JP2017163773A - Switching power supply unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、共振回路を用いてソフトスイッチング動作を行わせる電流共振型コンバータ(これは「LLCコンバータ」とも言う。)等のスイッチング電源装置に係り、特に、その起動時の制御に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply device such as a current resonance converter (which is also referred to as an “LLC converter”) that performs a soft switching operation using a resonance circuit, and particularly relates to control at the time of startup.
従来、スイッチング電源装置の一つである電流共振型コンバータは、例えば、特許文献2に記載されているように、スイッチング周波数を有するスイッチング信号によってオン/オフ動作するスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子によってDC(直流)の入力電圧をAC(交流)に変換するスイッチング回路と、前記スイッチング回路から出力されるAC電圧を入力して所定の共振周波数にて共振する直列の共振回路と、前記共振回路から出力される共振信号を入力する1次巻線、及び2次巻線を有するトランス(変圧器)と、前記2次巻線から出力されるAC電圧を整流する整流回路と、その整流された電圧を平滑してDCの出力電圧を出力する出力コンデンサと、を備えている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a current resonance type converter which is one of switching power supply devices has a switching element that is turned on / off by a switching signal having a switching frequency, as described in
このような電流共振型コンバータの制御において、出力コンデンサの出力電圧の制御は、スイッチング素子をオン/オフ動作させるためのスイッチング信号のスイッチング周波数を制御することにより行われる。スイッチング周波数は、例えば、共振回路の共振周波数より低い周波数で動作するように設計されていて、スイッチング周波数を上げると(即ち、共振周波数に近づけると)、出力電圧が低くなり、スイッチング周波数を下げると(即ち、共振周波数から離れると)、出力電圧が高くなる。 In the control of such a current resonance type converter, the output voltage of the output capacitor is controlled by controlling the switching frequency of a switching signal for turning on / off the switching element. The switching frequency is designed to operate at a frequency lower than the resonance frequency of the resonance circuit, for example. When the switching frequency is increased (that is, closer to the resonance frequency), the output voltage is decreased, and when the switching frequency is decreased. (I.e., away from the resonant frequency), the output voltage increases.
この種の電流共振型コンバータでは、スイッチング素子のスイッチング時に、共振回路による共振現象を利用し、電圧又は電流がゼロとなった状態でスイッチングを行うソフトスイッチング技術により、スイッチング損失を低減することで、電源の高効率化や、低ノイズ化等が可能になる。ソフトスイッチングにおいて、一般に、電圧がゼロの状態で行うスイッチングをゼロ電圧スイッチング(以下「ZVS」という。)、電流がゼロの状態で行うスイッチングをゼロ電流スイッチング(以下「ZCS」という。)と称されている。 In this type of current resonance type converter, the switching loss is reduced by the soft switching technology that uses the resonance phenomenon by the resonance circuit at the time of switching of the switching element and performs switching in a state where the voltage or current becomes zero. It is possible to increase the efficiency of the power supply and reduce noise. In soft switching, switching performed in a state where the voltage is zero is generally referred to as zero voltage switching (hereinafter referred to as “ZVS”), and switching performed in a state where the current is zero is referred to as zero current switching (hereinafter referred to as “ZCS”). ing.
電流共振型コンバータは、スイッチング素子のオン/オフ動作を制御するスイッチング信号の周波数制御を行っており、出力電圧及び出力電流によってスイッチング周波数が一意に決まる。そのため、出力電圧が0Vの状態から起動する場合は、スイッチング周波数を高い周波数から徐々に周波数を下げていくこと(即ち、ソフトスタート(ウォークイン))により、出力コンデンサのチャージ電流による過電流を防止している。この時、スイッチングを行っているスイッチング素子には、出力コンデンサをチャージする電流が流れるため、この電流を利用してZVSを行うことができる。 The current resonance type converter performs frequency control of a switching signal for controlling on / off operation of the switching element, and the switching frequency is uniquely determined by the output voltage and the output current. Therefore, when starting from a state where the output voltage is 0 V, the switching frequency is gradually decreased from a high frequency (that is, soft start (walk-in)) to prevent overcurrent due to the charge current of the output capacitor. doing. At this time, since a current for charging the output capacitor flows through the switching element that performs switching, ZVS can be performed using this current.
以上のような電流共振型コンバータに関連する技術として、特許文献1には、スイッチング素子のオン/オフ動作により入力電圧を昇圧するスイッチングレギュレータが記載されている。このスイッチングレギュレータでは、出力電圧と目標値との誤差を減少させるように、パルス幅変調(以下「PWM」という。)制御によって、スイッチング素子をオン/オフ動作させるためのスイッチング信号を生成し、スイッチングレギュレータが起動してから出力電圧が目標値になるまで、スイッチング信号のデューティを徐々に大きくしていくソフトスタート機能を有し、出力電圧が目標値になるまで、スイッチング信号のデューティを小さく絞り、オーバーシュートを抑制している。
As a technique related to the current resonance converter as described above,
しかし、出力電圧に基づいてスイッチング信号を生成するための制御回路内において、信号処理の遅延が生じ、出力電圧が目標値に達しても、スイッチング信号のデューティがゼロにならず、出力電圧にオーバーシュートが生じる恐れがある。そこで、特許文献1のスイッチングレギュレータでは、起動してから出力電圧が目標値に達するまでの間において、その出力電圧を2段階に上昇させることにより、オーバーシュートを抑制している。
However, in the control circuit for generating the switching signal based on the output voltage, a delay of signal processing occurs, and even if the output voltage reaches the target value, the duty of the switching signal does not become zero, but exceeds the output voltage. Shooting may occur. Therefore, in the switching regulator of
図2は、特許文献2を含めた従来の一般的な電流共振型コンバータにおける起動波形を示す模式図であり、横軸は時間T、縦軸は出力電圧Vout(V)である。図2に示す起動波形は、動作開始時(起動時)に出力電圧Voutが0V、ソフトスタート期間Hが経過し、ソフトスタート完了時刻Tendにソフトスタートが完了すると、出力電圧Voutが目標値の定格出力電圧VoTに達している。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a startup waveform in a conventional general current resonance converter including
従来の電流共振型コンバータは、スイッチング周波数を変化させて出力電圧Voutを制御しているが、スイッチング周波数を一定とした場合においても、電流共振型コンバータの入出力条件(特に、負荷条件)の違いによって出力電圧Voutが変わってくる。そのため、事前に必要なスイッチング周波数が不明なため、図2に示すように、電流共振型コンバータのソフトスタート期間Hにおいて、滑らかな出力電圧Voutの立ち上がり波形を作りづらい。出力電圧Voutの立ち上がり波形が滑らかでない場合、出力コンデンサをチャージする電流を利用したZVSが行われないといったことから、スイッチング素子にストレスを与え、スイッチング素子が劣化する。 The conventional current resonance type converter controls the output voltage Vout by changing the switching frequency. However, even when the switching frequency is constant, the input / output conditions (particularly load conditions) of the current resonance type converter are different. Changes the output voltage Vout. Therefore, since the necessary switching frequency is unknown in advance, it is difficult to produce a smooth rising waveform of the output voltage Vout in the soft start period H of the current resonance type converter as shown in FIG. When the rising waveform of the output voltage Vout is not smooth, ZVS is not performed using the current for charging the output capacitor, so that the switching element is stressed and the switching element is deteriorated.
又、電流共振型コンバータの出力側に、大容量コンデンサを有する大容量負荷を接続すると、1次側に有するスイッチ素子の保護のための1次過電流動作で、起動できない場合がある、といった問題が生じる。
このような問題を解決するために、特許文献1の技術を適用することも考えられる。
In addition, if a large-capacity load having a large-capacitance capacitor is connected to the output side of the current resonance type converter, the primary overcurrent operation for protecting the switching element on the primary side may not be started. Occurs.
In order to solve such a problem, it is conceivable to apply the technique of
しかしながら、特許文献1のスイッチングレギュレータは、PWM制御により出力電圧Voutを制御しているのに対し、特に電流共振型コンバータは、PWM制御とは異なるパルス周波数変調(以下「PFM」という。)制御によって出力電圧Voutを制御し、しかも、電流共振型コンバータは、負荷条件の違いによって出力電圧Voutが変わってくる。そのため、特許文献1の技術をそのまま電流共振型コンバータに適用して、前記の問題を解決することは、相当困難である。
However, the switching regulator of
本発明のスイッチング電源装置は、スイッチング信号によってオン/オフ動作するスイッチング素子を有するスイッチング回路と、前記スイッチング回路の出力信号を整流及び平滑して出力電圧を出力する整流平滑回路と、前記スイッチング素子をオン/オフ動作させる前記スイッチング信号を生成し、前記スイッチング素子に対するソフトスイッチング動作及び通常運転動作を制御する制御部と、を備えている。 The switching power supply device of the present invention includes a switching circuit having a switching element that is turned on / off by a switching signal, a rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes an output signal of the switching circuit and outputs an output voltage, and the switching element. And a control unit that generates the switching signal for on / off operation and controls a soft switching operation and a normal operation for the switching element.
前記制御部は、前記ソフトスイッチング動作の制御前において、前記スイッチング回路の起動開始から第1固定期間の間、第1固定の制御量を設定して、第1固定制御量設定信号を出力する第1固定制御量設定手段と、前記第1固定期間の終了時、及び前記第1固定期間の終了後の第2固定期間において、前記出力電圧が規定値へ到達してプルチャージが完了しているか否かのプリチャージ判定を行ってプリチャージ判定結果を出力するプリチャージ判定手段と、前記プリチャージ判定結果が、前記第1固定期間の終了時において前記規定値へ到達していない場合、前記第2固定期間の間、前記出力電圧を前記規定値へ上昇させるような第2固定の制御量を設定して、第2固定制御量設定信号を出力する第2固定制御量設定手段と、前記プリチャージ判定結果が、前記第1固定期間の終了時又は前記第2固定期間中において前記規定値へ到達して前記プリチャージが完了している場合、及び、前記第2固定期間の終了時において前記規定値へ到達せずに前記プリチャージが未完了の場合、プリチャージ動作の制御を終了して前記ソフトスイッチング動作の制御へ移行するソフトスタート移行手段と、前記第1固定制御量設定信号及び前記第2固定制御量設定信号に基づき、前記スイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段と、を有することを特徴とする。 The control unit sets a first fixed control amount and outputs a first fixed control amount setting signal during a first fixed period from the start of activation of the switching circuit before the control of the soft switching operation. Whether the output voltage reaches a specified value and pull-charging is completed at the end of the first fixed period and at the end of the first fixed period and the second fixed period after the end of the first fixed period. Precharge determination means for performing a precharge determination on whether or not to output a precharge determination result; and when the precharge determination result has not reached the specified value at the end of the first fixed period, A second fixed control amount setting means for setting a second fixed control amount that raises the output voltage to the specified value during a fixed period, and outputting a second fixed control amount setting signal; And when the precharge is completed at the end of the first fixed period or when the precharge is completed during the second fixed period, and at the end of the second fixed period. When the precharge is not completed without reaching the specified value, the soft start transition means for ending the control of the precharge operation and shifting to the control of the soft switching operation, the first fixed control amount setting signal, and the Switching signal generating means for generating the switching signal based on a second fixed control amount setting signal.
例えば、前記ソフトスタート移行手段は、前記プリチャージが完了している場合には、前記プリチャージの完了時の電圧及び電流を起動開始点として、前記ソフトスイッチング動作の制御へ移行し、前記プリチャージが未完了の場合には、前記プリチャージの未完了時の電圧及び電流を起動開始点として、前記ソフトスイッチング動作の制御へ移行する、ことを特徴とする。
前記第2固定の制御量は、前記第1固定の制御量と同一又は異なる値であることを特徴とする。
For example, when the precharge is completed, the soft start transition means shifts to the control of the soft switching operation using the voltage and current at the completion of the precharge as a starting point, and the precharge Is not completed, the process proceeds to the control of the soft switching operation using the voltage and current when the precharge is not completed as the starting point.
The second fixed control amount is the same as or different from the first fixed control amount.
前記制御部は、更に、前記プリチャージ動作の制御の終了後、ソフトスタート期間の間、前記出力電圧が目標値へ上昇するようなソフトスタートの制御量を設定して、ソフトスタート制御量設定信号を出力するソフトスタート制御量設定手段と、前記ソフトスタート期間の終了後、前記出力電圧が前記目標値に追従するような通常運転の制御量を設定して、通常運転制御量設定信号を出力する通常運転制御量設定手段と、を有し、前記スイッチング信号生成手段は、前記第1固定制御量設定信号、前記第2固定制御量設定信号、前記ソフトスタート制御量設定信号、及び前記通常運転制御量設定信号に基づき、前記スイッチング信号を生成する、ことを特徴とする。 The control unit further sets a soft start control amount such that the output voltage rises to a target value during a soft start period after the control of the precharge operation, and a soft start control amount setting signal A soft start control amount setting means for outputting a normal operation control amount setting signal so that the output voltage follows the target value after the end of the soft start period, and a normal operation control amount setting signal is output. Normal operation control amount setting means, and the switching signal generation means includes the first fixed control amount setting signal, the second fixed control amount setting signal, the soft start control amount setting signal, and the normal operation control. The switching signal is generated based on a quantity setting signal.
前記制御量は、周波数であることを特徴とする。 The control amount is a frequency.
前記制御量は、パルス幅であることを特徴とする。 The control amount is a pulse width.
又、前記スイッチング電源装置は、例えば、電流共振型コンバータであり、前記スイッチング電源装置に対して、前記スイッチング回路の出力信号によって所定の共振周波数で共振する共振回路と、前記共振回路の出力信号を所定の電圧レベルに変換して前記整流平滑回路に与えるトランスと、が追加されている。 Further, the switching power supply device is, for example, a current resonance type converter, and a resonance circuit that resonates at a predetermined resonance frequency with an output signal of the switching circuit with respect to the switching power supply device, and an output signal of the resonance circuit. A transformer that converts the voltage into a predetermined voltage level and supplies the voltage to the rectifying and smoothing circuit is added.
本発明のスイッチング電源装置によれば、次の(1)〜(3)のような効果がある。 According to the switching power supply device of the present invention, the following effects (1) to (3) are obtained.
(1) 起動時において、第1固定期間及び第2固定期間からなるプリチャージ期間を設けているので、大容量コンデンサを有する大容量負荷を出力側に接続した場合においても、スムーズ(円滑)に起動できる。又、制御部を、例えば、デジタル・シグナル・プロセッサ(以下「DSP」という。)等のプロセッサで構成した場合、ハード回路を追加することなく、容易に、プリチャージ期間を設けることができる。 (1) Since a precharge period consisting of a first fixed period and a second fixed period is provided at the time of start-up, even when a large-capacity load having a large-capacitance capacitor is connected to the output side, it is smoothly (smooth) It can be started. Further, when the control unit is constituted by a processor such as a digital signal processor (hereinafter referred to as “DSP”), for example, a precharge period can be easily provided without adding a hardware circuit.
(2) プリチャージ期間の終了時に検出した出力電圧の検出信号に基づき、ソフトスタートの制御量を設定しているので、滑らかにソフトスタート期間へ移行でき、滑らかな出力電圧の立ち上がりを実現できる。そのため、起動時のスイッチング電源装置のストレスを回避できる。 (2) Since the control amount of the soft start is set based on the detection signal of the output voltage detected at the end of the precharge period, it is possible to smoothly shift to the soft start period and realize a smooth rise of the output voltage. Therefore, the stress of the switching power supply device at startup can be avoided.
(3) プリチャージ期間の終了時に検出した出力電圧の検出信号に基づき、その後のソフトスタート期間において、出力電圧の立ち上がり時間、或いは、立ち上がり傾斜を調整(設定)できる。そのため、急激な出力電圧や出力電流の変化を防ぐことで、起動時の負荷ストレスも軽減、回避できる。 (3) Based on the output voltage detection signal detected at the end of the precharge period, the rising time or rising slope of the output voltage can be adjusted (set) in the subsequent soft start period. Therefore, by preventing a sudden change in the output voltage or output current, it is possible to reduce or avoid load stress at startup.
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。 Modes for carrying out the present invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments when read in light of the accompanying drawings. However, the drawings are only for explanation and do not limit the scope of the present invention.
(実施例1の構成)
図3は、本発明の実施例1におけるスイッチング電源装置の構成例を示す概略の回路図である。
(Configuration of Example 1)
FIG. 3 is a schematic circuit diagram illustrating a configuration example of the switching power supply device according to the first embodiment of the present invention.
このスイッチング電源装置は、例えば、電流共振型コンバータであり、太陽電池等のDC電源から供給されるDC入力電圧Vinを入力する正側入力端子1a及びグランド側の負側入力端子1bを有している。入力端子1a,1b間には、平滑用の入力コンデンサ2を介して、ハーフブリッジ型のスイッチング回路3が接続されている。ハーフブリッジ型のスイッチング回路3は、2つのスイッチング素子(例えば、電界効果トランジスタ、以下「FET」という。)3a,3bを有し、これらのFET3a,3bが、入力コンデンサ2の正側電極と負側電極との間に直列に接続されている。
This switching power supply device is, for example, a current resonance type converter, and includes a
2つのFET3a,3bは、2つのスイッチング信号S1,S2により相補的にオン/オフ動作するものであり、これらのFET3a,3bのドレイン電極及びソース電極間に、転流用の寄生ダイオード3a1,3b1がそれぞれ逆並列に接続されている。FET3aのソース電極及びFET3bのドレイン電極間の接続点N1と、FET3bのソース電極と、には、共振回路4を介して、トランス5が接続されている。
The two
共振回路4は、2つの共振用コンデンサ4a,4bと共振用インダクタ4cとを有している。2つの共振用コンデンサ4a,4bは、FET3aのドレイン電極とFET3bのソース電極との間に、直列に接続されている。接続点N1と、2つの共振用コンデンサ4a,4b間の接続点N2と、の間には、共振用インダクタ4cとトランス5の1次巻線5aとが直列に接続されている。共振回路4は、共振用コンデンサ4a,4bのキャパシタンスと共振用インダクタ4cのインダクタンスとで決まる固有の共振周波数frを有している。
The resonance circuit 4 has two
トランス5は、インダクタ4cの一端の電極と接続点N2との間に接続された1次巻線5aと、この1次巻線5aに対して電磁気結合される2次巻線5bと、を有している。1次巻線5aには、これと並列に、トランス5の励磁インダクタンスが存在している。2次巻線5bの両端電極には、整流平滑回路6が接続されている。
The
整流平滑回路6は、2次巻線5bに誘起される誘導電圧を全波整流する4つのダイオード6a〜6dからなるダイオードブリッジ回路と、平滑用の出力コンデンサ6eと、により構成されている。出力コンデンサ6eの両端電極には、正側出力端子7a及びグランド側の負側出力端子7bが接続されている。出力端子7a,7b間から、DC出力電圧Voutが出力される。この出力端子7a,7bには、制御部としての出力電圧制御部10が接続されている。
The rectifying / smoothing circuit 6 includes a diode bridge circuit including four
出力電圧制御部10は、DC出力電圧Voutを検出し、この検出信号に基づき、PFM制御によって、FET3a,3bをオン/オフ動作させるスイッチング信号S1,S2を生成し、そのFET3a,3bに対するプリチャージ動作、ソフトスイッチング動作及び通常運転動作を制御する回路である。この出力電圧制御部10は、例えば、デジタル信号処理に特化したマイクロプロセッサであるDSP等のプロセッサ、デジタル回路の実回路、或いは、周波数制御集積回路等のアナログ回路の実回路、により構成されている。
The output
図1は、本発明の実施例1における図3のスイッチング電源装置中の出力電圧制御部10を示す概略の機能ブロック図である。
FIG. 1 is a schematic functional block diagram showing an output
この出力電圧制御部10は、DSP等のプロセッサにより構成され、出力電圧検出手段11、第1固定制御量設定手段としての第1固定周波数設定手段12、第1固定期間計測手段13、プリチャージ判定手段14、第2固定制御量設定手段としての第2固定周波数設定手段15、第2固定期間計測手段16、ソフトスタート移行手段17、ソフトスタート制御量設定手段としてのソフトスタート周波数設定手段18、通常運転制御量設定手段としての通常運転周波数設定手段19、及びスイッチング信号生成手段20を有している。
The output
出力電圧検出手段11は、DC出力電圧Voutを検出してこの検出信号S11をプリチャージ判定手段14、ソフトスタート移行手段17、ソフトスタート周波数設定手段18、及び通常運転周波数設定手段19へ出力するものであり、抵抗分圧回路等により構成されている。 The output voltage detection means 11 detects the DC output voltage Vout and outputs this detection signal S11 to the precharge determination means 14, the soft start transition means 17, the soft start frequency setting means 18, and the normal operation frequency setting means 19. And is constituted by a resistance voltage dividing circuit or the like.
第1固定周波数設定手段12は、ソフトスイッチング動作の制御前において、スイッチング回路3の起動開始から第1固定期間H1の間、予め設定したスイッチング周波数値により、第1固定の制御量(例えば、第1固定周波数)f1を設定して、第1固定制御量設定信号としての第1固定周波数設定信号S12を、第1固定期間計測手段13及びスイッチング信号生成手段20へ出力するものである。
The first fixed frequency setting means 12 has a first fixed control amount (for example, the first fixed amount) according to a preset switching frequency value during the first fixed period H1 from the start of the
第1固定期間計測手段13は、第1固定期間H1を計測し、この計測結果をプリチャージ判定手段14へ出力するものであり、タイマ等で構成されている。
The first fixed period measuring means 13 measures the first fixed period H1 and outputs the measurement result to the
プリチャージ判定手段14は、出力電圧検出手段11の検出信号S11、第1固定期間計測手段13の計測結果、及び第2固定期間計測手段16の計測結果に基づき、第1固定期間H1の終了時、及び第1固定期間H1の終了後の第2固定期間H2において、出力電圧Voutが規定値のプリチャージ完了電圧Vpに達しているか否か(即ち、Vout≧Vpか否か)のプリチャージ判定を行って、このプリチャージ判定結果を第2固定周波数設定手段15及びソフトスタート移行手段17へ出力するものである。
The
第2固定周波数設定手段15は、プリチャージ判定手段14のプリチャージ判定結果が、第1固定期間H1の終了時においてプリチャージ完了電圧Vpに達していない場合、第2固定期間H2の間、出力電圧Voutをプリチャージ完了電圧Vpへ上昇させるような第2固定の制御量(例えば、第2固定周波数)f2を設定して、第2固定制御量設定信号としての第2固定周波数設定信号S15を、第2固定期間計測手段16及びスイッチング信号生成手段20へ出力するものである。第2固定周波数f2は、第1固定周波数f1と同一の周波数、又は、第1固定周波数f1よりも低い周波数である。 The second fixed frequency setting means 15 outputs the output during the second fixed period H2 when the precharge determination result of the precharge determination means 14 has not reached the precharge completion voltage Vp at the end of the first fixed period H1. A second fixed control amount (for example, a second fixed frequency) f2 that raises the voltage Vout to the precharge completion voltage Vp is set, and a second fixed frequency setting signal S15 as a second fixed control amount setting signal is set. The second fixed period measuring means 16 and the switching signal generating means 20 are outputted. The second fixed frequency f2 is the same frequency as the first fixed frequency f1 or a frequency lower than the first fixed frequency f1.
第2固定期間計測手段16は、第2固定期間H2を計測し、この計測結果をプリチャージ判定手段14及びソフトスタート移行手段17へ出力するものであり、タイマ等で構成されている。
The second fixed period measuring means 16 measures the second fixed period H2 and outputs the measurement result to the
ソフトスタート移行手段17は、出力電圧検出手段11の検出信号S11、プリチャージ判定手段14のプリチャージ判定結果、及び第2固定期間計測手段16の計測結果に基づき、プリチャージ判定結果が、第1固定期間H1の終了時又は第2固定期間H2中においてプリチャージ完了電圧Vpに達している場合、及び、第2固定期間H2の終了時においてプリチャージ完了電圧Vpに達していない場合、プリチャージ動作の制御を終了して次のソフトスイッチング動作の制御へ移行し、その移行結果を、ソフトスタート制御量設定手段としてのソフトスタート周波数設定手段18へ出力するものである。
Based on the detection signal S11 of the output
ソフトスタート周波数設定手段18は、プリチャージ動作の制御の終了後、次のソフトスタート期間H3の間、出力電圧Voutが目標値へ徐々に上昇するようなソフトスタートの制御量(例えば、ソフトスタート周波数)f3を設定して、ソフトスタート制御量設定信号としてのソフトスタート周波数設定信号S18を、通常運転制御量設定手段としての通常運転周波数設定手段19とスイッチング信号生成手段20とへ出力するものである。 The soft start frequency setting means 18 controls the soft start control amount (for example, the soft start frequency so that the output voltage Vout gradually rises to the target value during the next soft start period H3 after the control of the precharge operation. ) F3 is set, and the soft start frequency setting signal S18 as the soft start control amount setting signal is output to the normal operation frequency setting means 19 and the switching signal generation means 20 as the normal operation control amount setting means. .
ソフトスタート周波数設定手段18は、例えば、基準電圧設定部と周波数演算部とにより構成されている。基準電圧設定部は、プリチャージ動作の制御の終了後、出力電圧検出手段11の検出信号S11に基づいて、予め設定された目標値まで、徐々に上昇させた基準電圧を設定するものである。更に、周波数演算部は、出力電圧検出手段11の検出信号S11とその基準電圧とを比較演算してソフトスタート周波数設定信号S18を生成する機能を有している。
The soft start
通常運転周波数設定手段19は、出力電圧検出手段11の検出信号S11、及びソフトスタート周波数設定信号S18に基づき、ソフトスタート期間H3の終了後の通常運転期間H4において、出力電圧Voutが目標値に追従するような通常運転周波数f4を設定して、通常運転周波数設定信号S19をスイッチング信号生成手段20へ出力するものである。 Based on the detection signal S11 of the output voltage detection means 11 and the soft start frequency setting signal S18, the normal operation frequency setting means 19 follows the target value in the normal operation period H4 after the end of the soft start period H3. The normal operation frequency f4 is set, and the normal operation frequency setting signal S19 is output to the switching signal generating means 20.
通常運転周波数設定手段19は、例えば、ソフトスタート周波数設定手段18と略同様に、基準電圧設定部と周波数演算部とにより構成されている。基準電圧設定部は、ソフトスタート期間H3の終了後の通常運転期間H4において、目標値となる一定の基準電圧を設定するものである。周波数演算部は、出力電圧検出手段11の検出信号S11と、一定の基準電圧と、を比較演算して通常運転周波数設定信号S19を生成する機能を有している。 The normal operation frequency setting means 19 is composed of a reference voltage setting section and a frequency calculation section, for example, in substantially the same manner as the soft start frequency setting means 18. The reference voltage setting unit sets a constant reference voltage that is a target value in the normal operation period H4 after the end of the soft start period H3. The frequency calculation unit has a function of comparing and calculating the detection signal S11 of the output voltage detection means 11 and a constant reference voltage to generate a normal operation frequency setting signal S19.
スイッチング信号生成手段20は、周波数制御手段としての機能を有し、第1固定周波数設定信号S12、第2固定周波数設定信号S15、ソフトスタート周波数設定信号S18、及び通常運転周波数設定信号S19に基づき、PFM制御によって制御パルスを作り、この制御パルスを駆動して相補的なスイッチング信号S1,S2を生成し、FET3a,3bをオン/オフ動作させるものである。
The switching signal generation means 20 has a function as a frequency control means, and is based on the first fixed frequency setting signal S12, the second fixed frequency setting signal S15, the soft start frequency setting signal S18, and the normal operation frequency setting signal S19. A control pulse is generated by PFM control, and the control pulse is driven to generate complementary switching signals S1 and S2, thereby turning on / off the
(実施例1の動作)
図4は、図3のスイッチング電源装置の出力電圧Voutを示す起動時の波形図である。
(Operation of Example 1)
FIG. 4 is a waveform diagram at the time of startup showing the output voltage Vout of the switching power supply device of FIG.
図4において、横軸は時間T、縦軸は出力電圧Voutである。横軸において、H12は第1固定期間H1と最大期間である第2固定期間H2とからなるプリチャージ期間、H3はソフトスタート期間、H4は通常運転期間である。実線波形のVout1は、大容量コンデンサを有する大容量負荷の場合の出力電圧、破線波形のVout2は、大容量コンデンサの無い通常負荷の場合の出力電圧である。 In FIG. 4, the horizontal axis represents time T, and the vertical axis represents the output voltage Vout. On the horizontal axis, H12 is a precharge period including a first fixed period H1 and a second fixed period H2 which is the maximum period, H3 is a soft start period, and H4 is a normal operation period. The solid line waveform Vout1 is an output voltage in the case of a large capacity load having a large capacity capacitor, and the broken line waveform Vout2 is an output voltage in the case of a normal load without a large capacity capacitor.
図5は、図1の出力電圧制御部10における起動時の制御処理を示すフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart showing a control process at the time of start-up in the output
図5のステップST1において、出力電圧制御部10の起動制御が開始されると、図1の出力電圧制御部10内の第1固定周波数設定手段12は、図4の第1固定期間H1の間、第1固定周波数f1を設定して第1固定周波数設定信号S12をスイッチング信号生成手段20へ出力する。すると、スイッチング信号生成手段20は、第1固定周波数設定信号S12に基づき、PFM制御によって制御パルスを作り、この制御パルスを駆動して相補的なスイッチング信号S1,S2を生成し、図3のスイッチング回路3内のFET3a,3bをオン/オフ動作させる。
When the start control of the output
例えば、スイッチング信号S1によってスイッチング回路3内のFET3aがオン状態になると共に、スイッチング信号S2によってFET3bがオフ状態になると、DC入力電圧Vinが印加された入力コンデンサ2の正側電極の蓄積電荷により、オン状態のFET3a、接続点N1、共振回路4内の共振用インダクタ4c、トランス5の1次巻線5a、接続点N2、及び共振用コンデンサ4bを経由して、入力コンデンサ2の負側電極へ電流が流れる。
For example, when the
次に、スイッチング信号S1によってFET3aがオフ状態になると共に、スイッチング信号S2によってFET3bがオン状態になると、共振用コンデンサ4bの正側電極の蓄積電荷により、接続点N2、トランス5の1次巻線5a、共振用インダク4c、接続点N1、及びオン状態のFET3bを経由して、共振用コンデンサ4bの負側電極へ電流が流れる。
Next, when the
これにより、共振用インダクタ4c、トランス5の1次巻線5a、及び共振用コンデンサ4bを流れる電流が共振し、トランス5の2次巻線5bに誘導電圧が発生する。発生した誘導電圧は、整流平滑回路6にて全波整流された後に平滑され、DC出力電圧Voutが出力端子7a,7bから出力される。
As a result, the current flowing through the
出力端子7a,7bに、大容量コンデンサの無い通常負荷が接続されている場合、図4の破線波形で示されるように、出力電圧Vout2が上昇していく。しかし、大容量コンデンサを有する大容量負荷が接続されている場合、図4の実線波形で示されるように、起動できないときがあり、そのため、出力電圧Vout1が上昇しない。そこで、次のステップST2,ST3へ進む。
When a normal load without a large-capacitance capacitor is connected to the
ステップST2において、図1の第1固定期間計測手段13は、予め設定された図4の第1固定期間H1を計測し、この第1固定期間H1が終了すると(YES)、この終了時点をプリチャージ判定手段14へ通知し、ステップST3へ進む。ステップST3において、プリチャージ判定手段14は、第1固定期間H1の終了時点で、出力電圧検出手段11の検出信号S11に基づき、出力電圧Vout(=Vout1,Vout2)が規定値のプリチャージ完了電圧Vpに達しているか否か(即ち、Vout1,Vout2≧Vpか否か)を判定し、この判定結果を第2固定周波数設定手段15へ通知する。通常負荷の場合には、出力電圧Vout2がプリチャージ完了電圧Vpに達しているので(YES)、ステップST5へ進む。大容量負荷の場合には、出力電圧Vout1が上昇していないので(NO)、ステップST4へ進む。
In step ST2, the first fixed period measuring means 13 in FIG. 1 measures the preset first fixed period H1 in FIG. 4, and when this first fixed period H1 ends (YES), this end time is pre-set. The
ステップST4において、第2固定周波数設定手段15は、図4の第2固定期間H2の間、出力電圧Vout1がプリチャージ完了電圧Vpへ上昇するような第2固定周波数f2を設定して、第2固定周波数設定信号S15をスイッチング信号生成手段20へ出力する。スイッチング信号生成手段20は、第2固定周波数設定信号S15に基づき、PFM制御によってスイッチング信号S1,S2を生成し、FET3a,3bをオン/オフ動作させ、ステップST5へ進む。
In step ST4, the second fixed frequency setting means 15 sets the second fixed frequency f2 such that the output voltage Vout1 rises to the precharge completion voltage Vp during the second fixed period H2 in FIG. The fixed frequency setting signal S15 is output to the switching signal generating means 20. Based on the second fixed frequency setting signal S15, the switching signal generation means 20 generates the switching signals S1 and S2 by PFM control, turns on / off the
ステップST5において、プリチャージ判定手段14は、第2固定期間H2において、出力電圧検出手段11の検出信号S11に基づき、出力電圧Vout1がプリチャージ完了電圧Vpに達しているか否か(即ち、Vout1≧Vpか否か)を判定し、この判定結果をソフトスタート移行手段17へ通知する。通常負荷の場合には、出力電圧Vout2がプリチャージ完了電圧Vpに達しているので(YES)、ステップST7へ進む。大容量負荷の場合には、出力電圧Vout1が上昇していないので(NO)、ステップST6へ進む。
In step ST5, the
ステップST6において、第2固定期間計測手段16は、第2固定期間H2を計測し、第2固定期間H2が終了しているか否かを判定する。第2固定期間H2が終了していないときには、ステップST5へ戻り、第2固定期間H2が終了しているときには、ステップST7へ進む。 In step ST6, the second fixed period measuring means 16 measures the second fixed period H2, and determines whether or not the second fixed period H2 has ended. When the second fixed period H2 has not ended, the process returns to step ST5, and when the second fixed period H2 has ended, the process proceeds to step ST7.
ステップST7において、ソフトスタート周波数設定手段18は、プリチャージ終了後のソフトスタート期間H3の間、出力電圧検出手段11の検出信号S11に基づき(即ち、出力電圧を検出し)、出力電圧Vout(=Vout1,Vout2)が目標値へ徐々に上昇するようなソフトスタート周波数f3を設定して、ソフトスタート周波数設定信号S18を通常運転周波数設定手段19及びスイッチング信号生成手段20へ出力する。スイッチング信号生成手段20は、ソフトスタート周波数設定信号S18に基づき、PFM制御によってスイッチング信号S1,S2を生成し、FET3a,3bをオン/オフ動作させて、出力電圧Vout(=Vout1,Vout2)を目標値へ徐々に上昇させていく。出力電圧Vout(=Vout1,Vout2)が目標値まで上昇すると、ステップST8へ進む。
In step ST7, the soft start
ステップST8おいて、起動制御を終了し、通常運転動作の制御へ移行する。この通常運転動作の制御において、通常運転周波数設定手段19は、出力電圧検出手段11の検出信号S11、及びソフトスタート周波数設定信号S18に基づき、ソフトスタート期間H3の終了後の通常運転期間H4において、出力電圧Voutが目標値に追従するような通常運転周波数f4を設定して、通常運転周波数設定信号S19をスイッチング信号生成手段20へ出力する。スイッチング信号生成手段20は、通常運転周波数設定信号S19に基づき、PFM制御によってスイッチング信号S1,S2を生成し、FET3a,3bをオン/オフ動作させる。これにより、出力電圧Voutの変動が抑制され、定格出力電圧になるような定電圧制御が行われる。
In step ST8, the start-up control is terminated, and the process proceeds to the normal operation control. In this normal operation control, the normal operation frequency setting means 19 is based on the detection signal S11 of the output voltage detection means 11 and the soft start frequency setting signal S18 in the normal operation period H4 after the end of the soft start period H3. A normal operation frequency f4 is set such that the output voltage Vout follows the target value, and a normal operation frequency setting signal S19 is output to the switching signal generating means 20. The switching signal generation means 20 generates switching signals S1 and S2 by PFM control based on the normal operation frequency setting signal S19, and turns on / off the
(実施例1の効果)
本実施例1のスイッチング電源装置によれば、次の(1)〜(3)のような効果がある。
(Effect of Example 1)
The switching power supply device according to the first embodiment has the following effects (1) to (3).
(1) 起動時において、第1固定期間H1及び第2固定期間H2からなるプリチャージ期間H12を設けているので、大容量コンデンサを有する大容量負荷を出力側に接続した場合においても、スムーズに起動できる。又、出力電圧制御部10を、例えば、DSP等のプロセッサで構成した場合、ハード回路を追加することなく、容易に、プリチャージ期間H12を設けることができる。
(1) Since the precharge period H12 including the first fixed period H1 and the second fixed period H2 is provided at the time of start-up, even when a large-capacity load having a large-capacitance capacitor is connected to the output side, smooth It can be started. Further, when the output
(2) プリチャージ期間H12の終了時の出力電圧Voutに基づき(即ち、出力電圧を検出し)、ソフトスタート周波数f3を設定しているので、滑らかにソフトスタート期間H3へ移行でき、滑らかな出力電圧Voutの立ち上がりを実現できる。そのため、起動時のスイッチング電源装置のストレスを回避できる。 (2) Since the soft start frequency f3 is set based on the output voltage Vout at the end of the precharge period H12 (that is, the output voltage is detected), the transition to the soft start period H3 can be made smoothly, and the smooth output The rise of the voltage Vout can be realized. Therefore, the stress of the switching power supply device at startup can be avoided.
(3) プリチャージ期間H12の終了時に検出した出力電圧Voutの検出信号S11に基づき、その後のソフトスタート期間H3において、出力電圧Voutの立ち上がり時間、或いは、立ち上がり傾斜を調整(設定)できる。そのため、急激な出力電圧Voutや出力電流の変化を防ぐことで、起動時の負荷ストレスも軽減、回避できる。 (3) Based on the detection signal S11 of the output voltage Vout detected at the end of the precharge period H12, the rising time or rising slope of the output voltage Vout can be adjusted (set) in the subsequent soft start period H3. Therefore, by preventing a sudden change in the output voltage Vout and the output current, load stress at startup can be reduced or avoided.
(実施例1の変形例)
本発明は、上記実施例1に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(e)のようなものがある。
(Modification of Example 1)
The present invention is not limited to the first embodiment, and various usage forms and modifications are possible. For example, the following forms (a) to (e) are available as usage forms and modifications.
(a) 図3のスイッチング回路3、共振回路4、トランス5、及び整流平滑回路6を有するコンバータ主回路は、図示以外の構成に変更しても良い。例えば、スイッチング回路3を構成するFET3a,3bは、他のトランジスタ等のスイッチング素子で構成しても良い。又、スイッチング回路3は、4つのスイッチング素子を用いたフルブリッジ構成に変更しても良い。
(A) The converter main circuit including the
(b) 図1の出力電圧制御部10は、図示以外の構成に変更しても良い。例えば、ソフトスタート周波数設定手段18と通常運転周波数設定手段19とは、略同様の構成であるため、これらのソフトスタート周波数設定手段18と通常運転周波数設定手段19とを、共通の周波数設定手段により構成しても良い。
(B) The output
(c) 実施例1は、定電圧制御を行う構成例について説明したが、回路構成を変更することにより、定電流制御を行う構成に変更したり、或いは、定電圧制御及び定電流制御を行う構成に変更することも可能である。 (C) In the first embodiment, the configuration example for performing the constant voltage control has been described. However, by changing the circuit configuration, the configuration is changed to the configuration for performing the constant current control, or the constant voltage control and the constant current control are performed. It is also possible to change the configuration.
(d) 実施例1では、制御量として、周波数を用いたが、周波数の代わりにパルス幅を用いることも可能である。 (D) In the first embodiment, the frequency is used as the control amount, but it is also possible to use a pulse width instead of the frequency.
(e) 実施例1では、スイッチング電源装置の例として、電流共振型コンバータについて説明したが、本発明は、共振回路4を持たないスイッチング電源装置や、PWM制御のスイッチング電源装置等にも適用が可能である。PWM制御の場合は、スイッチング周波数ではなく、デューティ制御されたPWM信号がスイッチング信号S1,S2になる。 (E) In the first embodiment, a current resonance type converter has been described as an example of a switching power supply device. However, the present invention can be applied to a switching power supply device that does not have the resonance circuit 4, a PWM control switching power supply device, and the like. Is possible. In the case of PWM control, not the switching frequency but the duty-controlled PWM signal becomes the switching signals S1 and S2.
3 スイッチング回路
3a,3b FET
4 共振回路
5 トランス
6 整流平滑回路
10 出力電圧制御部
11 出力電圧検出手段
12 第1固定周波数設定手段
13 第1固定期間計測手段
14 プリチャージ判定手段
15 第2固定周波数設定手段
16 第2固定期間計測手段
17 ソフトスタート移行手段
18 ソフトスタート周波数設定手段
19 通常運転周波数設定手段
20 スイッチング信号生成手段
3
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4
Claims (7)
前記スイッチング回路の出力信号を整流及び平滑して出力電圧を出力する整流平滑回路と、
前記スイッチング素子をオン/オフ動作させる前記スイッチング信号を生成し、前記スイッチング素子に対するソフトスイッチング動作及び通常運転動作を制御する制御部と、
を備えるスイッチング電源装置であって、
前記制御部は、
前記ソフトスイッチング動作の制御前において、前記スイッチング回路の起動開始から第1固定期間の間、第1固定の制御量を設定して、第1固定制御量設定信号を出力する第1固定制御量設定手段と、
前記第1固定期間の終了時、及び前記第1固定期間の終了後の第2固定期間において、前記出力電圧が規定値へ到達してプルチャージが完了しているか否かのプリチャージ判定を行ってプリチャージ判定結果を出力するプリチャージ判定手段と、
前記プリチャージ判定結果が、前記第1固定期間の終了時において前記規定値へ到達していない場合、前記第2固定期間の間、前記出力電圧を前記規定値へ上昇させるような第2固定の制御量を設定して、第2固定制御量設定信号を出力する第2固定制御量設定手段と、
前記プリチャージ判定結果が、前記第1固定期間の終了時又は前記第2固定期間中において前記規定値へ到達して前記プリチャージが完了している場合、及び、前記第2固定期間の終了時において前記規定値へ到達せずに前記プリチャージが未完了の場合、プリチャージ動作の制御を終了して前記ソフトスイッチング動作の制御へ移行するソフトスタート移行手段と、
前記第1固定制御量設定信号及び前記第2固定制御量設定信号に基づき、前記スイッチング信号を生成するスイッチング信号生成手段と、
を有することを特徴とするスイッチング電源装置。 A switching circuit having a switching element that is turned on / off by a switching signal;
A rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes the output signal of the switching circuit and outputs an output voltage;
A controller that generates the switching signal for turning on / off the switching element, and controls a soft switching operation and a normal operation for the switching element;
A switching power supply device comprising:
The controller is
A first fixed control amount setting for setting a first fixed control amount and outputting a first fixed control amount setting signal during a first fixed period from the start of activation of the switching circuit before the control of the soft switching operation Means,
At the end of the first fixed period and in the second fixed period after the end of the first fixed period, a precharge determination is made as to whether or not the output voltage reaches a specified value and the pull charge is completed. Precharge determining means for outputting a precharge determination result;
If the precharge determination result does not reach the specified value at the end of the first fixed period, a second fixed value that increases the output voltage to the specified value during the second fixed period. Second fixed control amount setting means for setting a control amount and outputting a second fixed control amount setting signal;
When the precharge determination result reaches the specified value at the end of the first fixed period or during the second fixed period and the precharge is completed, and at the end of the second fixed period Soft start transition means for ending the control of the precharge operation and shifting to the control of the soft switching operation when the precharge is not completed without reaching the specified value in
Switching signal generating means for generating the switching signal based on the first fixed control amount setting signal and the second fixed control amount setting signal;
A switching power supply device comprising:
前記プリチャージが完了している場合には、前記プリチャージの完了時の電圧及び電流を起動開始点として、前記ソフトスイッチング動作の制御へ移行し、
前記プリチャージが未完了の場合には、前記プリチャージの未完了時の電圧及び電流を起動開始点として、前記ソフトスイッチング動作の制御へ移行する、
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。 The soft start transition means includes
When the precharge is completed, the voltage and current at the completion of the precharge are used as starting points, and the process proceeds to the control of the soft switching operation.
When the precharge is incomplete, the voltage and current when the precharge is incomplete is used as a starting point, and the control proceeds to the soft switching operation.
The switching power supply device according to claim 1.
前記第1固定の制御量と同一又は異なる値であることを特徴とする請求項1又は2記載のスイッチング電源装置。 The second fixed control amount is
3. The switching power supply device according to claim 1, wherein the switching power supply device has a value that is the same as or different from the first fixed control amount.
前記プリチャージ動作の制御の終了後、ソフトスタート期間の間、前記出力電圧が目標値へ上昇するようなソフトスタートの制御量を設定して、ソフトスタート制御量設定信号を出力するソフトスタート制御量設定手段と、
前記ソフトスタート期間の終了後、前記出力電圧が前記目標値に追従するような通常運転の制御量を設定して、通常運転制御量設定信号を出力する通常運転制御量設定手段と、
を有し、
前記スイッチング信号生成手段は、
前記第1固定制御量設定信号、前記第2固定制御量設定信号、前記ソフトスタート制御量設定信号、及び前記通常運転制御量設定信号に基づき、前記スイッチング信号を生成する、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のスイッチング電源装置。 The control unit further includes:
A soft start control amount that outputs a soft start control amount setting signal by setting a soft start control amount such that the output voltage rises to a target value during a soft start period after the completion of the precharge operation control. Setting means;
A normal operation control amount setting means for setting a control amount for normal operation such that the output voltage follows the target value after the end of the soft start period, and outputting a normal operation control amount setting signal;
Have
The switching signal generating means includes
Based on the first fixed control amount setting signal, the second fixed control amount setting signal, the soft start control amount setting signal, and the normal operation control amount setting signal, the switching signal is generated.
The switching power supply device according to any one of claims 1 to 3.
前記スイッチング回路の前記出力信号によって所定の共振周波数で共振する共振回路と、
前記共振回路の出力信号を所定の電圧レベルに変換するトランスと、
前記トランスの出力信号を整流及び平滑して前記出力電圧を出力する前記整流平滑回路と、
前記制御部と、
を備える電流共振型コンバータを構成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項記載のスイッチング電源装置。
The switching circuit;
A resonance circuit that resonates at a predetermined resonance frequency by the output signal of the switching circuit;
A transformer for converting the output signal of the resonance circuit to a predetermined voltage level;
The rectifying / smoothing circuit for rectifying and smoothing the output signal of the transformer and outputting the output voltage;
The control unit;
A switching power supply device according to any one of claims 1 to 6, wherein a current resonance converter is provided.
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