JP2005027488A - Non-isolated step-down converter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-isolated step-down converter capable of achieving the improvement of efficiency by expanding the duty of switching elements with a simple structure. <P>SOLUTION: A plurality of capacitors 3, 4 are connected in series between input terminals 13, 14 to divide an input voltage Vin. A switch circuit 15 is inserted between the capacitors 3, 4 and a choke coil 11. The switch circuit 15 supplies energy in sequence from each of the capacitors 3, 4 to the choke coil 11 while setting up the periods of sending out the energy of the choke coil 11 to the output side in between dead time periods TD when each of the capacitors 3, 4 are disconnected from the choke coil 11. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ポイント・オブ・ロード等に使用される非絶縁降圧コンバータに関する。   The present invention relates to a non-isolated step-down converter used for point-of-load or the like.

負荷の急激な変動に対し高速で応答できるようにした非絶縁降圧コンバータとしては、例えば特許文献1に示すように、2つの降圧コンバータ回路を並列に接続してマルチフェイズコンバータを構成し、この2つの降圧コンバータ回路の位相を180°にすることにより、同じスイッチング周波数のターンオン時期をずらして、応答の高速化と出力電圧の低リップル化を可能にしたものが知られている。   As a non-isolated step-down converter capable of responding rapidly to a sudden change in load, for example, as shown in Patent Document 1, two step-down converter circuits are connected in parallel to form a multi-phase converter. It is known that the phase of two step-down converter circuits is set to 180 ° so that the turn-on timing of the same switching frequency is shifted to speed up the response and reduce the ripple of the output voltage.

図3は、こうした複数の降圧コンバータ回路を組み込んだマルチフェイズ降圧コンバータの一例である。同図において、1,2は入力電圧Vinが印加される入力端子、3は直流入力電圧Vinを平滑する入力平滑コンデンサで、これは入力端子1,2間に接続される。また、5は平滑された入力電圧Vinを降圧する降圧コンバータ回路で、ここでは2つの降圧コンバータ回路5a,5bを並列に接続して構成される。すなわち、第1の降圧コンバータ回路5aは、一方の入力端子1に一端を接続した整流用の第1のスイッチ素子6aと、このスイッチ素子6aの他端と他方の入力端子2との間に、一端と他端をそれぞれ接続する転流用の第2のスイッチ素子7aと、スイッチ素子6a,7aの共通する接続点に一端を接続したチョークコイル11aと、チョークコイル11aの他端とスイッチ素子7aの他端との間に接続した出力平滑コンデンサ12とからなる。また第2の降圧コンバータ回路5bは、一方を入力端子1に一端を接続した整流用の第3のスイッチ素子6bと、このスイッチ素子6bの他端と他方の入力端子2との間に、一端と他端をそれぞれ接続する転流用の第4のスイッチ素子7bと、スイッチ素子6b,7bの接続点に一端を接続したチョークコイル11bと、チョークコイル11bの他端とスイッチ素子7aの他端との間に接続した降圧コンバータ回路5aと共通の出力平滑コンデンサ12とからなる。   FIG. 3 is an example of a multi-phase step-down converter incorporating such a plurality of step-down converter circuits. In the figure, reference numerals 1 and 2 denote input terminals to which an input voltage Vin is applied, and reference numeral 3 denotes an input smoothing capacitor for smoothing the DC input voltage Vin, which is connected between the input terminals 1 and 2. Reference numeral 5 denotes a step-down converter circuit for stepping down the smoothed input voltage Vin. Here, two step-down converter circuits 5a and 5b are connected in parallel. That is, the first step-down converter circuit 5a includes a rectifying first switch element 6a having one end connected to one input terminal 1, and the other end of the switch element 6a and the other input terminal 2. A second commutating switch element 7a for connecting one end and the other end; a choke coil 11a having one end connected to a common connection point of the switch elements 6a and 7a; and the other end of the choke coil 11a and the switch element 7a. The output smoothing capacitor 12 is connected between the other end. The second step-down converter circuit 5b includes a rectifying third switch element 6b having one end connected to the input terminal 1, and one end between the other end of the switch element 6b and the other input terminal 2. A commutating fourth switch element 7b for connecting the other end of the choke coil 11b, a choke coil 11b having one end connected to the connection point of the switch elements 6b and 7b, the other end of the choke coil 11b and the other end of the switch element 7a And a common output smoothing capacitor 12.

そして、図示しない制御手段により、降圧コンバータ回路5aのスイッチ素子6a,7aと、降圧コンバータ回路5bのスイッチ素子6b,7bが、180°の位相を有しながら交互にオン,オフ動作され、降圧コンバータ回路5からの降圧出力が出力平滑コンデンサ12の両端間に接続した出力端子13,14間に、直流出力電圧Voutとして出力されるようになっている。   Then, the switch elements 6a and 7a of the step-down converter circuit 5a and the switch elements 6b and 7b of the step-down converter circuit 5b are alternately turned on and off while having a phase of 180 ° by a control means (not shown), and the step-down converter The step-down output from the circuit 5 is output as a DC output voltage Vout between output terminals 13 and 14 connected between both ends of the output smoothing capacitor 12.

図4は、上記スイッチ素子6a,7aと、スイッチ素子6b,7bの各動作タイミング波形を示している。またここでは、スイッチ素子6a,6bを流れる電流I6a,I6bと、スイッチ素子7a,7bを流れる電流I7a,I7bも同時に示している。期間T1の初期にはスイッチ素子6a,7bがオンし、スイッチ素子6b,7aがオフしている。降圧コンバータ回路5aにおいては、スイッチ素子6aを通してチョークコイル11aにエネルギーが蓄えられる一方で、別の降圧コンバータ回路5bにおいては、スイッチ素子7bがオンしているので、チョークコイル11bから放出されるエネルギーが合成され、出力平滑コンデンサ12により平滑された入力電圧Vinよりも低い電圧が、リプル成分の少ない出力電圧Voutとして出力端子13,14間に発生する。この時、図4に示すように、スイッチ素子6aを流れる電流I6aはチョークコイル11aにエネルギーが蓄えられている関係で傾斜上昇し、スイッチ素子7bを流れる電流I7bはチョークコイル11bからエネルギーを放出している関係で傾斜下降する(スイッチ素子6b,7aには電流が流れない)。   FIG. 4 shows operation timing waveforms of the switch elements 6a and 7a and the switch elements 6b and 7b. Here, currents I6a and I6b flowing through the switch elements 6a and 6b and currents I7a and I7b flowing through the switch elements 7a and 7b are also shown. At the beginning of the period T1, the switch elements 6a and 7b are turned on, and the switch elements 6b and 7a are turned off. In step-down converter circuit 5a, energy is stored in choke coil 11a through switch element 6a. On the other hand, in another step-down converter circuit 5b, switch element 7b is on, so that energy released from choke coil 11b is reduced. A voltage lower than the input voltage Vin synthesized and smoothed by the output smoothing capacitor 12 is generated between the output terminals 13 and 14 as the output voltage Vout having a small ripple component. At this time, as shown in FIG. 4, the current I6a flowing through the switch element 6a rises with a relationship that energy is stored in the choke coil 11a, and the current I7b flowing through the switch element 7b releases energy from the choke coil 11b. (The current does not flow through the switch elements 6b and 7a).

期間T1の途中に達すると、スイッチ素子6aがオフする代わりにスイッチ素子7aがオンし、降圧コンバータ回路5aのチョークコイル11aに蓄えたエネルギーを放出して行く。また、スイッチ素子7bはオンのままであるので、チョークコイル11bに蓄えられたエネルギーは引き続き放出され、リプル成分が少ない出力電圧Voutが出力端子13,14間に発生する。このとき、スイッチ素子7aを流れる電流I7aはチョークコイル11aからエネルギーを放出している関係で傾斜下降し、スイッチ素子7bを流れる電流I7bは傾斜下降を続ける(スイッチ素子6a,6bには電流が流れない)。   When it reaches the middle of the period T1, the switch element 7a is turned on instead of the switch element 6a being turned off, and the energy stored in the choke coil 11a of the step-down converter circuit 5a is released. Further, since the switch element 7b remains on, the energy stored in the choke coil 11b is continuously released, and an output voltage Vout having a small ripple component is generated between the output terminals 13 and 14. At this time, the current I7a flowing through the switch element 7a slopes down due to the release of energy from the choke coil 11a, and the current I7b flowing through the switch element 7b continues to slope down (current flows through the switch elements 6a and 6b). Absent).

次に期間T2になると、スイッチ素子6bがオンする代わりにスイッチ素子7bがオフする。すると、降圧コンバータ回路5bでは、スイッチ素子6bを通してチョークコイル11bにエネルギーが蓄えられ、入力電圧Vinよりも低い電圧が、リプル成分の少ない出力電圧Voutとして出力端子13,14間に発生する。この時、図4に示すように、スイッチ素子6bを流れる電流I6bは傾斜上昇し、スイッチ素子7aを流れる電流I7aは傾斜下降する(スイッチ素子6a,7bには電流が流れない)。   Next, in a period T2, the switch element 7b is turned off instead of the switch element 6b being turned on. Then, in the step-down converter circuit 5b, energy is stored in the choke coil 11b through the switch element 6b, and a voltage lower than the input voltage Vin is generated between the output terminals 13 and 14 as the output voltage Vout having a small ripple component. At this time, as shown in FIG. 4, the current I6b flowing through the switch element 6b rises and the current I7a flowing through the switch element 7a falls (current does not flow through the switch elements 6a and 7b).

期間T2の途中に達すると、スイッチ素子6bがオフする代わりにスイッチ素子7bがオンし、チョークコイル11bに蓄えたエネルギーを放出して行く。この時、スイッチ素子7aはオンのままであるので、チョークコイル11aに蓄えられたエネルギーは引き続き放出され、リプル成分が少ない出力電圧Voutが出力端子13,14間に発生する。このとき、スイッチ素子7bを流れる電流I7bはチョークコイル11bからエネルギーを放出している関係で傾斜下降し、スイッチ素子7aを流れる電流I7aは傾斜下降を続ける(スイッチ素子6a,6bには電流が流れない)。そして再度期間T1に戻り、上述の動作を繰り返す。
特開2003−111396号公報
When reaching the middle of the period T2, the switch element 7b is turned on instead of the switch element 6b being turned off, and the energy stored in the choke coil 11b is released. At this time, since the switching element 7a remains on, the energy stored in the choke coil 11a is continuously released, and an output voltage Vout having a small ripple component is generated between the output terminals 13 and 14. At this time, the current I7b flowing through the switch element 7b is tilted down because the energy is released from the choke coil 11b, and the current I7a flowing through the switch element 7a continues to tilt down (current flows through the switch elements 6a and 6b). Absent). And it returns to period T1 again and repeats the above-mentioned operation.
JP 2003-111396 A

図3に示すマルチフェイズ降圧コンバータは、例えば入力電圧VinがDC5Vで、出力端子13,14間にDC1.2Vの出力電圧を取り出そうとする場合、Vout=D*Vin(Dはスイッチ素子6a,6bのデューティ)なる関係があるために、各スイッチ素子6a,6bのデューティDは0.24(図4の1周期に対し24%の期間)に規定される。しかし、一般的に非絶縁降圧コンバータは、整流側のスイッチ素子6a,6bのデューティDが広い方が、効率を高められることが知られており、上述の回路ではデューティDを0.24以上に広げることができないため、それ以上の効率の向上を図ることができなかった。   In the multi-phase step-down converter shown in FIG. 3, for example, when the input voltage Vin is DC5V and an output voltage of DC1.2V is to be taken out between the output terminals 13 and 14, Vout = D * Vin (D is the switch elements 6a and 6b). Therefore, the duty D of each switch element 6a, 6b is defined as 0.24 (a period of 24% with respect to one cycle in FIG. 4). However, it is generally known that a non-insulated step-down converter can increase efficiency when the duty D of the switch elements 6a and 6b on the rectifying side is wide. In the above circuit, the duty D is set to 0.24 or more. Since it could not be expanded, it was not possible to further improve the efficiency.

また、上記回路構成では、複数の降圧コンバータ回路5a,5bにより1つ当たりのチョークコイル11a,11bのインダクタンスを小さくすることで、個々のチョークコイル11a,11bに流れる電流の傾斜を急にして、負荷電流が急変する場合の応答性を改善している。しかし、このために各降圧コンバータ回路5a,5bにそれぞれチョークコイル11a,11bを設けざるを得ず、回路の小型化が難しいものになっている。   Further, in the above circuit configuration, by reducing the inductance of the choke coils 11a and 11b per one by the plurality of step-down converter circuits 5a and 5b, the slope of the current flowing through the individual choke coils 11a and 11b is made steep. Responsiveness when load current changes suddenly is improved. However, for this reason, choke coils 11a and 11b must be provided in the step-down converter circuits 5a and 5b, respectively, and it is difficult to reduce the circuit size.

上記スイッチ素子のデューティを大きくするには、例えば図5に示すように、降圧コンバータ5を構成するチョークコイル11にタップを設け、そのタップにスイッチ素子7の一端を設けたり、或いは図6に示すように、チョークコイル11a,11bに巻数を分割するタップをそれぞれ設け、それらのタップの各々にスイッチ素子7a,7bの一端を設ける方法が知られている。この場合、例えば図5において、タップによりチョークコイル11の巻数をn:1に分割したとすると、スイッチ素子6のオン期間中(n+1ターン分の電流が流れ込む)と、スイッチ素子7のオン期間中(1ターン分の電流が流れ込む)では、チョークコイル11の各インダクタンスの大きさが異なるので、図3に示すものよりもスイッチ素子6のデューティを広げた状態で、所望の出力電圧Voutを取り出すことができる。   In order to increase the duty of the switch element, for example, as shown in FIG. 5, a choke coil 11 constituting the step-down converter 5 is provided with a tap and one end of the switch element 7 is provided on the tap, or as shown in FIG. Thus, a method is known in which taps for dividing the number of turns are provided in the choke coils 11a and 11b, respectively, and one end of the switch elements 7a and 7b is provided in each of the taps. In this case, for example, in FIG. 5, assuming that the number of turns of the choke coil 11 is divided by n: 1 by a tap, the switch element 6 is turned on (n + 1 turn current flows) and the switch element 7 is turned on. (The current for one turn flows in) Since the inductance of each choke coil 11 is different, the desired output voltage Vout is taken out with the duty of the switch element 6 wider than that shown in FIG. Can do.

しかし、上記回路構成では、チョークコイル11の結合を密にしなければ、リーケージインダクタンスによりノイズが発生し、スイッチ素子6等の各種部品にストレスを与えることになる。しかも、このノイズを抑制するためには、転流用のスイッチ素子7に並列にアクティブクランプ回路を接続して、リーケージインダクタンスによる逆起電圧を吸収する必要があり、回路構成をより一層複雑にしてしまうことになる。   However, in the above circuit configuration, unless the coupling of the choke coil 11 is made dense, noise is generated by the leakage inductance, and stress is applied to various components such as the switch element 6. In addition, in order to suppress this noise, it is necessary to connect an active clamp circuit in parallel to the commutation switch element 7 to absorb the back electromotive voltage caused by the leakage inductance, which further complicates the circuit configuration. It will be.

本願発明は上記問題点に鑑み、簡単な構成でスイッチ素子のデューティを拡げて、効率の向上を達成できる非絶縁降圧コンバータを提供することをその目的とする。   An object of the present invention is to provide a non-insulated step-down converter capable of increasing the duty of a switch element with a simple configuration and achieving an improvement in efficiency.

本発明の請求項1における非絶縁降圧コンバータは、入力電圧を断続的にチョークコイルに印加することで、前記入力電圧より低い電圧を取り出す非絶縁降圧コンバータにおいて、前記入力電圧が与えられる入力端子間に複数の充放電手段を直列接続し、前記充放電手段と前記チョークコイルとの間に介在され、前記チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す期間を間に設けながら、各々の前記充放電手段から前記チョークコイルにエネルギーを順に供給するスイッチ回路を設けて構成される。   The non-isolated step-down converter according to claim 1 of the present invention is a non-isolated step-down converter that extracts a voltage lower than the input voltage by intermittently applying the input voltage to the choke coil, and between the input terminals to which the input voltage is applied. A plurality of charging / discharging means are connected in series, interposed between the charging / discharging means and the choke coil, while providing a period for sending the energy of the choke coil to the output side, from each of the charging / discharging means A switch circuit for sequentially supplying energy to the choke coil is provided.

また、本発明の請求項2における非絶縁降圧コンバータは、各々の前記充放電手段から前記チョークコイルにエネルギーを順に供給する第1のスイッチ素子と、該第1のスイッチ素子とは別に設けられ、前記チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す第2のスイッチ素子とにより、前記スイッチ回路が構成される。   Further, the non-insulated step-down converter according to claim 2 of the present invention is provided separately from the first switch element that sequentially supplies energy from the charge / discharge means to the choke coil, and the first switch element, The switch circuit is configured by a second switch element that sends energy of the choke coil to the output side.

本発明の請求項1における非絶縁降圧コンバータによれば、入力端子間に複数の充放電手段を直列接続することで、各充放電手段の両端間には入力電圧よりも低い電圧が発生する。この充放電手段の両端間に発生する電圧を、それぞれの充放電手段からチョークコイルに断続的に印加することにより、入力電圧よりも低い電圧を取り出すことができる。チョークコイルに印加される電圧が、入力電圧よりも低くなっているので、同じ出力電圧を取り出す際に、スイッチ回路のデューティを拡げることができる。また、各充放電手段から共通のチョークコイルにエネルギーを供給する構成となっているので、チョークコイルは一つでよく、簡単な構成でありながらスイッチ素子のデューティを実質的に拡げて、効率の向上を達成できる。   According to the non-insulated step-down converter of claim 1 of the present invention, by connecting a plurality of charging / discharging means in series between the input terminals, a voltage lower than the input voltage is generated between both ends of each charging / discharging means. A voltage lower than the input voltage can be taken out by intermittently applying the voltage generated between both ends of the charging / discharging means from the charging / discharging means to the choke coil. Since the voltage applied to the choke coil is lower than the input voltage, the duty of the switch circuit can be increased when the same output voltage is taken out. In addition, since energy is supplied to the common choke coil from each charging / discharging unit, only one choke coil is required, and the duty of the switch element is substantially increased while the configuration is simple, and the efficiency is improved. Improvement can be achieved.

本発明の請求項2における非絶縁降圧コンバータによれば、各々の充放電手段からチョークコイルにエネルギーを順に供給する第1のスイッチ素子と、チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す第2のスイッチ素子が、各々別々に設けられる。そのため、第1のスイッチ素子の動作と独立して第2のスイッチ素子を動作させることができ、チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す期間を確実に確保できる。   According to the non-insulated step-down converter according to claim 2 of the present invention, the first switch element for sequentially supplying energy from each charging / discharging means to the choke coil, and the second switch element for sending the energy of the choke coil to the output side Are provided separately. Therefore, the second switch element can be operated independently of the operation of the first switch element, and a period for sending the choke coil energy to the output side can be ensured.

以下、本発明の好ましい実施例について、添付する図1と図2を参照して詳細に説明する。なお、従来例の図3と構成が重複するものについては同一の符号を付し、その説明を極力省略する。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2. In addition, about the thing which a structure overlaps with FIG. 3 of a prior art example, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted as much as possible.

回路の全体構成を示す図1において、本実施例では、降圧コンバータ回路5の入力側において入力電圧Vinを分割するために、入力端子1,2間に充放電手段としての同じ容量のコンデンサ3,4からなる直列回路を接続している。ここではコンデンサ3,4を利用しているが、二次電池などのバッテリを利用してもよい。   In FIG. 1 showing the entire configuration of the circuit, in this embodiment, in order to divide the input voltage Vin on the input side of the step-down converter circuit 5, a capacitor 3 having the same capacity as charging / discharging means between the input terminals 1 and 2 is used. 4 series circuits are connected. Although the capacitors 3 and 4 are used here, a battery such as a secondary battery may be used.

また降圧コンバータ回路5は、前記チョークコイル11や出力平滑コンデンサ12の他に、コンデンサ3,4の直列回路とチョークコイル11との間に複数のスイッチ素子6,7,8,9からなるスイッチ回路15を備えている。スイッチ回路15は、前記コンデンサ3,4の直列回路の一端からチョークコイル11の一端に至る電圧供給ラインにスイッチ素子6を挿入接続し、コンデンサ3,4の直列回路の他端からコンデンサ12の他端に至る基準電圧ラインにスイッチ素子9を挿入接続し、スイッチ素子6とチョークコイル11の一端との接続点と、スイッチ素子9とコンデンサ12の他端との接続点の間に、スイッチ素子7,8の直列回路を接続し、このスイッチ素子7,8の接続点をコンデンサ3,4の接続点に接続して構成される。そして、スイッチ素子6,9が共にオフするデッドタイム期間を設けながら、一方のコンデンサ3の両端間電圧V1をチョークコイル11に供給するスイッチ素子6,8と、他方のコンデンサ4の両端間電圧V2をチョークコイル11に供給するスイッチ素子7,9が、それぞれ180°の位相差を有して交互にオン,オフ動作され、且つ前記デッドタイム期間において、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す機能も兼用する直列接続されたスイッチ素子7,8が共にオンするように、図示しない制御手段から各スイッチ素子6〜9にパルス駆動信号が供給される。   In addition to the choke coil 11 and the output smoothing capacitor 12, the step-down converter circuit 5 includes a switch circuit including a plurality of switch elements 6, 7, 8, and 9 between the series circuit of the capacitors 3 and 4 and the choke coil 11. Has 15. The switch circuit 15 has a switch element 6 inserted and connected to a voltage supply line extending from one end of the series circuit of the capacitors 3 and 4 to one end of the choke coil 11, and other than the capacitor 12 from the other end of the series circuit of the capacitors 3 and 4. The switch element 9 is inserted and connected to a reference voltage line that reaches the end, and the switch element 7 is connected between a connection point between the switch element 6 and one end of the choke coil 11 and a connection point between the switch element 9 and the other end of the capacitor 12. , 8 are connected to each other, and the connection point of the switch elements 7 and 8 is connected to the connection point of the capacitors 3 and 4. The switching elements 6 and 8 that supply the voltage V1 across the capacitor 3 to the choke coil 11 and the voltage V2 across the other capacitor 4 while providing a dead time period during which both the switching elements 6 and 9 are off. Are switched on and off alternately with a phase difference of 180 ° and the energy of the choke coil 11 is sent to the output side during the dead time period. In addition, a pulse drive signal is supplied to each of the switch elements 6 to 9 from a control means (not shown) so that both of the serially connected switch elements 7 and 8 that are also used are turned on.

なお、本実施例では図1の破線に示すように、単独のスイッチ素子10をスイッチ素子7,8と並列に接続して、スイッチ素子6,9が共にオフになるデッドタイム期間中に、このスイッチ素子10をオンにするパルス駆動信号を制御手段から供給するようにしてもよい。この場合のスイッチ回路15は、各々のコンデンサ3,4から一つの共通するチョークコイル11にエネルギーを順に供給する第1のスイッチ素子としてのスイッチ素子6〜9と、これらのスイッチ素子6〜9とは別に設けられ、スイッチ素子6,9をオフにして各コンデンサ3,4とチョークコイル11との間を切り離したときにオンして、チョークコイル11の一端を基準電圧ラインに短絡し、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す第2のスイッチ素子10とにより構成される。スイッチ素子10を接続しない場合には、スイッチ素子6,9が共にオフになるデッドタイム期間中に、スイッチ素子7,8を同時にオンさせないと、チョークコイル11に蓄えたエネルギーを無駄なく放出できなくなる虞れがあるが、スイッチ素子10を接続すれば、そのような難しい制御をスイッチ素子7,8に要求する必要がなくなり、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す期間を確実に確保して、チョークコイル11に蓄えたエネルギーを無駄なく放出することが可能になる。   In the present embodiment, as indicated by the broken line in FIG. 1, a single switch element 10 is connected in parallel with the switch elements 7 and 8, and the switch elements 6 and 9 are both turned off during the dead time period. A pulse drive signal for turning on the switch element 10 may be supplied from the control means. In this case, the switch circuit 15 includes switch elements 6 to 9 as first switch elements for sequentially supplying energy from each of the capacitors 3 and 4 to one common choke coil 11, and these switch elements 6 to 9. Is provided separately, and is turned on when the switching elements 6 and 9 are turned off to disconnect the capacitors 3 and 4 from the choke coil 11, and one end of the choke coil 11 is short-circuited to the reference voltage line. And a second switch element 10 for sending 11 energy to the output side. When the switch element 10 is not connected, the energy stored in the choke coil 11 cannot be discharged without waste unless the switch elements 7 and 8 are turned on simultaneously during the dead time period when both the switch elements 6 and 9 are turned off. However, if the switch element 10 is connected, there is no need to request such a difficult control from the switch elements 7 and 8, and the period for sending the energy of the choke coil 11 to the output side is ensured. The energy stored in the choke coil 11 can be released without waste.

次に上記構成の作用について、各スイッチ素子6〜10の各動作波形と、スイッチ素子6,9の各電流波形I6,I9を示した図2を参照しながら説明する。   Next, the operation of the above configuration will be described with reference to FIG. 2 showing the operation waveforms of the switch elements 6 to 10 and the current waveforms I6 and I9 of the switch elements 6 and 9.

スイッチ素子6,8と、スイッチ素子7,9は、1周期中においてそれぞれ180°の位相差を有して交互にオン,オフ動作される。なお、この位相差は直列接続されるスイッチ素子7,8が3個のスイッチ素子となった場合には120°となり、4個のスイッチ素子となった場合には90°となる。入力端子1,2間に2個のコンデンサ3,4が直列接続されているので、これらのコンデンサ3,4は充電されてその両端間に電圧V1,V2が発生している。この電圧V1,V2は入力電圧Vinの半分(Vin/2)である。   The switch elements 6 and 8 and the switch elements 7 and 9 are alternately turned on and off with a phase difference of 180 ° in one cycle. The phase difference is 120 ° when the switch elements 7 and 8 connected in series are three switch elements, and is 90 ° when the switch elements are four switch elements. Since the two capacitors 3 and 4 are connected in series between the input terminals 1 and 2, the capacitors 3 and 4 are charged and voltages V1 and V2 are generated between both ends thereof. These voltages V1 and V2 are half of the input voltage Vin (Vin / 2).

先ず、スイッチ素子10を設けていない場合の動作について説明する。期間T1の途中までは、スイッチ素子6,8がオンし、スイッチ素子7,9がオフしている。これにより、一方のコンデンサ3の両端がチョークコイル11と出力平滑コンデンサ12からなる直列回路の両端に接続されるので、コンデンサ3からチョークコイル11にエネルギーが供給され、チョークコイル11にエネルギーが蓄えられる。この時、スイッチ素子6を介してチョークコイル11に流れ込む電流I6は、図2に示すように傾斜増加して行く。   First, the operation when the switch element 10 is not provided will be described. Until the middle of the period T1, the switch elements 6 and 8 are on and the switch elements 7 and 9 are off. As a result, both ends of one capacitor 3 are connected to both ends of a series circuit composed of the choke coil 11 and the output smoothing capacitor 12, so that energy is supplied from the capacitor 3 to the choke coil 11 and energy is stored in the choke coil 11. . At this time, the current I6 flowing into the choke coil 11 via the switch element 6 increases in inclination as shown in FIG.

そして期間T1が例えば96%(1周期中では48%)経過すると、スイッチ素子6,9が共にオフし、コンデンサ3,4からチョークコイル11へのエネルギー供給が遮断されるデッドタイム期間TDに移行する。このデッドタイム期間TD中において、スイッチ素子6に代わってスイッチ素子7がターンオンし、スイッチ素子7,8が共にオンする。これにより、それまでチョークコイル11に蓄えたエネルギーが出力側に放出される。   Then, when the period T1 elapses, for example, 96% (48% in one cycle), both the switch elements 6 and 9 are turned off, and a dead time period TD in which the energy supply from the capacitors 3 and 4 to the choke coil 11 is cut off is entered. To do. During this dead time period TD, the switch element 7 is turned on instead of the switch element 6 and both the switch elements 7 and 8 are turned on. Thereby, the energy stored in the choke coil 11 until then is released to the output side.

次の期間T2になると、引き続きスイッチ素子6はオフ、スイッチ素子7はオンになるものの、スイッチ素子8はターンオフし、代わりにスイッチ素子9がターンオンして、他方のコンデンサ4の両端が、オンしているスイッチ素子7,9によりチョークコイル11と出力平滑コンデンサ12からなる直列回路の両端に接続される。そのため、コンデンサ4からチョークコイル11にエネルギーが供給され、チョークコイル11にエネルギーが蓄えられる。この時、スイッチ素子9を介してチョークコイル11に流れ込む電流I7は、図2に示すように傾斜増加して行く。   In the next period T2, the switch element 6 is continuously turned off and the switch element 7 is turned on, but the switch element 8 is turned off. Instead, the switch element 9 is turned on and both ends of the other capacitor 4 are turned on. The switch elements 7 and 9 are connected to both ends of a series circuit composed of a choke coil 11 and an output smoothing capacitor 12. Therefore, energy is supplied from the capacitor 4 to the choke coil 11, and energy is stored in the choke coil 11. At this time, the current I7 flowing into the choke coil 11 via the switch element 9 increases in inclination as shown in FIG.

そして期間T2が例えば96%(1周期中では48%)経過すると、再びスイッチ素子6,9が共にオフし、コンデンサ3,4からチョークコイル11へのエネルギー供給が遮断されるデッドタイム期間TDに移行する。このデッドタイム期間TD中において、スイッチ素子9に代わってスイッチ素子8がターンオンし、スイッチ素子7,8が共にオンする。これにより、それまでチョークコイル11に蓄えたエネルギーが出力側に放出される。以上の動作を繰り返すことにより、コンデンサ3,4の端子間電圧V1,V2よりも低い出力電圧Voutを、出力端子13,14間から取り出すことができる。   When the period T2 elapses, for example, 96% (48% in one cycle), both the switch elements 6 and 9 are turned off again, and the dead time period TD in which the energy supply from the capacitors 3 and 4 to the choke coil 11 is interrupted. Transition. During this dead time period TD, the switch element 8 is turned on instead of the switch element 9, and both the switch elements 7 and 8 are turned on. Thereby, the energy stored in the choke coil 11 until then is released to the output side. By repeating the above operation, the output voltage Vout lower than the inter-terminal voltages V1 and V2 of the capacitors 3 and 4 can be taken out between the output terminals 13 and 14.

また、スイッチ素子10を設けた場合には、前記デッドタイム期間TD中にスイッチ素子10がオンする。スイッチ素子10がオンすれば、このスイッチ素子10を転流素子としてチョークコイル11からのエネルギーが出力側に確実に送り出されるので、スイッチ素子7,8はデッドタイム期間TD中にどのようなタイミングでオン,オフが切り換わってもよい。   Further, when the switch element 10 is provided, the switch element 10 is turned on during the dead time period TD. When the switch element 10 is turned on, the energy from the choke coil 11 is reliably sent to the output side using the switch element 10 as a commutation element, so that the switch elements 7 and 8 are at any timing during the dead time period TD. On and off may be switched.

上記一連の動作では、例えば入力電圧VinがDC5Vで、出力端子13,14間にDC1.2Vの出力電圧を取り出そうとする場合、降圧コンバータ回路5に対する実質的な入力電圧であるコンデンサ3,4の端子間電圧V1,V2が、本来の入力電圧Vinの半分に低下しているので、各スイッチ素子6,9のデューティDは0.48(図3の1周期に対し48%の期間)に拡大する。これは、図3に示す従来例の2倍である。そのため、降圧コンバータ回路5としての効率を大幅に向上させることができる。   In the above series of operations, for example, when the input voltage Vin is DC 5 V and an output voltage of DC 1.2 V is to be taken out between the output terminals 13 and 14, the capacitors 3 and 4 which are substantial input voltages to the step-down converter circuit 5 are used. Since the inter-terminal voltages V1 and V2 are reduced to half of the original input voltage Vin, the duty D of each switch element 6 and 9 is expanded to 0.48 (a period of 48% with respect to one cycle in FIG. 3). To do. This is twice that of the conventional example shown in FIG. Therefore, the efficiency as the step-down converter circuit 5 can be greatly improved.

また、チョークコイル11がエネルギーを出力側に送り出す期間は、1周期当たり僅か4%に過ぎないため、チョークコイル11のインダクタンス値を小さくできる。そのため、降圧コンバータ回路5内部の小型化を実現できると共に、チョークコイル11を流れる電流の傾斜は、インダクタンス値が小さい分だけ急になるため、負荷電流が急変する場合などにおいて、チョークコイル11を流れる電流がすぐに追従して、更なる高速な応答を実現することができる。   Further, since the choke coil 11 sends the energy to the output side only 4% per cycle, the inductance value of the choke coil 11 can be reduced. Therefore, downsizing of the step-down converter circuit 5 can be realized, and the slope of the current flowing through the choke coil 11 is steep due to a small inductance value, and therefore the choke coil 11 flows when the load current changes suddenly. The current immediately follows, and a faster response can be realized.

さらに、前記スイッチ素子6,9のデューティDが0.5であれば、チョークコイル11によるエネルギーの充放電そのものが不要になるため、チョークコイル11をなくした降圧コンバータ回路5の実現も可能である。この場合、取り出せる出力電圧Voutは、コンデンサ3,4の端子間電圧V1,V2の半分(入力電圧Vinの1/4)になる。   Further, if the duty D of the switch elements 6 and 9 is 0.5, the charging / discharging of energy by the choke coil 11 itself becomes unnecessary, so that the step-down converter circuit 5 without the choke coil 11 can be realized. . In this case, the output voltage Vout that can be taken out is half of the inter-terminal voltages V1 and V2 of the capacitors 3 and 4 (1/4 of the input voltage Vin).

また、降圧コンバータ回路5におけるスイッチ素子6,8とスイッチ素子7,9が、180°の位相差で互いにオン,オフ動作を繰り返すので、1つのスイッチ素子によって制御される降圧コンバータ回路に比べ、実質的に2倍の周波数で制御されるのと同じになるため、出力端子13,14間に接続する負荷の変動に対し高速な応答が可能になる。   In addition, since the switch elements 6 and 8 and the switch elements 7 and 9 in the step-down converter circuit 5 repeat on and off operations with a phase difference of 180 °, compared to the step-down converter circuit controlled by one switch element, Therefore, a high-speed response to a change in the load connected between the output terminals 13 and 14 is possible.

以上のように本実施例では、入力電圧Vinを断続的にチョークコイル11に印加することで、入力電圧Vinより低い電圧を取り出す非絶縁降圧コンバータにおいて、入力端子13,14間に複数のコンデンサ3,4を直列接続し、コンデンサ3,4とチョークコイル11との間に介在されるスイッチ回路15を、各コンデンサ3,4とチョークコイル11とを切り離すデッドタイム期間TD中に、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す期間を間に設けながら、各々のコンデンサ3,4からチョークコイル11にエネルギーを順に供給するように設けている。   As described above, in this embodiment, in the non-insulated step-down converter that extracts a voltage lower than the input voltage Vin by intermittently applying the input voltage Vin to the choke coil 11, a plurality of capacitors 3 are connected between the input terminals 13 and 14. , 4 are connected in series, and the switch circuit 15 interposed between the capacitors 3 and 4 and the choke coil 11 is connected to the choke coil 11 during the dead time period TD for separating the capacitors 3 and 4 and the choke coil 11 from each other. While providing a period during which energy is sent to the output side, energy is sequentially supplied from the capacitors 3 and 4 to the choke coil 11.

この場合、入力端子13,14間に複数のコンデンサ3,4を直列接続することで、各コンデンサ3,4コンデンサ3,4の両端間には入力電圧よりも低い電圧が発生する。このコンデンサ3,4の両端間に発生する電圧を、それぞれのコンデンサ3,4からチョークコイル11に断続的に印加することにより、入力電圧Vinよりも低い電圧V1,V2を取り出すことができる。チョークコイル11に印加される電圧が、入力電圧Vinよりも低くなっているので、同じ出力電圧Voutを取り出す際に、スイッチ回路15のデューティを拡げることができる。また、各コンデンサ3,4から共通のチョークコイル11にエネルギーを供給する構成となっているので、チョークコイル11は一つでよく、簡単な構成でありながらスイッチ素子6,9のデューティを実質的に拡げて、効率の向上を達成できる。   In this case, by connecting a plurality of capacitors 3 and 4 in series between the input terminals 13 and 14, a voltage lower than the input voltage is generated between both ends of the capacitors 3 and 4. By intermittently applying the voltage generated between both ends of the capacitors 3 and 4 to the choke coil 11 from the respective capacitors 3 and 4, voltages V1 and V2 lower than the input voltage Vin can be taken out. Since the voltage applied to the choke coil 11 is lower than the input voltage Vin, the duty of the switch circuit 15 can be increased when the same output voltage Vout is taken out. Further, since energy is supplied from the capacitors 3 and 4 to the common choke coil 11, only one choke coil 11 is required, and the duty of the switch elements 6 and 9 is substantially reduced while having a simple configuration. To improve efficiency.

また本実施例では、各々のコンデンサ3,4からチョークコイル11にエネルギーを順に供給する第1のスイッチ素子6〜9と、第1のスイッチ素子6〜9とは別に設けられ、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す第2のスイッチ素子10とにより、スイッチ回路15を構成している。   In the present embodiment, the first switch elements 6 to 9 for sequentially supplying energy from the capacitors 3 and 4 to the choke coil 11 and the first switch elements 6 to 9 are provided separately. A switch circuit 15 is constituted by the second switch element 10 that sends energy to the output side.

この場合、各々のコンデンサ3,4からチョークコイルにエネルギーを順に供給する第1のスイッチ素子6〜9と、チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す第2のスイッチ素子10が、各々別々に設けられる。そのため、第1のスイッチ素子6〜9の動作と独立して第2のスイッチ素子10を動作させることができ、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す期間を確実に確保できる。   In this case, first switch elements 6 to 9 for sequentially supplying energy from the capacitors 3 and 4 to the choke coil and a second switch element 10 for sending the energy of the choke coil to the output side are provided separately. . For this reason, the second switch element 10 can be operated independently of the operations of the first switch elements 6 to 9, and the period for sending the energy of the choke coil 11 to the output side can be ensured reliably.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば各スイッチ素子6〜10は、例えばMOS型FETやトランジスタなどで構成してよい。   In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible. For example, each of the switch elements 6 to 10 may be composed of, for example, a MOS type FET or a transistor.

本実施例における非絶縁降圧コンバータの好ましい一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows a preferable example of the non-insulation step-down converter in a present Example. 同上、各スイッチ素子の動作を示す波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram showing the operation of each switch element. 従来のマルチフェイズ降圧コンバータの一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the conventional multiphase step-down converter. 同上、各スイッチ素子の駆動波形の一例を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows an example of the drive waveform of each switch element same as the above. 従来の降圧コンバータのデューディ比を拡げる例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example which expands the duty ratio of the conventional step-down converter. 従来のマルチフェイズ降圧コンバータのデューディ比を拡げる例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example which expands the duty ratio of the conventional multiphase step-down converter.

符号の説明Explanation of symbols

3,4 コンデンサ(充放電手段)
6〜9 第1のスイッチ素子
10 第2のスイッチ素子
11 チョークコイル
15 スイッチ回路

3, 4 Capacitor (charging / discharging means)
6-9 First switch element
10 Second switch element
11 Choke coil
15 Switch circuit

Claims (2)

入力電圧を断続的にチョークコイルに印加することで、前記入力電圧より低い電圧を取り出す非絶縁降圧コンバータにおいて、
前記入力電圧が与えられる入力端子間に複数の充放電手段を直列接続し、
前記充放電手段と前記チョークコイルとの間に介在され、前記チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す期間を間に設けながら、各々の前記充放電手段から前記チョークコイルにエネルギーを順に供給するスイッチ回路を設けたことを特徴とする非絶縁降圧コンバータ。
In the non-insulated step-down converter that extracts a voltage lower than the input voltage by intermittently applying the input voltage to the choke coil,
A plurality of charging / discharging means are connected in series between input terminals to which the input voltage is applied,
A switch circuit that is interposed between the charging / discharging unit and the choke coil, and sequentially supplies energy from the charging / discharging unit to the choke coil while providing a period for sending the energy of the choke coil to the output side. A non-insulated step-down converter characterized by comprising:
前記スイッチ回路は、各々の前記充放電手段から前記チョークコイルにエネルギーを順に供給する第1のスイッチ素子と、該第1のスイッチ素子とは別に設けられ、前記チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す第2のスイッチ素子とにより構成されることを特徴とする請求項1記載の非絶縁降圧コンバータ。 The switch circuit is provided separately from the first switch element for sequentially supplying energy to the choke coil from each of the charge / discharge means, and sends the energy of the choke coil to the output side. The non-insulated step-down converter according to claim 1, comprising: a second switch element.
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