JP2005006391A

JP2005006391A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP2005006391A
Application number: JP2003166272A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Nozaki; 幸弘野崎; Kenichi Suzuki; 健一鈴木; Yutaka Sekine; 豊関根
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】本発明は、デューティの値に関係なく常に安定した動作を行うＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】出力電圧Ｖｏｕｔを検出して、入力側に設けたメインスイッチＱ１に制御信号を出力する制御回路を備えたＤＣ−ＤＣコンバータであって、制御回路は、出力電圧と基準電圧とを比較増幅する誤差増幅器１２と、デューティにより制御系の動作が不安定になると電圧レベルが異なったスイッチＳ１，Ｓ２が切り替わりオンする第一のスイッチ切替手段１３と、インダクタ電流検出信号と誤差増幅出力信号とを比較する比較器１５と、デューティにより制御系の動作が不安定になると比較器１５が接続するフリップフロップ回路の端子をリセット端子からセット端子に、若しくは、セット端子からリセット端子に切り替える第二のスイッチ切替手段１８とを備えてあることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータに関するものであり、特にデューティを制御して安定した動作をさせる制御回路を備えたＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＤＣ−ＤＣコンバータを安定した動作させる制御方式の代表例として、ピークカレント制御方式（例えば、非特許文献１参照）とバレー制御方式（例えば、非特許文献２参照）とがある。
【０００３】
【非特許文献１】
ＢｒｕｃｅＣａｒｓｔｅｎ， ” ＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦｅｅｄｂａｃｋａｎｄＦｉｌｔｅｒｉｎｇｆｏｒＳｗｉｔｃｈＭｏｄｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓ”，ＡＰＥＣ２００１ＳＥＭＩＮＡＲ１２，５Ｍａｒｃｈ２００１，Ｐ．１０
【非特許文献２】
ＢｒｕｃｅＣａｒｓｔｅｎ， ” ＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦｅｅｄｂａｃｋａｎｄＦｉｌｔｅｒｉｎｇｆｏｒＳｗｉｔｃｈＭｏｄｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓ”，ＡＰＥＣ２００１ＳＥＭＩＮＡＲ１２，５Ｍａｒｃｈ２００１，Ｐ．１２
【０００４】
ピークカレント制御方式は以下の通りである。図４に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に電圧検出部１１を設け、この電圧検出部１１を誤差増幅器１２の入力に接続して検出電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較増幅する。この誤差増幅器１２の出力に比較器１５の基準端子に接続し、この比較器１５でＤＣ−ＤＣコンバータの電流検出部１６から検出して得たインダクタ電流検出信号と誤差増幅出力信号とを比較する。この比較器１５の出力をフリップフロップ回路１９のリセット端子に接続し、このフリップフロップ回路１９のセット端子にクロック回路１７を接続して、このフリップフロップ回路１９からＤＣ−ＤＣコンバータのメインスイッチＱ１のゲート端子に接続し、制御信号をゲート端子に出力する。
【０００５】
バレー制御方式は以下の通りである。図７に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に電圧検出部１１を設け、この電圧検出部１１を誤差増幅器１２の入力に接続して検出電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較増幅する。この誤差増幅器１２の出力に比較器１５の基準端子に接続し、この比較器１５でインダクタ電流検出信号と誤差増幅出力信号とを比較する。この比較器１５の出力をフリップフロップ回路１９のセット端子に接続し、このフリップフロップ回路１９のリセット端子にクロック回路１７を接続して、このフリップフロップ回路１９からＤＣ−ＤＣコンバータのメインスイッチＱ１のゲート端子に接続し、制御信号をゲート端子に出力する。
【０００６】
しかし、ピークカレント制御方式においては図５に示すように、インダクタ電流検出信号が上昇して誤差増幅出力信号とほぼ等しくなるとオフし、インダクタ電流検出信号が下降して次のクロック信号でセットされるが、デューティが概ね５０％以上になると、図６に示すように、制御系の動作が不安定になるという課題があった。
【０００７】
一方、バレー制御方式においては図８に示すように、インダクタ電流検出信号が下降して誤差増幅出力信号とほぼ等しくなるとオンし、インダクタ電流検出信号が上昇して次のクロック信号でリセットされるが、デューティが概ね５０％以下になると、制御系の動作が不安定になるという課題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この課題を解決するために、制御回路に補償波形を加える手段を設けることがある（例えば、非特許文献３参照）。
【０００９】
【非特許文献３】
ＲｏｂｅｒｔＷ．Ｅｒｉｃｋｓｏｎ＆ＤｒａｇａｎＭａｋｓｉｍｏｖｉｃ， ”ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｏｆＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”，ＫＬＵＷＥＲＡＣＡＤＥＭＩＣＰＵＢＬＩＳＨＥＲＳＰ．４４２−４４９
【００１０】
この制御回路に補償波形を加える手段は、誤差増幅出力信号と三角波波形とを加算してランプ波形を作ることで、比較器でインダクタ電流検出信号と比較することにより、図９に示すような補正波形を構成する。そのため、部品点数が増える。よって、回路規模が大きくなるとともに、回路構成が複雑になるという課題が生じる。
【００１１】
また、ピークカレント制御方式に、リセットパルスの周期を固定して５０％以上のデューティに対応する手段を設けることもあるが、この手段のみではデューティが５０％以下の場合に制御系の動作が不安定になるという課題がある。
【００１２】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、デューティの値に関係なく常に安定した動作を行うＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチ切替手段により、デューティが大きくなることにより動作が不安定になるとピークカレント制御方式からバレー制御方式に、逆にデューティが小さくなることにより動作が不安定になるとバレー制御方式からピークカレント制御方式にモードを切り替えるため、回路規模をできる限り小さくし、回路構成を容易にすることができ、しかもデューティの値に関係なく常に安定した動作を行うことができる。
【００１４】
第一のスイッチ切替手段並びに第二のスイッチ切替手段において、デューティのヒステリシス幅を設けたことにより、頻繁にモードが切り替わるおそれがなくなり、制御回路が安定した動作を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明ＤＣ−ＤＣコンバータに係る実施例を説明する。図１は本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路図を示す。図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータは、整流素子Ｄと出力チョークＬと平滑コンデンサＣを備え、出力電圧Ｖｏｕｔを検出して、入力側に設けたメインスイッチＱ１に制御信号を出力する制御回路を備えてある。
【００１６】
制御回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に電圧検出部１１を設けてある。本実施例では抵抗Ｒ１を設け、この抵抗Ｒ１で電圧を検出するようにしてある。この電圧検出部１１は誤差増幅器１２の検出側に接続してある。この誤差増幅器１２の基準側には基準電圧部Ｖｒｅｆが接続し、この誤差増幅器１２によりＤＣ−ＤＣコンバータの出力側から検出した検出電圧と基準電圧とを比較増幅するようにしてある。
【００１７】
本発明ＤＣ−ＤＣコンバータは制御回路に第一のスイッチ切替手段１３を備えてある。この第一のスイッチ切替手段１３は、デューティが略５０％以下若しくは略５０％以上になった場合に電圧レベルが異なったスイッチが切り替わりオンするものである。本実施例における具体的構成は以下のとおりである。この第一のスイッチ切替手段１３は、二つのスイッチＳ１，Ｓ２とレベルシフト回路を備えてある。このレベルシフト回路は抵抗Ｒ３，Ｒ４で構成し、これら抵抗Ｒ３，Ｒ４で電圧を分圧してレベルをシフトするように構成してある。一方のスイッチＳ１は誤差増幅器１２の出力に接続してあり、他方のスイッチＳ２はレベルシフト回路を介して誤差増幅器１２の出力に接続してある。
【００１８】
２つのスイッチＳ１，Ｓ２はデューティ検出手段１４に接続し、デューティ検出手段１４で検出し、この検出したデューティにより一方のスイッチＳ１がオンし、又は他方のスイッチＳ２がオンするようにしてある。
【００１９】
第一のスイッチ切替手段１３の各々のスイッチＳ１，Ｓ２は比較器１５の基準側に接続してある。この比較器１５の検出側はＤＣ−ＤＣコンバータの電流検出部１６に接続し、インダクタ電流検出信号を検出するようにしてある。この比較器１５によりＤＣ−ＤＣコンバータの検出電流信号と第一のスイッチ切替手段１３から出力された信号とを比較するようにしてある。
【００２０】
本発明ＤＣ−ＤＣコンバータは制御回路に第二のスイッチ切替手段１８を備えてある。デューティ検出回路１４に接続し、デューティに応じて、比較器１５に接続するフリップフロップ回路１９の端子をリセット端子からセット端子に、若しくはセット端子からリセット端子に接続するようにスイッチを切り替えるものである。
【００２１】
本実施例における具体的構成は以下のとおりである。この第二のスイッチ切替手段１８は、デューティが大きくなることにより制御系の動作が不安定になると、比較器１５がフリップフロップ回路１９のリセット端子からセット端子に切り替わり接続するとともに、クロック回路１７がフリップフロップ回路１９のセット端子からリセット端子に切り替わり接続する。一方、デューティが小さくなることにより制御系の動作が不安定になると、比較器１５がフリップフロップ回路１９のセット端子からリセット端子に切り替わり接続するとともに、クロック回路１７がフリップフロップ回路１９のリセット端子からセット端子に切り替わり接続する。
【００２２】
以上のように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータは以下のように作用する。デューティが概ね小さい値で安定し、徐々にデューティが大きくなる場合、先ず、電圧検出部１１で出力電圧を検出して、誤差増幅器１２の検出端子に入力する。この誤差増幅器１２で出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較増幅する。この場合デューティが概ね小さいため、第一のスイッチ切替手段１３では一方のスイッチＳ１がオンし、誤差増幅出力信号は、電圧レベルが調整されずに比較器１５に入力される。
【００２３】
誤差増幅出力信号は比較器１５でインダクタ電流検出信号と比較される。デューティが概ね小さいため、第二のスイッチ切替手段１８において、比較器１５の出力端子はフリップフロップ回路１９のリセット端子に接続し、クロック回路１７はフリップフロップ回路１９のセット端子に接続する。従って、比較器１５で比較して得た比較信号はフリップフロップ回路１９のリセット端子に入力し、クロック信号はセット端子に入力する。このとき図２の上段の波形を示すように、インダクタ電流検出信号が上昇して誤差増幅出力信号とほぼ等しくなるとオフし、インダクタ電流検出信号が下降し、次のクロックの立ち上がりエッジでフリップフロップ回路１７がセットされる。即ち、ピークカレント制御方式で制御系の動作を安定させる。
【００２４】
ピークカレント制御方式だと、デューティが大きくなりすぎることにより、制御系の動作が不安定になる。そのためこの場合以下の作用をする。先ず、電圧検出部１１で出力電圧を検出して、誤差増幅器１２の検出端子に入力する。この誤差増幅器１２で出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較増幅する。この場合デューティ検出回路１４でデューティが大きくなりすぎることを検出し、第一のスイッチ切替手段１３では一方のスイッチＳ１がオフするとともに、他方のスイッチＳ２がオンする。これにより、誤差増幅器１２はレベルシフト回路Ｒ３，Ｒ４を介して比較器１５に接続するため、誤差増幅出力信号は、電圧レベルが調整されて比較器１５に入力される。
【００２５】
誤差増幅出力信号は比較器１５でインダクタ電流検出信号と比較される。第二のスイッチ切替手段１８においても、デューティ検出回路１４でデューティが大きくなりすぎることを検出することにより、比較器１５の出力端子はフリップフロップ回路１９のリセット端子からセット端子に切り替わり接続し、クロック回路１７はフリップフロップ回路１９のセット端子からリセット端子に切り替わり接続する。従って、比較器１５で比較して得た比較信号はフリップフロップ回路１９のセット端子に入力し、クロック信号はリセット端子に入力する。このとき図２の下段の波形を示すように、インダクタ電流検出信号が下降して誤差増幅出力信号とほぼ等しくなるとオンし、インダクタ電流検出信号が上昇し、次のクロックの立ち下がりエッジでフリップフロップ回路１７がリセットされる。即ち、バレー制御方式で制御系の動作を安定させる。
【００２６】
バレー制御方式だと、逆にデューティが小さくなりすぎることにより、制御系の動作が不安定になる。そのためこの場合以下の作用をする。先ず、電圧検出部１１で出力電圧を検出して、誤差増幅器１２の検出端子に入力する。この誤差増幅器１２で出力電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較増幅する。この場合デューティ検出回路１４でデューティが小さくなりすぎることを検出し、第一のスイッチ切替手段１３では他方のスイッチＳ２がオフするとともに、一方のスイッチＳ１がオンする。これにより、誤差増幅器１２は比較器１５に直接接続するため、誤差増幅出力信号は、電圧レベルが調整されずに比較器１５に入力される。
【００２７】
誤差増幅出力信号は比較器１５でインダクタ電流検出信号と比較される。第二のスイッチ切替手段１８においても、デューティ検出回路１４でデューティが小さくなりすぎることを検出することにより、比較器１５の出力端子はフリップフロップ回路１９のセット端子からリセット端子に切り替わり接続し、クロック回路１７はフリップフロップ回路１９のリセット端子からセット端子に切り替わり接続する。従って、比較器１５で比較して得た比較信号はフリップフロップ回路１９のリセット端子に入力し、クロック信号はセット端子に入力する。即ち、バレー制御方式からピークカレント制御方式に切り替わり、制御系の動作を安定させる。
【００２８】
本発明では、図３に示すように、デューティにヒステリシス幅を設けてある。具体的にはデューティ検出回路１４で検出したデューティを基に制御系の動作が不安定になる値を検出し、その前後例えば２％の範囲をヒステリシス幅として設定する。例えば、デューティが大きくなって、デューティが５０％で制御系の動作が不安定になり、ピークカレント制御方式からバレー制御方式に切り替わった場合、その後デューティが４９％に下がっても、ヒステリシス幅は４８％まであるため、この時点では、バレー制御方式からピークカレント制御方式には切り替わらない。このように、ヒステリシス幅を設けることにより、頻繁にモードが切り替わるおそれがなくなり、制御回路が安定した動作を行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチ切替手段により、デューティが大きくなることにより動作が不安定になるとピークカレント制御方式からバレー制御方式に、逆にデューティが小さくなることにより動作が不安定になるとバレー制御方式からピークカレント制御方式にモードを切り替えるため、回路規模をできる限り小さくし、回路構成を容易にすることができ、しかもデューティの値に関係なく常に安定した動作を行うことができる効果がある。
【００３０】
第一のスイッチ切替手段並びに第二のスイッチ切替手段において、デューティのヒステリシス幅を設けたことにより、頻繁にモードが切り替わるおそれがなくなり、制御回路が安定した動作を行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの一実施例を示す回路図である。
【図２】図１図示実施例の動作波形図である。
【図３】図１図示実施例の動作波形図である。
【図４】ピークカレント制御方式の回路図である。
【図５】ピークカレント制御方式の動作波形図である。
【図６】従来のピークカレント制御方式における実際の動作波形と理想の動作波形とを比較した波形図である。
【図７】バレー制御方式の回路図である。
【図８】バレー制御方式の動作波形図である。
【図９】従来のピークカレント制御方式における補償回路を設けた場合の実際の動作波形と理想の動作波形とを比較した波形図である。
【符号の説明】
１１電圧検出部
１２誤差増幅器
１３，１８スイッチ切替手段
１４デューティ検出手段
１５比較器
１６電流検出部
１７クロック回路
１９フリップフロップ回路
Ｑ１メインスイッチ
Ｄ整流素子
Ｌ出力チョーク
Ｃ平滑コンデンサ
Ｒ１抵抗
Ｒ３，Ｒ４分圧抵抗
Ｓ１，Ｓ２スイッチ

Claims

出力電圧を検出して、入力側に設けたメインスイッチに制御信号を出力する制御回路を備えたＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記制御回路は、出力電圧と基準電圧とを比較増幅する誤差増幅器と、デューティにより制御系の動作が不安定になると電圧レベルが異なったスイッチが切り替わりオンする第一のスイッチ切替手段と、インダクタ電流検出信号と誤差増幅出力信号とを比較する比較器と、デューティにより制御系の動作が不安定になると前記比較器が接続するフリップフロップ回路の端子をリセット端子からセット端子に、若しくは、セット端子からリセット端子に切り替える第二のスイッチ切替手段とを備えてあることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記制御回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に電圧検出部を設けてあることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記第一のスイッチ切替手段は、二つのスイッチとレベルシフト回路を備え、一方のスイッチには前記誤差増幅器の出力を接続し、他方のスイッチには前記レベルシフト回路を介して前記誤差増幅器の出力を接続し、デューティが大きくなることにより動作波形が不安定になると前記一方のスイッチから前記他方のスイッチに切り替わってオンし、デューティが小さくなることにより動作波形が不安定になると他方のスイッチから一方のスイッチに切り替わってオンするように構成してあることを特徴とする請求項１又は２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記制御回路は比較器を備え、この比較器の基準端子は前記第一のスイッチ切替手段の出力に接続し、この比較器の検出端子からインダクタ電流検出信号を入力して、インダクタ電流検出信号と誤差増幅出力信号とを比較して、前記第二のスイッチ切替手段に出力するように構成してあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記第二のスイッチ切替手段は、デューティが大きくなることにより制御系の動作が不安定になる場合には前記比較器がフリップフロップ回路のリセット端子からセット端子に接続するように、デューティが小さくなることにより制御系の動作が不安定になる場合には前記比較器がフリップフロップ回路のセット端子からリセット端子に接続するようにスイッチを切り替えるように構成してあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記第二のスイッチ切替手段は、前記比較器がフリップフロップ回路のリセット端子からセット端子に接続した際には、クロック回路が前記フリップフロップ回路のセット端子からリセット端子に接続するようにし、前記比較器がフリップフロップ回路のセット端子からリセット端子に接続した際には、前記クロック回路が前記フリップフロップ回路のリセット端子からセット端子に接続するようにスイッチを切り替える構成にしてあることを特徴とする請求項５記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記第一のスイッチ切替手段並びに第二のスイッチ切替手段において、デューティのヒステリシス幅を設け、制御方式が切り替わった直後にデューティが変化しても前記ヒステリシス幅の範囲内に収まっている場合にはスイッチが切り替わらないようにしてあることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。