JP2014087185A - Dc/dcコンバータおよびそれを用いたゲーム機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数N個(Nは2以上の整数)のスイッチング回路SW1〜SWNはそれぞれ、入力されたパルス信号に応じて、スイッチングノードにスイッチング電圧Vsw1〜VswNを発生させる。フェーズコントローラ16は、そのときのDC/DCコンバータ2の状態に応じて、駆動フェーズ数K(KはN以下の整数)を動的に切りかえる。パルス変調器20は、周波数が駆動フェーズ数Kに応じて変化するパルス信号SPWMを生成する。分配部22は、N個のスイッチング回路SW1〜SWNのうちのK個を選択し、選択されたK個のスイッチング回路それぞれに、(360/K)度の位相差にてパルス信号SPWM1〜SPMWKを分配する。
【選択図】図4
Description
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
また、出力ライン6と理想グランド9の間には、出力キャパシタCoの実効的な容量成分に加えて、シャント抵抗RSNTおよびシャントインダクタンスLSNTが存在する。シャント抵抗RSNTは、出力キャパシタCoのESR(等価直列抵抗)や、接地ライン8やビアホールの抵抗成分を含む。シャントインダクタンスLSNTは、接地ライン8やビアホールのインダクタンス成分を含む。
(i)リップルを低減することを優先する場合、インピーダンスが最も小さい共振周波数(図6ではfr3)を選択すればよい。
(ii)一方、スイッチング周波数が低い方が、DC/DCコンバータの効率は高くなる。したがって、効率を優先する場合、低い共振周波数(図6ではfr1)を選択することになろう。
(iii)また、スイッチング周波数が高い方が、負荷変動に対する出力電圧の安定性(ロードレギュレーション)が高くなる。したがってロードレギュレーションを優先する場合、高い共振周波数(図6ではfr3)を選択することになろう。
この例では、リップル量を低減することを最優先する。したがって、最も低いインピーダンスを与える共振周波数fr3が選択され、fK積は同じ値に設定される。駆動フェーズ数Kにおけるスイッチング周波数をf[K]と書くとき、K=2、3、4のそれぞれに対するスイッチング周波数f[2]、f[3]、f[4]を、
f[2]=fr3/2
f[3]=fr3/3
f[4]=fr3/4
となるように定める。
リップル量の低減と、効率およびロードレギュレーションをバランスよく実現させたい場合、中間の共振周波数fr2を選択してもよい。
効率を最優先して設計する場合、最も低い共振周波数fr1を選択してもよい。
図8(a)〜(c)と図3(a)〜(c)を対比すると明らかなように、図4のDC/DCコンバータ2によれば、図1のDC/DCコンバータ2rに比べて出力電圧VOUTのリップル量を低減することができる。これは、駆動フェーズ数Kごとのスイッチング周波数f[K]を、リップルが小さくなるように、より具体的には、fK積が、平滑回路12の共振周波数またはその近傍となるように定めたことによる。
電子機器1はたとえばゲーム専用機あるいはコンピュータである。整流回路100は、商用交流電圧VACを整流、平滑化し、直流電圧VDCを生成する。絶縁型のDC/DCコンバータ102は、直流電圧VDCを降圧し、入力電圧VINを生成する。DC/DCコンバータ2は、入力電圧VINを降圧し、負荷、たとえばプロセッサ104の電源端子に、出力電圧VOUTを供給する。
実施の形態では、すべての駆動フェーズ数K=2、3、4において、駆動フェーズ数Kとスイッチング周波数fが、平滑回路12の共振周波数に応じて定められた同じ値となるように、スイッチング周波数f[2]、f[3]、f[4]が決定された。しかしながら本発明はそれには限定されない。
f[2]=fr1/2
f[3]=fr2/3
f[4]=fr3/4
となるように定めてもよい。実施の形態のように、異なる駆動フェーズ数に対して同じ共振周波数を用いると、駆動フェーズ数が少ないときの効率と、駆動フェーズ数が高いときのロードレギュレーションがトレードオフの関係となる。これに対して、第1の変形例によれば、駆動フェーズ数K=2のときに、スイッチング周波数f[2]が低く、K=4のときのスイッチング周波数f[4]が高く設定されるため、トレードオフの関係に束縛されずに、DC/DCコンバータ2を設計できる。
f[2]=fr3/2
f[3]=fr2/3
f[4]=fr1/4
となるように定めてもよい。いずれの駆動フェーズ数に、いずれの共振周波数を割り当てるかは、効率、リップル量、ロードレギュレーションを勘案して定めればよい。これにより、リップル量を低く抑えたまま、最も効率がよくなるようなスイッチング周波数を選択することが可能となる。
実施の形態で説明したスイッチング周波数の設定方法と、第1の変形例のスイッチング周波数の設定方法は組み合わせてもよい。
たとえば、
f[2]=fr3/2
f[3]=fr2/3
f[4]=fr2/4
のように、スイッチング周波数を定めてもよい。さらには、ある駆動フェーズ数においては、fK積を、共振周波数とは無関係に定めてもよい。
実施の形態では、平滑回路12の共振周波数frを、平滑回路12全体をモデリングし、シミュレーションすることにより、あるいは実際の平滑回路12を実測することにより取得する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。
実施の形態では設定可能な駆動フェーズ数が、2〜Nの場合について説明したが、設定可能なフェーズ数は任意である。たとえば、K=1、2、…、2mのように選択してもよい。
実施の形態では、DC/DCコンバータ2において負荷電流IOUTを検出し、その結果にもとづいて駆動フェーズ数Kを設定したが、本発明はそれに限定されない。たとえばDC/DCコンバータ2の負荷がそれ自身の負荷電流IOUTを知っている場合、負荷からDC/DCコンバータ2に負荷電流を示すデータを送信し、フェーズコントローラ16はそのデータにもとづいて駆動フェーズ数Kを選択してもよい。
Claims (10)
- 直流入力電圧が供給される入力ラインと、
出力ラインおよび前記出力ラインと接続された少なくともひとつの出力キャパシタを含む平滑回路と、
それぞれが、前記入力ラインと接地ラインの間に直列に設けられたスイッチングトランジスタおよび同期整流トランジスタを含み、入力されたパルス信号に応じて前記スイッチングトランジスタおよび前記同期整流トランジスタの接続点であるスイッチングノードにスイッチング電圧を発生させる、複数N個(Nは2以上の整数)のスイッチング回路と、
それぞれが前記スイッチング回路ごとに設けられ、対応する前記スイッチング回路の前記スイッチングノードと前記出力ラインの間に設けられた、N個のインダクタと、
そのときのDC/DCコンバータの状態に応じて、駆動フェーズ数K(KはN以下の整数)を動的に切りかえるフェーズコントローラと、
前記出力ラインの出力電圧に応じたフィードバック電圧が所定の基準電圧と一致するようにデューティ比が調節され、かつ周波数が駆動フェーズ数Kに応じて変化するパルス信号を生成するパルス変調器と、
前記N個のスイッチング回路のうちのK個を選択し、選択されたK個のスイッチング回路それぞれに、(360/K)度の位相差にて前記パルス信号を分配する分配部と、
を備えることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 前記平滑回路がある共振周波数frを有するとき、少なくともひとつの駆動フェーズ数k1において、前記パルス信号の周波数f1が、fr/k1となるように定められていることを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記平滑回路がある共振周波数frを有するとき、少なくとも2つの駆動フェーズ数k1、k2において、前記パルス信号の周波数fx1、fx2は、fr/k1、fr/k2を満たすよう定められることを特徴とする請求項2に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記平滑回路が共振周波数fr1、fr2を有するとき、少なくとも2つの駆動フェーズ数k1、k2において、前記パルス信号の周波数fx1、fx2は、fr1/k1、fr2/k2を満たすよう定められることを特徴とする請求項2に記載のDC/DCコンバータ。
- すべての駆動フェーズ数において、前記パルス信号の周波数が、前記平滑回路のインピーダンスの共振周波数にもとづいて定められることを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記回路の状態は、負荷電流であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のDC/DCコンバータ。
- 前記フェーズコントローラは、そのときのDC/DCコンバータの状態において最も高い効率を与える駆動フェーズ数を選択することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のDC/DCコンバータ。
- 直流入力電圧が供給される入力ラインと、
出力ラインおよび前記出力ラインと接続された少なくともひとつの出力キャパシタを含む平滑回路と、
それぞれが、前記入力ラインと接地ラインの間に直列に設けられたスイッチングトランジスタおよび同期整流トランジスタを含み、入力されたパルス信号に応じて前記スイッチングトランジスタおよび前記同期整流トランジスタの接続点であるスイッチングノードにスイッチング電圧を発生させる、複数N個(Nは2以上の整数)のスイッチング回路と、
それぞれが前記スイッチング回路ごとに設けられ、対応する前記スイッチング回路の前記スイッチングノードと前記出力ラインの間に設けられた、N個のインダクタと、
前記出力ラインの出力電圧に応じたフィードバック電圧が所定の基準電圧と一致するようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成するパルス変調器と、
駆動フェーズ数Kを決定するフェーズコントローラと、
前記N個のスイッチング回路のうちのK個を選択し、選択されたK個のスイッチング回路それぞれに、(360/K)度の位相差にて前記パルス信号を分配する分配部と、
を備え、
各駆動フェーズ数における前記パルス信号の周波数は、駆動フェーズ数によらず前記パルス信号の周波数を一定とした場合に比べて、前記出力電圧のリップルが小さくなるように定められることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 直流入力電圧が供給される入力ラインと、
出力ラインおよび前記出力ラインと接続された少なくともひとつの出力キャパシタを含む平滑回路と、
それぞれが、前記入力ラインと接地ラインの間に直列に設けられたスイッチングトランジスタおよび同期整流トランジスタを含み、入力されたパルス信号に応じて前記スイッチングトランジスタおよび前記同期整流トランジスタの接続点であるスイッチングノードにスイッチング電圧を発生させる、複数N個(Nは2以上の整数)のスイッチング回路と、
それぞれが前記スイッチング回路ごとに設けられ、対応する前記スイッチング回路の前記スイッチングノードと前記出力ラインの間に設けられた、N個のインダクタと、
駆動フェーズ数Kを決定するフェーズコントローラと、
前記出力ラインの出力電圧に応じたフィードバック電圧が所定の基準電圧と一致するようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成し、かつ前記駆動フェーズ数Kと前記パルス信号の周波数の積が、前記平滑回路の共振周波数に応じて定まる所定値となるように、前記パルス信号の周波数を制御するパルス変調器と、
前記N個のスイッチング回路のうちのK個を選択し、選択されたK個のスイッチング回路それぞれに、(360/K)度の位相差にて前記パルス信号を分配する分配部と、
を備えることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 請求項1から9のいずれかに記載のDC/DCコンバータを備えることを特徴とするゲーム機器。
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