JP2008236919A - スイッチング電源装置の制御回路及び制御方法 - Google Patents

スイッチング電源装置の制御回路及び制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】必要な装置回路の異常を監視できると共に、軽負荷時や無負荷時の消費電力が低減させたスイッチング電源の保護回路を提供する。
【解決手段】スイッチング電源のスイッチング素子のオン/オフを制御するパルスの立ち下がり(パルス信号がHIGHのときにスイッチング素子がオンである場合)を遅延する遅延回路を設け、該遅延回路の出力により保護回路の稼働/待機を制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、スイッチング電源装置の制御回路及び制御方法に関するものであり、特に、スイッチング素子のオン/オフの時間比率(以下、「時比率」と略称する)によって本体部が出力する出力電力の属性値(電圧値、電流値等)を制御すると共に、軽負荷時や無負荷時の内部消費電流を低減してスイッチング電源装置の出力変換効率を改善することができるスイッチング電源装置の制御回路とその制御方法に関する。
図5は、従来の一般的なスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。従来、スイッチング電源装置は、入力された電源電力に何らかの変換(例えば、電圧値の変換)を行って出力する本体部(図5に示す装置の場合はDC−DCコンバータ92)と、当該本体部を制御する制御回路(図5に示す装置の場合は制御ブロック91)と、を備えて構成されている。
本体部は、一般に、インバータやコンバータ等の様々な種類の機器で構成することが可能であるが、図5に例示する装置ではスイッチング電源の1例であるDC−DCコンバータ92を備えている。制御ブロック91は、時比率制御回路911と、論理回路912と、保護回路913と、を備える。制御ブロック91を構成する構成要素としては、上記の他に、基準電圧回路やバイアス回路等のアナログ回路、その他の論理回路等が含まれているが、ここでは、説明に直接関係していないため省略している。
図5に示すスイッチング電源装置は、DC−DCコンバータ92の出力電圧VOUTを制御ブロック91の時比率制御回路911にフィードバックし、時比率制御回路911は目標出力との誤差に応じて時比率(デューティ比、出力パルスがHIGH(2値的な低レベルの電圧値と高レベルの電圧値の内、高レベルの電圧値)である時間もしくはLOW(前記2値的な低レベルの電圧値と高レベルの電圧値の内、低レベルの電圧値)である期間とパルス周期との比)が制御されたパルス(VCONT)を出力する。さらに時比率が制御されたパルス(VCONT)は、DC−DCコンバータ92が備えるMOSFETやパイポーラトランジスタで代表される半導体スイッチ素子またはリレー回路で代表される機械スイッチ素子をオン/オフ制御する。このオン/オフ制御により、出力電圧VOUTが制御される。
また、一般に、外部からの起動/停止信号により、スイッチング電源装置の起動/停止を行うことができる。図5に示す装置では、外部から起動/停止信号VE1を制御ブロック91に与えることにより、その起動(および稼動)/停止が行なわれる。
保護回路913には、入力電圧VINを監視するもの、入力電流を監視するもの、電源の温度を監視するもの、出力電圧を監視するもの、出力電流を監視するもの、などがある。これらの監視によって所定の異常状態を感知すると、保護回路913は電源停止信号VE2を出力して電源を停止に導く。
論理回路912は、起動/停止信号VElと電源停止信号VE2を基に信号VE3を生成、出力する。起動/停止信号VE1が起動信号を示し、電源停止信号VE2が正常状態を示す信号の時には信号VE3を電源起動信号として出力する。起動/停止信号VE1が停止信号を示すか、又は電源停止信号VE2が異常状態を示す場合には、信号VE3を電源停止信号として出力し電源を停止させる。
図6〜図13は、図5に示すスイッチング電源装置における従来のDC−DCコンバータ92の具体的な回路例を示す。
図6〜図13に示すDC−DCコンバータ92では、各図に示すスイッチS1,S2が、制御ブロック91の時比率制御回路911から出力される時比率制御パルス(VCONT)により、それぞれオン/オフ制御される。
前記スイッチS1のオン時間とスイッチング周期との比である時比率をD1、前記スイッチS2またはダイオードD2のオン時間とスイッチング周期との比である時比率をD2とすると、電源内部の損失を無視した場合、出力電圧VOUTは、以下の式により計算される。
図6,図7に示す降圧型コンバータを用いた回路では、VOUT=VIN*D1/(Dl+D2)により計算される。
図8,図9に示す昇圧型コンバータを用いた回路では、VOUT=VIN*(Dl+D2)/D2により計算される。
図10〜図13に示す昇降圧型コンバータあるいはフライバックコンバータを用いた回路では、VOUT=VIN*Dl/D2により計算される。
制御ブロック91の時比率制御回路911が出力する時比率制御パルス(VCONT)の時比率(デューティ比)を調整することにより、VOUTの電力属性値(ここでは電圧値)が制御される。
図6〜図13に示すDC−DCコンバータを備える従来のスイッチング電源装置では、負荷が軽くて出力電力が小さい場合、出力電力に対して、スイッチング損失や電源内部の寄生抵抗等による交流損失等のスイッチングに伴う損失や、常時発生している制御回路の駆動電力による損失の割合が大きくなり、出力変換効率が低下する。
また、携帯機器等では待機状態の場合、バッテリーの長寿命化のために、スイッチング電源装置の負荷であるCPUやDSPなどを停止させることがある。この場合、スイッチング電源装置は無負荷状態になるが、負荷(CPUやDSP等)を停止させ、その駆動損失を抑えたとしても、スイッチング電源装置のスイッチングに伴う損失や制御回路を駆動するための損失は発生する。
そこで、このような無負荷時や軽負荷時の消費電流の低減方法として、重負荷時は固定スイッチング周期のPWM(パルス幅変調)により制御し、無負荷や軽負荷状態になった場合に、PFM(パルス周波数変調)や、一定期間スイッチング動作を停止する動作(即ち間欠動作)をさせることにより、スイッチングの平均周期を重負荷時よりも長くし、これにより、無負荷時や軽負荷時のスイッチング損失を低減する方法が広く用いられている。無負荷から重負荷の範囲でPFM制御を使用した場合も、スイッチングの平均周期が重負荷時よりも長くなるので、無負荷時や軽負荷時のスイッチング損失を低減することができる。
しかし、この方法では、スイッチングに伴う損失は低減されるが、制御回路内のアナログ回路や、スイッチング動作に関与しない回路の駆動損失を低減することはできない。特に、保護回路は数十μA〜数百μAの電流を消費し、この電流消費による電力損失は、無負荷状態の制御回路の主要損失となっている。現在、携帯電話等の携帯用電子機器では、スイッチング電源装置の無負荷時消費電流を数十μA以下にすることが求められている。
例えば、下記特許文献1には、ボルテージレギュレータ、DC−DCコンバータにおいて、負荷電流が所定の値以下の場合に保護回路を動作させないようにすることが提案され
ている。

特開2003−284241号公報
特許文献1で提案されている方法では、低消費電流化は計れるものの、無負荷や軽負荷時においては異常状態の監視ができないという問題がある。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、スイッチング素子のオン/オフの時比率により出力を制御するスイッチング電源において、保護回路により異常を監視できる状態を維持したまま、軽負荷時や無負荷時の消費電流を低減し、出力変換効率を改善することができるスイッチング電源装置の制御回路及び該スイッチング電源装置の制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明によるスイッチング電源装置の制御回路は、制御パルス供給手段から供給される、スイッチング電源のスイッチング素子のオン/オフを制御するパルス信号に基づいて遅延信号を生成する遅延回路を備え、該遅延回路の出力する遅延信号もしくはスイッチング電源のスイッチング素子のオン/オフを制御するパルス信号により保護回路の稼働/待機を制御する。なお、遅延信号は、スイッチング電源のスイッチング素子のオン/オフを制御するパルス信号のスイッチング素子をオンさせる状態の終了を所定時間遅らせたものに相当する。
また、本発明の制御方法は、スイッチング電源のスイッチング素子をオン/オフするためのパルス信号を供給し、パルス信号のスイッチング素子をオンさせる状態の終了を所定時間遅延させた遅延信号もしくはスイッチング電源のスイッチング素子のオン/オフを制御するパルス信号に応じて保護回路の稼働/待機状態を切り替える。
本発明のスイッチング電源装置の制御回路及び制御方法によれば、上記のように構成することにより、少なくともスイッチング電源のスイッチング素子をオン/オフするためのパルス信号がスイッチング素子をオンさせる状態を継続している間は、保護回路で異常を監視できる状態を維持することが可能となる。また、軽負荷時や無負荷時に前記パルス信号の周期が長くなると制御回路を待機状態にするよう指示する信号が生成される場合が生じ、そのときは保護回路を待機状態として内部で消費される消費電力を低減することが可能になる。
以下、本発明のスイッチング電源装置の制御回路及び制御方法の最良の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る制御回路(同図において制御ブロック1として示す。)を用いたスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。同図に示す本実施形態に係るスイッチング電源装置は、入力電源の電源電力に何らかの変換を行って出力する本体部であるDC−DCコンバータ2と、前記本体部を制御する制御部である制御ブロック1(制御回路に対応する。)と、を備えて構成される。制御ブロック1は、時比率制御回路11(制御パルス供給手段に対応する。)と、論理回路12と、保護回路13と、遅延回路14と、を備える。制御ブロック1を構成する構成要素としては、上記の他に、基準電圧回路やバイアス回路等のアナログ回路、その他の論理回路等が含まれているが、ここでは、本発明に直接関係していないため省略している。
本実施形態に係るスイッチング電源装置ではDC−DCコンバータ2を備えているが、一般に、本発明に係るスイッチング電源装置では、スイッチング電源装置の本体部として、インバータやコンバータ等を含む様々な種類の機器で構成することが可能である。また、DC−DCコンバータ2は、図6〜図13に示す従来の一般的なDC−DCコンバータであってもよい。
なお、一般に、スイッチング電源装置には外部からの起動/停止信号により、起動/停止を行うことができるものがあるが、図1に示す装置では外部から起動/停止信号VE1を制御ブロック1に与えて起動/停止を行う。
以下、本実施形態に係るスイッチング電源装置の動作を説明する。
DC−DCコンバータ2の出力電圧VOUTは、制御ブロック1の時比率制御回路11にフィードバックされる。時比率制御回路11はフィードバックされた出力電圧VOUTと目標出力との誤差に応じて時比率が制御されたパルス(VCONT)を出力する。さらに時比率が制御されたパルス(VCONT)は、DC−DCコンバータ2が備えるMOSFETやパイポーラトランジスタで代表される半導体スイッチ素子またはリレー回路で代表される機械スイッチ素子をオン/オフ制御することにより、前記の出力電圧VOUTを制御する。
保護回路13は、入力電源の入力電圧VINを監視する、入力電流を監視する、電源の温度を監視する、出力電圧を監視する、出力電流を監視する、などにより監視を行い、該監視によって所定の異常状態を感知すると、電源停止信号VE2を出力して電源停止に導く。
論理回路12は、起動/停止信号VElと電源停止信号VE2を基に信号VE3を生成して時比率制御回路11に出力する。起動(注:単なる立ち上げだけではなく、その後の稼動も含む)/停止信号VE1が起動信号を示し、電源停止信号VE2が正常状態を示す信号の時には論理積信号VE3を電源起動信号として出力する。起動/停止信号VE1が停止信号を示すか、又は電源停止信号VE2が異常状態を示す場合には、論理積信号VE3を電源停止信号として出力して、スイッチング電源を停止させる。
遅延回路14は、時比率制御回路11の出力信号であるVCONT(パルス信号)を入力とし、保護回路13の稼動/待機状態を切り替える信号Vaを出力する。
図2は、本発明の実施形態に係る制御ブロック1の動作を示すタイミングチャートである。これより、図1,図2を参照して、遅延回路14を備えた制御ブロック1の動作について説明する。この動作は、本発明の制御方法を含むものである。
なお、VCONT(図1〜図4)がHIGHの場合に主スイッチ(例えば、図6〜図13に示すスイッチS1)がオンし、VCONTがLOWの場合に、主スイッチがオフするものとしている。また、保護回路13の稼動/待機状態を切り替える信号VaがHIGHの時に保護回路13が稼働状態となり、LOWの時に待機状態になるものとしている。上記各信号の極性は論理の整合をとることにより、適宜反転させたものを使用することができる。
図2に示すように、VCONTがHIGHになると、前述の信号VaがHIGHとなり、保護回路13が待機状態から稼働状態に切り替わる。その後、VCONTがLOWに切り替わっても、遅延回路14は所定の延長時間tdの問、信号VaをHIGH状態に保持し、その後LOWに切り替わる。信号VaのHIGH期間をVCONTのHIGH期間よりも延長するのは、保護回路13が待機状態から稼動状態に切り替わり、異常が有るか否
かを判断してその結果を出力するまでの必要時間を、VCONTがLOWに切り替わった後にも確保するためである。よって、延長時間tdは、VCONTがLOWに切り替わった後でも必要時間が確保されるように調節されるものとする。
図2に示す動作では、信号VaのHIGH→LOWの切替時間は、VCONTがHIGH→LOWに切り替わってから延長させているが、VCONTまたは信号VaがLOW→HIGHに切り替わってから所定の一定期間だけ、信号VaがHIGHを保持するように構成してもよい。(このような信号Vaが遅延信号に対応する。)
また、VCONTがHIGHの期間内に、保護回路13が待機状態から稼働状態への切り替えと、異常が有るか否かの判断およびその結果の出力とを実行できる場合には、遅延回路14を削除し、VCONTを信号Vaとして使用してもよい。この、信号Vaを何にするかの切り替えは、保護回路13の待機状態から稼働状態への切り替え並びに異常が有るか否かの判断およびその結果の出力に必要な時間と、VCONTがHIGHの期間(すなわちスイッチング素子がオンしている期間)とを比較して、後者の方が長い場合にVCONTを信号Vaとして使用するようにすればよい。また、前者の方が長い場合は、図2に関して説明し、上記で遅延信号とした信号Vaをそのまま使用すればよい。
信号VaがLOWに切り替わると保護回路13は待機状態となる。以上のように、保護回路13は信号VaがHIGHの時にのみ動作し、電力を消費するが、この間、異常の発生を監視することができる。信号VaがLOWの時、保護回路13は待機状態となる。待機状態では、保護回路13を高速に起動するために必要な回路要素、又は出力信号の保持に必要な回路要素のみを動作させるので、保護回路13は低消費電力状態となる。なお、保護回路13が高速起動を必要としない場合には保護回路13の全回路要素を停止状態にする構成としてもよい。
上記動作をとることにより、無負荷や軽負荷時においても、保護回路13はパルス信号VCONTに基づくスイッチング動作に応じて稼動/待機を繰り返し、異常状態の監視を行うことができる。また、保護回路13が待機状態をとる期間は、保護回路13を高速に起動するために必要な回路要素、又は出力信号の保持に必要な回路要素のみを動作させる待機電力を消費するだけなので、この間、保護回路13は低消費電力状態となる。さらに、時比率制御回路11がVCONT出力をPFM動作あるいは間欠動作とすることによりスイッチングの平均周期を長期化すると、信号VaがLOWである期間の比率がHIGHである期間の比率よりも大きくなる。したがって、保護回路13が待機状態をとる期間の比率が稼働状態である期間の比率よりも大きくなるため、保護回路13の平均消費電力を低減することができる。
図3は、本発明の実施形態に係る制御ブロック1における各信号の波形を示す波形図であり、図3(a)は重負荷時の波形図を示し、図3(b)は軽負荷時の波形図を示すものである。
図3に例示する波形図は、制御ブロック1の時比率制御回路11が重負荷時にPWM動作し、軽負荷時にPFM動作する場合の波形図、又は全ての負荷範囲でPFM動作する場合の波形図である。
図3(a)に示す重負荷時では、VCONTによるスイッチング周期が短いため、遅延回路14の出力信号Vaが常にHIGHとなり、保護回路13は常時稼動状態となっている。
図3(b)に示す軽負荷時は、VCONTによるスイッチング周期が長くなり、遅延回路14の出力信号VaがLOWとなる期間が発生し、この期間、保護回路13が待機状態
となり、保護回路13の平均消費電流が低減する。この期間は軽負荷になるに従って長くなり、無負荷時が最長となり、保護回路13の消費電流の低減効果は高くなる。
なお、図3(a)に示すVCONTのパルス幅は図3(b)に示すVCONTのパルス幅と等しいように記載されているが、PWM動作の場合は等しいとは限らないことは勿論である。
図4は、本発明の実施形態に係る制御ブロック1における各信号の波形の他の例を示す波形図であり、図4(a)は重負荷時の波形図を示し、図4(b)は軽負荷時の波形図を示すものである。
図4に例示する波形図は、制御ブロック1の時比率制御回路11が重負荷時にPWM動作し、軽負荷時に間欠動作する場合の波形図である。
図4(a)に示す重負荷時では、VCONTによるスイッチング周期が短いため、遅延回路14の出力信号Vaが常にHIGHとなり、保護回路13は常時稼働状態となっている。
図4(b)に示す軽負荷時は、VCONTによるスイッチングの平均周期が長くなり、遅延回路14の出力信号VaがLOWとなる期間が発生し、この期間、保護回路13が待機状態となり、保護回路13の平均消費電流が低減する。この期間は軽負荷になるに従い長くなり、無負荷時が最長となり、保護回路13の消費電流の低減効果は高くなる。
以上詳細に説明したように、本発明によるスイッチング電源装置の制御回路及び制御回路による制御方法によれば、必要な期間中は保護回路による監視が可能であり、かつ、必要のない期間中は保護回路を待機状態とすることができるので、必要な監視は実行しつつ、軽負荷時や無負荷時の内部消費電流を低減して出力変換効率の改善を実現することができる。
本発明の実施形態に係る制御ブロックを用いたスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る制御ブロックの動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態に係る制御ブロックにおける各信号の波形を示す波形図であり、図3(a)は重負荷時の波形図を示し、図3(b)は軽負荷時の波形図を示すものである。 本発明の実施形態に係る制御ブロックにおける各信号の波形の他の例を示す波形図であり、図4(a)は重負荷時の波形図を示し、図4(b)は軽負荷時の波形図を示すものである。 従来の一般的なスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 スイッチング電源装置におけるDC−DCコンバータを降圧型コンバータで実現した具体例1を示す図である。 スイッチング電源装置におけるDC−DCコンバータを降圧型コンバータで実現した具体例2を示す図である。 スイッチング電源装置におけるDC−DCコンバータを昇圧型コンバータで実現した具体例1を示す図である。 スイッチング電源装置におけるDC−DCコンバータを昇圧型コンバータで実現した具体例2を示す図である。 スイッチング電源装置におけるDC−DCコンバータを昇降圧型コンバータで実現した具体例1を示す図である。 スイッチング電源装置におけるDC−DCコンバータを昇降圧型コンバータで実現した具体例2を示す図である。 スイッチング電源装置におけるDC−DCコンバータをフライバックコンバータで実現した具体例1を示す図である。 スイッチング電源装置におけるDC−DCコンバータをフライバックコンバータで実現した具体例2を示す図である。
符号の説明
1 制御ブロック(制御回路)
2 DC−DCコンバータ
11 時比率制御回路(制御パルス供給手段)
12 論理回路
13 保護回路
14 遅延回路

Claims (8)

  1. スイッチング素子のオン/オフによって出力電圧を制御するスイッチング電源装置の制御回路において、
    前記スイッチング素子をオン/オフするためのパルス信号を供給する制御パルス供給手段と
    異常発生時に前記スイッチング電源装置を停止させるための信号を発生する保護回路と、
    前記パルス信号の前記スイッチング素子をオンさせる状態の終了を所定時間遅延させた遅延信号を生成する遅延回路と、
    を備え、
    前記パルス信号もしくは前記遅延信号に応じて前記保護回路の稼働/待機状態を切り替えることを特徴とするスイッチング電源装置の制御回路。
  2. 前記パルス信号の前記スイッチング素子をオンさせる状態の継続時間が前記保護回路の稼動に必要な時間より長い場合は前記パルス信号に応じて前記保護回路の稼働/待機状態を切り替え、前記継続時間が前記保護回路の稼動に必要な時間より短い場合は前記遅延信号に応じて前記保護回路の稼働/待機状態を切り替えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置の制御回路。
  3. 前記制御パルス供給手段は、パルス周波数変調により前記パルス信号を出力するものであり、前記スイッチング電源の負荷の状態または出力電圧の状態に応じて前記パルス信号のスイッチング周期を制御することを特徴とする請求項1記載の制御回路。
  4. 前記制御パルス供給手段は、前記スイッチング電源の負荷が無負荷や軽負荷状態では前記パルス信号を間欠的に出力することを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置の制御回路。
  5. 前記制御パルス供給手段は、前記スイッチング電源の負荷が無負荷や軽負荷状態ではパルス周波数変調により前記パルス信号を出力すると共に重負荷状態ではパルス幅変調により前記パルス信号を出力することを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置の制御回路。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の制御回路を備えたスイッチング電源装置。
  7. スイッチング素子のオン/オフによって出力電圧を制御するスイッチング電源装置であって、異常発生時に前記スイッチング電源装置を停止させるための信号を発生する保護回路を有するスイッチング電源装置の制御方法において、
    前記スイッチング素子をオン/オフするためのパルス信号を供給する制御パルス供給ステップと、
    前記パルス信号の前記スイッチング素子をオンさせる状態の終了を所定時間遅延させた遅延信号を生成する遅延信号生成ステップと、
    前記パルス信号もしくは前記遅延信号に応じて前記保護回路の稼働/待機状態を切り替える稼動切り替えステップ、
    を含むことを特徴とするスイッチング電源装置の制御方法。
  8. 前記稼動切り替えステップが、
    前記パルス信号の前記スイッチング素子をオンさせる状態の継続時間と前記保護回路の稼動に必要な時間とを比較するステップと、
    前記継続時間が前記保護回路の稼動に必要な時間より長いと判断された場合は前記パル
    ス信号に応じて前記保護回路の稼働/待機状態を切り替えるステップと、
    前記継続時間が前記保護回路の稼動に必要な時間より短いと判断された場合は前記遅延信号に応じて前記保護回路の稼働/待機状態を切り替えるステップ、
    を含むことを特徴とする請求項7に記載のスイッチング電源装置の制御方法。
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