JP2005312105A - Step-down converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力電源から供給される入力電圧を降下させて所望の出力電圧を出力する降圧コンバータに関する発明である。 The present invention relates to a step-down converter that lowers an input voltage supplied from an input power supply and outputs a desired output voltage.
近年、高効率な電力変換特性を有する非絶縁型の降圧コンバータは、バッテリなどの入力電源電圧を所望の電圧に変換する手段として多用されている。図7は、従来の自励式の降圧コンバータ(例えば特許文献1)の回路構成を示した図である。自励式の降圧コンバータは、発振回路を有しないので回路構成を簡単であるという特徴を有する。なお、図7に示した降圧コンバータは、特許文献1のものを一般化して表記したものである。
In recent years, non-insulated step-down converters having high-efficiency power conversion characteristics are frequently used as means for converting an input power supply voltage such as a battery into a desired voltage. FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional self-excited step-down converter (for example, Patent Document 1). The self-excited step-down converter has a feature that the circuit configuration is simple because it does not have an oscillation circuit. Note that the step-down converter shown in FIG. 7 is a generalized representation of that of
以下に、図7を用いて従来の降圧コンバータについて説明する。当該降圧コンバータは、入力電源1001、スイッチ素子1002、ダイオード1003、インダクタ1004、出力コンデンサ1005、負荷1006、制御回路1007、帰還回路1008および出力検出回路1009を備える。
Hereinafter, a conventional step-down converter will be described with reference to FIG. The step-down converter includes an
入力電源1001は、入力電圧Viを供給する。スイッチ素子1002は、PチャネルMOSFETからなる。スイッチ素子1002、ダイオード1003、インダクタ1004および出力コンデンサ1005は、降圧コンバータを構成する。出力電圧Voは、出力コンデンサ1005から出力される。負荷1006は、出力電圧Voの供給を受けて駆動する回路である。帰還回路1008は、スイッチ素子1002とダイオード1003との接続点電圧Vxを検出し、検出結果である信号Srを制御回路1007へ出力する。出力検出回路1009は、出力電圧Voを検出して当該出力電圧Voと所望値とを比較し、比較結果である信号Sfを制御回路1007へ出力する。
The
制御回路1007は、スイッチ素子1002の導通状態と遮断状態との切り替えを制御するための駆動信号Vgを生成し、スイッチ素子1002に出力する。具体的には、制御回路1007は、帰還回路1008からの信号Srに基づいて、スイッチ素子1002とダイオード1003との接続点電圧Vxが所定値を超えるか否かを判定する。接続点電圧Vxが所定値を超えた場合には、制御回路1007は、スイッチ素子1002を導通状態に制御する。また、制御回路1007は、出力検出回路1009から出力される信号Sfに基づいて、出力電圧Voが所望値を越えるか否かを判定する。出力電圧Voが所望値を超える場合には、制御回路1007は、スイッチ素子1002を遮断状態とする。
The
以上のように構成された従来の降圧コンバータについて、以下にその動作について図面を参照しながら説明する。図8は、図7に示した従来の降圧コンバータの信号Sfと、駆動信号Vgと、スイッチ素子1002とダイオード1003との接続点電圧Vxと、インダクタ1004を流れるインダクタ電流ILを示す動作波形図である。
The operation of the conventional step-down converter configured as described above will be described below with reference to the drawings. FIG. 8 is an operation waveform diagram showing the signal Sf of the conventional step-down converter shown in FIG. 7, the drive signal Vg, the connection point voltage Vx between the
まず、時刻t0〜時刻t1の間において、制御回路7は、Lレベルの駆動信号Vgを出力する。これにより、時刻t0〜時刻t1の間において、スイッチ素子1002は、導通状態に制御される。スイッチ素子1002が導通状態になると、インダクタ1004には入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧が印加される。これにより、インダクタ電流ILが直線的に増加して、インダクタ1004に磁気エネルギーが蓄積される。さらに、出力コンデンサ1005が充電され、出力電圧Voが上昇する。
First, between time t0 and time t1, the control circuit 7 outputs an L level drive signal Vg. Accordingly, the
次に、時刻t1において、出力電圧Voが所望値を越えると、出力検出回路1009は、Hレベルの信号Sfを制御回路1007に出力する。応じて、制御回路1007は、Hレベルの駆動信号Vgを出力し、スイッチ素子1002を遮断状態に切り替える。スイッチ素子1002が遮断状態になると、インダクタ1004に発生したフライバック電圧は、出力電圧Voに達する。すなわち、スイッチ素子1002とダイオード1003との接続点電圧Vxは0Vになり、インダクタ1004の出力側の電位は出力電圧Voとなる。これにより、ダイオード1003は導通し、インダクタ電流ILが流れ始める。
Next, when the output voltage Vo exceeds a desired value at time t1, the
時刻t1〜時刻t2において、スイッチ素子1002は遮断状態に維持される。これにより、インダクタ電流ILが直線的に減少し、インダクタ1004の磁気エネルギーが放出される。
From time t1 to time t2, the
次に、時刻t2において、インダクタ電流ILがゼロになり、ダイオード1003が遮断状態となると、インダクタ1004のフライバック電圧が低下する。すなわち、スイッチ素子1002とダイオード1003との接続点電圧Vxが上昇する。接地点電圧Vxが上昇して所定値を超えると、帰還回路1008は、Hレベルの信号Srを出力する。これにより、制御回路1007は、スイッチ素子1002を導通状態にする。以上の動作を繰り返して自励発振動作が行われ、出力電圧Voは、所望値に安定化される。
Next, when the inductor current IL becomes zero and the
ところで、負荷側の異常等による大電流がスイッチ素子1002やインダクタ1004に流れる過電流状態から、降圧コンバータ自身を守るため、通常、過電流保護回路が設けられる。例えば、スイッチ素子1002に流れる電流を検出し、その電流値が所定値に至るとスイッチ素子1002を強制的に遮断状態に切り替える過電流保護回路が設けられる。
Incidentally, an overcurrent protection circuit is usually provided in order to protect the step-down converter itself from an overcurrent state in which a large current due to a load-side abnormality or the like flows through the
しかしながら、図7に示す降圧コンバータのように、スイッチ素子1002が電源電圧側に設置されるような場合、電流を検出するための回路が複雑となってしまう。そこで、自励式の場合には、電流を直接検出する代わりに、スイッチ素子1002が導通状態となっている時間を制限することにより、過電流を防止する過電流保護回路が存在する。以下に、かかる過電流保護回路について詳しく説明する。
However, when the
図8に示すように、インダクタ電流ILは、初期値が常にゼロであり、直線的に増加している。そのため、インダクタ電流ILのピーク値は、スイッチ素子1002が導通状態になっている時間に比例する。そこで、スイッチ素子1002が導通状態に制御されている時間に上限値(以下、最大オン時間と称す)を設けることにより、インダクタ電流ILのピーク値を制限することができる。すなわち、電流検出することなく過電流保護を行うことができるようになる。
しかしながら、上記最大オン時間が設定された過電流保護回路では、入力電圧によって過電流検出点が変動してしまうという問題が存在する。以下に、詳しく説明する。 However, the overcurrent protection circuit in which the maximum on-time is set has a problem that the overcurrent detection point varies depending on the input voltage. This will be described in detail below.
図8に示すように、インダクタ電流ILは、直線的に増加している。このインダクタ電流ILと時間との関係は、V=−Ldt/diの式より、IL=(Vi−Vo)t/Lで表される。なお、Lはインダクタのインダクタンスであり、tはt0からの経過時間である。この関係式において、入力電流Viが変動すると、インダクタ電流ILの傾きが変動する。そのため、一定の最大オン時間が与えられたとしても、入力電圧が変動してしまうと、インダクタ電流ILの最大値が変動してしまう。すなわち、過電流検出点が変動してしまう。 As shown in FIG. 8, the inductor current IL increases linearly. The relationship between the inductor current IL and time is expressed as IL = (Vi−Vo) t / L from the equation V = −Ldt / di. Note that L is the inductance of the inductor, and t is the elapsed time from t0. In this relational expression, when the input current Vi varies, the slope of the inductor current IL varies. Therefore, even if a certain maximum on-time is given, if the input voltage varies, the maximum value of the inductor current IL varies. That is, the overcurrent detection point varies.
また、上記最大オン時間が設定された過電流保護回路では、過電流保護が働いたときに出力電圧の低下と共に出力電流が増加するという問題が存在する。以下に詳しく説明する。 In the overcurrent protection circuit in which the maximum on-time is set, there is a problem that the output current increases as the output voltage decreases when the overcurrent protection is activated. This will be described in detail below.
過電流保護が働くと、スイッチ素子1002が導通状態である時間が制限される。すなわち、過電流保護回路は、出力側への電源の供給を抑制するので、負荷6側へ電流が流れ続けると、出力電圧Voは低下してしまう。スイッチ素子1002が導通状態であるとき、インダクタ1004には入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧がかかっており、インダクタ電流ILの大きさは当該差電圧の大きさに比例する。そのため、出力電圧Voが低下すれば、差電圧が大きくなり、インダクタ電流ILおよび出力電流が増加する。すなわち、図8におけるインダクタ電流ILの傾きが大きくなってしまう。その結果、最大オン時間が一定値に設定されると、出力電圧の低下と共に出力電流が増加していく。
When overcurrent protection is activated, the time during which the
そこで、本発明の目的は、好適な最大オン時間を設定することができる過電流保護機能を備えた降圧コンバータを供給することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a step-down converter having an overcurrent protection function capable of setting a suitable maximum on-time.
本発明に係る降圧コンバータは、入力電源から供給される入力電圧を降下させて所望の出力電圧を出力するものである。具体的には、制御手段は、出力電圧を制御するために第1の状態と第2の状態とに変化する駆動信号を生成する。スイッチ手段は、駆動信号が第1の状態のときに導通状態となり、第2の状態のときに遮断状態となる。整流手段は、スイッチ手段が遮断状態のときに電流を出力する。インダクタは、スイッチ手段が導通状態のときに入力電源からの電流によって磁気エネルギーを蓄積し、当該スイッチ手段が遮断状態のときに整流手段が出力する電流によって当該磁気エネルギーを放出する。平滑化手段は、インダクタに流れる電流を平滑し、出力電圧を出力する。時間制限手段は、入力電圧と出力電圧とを検出し、当該入力電圧と当該出力電圧との差電圧に基づいて、駆動信号が第1の状態である時間を制限する。 The step-down converter according to the present invention drops the input voltage supplied from the input power supply and outputs a desired output voltage. Specifically, the control means generates a drive signal that changes between a first state and a second state in order to control the output voltage. The switch means is in a conducting state when the drive signal is in the first state, and is in a cut-off state when in the second state. The rectifying means outputs a current when the switch means is in a cut-off state. The inductor stores magnetic energy by the current from the input power supply when the switch means is in the conductive state, and releases the magnetic energy by the current output from the rectifier means when the switch means is in the cut-off state. The smoothing means smoothes the current flowing through the inductor and outputs an output voltage. The time limiter detects the input voltage and the output voltage, and limits the time during which the drive signal is in the first state based on the difference voltage between the input voltage and the output voltage.
また、時間制限手段は、差電圧の大きさが大きくなるにつれて、駆動信号が第1の状態である時間を短く設定するようにしてもよい。 In addition, the time limiting unit may set the time during which the drive signal is in the first state as the difference voltage increases.
また、時間制限手段は、コンデンサと、差電圧の大きさに略比例する電流を発生し、当該電流によりコンデンサを充電する充電回路と、コンデンサの電圧を検出し、当該コンデンサの電圧の大きさが所定値に到達した場合には、駆動信号を第1の状態から第2の状態へと制御手段に切り替えさせる比較器とを含んでいてもよい。 The time limiting means generates a capacitor and a current that is approximately proportional to the magnitude of the differential voltage, detects the voltage of the capacitor by charging the capacitor with the current, and determines the magnitude of the voltage of the capacitor. A comparator that causes the control means to switch the drive signal from the first state to the second state when the predetermined value is reached may be included.
また、スイッチ手段の出力側と整流手段の出力側とは電気的に接続されており、時間設定手段は、スイッチ手段と整流手段との接続点の電圧を平均化して、出力電圧を検出するようにしてもよい。 Further, the output side of the switch means and the output side of the rectifier means are electrically connected, and the time setting means detects the output voltage by averaging the voltage at the connection point between the switch means and the rectifier means. It may be.
また、本発明のその他の局面に係る降圧コンバータは、入力電源から供給される入力電圧を降下させて所望の出力電圧を出力する降圧コンバータである。具体的には、制御手段は、出力電圧を制御するために第1の状態と第2の状態とに変化する駆動信号を生成する。スイッチ手段は、駆動信号が第1の状態のときに導通状態となり、第2の状態のときに遮断状態となる。整流手段は、スイッチ手段が遮断状態のときに電流を出力する。インダクタは、スイッチ手段が導通状態のときに入力電源からの電流によって磁気エネルギーを蓄積し、当該スイッチ手段が遮断状態のときに整流手段が出力する電流によって当該磁気エネルギーを放出する。平滑手段は、インダクタに流れる電流を平滑し、出力電圧を出力する。制御手段は、さらに、入力電圧と出力電圧とを検出し、当該入力電圧と当該出力電圧との差電圧に基づいて、駆動信号が第1の状態である時間を制限する。 In addition, a step-down converter according to another aspect of the present invention is a step-down converter that outputs a desired output voltage by dropping an input voltage supplied from an input power supply. Specifically, the control means generates a drive signal that changes between a first state and a second state in order to control the output voltage. The switch means is in a conducting state when the drive signal is in the first state, and is in a cut-off state when in the second state. The rectifying means outputs a current when the switch means is in a cut-off state. The inductor stores magnetic energy by the current from the input power supply when the switch means is in the conductive state, and releases the magnetic energy by the current output from the rectifier means when the switch means is in the cut-off state. The smoothing means smoothes the current flowing through the inductor and outputs an output voltage. The control means further detects the input voltage and the output voltage, and limits the time during which the drive signal is in the first state based on the difference voltage between the input voltage and the output voltage.
また、制御手段は、差電圧の大きさが大きくなるにつれて、駆動信号が第1の状態である時間を短く設定するようにしてもよい。 Further, the control means may set the time during which the drive signal is in the first state as the magnitude of the differential voltage increases.
また、制御手段は、所望値と出力電圧との差電圧を増幅した誤差信号を生成する誤差増幅器と、誤差増幅器が出力した誤差信号の信号レベルが所定レベルよりも高い場合には、当該誤差信号の信号レベルを所定レベルに制限するクランプ回路と、コンデンサと、入力電圧と出力電圧との差電圧の大きさに略比例する電流を発生し、当該電流によりコンデンサを充電する充電回路と、コンデンサの電圧を検出し、当該コンデンサの電圧の大きさがクランプ回路から出力される誤差信号の信号レベルに到達した場合には、駆動信号を第1の状態から第2の状態へと切り替える比較器とを含んでいてもよい。 In addition, the control means generates an error signal obtained by amplifying the difference voltage between the desired value and the output voltage, and when the signal level of the error signal output from the error amplifier is higher than a predetermined level, the error signal A clamp circuit that limits the signal level of the signal to a predetermined level, a capacitor, a charging circuit that generates a current substantially proportional to the magnitude of the difference voltage between the input voltage and the output voltage, and charges the capacitor with the current, and a capacitor A comparator that detects the voltage and switches the drive signal from the first state to the second state when the magnitude of the voltage of the capacitor reaches the signal level of the error signal output from the clamp circuit; May be included.
また、誤差増幅器は、出力電圧の変動に応じて変動する電圧を検出することにより、当該出力電圧を検出しており、スイッチ手段の出力側と整流手段の出力側とは電気的に接続されており、充電回路は、スイッチ手段と整流手段との接続点の電圧を平均化して、出力電圧を検出するようにしてもよい。 Further, the error amplifier detects the output voltage by detecting a voltage that fluctuates according to the fluctuation of the output voltage, and the output side of the switch means and the output side of the rectifier means are electrically connected. The charging circuit may detect the output voltage by averaging the voltage at the connection point between the switch means and the rectifying means.
本発明に係る降圧コンバータによれば、入力電圧と出力電圧との差電圧に基づいて、スイッチ手段が導通状態となっている時間を制限しているので、入力電圧や出力電圧の変動に対して、スイッチ手段に好適な最大オン時間を設定することが可能となる。 According to the step-down converter according to the present invention, since the time during which the switch unit is in the conductive state is limited based on the difference voltage between the input voltage and the output voltage, the fluctuation of the input voltage and the output voltage is prevented. It is possible to set a maximum on-time suitable for the switch means.
また、時間制限手段は、差電圧の大きさが大きくなるにしたがって、スイッチ手段が導通状態となっている時間を短く設定している。時間制限手段がこのように動作することにより、インダクタを流れる電流の最大値を一定に近づけることができるようになる。以下に、詳しく説明する。 Further, the time limiting means sets a shorter time during which the switch means is in a conductive state as the magnitude of the differential voltage increases. When the time limiter operates in this way, the maximum value of the current flowing through the inductor can be made close to a constant value. This will be described in detail below.
入力電圧と出力電圧との差電圧が大きくなると、従来のように一定の最大オン時間が与えられた場合に、インダクタを流れる電流のピーク値が大きくなってしまう。すなわち、入出力条件により、インダクタを流れる電流のピーク値が変動してしまう。ここで、インダクタを流れる電流のピーク値と出力電流値との間には、比例関係が成立している。そのため、インダクタを流れる電流のピーク値の大きさが変動すると、出力電流値が変動してしまう。そこで、差電圧が大きくなると、スイッチ手段が導通状態になる時間を短くすることにより、出力電流値を一定に近づけている。 When the difference voltage between the input voltage and the output voltage becomes large, the peak value of the current flowing through the inductor becomes large when a certain maximum on-time is given as in the prior art. That is, the peak value of the current flowing through the inductor varies depending on the input / output conditions. Here, a proportional relationship is established between the peak value of the current flowing through the inductor and the output current value. Therefore, if the magnitude of the peak value of the current flowing through the inductor varies, the output current value varies. Therefore, when the differential voltage increases, the output current value is brought closer to a constant value by shortening the time during which the switch means is in the conductive state.
また、コンデンサと充電回路と比較器とを時間制限手段に設けることにより、差電圧の大きさが大きくなるにしたがって、スイッチ手段が導通状態となっている時間を短く設定することができるようになる。 In addition, by providing the capacitor, the charging circuit, and the comparator in the time limiting unit, the time during which the switch unit is in the conductive state can be set shorter as the difference voltage increases. .
また、スイッチ手段と整流手段との接続点の電圧を平均化することにより、間接的に出力電圧を検出することができる。これにより、時間制限手段は出力電圧を直接検出する必要がなくなる。その結果、時間制限手段を含む制御回路を集積回路化するような場合に、端子数と配線数を低減でき、回路を小型化することができる。 Further, the output voltage can be detected indirectly by averaging the voltage at the connection point between the switch means and the rectifying means. This eliminates the need for the time limiting means to directly detect the output voltage. As a result, when the control circuit including the time limiter is integrated, the number of terminals and the number of wirings can be reduced, and the circuit can be reduced in size.
(第1の実施形態)
以下に、本発明の第1の実施形態に係る降圧コンバータについて、図面を参照しながら説明する。図1は、第1の実施形態に係る降圧コンバータの回路構成を示した図である。なお、図1(a)は、当該降圧コンバータの全体図を示しており、図1(b)は、時間制限回路11の回路構成を示した図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a step-down converter according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration of the step-down converter according to the first embodiment. FIG. 1A shows an overall view of the step-down converter, and FIG. 1B shows a circuit configuration of the
図1(a)に示す降圧コンバータは、入力電源1、スイッチ素子2、ダイオード3、インダクタ4、出力コンデンサ5、負荷6、帰還回路8、出力検出回路9、制御回路10および時間制限回路11を備える。当該降圧コンバータは、入力電源1から供給される入力電圧を降下させて所望の出力電圧を出力する回路であり、入力電圧と出力電圧との差電圧の大きさに基づいて最大オン時間を決定する回路である。以下に、各構成要素について説明する。
The step-down converter shown in FIG. 1A includes an
入力電源1は、入力電圧Viを供給する。スイッチ素子2、ダイオード3、インダクタ4および出力コンデンサ5は、降圧コンバータを構成する。具体的には、スイッチ素子2は、PチャネルMOSFETからなり、制御回路10の制御に基づいて導通状態と遮断状態とに切り替わる。ダイオード3は、整流素子であり、スイッチ素子2が遮断状態のときに接地側からインダクタ4側へと電流を流す。インダクタ4は、スイッチ素子2が導通状態のときに入力電源1からの電流によって磁気エネルギーを蓄積し、スイッチ素子2が遮断状態のときにダイオード3が出力する電流によって磁気エネルギーを放出する。出力コンデンサ5は、インダクタに流れる電流を平滑し、出力電圧Voを出力する。負荷6は、出力電圧Voの供給を受けて駆動する回路である。帰還回路8は、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vxを検出し、検出結果である信号Srを制御回路10へ出力する。出力検出回路9は、出力電圧Voを検出して当該出力電圧Voと所望値とを比較し、比較結果である信号Sf1を制御回路10へ出力する。
The
制御回路10は、出力電圧を制御するために第1の状態と第2の状態とに変化する駆動信号Vgを生成する。なお、本実施形態では、第1の状態とは相対的に低い電圧(L電圧)を示し、第2の状態とは相対的に高い電圧(H電圧)を示す。駆動信号Vgが第1の状態である場合には、スイッチ素子2が導通状態に制御され、駆動信号Vgが第2の状態である場合には、スイッチ素子2が遮断状態に制御される。なお、制御回路10は、駆動信号Vgを用いてスイッチ素子2を制御する際には、以下のような動作を行う。まず、制御回路10は、帰還回路8からの信号Srを入力に基づいて、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vxが所定値を超えるか否かを判定する。接続点電圧Vxが所定値を超えた場合には、制御回路10は、駆動信号Vgを第2の状態から第1の状態に切り替えて、スイッチ素子2を導通状態に制御する。また、制御回路10は、出力検出回路9から出力される信号Sf1に基づいて、出力電圧Voが所望値を越えるか否かを判定する。出力電圧Voが所望値を超える場合には、制御回路10は、駆動信号Vgを第1の状態から第2の状態に切り替えて、スイッチ素子2を遮断状態とする。
The
時間制限回路11は、入力電圧Viと出力電圧Voとを検出し、当該入力電圧Viと当該出力電圧Voとの差電圧に基づいて、駆動信号Vgが第1の状態となっている時間の最大値である最大オン時間Ton(max)を設定する。具体的には、時間制限回路11には、入力電圧Viと出力電圧Voと駆動信号Vgとが入力する。時間制限回路11は、スイッチ素子2が導通状態に切り替わった後、入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧(Vi−Vo)に反比例した最大オン時間Ton(max)が経過すると制御回路10へ信号Sf2を出力する。制御回路10は、信号Sf2が出力されてくると、スイッチ素子を導通状態から遮断状態に切り替えるために、駆動信号Vgを第1の状態から第2の状態へと切り替える。
The
ここで、図1(b)を用いて、時間制限回路11について詳しく説明する。図1(b)に示す時間制限回路11は、NPNトランジスタ110、抵抗111、PNPトランジスタ112、抵抗113、NPNトランジスタ114、NPNトランジスタ115、PNPトランジスタ116、PNPトランジスタ117、タイミングコンデンサ118、NPNトランジスタ119、抵抗120、基準電圧源121および比較器122を備える。
Here, the
NPNトランジスタ110は、ベースに出力電圧Voが入力し、エミッタが抵抗111を介して接地され、コレクタに入力電圧Viが接続されたトランジスタである。PNPトランジスタ112は、ベースにNPNトランジスタ110のエミッタが接続されたトランジスタである。抵抗113は、入力電圧ViとPNPトランジスタ112のエミッタとの間に接続される。NPNトランジスタ110、抵抗111、PNPトランジスタ112および抵抗113は、入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧に略比例する電流を発生する回路である。
The
NPNトランジスタ114は、コレクタおよびベースがPNPトランジスタ112のコレクタに対して接続され、エミッタが接地されたトランジスタである。NPNトランジスタ115は、エミッタが接地され、ベースがNPNトランジスタ114に接続されたトランジスタであり、NPNトランジスタ114とカレントミラーを構成する。すなわち、NPNトランジスタ114および115は、入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧に略比例する電流と等しい電流を発生する。
The
PNPトランジスタ116は、エミッタが入力電圧Viに接続され、ベースおよびコレクタがNPNトランジスタ115のコレクタに接続されたトランジスタである。PNPトランジスタ117は、エミッタが入力電圧Viに接続され、ベースがPNPトランジスタ116のベースに接続されたトランジスタであり、PNPトランジスタ116とカレントミラーを構成する。すなわち、PNPトランジスタ116および117は、NPNトランジスタ114および115が発生した電流と等しい電流を発生する。以上のように、NPNトランジスタ110、抵抗111、PNPトランジスタ112、抵抗113、NPNトランジスタ114、NPNトランジスタ115、PNPトランジスタ116およびPNPトランジスタ117は、入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧に略比例する電流を発生し、タイミングコンデンサを充電する充電回路の役割を果たす。
The
タイミングコンデンサ118は、PNPトランジスタ117のコレクタから出力される電流で充電され、NPNトランジスタ119によって放電される。NPNトランジスタ119は、抵抗120を介してスイッチ素子2の駆動信号Vgをベースに入力されたトランジスタであり、導通状態に制御されることにより、タイミングコンデンサ118を放電する。
The
基準電圧源121は、所定の大きさをもった電圧Vrefを発生する。比較器122は、反転入力端子に基準電圧源121の電圧Vrefが入力しており、非反転入力端子にタイミングコンデンサ118の電圧Vcが入力した回路である。当該比較器122は、タイミングコンデンサ118の電圧を検出し、当該タイミングコンデンサ118の電圧の大きさが電圧Vrefに到達した場合には、制御回路10に信号Sf2を出力する。信号Sf2が入力してきた制御回路10は、駆動信号Vgを第1の状態から第2の状態へと切り替える。
The
以上のように構成された本実施形態に係る降圧コンバータについて、以下にその動作について図面を参照しながら説明する。まず、降圧コンバータの通常動作(すなわち、過電流が発生していない状態)について説明を行う。ここで、図2(a)は、図1に示した降圧コンバータの通常動作時における、信号Sf1、駆動信号Vg、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vx、インダクタ4を流れるインダクタ電流IL、信号Sf2およびタイミングコンデンサ118の電圧Vcを示す動作波形図である。
The operation of the step-down converter according to this embodiment configured as described above will be described below with reference to the drawings. First, normal operation of the step-down converter (that is, a state where no overcurrent has occurred) will be described. 2A shows the signal Sf1, the drive signal Vg, the connection point voltage Vx between the switching
まず、時刻t0〜時刻t1の間において、制御回路10は、第1の状態(すなわちLレベル)の駆動信号をスイッチ素子2に対して出力する。これにより、時刻t0〜時刻t1の間において、スイッチ素子2は、導通状態に制御される。スイッチ素子2が導通状態になると、インダクタ4には入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧が印加される。応じて、インダクタ電流ILが直線的に増加し、インダクタ4に磁気エネルギーが蓄積される。これにより、出力コンデンサ5が充電され、出力電圧Voが上昇する。一方、時間制限回路11では、スイッチ素子2の駆動信号Vgが第1の状態(すなわちLレベル)であるので、NPNトランジスタ119は遮断状態である。そのため、タイミングコンデンサ118は、PNPトランジスタ117を介して充電される。しかし、通常動作時においては、出力電圧Voが所望値に到達する方が、電圧Vcが電圧Vrefに到達するよりも早い。そのため、タイミングコンデンサ118の電圧Vcは、基準電圧源121の電圧Vrefに至らない。その結果、比較器122は、電圧Vcよりも電圧Vrefの方が高いことを示すLレベルの信号Sf2を出力している。
First, between time t <b> 0 and time t <b> 1, the
時刻t1において、出力電圧Voが所望値を越えると、出力電圧Voを検出している出力検出回路9は、出力電圧Voが所望値を超えたことを示すHレベルの信号Sf1を制御回路10に出力する。応じて、制御回路10は、第2の状態(すなわちHレベル)の駆動電圧Vgを出力する。これにより、スイッチ素子2は遮断状態に制御される。さらに、時間制限回路11では、NPNトランジスタ119が導通状態に切り替わり、タイミングコンデンサ118の放電が開始される。スイッチ素子2が遮断状態になると、インダクタ4に発生したフライバック電圧は、出力電圧Voに達し、ダイオード3が導通する。スイッチ素子2が遮断状態の間である時刻t1〜時刻t2の間において、インダクタ電流ILは、直線的に減少し、インダクタ4の磁気エネルギーが放出される。
When the output voltage Vo exceeds the desired value at time t1, the output detection circuit 9 that detects the output voltage Vo outputs an H level signal Sf1 indicating that the output voltage Vo has exceeded the desired value to the
時刻t2において、インダクタ電流ILがゼロになり、ダイオード3が遮断状態になると、インダクタ4のフライバック電圧が低下する。即ち、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vxが上昇する。電圧Vxが上昇して所定値を超えると、帰還回路8は、電圧Vxが所定値を超えたことを示すHレベルの信号Srを制御回路10に出力する。応じて、制御回路10は、駆動信号Vgを第1の状態(Lレベル)に切り替えて、スイッチ手段2を導通状態に制御する。応じて、時間制限回路11では、NPNトランジスタ119が遮断状態に切り替わり、タイミングコンデンサ118の充電が開始される。以上の動作を繰り返して自励発振動作が行われ、出力電圧Voは所望値に安定化される。
At time t2, when the inductor current IL becomes zero and the
次に、過電流状態における図1に示す降圧コンバータの動作について図面を参照しながら説明する。ここで、図2(b)は、図1の降圧コンバータの過電流時における、信号Sf1、駆動信号Vg、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vx、インダクタ4を流れるインダクタ電流IL、信号Sf2およびタイミングコンデンサ118の電圧Vcを示す動作波形図である。
Next, the operation of the step-down converter shown in FIG. 1 in the overcurrent state will be described with reference to the drawings. Here, FIG. 2B shows the signal Sf1, the drive signal Vg, the connection point voltage Vx between the
まず、時刻t0〜時刻t1の間において、制御回路10は、第1の状態(Lレベル)の駆動信号をスイッチ素子2に対して出力する。これにより、時刻t0〜時刻t1の間において、スイッチ素子2は、導通状態に制御される。スイッチ素子2が導通状態になると、インダクタ4には入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧が印加される。応じて、インダクタ電流ILは直線的に増加し、インダクタ4に磁気エネルギーが蓄積される。これにより出力コンデンサ5は充電されるが、過電流状態であるので、背景技術において説明した通り出力電圧Voの上昇は鈍くなる。
First, between time t <b> 0 and time t <b> 1, the
この後、時刻t1において、出力電圧Voが所望値に到達するよりも前に、タイミングコンデンサ118の電圧Vcが基準電圧源121の電圧Vrefに達する。これにより、比較器122は、電圧Vcが電圧Vrefに到達したことを示すHレベルの信号Sf2を出力する。この信号Sf2を受電した制御回路10は、駆動信号Vgを第2の状態(Hレベル)にしてスイッチ素子2を遮断状態に制御する。同時に、時間制限回路11では、NPNトランジスタ119が導通状態に切り替わり、タイミングコンデンサ118は0Vまで急速に放電される。さらに、時刻t1において、スイッチ素子2が遮断状態に制御されると、インダクタ4に発生したフライバック電圧は出力電圧Voに達する。応じて、ダイオード3が導通する。スイッチ素子2が遮断状態である時刻t1〜t2の間において、インダクタ電流ILは直線的に減少し、インダクタ4の磁気エネルギーは放出される。
Thereafter, at time t1, the voltage Vc of the
次に、時刻t2において、インダクタ電流ILがゼロになると、ダイオード3が遮断状態に切り替わる。これにより、インダクタ4のフライバック電圧が低下する。即ち、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vxが上昇する。電圧Vxが上昇して所定値を超えると、帰還回路8は、電圧Vxが所定値を超えたことを示すHレベルの信号Srを制御回路に出力する。Hレベルの信号Srが入力してきた制御回路10は、駆動信号Vgを第1の状態(Lレベル)に切り替えて、スイッチ素子2を導通状態に制御する。同時に、時間制限回路では、タイミングコンデンサ118の充電が開始される。以上のような動作により、オン時間が最大オン時間に制限される。
Next, when the inductor current IL becomes zero at time t2, the
以上のように、本実施形態に係る降圧コンバータによれば、入出力条件が変動したとしても、好適な最大オン時間を設定することが可能となる。その結果、降圧コンバータの出力電流を一定値に近づけることが可能となる。以下に詳しく説明する。 As described above, according to the step-down converter according to the present embodiment, it is possible to set a suitable maximum on-time even if the input / output conditions fluctuate. As a result, the output current of the step-down converter can be brought close to a constant value. This will be described in detail below.
動作中のNPNトランジスタのベース−エミッタ電圧VbeとPNPトランジスタのエミッタ−ベース電圧Vebは等しいものとすると、PNPトランジスタ112のエミッタには出力電圧Voが発生する。したがって、抵抗113には入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧(Vi−Vo)が印加される。抵抗113の抵抗値をRとすると、抵抗113に流れる電流は、(Vi−Vo)/Rとなる。時間制限回路11内の各カレントミラーのミラー比を全て1:1とすると、この(Vi−Vo)/Rの電流がPNPトランジスタ117からタイミングコンデンサ118への充電電流となる。タイミングコンデンサ118の電圧Vcがゼロから充電されて基準電圧源121の電圧Vrefに至って比較器122の出力が反転するまでの時間が最大オン時間Ton(max)である。ここで、タイミングコンデンサ118のキャパシタンスをCとすると、最大オン時間Ton(max)は次式(1)で表される。
Assuming that the base-emitter voltage Vbe of the NPN transistor in operation and the emitter-base voltage Veb of the PNP transistor are equal, an output voltage Vo is generated at the emitter of the
Ton(max)=C・R・Vref/(Vi−Vo) (1) Ton (max) = C · R · Vref / (Vi−Vo) (1)
一方、インダクタ電流ILのピーク値Ipは、インダクタ4のインダクタンスをLとすると、次式(2)で表される。 On the other hand, the peak value Ip of the inductor current IL is expressed by the following equation (2), where L is the inductance of the inductor 4.
Ip=(Vi−Vo)Ton(max)/L (2) Ip = (Vi−Vo) Ton (max) / L (2)
上記の式(1)及び(2)から、次式(3)が得られ、インダクタ電流ILのピーク値Ipが入出力条件によらず一定となる。 From the above equations (1) and (2), the following equation (3) is obtained, and the peak value Ip of the inductor current IL is constant regardless of the input / output conditions.
Ip=C・R・Vref/L (3) Ip = C · R · Vref / L (3)
以上のように、本実施形態に係る降圧コンバータによれば、インダクタ電流ILを検出することなく、入出力条件によらずインダクタ電流ILのピーク値Ipを所定値C・R・Vref/Lに制限することができる。また、自励式の降圧コンバータの場合、インダクタ電流ILは、ピーク値Ipの三角波であり、出力電流Ioはその平均値であるから、次式(4)が得られる。 As described above, according to the step-down converter according to the present embodiment, the inductor current IL is not detected, and the peak value Ip of the inductor current IL is limited to the predetermined value C · R · Vref / L regardless of the input / output conditions. can do. In the case of a self-excited step-down converter, the inductor current IL is a triangular wave having a peak value Ip, and the output current Io is an average value thereof, so that the following expression (4) is obtained.
Io=Ip/2 (4) Io = Ip / 2 (4)
すなわち、過電流動作時のインダクタ電流ILのピーク値Ipを、入出力条件によらず一定にできるということは、出力電流Ioも原理的に一定値にすることができる。 That is, the fact that the peak value Ip of the inductor current IL during the overcurrent operation can be made constant regardless of the input / output conditions can also make the output current Io constant in principle.
なお、図3は本発明及び従来の過電流垂下特性を示した図である。図3では、通常時の出力電圧Voを3V、インダクタ4のインダクタンスをL=10μHとした。図中のAは、入力電圧Viが5Vのときにおける本発明の降圧コンバータの垂下特性曲線である。なお、図中のAでは、C・R・Vref=10μA/Hとしている。また、図中のBは、入力電圧Viが5Vのときにおける従来の降圧コンバータの垂下特性曲線である。また、図中のCは、入力電圧Viが8Vのときにおける従来の降圧コンバータの垂下特性曲線である。なお、図中のBおよびCでは、BおよびCは最大オン時間は、Ton(max)=5μ秒に固定されている。 FIG. 3 is a diagram showing the overcurrent drooping characteristics of the present invention and the prior art. In FIG. 3, the normal output voltage Vo is 3 V, and the inductance of the inductor 4 is L = 10 μH. A in the figure is a drooping characteristic curve of the step-down converter of the present invention when the input voltage Vi is 5V. In A in the figure, C · R · Vref = 10 μA / H. B in the figure is a drooping characteristic curve of the conventional step-down converter when the input voltage Vi is 5V. C in the figure is a drooping characteristic curve of the conventional step-down converter when the input voltage Vi is 8V. In B and C in the figure, the maximum on-time of B and C is fixed at Ton (max) = 5 μsec.
図3に示すように、従来の降圧コンバータでは、入力電圧Viが高いと過電流検出点が大電流化し、また、出力電流の低下とともに出力電流が増大していく。一方、図3のAに示すように、本発明の降圧コンバータでは、過電流動作時において、出力電流の大きさは0.5Aで一定となり、過電流垂下特性が改善されている。 As shown in FIG. 3, in the conventional step-down converter, when the input voltage Vi is high, the overcurrent detection point becomes large, and the output current increases as the output current decreases. On the other hand, as shown in FIG. 3A, in the step-down converter according to the present invention, during the overcurrent operation, the magnitude of the output current is constant at 0.5 A, and the overcurrent drooping characteristic is improved.
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態に係る降圧コンバータについて図面を参照しながら説明する。ここで、第1の実施形態に係る降圧コンバータは、従来の降圧コンバータに時間制限回路11を付加する構成であった。これに対して、本実施形態に係る降圧コンバータでは、出力検出回路9が行っている動作と時間制限回路11が行っている動作とが制御回路内において行われている。なお、図4は、第2の実施形態に係る降圧コンバータの回路構成を示した図である。具体的には、図4(a)は、当該降圧コンバータの全体図を示しており、図4(b)は、充電回路209の回路構成を示した図である。
(Second Embodiment)
The step-down converter according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the step-down converter according to the first embodiment has a configuration in which the
図4(a)に示す降圧コンバータは、入力電源1、スイッチ素子2、ダイオード3、インダクタ4、出力コンデンサ5、負荷6、抵抗器12、抵抗器13および制御回路20を備える。当該降圧コンバータは、入力電源1から供給される入力電圧を降下させて所望の出力電圧を出力する回路であり、入力電圧と出力電圧との差電圧の大きさに基づいて最大オン時間を決定する回路である。以下に、各構成要素について説明する。
The step-down converter shown in FIG. 4A includes an
まず、入力電源1、スイッチ素子2、ダイオード3、インダクタ4、出力コンデンサ5および負荷6については、第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。抵抗器12および13は、出力電圧Voを分圧して制御回路20に出力する。
First, the
制御回路20は、第1の基準電圧源200、誤差増幅器201、比較器202、タイミングコンデンサ203、抵抗204、RSラッチ205、抵抗206、NPNトランジスタ207、ツェナダイオード208、充電回路209を含む。当該制御回路20は、出力電圧を制御するために第1の状態と第2の状態とに変化する駆動信号Vgを生成する。なお、駆動信号Vgについては、第1の実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。また、制御回路20は、入力電圧Viと出力電圧Voとを検出し、入力電圧Viと当該出力電圧Voとの差電圧に基づいて、駆動信号Vgが第1の状態である時間を制限する。以下に、当該制御回路20について詳しく説明する。
The
第1の基準電圧源200は、第1の基準電圧Vref1を出力する。誤差増幅器201は、第1の基準電圧Vref1と出力電圧Voを分圧してえられた電圧との差電圧を増幅した誤差信号Veを生成する。なお、誤差増幅器201では、出力電圧Voを分圧してえられる電圧が反転入力端子に入力し、第1の基準電圧Vref1が非反転入力端子に入力している。
The first
ツェナダイオード208は、誤差増幅器201が出力した誤差信号Veの信号レベルが第2の基準電圧Vref2よりも高い場合には、当該誤差信号Veの信号レベルを基準電圧Vref2に制限する。なお、ツェナダイオード208は、誤差増幅器201が出力した誤差信号Veの信号レベルが第2の基準電圧Vref2以下である場合には、誤差信号Veの信号レベルを制限することなく出力する。
The
充電回路209は、入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧の大きさに略比例する電流を発生し、当該電流によりタイミングコンデンサ203を充電する。ここで、図4(b)を用いて、当該充電回路209について説明する。
The charging
充電回路209は、NPNトランジスタ210、抵抗211、PNPトランジスタ212、抵抗213、NPNトランジスタ214、NPNトランジスタ215、PNPトランジスタ216およびPNPトランジスタ217を含む。
The charging
NPNトランジスタ210は、ベースに出力電圧Voが入力し、エミッタが抵抗211を介して接地され、コレクタに入力電圧Viが接続されたトランジスタである。PNPトランジスタ212は、ベースにNPNトランジスタ210のエミッタが接続されたトランジスタである。抵抗213は、入力電圧ViとPNPトランジスタ212のエミッタとの間に接続される。NPNトランジスタ210、抵抗211、PNPトランジスタ212および抵抗213は、入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧に略比例する電流を発生する回路である。
The
NPNトランジスタ214は、コレクタおよびベースがPNPトランジスタ212のコレクタに対して接続され、エミッタが接地されたトランジスタである。NPNトランジスタ215は、エミッタが接地され、ベースがNPNトランジスタ214に接続されたトランジスタであり、NPNトランジスタ214とカレントミラーを構成する。すなわち、NPNトランジスタ214および215は、入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧に略比例する電流と等しい電流を発生する。
The
PNPトランジスタ216は、エミッタが入力電圧Viに接続され、ベースおよびコレクタがNPNトランジスタ215のコレクタに接続されたトランジスタである。PNPトランジスタ217は、エミッタが入力電圧Viに接続され、ベースがPNPトランジスタ216のベースに接続されたトランジスタであり、PNPトランジスタ216とカレントミラーを構成する。すなわち、PNPトランジスタ216および217は、NPNトランジスタ214および215が発生した電流と等しい電流を発生する。
The
ここで、図4(a)の説明に戻る。タイミングコンデンサ203は、PNPトランジスタ217から出力される電流で充電され、NPNトランジスタ207により放電される。
Here, the description returns to FIG. The
比較器202は、タイミングコンデンサ203の電圧Vcの大きさが誤差信号Veの信号レベルよりも大きい場合には、Hレベルの信号を出力し、タイミングコンデンサ203の電圧Vcの大きさが誤差信号Veの信号レベル以下である場合には、Lレベルの信号を出力する。そのため、当該比較器202では、反転入力端子に誤差信号Veが入力し、非反転入力端子にタイミングコンデンサ203の電圧Vcが入力している。
The
抵抗204は、スイッチ素子2とダイオード3との接続点に接続され、接続点電圧Vxを検出する。RSラッチ205は、接続点電圧Vxおよび比較器202からの出力に基づいて、第1の状態と第2の状態とに変化する駆動信号Vgを生成する。具体的には、接続点電圧VxがLレベルからHレベルに切り替わると、RSラッチ205は、駆動信号Vgを第2の状態(Hレベル)から第1の状態(Lレベル)に切り替える。一方、比較器202からの出力がHレベルとなった場合には、RSラッチ205は、駆動信号Vgを第1の状態(Lレベル)から第2の状態(Hレベル)に切り替える。
The
NPNトランジスタ207は、駆動信号Vgが抵抗206を介してベースに入力しており、タイミングコンデンサ203を短絡放電する。
In the
以上のように構成された本実施形態に係る降圧コンバータについて、以下にその動作について図面を参照しながら説明する。まず、降圧コンバータの通常動作(すなわち、過電流が発生していない状態)について説明を行う。ここで、図5(a)は、図4に示した降圧コンバータの通常動作時における、駆動信号Vg、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vx、インダクタ4を流れるインダクタ電流IL、信号Sおよびタイミングコンデンサ118の電圧Vcを示す動作波形図である。
The operation of the step-down converter according to this embodiment configured as described above will be described below with reference to the drawings. First, normal operation of the step-down converter (that is, a state where no overcurrent has occurred) will be described. 5A shows the drive signal Vg, the connection point voltage Vx between the
まず、時刻t0〜時刻t1の間において、制御回路20は、第1の状態(すなわちLレベル)の駆動信号をスイッチ素子2に対して出力する。これにより、時刻t0〜時刻t1の間において、スイッチ素子2は、導通状態に制御される。スイッチ素子2が導通状態になると、インダクタ4には入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧が印加される。応じて、インダクタ電流ILが直線的に増加し、インダクタ4に磁気エネルギーが蓄積される。
First, between time t <b> 0 and time t <b> 1, the
一方、制御回路20内部では、時刻t0〜時刻t1の間において、出力電圧Voの分圧が誤差増幅器201に入力する。応じて、誤差増幅器201は、第1の基準電圧Vref1と出力電圧Voの分圧との差電圧を増幅して誤差信号Veとして出力する。なお、この場合、出力電圧Voの電圧は、過電流保護が行われているときよりも大きくなる。そのため、第1の基準電圧Vref1と出力電圧Voの分圧との差が小さくなる。そのため、誤差信号Veの大きさは、第2の基準電圧Vref2よりも小さくなる。その結果、ツェナダイオード208は、導通状態にならない。したがって、比較器202には、誤差増幅器201が出力した誤差信号Veがそのまま入力する。
On the other hand, in the
また、スイッチ素子2の駆動信号Vgが第1の状態(すなわちLレベル)であるので、NPNトランジスタ207は遮断状態である。そのため、タイミングコンデンサ203は、PNPトランジスタ217を介して充電される。
Further, since the drive signal Vg of the
比較器202は、誤差信号Veと電圧Vcとを比較し、電圧Vcの方が大きくなった時(すなわち、時刻t1)に、電圧Vcの方が誤差信号Veよりも大きくなったことを示すHレベルの信号をRSラッチ205に出力する。応じて、RSラッチ205は、駆動信号Vgを第1の状態(Lレベル)から第2の状態(Hレベル)に切り替える。応じて、スイッチ素子2が導通状態に制御される。これにより、インダクタ4に発生したフライバック電圧は、出力電圧Voに達し、ダイオード3が導通する。スイッチ素子2が遮断状態の間である時刻t1〜時刻t2の間において、インダクタ電流ILは、直線的に減少し、インダクタ4の磁気エネルギーが放出される。さらに、時刻t1において、NPNトランジスタ207が導通状態に制御され、タイミングコンデンサ203が放電される。
The
時刻t2において、インダクタ電流ILがゼロになり、ダイオード3が遮断状態になると、インダクタ4のフライバック電圧が低下する。即ち、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vxが上昇する。電圧Vxが上昇して所定値を超えると、RSラッチ205は、駆動信号Vgを第1の状態(Lレベル)に切り替えて、スイッチ手段2を導通状態に制御する。応じて、NPNトランジスタ207が遮断状態に切り替わり、タイミングコンデンサ203の充電が開始される。以上の動作を繰り返して自励発振動作が行われ、出力電圧Voは所望値に安定化される。
At time t2, when the inductor current IL becomes zero and the
具体的には、誤差信号Veは、出力電圧Voが所望値より高くなろうとすると低下する。これにより、スイッチ素子2が導通状態である時間を短くして出力コンデンサ5への電力供給を抑制して出力電圧Voを低下させる。一方、誤差信号Veは、出力電圧Voが低くなろうとすると上昇する。これにより、スイッチ素子2のが導通状態である時間を長くして出力コンデンサ5への電力供給を増加して出力電圧Voを上昇させる。以上のように出力電圧Voは所望値に安定化される。
Specifically, the error signal Ve decreases when the output voltage Vo is about to be higher than a desired value. As a result, the time during which the
次に、過電流状態における図4に示す降圧コンバータの動作について図面を参照しながら説明する。ここで、図5(b)は、図1の降圧コンバータの過電流時における、駆動信号Vg、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vx、インダクタ4を流れるインダクタ電流IL、信号Sおよびタイミングコンデンサ203の電圧Vcを示す動作波形図である。
Next, the operation of the step-down converter shown in FIG. 4 in the overcurrent state will be described with reference to the drawings. Here, FIG. 5B shows the drive signal Vg, the connection point voltage Vx between the
まず、時刻t0〜時刻t1の間において、制御回路20は、第1の状態(すなわちLレベル)の駆動信号をスイッチ素子2に対して出力する。これにより、時刻t0〜時刻t1の間において、スイッチ素子2は、導通状態に制御される。スイッチ素子2が導通状態になると、インダクタ4には入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧が印加される。応じて、インダクタ電流ILが直線的に増加し、インダクタ4に磁気エネルギーが蓄積される。
First, between time t <b> 0 and time t <b> 1, the
一方、制御回路20内部では、出力電圧Voの分圧が誤差増幅器201に入力する。応じて、誤差増幅器201は、第1の基準電圧Vref1と出力電圧Voの分圧との差電圧を増幅して誤差信号Veとして出力する。なお、この場合、出力電圧Voの電圧は、過電流状態であるので、過電流状態でないときよりも低くなる。そのため、出力電圧Voの分圧が第1の基準電圧Vref1より低下し、誤差信号Veが上昇して第2の基準電圧Vref2よりも大きくなろうとする。したがって、誤差信号Veの大きさは、第2の基準電圧Vref2よりも大きくなる。その結果、ツェナダイオード208は、導通状態に切り替わり、誤差信号Veの信号レベルは、第2の基準電圧Vref2に制限される。
On the other hand, in the
また、スイッチ素子2の駆動信号Vgが第1の状態(すなわちLレベル)であるので、NPNトランジスタ207は遮断状態である。そのため、タイミングコンデンサ203は、PNPトランジスタ217を介して充電される。
Further, since the drive signal Vg of the
比較器202は、誤差信号Ve(第2の基準電圧Vref2と同じ大きさをもつ)と電圧Vcとを比較し、電圧Vcの方が大きくなった時(すなわち、時刻t1)に、Hレベルの信号をRSラッチ205に出力する。なお、図5(a)における時刻t0から時刻t1までの間の時間は、過電流保護が行われていない図5(b)における時刻t0から時刻t1までの間の時間よりも長く、最大オン時間となる。応じて、RSラッチ205は、駆動信号Vgを第1の状態(Lレベル)から第2の状態(Hレベル)に切り替える。これにより、スイッチ素子2が遮断状態に制御される。応じて、インダクタ4に発生したフライバック電圧は、出力電圧Voに達し、ダイオード3が導通する。スイッチ素子2が遮断状態の間である時刻t1〜時刻t2の間において、インダクタ電流ILは、直線的に減少し、インダクタ4の磁気エネルギーが放出される。さらに、時刻t1において、NPNトランジスタ207が導通状態に制御され、タイミングコンデンサ203が放電される。
The
時刻t2において、インダクタ電流ILがゼロになり、ダイオード3が遮断状態になると、インダクタ4のフライバック電圧が低下する。即ち、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vxが上昇する。電圧Vxが上昇して所定値を超えると、RSラッチ205は、駆動信号Vgを第1の状態(Lレベル)に切り替えて、スイッチ手段2を導通状態に制御する。応じて、NPNトランジスタ207が遮断状態に切り替わり、タイミングコンデンサ203の充電が開始される。以上の動作を繰り返して自励発振動作が行われる。
At time t2, when the inductor current IL becomes zero and the
以上のように、本実施形態に係る降圧コンバータによれば、最適な最大オン時間を設定することができるようになり、その結果として、出力電流を一定にすることができる。以下に詳しく説明する。 As described above, according to the step-down converter according to the present embodiment, the optimum maximum on-time can be set, and as a result, the output current can be made constant. This will be described in detail below.
過電流時には、誤差信号Veの上限は第2の基準電圧Vref2に制限される。タイミングコンデンサ203の電圧Vcがゼロから充電されて第2の基準電圧Vref2に至り、駆動信号Vgが反転するまでの時間を最大オン時間Ton(max)とし、タイミングコンデンサ203のキャパシタンスをCとすると、最大オン時間Ton(max)は次式(5)で表される。
At the time of overcurrent, the upper limit of the error signal Ve is limited to the second reference voltage Vref2. When the voltage Vc of the
Ton(max)=C・R・Vref2/(Vi−Vo) (5) Ton (max) = C · R · Vref2 / (Vi−Vo) (5)
ここで、式(2)に式(5)を代入することにより、Ip=C・R・Vref2/Lが得られる。すなわち、入出力条件の変動に関わらず、インダクタ電流ILのピーク値Ipを一定とすることができる。さらに、自励式の降圧コンバータの場合、インダクタ電流ILのピーク値Ipと出力電流Ioとの関係は、Io=Ip/2の関係が成立する。したがって、本実施形態に係る降圧コンバータによれば、第1の実施形態と同様に、出力電流Ioを入出力条件によらず略一定にすることができる。 Here, by substituting equation (5) into equation (2), Ip = C · R · Vref2 / L is obtained. That is, the peak value Ip of the inductor current IL can be made constant regardless of fluctuations in the input / output conditions. Further, in the case of a self-excited step-down converter, the relationship between the peak value Ip of the inductor current IL and the output current Io is such that Io = Ip / 2. Therefore, according to the step-down converter according to the present embodiment, similarly to the first embodiment, the output current Io can be made substantially constant regardless of the input / output conditions.
また、第1の実施形態に係る降圧コンバータは、従来の降圧コンバータに時間制限回路11を付加する構成であった。これに対して、本実施形態に係る降圧コンバータでは、通常動作時のオン時間の設定するために誤差信号と比較される三角波電圧に、入力電圧と出力電圧の情報を加味した構成とし、誤差信号に上限値を設けることによって最大オン時間設定を適切に行うことができる。
Further, the step-down converter according to the first embodiment has a configuration in which the
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る降圧コンバータについて図面を参照しながら説明する。図6は、本実施形態に係る降圧コンバータの構成を示した図である。なお、図6において、図4に示した実施の形態2における降圧コンバータと共通する部分には、同一の符号を付して、その説明を省略する。
(Third embodiment)
The step-down converter according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the step-down converter according to the present embodiment. In FIG. 6, parts common to the step-down converter in the second embodiment shown in FIG.
ここで、本実施に係る降圧コンバータが図4に示した第2の実施形態に係る降圧コンバータと異なる点は、出力電圧Voを直接検出するのではなく、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vxを平均化して、出力電圧Voを検出する点である。具体的には、制御回路30において、スイッチ素子2とダイオード3との接続点から抵抗31とコンデンサ32の直列からなる平均化回路が接続され、コンデンサ32の他端が接地される。そして、抵抗31とコンデンサ32との接続点電圧Vyが出力電圧Voの代わりに充電回路209に入力する。このような構成をとることにより、出力電圧Voを間接的に検出することが可能となる。以下に、詳しく説明する。
Here, the step-down converter according to the present embodiment is different from the step-down converter according to the second embodiment shown in FIG. 4 in that the output voltage Vo is not directly detected, but the connection point between the
まず、抵抗31の抵抗値をR31とする。また、コンデンサ32のキャパシタンスは十分大きく、電圧Vyは直流電圧であると仮定する。この場合、スイッチ素子2が導通状態のとき、コンデンサ32を充電する電流は、(Vi−Vy)/R31となる。一方、スイッチ素子2が遮断状態のとき、コンデンサ32を放電する電流は、Vy/R31となる。ここで、スイッチ素子2のオン時間をTon、オフ時間をToffとすると、定常状態においてコンデンサ32の充放電電荷は均衡するから、Ton・(Vi−Vy)/R31=Toff・Vy/R31の関係式が成立する。この関係式を変形することにより、次式(6)が得られる。
First, the resistance value of the
Vy=Vi・Ton/(Ton+Toff)=Vo (6) Vy = Vi · Ton / (Ton + Toff) = Vo (6)
実際には電圧Vyは、抵抗31とコンデンサ32とのCR時定数を有して出力電圧Vo近傍で増減する電圧となるが、最大オン時間の設定に支障はほとんど無い。
Actually, the voltage Vy has a CR time constant between the
以上のように、本実施形態に係る降圧コンバータによれば、第1の実施形態および第2の実施形態と同様に、過電流動作時の出力電流Ioを入出力条件によらずほぼ一定値にすることができるようになる。 As described above, according to the step-down converter according to the present embodiment, as in the first and second embodiments, the output current Io during the overcurrent operation is set to a substantially constant value regardless of the input / output conditions. Will be able to.
また、本実施形態に係る降圧コンバータによれば、スイッチ素子2とダイオード3との接続点電圧Vyを平均化して検出し、出力電圧Voを検出したものとみなしている。そのため、出力電圧Voを検出する必要がなくなる。これにより、例えば、制御回路30が1つの半導体チップとして製造され、当該半導体チップが降圧コンバータに接続される場合において、回路を小型化することができる。具体的には、出力電圧Voが直接検出された場合には、制御回路30を構成する半導体チップには、出力電圧Vo、接続点電圧Vx、入力電圧Viおよび駆動信号Vgの端子が必要となる。これに対して、出力電圧Voの検出に接続点電圧Vyが用いられた場合には、接続点電圧Vx、入力電圧Viおよび駆動信号Vgの端子が必要となる。すなわち、本実施形態に係る降圧コンバータでは、端子が一つ少なくてすむ。
Further, according to the step-down converter according to the present embodiment, the connection point voltage Vy between the
なお、本実施形態では、平均化回路は、抵抗とコンデンサの直列回路によって構成されているが、当該平均化回路はこれに限らない。例えば、当該平均化回路は、インダクタとコンデンサによるLCフィルタ回路であっても構わない。降圧コンバータは、オンオフするスイッチ素子によって入力電圧をパルス波形とし、それをLCフィルタによって平均化して出力するものである。即ち、平均化回路は、印加電圧を平均化する機能を有していればよい。 In the present embodiment, the averaging circuit is constituted by a series circuit of a resistor and a capacitor, but the averaging circuit is not limited to this. For example, the averaging circuit may be an LC filter circuit including an inductor and a capacitor. The step-down converter converts an input voltage into a pulse waveform by a switch element that is turned on and off, and averages it with an LC filter for output. That is, the averaging circuit only needs to have a function of averaging applied voltages.
また、第1〜第3の実施形態において、入力電圧Viと出力電圧Voとの差電圧と、最大オン時間との関係は、差電圧が大きくなれば連続的に最大オン時間が短くなるものとしている。しかしながら、差電圧と最大オン時間との関係はこれに限らない。例えば、差電圧が大きくなるにしたがって、不連続に階段状に最大オン時間が短くなってもよい。 In the first to third embodiments, the relationship between the difference voltage between the input voltage Vi and the output voltage Vo and the maximum on-time is such that the maximum on-time continuously decreases as the difference voltage increases. Yes. However, the relationship between the differential voltage and the maximum on-time is not limited to this. For example, the maximum on-time may be shortened stepwise in a discontinuous manner as the differential voltage increases.
また、第1〜第3の実施形態において、本発明の効果が顕著に示される自励式の降圧コンバータを用いて説明してきたが、本発明は過電流保護を電流検出によって行う自励式以外の降圧コンバータに適用しても構わない。本発明のような適切な最大オン時間の設定は、電流検出から保護動作に至るまでの遅延時間を補完し、過電流保護機能の信頼性を向上することができる。 In the first to third embodiments, the self-excited step-down converter in which the effect of the present invention is remarkably shown has been described. However, the present invention is not a self-excited step-down converter that performs overcurrent protection by current detection. You may apply to a converter. The appropriate setting of the maximum on-time as in the present invention can complement the delay time from the current detection to the protection operation, and improve the reliability of the overcurrent protection function.
本発明に係る降圧コンバータは、好適な最大オン時間を発生させることができる効果を有し、入力電源から供給される入力電圧を降下させて所望の出力電圧を出力する降圧コンバータ等として有用である。 The step-down converter according to the present invention has an effect capable of generating a preferable maximum on-time, and is useful as a step-down converter that outputs a desired output voltage by dropping an input voltage supplied from an input power supply. .
1 入力電源
2 スイッチ素子
3 ダイオード
4 インダクタ
5 出力コンデンサ
6 負荷
8 帰還回路
9 出力検出回路
10 制御回路
11 時間制限回路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記出力電圧を制御するために第1の状態と第2の状態とに変化する駆動信号を生成する制御手段と、
前記駆動信号が第1の状態のときに導通状態となり、第2の状態のときに遮断状態となるスイッチ手段と、
前記スイッチ手段が遮断状態のときに電流を出力する整流手段と、
前記スイッチ手段が導通状態のときに前記入力電源からの電流によって磁気エネルギーを蓄積し、当該スイッチ手段が遮断状態のときに前記整流手段が出力する電流によって当該磁気エネルギーを放出するインダクタと、
前記インダクタに流れる電流を平滑し、前記出力電圧を出力する平滑手段と、
前記入力電圧と前記出力電圧とを検出し、当該入力電圧と当該出力電圧との差電圧に基づいて、前記駆動信号が第1の状態である時間を制限する時間制限手段とを備える、降圧コンバータ。 A step-down converter that outputs a desired output voltage by dropping an input voltage supplied from an input power source,
Control means for generating a drive signal that changes between a first state and a second state in order to control the output voltage;
Switch means which is in a conductive state when the drive signal is in a first state and is in a cut-off state when in the second state;
Rectifying means for outputting a current when the switch means is in an interrupted state;
An inductor that accumulates magnetic energy by a current from the input power supply when the switch means is in a conductive state, and that releases the magnetic energy by a current output by the rectifier means when the switch means is in a cutoff state;
Smoothing means for smoothing a current flowing through the inductor and outputting the output voltage;
A step-down converter comprising: a time limiting unit that detects the input voltage and the output voltage and limits a time during which the drive signal is in the first state based on a difference voltage between the input voltage and the output voltage. .
コンデンサと、
前記差電圧の大きさに略比例する電流を発生し、当該電流により前記コンデンサを充電する充電回路と、
前記コンデンサの電圧を検出し、当該コンデンサの電圧の大きさが所定値に到達した場合には、前記駆動信号を前記第1の状態から前記第2の状態へと前記制御手段に切り替えさせる比較器とを含む、請求項2に記載の降圧コンバータ。 The time limiting means is
A capacitor,
A charging circuit that generates a current substantially proportional to the magnitude of the differential voltage and charges the capacitor with the current;
A comparator that detects the voltage of the capacitor and causes the control means to switch the driving signal from the first state to the second state when the magnitude of the voltage of the capacitor reaches a predetermined value. The step-down converter according to claim 2, including:
前記時間設定手段は、前記スイッチ手段と前記整流手段との接続点の電圧を平均化して、前記出力電圧を検出することを特徴とする、請求項1に記載の降圧コンバータ。 The output side of the switch means and the output side of the rectifier means are electrically connected,
2. The step-down converter according to claim 1, wherein the time setting unit detects the output voltage by averaging voltages at a connection point between the switch unit and the rectifying unit.
前記出力電圧を制御するために第1の状態と第2の状態とに変化する駆動信号を生成する制御手段と、
前記駆動信号が第1の状態のときに導通状態となり、第2の状態のときに遮断状態となるスイッチ手段と、
前記スイッチ手段が遮断状態のときに電流を出力する整流手段と、
前記スイッチ手段が導通状態のときに前記入力電源からの電流によって磁気エネルギーを蓄積し、当該スイッチ手段が遮断状態のときに前記整流手段が出力する電流によって当該磁気エネルギーを放出するインダクタと、
前記インダクタに流れる電流を平滑し、前記出力電圧を出力する平滑手段とを備え、
前記制御手段は、前記入力電圧と前記出力電圧とを検出し、当該入力電圧と当該出力電圧との差電圧に基づいて、前記駆動信号が第1の状態である時間を制限することを特徴とする、降圧コンバータ。 A step-down converter that outputs a desired output voltage by dropping an input voltage supplied from an input power source,
Control means for generating a drive signal that changes between a first state and a second state in order to control the output voltage;
Switch means which is in a conductive state when the drive signal is in a first state and is in a cut-off state when in the second state;
Rectifying means for outputting a current when the switch means is in an interrupted state;
An inductor that accumulates magnetic energy by a current from the input power supply when the switch means is in a conductive state, and that releases the magnetic energy by a current output by the rectifier means when the switch means is in a cutoff state;
Smoothing means for smoothing the current flowing through the inductor and outputting the output voltage;
The control means detects the input voltage and the output voltage, and limits the time during which the drive signal is in the first state based on a difference voltage between the input voltage and the output voltage. A buck converter.
所望値と前記出力電圧との差電圧を増幅した誤差信号を生成する誤差増幅器と、
前記誤差増幅器が出力した誤差信号の信号レベルが所定レベルよりも高い場合には、当該誤差信号の信号レベルを所定レベルに制限するクランプ回路と、
コンデンサと、
前記入力電圧と前記出力電圧との差電圧の大きさに略比例する電流を発生し、当該電流により前記コンデンサを充電する充電回路と、
前記コンデンサの電圧を検出し、当該コンデンサの電圧の大きさが前記クランプ回路から出力される誤差信号の信号レベルに到達した場合には、前記駆動信号を前記第1の状態から前記第2の状態へと切り替える比較器とを含む、請求項2に記載の降圧コンバータ。 The control means includes
An error amplifier that generates an error signal obtained by amplifying a difference voltage between a desired value and the output voltage;
A clamp circuit that limits the signal level of the error signal to a predetermined level when the signal level of the error signal output from the error amplifier is higher than a predetermined level;
A capacitor,
A charging circuit that generates a current substantially proportional to the magnitude of a difference voltage between the input voltage and the output voltage, and charges the capacitor with the current;
When the voltage of the capacitor is detected and the voltage level of the capacitor reaches the signal level of the error signal output from the clamp circuit, the drive signal is changed from the first state to the second state. The step-down converter according to claim 2, further comprising: a comparator that switches to
前記スイッチ手段の出力側と前記整流手段の出力側とは電気的に接続されており、
前記充電回路は、前記スイッチ手段と前記整流手段との接続点の電圧を平均化して、前記出力電圧を検出することを特徴とする、請求項1に記載の降圧コンバータ。
The error amplifier detects the output voltage by detecting a voltage that fluctuates according to the fluctuation of the output voltage,
The output side of the switch means and the output side of the rectifier means are electrically connected,
2. The step-down converter according to claim 1, wherein the charging circuit detects the output voltage by averaging voltages at a connection point between the switch unit and the rectifying unit.
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