JP2006204058A - チョッパ型ｐｗｍ方式のｄｃ−ｄｃコンバータ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ソフトスタート回路を備えたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路において、起動から定電圧出力が得られるまでの時間を短縮する。
【解決手段】 積分回路３０を構成するコンデンサＣ１３とＧＮＤとの間には、入力電圧Ｖｉｎが印加された時点からＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子電圧（ソフトスタート回路の制御電圧）がソフトスタート回路の動作開始電圧近傍まで上昇する間、積分回路３０のコンデンサＣ１３の充電時間を短縮する充電時間短縮回路４０が設けられている。充電時間短縮回路４０は、入力電圧Ｖｉｎが印加されると順方向電流が流れる如くアノードがコンデンサＣ１３のマイナス側、カソードがＧＮＤにそれぞれ接続されている充電時間短縮用ダイオードＤ２を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路に関する。

電池等の直流電圧を定電圧の直流電圧に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一例としてチョッパ型ＰＷＭ方式のスイッチング電源回路が公知である。ＭＯＳ型ＦＥＴ等のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせる高周波パルスのデューティ比を制御することによって定電圧の出力電圧を得ることができる（例えば、特許文献１又は２を参照）。
また、チョッパ型ＰＷＭ方式のスイッチング電源回路は、いわゆるソフトスタート回路を備えているのが一般的である。起動直後の出力電圧が緩やかに上昇するようにチョッピング動作を制御することによって、起動直後の出力電圧の急激な上昇による突入電流の発生等を防止することができる（例えば、特許文献３を参照）。

特開２００３−２３０２７０号公報 特開平９−９３９０９号公報 特開平５−１８４１４４号公報

このようなチョッパ型ＰＷＭ方式のスイッチング電源回路の一例としては、ソフトスタート回路のソフトスタート制御端子の電圧を積分回路でゆっくり上昇させることで、起動直後の出力電圧が緩やかに上昇するようにスイッチング素子が制御されるものがある。起動直後の出力電圧の上昇速度は、ソフトスタート制御端子に接続されている積分回路の時定数により設定することができる。時定数を大きくすれば、起動直後の出力電圧の上昇が緩やかであるため、突入電流を防止できる一方で、出力電圧が定電圧に達するまでの時間が長くなってしまう。逆に、時定数を小さくすれば、起動直後の出力電圧の上昇が急になるため、出力電圧が定電圧に達するまでの時間を短縮できる一方で、突入電流が流れる虞が生じてしまう。したがって、起動から安定した定電圧出力が得られるまでの時間短縮は、突入電流が生じない範囲で一定の限界が生じてしまうため、起動から負荷装置側へ定電圧電力が供給可能になるまでの間に生じる一定の待ち時間を許容せざるを得なかった。

本発明は、このような状況に鑑み成されたものであり、その課題は、ソフトスタート回路を備えたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路において、起動から定電圧出力が得られるまでの時間を短縮することにある。

上記課題を達成するため、本発明の第１の態様は、ソフトスタート回路を有するＰＷＭ制御回路を備えたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路であって、入力電圧が印加された時点から前記ソフトスタート回路の制御電圧を所定の時定数で上昇させる積分回路と、入力電圧が印加された時点から前記ソフトスタート回路の制御電圧が前記ソフトスタート回路の動作開始電圧近傍まで上昇する間、前記積分回路のコンデンサの充電時間を短縮する充電時間短縮回路とを備えている、ことを特徴としたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路である。

ソフトスタート回路は、誤動作防止等のため入力電圧が印加されて制御電圧が０Ｖから所定のしきい値電圧まで上昇する間は動作しないように構成されているのが通常である。したがって、入力電圧が印加されてソフトスタート回路の制御電圧がしきい値電圧を超えてからチョッピング動作が開始されて出力電圧が緩やかに上昇し始めることとなる。つまり、ソフトスタート回路の制御電圧は、入力電圧が印加されてから積分回路の時定数で上昇するため、入力電圧が印加されてソフトスタート回路の制御電圧がしきい値電圧を超えるまでのチョッピング動作がされない間も積分回路の時定数によってゆっくり上昇することとなる。この制御電圧が０Ｖから所定のしきい値電圧まで上昇する間は、チョッピング動作が行われていないので、ソフトスタート回路の制御電圧をゆっくり上昇させる必要はなく、この間に積分回路の時定数によって生じる遅延時間は、ソフトスタート制御とは無関係の意味のない遅延時間であると言える。

そこで、ソフトスタート回路の制御電圧が入力電圧印加時点からソフトスタート回路のしきい値電圧（動作開始電圧）近傍まで上昇する間、積分回路のコンデンサの充電時間を短縮する充電時間短縮回路を設ける。積分回路のコンデンサの充電時間を短縮することによって、この間は積分回路本来の時定数より短い時間でソフトスタート回路の制御電圧が上昇する。したがって、ソフトスタート回路の制御電圧が入力電圧印加時点からしきい値電圧近傍まで上昇する時間を短縮することができるので、入力電圧が印可されてから定電圧出力が得られるまでの時間を短縮することができるという作用効果が得られる。

本発明の第２の態様は、前述した第１の態様において、前記充電時間短縮回路は、入力電圧が印加されると順方向電流が流れる如く配設された充電時間短縮用ダイオードを有し、前記充電時間短縮用ダイオードの順方向電圧を利用して前記積分回路のコンデンサの充電時間を短縮する構成を有している、ことを特徴としたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路である。

一般的なダイオードは、一定以上の順方向電流が流れるとアノードとカソードとの間に一定の電位差（順方向電圧：例えば、０．７Ｖ前後）が生じる順方向電圧特性を有している。そこで、充電時間短縮回路として入力電圧が印加されると順方向電流が流れる如く充電時間短縮用ダイオードを設ける。そして、この充電時間短縮用ダイオードの順方向電圧の電位差を利用して、積分回路のコンデンサの充電時間が短縮されるように構成する。それによって、ソフトスタート回路の制御電圧が入力電圧印加時点からしきい値電圧の近傍まで上昇する時間を短縮することができる。

本発明の第３の態様は、前述した第２の態様において、前記充電時間短縮回路は、入力電圧が印加されると前記積分回路のコンデンサを介して前記充電時間短縮用ダイオードの順方向電流が流れる構成を有している、ことを特徴としたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路である。

このように、入力電圧が印加されると積分回路のコンデンサを介して充電時間短縮用ダイオードの順方向電流が流れるようにすることによって、ソフトスタート回路の制御電圧が入力電圧印加時点から充電時間短縮用ダイオードの順方向電圧になるまでの時間を短縮することができる。尚、この充電時間短縮用ダイオードは、順方向電圧がソフトスタート回路のしきい値電圧近傍の電圧となるような特性を有するダイオードを選択するのが好ましい。

本発明の第４の態様は、前述した第３の態様において、前記充電時間短縮回路は、入力電圧が遮断された後に前記ソフトスタート回路の電荷が放電される放電経路を構成する放電用ダイオードを有している、ことを特徴としたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路である。

入力電圧が遮断されてＰＷＭ制御回路によるチョッピング動作が停止した後は、ソフトスタート回路に蓄えられている電荷が放電されずに残留している（ソフトスタート回路がリセットされていない状態）と、再度入力電圧を印加した際にソフトスタート回路が正常に動作しない。そこで、入力電圧が遮断された後にソフトスタート回路の電荷が放電される放電経路を構成する放電用ダイオードを設けることによって、入力電圧遮断時にソフトスタート回路のリセットを確実に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路の要部を示した回路図である。
チョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、ダイオードＤ１及びトランジスタＱ１で構成される公知のエミッタフォロア増幅回路２０を介して入力電圧Ｖｉｎが印加される。このエミッタフォロア増幅回路２０は、入力電圧Ｖｉｎ側とＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０側との相互の影響をなくす緩衝増幅回路（バッファ）としての役割を果たしている。エミッタフォロア増幅回路２０を介して印可される入力電圧Ｖｉｎは、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧で一定に保たれる。

入力電圧Ｖｉｎは、「ソフトスタート回路を有するＰＷＭ制御回路」としてのＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＶＣＣ端子へ入力される。ＶＣＣ端子とＧＮＤとの間には、バイパスコンデンサＣ１４が接続されている。また、入力電圧Ｖｉｎは、積分回路３０を介してＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子（ソフトスタート制御端子）へ入力される。抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１３とで構成される積分回路３０は、入力電圧Ｖｉｎが印加された時点からＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子電圧（ソフトスタート回路の制御電圧）を所定の時定数で上昇させる。コンデンサＣ１３のマイナス側は、抵抗Ｒ６を介してＧＮＤに接続されている。

入力電圧Ｖｉｎは、エミッタフォロア増幅回路２０を介さずチョークコイルＬ１の一端側に接続されており、チョークコイルＬ１の他端側は、「スイッチング素子」としてのＮＭＯＳ型ＦＥＴＱ２のドレインに接続されているとともに、整流用ダイオードＤ４のアノード側に接続されている。ＮＭＯＳ型ＦＥＴＱ２は、ソースがＧＮＤに接続され、ゲートがフェライトビーズＢ１を介してＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＯＵＴ端子に接続されている。

ＮＭＯＳ型ＦＥＴＱ２は、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＯＵＴ端子から出力される高周波パルスの周期及びデューティ比に応じたスイッチング動作をする。ＮＭＯＳ型ＦＥＴＱ２のスイッチング動作によってチョークコイル１の充放電が繰り返され、整流用ダイオードＤ４のカソードとＧＮＤ間には、電圧変換された出力電圧Ｖｏｕｔが整流用ダイオードＤ４と平滑コンデンサＣ１とによって平滑されて定電圧出力される。フェライトビーズＢ１は、ＮＭＯＳ型ＦＥＴＱ２のゲート端子近傍でノイズを除去してＮＭＯＳ型ＦＥＴＱ２の発振を防止するために設けられている。

ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＩＮ−端子には、出力電圧Ｖｏｕｔが抵抗Ｒ７と抵抗Ｒ８とで分圧されて入力される。ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＦＢ端子には、出力電圧Ｖｏｕｔが抵抗Ｒ７と抵抗Ｒ８とで分圧された電圧がフィードバック位相調整回路（抵抗Ｒ４とコンデンサＣ１１）を介して入力される。また、直列に接続された抵抗Ｒ９とコンデンサＣ１５が抵抗Ｒ７と並列に接続されている。ＰＷＭ制御回路ＩＣ１は、出力電圧Ｖｏｕｔの分圧電圧（抵抗Ｒ７と抵抗Ｒ８とで分圧された電圧）に基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔが一定の直流電圧に維持されるようにＮＭＯＳ型ＦＥＴＱ２のスイッチング制御を行う（チョッパ制御）。ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＲＴ端子は、抵抗Ｒ３を介してＧＮＤへ接続され、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＲＥＦ端子は、リファレンス電圧安定用のコンデンサＣ１２を介してＧＮＤへ接続されている。

積分回路３０を構成するコンデンサＣ１３とＧＮＤとの間には、入力電圧Ｖｉｎが印加された時点からＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子電圧（ソフトスタート回路の制御電圧）がソフトスタート回路の動作開始電圧近傍まで上昇する間、積分回路３０のコンデンサＣ１３の充電時間を短縮する充電時間短縮回路４０が設けられている。充電時間短縮回路４０は、入力電圧Ｖｉｎが印加されると順方向電流が流れる如くアノードがコンデンサＣ１３のマイナス側、カソードがＧＮＤにそれぞれ接続されている充電時間短縮用ダイオードＤ２を有している。入力電圧Ｖｉｎが印加されると積分回路３０のコンデンサＣ１３を介して充電時間短縮用ダイオードＤ２の順方向電流が流れる。このように、充電時間短縮用ダイオードＤ２の順方向電圧を利用することによって、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子電圧（ソフトスタート回路の制御電圧）が入力電圧印加Ｖｉｎ時点からしきい値電圧（後述）の近傍まで（充電時間短縮用ダイオードの順方向電圧まで）上昇する時間を短縮することができる。

充電時間短縮回路４０は、入力電圧Ｖｉｎが遮断された後にＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子の電荷が放電される放電経路を構成するための放電用ダイオードＤ３を有している。放電用ダイオードＤ３は、アノードがＧＮＤ、カソードがコンデンサＣ１３のマイナス側にそれぞれ接続されている。このように、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子の電荷が放電される放電経路を構成することによって、入力電圧Ｖｉｎが遮断された際にＰＷＭ制御回路ＩＣ１内のソフトスタート回路のリセットを確実に行うことができる。

図２は、本発明に係るチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０における入力電圧印加時のタイミングチャートである。
ＰＷＭ制御回路ＩＣ１内のソフトスタート回路は、誤動作防止等のため、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０に入力電圧Ｖｉｎが印加されて、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子の電圧が０Ｖから所定のしきい値電圧まで上昇する間は動作しないように構成されている。したがって、ＣＳ端子の電圧がしきい値電圧（約０．８Ｖ）を超えてからチョッピング動作が開始されて、出力電圧Ｖｏｕｔが緩やかに上昇し始める。

以下、従来技術と本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０とを対比しつつ説明する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０に入力電圧Ｖｉｎが印加されると、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＶＣＣ端子電圧が０Ｖから約ＤＣ１２Ｖへ上昇する（タイミングＴ１）。このとき、従来のチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路においては、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子（ソフトスタート制御端子）の電圧が０Ｖから積分回路３０の時定数でゆっくり上昇していく（一点鎖線で示したソフトスタート制御端子電圧）。つまり、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子の電圧は、０Ｖから所定のしきい値電圧（約０．８Ｖ）まで（タイミングＴ４）上昇する間も積分回路３０の時定数によって電圧がゆっくり上昇する。

このＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子の電圧が０Ｖから所定のしきい値電圧（約０．８Ｖ）まで上昇する間は、チョッピング動作が行われていないので、この間に積分回路３０の時定数によって生じる遅延時間（符号Ｃ２で示した時間）は、ソフトスタート制御とは無関係の意味のない遅延時間であると言える。そして、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子（ソフトスタート制御端子）の電圧が所定のしきい値電圧（約０．８Ｖ）を超えた後は、ゆっくり上昇するＣＳ端子（ソフトスタート制御端子）の電圧上昇速度に応じてチョッピング動作が開始され（タイミングＴ４）、出力電圧Ｖｏｕｔが定電圧出力ＤＣ４２Ｖに到達（タイミングＴ５）するまで緩やかに上昇する（一点鎖線で示した出力電圧Ｖｏｕｔ）。
このように、従来のチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、所定のしきい値電圧（約０．８Ｖ）に達するまでの遅延時間によって、入力電圧Ｖｉｎが印加（タイミングＴ１）されてから出力電圧Ｖｏｕｔが定電圧出力ＤＣ４２Ｖに達するまで（タイミングＴ５）の時間（符号Ｄ２）が長くなっていた。

一方、本発明に係るチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０においては、前述したように、積分回路３０を構成するコンデンサＣ１３とＧＮＤとの間には、入力電圧Ｖｉｎが印加された時点からＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子電圧（ソフトスタート回路の制御電圧）がソフトスタート回路の動作開始電圧（所定のしきい値電圧約０．８Ｖ）近傍まで上昇する間、積分回路３０のコンデンサＣ１３の充電時間を短縮する充電時間短縮回路４０が設けられている（図１）。充電時間短縮回路４０によって、積分回路３０のコンデンサＣ１３の充電時間が短縮されるので、積分回路本来の時定数より短い時間でソフトスタート回路の制御電圧が上昇する。それによって、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子電圧（ソフトスタート回路の制御電圧）が入力電圧印加Ｖｉｎ時点（タイミングＴ１）からしきい値電圧（約０．８Ｖ）の近傍まで上昇（タイミングＴ２）する時間（符号Ｃ１）が短縮される（実線で示したソフトスタート制御端子電圧）。

そして、所定のしきい値電圧（約０．８Ｖ）を超えた後は、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のＣＳ端子（ソフトスタート制御端子）の電圧は、積分回路３０の時定数でゆっくり上昇する。ゆっくり上昇するＣＳ端子（ソフトスタート制御端子）の電圧上昇速度に応じてチョッピング動作が開始され（タイミングＴ２）、出力電圧Ｖｏｕｔが定電圧出力ＤＣ４２Ｖに到達（タイミングＴ３）するまで緩やかに上昇する（実線で示した出力電圧Ｖｏｕｔ）。したがって、ＰＷＭ制御回路ＩＣ１のソフトスタート回路の本来的機能を損なうことなく、入力電圧Ｖｉｎが印加（タイミングＴ１）されてから出力電圧Ｖｏｕｔが定電圧出力ＤＣ４２Ｖに達するまで（タイミングＴ３）の時間（符号Ｄ１）を短縮することができる。

このようにして、ソフトスタート回路を備えたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路１０において、起動から定電圧出力Ｖｏｕｔが得られるまでの時間を短縮することができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

本発明に係るチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路。 入力電圧印加時のタイミングチャート。

符号の説明

１０ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路、２０ エミッタフォロア増幅回路、３０ 積分回路、４０ 充電時間短縮回路、Ｄ２ 充電時間短縮用ダイオード、Ｄ３ 放電用ダイオード、ＩＣ１ ＰＷＭ制御回路、Ｑ２ ＮＭＯＳ型ＦＥＴ

Claims (4)

1. ソフトスタート回路を有するＰＷＭ制御回路を備えたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路であって、
   入力電圧が印加された時点から前記ソフトスタート回路の制御電圧を所定の時定数で上昇させる積分回路と、
   入力電圧が印加された時点から前記ソフトスタート回路の制御電圧が前記ソフトスタート回路の動作開始電圧近傍まで上昇する間、前記積分回路のコンデンサの充電時間を短縮する充電時間短縮回路とを備えている、ことを特徴としたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路。
2. 請求項１において、前記充電時間短縮回路は、入力電圧が印加されると順方向電流が流れる如く配設された充電時間短縮用ダイオードを有し、前記充電時間短縮用ダイオードの順方向電圧を利用して前記積分回路のコンデンサの充電時間を短縮する構成を有している、ことを特徴としたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路。
3. 請求項２において、前記充電時間短縮回路は、入力電圧が印加されると前記積分回路のコンデンサを介して前記充電時間短縮用ダイオードの順方向電流が流れる構成を有している、ことを特徴としたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路。
4. 請求項３において、前記充電時間短縮回路は、入力電圧が遮断された後に前記ソフトスタート回路の電荷が放電される放電経路を構成する放電用ダイオードを有している、ことを特徴としたチョッパ型ＰＷＭ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ回路。

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