JP2007282443A

JP2007282443A - スイッチングレギュレータ

Info

Publication number: JP2007282443A
Application number: JP2006108695A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Mino; 和明三野
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】スイッチングレギュレータにおいて、負荷電圧の変動を小型，安価に抑制できるようにする。
【解決手段】検出器１１で負荷電流を検出し、その変化率ｄｉ／ｄｔを検出器１２によって検出し、負荷電流が急変した場合はスイッチング素子１に対しＰＷＭ信号からＰＦＭ信号に切り替えて、スイッチング周波数を高めることにより制御を早め、負荷電圧の低下を抑制可能とする。通常はＰＷＭ制御方式とし、負荷が急増する僅かな期間だけＰＦＭ制御方式とすることで、部品点数やスイッチング損失の増加を抑制する。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電圧から任意の直流電圧を得る、いわゆる直流−直流変換器において、負荷電流または負荷電圧の変動を抑制することができるスイッチングレギュレータに関する。

図５に例えば特許文献１に開示された従来例を、図６にその動作例を示す。
ここでは、図５の直流電源９から負荷１０に、直流電源よりも低い電圧を供給する降圧チョッパ回路を例にして説明する。図５において、負荷電流ｉ_oが図６のように急変した場合、通常はリアクトルの電流を急に上昇させることはできないので、ｉ_oはコンデンサ７から供給され負荷電圧Ｖｏが図６のように低下する。このとき、例えばＣＰＵのように電源電圧が低下すると誤動作するような機器が負荷として接続されていると、負荷に悪影響を与えることになる。

そこで、図５に示すように降圧チョッパ回路を複数設け、各制御信号の位相をずらして等価的な動作周波数を高くしている。すなわち、動作周波数が高ければ、負荷電流が急に上昇しても、スイッチング素子１または２のどちらか一方がオンしたときに、リアクトル５または６の電流ｉ₅，ｉ₆を図６のように上昇させることができ、Ｖｏの低下を抑制することができる。図６では、負荷が急変しても素子１のゲート信号（制御信号）Ｇ₁がオンするまで待つ必要がなく、素子２のゲート信号（制御信号）Ｇ₂がオンするので、遅延時間ｔｄが短くなる。

よって、負荷電流の変化に対して高速にリアクトルの電流を上昇させることができ、負荷電圧Ｖｏの低下が抑制される。このように、降圧チョッパ回路を複数設けることで、等価的な動作周波数を高くすることができ、負荷電流が上昇しても負荷電圧が大きく低下する前にいずれかのスイッチング素子がオンし、リアクトルの電流が上昇するとともに、負荷電圧の低下が抑制される。

図７に例えば特許文献２に記載の方式を示す。
これは、複数の降圧チョッパを用いず、負荷の電流が急変したらＰＦＭ（パルス周波数変調）方式から、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式へと切り替えるものである。なお、ＰＦＭ制御は一定パルスで周波数が変化し、ＰＷＭは一定周波数でパルス幅が変化する動作となる。
図７の回路で、負荷が急変した場合の動作例を図８に示す。
負荷電流ｉ_oが図８のように急増すると、ＰＦＭ制御からＰＷＭ制御に切り替わるのでパルス幅が増加し、スイッチング素子１がオンする期間が長くなり、電流ｉ₅が増加する。ｉ₅が増加することにより、負荷電圧Ｖｏの低下を抑制するように働くことになる。

特開平１１−０８９２２２号公報特開２００４−０９６９８２号公報

以上のように、図５のような従来方式においては、複数の降圧チョッパを必要とするため部品点数が増加し、装置の大形化，高コスト化の原因ともなっている。多くの降圧チョッパを用いずにスイッチング周波数を高くすれば、理論的に同等の動作が可能であるが、スイッチング周波数に比例してスイッチング損失が増加し、装置の効率が悪化する。さらに、増加したスイッチング損失で発生する熱を冷却する冷却体やファンなどが大形化し、装置の高コスト化にもつながるという問題がある。

また、図７のような従来方式では、負荷が急増した後に一定周波数のＰＷＭ制御になるので、負荷が急増してからスイッチング素子がオンするまでの遅延時間ｔｄが長くなる。そのため、この期間ｔｄでは電流ｉ₅を増加させることができず、出力電圧が低下してしまう。
したがって、この発明の課題は、部品点数を増やしスイッチング損失を増大させることなく、負荷電圧変動を抑制することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、出力端子に接続されたコンデンサとこのコンデンサを充電するためのリアクトルを有し、スイッチング素子により前記リアクトルの電流および出力電圧を制御するスイッチングレギュレータにおいて、
負荷が急変したときは、前記スイッチング素子の制御をパルス幅変調制御からパルス周波数変調制御に一時的に変更することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記負荷電流の変化を検出する電流変化検出手段を付加し、これにより負荷の急変を検出することができる（請求項２の発明）。

また、上記請求項１の発明においては、前記負荷電圧の変化を検出する電圧変化検出手段を付加し、これにより負荷の急変を検出することができる（請求項３の発明）。
請求項１〜３のいずれかの発明においては、前記リアクトルとリアクトル巻線との間にスイッチを接続し、負荷電流または負荷電圧の変化に応じて前記スイッチをオン，オフさせることができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、負荷急変時にのみスイッチング周波数を高くするようにしたので、部品点数を増やしスイッチング損失を増大させることなく、負荷急変時における制御の遅延時間を低減することができる。その結果、負荷電流が急変した場合でも負荷電圧の低下を抑制することができ、装置の小型軽量化，低コスト化，高効率化が可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す回路構成図である。
すなわち、電流検出器１１によって負荷電流ｉ_oを検出し、検出器１２でｉ_oの変化率ｄｉ／ｄｔを検出する。ｉ_oの変化率は、微分演算をするだけで容易に求めることができる。そして、例えばｉ_oが急増する場合はｄｉ／ｄｔが大きくなるので、これが一定値以上になったらスイッチング素子１への駆動信号を、定常時のＰＷＭ方式から周波数が変化するＰＦＭ方式に切り替える。その結果、負荷急増時はスイッチング周波数が高くなり、遅延時間ｔｄを短くすることができる。なお、スイッチ１５，１６は検出器１２の出力により連動する構成となっているが、実際は一方が閉じたら他方は開くようにノット（反転）回路などが挿入されているものとし、図２，図４も同様とする。

上記のようにｔｄが短くなることにより、ｉ₅を高速に増加させることができ、Ｖｏの低下を抑制することができる。Ｖｏが定常状態に戻ると、ＰＦＭ方式からＰＷＭ方式に切り替わり、ｉ_oが急変する前と同様の制御動作となる。こうして、負荷が急変し出力電圧が低下したときだけスイッチング周波数を高くすることで、スイッチング損失の増加を最小限に抑えることができる。また、複数の降圧チョッパ回路を用いる必要がないので、部品点数や体積重量およびコストを削減することができる。

図２はこの発明の他の実施の形態を示す構成図である。
図２からも明らかなように、図１のｄｉ／ｄｔ検出器１２に代えてｄｖ／ｄｔ検出器１７を設けた点が特徴である。この電圧変化率も、負荷電圧Ｖｏを微分演算することで簡単に得ることができる。なお、この値が一定値以上になったら、スイッチング素子１への駆動信号を、定常時のＰＷＭ方式から周波数が変化するＰＦＭ方式に切り替えるのは、図１の場合と同様である。
図３は図１，図２の動作を説明する説明図である。ｉ_oやＶｏが急変しても、ｉ₅が高速に増加するので、Ｖｏの低下を抑制できることが分かる。

図４はこの発明のさらに他の実施の形態を示す構成図である。
これは、図１または図２の機能のほかに、スイッチ８を設けた点が特徴で、これにより負荷急変時にはリアクトル５の一部を短絡することで、リアクトル５のインダクタンス値を低下させ、ｉ₅をより高速に増加させられるようにしたものである。Ｖｏが定常状態に戻るとスイッチ８は開放され、定常時のインダクタンス値に戻る。なお、１８は図１の検出器１２または図２の検出器１７のいずれも適用可能な検出器を示す。

この発明の実施の形態を示す回路図この発明の他の実施の形態を示す要部回路図図１，２の動作説明図この発明のさらに他の実施の形態を示す要部回路図第１の従来例を示す回路図図５の動作説明図第２の従来例を示す回路図図７の動作説明図

符号の説明

１，２…スイッチング素子、３，４…ダイオード、５，６…リアクトル、７…コンデンサ、８，１５，１６…スイッチ、９…直流電源、１０…負荷、１１…電流検出器、１２…ｄｉ／ｄｔ検出器、１３…ＰＷＭ信号生成器、１４…ＰＦＭ信号生成器、１７…ｄｖ／ｄｔ検出器、１８…検出器。

Claims

出力端子に接続されたコンデンサとこのコンデンサを充電するためのリアクトルを有し、スイッチング素子により前記リアクトルの電流および出力電圧を制御するスイッチングレギュレータにおいて、
負荷が急変したときは、前記スイッチング素子の制御をパルス幅変調制御からパルス周波数変調制御に一時的に変更することを特徴とするスイッチングレギュレータ。
前記負荷電流の変化を検出する電流変化検出手段を付加し、これにより負荷の急変を検出することを特徴とする請求項１に記載のスイッチングレギュレータ。
前記負荷電圧の変化を検出する電圧変化検出手段を付加し、これにより負荷の急変を検出することを特徴とする請求項１に記載のスイッチングレギュレータ。
前記リアクトルとリアクトル巻線との間にスイッチを接続し、負荷電流または負荷電圧の変化に応じて前記スイッチをオン，オフさせることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスイッチングレギュレータ。