JP2013198251A

JP2013198251A - Ｄｃ／ｄｃコンバータとその出力電圧安定化方法

Info

Publication number: JP2013198251A
Application number: JP2012061796A
Authority: JP
Inventors: Fujio Nomura; 富二夫野村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】出力電圧の安定度を改善する。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータの演算処理回路において、Ａ／Ｄコンバータ１０からの入力電圧データを読み込み（Ｓ１）、その入力電圧データの値からＰＷＭ制御のオン時間を求め（Ｓ２）、このオン時間をＰＷＭ回路に出力する（Ｓ３）。続いて、Ａ／Ｄコンバータ１０のサンプリングタイミングとして、オン時間からオフセット期間を引いた値を求め（Ｓ４）、Ａ／Ｄコンバータ１０に指示する（Ｓ５）。上記ステップＳ１〜Ｓ５の工程を繰り返すことにより、出力電圧の安定化が図られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＰＵ用電源のような高速応答、小型、電圧高安定度が要求される電源に利用されるＤＣ／ＤＣコンバータとその出力電圧安定化方法に関する。

従来のデジタル制御方式によるＤＣ／ＤＣコンバータにあっては、Ａ／Ｄコンバータのサンプリングタイミングについて特に言及した文献は無いが、スイッチングがオンしたタイミングに、または、オンした後一定期間後にサンプリングする方式が一般的である。これは、非特許文献１に示されるADCPC0レジスタのTRGSRC1のレジスタでPWMレジスタを選択し、TRIGxレジスタに任意の値を入れることにより容易に設定できるためである。

通常、Ａ／Ｄコンバータのサンプリングタイミングは、スイッチングノイズの影響を避けるため、オンした後一定期間後に設定する。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法はＰＷＭ（パルス幅変調）方式が一般的であり、入力変動、負荷変動に応じてオン時間が変化する。ところが、スイッチングオン時間開始から一定の時間でサンプリングする従来の方式では、オン時間が変動した場合、サンプリング後に出力電圧変動が発生することになる。この電圧変動はサンプリングの偏差となるため、電圧の安定度が低下してしまう。

これを避けるため、オンする直前に電圧をサンプリングする方式も考えられるが、サンプリング後に演算処理して次の周期のパルス幅を出すまでの時間が不足するため、演算処理結果が次の次でしか反映されずに、応答が遅くなってしまう。

http://ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/cn546546.pdf，Microchips社、dsPIC33FJ06GS101/X02 および dsPIC33FJ16GSX02/X04 データシート高性能１６ビットデジタルシグナルコントローラ，249頁（ADCPC0レジスタのTRGSRC1のレジスタでPWMレジスタを選択）、214頁（TRIGxレジスタ）

以上述べたように、従来のデジタル制御方式によるＤＣ／ＤＣコンバータは、一般的にＰＷＭ方式が採用され、入力変動、負荷変動に応じてオン時間が変化するが、オンした後一定期間後にサンプリングタイミングを設定しているため、オン時間の変動に際して、Ａ／Ｄコンバータのサンプリング後に出力電圧の変動が発生した場合に、この電圧変動がサンプリングの偏差となり、出力電圧の安定度が低下してしまうという問題があった。

本実施形態は上記の課題に鑑みてなされたもので、Ａ／Ｄコンバータのサンプリングタイミングを適切に制御して出力電圧変動を抑圧することができ、これによって演算処理時間を確保しつつ出力電圧の安定度を改善することのできるＤＣ／ＤＣコンバータ及びその出力電圧安定化方法を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、直流電圧を断続出力し、前記断続出力を整流平滑して負荷に出力し、前記負荷への出力電圧からモニタ電圧を検出し、前記モニタ電圧を指示タイミングでサンプリングしてモニタ電圧データに変換し、前記モニタ電圧データに基づいて前記断続出力のオン時間と前記サンプリングのタイミングを演算し、前記演算されたオン時間に基づいて前記断続出力の制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータに適用され、前記断続出力に対するオン時間の変化に応じて前記サンプリングのタイミングを決定することを特徴とするものである。

本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示すブロック回路図。図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータの演算処理回路における処理手順を示すフローチャート。図２に示すＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧波形とサンプルタイミングの関係を従来の場合と比較して表す波形図。

以下、図面を参照して本実施形態に係る目標追跡システムを説明する。

図１は本実施形態に係るデジタル制御方式によるＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示すブロック回路図である。

図１において、直流電圧源１から与えられる入力電圧Ｖ_INは、ＦＥＴまたはトランジスタ等による第１及び第２のスイッチ素子２，３それぞれのオン・オフによって、ダイオード４に逆バイアスとして周期的に与えられる。このダイオード４に断続的に発生する電圧はインダクタ５及びキャパシタ（容量Ｃ₀）６による平滑回路によって平滑され、直流電圧Ｖ_OUTとなって負荷回路（インピーダンスＲ₀）９に出力される。

ここで、上記平滑回路の出力ラインには、抵抗７，８による電圧モニタ回路が接続されている。この電圧モニタ回路で得られたモニタ電圧はＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ１０に送られる。このＡ／Ｄコンバータ１０は入力モニタ電圧を後段の演算処理回路１１から指示されるサンプリングタイミングでサンプリングしデジタルデータに変換するもので、これによって得られたモニタ電圧データは演算処理回路１１に送られる。

この演算処理回路１１は、上記モニタ電圧データから、安定化出力を得るための最適なＰＷＭ制御信号を生成する。このＰＷＭ制御信号はＰＷＭ回路１２に送られる。このＰＷＭ回路１２は、上記スイッチ素子２，３を駆動する駆動回路１３，１４にＰＷＭ制御信号に基づくオン・オフ指令信号を与えるもので、駆動回路１３，１４はそれぞれオン・オフ指令の発生タイミングでスイッチ素子２，３のオン期間、オフ期間を決定し駆動する。

尚、上記ＤＣ／ＤＣコンバータは、降圧型コンバータに本実施形態を適用した場合の構成であるが、昇圧型、昇降圧型、フォワード、プッシュプル、フルブリッジ等、ＰＷＭ制御可能な方式のコンバータであれば、適用可能である。

図２は図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータの演算処理回路１１における処理手順を示すフローチャートである。まず、Ａ／Ｄコンバータ１０からの入力電圧データを読み込み（ステップＳ１）、その入力電圧データの値について各種パラメータに基づく演算処理を実行し、ＰＷＭ制御のオン時間を求める（ステップＳ２）、このオン時間をＰＷＭ回路１２に出力する（ステップＳ３）。尚、ステップＳ２の演算処理にはＰＩＤ（比例・積分・微分）制御、ＰＩ（比例・積分）制御等の各種方式があるが、その方式は特にこだわらない。

続いて、Ａ／Ｄコンバータ１０のサンプリングタイミングとして、オン時間からオフセット期間を引いた値を求め（ステップＳ４）、Ａ／Ｄコンバータ１０に指示する（ステップＳ５）。これは、スイッチングノイズの影響を避けるためであり、若干のオフセット期間をｔ_offsetとして設定し、オン時間からオフセット期間を引いた値をＡ／Ｄコンバータ１０のサンプリングタイミングとしている。オフセット期間を引かなくても問題がなければ、オン時間＝Ａ／Ｄコンバータ１０のサンプリングタイミングとしてもかまわず、この場合はこの工程がなくてもかまわない。

上記ステップＳ１〜Ｓ５の工程を繰り返すことにより、電圧の安定化が図られる。この１連の動作中に割り込み等のその他の処理が入ってもかまわない。

図３に従来構成によるＤＣ／ＤＣコンバータと本実施形態の構成によるＤＣ／ＤＣコンバータそれぞれの出力電圧波形とサンプルタイミングの関係を表す図を示し、両者を比較説明する。

図３（ａ）は従来構成によるＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧とサンプリングタイミングの関係を示すもので、図中ｔ₁，ｔ₂はスイッチングオン時間開始から一定の時間でサンプリングする従来の方式である。
ｔ₁ ＝ｔ₂ ＝(const.) …（１）
この構成において、オン時間が変動した場合、サンプリング後に出力電圧変動ΔＶが発生する。ΔＶは概略下式で表される。
ΔＶ＝Ｉ_OUT ×Δｔ／Ｃ_OUT …（２）
ここで、Ｉ_OUTは出力電流、Ｃ_OUTはＤＣ／ＤＣコンバータの出力コンデンサ容量、Δｔはあるスイッチング周期の中のオン時間をＴ_ON1とし、次のスイッチング周期のオン時間をＴ_ON2としたときに、
Δｔ＝Ｔ_ON2 −Ｔ_ON1 …（３）
で表される時間変化量である。この電圧変動がサンプリングの偏差となり、電圧の安定度が低下してしまう。

図３（ｂ）は本実施形態の構成によるＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧波形とサンプルタイミングの関係を表す図を示す。図３（ｂ）のように、常に出力電圧Ｖ_OUTの最大値付近をモニタするため、基本的にオン期間間隔の時間変化量Δｔが発生しない。よって、出力電圧変動ΔＶも発生しないので、高精度の電圧安定度が得られる。

以上より、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータによれば、Ａ／Ｄコンバータ１０のサンプリングタイミングをパルス幅に応じて可変し、出力電圧変動ΔＶをゼロにすることができ、これによって演算処理時間を確保しつつ電圧安定度を改善することができる。

尚、上記実施形態はそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせでもよい。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…直流電圧源、２，３…スイッチ素子、４…ダイオード、５…インダクタ、６…キャパシタ、７，８…抵抗、９…負荷回路、１０…Ａ／Ｄコンバータ、１１…演算回路、１２…ＰＷＭ回路、１３，１４…駆動回路。

Claims

直流電圧を断続出力するスイッチング手段と、
前記スイッチング手段の断続出力を整流平滑して負荷に出力する整流平滑手段と、
前記負荷への出力電圧からモニタ電圧を検出する電圧検出手段と、
前記モニタ電圧を指示タイミングでサンプリングしてモニタ電圧データに変換する変換手段と、
前記モニタ電圧データに基づいて前記スイッチング手段のオン時間と前記変換手段のサンプリングタイミングを演算する演算手段と、
前記演算手段で演算されたオン時間に基づいて前記スイッチング手段をスイッチング駆動する駆動手段と
を具備し、
前記演算手段は、前記スイッチング手段に対するオン時間の変化に応じて前記サンプリングタイミングを決定することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記演算手段は、前記スイッチング手段に対するオン時間と同時、又は予め決められたオフセット時間を引いて前記サンプリングタイミングを決定することを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
直流電圧を断続出力し、前記断続出力を整流平滑して負荷に出力し、前記負荷への出力電圧からモニタ電圧を検出し、前記モニタ電圧を指示タイミングでサンプリングしてモニタ電圧データに変換し、前記モニタ電圧データに基づいて前記断続出力のオン時間と前記サンプリングのタイミングを演算し、前記演算されたオン時間に基づいて前記断続出力の制御を行うＤＣ／ＤＣコンバータに適用され、
前記断続出力に対するオン時間の変化に応じて前記サンプリングのタイミングを決定することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧安定化方法。
前記演算は、前記オン時間と同時、又は予め決められたオフセット時間を引いて前記サンプリングタイミングを決定することを特徴とする請求項３記載のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧安定化方法。