JP2007174772A - Dc−dcコンバータ制御回路、およびdc−dcコンバータ制御方法 - Google Patents

Dc−dcコンバータ制御回路、およびdc−dcコンバータ制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 低リップル電圧特性と負荷急変時の安定した高速応答特性とを両立することができるDC−DCコンバータ制御回路、およびDC−DCコンバータ制御方法を提供すること。
【解決手段】 演算回路より、DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号との加算信号が出力され、比較回路により、加算信号と参照信号とが比較される。DC−DCコンバータは、比較結果に応じてスイッチング制御が行なわれる。出力端子に接続される平滑コンデンサの等価直列抵抗ESRが低減され、電圧リップルが僅少となる場合にも、DC−DCコンバータのコイル電流の変化が検出され、出力電圧にコイル電流の変動分が加算された加算信号を得ることができる。加算信号を参照信号と比較することで、負荷変動によるコイル電流の変化を確実に捉えることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、負荷急変に対する高速応答特性を備えたDC−DCコンバータ制御回路、およびDC−DCコンバータ制御方法に関するものであり、特に、低リップル電圧特性との両立を図ったDC−DCコンバータ制御回路、およびDC−DCコンバータ制御方法に関するものである。
図7に、電流制御型DC−DCコンバータ回路を示す。入力電圧VINと接地電位との間に接続されている、主トランジスタFET1と同期トランジスタFET2とにより、同期整流方式によりスイッチング制御される構成である。
DC−DCコンバータ制御回路100では、センス抵抗素子RSの両端が接続される入力端子(CS1)および(FB1)が、各々、レベルコンバータA100の非反転入力端子および反転入力端子に入力され、チョークコイルL1を流れるコイル電流が電圧信号として入力されるとその差信号を増幅し必要な電圧範囲で出力される(電圧信号VP)。また、出力端子VOUTが接続される入力端子(FB1)から入力される出力電圧VOUTは、基準電圧E1との差電圧が誤差増幅器E100で誤差増幅される(誤差増幅信号VC)。電圧信号VPと誤差増幅信号VCとが、各々、電圧比較器CMP2の非反転入力端子および反転入力端子に入力される。発振器O1からのハイレベル信号でセットされるフリップフロップFF2により、出力端子(DH)を介して主トランジスタFET1が導通される。これによりコイル電流が上昇して電圧比較器CMP2がハイレベルに反転することにより、フリップフリップFF2がリセットされる。出力端子(DL)を介して同期トランジスタFET2が導通する。この動作が、発振器O1の周期で繰り返される周波数固定方式となっている。
主トランジスタFET1が導通すると、入力電圧VINからチョークコイルL1を介して出力端子VOUTに向かってコイル電流が流れ時間とともに増加する。レベルコンバータA100は、センス抵抗素子RSによって電圧変換されたコイル電流を増幅するので、コイル電流の増加に伴って増幅器A100から出力される電圧信号VPが上昇する。電圧比較器CMP2では、誤差増幅信号VCより電圧信号VPが大きくなるとフリップフロップFF2をリセットする。主トランジスタFET1が非導通となり同期トランジスタFET2が導通する。
また、図8に示すDC−DCコンバータ回路では、負荷急変に対して高速な応答を図ることが可能である。いわゆる、コンパレータ制御方式と称される制御である。ここで、平滑コンデンサC1に直列に接続される抵抗ESRは、平滑コンデンサC1に含まれる等価直列抵抗ESRを示す。
出力電圧VOUTが、DC−DCコンバータ制御回路200の入力端子(FB1)に接続され抵抗分圧されて、電圧比較器CMP1の反転入力端子に入力される。電圧比較器CMP1の非反転入力端子には基準電圧E1が接続されている。電圧比較器CMP1の出力端子は、フリップフロップFF1のセット端子に接続されている。フリップフロップFF1は、セット入力に対して、非反転出力端子Qよりワンショットのハイレベルパルス信号を出力する固定パルス幅方式となっている。フリップフロップFF1の非反転、反転出力端子Q、/Qは、各々、出力端子(DH)、(DL)を介して、主トランジスタFET1、同期トランジスタFET2に接続されている。
出力電圧VOUTが低下し基準電圧E1よりも低くなると、電圧比較器CMP1はハイレベルの信号を出力してフリップフロップFF1はセットされる。フリップフロップFF1のセットに応じて、主トランジスタFET1が導通し、入力電圧VINからチョークコイルL1を介して負荷に電流が供給され、DC−DCコンバータの出力電圧VOUTが上昇する。所定時間の経過の後、フリップフロップFF1はリセットされ、同期トランジスタFET2が導通する。チョークコイルL1に蓄えられたエネルギーは同期トランジスタFET2を介して負荷に供給されるが、チョークコイルL1に流れる電流はエネルギーの放出に伴って徐々に減少し、DC−DCコンバータの出力電圧VOUTも徐々に下がる。出力電圧VOUTが基準電圧E1を下回ると、再度、電圧比較器CMP1がハイレベルの信号を出力し、フリップフロップFF1がセットされる。上記の動作が繰り返される。
尚、上記の関連技術として特許文献1乃至3が開示されている。
特開平10−225105号公報 特開2000−287439号公報 特開2000−32744号公報
しかしながら、図7で示した電流制御型DC−DCコンバータ制御回路100では、誤差増幅器E100から出力される誤差増幅信号VCに応じてコイル電流のピーク電流値を制御するため、誤差増幅器E100の周波数特性を、例えばトランジスタFET1、FET2のスイッチング周波数の1/10〜1/20の程度にしないと、ダブルパルシング等の誤動作を生ずるおそれがある。すなわち、スイッチング周波数に比して出力電圧VOUTに応じたフィードバック応答の帯域を充分に下げないと異常なスイッチング動作をしてしまうおそれがある。このため、負荷急変に対して高速な応答ができないおそれがあり問題である。
そこで、図8に示したコンパレータ制御方式のDC−DCコンバータ制御回路200とすれば、電圧比較器CMP1において、出力電圧VOUTと基準電圧E1とを直接に比較して、即時に主トランジスタFET1を導通させるので、負荷急変に対する高速応答が可能ではある。
しかしながら、DC−DCコンバータ制御回路200では、出力電圧VOUTに存するリップル電圧を検出してスイッチング動作が行われるので、出力リップル電圧低減の要請から等価直列抵抗ESRが低いコンデンサを平滑コンデンサC1に使用する場合には、低リップル電圧により出力電圧VOUTの変動検出が困難になってスイッチング制御が不安定となるおそれがあり問題である。
また、DC−DCコンバータ制御回路200では、負荷急変に対して高速応答が行なわれるものの、負荷急変に伴う過渡応答が収束する段階においても高速応答の状態が継続されるため、DC−DCコンバータの出力電圧が目標電圧を越えてオーバーシュートし、その後にリンギング現象を生じてしまうおそれがあり問題である。さらに、コンパレータ制御方式は、原理的に固定パルス幅方式となるため、ノイズ対策が容易な周波数固定方式の実現が困難となる問題がある。
本発明は前記背景技術に鑑みなされたものであり、低リップル電圧特性と負荷急変時の安定した高速応答特性とを両立することができるDC−DCコンバータ制御回路、およびDC−DCコンバータ制御方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明に係るDC−DCコンバータ制御回路は、DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号との加算信号が出力される演算回路と、加算信号と参照信号とを比較する比較回路とを備え、比較回路による比較結果に応じてスイッチング制御を行なうことを特徴とする。
本発明のDC−DCコンバータ制御回路では、演算回路より、DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号との加算信号が出力され、比較回路により、加算信号と参照信号とが比較される。DC−DCコンバータは、比較結果に応じてスイッチング制御が行なわれる。
また、本発明に係るDC−DCコンバータ制御方法は、DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号とを加算するステップと、加算のステップによる加算結果と参照信号とを比較するステップと、比較のステップによる比較結果に応じてスイッチング制御を行なうステップを有することを特徴とする。
本発明のDC−DCコンバータ制御方法では、DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号との加算信号が出力され、加算信号と参照信号とが比較される。DC−DCコンバータは、比較結果に応じてスイッチング制御が行なわれる。
これにより、DC−DCコンバータの出力端子に接続される平滑コンデンサの等価直列抵抗ESRが低減され、出力電圧に重畳される電圧リップルが僅少となる場合にも、DC−DCコンバータのコイル電流の変化が検出され、出力電圧にコイル電流の変動分が加算された加算信号を得ることができる。加算信号を参照信号と比較することで、負荷変動によるコイル電流の変化を確実に捉えることができる。
コイル電流の変動分に応じて加算信号が出力されるので、負荷急変時の初期段階では、加算信号と参照信号との差異が大きくなり、負荷急変に迅速に対応したスイッチング制御が行なわれる。急峻な負荷変動に迅速に対応して、負荷変化に伴うコイル電流の変化や出力電圧の目標電圧からのズレに迅速に対応することができる。
負荷急変に対応するスイッチング制御が行なわれコイル電流や出力電圧が目標値に近づくに従い、加算信号と参照信号との差異は縮小し、過渡的なスイッチング制御は次第に緩やかに収束する。定常状態に近づくのに合せて過渡的なスイッチング制御は収束し、出力電圧の逆方向へのオーバーシュート現象、およびこれに伴う出力電圧のリンギング現象を防止することができる。
本発明によれば、等価直列抵抗ESRの小さなコンデンサを平滑コンデンサとして使用し、低リップル電圧の出力電圧の実現を図りながら、負荷急変に対して高速に応答する高速応答特性が確保され、しかも高速応答に伴う出力電圧のオーバーシュートやリンギング現象が発生することなく、迅速に目標電圧に収束することが可能なDC−DCコンバータ制御回路、およびDC−DCコンバータ制御方法を提供することが可能となる。
以下、本発明のDC−DCコンバータ制御回路、およびDC−DCコンバータ制御方法について具体化した実施形態を図1乃至図6に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の原理を説明する回路図である。同期整流方式の構成を有する降圧型のDC−DCコンバータを例にした原理回路図である。すなわち、主トランジスタFET1と同期トランジスタFET2とが、入力電源VINと接地電位との間に直列接続され、接続点にチョークコイルL1が接続されている。チョークコイルL1の他端はセンス抵抗素子RSを介して出力端子VOUTに接続されている。出力端子VOUTと接地電位との間には平滑コンデンサC1が接続されている。
トランジスタFET1、FET2をスイッチング制御するDC−DCコンバータ制御回路1はコンパレータ制御方式と同じ固定パルス幅方式が例示されている。1ショットフリップフロップ回路FF1のQ出力端子(Q)は、出力端子(DH)を介して主トランジスタFET1のゲート端子に接続されている。/Q出力端子(/Q)は、出力端子(DL)を介して同期トランジスタFET2のゲート端子に接続されている。1ショットフリップフロップ回路FF1は、セット端子(S)に入力されるハイレベル信号に応じて、所定時間、Q出力端子(Q)からハイレベル信号を出力し、/Q出力端子(/Q)からローレベル信号を出力する。
チョークコイルL1とセンス抵抗素子RSとの接続点は、入力端子(CS1)を介してハイパスフィルタHP1に接続され、ハイパスフィルタHP1は加算器A1に接続されている。出力端子VOUTは、入力端子(FB1)を介して加算器A1に接続されている。加算器A1は、比較器CMP1の反転入力端子に接続されている。比較器CMP1の非反転入力端子には参照電圧E1が接続されている。また、比較器CMP1の出力端子は1ショットフリップフロップ回路FF1のセット端子(S)に接続されている。
図1に例示する降圧型のDC−DCコンバータでは、主トランジスタFET1の導通により入力電源VINから出力端子VOUTに至る電流経路が形成され、この電流経路に流れるコイル電流が増加してチョークコイルL1に電磁エネルギーが蓄積される。同期トランジスタFET2の導通により接地電位から出力端子VOUTに至る電流経路が形成され、この電流経路に流れるコイル電流が減少してチョークコイルL1に蓄積された電磁エネルギーが出力端子VOUTに向けて放出される。このスイッチング動作を繰り返すことにより、コイル電流の増減動作が繰り返される。
コイル電流の増減は、センス抵抗素子RSにより検出される。入力端子(CS1)に入力される電圧信号は、DC信号成分である出力電圧VOUTに、センス抵抗素子RSにより電圧変換される、コイル電流のDC信号成分および増減変動するコイル電流のAC信号成分が重畳されて得られる電圧信号である。この電圧信号がハイパスフィルタHP1に入力され、AC信号成分、すなわち、コイル電流の変動分のみが出力される。加算器A1において、DC信号成分である出力電圧VOUTとAC信号成分であるコイル電流の変動分が加算される。加算信号を参照電圧E1と比較することにより、スイッチング制御が行なわれる。
ここで、参照電圧E1は、例えば、出力電圧VOUTにおける目標電圧である。図1の第1の原理図では、加算信号のボトム値が参照電圧E1と一致するようにスイッチング制御が行われる。加算信号のボトム値とは、AC信号成分であるコイル電流の変動分が最小値となる値、すなわち、DC信号成分である出力電圧VOUTとなる値である。出力電圧VOUTが参照電圧E1に維持されるようにスイッチング制御が行なわれる。
DC−DCコンバータ制御回路1では、ハイパスフィルタHP1によりコイル電流の変動分をAC信号成分として抽出するので、チョークコイルL1に流れるコイル電流のうちDC電流成分を除去することができる。また、このAC信号成分に出力電圧VOUTをDC信号成分として加算するので、出力電圧VOUTをボトム電圧としてコイル電流に応じて変動する電圧信号を参照電圧E1と比較してスイッチング制御を行なうことができる。平滑コンデンサC1を等価直列抵抗ESRの僅少な抵抗値とし、リップル電圧が低減された場合にも、コイル電流における変動分を検出して的確にスイッチング制御を行なうことができる。
図2には、図1に示す第1の原理を具体化した第1実施形態の回路図を示す。DC−DCコンバータ制御回路11において、ハイパスフィルタHP1の具体例として、入力端子(CS1)と比較器CMP1の反転入力端子との間に、ハイパスフィルタ容量素子HP11が備えられている。また、入力端子(FB1)と比較器CMP1の反転入力端子との間に、ハイパスフィルタの構成要素を兼ねる加算抵抗素子A11が備えられている。
ここで、加算抵抗素子A11は加算器A1の具体例である。入力端子(CS1)から入力された信号のうち、ハイパスフィルタ容量素子HP11を通過するAC信号成分であるコイル電流の変動分は、入力端子(FB1)から入力され、加算抵抗素子A11を通過するDC信号成分である出力電圧VOUTに加算される。なお、ハイパスフィルタの帯域幅は、HP11とA11で決まる。
出力電圧VOUTにコイル電流の変動分が加算された加算信号が、比較器CMP1の反転入力端子に入力される。加算信号のボトム値が非反転入力端子に入力されている参照電圧E1と比較される。ここで、加算信号のボトム値とはコイル電流の変動分が最小になる値である。すなわち、出力電圧VOUTが参照電圧E1と比較される。
図3は、本発明の第2の原理を説明する回路図である。DC−DCコンバータを構成する主/同期トランジスタFET1/FET2、チョークコイルL1、センス抵抗素子RS、および平滑コンデンサC1は、第1の原理(図1)の場合と同様であり、同様の接続関係を有し、同様の作用を有する。ここでの説明は省略する。
また、DC−DCコンバータ制御回路2は、DC−DCコンバータ制御回路1(図1)と同様であり、コンパレータ制御方式が例示されている。各入力端子(CS1)、(FB1)、および各出力端子(DH)、(DL)への接続関係も第1の原理(図1)と同様である。DC−DCコンバータ制御回路2において、1ショットフリップフロップ回路FF1、比較器CMP1、および参照電圧E1は、第1の原理(図1)と同様であり、同様の接続関係を有し、同様の作用を有する。ここでの説明は省略する。
DC−DCコンバータ制御回路1(図1)におけるハイパスフィルタHP1、および加算器A1に代えて、DC−DCコンバータ制御回路2では、ローパスフィルタLP2、反転増幅器IA2、および加算器A2を備えている。反転増幅器IA2、および加算器A2により、減算回路が構成されている。
入力端子(CS1)は、加算器A2およびローパスフィルタLP2に接続され、入力端子(FB1)は、反転増幅器IA2の非反転入力端子に接続されている。反転増幅器IA2の反転入力端子はローパスフィルタLP2に接続され、出力端子は加算器A2に接続されている。加算器A2の出力端子は比較器CMP1の反転入力端子に接続されている。
入力端子(CS1)より入力される、出力電圧VOUTにコイル電流のDCおよびAC信号成分が重畳されて得られる電圧信号VPは、ローパスフィルタLP2に入力され、コイル電流の変動分を検出する際の基準電圧信号VP’が出力される。コイル電流の変動分を見積もる際の基準となる信号である。ここで、ローパスフィルタLP2とは、入力端子(CS1)に入力される電圧信号VPからAC信号成分であるコイル電流の変動分を除去した信号を出力する機能を有する。
基準電圧信号VP’は、反転増幅器IA2の反転入力端子に入力され、非反転入力端子に入力されている出力電圧VOUTに対して反転される。尚、この増幅率は、電圧信号VPが加算器A2に加えられる利得と同じである必要があり、この場合は1倍である。これにより、反転増幅器IA2から出力される信号は、VOUT−VP’となる。加算器A2で電圧信号VPと加算され、比較器CMP1の反転入力端子には、VOUT+(VP−VP’)が入力される。
(VP−VP’)がコイル電流の変動分を示すAC電圧信号成分である。コイル電流の変動分に出力電圧VOUTが加算された信号が参照電圧E1と比較され、スイッチング制御が行なわれる。
DC−DCコンバータ制御回路2では、ローパスフィルタLP2によりコイル電流の変動分を検出する基準電圧信号VP’が出力され、反転増幅器IA2で出力電圧VOUTに対して反転されるので、加算器A2において、電圧信号VPから基準電圧信号VP’を減じてコイル電流の電圧換算変動分(VP−VP’)を検出することができる。そして、比較器CMP1により、コイル電流の電圧換算変動分(VP−VP’)に出力電圧VOUTが加算された加算電圧を、参照電圧E1と比較することができる。これにより、出力電圧VOUTをボトム電圧としてコイル電流に応じて変動する電圧信号を参照電圧E1と比較してスイッチング制御を行なうことができる。平滑コンデンサC1として等価直列抵抗ESRを僅少な抵抗値としリップル電圧が低減された場合にも、コイル電流における変動分を検出して的確にスイッチング制御を行なうことができる。
図4は、第2の原理(図3)を具体化した第2実施形態の回路図である。DC−DCコンバータ制御回路21では、第2の原理におけるローパスフィルタLP2の一例としてサンプリング回路LP21を備え、反転増幅器IA21の一例として反転増幅器IA21を備え、加算器A2の一例として加算器A21を備えている。更に、電圧信号VPを、入力端子(CS1)に入力される信号に対して増幅して出力する非反転増幅器31を備えている。
非反転増幅器31は、増幅器AMP1、抵抗素子R1、R2を備えて構成されている一般的な非反転増幅器である。抵抗素子R1、R2の各々の抵抗値をR1、R2とすると、利得は、G=1+R2/R1である。抵抗素子R1には、入力端子(FB1)を介して出力電圧VOUTが入力されている。スイッチング動作によるコイル電流の変動に比して、出力電圧VOUTはDC信号成分であると見なすことができる。従って、非反転増幅器31から出力される電圧信号VPは、入力端子(CS1)、(FB1)の入力電圧を、各々、VCS1、VFB1、コイル電流をILとすれば、
VP=VOUT+G×(VCS1−CFB1)
=VOUT+G×IL×RS ・・・ (1)
となる。
サンプリング回路LP21は、ボルテージフォロア構成の増幅器AMP2を備え、増幅器AMP2の非反転入力端子は、接地電位との間に備えられる容量素子CSと、非反転増幅器31の出力端子との間に備えられるスイッチ回路SW1との接続点が接続されている。スイッチ回路SW1は、1ショットフリップフロップ回路FF1のQ出力端子(Q)に接続されて制御される。スイッチ回路SW1は、Q出力端子(Q)がハイレベルに反転した後、FF1の固定オン時間より十分短い期間に導通状態とされる。これにより、トランジスタFET1が導通状態となった時点の電圧信号VPが容量素子CSに取り込まれる。同期トランジスタFET2の導通期間の終了によりスイッチングサイクルは終了する。このときコイル電流ILはボトム値となる。容量素子CSには、前スイッチングサイクルでコイル電流ILがボトム値となる時点での電圧信号VPが保持される。これが次スイッチングサイクルでの基準電圧信号VP’となる。
反転増幅器IA21は、増幅器AMP3、抵抗素子R3、R4を備えて構成されている一般的な反転増幅器である。抵抗素子R3、R4の抵抗比は、前述の通り利得を1とするため1対1である。増幅器AMP3の非反転入力端子には、入力端子(FB1)を介して出力電圧VOUTが入力されている。反転増幅器IA21から出力される電圧信号VXは、
VX=(VOUT−VP’)+VOUT
=2×VOUT−VP’
=2×VOUT−(VOUT’+G×IL’×RS) ・・・ (2)
となる。ここで、VOUT’、およびIL’は、前スイッチングサイクルは終了時点での出力電圧、およびコイル電流である。このときのコイル電流はボトム値である。
加算器A21は、抵抗素子R5、R6とを備えて構成されている。各々の抵抗比は1対1である。加算器A21の出力電圧VZは、電圧信号VPと電圧信号VZとが平均された電圧となる。
VZ=(VP+VX)/2
={(VOUT+G×IL×RS)+(2×VOUT−(VOUT’+G×IL’×RS))}/2
=VC1+IL×ESR+(IL−IL’)×(G×RS+ESR)/2
・・・ (3)
ここで、式(3)を導出するに当たっては、隣り合うスイッチングサイクルにおいて出力電圧は同じであり(VOUT=VOUT’)、また、出力電圧VOUTは、平滑コンデンサC1の端子電圧をVC1、等価直列抵抗をESRとすると、
VOUT=VC1+IL×ESR
と表わされることを利用した。ここで、式(3)の第3項である(IL−IL’)×(G×RS+ESR)/2が、第2の原理(図3)において説明したコイル電流ILの電圧換算変動分(VP−VP’)にあたる。なお、式(3)が成立すればよいため、前述の抵抗素子R3、R4の抵抗比を1対2,抵抗素子R5、R6の抵抗比を1対2とするような変更が可能であることは当然である。
これにより、コイル電流ILの変動分(IL−IL’)に係数(G×RS+ESR)/2が乗じられ、比較器CMP1において参照電圧E1との電圧比較が行なわれる。非反転増幅器31において利得Gを調整することができるので、コイル電流ILの変動分(IL−IL’)が等価直列抵抗ESRに流れる場合にリップル電圧として得られる電圧変動に比して、大きな電圧変動を得ることができる。従来のコンパレータ制御方式では原理的に前段での信号増幅が実現できなかったが、本方式では電圧変動が大きく取れるため、比較器CMP1における応答速度が高速化され、低い抵抗値の等価直列抵抗ESRを有する平滑コンデンサC1を使用しても、コンパレータ制御方式での特徴である高速動作を実現することができる。
コイル電流ILの変動分(IL−IL’)を検出するに当たり、前スイッチングサイクルでのコイル電流ILのボトム値IL’を使用するので、負荷急変における過渡状態の初期段階では、コイル電流ILの変動分(IL−IL’)を大きな値として、コンパレータ制御方式における高速応答動作を実現することができる。負荷急変における過渡状態の終了段階では、コイル電流ILの変動分(IL−IL’)が小さくなるので、コンパレータ制御方式における高速応答動作が抑制されて出力端子VOUTに対するコイル電流ILの供給または放出を抑制することができる。過渡応答の終了段階での出力電圧VOUTのオーバーシュートやリンギング現象を抑制することができ、負荷急変に対する出力電圧VOUTの収束性能を改善することができる。
図5は、第2実施形態の第1変形例である。図4が固定パルス幅方式であるのに対して、第1変形例では、周波数固定方式のDC−DCコンバータを例示している。図7の電流制御型と比べると、第1変形例では、エラーアンプは備えておらず、内蔵発振器の発振周波数の周期を帯域幅とする高速応答が可能となる。DC−DCコンバータ制御回路22は、DC−DCコンバータ制御回路21(図4)における、サンプリング回路LP21、比較器CMP1、および1ショットフリップフロップ回路FF1に代えて、サンプリング回路LP22、セット端子(S)およびリセット端子(R)を有するフリップフロップ回路FF2、および比較器CMP2を備えている。また、DC−DCコンバータ制御回路21に加えて、分周器32、および発振器O1を備えている。
DC−DCコンバータ制御回路22では、加算器A21の出力端子と参照電圧E1との比較器CMP2への接続が、DC−DCコンバータ制御回路21とは逆転している。また、比較器CMP2の出力端子は、フリップフロップ回路FF2のリセット端子(R)に入力されている。フリップフロップ回路FF2のセット端子(S)は発振器O1に接続されている。
すなわち、発振器O1により、所定の発振周期ごとにフリップフロップ回路FF2がセットされ、主トランジスタFET1が導通を開始する。比較器CMP2は、加算器A21から出力されるピーク値が参照電圧E1に一致したことを検出し、フリップフロップ回路FF2をリセットして、主トランジスタFET1を非導通とする。
ここで、非反転増幅器31、反転増幅器IA21、および加算器A21の構成、作用は、DC−DCコンバータ制御回路21(図4)と同様であり、ここでの説明は省略する。
サンプリング回路LP22は、サンプリング回路LP21に加えて、スイッチ回路SW1に並列にダイオード素子Dが備えられている。また、スイッチ回路SW1は、分周器32からの出力信号に応じて導通制御される。フリップフロップ回路FF2のQ出力端子(Q)が分周されて供給される。
DC−DCコンバータ制御回路22は、電流制御型のDC−DCコンバータと同じ周波数固定方式ではあるが、エラーアンプを備える必要がない。安定したスイッチング動作を実現するために、エラーアンプであれば、例えば発振周波数の1/10以下の帯域幅に設定しなければならないところ、サンプリング回路LP22を使用し、発振周期または本例では分周器32で分周された周期でサンプリングを行ない、発振周期を帯域幅とする高速応答が可能となる。
サンプリング回路LP22において、電圧信号VPのサンプリングをスイッチングサイクルごとには行なわず、分周器32で分周されたサイクルごとに行なう。例えば、1/2分周されるのであれば、サンプリング動作は、2スイッチングサイクルに1回行なわれることとなる。これにより、電流制御型のDC−DCコンバータを高速応答させた場合の、スイッチングサイクルの1/2分周で出力電圧が振動する現象を防止することができる。
また、電源投入時等の出力電圧VOUTの急変時には、前スイッチングサイクルの電圧信号VPを次スイッチングサイクルの基準電圧信号VP’としてサンプリングしても、コイル電流ILの変動分を正しく導き出すことはできない。この間、出力電圧VOUTが大きく変化してしまい、コイル電流ILの変動分を実際の値より大きく検出してしまうからである。これにより、過渡応答において必要以上に高速な応答をすることとなり、オーバーシュートやリンギング等の現象を誘発して、収束性を悪化させるおそれがある。
そこで、ダイオード素子Dを基準電圧信号VP’のクランプ回路として備えることにより、スイッチングサイクル間での電圧信号VPの電圧変化幅を、ダイオード素子Dの順方向電圧である略0.6Vにクランプする。基準電圧信号VP’を出力電圧VOUTの変化に追従させることができる。検出されるコイル電流ILの変動分を制限することができ、高速応答を維持しながら収束性を改善することができる。
以上のように、本例ではノイズ対策が容易な周波数固定制御と、コンパレータ方式と同様の高速応答とを同時に実現している。
図6は、第2実施形態の第2変形例である。第1変形例(図5)の同期トランジスタFET2に代えてダイオード素子D1を備え、非同期整流方式の電流制御型DC−DCコンバータを例示している。また、センス抵抗素子RSに代えて、チョークコイルL1と並列に抵抗素子Rxと容量素子Cxとが直列に備えられている。ここで、抵抗RdcはチョークコイルL1の直流抵抗成分を表わしている。
DC−DCコンバータ制御回路23は、DC−DCコンバータ制御回路22(図5)におけるサンプリング回路LP22および分周器32に代えて、サンプリング回路LP23および内蔵されているローパスフィルターRf,CS2を備えている。入力端子(CS1)は、抵抗素子Rxと容量素子Cxとの接続点に接続されている。
第2変形例では、コイル電流ILの検出に、抵抗素子Rxと容量素子Cxとを使用する。センス抵抗素子RSを不用とし、チョークコイルL1の直流抵抗成分Rdcによる最小損失で、コイル電流ILを検出することが可能な既知の方式を採用したものである。直流抵抗成分Rdcの温度変動を無視すると、L1/Rdc=1/Rx/Cxのときに、コイル電流ILを正しく検出できることが知られている。
この形式では、入力端子(CS1)に入力電流があると大きな誤差を生ずる。したがって、非反転増幅器31を構成する増幅器AMP1の入力段等をMOSトランジスタ等の入力抵抗の高い素子で構成してやれば、入力電流を無視することができ誤差を低減することができる。
また、入力端子(CS1)における入力電流が無視できない場合には、この電流が抵抗素子Rxに流れることによりコイル電流ILに誤差を生ずることとなるところ、誤差を含んだコイル電流が非反転増幅器31で増幅され、サンプリング回路LP23でサンプリングされて、互いに減算される。従って、この場合でも加算器A21の出力では誤差は相殺される。
サンプリング回路LP23は、基本となるサンプリング回路LP21(図4)に加えて、容量素子CSに並列に、直列接続されたローパスフィルターを構成する抵抗素子Rfと容量素子CS2とが接続されている。抵抗素子Rfと容量素子CS2との接続点が増幅器AMP2の非反転入力端子に接続されている。
ここで、容量素子CS、CS2は同じ容量値(CS)を有するものとすると、スイッチ回路SW1によりサンプリングされた信号の時定数τは、
τ=2×π×Rf×CSとなる。この時定数τを、DC−DCコンバータのスイッチング周期より短く設定し、サンプリング時間より長く設定してやれば、増幅器AMP2から出力される基準電圧信号VP’は、直前のスイッチングサイクルとその前のサイクルとの中間値とすることができる。基準電圧信号VP’としてフィルタリングされ平均化された信号とすることができる。
以上詳細に説明したとおり、本実施形態に係るDC−DCコンバータ制御回路、およびDC−DCコンバータ制御方法によれば、DC−DCコンバータの出力端子VOUTに接続される平滑コンデンサC1の等価直列抵抗ESRが低減され、出力電圧VOUTに重畳される電圧リップルが僅少となる場合にも、DC−DCコンバータのコイル電流ILの変化が検出され、出力電圧VOUTにコイル電流ILの変動分(IL−IL’)が加算された加算信号VZを得ることができる。加算信号VZを参照信号E1と比較することで、負荷変動によるコイル電流ILの変化を確実に捉えることができる。
コイル電流ILの変動分(IL−IL’)に応じて加算信号VZが出力されるので、負荷急変時の初期段階では、加算信号VZと参照電圧E1との差異が大きくなり、負荷急変に迅速に対応したスイッチング制御が行なわれる。コイル電流ILや出力電圧VOUTが目標値に近づくに従い、加算信号VZと参照電圧E1との差異は縮小し、過渡的なスイッチング制御は次第に緩やかになる。定常状態への到達に合せて過渡的なスイッチング制御は収束し、出力電圧VOUTの逆方向へのオーバーシュート現象、およびこれに伴う出力電圧VOUTのリンギング現象を防止することができる。
負荷変動が急峻で、スイッチングデューティが100%や0%となる場合は、コイル電流ILのピーク点がないため、基準電圧信号VP’をサンプリングすることができない。この場合、コイル電流ILは最大速度で追従に向かっているため、出力電圧VOUTのオーバーシュートやリンギング現象を抑えるためにも、早めの補償動作が必要である。本発明では、サンプリングされた基準電圧VP’は、スイッチングデューティが100%や0%となる前のスイッチングサイクルでの電圧信号VPとなる。これにより、コイル電流ILの変動分(IL−IL’)が小さく見積もられ高速応答性が緩和される。収束を改善することができる。追加回路を必要とすることなく、出力電圧VOUTのオーバーシュートやリンギング現象を抑制することができる。
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは言うまでもない。
本発明では、コイル電流ILの変動分(IL−IL’)の利得は、G×RSの項となる。この利得を負荷容量などの使用条件に対して最適化するにより、全体の系の安定化と高速化を図ることができる。例えば、使用条件によりセンス抵抗素子RSの抵抗値を変更することができる。また、センス抵抗素子RSは特に低い抵抗値であり選択の自由度が制限される場合には、抵抗素子R1、R2を、図示されていない追加のスイッチ回路等により選択的に切り替えることができる。これにより、コイル電流ILの変動分(IL−IL’)の利得を調整することができる。
また、第1、第2変形例(図5、図6)は、コイル電流ILのトップ値を検出する場合を例にとり説明したが、ボトム値を検出することも可能である。
また、反転増幅器IA21には、出力電圧VOUTを接続する場合を例示したが、出力電圧VOUTに代えて、参照電圧E1を接続することも可能である。
ここで、本発明の技術思想により、背景技術における課題を解決するための手段を以下に列記する。
(付記1) DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号との加算信号が出力される演算回路と、
前記加算信号と参照信号とを比較する比較回路とを備え、
前記比較回路による比較結果に応じてスイッチング制御を行なうことを特徴とするDC−DCコンバータ制御回路。
(付記2) 前記AC電流信号を抽出するハイパスフィルタ回路を備えることを特徴とする付記1に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記3) 前記演算回路は、
前記ハイパスフィルタ回路から出力される前記AC電流信号と前記出力電圧信号とを加算する加算回路を備えることを特徴とする付記2に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記4) 前記出力電圧信号に、DCおよびAC電流成分を含む前記コイル電流に応じたコイル電流信号が加算された検出信号に基づいて、該コイル電流信号のDC成分を基準信号として保持する基準信号回路を備え、
前記演算回路は、
前記基準信号における前記出力電圧信号に対する信号変位分を反転して、前記出力電圧信号に加算する反転増幅器と、
前記検出信号と前記反転増幅器からの出力信号とを加算する加算回路とを備えることを特徴とする付記1に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記5) 前記基準信号回路は、
サンプルホールド回路と、
前記DC−DCコンバータの先行するスイッチング周期において、前記検出信号の値を前記サンプルホールド回路に取り込むスイッチ回路を備えることを特徴とする付記4に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記6) 前記スイッチ回路は、1スイッチング周期前の前記検出信号の値を取り込むことを特徴とする付記5に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記7) 前記スイッチ回路に並列接続され、前記検出信号に対する前記基準信号の降下量を制限するクランプ回路を備えることを特徴とする付記5に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記8) 前記スイッチ回路は、前記DC−DCコンバータにおける比較検出時またはその直後の前記検出信号を取り込むことを特徴とする付記5に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記9) 前記スイッチ回路は、少なくとも2スイッチング周期前の前記検出信号を取り込むことを特徴とする付記5に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記10) 前記DC−DCコンバータのスイッチング制御信号を分周する分周器を備え、
前記スイッチ回路は、前記分周器の出力信号に応じて制御されることを特徴とする付記5に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記11) 前記サンプルホールド回路は、
前記検出信号を取り込む第1容量素子と、
前記第1容量素子に接続されるローパスフィルタ回路とを備え、
前記基準信号は、前記ローパスフィルタ回路の出力から与えられることを特徴とする付記5に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記12) 前記サンプルホールド回路は、
前記検出信号を取り込む第1容量素子と、
前記第1容量素子に並列接続され、第2容量素子を含む時定数回路とを備え、
前記基準信号は、前記第2容量素子に保持されてなることを特徴とする付記11に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記13) 前記基準信号回路は、
前記検出信号が入力されるローパスフィルタ回路を備えることを特徴とする付記4に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記14) 前記出力電圧に前記コイル電流による電圧分が加算された原信号に対して、前記出力電圧に対する信号変位分を増幅して、前記出力電圧に加算する非反転増幅器を備え、
前記検出信号は該非反転増幅器からの出力信号であることを特徴とする付記4に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
(付記15) DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号とを加算するステップと、
前記加算のステップによる加算結果と参照信号とを比較するステップと、
前記比較のステップによる比較結果に応じてスイッチング制御を行なうステップを有することを特徴とするDC−DCコンバータ制御方法。
(付記16) 前記出力電圧信号に、DCおよびAC電流成分を含む前記コイル電流に応じたコイル電流信号が加算された検出信号に基づいて、前記AC電流信号の基準信号を保持するステップを有し、
前記加算のステップは、
前記基準信号における前記出力電圧信号に対する信号変位分を反転して、前記出力電圧信号に加算するステップと、
前記検出信号と前記反転加算のステップにより得られる信号とを加算するステップとを有することを特徴とする付記15に記載のDC−DCコンバータ制御方法。
(付記17) 前記基準信号を保持するステップは、
前記DC−DCコンバータの先行するスイッチング周期において、前記検出信号の値を前記基準信号として取り込むステップを有することを特徴とする付記16に記載のDC−DCコンバータ制御方法。
(付記18) 前記検出信号の値を取り込むステップは、1スイッチング周期前に行なわれることを特徴とする付記17に記載のDC−DCコンバータ制御方法。
(付記19) 前記検出信号の値を取り込むステップは、少なくとも2スイッチング周期前に行なわれることを特徴とする付記17に記載のDC−DCコンバータ制御方法。
(付記20) 前記基準信号を保持するステップは、
取り込まれた前記検出信号と、それ以前に取り込まれ保持されている前記検出信号の平均値とを、更に平均するステップを有することを特徴とする付記17に記載のDC−DCコンバータ制御方法。
本発明の原理図(1)である。 第1実施形態の回路図である。 本発明の原理図(2)である。 第2実施形態の回路図である。 第2実施形態の第1変形例の回路図である。 第2実施形態の第2変形例の回路図である。 背景技術の回路図(1)である。 背景技術の回路図(2)である。
符号の説明
1、11、2、21、22、23、100、200 DC−DCコンバータ制御回路
31 非反転増幅器
32 分周器
33 スロープ補償器
A1、A2、A21 加算回路
A11 ハイパスフィルタを兼ねる加算抵抗素子
CMP1、CMP2 比較器
E1 参照電圧
FF1、FF2 フリップフロップ回路
HP1 ハイパスフィルタ
HP11 ハイパスフィルタ容量素子
IA2、IA21 反転増幅器
LP2 ローパスフィルタ
LP21、LP22、LP23 サンプリング回路
O1 発振器
A100 レベルコンバータ
E100 誤差増幅器

Claims (10)

  1. DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号との加算信号が出力される演算回路と、
    前記加算信号と参照信号とを比較する比較回路とを備え、
    前記比較回路による比較結果に応じてスイッチング制御を行なうことを特徴とするDC−DCコンバータ制御回路。
  2. 前記AC電流信号を抽出するハイパスフィルタ回路を備えることを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
  3. 前記出力電圧信号に、DCおよびAC電流成分を含む前記コイル電流に応じたコイル電流信号が加算された検出信号に基づいて、該コイル電流信号のDC成分を基準信号として保持する基準信号回路を備え、
    前記演算回路は、
    前記基準信号における前記出力電圧信号に対する信号変位分を反転して、前記出力電圧信号に加算する反転増幅器と、
    前記検出信号と前記反転増幅器からの出力信号とを加算する加算回路とを備えることを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
  4. 前記基準信号回路は、
    サンプルホールド回路と、
    前記DC−DCコンバータの先行するスイッチング周期において、前記検出信号の値を前記サンプルホールド回路に取り込むスイッチ回路を備えることを特徴とする請求項3に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
  5. 前記スイッチ回路に並列接続され、前記検出信号に対する前記基準信号の降下量を制限するクランプ回路を備えることを特徴とする請求項4に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
  6. 前記DC−DCコンバータのスイッチング制御信号を分周する分周器を備え、
    前記スイッチ回路は、前記分周器の出力信号に応じて制御されることを特徴とする請求項4に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
  7. 前記サンプルホールド回路は、
    前記検出信号を取り込む第1容量素子と、
    前記第1容量素子に接続されるローパスフィルタ回路とを備え、
    前記基準信号は、前記ローパスフィルタ回路の出力から与えられることを特徴とする請求項4に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
  8. 前記サンプルホールド回路は、
    前記検出信号を取り込む第1容量素子と、
    前記第1容量素子に並列接続され、第2容量素子を含む時定数回路とを備え、
    前記基準信号は、前記第2容量素子に保持されてなることを特徴とする請求項7に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
  9. 前記基準信号回路は、
    前記検出信号が入力されるローパスフィルタ回路を備えることを特徴とする請求項3に記載のDC−DCコンバータ制御回路。
  10. DC−DCコンバータの出力電圧に応じて得られる出力電圧信号とコイル電流におけるAC電流成分に応じて得られるAC電流信号とを加算するステップと、
    前記加算のステップによる加算結果と参照信号とを比較するステップと、
    前記比較のステップによる比較結果に応じてスイッチング制御を行なうステップを有することを特徴とするDC−DCコンバータ制御方法。
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