JP2005065447A - Dc−dcコンバータの電流検出方法及び電流検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 DC−DCコンバータの電流検出装置は、直流入力電源Vddの一方電極に接続されたハイサイド・スイッチS1と、他方電極に接続されたローサイド・スイッチS2とを、所定のスイッチング期間内で交互にオンオフ制御する同期整流型のDC−DCコンバータから、インダクタLを介して負荷4に対して可変の直流電力を供給する際に、負荷4への電流変動を検出するものであって、各スイッチS1,S2とインダクタLとの接続点Mから引き出された信号線に接続されるローパスフィルタ5と、ローパスフィルタ5の出力電圧VmaとDC−DCコンバータの出力電圧Voとの差電圧を演算することでDC−DCコンバータからの出力電流Ioを検出する演算回路とを備えている。
【選択図】 図1
Description
スイッチング回路2のスイッチング期間をTとして、最初のオン期間thiではハイサイド・スイッチS1だけがオンしている。つぎに、短いデッドタイムtdtを挟んで、オン期間tlowではローサイド・スイッチS2だけがオンしている。最後に再び短いデッドタイムtdtとなって1周期が終了し、つぎのスイッチング期間が始まる。ここで、デッドタイムtdtはどちらのスイッチS1,S2もオフしている期間であって、通常は数nsecから数十nsecの極めて短い期間が設定される。ここでは、図示する都合上、誇張して描いてあるが、実際にはスイッチS1,S2のオン期間thiやtlowと比べて、非常に短い。このデッドタイムtdtの間には、インダクタLの作用によりローサイド・スイッチS2に並列に接続してあるダイオードD2がオンして、大地(GND)から出力側に電流が流れる。
{(Vdd−Io・Rhi)−(Vo+Io・Rind)}・(1/L)・thi
の電流増加分が生じる。
{(Vo+Io・Rind)−(−Vf)}・(1/L)・2tdt
と、
{(Vo+Io・Rind)−(−Io・Rlow)}・(1/L)・tlow
との和である。定常状態では、出力電流の大きさがインダクタ電流の平均値Ioに等しいと仮定して、1周期内での電流増加と電流減少が等しいことから、スイッチング期間Tを1に規格化して、出力電圧Voを計算すると、次の(1)式のように求まる。
−tlow・Io・Rlow−2tdt・Vf−Io・Rind…(1)
さて、図1に示すDC−DCコンバータの電流検出装置には、インダクタLの入力側に抵抗と容量等によって構成されたローパスフィルタ5が接続されている。このローパスフィルタ5の出力電圧Vmaは、検出端子6から取り出すことができるが、前述した出力電圧Voの計算と同様に、スイッチング期間Tを1に規格化することにより、以下のように計算できる。
{(Vdd−Io・Rhi)−Vma}・(1/RLP)・thi
の電荷の増加が生じる。
{Vma−(−Vf)}・(1/RLP)・2tdt
と、
{Vma−(−Io・Rlow)}・(1/RLP)・tlow
との和である。また、1周期内に流入する電荷と減少する電荷の量が等しいとして、出力電圧Vmaを計算すると、次の(2)式のように求まる。
−tlow・Io・Rlow−2tdt・Vf…(2)
ここで、VoとVmaの電位差を計算すると、(1)(2)式より、
Vo−Vma=Io・Rind…(3)
となる。したがって、出力電流Ioの大きさはインダクタLの寄生抵抗成分Rindを利用して、負荷4への出力電圧Voと検出端子6から取り出した出力電圧Vmaとの差電圧とから簡単に演算できることがわかる。なお、この演算は制御回路1において行わせることが可能である。
(Vdd−Vmb)・(1/RLP)・(thi+tdt)
だけ電荷の増加が生じる。また、ローサイド・スイッチS2のオン期間tlowとそれに続くデッドタイムtdtには、ローパスフィルタ5のフィルタコンデンサCLPからは電流が流れ出す。そのときの電荷の減少分は、
(Vmb/RLP)・(tlow+tdt)
となり、1周期内に流入する電荷と減少する電荷の量が等しいとして、出力電圧Vmbを計算すると、次の(4)式のように求まる。
ここで、VmbとVoの電位差を計算すると、(1)式と(4)式とから
Vmb−Vo=thi・Io・Rhi
+tlow・Io・Rlow+2tdt・Vf+tdt・Vdd+Io・Rind…(5)
となる。(5)式はさらに、Ioを含む項と含まない項とに整理して、(6)式のように書き直すことができる。
+tdt(2Vf+Vdd)…(6)
ここで、Ioにかかる係数(thi・Rhi+tlow・Rlow+Rind)には、各スイッチS1,S2を構成するトランジスタのオン抵抗、及びインダクタLの寄生抵抗どちらも含まれている。したがって、VmbとVoの電位差を検出するとき、実施例1の(3)式のようにインダクタLの寄生抵抗成分(Rind)のみを含む場合や、トランジスタのオン抵抗のみの場合などに比べて検出電圧が大きくなるから、より高精度な電流検出が可能になる。
{(Vdd−Io・Rhi)−(Vo+Io・Rind)}・(1/L)・thi
の電流増加分が生じる。
{(Vo+Io・Rind)−(−Vf)}・(1/L)・tdt
と、
{(Vo+Io・Rind)−(−Io・Rlow)}・(1/L)・tlow
との和である。しかし、ローサイド・スイッチS2のオン期間tlowの後半には、インダクタLに流れる電流Iindが出力側から入力側へ逆流する。よって、ローサイド・スイッチS2がオフした場合には、ハイサイド・スイッチS1と並列に接続されたダイオードD1(MOSトランジスタの場合は寄生ダイオードでもよい)により直流入力電源の電源電圧Vdd側に電流が流れ、その間に接続点Mの電圧Vmは(Vdd+Vf)となるから、
{(Vdd+Vf)−(Vo+Io・Rind)}・(1/L)・tdt
だけ増加することになり、1周期内に流入する電荷と減少する電荷の量が等しいとして、出力電圧Voを計算すると、次の(7)式のように求まる。
+tdt(Vdd+Vf)−tlow・Io・Rlow−tdt・Vf−Io・Rind…(7)
図1のDC−DCコンバータの電流検出装置においては、逆流電流が発生した場合でもVoとVmaの電位差は(3)式で表される。したがって、ここでは、図3の電流検出装置におけるVoと出力電圧Vmbについて、逆流電流が発生した場合の変化を説明する。ローパスフィルタ5の出力電圧Vmbは実施例2で説明した(4)式と同じであって、変化はない。したがって、(4)式と(7)式とからVmbとVoの電圧差を求めると、
Vmb−Vo=(thi・Rhi+tlow・Rlow+Rind)・Io…(8)
となる。
2 スイッチング回路
S1 ハイサイド・スイッチ(第1のスイッチング素子)
S2 ローサイド・スイッチ(第2のスイッチング素子)
S3,S4 スイッチング素子(第3、第4のスイッチング素子)
3 平滑回路
4 負荷
5 ローパスフィルタ
6 検出端子
RLP フィルタレジスタ
CLP フィルタコンデンサ
D1,D2 ダイオード
Co 出力コンデンサ
Io 出力電流
Claims (4)
- 直流入力電源の一方電極に接続された第1のスイッチング素子と、他方電極に接続された第2のスイッチング素子とを、所定のスイッチング期間内で交互にオンオフ制御する同期整流型のDC−DCコンバータから、インダクタを介して負荷に対して可変の直流電力を供給する際に、前記負荷への電流変動を検出するDC−DCコンバータの電流検出方法において、
前記スイッチング期間毎に、前記第1,第2のスイッチング素子と前記インダクタとの接続点の電圧と前記負荷への出力電圧とを比較することによって、前記DC−DCコンバータからの出力電流を検出することを特徴としたDC−DCコンバータの電流検出方法。 - 直流入力電源の一方電極に接続された第1のスイッチング素子と、他方電極に接続された第2のスイッチング素子とを、所定のスイッチング期間内で交互にオンオフ制御する同期整流型のDC−DCコンバータから、インダクタを介して負荷に対して可変の直流電力を供給する際に、前記負荷への電流変動を検出するDC−DCコンバータの電流検出方法において、
前記スイッチング期間毎に、前記第1,第2のスイッチング素子と同期して交互にオンオフ制御される第3,第4のスイッチング素子の接続点における電圧と、前記負荷への出力電圧とを比較することによって、前記DC−DCコンバータからの出力電流を検出することを特徴としたDC−DCコンバータの電流検出方法。 - 直流入力電源の一方電極に接続された第1のスイッチング素子と、他方電極に接続された第2のスイッチング素子とを、所定のスイッチング期間内で交互にオンオフ制御する同期整流型のDC−DCコンバータから、インダクタを介して負荷に対して可変の直流電力を供給する際に、前記負荷への電流変動を検出するDC−DCコンバータの電流検出装置において、
前記第1,第2のスイッチング素子と前記インダクタとの接続点から引き出された信号線に接続されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力電圧と前記負荷への出力電圧との差電圧を演算することで前記DC−DCコンバータからの出力電流を検出する演算回路と、
を備えたことを特徴としたDC−DCコンバータの電流検出装置。 - 直流入力電源の一方電極に接続された第1のスイッチング素子と、他方電極に接続された第2のスイッチング素子とを、所定のスイッチング期間内で交互にオンオフ制御する同期整流型のDC−DCコンバータから、インダクタを介して負荷に対して可変の直流電力を供給する際に、前記負荷への電流変動を検出するDC−DCコンバータの電流検出装置において、
前記スイッチング期間毎に、それぞれ前記第1,第2のスイッチング素子と同期して交互にオンオフ制御される第3,第4のスイッチング素子と、
前記第3,第4のスイッチング素子の接続点から引き出された信号線に接続されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力電圧と前記負荷への出力電圧との差電圧を演算することで前記DC−DCコンバータからの出力電流を検出する演算回路と、
を備えたことを特徴としたDC−DCコンバータの電流検出装置。
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