JP2009022125A - Method of controlling switching power supply - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はスイッチング電源装置、特に直流電源から一定の直流出力を得るDC/DCコンバータの制御に関する。 The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to control of a DC / DC converter that obtains a constant DC output from a DC power supply.
図3に、スイッチング電源装置の一種である降圧チョッパの一般的な例を示す。同図において、1,2はスイッチ素子としてのMOSFET(金属酸化物電界効果トランジスタ)、3は直流電源、4はインダクタ、5は平滑コンデンサ、6は負荷、7は誤差増幅器、8はキャリア信号発生器、9はコンパレータ、10はフリップフロップ、11,12はオンディレイ回路、13,14はゲートドライバを示す FIG. 3 shows a general example of a step-down chopper which is a kind of switching power supply device. In the figure, 1 and 2 are MOSFETs (metal oxide field effect transistors) as switching elements, 3 is a DC power supply, 4 is an inductor, 5 is a smoothing capacitor, 6 is a load, 7 is an error amplifier, and 8 is a carrier signal generator. 9 is a comparator, 10 is a flip-flop, 11 and 12 are on-delay circuits, and 13 and 14 are gate drivers.
出力電圧Voは、MOSFET1のオン・オフにより発生する矩形波電圧を、インダクタ4と平滑コンデンサ5からなる平滑回路にて平滑することで得られる。また、MOSFET2はMOSFET1と交互にオン・オフさせることで、還流期間中の導通損失を低減する同期整流用のスイッチ素子であり、MOSFET1のオンデューティを制御することで、一定の出力電圧を得るものである。
The output voltage Vo is obtained by smoothing a rectangular wave voltage generated by turning on / off the MOSFET 1 with a smoothing circuit including the inductor 4 and the smoothing capacitor 5. The
図3の制御動作について、図4の各部波形図を参照して説明する。
キャリア信号発生器8は、キャリア信号としての鋸歯状波信号Vcと、鋸歯状波の立下りに同期する同期信号Vsとを発生する。同期信号Vsによりフリップフロップ10をセット(S)し、MOSFET1のオンのタイミングとMOSFET2のオフのタイミングを決定する。
The control operation in FIG. 3 will be described with reference to the waveform diagrams of the respective parts in FIG.
The
誤差増幅器7は、出力電圧Voと図示されない基準電圧(設定電圧)との誤差を増幅した信号Vfbと、鋸歯状波Vcとの大小をコンパレータ9で比較し、VcがVfbを上回ったタイミングでフリップフロップ10をリセットし、MOSFET1のオフのタイミングとMOSFET2のオンのタイミングを決定する。
The
出力電圧が設定電圧を上回ると誤差増幅信号Vfbが低下し、MOSFET1のオンデューティが小さくなって、出力電圧を低下させる。一方、出力電圧が設定電圧を下回ると誤差増幅信号Vfbが増加し、MOSFET1のオンデューティが大きくなって出力電圧を上昇させるように動作し、設定した一定の出力電圧が得られる。オンディレイ回路11,12は、MOSFET1とMOSFET2が同時にオンするのを防ぎ、ゲートドライバ13,14はロジックレベルの信号を増幅し、MOSFET1,2を駆動する。
When the output voltage exceeds the set voltage, the error amplification signal Vfb is lowered, the on-duty of the MOSFET 1 is reduced, and the output voltage is lowered. On the other hand, when the output voltage falls below the set voltage, the error amplification signal Vfb increases, and the on-duty of the MOSFET 1 increases to operate so as to increase the output voltage, thereby obtaining a set constant output voltage. The on-
ところで、マイクロプロセッサ等に用いられるCPUの演算速度は近年飛躍的に向上しており、その電源である降圧チョッパ回路から供給される電流のスルーレート(変化割合)は、数百から数千A/μsと急峻であり、このような用途では出力電圧の変動抑制が課題となる。
そこで、例えば特許文献1には、インダクタの電流を検出し制御要素にフィードバックして制御することにより、電流の急峻なスルーレートに対する出力電圧変動を抑制する技術が開示されている。
By the way, the operation speed of a CPU used for a microprocessor or the like has been drastically improved in recent years, and the slew rate (change rate) of a current supplied from a step-down chopper circuit as a power source thereof is several hundred to several thousand A / In such applications, suppression of fluctuations in output voltage is a problem.
Therefore, for example, Patent Literature 1 discloses a technique for suppressing fluctuations in output voltage with respect to a slew rate with a steep current by detecting an inductor current and feeding it back to a control element for control.
出力電圧を制御するスイッチ素子の制御応答時間は、スイッチング周期が無駄時間となるため、スイッチング周期を上回る応答時間は得られない。このため、スイッチング周波数を上げて対応すると損失が増大し、スイッチ素子の冷却体が大型化するなどの問題がある。また、平滑コンデンサの容量を増大させても出力電圧の変動抑制は可能であるが、装置の大型化やコストアップとなる。 As for the control response time of the switch element that controls the output voltage, the response time exceeding the switching cycle cannot be obtained because the switching cycle becomes a dead time. For this reason, when the switching frequency is increased, the loss increases, and there is a problem that the cooling element of the switch element is enlarged. Further, even if the capacity of the smoothing capacitor is increased, fluctuations in the output voltage can be suppressed, but the size and cost of the apparatus are increased.
したがって、この発明の課題は、スイッチング電源装置の大型化やコストアップなしに出力電圧変動を抑制することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to suppress output voltage fluctuations without increasing the size and cost of the switching power supply device.
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、直流出力電圧と第1の基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅手段と、キャリア信号発生手段とを備え、そのキャリア信号と前記誤差増幅手段の出力との比較結果に基づき、直流電源に接続されたスイッチ素子をオン・オフさせ、一定の直流出力を得るに当たり、
前記誤差増幅手段の出力が第2の基準電圧を上回るタイミングでスイッチ素子を強制的にオンさせることを特徴とする。
In order to solve such a problem, the invention of claim 1 comprises error amplifying means for amplifying an error between the DC output voltage and the first reference voltage, and carrier signal generating means, the carrier signal and the error. Based on the comparison result with the output of the amplifying means, the switch element connected to the DC power source is turned on / off to obtain a constant DC output,
The switch element is forcibly turned on at a timing when the output of the error amplifying means exceeds the second reference voltage.
この発明によれば、スイッチング時の無駄時間を無くすようにしたので、スイッチング周波数を高くしたり平滑コンデンサ容量を増大させたりすることなく、小型,低コストに出力電圧の変動抑制が可能となる。 According to the present invention, since the dead time at the time of switching is eliminated, fluctuations in the output voltage can be suppressed in a small size and at a low cost without increasing the switching frequency or increasing the smoothing capacitor capacity.
図1はこの発明の実施の形態を示す回路構成図である。
図3との相違点は、誤差増幅器7の出力信号(誤差増幅信号)VfbをVtと比較するコンパレータ15と、VfbがVtを上回ったタイミング、またはキャリア信号発生器8から出力される同期信号Vsのいずれか早い方のタイミングでフリップフロップ10をセットするオア回路17を設けた点にある。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an embodiment of the present invention.
The difference from FIG. 3 is that the
コンパレータ15でVfbと比較を行う基準電圧Vtは、あらかじめ定めた値であり、出力電流Ioがゼロまたはほとんど流れていない状態、すなわち軽負荷時の誤差増幅信号Vfbよりは大きな値とする。また、鋸歯状波信号Vcの振幅より小さな値に設定している。出力電流Ioの急変にすばやく反応するためには、Vtを軽負荷時の誤差増幅信Vfbに近づけておけばよいが、Vfbに重畳するノイズがVtを上回ることで、フリップフロップ10が誤セットされるのを防ぐため、Vtを鋸歯状波信号Vcの振幅の80〜90%程度に設定するとよい。
The reference voltage Vt to be compared with Vfb by the
図2は図1の動作を説明する説明図である。
図3,図4と同様に、キャリア信号発生器8は、キャリア信号としての鋸歯状波信号Vcと、鋸歯状波の立下りに同期する同期信号Vsとを発生する。通常は、同期信号Vsによりフリップフロップ10をセット(S)し、MOSFET1のオンのタイミングとMOSFET2のオフのタイミングを決定する。
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the operation of FIG.
3 and 4, the
誤差増幅器7は、出力電圧Voと図示されない基準電圧(設定電圧)との誤差を増幅した信号Vfbと、鋸歯状波Vcとの大小をコンパレータ9で比較し、VcがVfbを上回ったタイミングでフリップフロップ10をリセットし、MOSFET1のオフのタイミングとMOSFET2のオンのタイミングを決定する。
出力電圧が設定電圧を上回ると誤差増幅信号Vfbが低下し、MOSFET1のオンデューティが小さくなって、出力電圧を低下させる。一方、出力電圧が設定電圧を下回ると誤差増幅信号Vfbが増加し、MOSFET1のオンデューティが大きくなって出力電圧を上昇させるように動作し、設定した一定の出力電圧が得られる。オンディレイ回路11,12は、MOSFET1とMOSFET2が同時にオンするのを防ぎ、ゲートドライバ13,14はロジックレベルの信号を増幅し、MOSFET1,2を駆動する。
The
When the output voltage exceeds the set voltage, the error amplification signal Vfb is lowered, the on-duty of the MOSFET 1 is reduced, and the output voltage is lowered. On the other hand, when the output voltage falls below the set voltage, the error amplification signal Vfb increases, and the on-duty of the MOSFET 1 increases to operate so as to increase the output voltage, thereby obtaining a set constant output voltage. The on-
いま、出力電流Ioが図示のように急峻に立ち上がると、出力電圧Voが低下し始め、誤差増幅信号Vfbが上昇する。そして、誤差増幅信号Vfbが基準電圧Vtを上回ると、キャリア信号発生器8から同期信号Vsが出力されるタイミングより早くフリップフロップ10がセット(S)される。そして、図2に斜線を付して示すようなゲートパルスが追加される。これにより、制御の無駄時間が短縮され、出力電圧の変動が抑制される。
If the output current Io rises steeply as shown in the figure, the output voltage Vo starts to decrease and the error amplification signal Vfb increases. When the error amplification signal Vfb exceeds the reference voltage Vt, the flip-
1,2…MOSFET(金属酸化物電界効果トランジスタ)、3…直流電源、4…インダクタ、5…平滑コンデンサ、6…負荷、7…誤差増幅器、8…キャリア信号発生器、9,15…コンパレータ、10…フリップフロップ、11,12…オンディレイ回路、13,14…ゲートドライバ、17…オア回路。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記誤差増幅手段の出力が第2の基準電圧を上回るタイミングでスイッチ素子を強制的にオンさせることを特徴とするスイッチング電源の制御方法。 An error amplifying means for amplifying an error between the DC output voltage and the first reference voltage, and a carrier signal generating means, are connected to a DC power source based on a comparison result between the carrier signal and the output of the error amplifying means. In order to obtain a constant DC output,
A switching power supply control method for forcibly turning on a switch element at a timing when an output of the error amplification means exceeds a second reference voltage.
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