JP2007135287A - Dc-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種電子機器に安定した直流電力を供給するDC−DCコンバータに関し、特に、同期整流回路を有するスイッチング式のDC−DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter that supplies stable direct-current power to various electronic devices, and more particularly to a switching DC-DC converter having a synchronous rectifier circuit.
近年、各種電子機器に電源電圧を供給するスイッチング式のDC−DCコンバータには、その整流素子にMOSFET等のスイッチ素子を用いることによって整流損失を低減した同期整流回路を有するDC−DCコンバータが多用されている。同期整流回路を有するDC−DCコンバータは、整流用スイッチ素子を逆方向に電流が流れることを許容する場合と許容しない場合によって、軽負荷時の動作が異なる。例えば特許文献1は、整流用スイッチ素子を逆方向に電流が流れる従来例に対し、逆方向に電流が流れることを許容しない発明に関するものである。
In recent years, DC-DC converters having a synchronous rectification circuit in which rectification loss is reduced by using a switching element such as a MOSFET as the rectification element are frequently used for switching type DC-DC converters that supply power supply voltage to various electronic devices. Has been. A DC-DC converter having a synchronous rectifier circuit operates differently at a light load depending on whether or not current is allowed to flow in the reverse direction of the rectifying switch element. For example,
<第1の従来例>
図20(a)は、第1の従来例に係るDC−DCコンバータの回路構成を示しており、具体的には、例えば特許文献1の図3に開示された同期整流型の降圧コンバータの回路構成を示している。
<First Conventional Example>
FIG. 20A shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to a first conventional example. Specifically, for example, a circuit of a synchronous rectification step-down converter disclosed in FIG. The configuration is shown.
図20(a)に示すように、第1の従来例に係るDC−DCコンバータは、制御端子へ入力される信号によってオン・オフ動作を行なう主スイッチ素子81と、主スイッチ素子81のオン・オフ動作に応じて磁気エネルギーの蓄積と放出とを繰り返すインダクタ82(なお、インダクタ82のインダクタンスをLとする。)と、インダクタ82を流れる電流を平滑化する平滑コンデンサ83と、主スイッチ素子81のオン・オフ動作と相補的にオン・オフ動作を行なう整流スイッチ素子84とによって構成されている。主スイッチ素子81は、入力直流電圧Vi (電圧入力端からの直流電圧のことである。)が印加され、平滑コンデンサ83から出力直流電圧Vo (各種電子回路の直流電源電圧となる直流電圧のことである。)が負荷85へ出力される。
As shown in FIG. 20A, the DC-DC converter according to the first conventional example includes a
以上の構成を有する第1の従来例に係るDC−DCコンバータの動作について、以下に説明する。 The operation of the DC-DC converter according to the first conventional example having the above configuration will be described below.
まず、主スイッチ素子81がオン状態であるとき、電圧入力側から、主スイッチ素子81及びインダクタ82を介して、電圧出力側に電流が流れ、インダクタ82には、磁気エネルギーが蓄積される。主スイッチ素子81の導通抵抗などを無視すると、主スイッチ素子81がオン状態であるときのインダクタ82に流れるインダクタ電流IL は、直線的に増加する。ここで、主スイッチ素子81がオン状態である時間をTonと表すと、インダクタ電流IL の増加量は、(Vi −Vo )×Ton/L となる。
First, when the
一方、主スイッチ素子81がオフ状態であるとき、整流スイッチ素子84及びインダクタ82を介して出力側に電流が流れ、インダクタ82に蓄積された磁気エネルギーが放出される。整流スイッチ素子84に発生する順方向の電圧降下は、整流手段としてダイオードを用いた場合と比較して、整流損失が少ない。整流スイッチ素子84の導通抵抗などを無視すると、主スイッチ素子81がオフ状態であるときのインダクタ82に流れるインダクタ電流IL は、直線的に減少する。主スイッチ素子81のスイッチング周期をTとすると、オフ時間は(T−Ton)であることから、インダクタ電流IL の減少量は、Vo ×(T−Ton)/L となる。
On the other hand, when the
以上の動作が繰り返され、主スイッチ素子81のスイッチング動作によって増減するインダクタ電流IL は、平滑コンデンサ83の平滑作用によって平均化され、出力直流電流IO として平滑コンデンサ83から負荷85へ出力される。
The above operation is repeated, and the inductor current I L that increases or decreases due to the switching operation of the
定常状態においては、インダクタ電流IL の増加量と減少量とは等しいことから、
(Vi −Vo )×Ton/L =Vo ×(T−Ton)/L
が成立し、上記式より、次の入出力関係式(1)が得られる。
In the steady state, since equal to the increase and decrease of the inductor current I L,
(V i −V o ) × T on / L = V o × (T−T on ) / L
The following input / output relational expression (1) is obtained from the above expression.
Vo =(Ton/T) ×Vi =D×Vi ・・・(1)
ここで、式(1)に示すように、主スイッチ素子81のスイッチング周期Tに占めるオン時間Tonの割合(Ton/T)は、デューティ比Dとして表せるので、式(1)から明らかなように、デューティ比Dを調整することによって出力直流電圧Vo を制御することができる。
V o = (T on / T) × V i = D × V i (1)
Here, as shown in the equation (1), the ratio (T on / T) of the on time T on to the switching cycle T of the
図20(b)は、重負荷時と軽負荷時とにおけるインダクタ電流IL の波形図を示している。 FIG. 20 (b) shows a waveform diagram of the inductor current I L at the time of heavy load and a light load.
図20(b)に示すように、第1の従来例に係るDC−DCコンバータでは、負荷85が軽くて出力直流電流Io が少ない場合、主スイッチ素子81がオン状態であるときには、インダクタ電流IL が出力側から入力側へ逆流する一方、主スイッチ素子81がオフ状態であるときには、出力側から接地電位へ逆流する期間が発生する。理論上、出力直流電流Io =0となる無負荷条件の場合には、出力側へ供給される磁気エネルギーと入力側へ回生される磁気エネルギーとが等しくなり、インダクタ電流IL も平均値がゼロとなるように正負に振動する波形を示す。
As shown in FIG. 20B, in the DC-DC converter according to the first conventional example, when the
<第2の従来例>
図21(a)は、第2の従来例に係るDC−DCコンバータの回路構成を示しており、具体的には、例えば特許文献1の図1に開示された同期整流型の降圧コンバータの回路構成を示している。
<Second Conventional Example>
FIG. 21A shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to a second conventional example. Specifically, for example, a circuit of a synchronous rectification step-down converter disclosed in FIG. The configuration is shown.
図21(a)に示すように、第2の従来例に係るDC−DCコンバータは、主スイッチ素子81、インダクタ82、平滑コンデンサ83、及び整流スイッチ素子84を有している点で、前述の図20(a)に示した第1の従来例に係るDC−DCコンバータの回路構成と同様である。一方、図20(a)に示した第1の従来例に係るDC−DCコンバータの回路構成と異なる点は、比較器86を用いて、整流スイッチ素子84の電圧降下を検出し、その電圧降下の方向によって整流スイッチ素子84のオン・オフ動作が行なわれる点である。
As shown in FIG. 21 (a), the DC-DC converter according to the second conventional example includes the
以上の構成を有する図21(a)に示した第2の従来例に係るDC−DCコンバータの動作について、以下に説明する。 The operation of the DC-DC converter according to the second conventional example shown in FIG. 21A having the above configuration will be described below.
図21(b)は、重負荷時と軽負荷時とにおけるインダクタ電流IL の波形図を示している。 FIG. 21 (b) shows a waveform diagram of the inductor current I L at the time of heavy load and a light load.
図21(b)に示すように、出力直流電流Io が多い重負荷時の場合、第2の従来例に係るDC−DCコンバータの動作は、前述した図20(a)に示した第1の従来例に係るDC−DCコンバータの動作と同様である。 As shown in FIG. 21B, in the case of a heavy load with a large output DC current Io , the operation of the DC-DC converter according to the second conventional example is the same as that shown in FIG. This is the same as the operation of the DC-DC converter according to the conventional example.
一方、軽負荷時の場合には、第2の従来例に係るDC−DCコンバータは、以下のような動作をする。まず、主スイッチ素子81がオン状態であるとき、入力側から、主スイッチ素子81及びインダクタ82を介して、出力側に直線的に増加する電流が流れ、インダクタ82に磁気エネルギーが蓄積される。次に、主スイッチ素子81がターンオフすると、整流スイッチ素子84はオフ状態であるが、整流スイッチ素子84の寄生ダイオード及びインダクタ82を介して、出力側に電流が流れ、インダクタ82の磁気エネルギーを放出し始める。このとき、整流スイッチ素子84の寄生ダイオードの電圧降下によって比較器86はHレベルを出力し、整流スイッチ素子84はターンオンする。インダクタ82を流れるインダクタ電流IL は、整流スイッチ素子84とインダクタ82とを介して、出力側に電流が流れ、インダクタ82の磁気エネルギーが放出される。このとき、整流スイッチ素子84の電圧降下によって比較器86はHレベルを出力し、整流スイッチ素子84はオン状態を持続する。インダクタ電流IL はやがてゼロに至り、逆流しようとするが、整流スイッチ素子84の電圧降下が反転するので、比較器86はLレベルを出力し、整流スイッチ素子84がターンオフする。このため、第2の従来例に係るDC−DCコンバータによると、第1の従来例に係るDC−DCコンバータの場合に存在した、主スイッチ素子81がオフ状態であるときに出力側から接地電位へ逆流する期間をほとんど無くすことができる。その結果、出力側から入力側への電力回生もほとんど無い。
On the other hand, in the case of a light load, the DC-DC converter according to the second conventional example operates as follows. First, when the
以上で説明した第1の従来例に係るDC−DCコンバータの動作と第2の従来例に係るDC−DCコンバータの動作との相違について説明する。 The difference between the operation of the DC-DC converter according to the first conventional example described above and the operation of the DC-DC converter according to the second conventional example will be described.
同期整流回路に逆流を許す構成の第1の従来例に係るDC−DCコンバータは、軽負荷時において出力側から入力側への電力回生によって、重負荷時におけるインダクタ電流連続動作(Continuous Conductive Mode:CCMと略称される)は変わらないが、一方で、同期整流回路に逆流を許さない構成の第2の従来例に係るDC−DCコンバータは、軽負荷時において、主スイッチ素子及び整流スイッチ素子の双方がオフ状態である期間が存在する、インダクタ電流不連続動作(Discontinuous Conductive Mode:DCMと略称される)となる。軽負荷であるにもかかわらず動作電流が多く流れる第1の従来例に係るDC−DCコンバータに比べて、軽負荷時に動作電流が少ない第2の従来例に係るDC−DCコンバータは、軽負荷時の効率が優れているという特長を有する。 The DC-DC converter according to the first conventional example configured to allow a reverse flow in the synchronous rectifier circuit is configured to continuously operate an inductor current at a heavy load (Continuous Conductive Mode :) by power regeneration from the output side to the input side at a light load. On the other hand, the DC-DC converter according to the second conventional example having a configuration that does not allow the reverse flow in the synchronous rectifier circuit has the main switch element and the rectifier switch element at the time of light load. Inductive current discontinuous operation (abbreviated as DCM), in which both periods are off, is present. Compared with the DC-DC converter according to the first conventional example in which a large operating current flows even though the load is light, the DC-DC converter according to the second conventional example with a small operating current at a light load is a light load. It has the feature that the efficiency of time is excellent.
しかしながら、軽負荷と重負荷とで動作モードが変化する第2の従来例に係るDC−DCコンバータに比べて、負荷の軽重に関わらずにCCMで動作する第1の従来例に係るDC−DCコンバータは、負荷変動に対する応答が速い。特に、負荷が急に軽くなる場合には、出力側から入力側への電力回生が可能であるので、出力直流電圧に発生するオーバーシュートを抑制し、目標値への復帰が速いという特長を有する。 However, as compared with the DC-DC converter according to the second conventional example in which the operation mode changes between a light load and a heavy load, the DC-DC according to the first conventional example that operates with the CCM regardless of the light load. The converter has a fast response to load fluctuations. In particular, when the load suddenly becomes light, power regeneration from the output side to the input side is possible, so it has the feature that it suppresses overshoot that occurs in the output DC voltage and quickly returns to the target value. .
ところで、出力直流電圧を制御する目的で、インダクタ電流のピーク値を検出して調整する電流ピーク値制御方式のDC−DCコンバータがある。電流ピーク値制御方式のDC−DCコンバータは、インダクタを等価的に電流源回路とするので、平滑コンデンサとのLC共振の影響が小さく、制御が容易で過渡応答性能が速いという特長を有する。 By the way, there is a current peak value control type DC-DC converter that detects and adjusts the peak value of the inductor current for the purpose of controlling the output DC voltage. The DC-DC converter of the current peak value control system has an advantage that the inductor is equivalently used as a current source circuit, so that the influence of LC resonance with the smoothing capacitor is small, the control is easy, and the transient response performance is fast.
しかしながら、電流ピーク値制御方式のDC−DCコンバータは、その制御動作のために、主スイッチ素子のオン時間に最小値が存在し、デューティ比Dをゼロにすることができないという制約を有する。特に、主スイッチ素子がオン状態であるときにインダクタに流れるインダクタ電流のピーク値を検出する場合、主スイッチ素子のターンオン時に生じるサージ電流による誤検出を防ぐ目的で、ターンオンからの所定時間を不感時間として設定される。このような不感時間もまたオン時間の最小値を増加させる要因となる。このため、第2の従来例に係るDC−DCコンバータのように、同期整流回路に逆流を許さない構成を有するDC−DCコンバータである場合、軽負荷時の出力安定化を実現するためには、主スイッチ素子のオフ時間を延ばす必要があり、無負荷時においては、理論上、スイッチング周波数はゼロに至る。負荷条件によるスイッチング周波数の大幅な変動は、負荷急変等への過渡応答性能を劣化させることになる。以上のことから、電流ピーク値制御方式のDC−DCコンバータでは、高速応答性を活かす目的で、同期整流回路に逆流を許す構成を採用している場合が多い。 However, the DC-DC converter of the current peak value control system has a restriction that the duty ratio D cannot be made zero because there is a minimum value in the ON time of the main switch element due to its control operation. In particular, when detecting the peak value of the inductor current that flows through the inductor when the main switch element is in the ON state, the specified time from turn-on is set as the dead time in order to prevent false detection due to surge current that occurs when the main switch element is turned on. Set as Such a dead time also increases the minimum value of the on-time. For this reason, in the case of a DC-DC converter having a configuration that does not allow reverse flow in the synchronous rectifier circuit, like the DC-DC converter according to the second conventional example, in order to achieve output stabilization at light load It is necessary to extend the off time of the main switch element, and theoretically, the switching frequency reaches zero when there is no load. A large change in the switching frequency due to the load condition degrades the transient response performance to a sudden load change or the like. From the above, in the DC-DC converter of the current peak value control system, in many cases, the synchronous rectifier circuit is configured to allow a backflow for the purpose of utilizing high-speed response.
<第3の従来例>
図22は、第3の従来例に係るDC−DCコンバータの回路構成を示しており、具体的には、前述した同期整流回路に逆流を許す構成の電流ピーク値制御方式の降圧コンバータの回路構成を示している。
<Third conventional example>
FIG. 22 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to a third conventional example. Specifically, the circuit configuration of a current peak value control type step-down converter configured to allow backflow in the synchronous rectifier circuit described above. Is shown.
図22に示すように、第3の従来例に係るDC−DCコンバータは、主スイッチ素子81、インダクタ82、平滑コンデンサ83、及び整流スイッチ素子84を有している点で、第1の従来例に係るDC−DCコンバータの回路構成と同様である。一方、図20(a)に示した第1の従来例に係るDC−DCコンバータと異なる点は、出力直流電圧Vo を検出して目標値との誤差を増幅した誤差信号Ve を生成する誤差増幅回路87と、主スイッチ素子81の電流に応じた電流検出信号Vc を生成する電流検出回路88と、誤差信号Ve と電流検出信号Vc とを比較する比較回路89と、所定のスイッチング周波数とパルス幅とを有するクロック信号Vck を生成する発振回路90と、比較回路32の出力とクロック信号Vck を入力されるNORゲート91と、クロック信号Vckによってセットされる一方でNORゲート91の出力によってリセットされ、駆動信号DRを生成するラッチ回路92と、駆動信号DRを入力して主スイッチ素子81を駆動する第1の駆動信号Vg1と整流スイッチ素子84を駆動する第2の駆動信号Vg2とを生成する駆動回路93を有している点である。
As shown in FIG. 22, the DC-DC converter according to the third conventional example is the first conventional example in that it includes a
駆動回路93は、駆動信号DRがHレベルになると、第2の駆動信号Vg2をHレベルからLレベルにして整流スイッチ素子84をターンオフし、第1の駆動信号Vg1をHレベルからLレベルにして主スイッチ素子81をターンオンする。一方、駆動回路93は、駆動信号DRがLレベルになると、第1の駆動信号Vg1をLレベルからHレベルにして主スイッチ素子81をターンオフし、第2の駆動信号Vg2をLレベルからHレベルにして整流スイッチ素子84をターンオンする。
When the drive signal DR becomes H level, the
以上の構成を有する図22に示した第3の従来例に係るDC−DCコンバータの動作について、以下に説明する。 The operation of the DC-DC converter according to the third conventional example shown in FIG. 22 having the above configuration will be described below.
クロック信号Vck が立ち上がると、ラッチ回路92は駆動信号DRを立ち上げ、駆動回路93は整流スイッチ素子94をターンオフする一方で主スイッチ素子81をターンオンする。主スイッチ素子81がオン状態であるとき、主スイッチ素子81を介して流れるインダクタ電流IL は増加していく。電流検出回路88からの電流検出信号Vc も同様に増加する。やがて、電流検出信号Vc が誤差信号Ve に到達し、そして上回ると、比較回路89は出力をLレベルに反転する。このとき、クロック信号Vck がLレベルであるとNORゲート91はHレベルを出力し、ラッチ回路92をリセットする。すると、ラッチ回路92から出力される駆動信号DRはLレベルとなり、駆動回路93は主スイッチ素子81をターンオフする一方で整流スイッチ素子84をターンオンする。
When the clock signal Vck rises, the
以上のように、図22に示した第3の従来例に係るDC−DCコンバータは、クロック信号Vck の立上り時に整流スイッチ素子84をターンオフする一方で主スイッチ素子81をターンオンし、そして、電流検出信号Vc が誤差信号Ve に到達し、そして上回ると、主スイッチ素子81をターンオフする一方で整流スイッチ素子84をターンオンする、という動作を繰り返す。主スイッチ素子81がオン状態である時間は、誤差信号Ve のレベルが低いほど短くなる。しかしながら、クロック信号Vck がHレベルの間は、NORゲート91によって比較回路89の出力は無視される。したがって、主スイッチ素子81がオン状態である時間では、クロック信号Vck のパルス幅は最小値となる。
高速応答性を活かすために同期整流回路に逆流を許す構成を有する電流ピーク値制御方式のDC−DCコンバータ(前述の第3の従来例参照)では、主スイッチ素子のオン時間が最小となる最小オン時間が存在する。このため、入出力電圧を決定し、入出力の関係から計算されるオン時間が最小オン時間よりも低減すると、出力電圧が目標値よりも上昇してしまう。したがって、最高入力電圧無負荷条件において、主スイッチ素子の最小オン時間を確保しなければならない。しかしながら、高入力電圧無負荷条件における最小オン時間の確保は、LC部品を小型化し、高速応答性を向上するスイッチング周波数の高周波化を阻害することになるという問題がある。 In a DC-DC converter of a current peak value control system (see the third conventional example described above) having a configuration that allows reverse flow in the synchronous rectifier circuit in order to make use of high-speed response, the minimum on-time of the main switch element is minimized. There is an on-time. For this reason, if the input / output voltage is determined and the on time calculated from the input / output relationship is reduced from the minimum on time, the output voltage will rise above the target value. Therefore, the minimum on-time of the main switch element must be ensured under the maximum input voltage no-load condition. However, securing the minimum on-time under a high input voltage no-load condition has a problem that the LC component is downsized and the switching frequency that improves the high-speed response is hindered.
本発明の目的は、同期整流回路に逆流を許す構成の電流ピーク値制御方式のDC−DCコンバータにおいて、高入力電圧無負荷条件における主スイッチ素子の最小オン時間を確保しなければならないという制約が無く、スイッチング周波数の高周波化によってLC部品を小型化し、また、高速応答性の向上が可能なDC−DCコンバータを提供することである。 An object of the present invention is to limit the minimum on-time of a main switch element in a high input voltage no-load condition in a DC-DC converter of a current peak value control system configured to allow reverse flow in a synchronous rectifier circuit. In addition, the present invention is to provide a DC-DC converter capable of reducing the size of LC parts by increasing the switching frequency and improving the high-speed response.
前記課題を解決するために、本発明の一側面に係るDC−DCコンバータは、インダクタと、入力直流電圧が供給される第1のスイッチと、第1のスイッチのオン・オフ動作に対して相補的にオン・オフ動作を行ない、インダクタの電圧を整流する第2のスイッチと、インダクタを流れる電流を平滑化して出力直流電圧を生成する平滑部と、出力直流電圧と与えられた基準電圧との誤差に応じた誤差信号を生成する出力誤差検出部と、第1のスイッチがオン状態であるときにインダクタに流れ込む電流の大きさに応じた電流検出信号を生成する電流検出部と、電流検出信号の信号レベルが誤差信号の信号レベルに到達すると、第1のスイッチをオフ状態にする一方で、第2のスイッチをオン状態にする制御駆動部とを備え、制御駆動部は、出力直流電圧又は誤差信号に基づいて、出力直流電圧が目標値よりも大きいことを検出し、出力直流電圧と目標値との差に応じた電圧検出信号を出力する電圧検出部と、電圧検出信号に応じて、第1のスイッチ及び第2のスイッチのうちの少なくとも一方のオン時における電圧降下を調整するオン電圧調整部とを含む。 In order to solve the above problems, a DC-DC converter according to an aspect of the present invention is complementary to an inductor, a first switch to which an input DC voltage is supplied, and an on / off operation of the first switch. A second switch that rectifies the inductor voltage, smoothes the current flowing through the inductor to generate an output DC voltage, and outputs the DC voltage and a given reference voltage. An output error detection unit that generates an error signal according to the error, a current detection unit that generates a current detection signal according to the magnitude of the current flowing into the inductor when the first switch is on, and a current detection signal When the signal level of the error signal reaches the signal level of the error signal, the control drive unit is configured to turn off the first switch and turn on the second switch. Based on the DC voltage or the error signal, a voltage detection unit that detects that the output DC voltage is larger than the target value and outputs a voltage detection signal corresponding to the difference between the output DC voltage and the target value, and a voltage detection signal And an on-voltage adjusting unit that adjusts a voltage drop when at least one of the first switch and the second switch is turned on.
本発明の一側面に係るDC−DCコンバータによると、出力直流電圧が目標値よりも大きい場合に、第1のスイッチ及び第2のスイッチのうちの少なくとも1つのオン時における電圧降下を大きくすることにより、導通損失を増加させて、出力直流電圧を低減することができる。 According to the DC-DC converter according to one aspect of the present invention, when the output DC voltage is larger than the target value, the voltage drop when at least one of the first switch and the second switch is turned on is increased. Thus, the conduction loss can be increased and the output DC voltage can be reduced.
本発明の一側面に係るDC−DCコンバータにおいて、電圧検出部は、入力直流電圧に応じた基準信号を生成する信号生成回路と、出力直流電圧が目標値よりも大きいときに、誤差信号と基準信号との差分を増幅することにより、電圧検出信号を生成する増幅回路とを有していることが好ましい。 In the DC-DC converter according to one aspect of the present invention, the voltage detection unit includes a signal generation circuit that generates a reference signal corresponding to the input DC voltage, and an error signal and a reference when the output DC voltage is greater than a target value. It is preferable to have an amplifier circuit that generates a voltage detection signal by amplifying a difference from the signal.
このようにすると、電圧検出部は、出力直流電圧が目標値を越えて大きくなることを適切に検出することができる。 In this way, the voltage detection unit can appropriately detect that the output DC voltage increases beyond the target value.
本発明の一側面に係るDC−DCコンバータにおいて、第1のスイッチ及び第2のスイッチのうちの少なくとも1つは、MOSFETよりなり、オン電圧調整部は、第1のスイッチ及び第2のスイッチのうちの少なくとも1つのオン抵抗を調整するものである。 In the DC-DC converter according to one aspect of the present invention, at least one of the first switch and the second switch is formed of a MOSFET, and the on-voltage adjusting unit includes the first switch and the second switch. At least one of the on-resistances is adjusted.
本発明の一側面に係るDC−DCコンバータにおいて、第1のスイッチ及び第2のスイッチは共に、MOSFETよりなり、オン電圧調整部は、第1のスイッチ及び第2のスイッチに入力されるゲート・ソース間電圧を調整し、第1のスイッチ及び第2のスイッチのオン抵抗を調整するものである構成あってもよい。 In the DC-DC converter according to one aspect of the present invention, the first switch and the second switch are both formed of MOSFETs, and the on-voltage adjusting unit includes a gate and a gate input to the first switch and the second switch. There may be a configuration in which the source-to-source voltage is adjusted and the on-resistances of the first switch and the second switch are adjusted.
本発明の一側面に係るDC−DCコンバータにおいて、少なくとも第2のスイッチは、MOSFETよりなり、オン電圧調整部は、第2のスイッチに入力されるゲート・ソース間電圧を調整し、第2のスイッチのオン抵抗を調整するものである構成であってもよい。 In the DC-DC converter according to one aspect of the present invention, at least the second switch is made of a MOSFET, and the on-voltage adjusting unit adjusts the gate-source voltage input to the second switch, The switch may be configured to adjust the on-resistance of the switch.
本発明の一側面に係るDC−DCコンバータにおいて、第1のスイッチ及び第2のスイッチの各々は、複数個のスイッチが並列に接続されてなり、オン電圧調整部は、複数個のスイッチのうちのいずれかを選択的に駆動することにより、第1のスイッチ及び第2のスイッチのオン時における電圧降下を調整する構成であってもよい。 In the DC-DC converter according to one aspect of the present invention, each of the first switch and the second switch is formed by connecting a plurality of switches in parallel, and the on-voltage adjusting unit includes the plurality of switches. The voltage drop at the time of ON of the 1st switch and the 2nd switch may be adjusted by selectively driving either.
本発明の一側面に係るDC−DCコンバータにおいて、第2のスイッチは、複数個のスイッチが並列に接続されてなり、オン電圧調整部は、複数個のスイッチのうちのいずれかを選択的に駆動することにより、第2のスイッチのオン時における電圧降下を調整する構成であってもよい。 In the DC-DC converter according to one aspect of the present invention, the second switch includes a plurality of switches connected in parallel, and the on-voltage adjustment unit selectively selects one of the plurality of switches. It may be configured to adjust the voltage drop when the second switch is turned on by driving.
同期整流回路に逆流を許す構成の電流ピーク値制御方式のDC−DCコンバータにおいて、電圧検出回路によって出力直流電圧が目標値よりも大きくなろうとすると、主スイッチ素子又は整流スイッチ素子におけるオン時の電圧降下を大きくすることにより、出力直流電圧の上昇を抑制する。これにより、高入力電圧無負荷条件における主スイッチ素子の最小オン時間の確保という制約が無く、スイッチング周波数の高周波化によってLC部品を小型化し、また、高速応答性の向上を可能とすることができる。 In a DC-DC converter of a current peak value control system configured to allow a reverse flow in the synchronous rectifier circuit, if the output DC voltage is to be larger than the target value by the voltage detection circuit, the voltage when the main switch element or the rectifier switch element is turned on By increasing the drop, an increase in the output DC voltage is suppressed. As a result, there is no restriction of ensuring the minimum on-time of the main switch element under a high input voltage no-load condition, and the LC component can be downsized by increasing the switching frequency, and high-speed response can be improved. .
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成を示している。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to a first embodiment of the present invention.
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータは、チョッパ回路16と制御駆動回路(制御部)17とによって構成されている。
As shown in FIG. 1, the DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention includes a
チョッパ回路16は、制御端子へ入力される信号によってオン・オフ動作を行なう、例えばMOSFETよりなる主スイッチ素子(第1のスイッチ)1と、主スイッチ素子1のオン・オフ動作によってエネルギーの蓄積と放出とを繰り返すインダクタ2(なお、インダクタ2のインダクタンスをLとする)と、インダクタ2を流れる電流を平滑化する平滑コンデンサ(平滑部)3、主スイッチ素子1のオン・オフ動作と相補的にオン・オフ動作を行なう、例えばMOSFETよりなる整流スイッチ素子(第2のスイッチ)4とによって構成されている。
The
制御駆動回路17は、出力直流電圧Vo を検出して目標値との誤差を増幅した誤差信号Ve を生成する誤差増幅回路(出力誤差検出部)7と、主スイッチ素子1の電流に応じた電流検出信号Vc を生成する電流検出回路(電流検出部)8と、誤差信号Ve と電流検出信号Vc を比較する比較回路9と、所定のスイッチング周波数とパルス幅を有するクロック信号Vckを生成する発振回路10と、比較回路9の出力とクロック信号Vckを入力されるNORゲート11と、クロック信号Vckでセットされる一方でNORゲート11の出力でリセットされ、駆動信号DRを生成するラッチ回路12と、駆動信号DRを入力して第1の信号Vg1x と第2の信号Vg2x とを生成する駆動回路13と、出力直流電圧Vo に基づいて、出力直流電圧Vo が目標値よりも大きくなったことを検出する電圧検出回路14と、電圧検出回路14の出力に応じて、第1の信号Vg1x 及び第2の信号Vg2x のレベルを調整し、主スイッチ素子1を駆動する第1の駆動信号Vg1と整流スイッチ素子4を駆動する第2の駆動信号Vg2を生成するオン電圧調整回路15とによって構成されている。以上の構成により、制御駆動回路17は、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4のオン・オフ動作を制御する。なお、第1の信号Vg1x 及び第2の信号Vg2x は、通常の動作時においては、主スイッチ素子1と整流スイッチ素子4とをそれぞれ駆動する信号である。
Drive control circuit 17, an error amplifier circuit (output error detecting unit) 7 for generating an error signal V e obtained by amplifying the error between the target value by detecting the output DC voltage V o, depending on the current of the main switching element 1 and a current detection circuit (current detection portion) 8 for generating a current detection signal V c, the comparator circuit 9 that compares the error signal V e and the current detection signal V c, the clock signal V having a predetermined switching frequency and pulse width The oscillation circuit 10 for generating ck , the NOR gate 11 to which the output of the comparison circuit 9 and the clock signal V ck are input, and the reset by the output of the NOR gate 11 while being set by the clock signal V ck and the drive signal DR Based on the output DC voltage V o , the latch circuit 12 that generates the drive signal DR, the drive circuit 13 that receives the drive signal DR and generates the first signal V g 1 x and the second signal V g 2 x , target output DC voltage V o is A voltage detection circuit 14 for detecting that greater than, depending on the output of the voltage detection circuit 14, to adjust the level of the first signal V g 1 x and a second signal V g 2 x, the main switch The on-voltage adjusting circuit 15 generates a first drive signal V g 1 for driving the element 1 and a second drive signal V g 2 for driving the rectifying switch element 4. With the above configuration, the
以下に、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作について、チョッパ回路16の動作と制御駆動回路17の動作とに分けて説明する。
Hereinafter, the operation of the DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention will be described separately for the operation of the
まず、チョッパ回路の動作について説明する。 First, the operation of the chopper circuit will be described.
主スイッチ素子1がオン状態であるとき、入力側から、主スイッチ素子1及びインダクタ2を介して出力側に電流が流れ、インダクタ2にエネルギーが蓄積される。主スイッチ素子1の導通抵抗などを無視すると、このときのインダクタ電流IL は直線的に増加する。主スイッチ素子1のオン時間をTonとすると、インダクタ電流IL の増加量は、(Vi −Vo )×Ton/Lとなる。次に、主スイッチ素子1がオフ状態であるとき、整流スイッチ素子4及びインダクタ2を介して出力側に電流が流れ、インダクタ2のエネルギーが放出される。整流スイッチ素子4の導通抵抗などを無視すると、このときにおけるインダクタ電流IL は直線的に減少する。主スイッチ素子1のスイッチング周期をTとすると、オフ時間は(T−Ton)であるので、インダクタ電流IL の減少量は、Vo ×(T−Ton)/L となる。
When the
以上の動作が繰り返され、主スイッチ素子1のスイッチング動作によって増減するインダクタ電流IL は平滑コンデンサ3の平滑作用によって平均化され、出力直流電流Io として平滑コンデンサ3から負荷6へ出力される。
Above operation is repeated, the inductor current I L to increase or decrease by the switching operation of the
定常状態においては、インダクタ電流IL の増加量と減少量とは等しいことから、
(Vi −Vo )×Ton/L=Vo ×(T−Ton)/L
が成立し、上記式より、次の入出力関係式(1)が得られる。
In the steady state, since equal to the increase and decrease of the inductor current I L,
(V i −V o ) × T on / L = V o × (T−T on ) / L
The following input / output relational expression (1) is obtained from the above expression.
Vo =(Ton/T) ×Vi =D×Vi ・・・(1)
ここで、式(1)に示すように、主スイッチ素子1のスイッチング周期Tに占めるオン時間Tonの割合(Ton/T)は、デューティ比Dとして表せるので、式(1)から明らかなように、デューティ比Dを調整することによって出力直流電圧Vo を制御することができる。
V o = (T on / T) × V i = D × V i (1)
Here, as shown in the equation (1), the ratio (T on / T) of the on-time T on to the switching cycle T of the
次に、制御駆動回路17の動作について説明する。
Next, the operation of the
まず、出力直流電圧Vo が目標値に制御されている通常の状態において、電圧検出回路14の検出信号Vk はゼロレベルであるので、検出信号Vk に応じて動作するオン電圧調整回路15は、入力される第1の信号Vg1x 及び第2の信号Vg2x をそのまま出力する。したがって、第1の駆動信号Vg1は第1の信号Vg1x と等しく、第2の駆動信号Vg2は第2の信号Vg2x と等しくなる。
First, in the normal state where the output DC voltage V o is controlled to the target value, the detection signal V k of the
発振回路9から出力されるクロック信号Vckが立ち上がると、ラッチ回路12は駆動信号DRを立ち上げ、駆動回路13からオン電圧調整回路15を介して出力される第1の駆動信号Vg1と第2の駆動信号Vg2とは、整流スイッチ素子4をターンオフする一方で主スイッチ素子1をターンオンする。主スイッチ素子1がオン状態であるとき、主スイッチ素子1を介して流れるインダクタ電流IL は増加していく。電流検出回路8からの電流検出信号Vc も同様に増加する。電流検出信号Vc が誤差信号Ve にやがて到達し、そして上回ると、比較回路9は出力をローレベルに反転する。このとき、クロック信号Vckもローレベルであると、NORゲート11はハイレベルを出力し、ラッチ回路12をリセットする。すると、ラッチ回路12から出力される駆動信号DRはローレベルとなり、駆動回路13からオン電圧調整回路15を介して出力される第1の駆動信号Vg1と第2の駆動信号Vg2とは、主スイッチ素子1をターンオフする一方で整流スイッチ素子4をターンオンする。
When the clock signal V ck output from the
主スイッチ1がオフ状態であるとき、整流スイッチ素子4を介して流れるインダクタ電流IL は減少していく。その後、クロック信号Vckが再び立上り、ラッチ回路12は駆動信号DRを立ち上げ、前述のように、整流スイッチ素子4をターンオフする一方で主スイッチ素子1をターンオンする。
When the
以上説明したように、図1に示したDC−DCコンバータは、クロック信号Vckの立上り時に整流スイッチ素子4をターンオフする一方で主スイッチ素子1をターンオンし、電流検出信号Vc が誤差信号Ve に到達して上回ると、主スイッチ素子1をターンオフする一方で整流スイッチ素子4をターンオンする、という以上の動作を繰り返す。
As described above, the DC-DC converter shown in FIG. 1 turns off the rectifying switch element 4 while turning on the
主スイッチ素子1のオン時間は誤差信号Ve のレベルが低いほど短くなる。しかし、クロック信号Vckがハイレベルの間は、NORゲート11によって比較回路9の出力は無視される。したがって、主スイッチ素子1がオン状態である時間は、クロック信号Vckのパルス幅は最小値となる。
The on-time of the
次に、入力直流電圧Vi が高く、無負荷となった場合に、出力直流電圧Vo を目標値に安定化させるためのオン時間Tonが上記最小オン時間を下回った場合に、出力直流電圧Vo が上昇することを抑制する動作について説明する。 Next, when the input DC voltage V i is high and no load is applied, the output DC voltage is decreased when the ON time T on for stabilizing the output DC voltage V o to the target value is less than the minimum ON time. An operation for suppressing the voltage V o from rising will be described.
出力直流電圧Vo が目標値よりも大きくなると、電圧検出回路14からの検出信号Vk に応じてオン電圧調整回路15が動作する。オン時間調整回路15の出力する駆動信号Vg1及びVg2の電圧レベルは、出力直流電圧Vo が目標値よりも高い程低くなるように調整される。これにより、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4のオン抵抗は増加し、オン状態であるときの電圧降下が大きくなるので、出力直流電圧Vo の上昇が抑制される。
When the output DC voltage V o becomes larger than the target value, the on-
さらに、以下では、制御駆動回路17を構成する電圧検出回路14及びオン電圧調整回路15の構成及び動作について、図2〜図5を参照しながら説明する。
Further, the configuration and operation of the
図2は、電圧検出回路14及びオン電圧調整回路15の構成を説明する回路構成図を示している。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram illustrating the configurations of the
図2に示すように、電圧検出回路14は、出力直流電圧Vo を越えると電流が流れる設定になっているクランプ回路21と、電圧検出抵抗22と、電圧検出抵抗22によって検出された電圧を増幅する増幅回路23とを含む構成を有している。ここで、クランプ回路21は、例えばツェナーダイオード又はシャントレギュレータであり、その電圧は出力直流電圧Vo の目標値よりもわずかに大きな値に設定される。
As shown in FIG. 2, the
図3は、電圧検出回路14の入力である出力直流電圧Vo と電圧検出回路14の出力である検出信号Vk との関係を示している。
FIG. 3 shows the relationship between the output DC voltage V o that is the input of the
図3に示すように、出力直流電圧Vo が、制御の目標値の電圧であるか又は目標値以下の電圧であれば、クランプ回路21に電圧検出回路14の入力である出力直流電圧Vo が印加されるだけであるので、電圧検出抵抗22の両端に電圧は発生しない。一方、出力直流電圧Vo が制御の目標値よりも上昇すると、クランプ回路21及び電圧検出抵抗22に出力直流電圧Vo が印加されるので、電圧検出抵抗22の両端に電圧が発生する。電圧検出抵抗22の両端の電圧を増幅回路23によって増幅し、検出信号Vk として後段のオン電圧調整回路15に出力する。
As shown in FIG. 3, if the output DC voltage V o is the voltage of the control target value or a voltage equal to or lower than the target value, the output DC voltage V o that is the input of the
図2において、オン電圧調整回路15は、入力直流電圧Vi から検出信号Vk が減算された信号Vs が出力される減算回路24と、入力直流電圧Vi と検出信号Vk とをバイアス電圧とし、第1の信号Vg1xが入力されて第1の駆動信号Vg1を出力する増幅回路25と、信号Vs をバイアス電圧とし、第2の信号Vg2xが入力されて第2の駆動信号Vg2を出力する増幅回路26とを含む構成を有している。
2, the ON
図4(a)は、オン電圧調整回路15に入力される検出信号Vk と、増幅器回路25のバイアス電圧Vr 及び増幅回路26のバイアス電圧Vs との関係を示しており、(b)は、オン電圧調整回路15に入力される第1の信号Vg1x及び第2の信号Vg2xと、バイアス電圧Vr 及びVs に応じて出力される第1の駆動信号Vg1及び第2の駆動信号Vg2との関係を示している。
FIG. 4A shows the relationship between the detection signal V k input to the on-
図4(a)及び(b)から明らかなように、増幅回路25は、入力電圧Vi とバイアス電圧Vr との間を振動する第1の駆動信号Vg1を出力して、主スイッチ素子1のオン・オフを行なう。また、増幅回路26は、減算回路24の出力であるバイアス電圧Vs と接地電位との間を振動する第2の駆動信号Vg2を出力して、整流スイッチ素子4のオン・オフを行なう。
As is clear from FIGS. 4A and 4B, the
以上から、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇すると、出力直流電圧Vo の上昇レベルに応じて電圧検出回路14から検出信号Vk が出力され、オン電圧調整回路15に入力される。そして、電圧検出回路14からの検出信号Vk に応じて、オン電圧調整回路15にて第1の信号Vg1x及び第2の信号Vg2xの振幅が低減され、第1の駆動信号Vg1及び第2の駆動信号Vg2として出力される。このため、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4のオン抵抗が大きくなる。したがって、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4のオン抵抗が大きくなると、導通時における電圧降下も大きくなり、導通損失が増大するので、出力直流電圧Vo の上昇は抑制される。
From the above, when the output DC voltage V o increases beyond the target value, the detection signal V k is output from the
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータについて説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a DC-DC converter according to a second embodiment of the present invention will be described.
図5は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成を示している。図5において、図1に示した本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの構成要素に相当する構成要素については同一の符号を付しており、その説明は繰り返さない。 FIG. 5 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, constituent elements corresponding to the constituent elements of the DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータは、図1に示した出力直流電圧Vo を検出する電圧検出回路14(図1参照)の代わりに、誤差信号Ve を検出する電圧検出回路18を備えており、誤差増幅回路7からの誤差信号Ve が電圧検出回路18に入力される点で、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータと相違している。
The DC-DC converter according to the second embodiment of the present invention uses a voltage for detecting the error signal V e instead of the voltage detection circuit 14 (see FIG. 1) for detecting the output DC voltage V o shown in FIG. The
ここで、電圧検出回路18は、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇したことを誤差信号Ve のレベルによって検知して検出信号Vk を出力する機能を有している。
Here, the
以下に、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作について説明する。 The operation of the DC-DC converter according to the second embodiment of the present invention will be described below.
まず、通常動作時において、図5に示した本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータは、図1に示した本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と同様であるので、その説明は繰り返さない。 First, during normal operation, the DC-DC converter according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 5 is the same as the operation of the DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. Since it is similar, the description thereof will not be repeated.
図5に示した本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータは、入力直流電圧Vi が高く無負荷であって、出力直流電圧Vo を目標値に安定化するためのオン時間Tonが上記最小オン時間を下回り、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇したことを検出する電圧検出回路18の動作の点で、図1に示した本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と相違する。
The DC-DC converter according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 5 has a high input DC voltage V i and no load, and an on-time for stabilizing the output DC voltage V o to a target value. T on is below the minimum on time, the output DC voltage V o is in terms of the operation of the
次に、電圧検出回路18について図6を参照しながら説明する。
Next, the
図6は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータにおける電圧検出回路18の回路構成を示している。
FIG. 6 shows a circuit configuration of the
図6に示すように、電圧検出回路18は、入力直流電圧Vi が入力される抵抗31と、抵抗31と直列に接続されている抵抗32と、入力直流電圧Vi が抵抗31及び32によって分圧された電圧と誤差信号Ve とが入力される比較回路33と、比較回路33の出力と接地電位とによってバイアスされており、誤差信号Ve が入力される増幅回路34と、比較回路33の出力と接地電位とによってバイアスされており、入力直流電圧Vi が抵抗31及び32によって分圧された電圧と増幅回路34の出力信号との差を出力する減算回路35とによって構成されている。ここで、減算回路35は、演算増幅器36と、抵抗37、38、39及び40によって構成されており、抵抗37、38、39及び40の各抵抗値は等しいものとする。
As shown in FIG. 6, the
次に、図6に示した電圧検出回路18の動作について図7を参照しながら説明する。
Next, the operation of the
誤差信号Ve は、インダクタ電流IL のピーク値との比較を行なうことによって、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4のオン・オフ動作の切替えを行なう。このため、誤差信号Ve が増加すると、インダクタ電流IL のピーク値が増加する一方、誤差信号Ve が減少すると、インダクタ電流IL のピーク値が減少する。
The error signal V e, by performing the comparison between the peak value of the inductor current I L, to switch on and off operation of the
ここで、無負荷時におけるインダクタ電流IL のピーク値Ipは、下記式(2)
Ip=(Vi −Vo )×Ton/(2L) ・・・(2)
として表されるが、このオン時間Tonが最小オン時間よりも小さいと、出力直流電圧Vo が上昇していく。このため、誤差増幅回路7は、上昇した出力直流電圧Vo のために誤差電圧Ve をさらに小さく出力する。そこで、最小オン時間におけるインダクタ電流IL のピーク値Ipに相当する誤差信号Ve を切替値Vf として求め、誤差信号Ve が切替値Vf を下回ると、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇していると検出することができる。
Here, the peak value Ip of the inductor current I L at no load is expressed by the following equation (2).
Ip = (V i −V o ) × T on / (2L) (2)
Although represented as, when the on-time T on is less than the minimum on-time, the output DC voltage V o rises. For this reason, the
図6において切替値Vf は、入力直流電圧Vi を抵抗31及び32によって分圧して設定され、比較回路33に入力される。これは、前述の式(2)によって示したように、入力直流電圧Vi が高い程、最小オン時間におけるインダクタ電流IL のピーク値Ipは高くなるから、すなわち、高入力である程切替値Vf も高くする必要があるからである。本実施形態では、単に抵抗分圧としたが、出力直流電圧Vo の目標値に相当する定電圧源回路を抵抗31と直列に接続することなどによって、切替値をより高精度に入力補正することができる。
In FIG. 6, the switching value V f is set by dividing the input DC voltage V i by the
比較回路33には、誤差信号Ve と切替値Vf とが入力される。通常の場合には、切替値Vf よりも誤差信号Ve が大きいため、比較回路33の出力はローレベルを示すので、比較回路33の出力をバイアスとしている増幅回路34及び35は動作しない。これに対して、主スイッチ素子11のオン時間Tonが最小オン時間を下回り、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇した場合には、切替値Vf よりも誤差信号Ve が小さくなるため、比較回路33の出力はハイレベルを示すので、増幅回路34及び35は動作する。すると、誤差信号Ve は増幅回路34を通過して減算回路35に入力される。減算回路35は誤差信号Ve の切替値Vf から誤差信号Ve を減算した電圧(Vf −Ve )が出力される。
The
図7は、図6に示した電圧検出回路18に入力される誤差信号Ve と出力される検出信号Vk との関係を示す入出力特性図である。
Figure 7 is a input-output characteristic diagram showing the relationship between the detection signals V k output an error signal V e to be input to the
以上のことから、図7に示すように、電圧検出回路18は、誤差信号Ve の切替値Vf よりも誤差信号Ve が大きい場合にはゼロを出力し、その一方で、誤差信号Ve の切替値Vf よりも誤差信号Ve が小さい場合は(Vf −Ve )を出力する。このように、電圧検出回路18は、図7に示す入出力特性を示す。
From the above, as shown in FIG. 7, the
なお、本実施形態において、誤差信号Ve を検出する電圧検出回路18においても、第1の実施形態と同様に、出力直流電圧Vo の上昇に応じてスイッチ素子のオン抵抗を調整することが可能である。
In the present embodiment, also in the
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータについて説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a DC-DC converter according to a third embodiment of the present invention will be described.
図8は、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成を示している。図8において、図1に示した本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの構成要素に相当する構成要素については同一の符号を付しており、その説明は繰り返さない。 FIG. 8 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 8, constituent elements corresponding to the constituent elements of the DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図8に示した本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータは、主スイッチ素子1の第1の駆動信号Vg1と整流スイッチ素子4の第2の駆動信号Vg2とを出力するオン電圧調整回路15の代わりに、整流スイッチ素子4の第2の駆動信号Vg2のみを出力するオン電圧調整回路19を備えており、整流スイッチ素子4のオン抵抗のみを調整する機能を有する点で、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータと相違している。
DC-DC converter according to a third embodiment of the present invention shown in FIG. 8, the main switching element and the first
出力安定化のためのオン時間が最小オン時間よりも小さくなり、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇するという現象は、オン時間が最も小さくなる最高入力電圧無負荷時に発生する可能性が高い。そこで、整流スイッチ素子4のみ、オン時の電圧降下を調整しても、出力直流電圧Vo の上昇を抑制する効果を得ることができると共に、オン電圧調整回路19の回路規模を図1に示したオン時間調整回路15に比べて小さくすることができる。
Output becomes ON time for stabilization is smaller than the minimum on-time, the phenomenon that the output DC voltage V o increases beyond the target value, can occur up to the input voltage at the time of no load when the on-time is minimized Is expensive. Therefore, the rectifying switch element 4 but also to adjust the voltage drop of the ON state, shows it is possible to obtain the effect of suppressing the increase in the output DC voltage V o, the circuit scale of the on-
図9は、オン電圧調整回路19の回路構成を示している。
FIG. 9 shows a circuit configuration of the on-
図9にように、検出信号Vk は減算回路24に入力され、減算回路24は入力直流電圧Vi から検出信号Vk を減算した電圧(Vi −Vk )を出力する。減算回路24からの出力(Vi −Vk )は増幅回路26のバイアス電圧Vs となる。増幅回路26は、第2の信号Vk2xを入力して、第2の駆動信号Vk2を出力する。
As shown in FIG. 9, the detection signal V k is input to the
図10(a)は、オン電圧調整回路19に入力される検出信号Vk と、増幅器回路26のバイアス電圧Vs との関係を示しており、(b)は、オン電圧調整回路19に入力される第2の信号Vk2xと第1の駆動信号Vk1(=Vk1x)と、バイアス電圧Vs に応じて出力される第2の駆動信号Vk2との関係を示している。
FIG. 10A shows the relationship between the detection signal V k input to the on-
図10(a)及び(b)から明らかなように、出力直流電圧Vo が目標値を超えて上昇すると、整流スイッチ素子4のゲート・ソース間に入力される第2の駆動信号Vk2が低減され、整流スイッチ素子4のオン抵抗が増加することにより、整流スイッチ素子4の導通時の電圧降下が大きくなり、導通損失が増大するので、出力直流電圧Vo の上昇は抑制される。
As is clear from FIGS. 10A and 10B, when the output DC voltage V o rises above the target value, the second
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態に係るDC−DCコンバータについて説明する。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a DC-DC converter according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
図11は、本発明の第4の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成を示している。図11において、図8に示した本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータの構成要素に相当する構成要素については同一の符号を付しており、その説明は繰り返さない。 FIG. 11 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 11, components corresponding to the components of the DC-DC converter according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図11に示した本発明の第4の実施形態に係るDC−DCコンバータは、出力直流電圧Vo を検出する電圧検出回路14の代わりに、誤差信号Ve を検出する電圧検出回路18を備えており、比較回路9の出力が電圧検出回路18の入力に接続され、出力直流電圧Vo が上昇したことを誤差信号Ve のレベルに応じて検知し、検出信号Vk を出力する機能を有する点で、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータと相違している。
DC-DC converter according to a fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 11, instead of the
本発明の第4の実施形態に係るDC−DCコンバータにおける電圧検出回路18は、前述の図6に示した本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータにおける電圧検出回路18と同様に、前述の図7に示した入出力特性を示す。なお、この入出力特性は、図3に示した電圧検出回路14の入出力特性と同様の特性を示すものである。
The
本発明の第4の実施形態に係るDC−DCコンバータは、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータのように出力直流電圧Vo を検出するのではなく、誤差増幅回路7からの誤差信号Ve を検出することにより、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇したことを検知するものである。このような構成により、第3の実施形態と同様に、出力直流電圧Vo の上昇を抑制することができる。なお、この点は、電圧検出回路が出力直流電圧Vo を検出する構成の本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータと、電圧検出回路が誤差信号Ve を検出する構成の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータとの関係と同様である。
DC-DC converter according to a fourth embodiment of the present invention, the third instead of detecting the output DC voltage V o as the DC-DC converter according to the embodiment, the
(第5の実施形態)
以下、本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータについて説明する。
(Fifth embodiment)
Hereinafter, a DC-DC converter according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
図12は、本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成を示している。図12において、図1に示した本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの構成要素に相当する構成要素については同一の符号を付しており、その説明は繰り返さない。 FIG. 12 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to the fifth embodiment of the present invention. 12, constituent elements corresponding to the constituent elements of the DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図12に示した本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータは、出力直流電圧Vo を検出する電圧検出回路14及びオン電圧調整回路15の変わりに、電圧検出回路41及びオン電圧調整回路42を有する点で、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータと相違している。また、本実施形態における主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4は、それぞれ、ゲート端子を有する互いに並列に接続された複数のMOSFETによって構成されている。
DC-DC converter according to a fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 12, instead of the
図13は、電圧検出回路41、オン電圧調整回路42、主スイッチ素子1、及び整流スイッチ素子4の回路構成を示している。
FIG. 13 shows a circuit configuration of the
図13に示すように、電圧検出回路41は、電圧検出回路41に入力される出力直流電圧Vo と基準電圧Va とを比較する比較回路51と、出力直流電圧Vo と基準電圧(Va +Vb )とを比較する比較回路52との2つの比較回路によって構成されている。ここで、比較回路51の出力を信号Vka、比較回路52の出力を信号Vkbとする。なお、ここでは、2つの比較回路によって電圧検出回路41を構成した場合について説明するが、本実施形態ではこれに限定されるものではなく、1つの比較回路によって構成してもよいし、さらに、3つ以上の多数の比較回路を並列に繋げてなる構成であってもよい。また、基準電圧Va は出力直流電圧Vo の目標値よりも高いレベルに合わせて設定する。
As shown in FIG. 13, the
オン電圧調整回路42は、比較回路51からの信号Vkaと第1の信号Vg1xとが入力されるORゲート54aと、比較回路52からの信号Vkbと第1の信号Vg1xとが入力されるORゲート54bと、比較回路51からの信号Vkaがインバータ55aによって反転された信号と第2の信号Vg2xとが入力されるANDゲート55aと、比較回路52からの信号Vkbがインバータ55bによって反転された信号と第2の信号Vg2xとが入力されるANDゲート56bとによって構成されている。ORゲート54a及び54bの各出力をそれぞれ信号Vg1A及び信号Vg1Bとし、ANDゲート56a及び56bの各出力をそれぞれ信号Vg2A及びVg2Bとする。
The on-
主スイッチ素子1はドレインとソースとを共有する3つのPチャンネル型MOSFET1a、1b及び1cによって構成されており、MOSFET1a、1b及び1cの各ゲートには、信号Vg1A、Vg1B及び第1の信号Vg1xが入力される。
The
整流スイッチ素子4はドレインとソースを共有する3つのNチャンネル型MOSFET4a、4b及び4cによって構成されており、MOSFET4a、4b及び4cの各ゲートには、信号Vg2A、Vg2B及び第2の信号Vg2xが入力される。
The rectifying switch element 4 is constituted by three N-
以下に、本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作について説明する。 The operation of the DC-DC converter according to the fifth embodiment of the present invention will be described below.
まず、通常動作時において、図12に示した本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータは、図1に示した本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と同様であるので、その説明は繰り返さない。 First, during normal operation, the DC-DC converter according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 12 is the same as the operation of the DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. Since it is similar, the description thereof will not be repeated.
図13に示した本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作が、図1に示した本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と異なる点は、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇した場合における電圧レベルを検出する電圧検出回路41とオン電圧調整回路42と主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4との動作である。
The operation of the DC-DC converter according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 13 is different from the operation of the DC-DC converter according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. DC voltage V o is the operation of the
まず、電圧検出回路41及びオン電圧調整回路42の動作を説明する。
First, operations of the
出力直流電圧Vo が目標値に制御されている状態において、出力直流電圧Vo と基準電圧とを比較すると、出力直流電圧Vo の方が小さいので、比較回路51及び52からの出力Vka及びVkbはローレベルを示す。この状態においては、第1の信号Vg1xがハイレベルを示すとき、ORゲート54a及び54bの出力Vg1A及びVg1Bはハイレベルを出力し、一方、第1の信号Vg1xがローレベルを示すとき、ORゲート54a及び54bの出力Vg1A及びVg1Bはローレベルを示すので、主スイッチ素子1を構成するMOSFET1a、1b及び1cは、いずれも第1の信号Vg1xによって駆動される。ローレベルの各信号Vka及びVkbはインバータ55a及び55bを介して全てハイレベルに反転されるので、ANDゲート56a及び56bの出力は第2の信号Vg2xと同じ信号が出力される。したがって、整流スイッチ素子4を構成するMOSFET4a、4b及び4cは、いずれも第2の信号Vg2xによって駆動される。
When the output DC voltage V o is controlled to the target value and the output DC voltage V o is compared with the reference voltage, the output DC voltage V o is smaller, so the output V ka from the
出力直流電圧Vo が目標値よりも上昇して基準電圧Va を超えると、比較回路52の出力Vkbはローレベルを示すが、比較回路51の出力Vkaはハイレベルを示す。この状態においては、ORゲート54aの出力Vg1Aはハイレベルに固定され、ORゲート54bの出力Vg2Aはローレベルに固定され、主スイッチ素子1を構成するMOSFETのうちMOSFET1aはオフ状態に固定され、整流スイッチ素子4を構成するMOSFETのうちMOSFET4aはオフ状態に固定される。
When the output DC voltage V o rises above the target value and exceeds the reference voltage V a , the output V kb of the
出力直流電圧Vo がさらに上昇し、基準電圧(Va +Vb )を超えると比較回路52の出力Vkbもハイレベルを示す。そして、主スイッチ素子1を構成するMOSFETのうちMOSFET1a及び1bはオフ状態に固定され、整流スイッチ素子4を構成するMOSFETのうちMOSFET4a及び4bはオフ状態に固定される。
When the output DC voltage V o further rises and exceeds the reference voltage (V a + V b ), the output V kb of the comparison circuit 52 also shows a high level. Of the MOSFETs constituting the
以上のように、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇すればする程、電圧検出回路41の比較回路が動作して出力信号Vk を出力し、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4の各々を構成している並列に接続された複数個のスイッチ素子(MOSFET)を順次に停止させることにより、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4の総合的な導通時の電圧降下が大きくなり、導通損失が増大するため出力直流電圧Vo の上昇は抑制される。
As described above, as the output DC voltage V o increases beyond the target value, the comparison circuit of the
(第6の実施形態)
以下、本発明の第6の実施形態に係るDC−DCコンバータについて説明する。
(Sixth embodiment)
Hereinafter, a DC-DC converter according to a sixth embodiment of the present invention will be described.
図14は、本発明の第6の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成を示している。図14において、図12に示した本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータの構成要素に相当する構成要素については同一の符号を付しており、その説明は繰り返さない。 FIG. 14 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to the sixth embodiment of the present invention. 14, components corresponding to the components of the DC-DC converter according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 12 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図14に示した本発明の第6の実施形態に係るDC−DCコンバータは、出力直流電圧Vo を検出する電圧検出回路41の代わりに、誤差信号Ve を検出する電圧検出回路43を備えており、誤差増幅回路7からの誤差信号Ve が電圧検出回路43に入力され、電圧検出回路43は、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇したことを、誤差信号Ve のレベルによって検知して検出信号Vk を出力する機能を有する点で、本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータと相違している。
DC-DC converter according to a sixth embodiment of the present invention shown in FIG. 14, instead of the
図15は、電圧検出回路43、オン電圧調整回路42、主スイッチ素子1、及び整流スイッチ素子4の回路構成を示している。
FIG. 15 shows a circuit configuration of the
図14に示した本発明の第6の実施形態に係るDC−DCコンバータの基本動作は、前述の図12に示した第5の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と同様であるが、誤差信号Ve のレベルを検出する電圧検出回路43に関する動作が異なっている。
The basic operation of the DC-DC converter according to the sixth embodiment of the present invention shown in FIG. 14 is the same as the operation of the DC-DC converter according to the fifth embodiment shown in FIG. The operation relating to the
まず、図15に示した電圧検出回路43の構成について説明する。
First, the configuration of the
図15に示した電圧検出回路43は、誤差信号Ve と基準電圧Vaaとを比較する比較回路57と、誤差信号Ve と基準電圧(Vaa+Vbb)とを比較する比較回路58とによって構成されている。比較回路57からの出力を信号Vka 及び比較回路58からの出力を信号Vkb とする。なお、ここでは、2つの比較回路によって電圧検出回路43を構成した場合について説明するが、本実施形態ではこれに限定されるものではなく、1つの比較回路によって構成してもよいし、さらに、3つ以上の多数の比較回路を並列に繋げてなる構成であってもよい。また、基準電圧(Vaa+Vbb)は出力直流電圧Vo が目標値に制御されているときにおける誤差信号Ve よりも低いレベルに合わせて設定する。
次に、電圧検出回路43の動作について説明する。
Next, the operation of the
出力直流電圧Vo が目標値に制御されている状態において、誤差信号Ve と基準電圧とを比較すると、誤差信号Ve の方が大きいので、比較回路57及び58からの出力Vka及びVkbはローレベルを示す。この状態においては、第1の信号Vg1xがハイレベルを示すとき、ORゲート54a及び54bの出力Vg1A及びVg1Bはハイレベルを出力し、一方、第1の信号Vg1xがローレベルを示すとき、ORゲート54a及び54bの出力Vg1A及びVg1Bはローレベルを示すので、主スイッチ素子1を構成するMOSFET1a、1b及び1cは、いずれも第1の信号Vg1xによって駆動される。ローレベルの各信号Vka及びVkbはインバータ55a及び55bを介して全てハイレベルに反転されるので、ANDゲート56a及び56bの出力は第2の信号Vg2xと同じ信号が出力される。したがって、整流スイッチ素子4を構成するMOSFET4a、4b及び4cは、いずれも第2の信号Vg2xによって駆動される。
When the output DC voltage V o is controlled to the target value, when the error signal V e is compared with the reference voltage, the error signal V e is larger, so the outputs V ka and V from the
出力直流電圧Vo が目標値よりも上昇し、それに応じて誤差信号Ve が低下し、誤差信号Ve の電圧レベルが基準電圧(Vaa+Vbb)を下回ると、比較回路58の出力Vkbはローレベルを示すが、比較回路57の出力Vkaはハイレベルを示す。この状態においては、ORゲート54aの出力Vg1Aはハイレベルに固定され、ORゲート54bの出力Vg2Aはローレベルに固定され、主スイッチ素子1を構成するMOSFETのうちMOSFET1aはオフ状態に固定され、整流スイッチ素子4を構成するMOSFETのうちMOSFET4aはオフ状態に固定される。
When the output DC voltage V o rises above the target value, the error signal V e decreases accordingly, and the voltage level of the error signal V e falls below the reference voltage (V aa + V bb ), the output V of the
出力直流電圧Vo がさらに上昇し、誤差信号Ve がさらに低下し、誤差信号Ve の電圧レベルが基準電圧Vaaを下回ると、比較回路57の出力Vkbもハイレベルを示す。そして、主スイッチ素子1を構成するMOSFETのうちMOSFET1a及び1bはオフ状態に固定され、整流スイッチ素子4を構成するMOSFETのうちMOSFET4a及び4bはオフ状態に固定される。
When the output DC voltage V o further increases, the error signal V e further decreases, and the voltage level of the error signal V e falls below the reference voltage V aa , the output V kb of the
以上のように、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇すればする程、電圧検出回路43の比較回路が動作して出力信号Vk を出力し、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4の各々を構成している並列に接続された複数個のスイッチ素子(MOSFET)を順次に停止させることにより、主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4の総合的な導通時の電圧降下が大きくなり、導通損失が増大するため出力直流電圧Vo の上昇は抑制される。
As described above, as the output DC voltage V o increases beyond the target value, the comparison circuit of the
(第7の実施形態)
以下、本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータについて説明する。
(Seventh embodiment)
Hereinafter, a DC-DC converter according to a seventh embodiment of the present invention will be described.
図16は、本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成を示している。図16において、図12に示した本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータの構成要素に相当する構成要素については同一の符号を付しており、その説明は繰り返さない。 FIG. 16 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to the seventh embodiment of the present invention. In FIG. 16, components corresponding to the components of the DC-DC converter according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 12 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図16に示した本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータは、整流スイッチ素子4のみについてオン時の電圧降下を調整する構成のオン電圧調整回路44を有する点で、並列に接続された複数個のスイッチから構成される主スイッチ素子1及び整流スイッチ素子4を選択的に停止させることによってオン時の電圧降下を調整する構成を有する本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータと相違している。前述の第3の実施形態でも説明したように、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇するという現象は、オン時間が最も小さくなる最高入力電圧無負荷時に発生する可能性が高い。そこで、整流スイッチ素子4のみ、オン時の電圧降下を調整しても、出力直流電圧Vo の上昇を抑制する効果を得ることができると共に、オン電圧調整回路44の回路規模を図12に示したオン時間調整回路42に比べて小さくすることができる。
The DC-DC converter according to the seventh embodiment of the present invention shown in FIG. 16 is connected in parallel in that it has an on-
以下に、本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作について説明する。 The operation of the DC-DC converter according to the seventh embodiment of the present invention will be described below.
まず、通常動作時においては、図16に示した本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータは、図12に示した本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と同様であるので、その説明は繰り返さない。 First, in the normal operation, the DC-DC converter according to the seventh embodiment of the present invention shown in FIG. 16 operates as the DC-DC converter according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. The description thereof will not be repeated.
図16に示した本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作が、図12に示した本発明の第5の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と異なる点は、図17に示したオン電圧調整回路44の動作である。
The operation of the DC-DC converter according to the seventh embodiment of the present invention shown in FIG. 16 is different from the operation of the DC-DC converter according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 17 shows the operation of the on-
以下に、オン電圧調整回路44の構成及び動作について具体的に説明する。
Hereinafter, the configuration and operation of the on-
図17は、電圧検出回路41、オン電圧調整回路44、主スイッチ素子1、及び整流スイッチ素子4の回路構成を示している。
FIG. 17 shows a circuit configuration of the
図17に示すように、オン電圧調整回路44は、電圧検出回路41からの出力Vkaをインバータ55aによって反転された信号と第2の信号Vg2xとが入力されるANDゲート56aと、電圧検出回路41からの出力Vkbをインバータ55bによって反転された信号と第2の信号Vg2xとが入力されるANDゲート56bとによって構成されている。
As shown in FIG. 17, the on-
出力直流電圧Vo が目標値に制御されている状態において、出力直流電圧Vo と基準電圧Va とを比較すると、出力直流電圧Vo の方が小さいので、比較回路51及び52からの出力Vka及びVkbはローレベルを示す。この状態において、ANDゲート56a及び56bの出力は第2の信号Vg2x と同じ信号が出力されるので、整流スイッチ素子4を構成するMOSFET4a、4b及び4cは、いずれも第2の信号Vg2x によって駆動される。
When the output DC voltage V o is controlled to the target value and the output DC voltage V o is compared with the reference voltage V a , the output DC voltage V o is smaller. V ka and V kb indicate low levels. In this state, since the outputs of the AND
出力直流電圧Vo が目標値よりも上昇して基準電圧Va を超えると、比較回路52からの出力Vkbはローレベルを示すが、比較回路51の出力Vkaはハイレベルを示す。この状態においては、ORゲート54bの出力Vg2Aはローレベルに固定され、整流スイッチ素子4を構成するMOSFETのうちMOSFET4a及び4bはオフ状態に固定される。一方、第1の信号Vg1x はオン電圧調整回路44を介さずに主スイッチ素子1を駆動する。すなわち、第1の駆動信号Vg1は第1の信号Vg1x に等しい。
When the output DC voltage V o rises above the target value and exceeds the reference voltage V a , the output V kb from the
以上のように、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇すればする程、電圧検出回路41の比較回路が動作して出力信号Vk を出力し、整流スイッチ素子4を構成している並列に接続された複数個のスイッチ素子(MOSFET)を順次に停止させることにより、整流スイッチ素子4の総合的な導通時の電圧降下が大きくなり、導通損失が増大するため出力直流電圧Vo の上昇は抑制される。
As described above, as the output DC voltage V o increases beyond the target value, the comparison circuit of the
(第8の実施形態)
以下、本発明の第8の実施形態に係るDC−DCコンバータについて説明する。
(Eighth embodiment)
The DC-DC converter according to the eighth embodiment of the present invention will be described below.
図18は、本発明の第8の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成を示している。図18において、図16に示した本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータの構成要素に相当する構成要素については同一の符号を付しており、その説明は繰り返さない。 FIG. 18 shows a circuit configuration of a DC-DC converter according to the eighth embodiment of the present invention. In FIG. 18, components corresponding to the components of the DC-DC converter according to the seventh embodiment of the present invention illustrated in FIG. 16 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
図18に示した本発明の第8の実施形態に係るDC−DCコンバータは、出力直流電圧Vo を検出する電圧検出回路41の代わりに、誤差信号Ve を検出する電圧検出回路43を備えており、誤差増幅回路7からの誤差信号Ve が電圧検出回路43に入力され、電圧検出回路43は、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇したことを、誤差信号Ve のレベルによって検知して検出信号Vk を出力する機能を有する点で、本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータと相違している。
DC-DC converter according to an eighth embodiment of the present invention shown in FIG. 18, instead of the
以下に、本発明の第8の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作について説明する。 The operation of the DC-DC converter according to the eighth embodiment of the present invention will be described below.
まず、通常動作時においては、図18に示した本発明の第8の実施形態に係るDC−DCコンバータは、図16に示した本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と同様であるので、その説明は繰り返さない。 First, in normal operation, the DC-DC converter according to the eighth embodiment of the present invention shown in FIG. 18 operates as the DC-DC converter according to the seventh embodiment of the present invention shown in FIG. The description thereof will not be repeated.
図18に示した本発明の第8の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作が、図16に示した本発明の第7の実施形態に係るDC−DCコンバータの動作と異なる点は、誤差信号Ve のレベルを検出する電圧検出回路43の動作である。
The difference between the operation of the DC-DC converter according to the eighth embodiment of the present invention shown in FIG. 18 and the operation of the DC-DC converter according to the seventh embodiment of the present invention shown in FIG. This is the operation of the
図18において、電圧検出回路43は、図14及び図15に示した第6の実施形態に係るDC−DCコンバータにおける電圧検出回路43の構成と同様であり、動作についても同様である。すなわち、出力直流電圧Vo が目標値に制御されている状態では、比較回路58及び57からの出力Vka及びVkbはローレベルを示し、出力直流電圧Vo が目標値よりも上昇するに従って、比較回路58からの出力Vkaはハイレベルを示し、さらには、比較回路57からの出力Vkbもハイレベルとなる。これにより、出力直流電圧Vo が目標値に制御されている状態では、整流スイッチ素子4を構成するMOSFET4a、4b及び4cはいずれも第2の信号Vg2xによって駆動され、出力直流電圧Vo が目標値よりも上昇するに従って、整流スイッチ素子4を構成するMOSFETのうちMOSFET4aはオフ状態に固定され、さらには、MOSFET4a及び4bがオフ状態に固定される。一方、第1の信号Vg1xはオン電圧調整回路44を介さずに主スイッチ素子1を駆動する。すなわち、第1の駆動信号Vg1は第1の信号Vg1xに等しい。
In FIG. 18, the
以上のように、出力直流電圧Vo が目標値を越えて上昇すればする程、電圧検出回路43の比較回路が動作して出力信号Vk を出力し、整流スイッチ素子4を構成している並列に接続された複数個のスイッチ素子(MOSFET)を順次に停止させることにより、整流スイッチ素子4の総合的な導通時の電圧降下が大きくなり、導通損失が増大するため出力直流電圧Vo の上昇は抑制される。
As described above, as the output DC voltage V o increases beyond the target value, the comparison circuit of the
なお、以上で説明した第1〜8の実施形態に係るDC−DCコンバータでは、降圧コンバータを用いて説明したが、本発明は降圧コンバータに限定されるものではない。
交互にオン・オフ動作を行なう主スイッチ素子と整流スイッチ素子とにより、インダクタへのエネルギーの蓄積と放出とを繰り返し、インダクタの電圧を整流平滑して出力を得る全ての同期整流型のスイッチング式のDC−DCコンバータに対して、本発明を適用することができる。
In the DC-DC converter according to the first to eighth embodiments described above, the step-down converter is used. However, the present invention is not limited to the step-down converter.
All synchronous rectification type switching types that obtain output by rectifying and smoothing the inductor voltage by repeatedly storing and releasing energy in the inductor by the main switch element and rectifier switch element that alternately turn on and off. The present invention can be applied to a DC-DC converter.
なお、前述した第1〜第8の実施形態に係るDC−DCコンバータとして降圧コンバータを用いて説明してきたが、本発明は降圧コンバータに限定したものではない。同期整流回路を有し、インダクタ電流又は主スイッチ素子の電流のピーク値を検出して調整することにより、出力直流電圧を制御するDC−DCコンバータであって、軽負荷時に整流スイッチ素子4に逆流を許すことで連続動作モードを維持することが可能な全てのスイッチング式のDC−DCコンバータに対して、本発明を適用することができる。 Although the step-down converter has been described as the DC-DC converter according to the first to eighth embodiments described above, the present invention is not limited to the step-down converter. A DC-DC converter which has a synchronous rectifier circuit and controls an output DC voltage by detecting and adjusting a peak value of an inductor current or a current of a main switch element, and backflows to the rectifier switch element 4 at a light load The present invention can be applied to all switching DC-DC converters that can maintain a continuous operation mode by allowing
また、以上で説明した第1〜8の実施形態に係るDC−DCコンバータは、第1及び第2の信号Vg1x及びVg2xを出力する駆動回路13を設けたより好ましい回路構成を有しているが、駆動回路13は必ずしも必須の回路ではなく、ラッチ回路12から第1及び第2の信号Vg1x及びVg2xを出力する構成であっても構わない。
Further, the DC-DC converters according to the first to eighth embodiments described above have a more preferable circuit configuration in which the
また、以上で説明したように、第1、3、5及び7の実施形態に係るDC−DCコンバータでは、出力直流電圧Voを直接監視する電圧検出回路を有する構成である点で、誤差信号Ve を監視する電圧検出回路を有する第2、4、6及び8の実施形態に係るDC−DCコンバータに比較して、応答特性に優れるという利点がある。 As described above, the DC-DC converters according to the first, third, fifth, and seventh embodiments are configured to include a voltage detection circuit that directly monitors the output DC voltage V o, and thus the error signal. Compared to the DC-DC converters according to the second, fourth, sixth and eighth embodiments having the voltage detection circuit for monitoring V e , there is an advantage that the response characteristic is excellent.
本発明は、各種電子回路に対して安定な直流電圧を供給することが可能な電源回路にとって有用である。 The present invention is useful for a power supply circuit capable of supplying a stable DC voltage to various electronic circuits.
1 主スイッチ素子(第1のスイッチ)
2 インダクタ
3 平滑コンデンサ(平滑部)
4 整流スイッチ素子(第2のスイッチ)
6 負荷
7 誤差増幅回路(出力誤差検出部)
8 電流検出回路(電流検出部)
9 比較回路
10 発振回路
11 NORゲート
12 ラッチ回路
13 駆動回路
14、18 電圧検出回路(電圧検出部)
15、19 オン電圧調整回路(オン電圧調整部)
16 チョッパ回路
17 制御駆動回路(制御部)
1 Main switch element (first switch)
2
4 Rectifier switch element (second switch)
6
8 Current detection circuit (current detection unit)
9
15, 19 ON voltage adjustment circuit (ON voltage adjustment unit)
16
Claims (7)
入力直流電圧が供給される第1のスイッチと、
前記第1のスイッチのオン・オフ動作に対して相補的にオン・オフ動作を行ない、前記インダクタの電圧を整流する第2のスイッチと、
前記インダクタを流れる電流を平滑化して出力直流電圧を生成する平滑部と、
前記出力直流電圧と与えられた基準電圧との誤差に応じた誤差信号を生成する出力誤差検出部と、
前記第1のスイッチがオン状態であるときに前記インダクタに流れ込む電流の大きさに応じた電流検出信号を生成する電流検出部と、
前記電流検出信号の信号レベルが前記誤差信号の信号レベルに到達すると、前記第1のスイッチをオフ状態にする一方で、前記第2のスイッチをオン状態にする制御駆動部とを備え、
前記制御駆動部は、
前記出力直流電圧又は前記誤差信号に基づいて、前記出力直流電圧が目標値よりも大きいことを検出し、前記出力直流電圧と前記目標値との差に応じた電圧検出信号を出力する電圧検出部と、
前記電圧検出信号に応じて、前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチのうちの少なくとも1つのオン時における電圧降下を調整するオン電圧調整部とを含む
ことを特徴とするDC−DCコンバータ。 An inductor;
A first switch to which an input DC voltage is supplied;
A second switch that performs on / off operation complementary to the on / off operation of the first switch and rectifies the voltage of the inductor;
A smoothing unit that smoothes a current flowing through the inductor to generate an output DC voltage;
An output error detector that generates an error signal according to an error between the output DC voltage and a given reference voltage;
A current detection unit that generates a current detection signal according to a magnitude of a current flowing into the inductor when the first switch is in an ON state;
When the signal level of the current detection signal reaches the signal level of the error signal, a control drive unit that turns off the first switch while turning on the second switch,
The control drive unit is
Based on the output DC voltage or the error signal, a voltage detection unit that detects that the output DC voltage is larger than a target value and outputs a voltage detection signal corresponding to the difference between the output DC voltage and the target value When,
A DC-DC converter comprising: an on-voltage adjusting unit that adjusts a voltage drop when at least one of the first switch and the second switch is turned on according to the voltage detection signal.
前記入力直流電圧に応じた基準信号を生成する信号生成回路と、
前記出力直流電圧が前記目標値よりも大きいときに、前記誤差信号と前記基準信号との差分を増幅することにより、前記電圧検出信号を生成する増幅回路とを有している
ことを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 The voltage detector is
A signal generation circuit for generating a reference signal according to the input DC voltage;
An amplification circuit that generates the voltage detection signal by amplifying a difference between the error signal and the reference signal when the output DC voltage is larger than the target value. The DC-DC converter according to claim 1.
前記オン電圧調整部は、前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチのうちの少なくとも1つのオン抵抗を調整する
ことを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 At least one of the first switch and the second switch is a MOSFET,
2. The DC-DC converter according to claim 1, wherein the on-voltage adjusting unit adjusts an on-resistance of at least one of the first switch and the second switch.
前記オン電圧調整部は、前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチに入力されるゲート・ソース間電圧を調整し、前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチのオン抵抗を調整する
ことを特徴とする請求項3に記載のDC−DCコンバータ。 The first switch and the second switch are both composed of the MOSFET,
The on-voltage adjusting unit adjusts the gate-source voltage input to the first switch and the second switch, and adjusts the on-resistance of the first switch and the second switch. 4. The DC-DC converter according to claim 3, wherein
前記オン電圧調整部は、前記第2のスイッチに入力されるゲート・ソース間電圧を調整し、前記第2のスイッチのオン抵抗を調整する
ことを特徴とする請求項3に記載のDC−DCコンバータ。 At least the second switch comprises the MOSFET;
4. The DC-DC according to claim 3, wherein the on-voltage adjusting unit adjusts an on-resistance of the second switch by adjusting a gate-source voltage input to the second switch. converter.
前記オン電圧調整部は、前記複数個のスイッチのうちのいずれかを選択的に駆動することにより、前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチのオン時における電圧降下を調整することを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 Each of the first switch and the second switch comprises a plurality of switches connected in parallel,
The on-voltage adjusting unit adjusts a voltage drop when the first switch and the second switch are turned on by selectively driving any one of the plurality of switches. The DC-DC converter according to claim 1.
前記オン電圧調整部は、前記複数個のスイッチのうちのいずれかを選択的に駆動することにより、前記第2のスイッチのオン時における電圧降下を調整することを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 The second switch comprises a plurality of switches connected in parallel,
The on-voltage adjusting unit adjusts a voltage drop when the second switch is on by selectively driving any one of the plurality of switches. DC-DC converter.
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- 2005-11-09 JP JP2005324678A patent/JP2007135287A/en active Pending
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