る同期整流型DC・DCコンバータである。
【0011】
FETN1のドレインは電源ラインに接続されており、FETN2のソースは接地されている。FETN1のソースとFETN2のドレインは互いに接続されており、その接続ノードは、出力コイルL1を介してセンス抵抗Rsの一端に接続されている。センス抵抗Rsの他端は、出力端子Toに接続される一方、出力コンデンサC1を介して接地されている。
【0012】
また、センス抵抗Rsの一端はコンパレータCMP1の反転入力端子(−)に接続されており、他端はコンパレータCMP1の非反転入力端子(+)に接続されている。なお、両入力端子の一方には、オフセット回路OFS1によって可変制御されるオフセット電圧Vofsが与えられている。すなわち、コンパレータCMP1は、出力電流ioに応じて変動するセンス抵抗Rsの両端電圧Vsとオフセット電圧Vofsとの大小関係に基づいて、その出力レベルを変遷する構成とされている。
【0013】
上記コンパレータCMP1の出力端子は、リセット優先型SRフリップフロップSR1のリセット端子(R)に接続されている。フリップフロップSR1のセット端子(S)は、クロック信号CLK(200[kHz]〜1[MHz])が入力されるクロック端子に接続されており、出力端子(Q)と反転出力端子(Qバー)は、それぞれFETN1、N2の各ゲートに接続されている。
【0014】
すなわち、フリップフロップSR1へのリセット信号がローレベルでセット信号がハイレベルのときには、FETN1がオン状態、FETN2がオフ状態とされる。逆に、リセット信号がローレベルでセット信号がローレベルのときには、FETN1がオフ状態、FETN2がオン状態とされる。なお、リセット信号がハイレベルのときは、セット信号に関係なくFETN1はオフ状態となる(FETN2は任意)。以上のような構成により、センス抵抗Rsの両端電圧Vsがオフセット電圧Vofsに達したときには、フリップフロップSR1へのリセット信号がハイレベルとなり、FETN1のスイッチングは停止される。
【0015】
また、DC/DCコンバータの出力端子Toは、増幅器AMP1の反転入力端子(−)に接続されている。増幅器AMP1は、2つの非反転入力端子(+)と1つの反転入力端子(−)を有して成り、各非反転入力端子(+)に印加される電圧(後述する端子電圧Vaと第1固定基準電圧Voref)のいずれか低い方と、反転入力端子(−)に印加される出力電圧Voとの差電圧を増幅して、誤差電圧Vithを生成する構成である。
【0016】
増幅器AMP1の第1非反転入力端子(+)は、一端が電源ライン(電源電圧Vcc)に接続された定電流源I1の他端に接続されている。なお、該定電流源I1の他端は、ソフトスタートコンデンサCssを介して接地される一方、定電流源I2を介しても接地されている。従って、増幅器AMP1の第1非反転入力端子(+)には、電源投入時から上昇し始めるとともに、電源遮断時から低下し始める可変基準電圧Vaが印加される。また、増幅器AMP1の第2非反転入力端子(+)は、直流電圧源E1(起電圧;第1固定基準電圧Voref)の正極端子に接続されている。直流電圧源E1の負極端子は接地されている。
【0017】
増幅器AMP1の出力端子は、増幅器AMP2の非反転入力端子(+)に接続される一方、位相補償抵抗Rfcと位相補償コンデンサCfcを介して接地されている。増幅器AMP2の反転入力端子(−)は、増幅器AMP3の出力端子に接続されている。増幅器AMP2の出力端子は、オフセット回路OFS1のオフセット電圧制御端子に接続されている。
【0018】
増幅器AMP3は、2つの非反転入力端子(+)と1つの反転入力端子(−)を有して成り、各非反転入力端子(+)に印加される電圧(可変基準電圧Vaと後述する第2固定基準電圧Viref)のいずれか低い方を出力電流設定用基準電圧Viref’として出力する構成である。
【0019】
増幅器AMP3の第1非反転入力端子(+)は、充電時に動作する定電流源I1と、放電時に動作する定電流源I2と、ソフトスタートコンデンサCssの接続ノードに接続されており、該入力端子には、可変基準電圧Vaが印加されている。増幅器AMP3の第2非反転入力端子(+)は、直流電圧源E2(起電圧;第2固定基準電圧Viref)の正極端子に接続されている。直流電圧源E2の負極端子は接地されている。増幅器AMP3の出力端子は、増幅器AMP2の反転入力端子(−)に接続される一方で、自身の反転入力端子(−)にも接続されている。
【0020】
続いて、図2を参照しながら、コンパレータCMP1及びオフセット回路OFS1の内部構成について詳細な説明を行う。図2はコンパレータCMP1及びオフセット回路OFS1の一構成例を示す回路図である。本図に示す通り、本実施形態のコンパレータCMP1は、pnp型バイポーラトランジスタQA、QB、QC、QDと、npn型バイポーラトランジスタQE、QF、QGと、定電流源IA、IB、IC、IDと、抵抗RA、RBと、を有して成る。
【0021】
トランジスタQA、QBのエミッタは互いに接続されており、その接続ノードは定電流源IAを介して電源ラインに接続されている。トランジスタQAのベースは、定電流源IBを介して電源ラインに接続される一方、抵抗RAを介してトランジスタQCのエミッタにも接続されている。トランジスタQBのベースは、定電流源ICを介して電源ラインに接続される一方、抵抗RBを介してトランジスタQDのエミッタにも接続されている。トランジスタQC、QDのコレクタは各々接地されており、ベースはセンス抵抗Rsの両端に各々接続されている。
【0022】
トランジスタQAのコレクタは、トランジスタQEのコレクタに接続されており、トランジスタQBのコレクタは、トランジスタQFのコレクタに接続されている。トランジスタQE、QFのベースは互いに接続されており、その接続ノードはトランジスタQEのコレクタに接続されている。トランジスタQE、QFのエミッタは互いに接続されており、その接続ノードは接地されている。
【0023】
トランジスタQB、QFの両コレクタを結ぶ接続ノードは、トランジスタQGのベースに接続されている。トランジスタQGのコレクタは、定電流源IDを介して電源ラインに接続される一方、コンパレータCMP1の出力端子として、フリップフロップSR1のリセット端子(R)にも接続されている。トランジスタQGのエミッタは接地されている。
【0024】
一方、オフセット回路OFS1は、1組のnpn型バイポーラトランジスタQH、QIから成るカレントミラー回路と、増幅器AMP2の出力電圧に応じてその出力電流を変化させる可変定電流源IEと、を有して成る。トランジスタQHのコレクタは、可変定電流源IEを介して電源ラインに接続されている。トランジスタQIのコレクタは、コンパレータCMP1を構成するトランジスタQA、定電流源IB、及び抵抗RAを結ぶ接続ノードXに接続されている。トランジスタQH、QIのベースは互いに接続されており、その接続ノードはトランジスタQHのコレクタに接続されている。トランジスタQH、QIのエミッタは互いに接続されており、その接続ノードは接地されている。
【0025】
上記構成から成るコンパレータCMP1とオフセット回路OFS1において、可変定電流源IEの出力電流が増幅器AMP2の出力電圧に応じて変動すると、それに伴って抵抗RAに流れる電流量が変動するため、接続ノードXの電位も変動する。すなわち、オフセット回路OFS1は、増幅器AMP2の出力電圧に応じたオフセット電圧Vofsを接続ノードXに与えることになり、コンパレータCMP1は、センス抵抗Rsの両端電圧Vsとオフセット電圧Vofsとの大小関係に基づいて、その出力レベルを変遷することになる。
【0026】
次に、図3を参照しながら、増幅器AMP3の内部構成について詳細な説明を行う。図3は増幅器AMP3の一構成例を示す回路図である。本図に示す通り、本実施形態の増幅器AMP3は、pnp型バイポーラトランジスタQa、Qb、Qcと、定電流源Ia、Ibと、増幅器AMPaと、を有して成る。
【0027】
トランジスタQaのベースは、可変基準電圧Vaが印加される第1非反転入力端子に相当する。トランジスタQbのベースは、第2固定基準電圧Virefが印加される第2非反転入力端子に相当する。トランジスタQcのベースは、出力電流設定用基準電圧Viref’が印加される反転入力端子に相当する。
【0028】
トランジスタQa、Qbのエミッタは互いに接続されており、その接続ノードは定電流源Iaを介して電源ラインに接続される一方、増幅器AMPaの非反転入力端子(+)にも接続されている。トランジスタQa、Qbのコレクタは各々接地されている。増幅器AMPaの反転入力端子(−)は、定電流源Ibを介して電源ラインに接続される一方、トランジスタQcのエミッタにも接続されている。トランジスタQcのコレクタは接地されている。増幅器AMPaの出力端子は、増幅器AMP3の出力端子として、増幅器AMP2の反転入力端子(−)に接続される一方、トランジスタQcのベースにも接続されている。
【0029】
上記構成から成る増幅器AMP3であれば、可変基準電圧Vaと第2固定基準電圧Virefのいずれか低い方を、出力電流設定用基準電圧Viref’として増幅器AMP2の反転入力端子(−)に出力することができる。
【0030】
続いて、図4を参照しながら、上記構成から成るDC/DCコンバータの起動時動作について詳細な説明を行う。図4は本実施形態のDC/DCコンバータ各部における電圧波形を示す図である。なお、本図の縦軸は電圧を示しており、横軸は時間の経過を示している。
【0031】
本図に示す通り、本実施形態のDC/DCコンバータに電源が投入されると、可変基準電圧VaはソフトスタートコンデンサCssの充電に伴って緩やかに上昇し始める。このとき、増幅器AMP1では、可変基準電圧Vaが第1固定基準電圧Vorefを上回るまでの間、該可変基準電圧Vaが出力電圧設定用基準電圧として出力電圧Voとの比較参照に用いられる。また、増幅器AMP3では、可変基準電圧Vaが第2固定基準電圧Virefを上回るまでの間、該可変基準電圧Vaが出力電流設定用基準電圧Viref’として送出される。
【0032】
このように、誤差電圧Vithと比較参照される出力電流設定用基準電圧Viref’として、電源投入直後はソフトスタートコンデンサCssの端子電圧である可変基準電圧Vaを用いる構成とすることにより、起動時の出力電流設定用基準電圧Viref’が低レベルでスイープされることになる。従って、位相補償用CR回路(抵抗Rfc、コンデンサCfc)によって電源投入時における誤差電圧Vithの立ち上がりが鈍ったとしても、該誤差電圧Vithは出力電流設定用基準電圧Viref’に素早く達することができるようになる。
【0033】
その結果、増幅器AMP2の出力電圧は正値となり、正の出力電流ioを流すことが可能なオフセット電圧VofsをコンパレータCMP1に与えることができるようになるので、従来の課題であった電源投入直後における出力電圧Voの起動遅延を解消することが可能となる。これにより、出力電圧Voも起動当初から可変基準電圧Vaに素早く到達するので、従来のように誤差電圧Vithが第2固定基準電圧Virefを大幅に上回ることがないようにして、出力電圧Voのオーバーシュート防止を実現することができる。
【0034】
その後、可変基準電圧Vaが第1固定基準電圧Vorefを上回ると、増幅器AMP1では、第1固定基準電圧Vorefが出力電圧設定用基準電圧として実出力電圧Voとの比較参照に用いられるようになる。また、可変基準電圧Vaが第2固定基準電圧Virefを上回ると、増幅器AMP3では、第2固定基準電圧Virefが出力電流設定用基準電圧Viref’として送出されるようになる。このような構成とすることにより、定常状態では出力電圧Vo及び出力電流ioを所望値に固定制御することが可能となる。
【0035】
一方、本実施形態のDC/DCコンバータにおいて電源が遮断されると、可変基準電圧Vaは定電流源I2によって放電されることにより低下し始める。このとき、増幅器AMP1では、可変基準電圧Vaが第1固定基準電圧Vorefを下回った後、該可変基準電圧Vaが出力電圧設定用基準電圧として出力電圧Voとの比較参照に用いられる。また、増幅器AMP3では、可変基準電圧Vaが第2固定基準電圧Virefを下回った後、該可変基準電圧Vaが出力電流設定用基準電圧Viref’として送出される。このように、誤差電圧Vithと比較参照される出力電流設定用基準電圧Viref’として、電源遮断後は定電流源I2の端子電圧である可変基準電圧Vaを用いる構成とすることにより、出力電圧Voのアンダーシュート防止を実現することができる。
【0036】
なお、上記実施形態では、部品点数を不必要に増加させない観点から、増幅器AMP3の第1非反転入力端子(+)に印加される可変電圧源として、ソフトスタートコンデンサCssの端子電圧Vaを採用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、誤差電圧Vithよりも緩やかに立ち上がる可変電圧源であれば、どのような電圧源を用いてもよい。
【0037】
【発明の効果】
上記した通り、本発明に係るDC/DCコンバータは、電源投入時及び/または電源遮断時に出力トランジスタに過大な電流が流れるのを防止するための出力電圧の電圧調整用コンデンサ及び/または放電回路を有し、PWM駆動された前記出力トランジスタを介することにより、入力電圧を所定の電圧値に変換して出力するDC/DCコンバータにおいて、前記出力電圧は、電源投入から前記電圧調整用コンデンサの一端の電圧が前記所定の電圧値に達するまでの殆どの期間、及び/または電源遮断から前記放電回路の一端の電圧が前記所定の電圧値に達するまでの殆どの期間、前記電圧調整用コンデンサ及び/または前記放電回路の一端の電圧と略相似して変化する構成としている。
【0038】
このような構成とすることにより、電源投入時における出力電圧の急激な立上がり及びこれによるオーバーシュートの発生、及び/または電源遮断時における出力電圧の急激な低下及びこれによるアンダーシュートの発生を防止・低減して出力トランジスタの過大電流による破壊や負荷の劣化を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るDC/DCコンバータの要部構成を示す回路図である。
【図2】コンパレータCMP1及びオフセット回路OFS1の一構成例を示す回路図である。
【図3】増幅器AMP3の一構成例を示す回路図である。
【図4】本実施形態のDC/DCコンバータ各部における電圧波形を示す図である。
【図5】従来のDC/DCコンバータ各部における電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
N1、N2 NチャネルMOS電界効果トランジスタ(FET)
SR1 SRフリップフロップ
CMP1 コンパレータ
OFS1 オフセット回路
AMP1、AMP2、AMP3 増幅器
E1、E2 直流電圧源
Css ソフトスタートコンデンサ
Rfc 位相補償抵抗
Cfc 位相補償コンデンサ
I1、I2 定電流源
L1 出力コイル
C1 出力コンデンサ
Rs センス抵抗
Claims (1)
- 電源投入時及び/または電源遮断時に出力トランジスタに過大な電流が流れるのを防止するための出力電圧の電圧調整用コンデンサ及び/または放電回路を有し、PWM駆動された前記出力トランジスタを介することにより、入力電圧を所定の電圧値に変換して出力するDC/DCコンバータにおいて、
前記出力電圧は、電源投入から前記電圧調整用コンデンサの一端の電圧が前記所定の電圧値に達するまでの殆どの期間、及び/または電源遮断から前記放電回路の一端の電圧が前記所定の電圧値に達するまでの殆どの期間、前記電圧調整用コンデンサ及び/または前記放電回路の一端の電圧と略相似して変化することを特徴とするDC/DCコンバータ。
Priority Applications (5)
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