JP2018023190A - Switching power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、並列運転を行うスイッチング電源システムに用いるスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device used in a switching power supply system that performs parallel operation.
従来、複数台のスイッチング電源装置の出力を並列に接続して使用するスイッチング電源システムが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a switching power supply system that uses a plurality of switching power supply apparatuses connected in parallel is known.
このスイッチング電源システムから電流を得る場合において、スイッチング電源システム内の個々のスイッチング電源装置の出力電圧設定値にばらつきがあると、出力電圧設定値の高いスイッチング電源装置が多くの電流を出力することになり、それぞれのスイッチング電源装置の出力電流がアンバランスになる。 In the case where current is obtained from this switching power supply system, if there is variation in the output voltage setting value of each switching power supply device in the switching power supply system, the switching power supply device having a high output voltage setting value outputs a large amount of current. Thus, the output currents of the respective switching power supply devices become unbalanced.
出力電流がアンバランスになると、電流を多く出力しているスイッチング電源装置の発熱が大きくなり寿命が短くなる問題が発生する。スイッチング電源システムでは、システムを構成するスイッチング電源装置の故障はシステムとしての故障になるため、システムを構成する個々のスイッチング電源装置の出力電流をバランスさせ、発熱を均一化することで寿命を均一化し、システムとしての寿命が長くなるような対策を行う(特許文献1)。 When the output current becomes unbalanced, there arises a problem that heat generation of the switching power supply device that outputs a large amount of current increases and the life is shortened. In a switching power supply system, a failure of the switching power supply device that constitutes the system becomes a failure of the system. Therefore, the output current of each switching power supply device that constitutes the system is balanced, and the heat generation is made uniform to equalize the life. Measures are taken to extend the life of the system (Patent Document 1).
ところで、これまで開示されている電流バランス技術は、スイッチング電源システムを構成するスイッチング電源装置から出力される電流の差分が一定値以上の場合において機能するため、スイッチング電源システムが無負荷で運転されている場合には、個々のスイッチング電源装置が出力する電流に差が無くなるため電流バランス技術が機能しない。 By the way, since the current balance technique disclosed so far functions when the difference between the currents output from the switching power supply devices constituting the switching power supply system is a certain value or more, the switching power supply system is operated without a load. If there is, the current balance technique does not function because there is no difference in the current output by each switching power supply device.
そして、無負荷で動作しているスイッチング電源システムから、急峻に大きな出力電流を取り出した場合に、出力電流が増加するまでの応答時間の遅れが発生する。具体的には、無負荷状態のスイッチング電源システムから、システムを構成する1台のスイッチング電源装置が出力可能な電流値よりも大きな出力電流を取り出そうとした場合に電流出力の応答遅れが発生する。 Then, when a large output current is suddenly extracted from the switching power supply system operating with no load, a response time delay until the output current increases occurs. Specifically, a response delay in current output occurs when an output current larger than the current value that can be output by one switching power supply device constituting the system is taken out from a switching power supply system in a no-load state.
スイッチング電源装置の出力電流の応答特性が悪いことに対して、一般的には、スイッチング電源装置の出力側のコンデンサを大容量化することで対策を行う。これにより、スイッチング電源装置の制御回路が応答するまでの期間はスイッチング電源装置の出力側のコンデンサから電流を供給することができるようになり、スイッチング電源装置としての出力電流に対する応答特性を改善できる。しかし、この対策では、大型のコンデンサが必要になるためスイッチング電源装置の大型化、高コスト化を招いてしまう。 In general, countermeasures are taken against the poor response characteristics of the output current of the switching power supply by increasing the capacity of the capacitor on the output side of the switching power supply. As a result, current can be supplied from the capacitor on the output side of the switching power supply until the control circuit of the switching power supply responds, and the response characteristics of the switching power supply with respect to the output current can be improved. However, this measure requires a large capacitor, which leads to an increase in the size and cost of the switching power supply device.
(スイッチング電源システムの無負荷時の動作)
無負荷で運転されるスイッチング電源システムにおいて、システムを構成する個々のスイッチング電源装置の動作を説明する。
(Operation of the switching power supply system when there is no load)
In the switching power supply system that is operated with no load, the operation of the individual switching power supply devices constituting the system will be described.
スイッチング電源システムの無負荷時の動作を説明するに先立ち、まず、単体のスイッチング電源装置を無負荷で動作させた場合を説明する。無負荷で動作しているスイッチング電源装置においても、スイッチング素子を動作させることで入力側から出力側に電力を供給している。これは、スイッチング電源装置の出力電圧制御回路が若干の電力を消費しているためであり、この電力を供給する必要があるためである。 Prior to describing the operation of the switching power supply system when there is no load, a case where a single switching power supply device is operated without load will be described. Even in a switching power supply device operating with no load, power is supplied from the input side to the output side by operating the switching element. This is because the output voltage control circuit of the switching power supply device consumes some power, and this power needs to be supplied.
次に、複数台のスイッチング電源装置を並列に接続してスイッチング電源システムを構成した場合において、システムが無負荷で動作している場合を説明する。 Next, a case where the system is operating with no load when a switching power supply system is configured by connecting a plurality of switching power supply apparatuses in parallel will be described.
スイッチング電源システムが無負荷で動作する場合には、システムを構成する複数台のスイッチング電源装置の中で、出力電圧設定値のばらつきにより、出力電圧設定値が一番高い値となっているスイッチング電源装置だけがスイッチング動作を行い、システム内の残りのスイッチング電源装置は、スイッチング動作を停止した状態となる。 When the switching power supply system operates with no load, the switching power supply with the highest output voltage setting value due to variations in the output voltage setting value among the multiple switching power supply devices that make up the system Only the device performs the switching operation, and the remaining switching power supply devices in the system are stopped.
スイッチング電源システムの中で出力電圧設定値が一番高い値となっているスイッチング電源装置は、無負荷で動作している単体のスイッチング電源装置と同様に、スイッチング電源装置の出力電圧制御回路が消費する電力を供給するためにスイッチング動作が行われる。 The switching power supply with the highest output voltage setting value in the switching power supply system consumes the output voltage control circuit of the switching power supply in the same way as a single switching power supply operating with no load. A switching operation is performed to supply power to be transmitted.
そして、スイッチング電源システムの中で出力電圧設定値が低い残りのスイッチング電源装置は、自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が出力側に印加された状態となっている。これは出力電圧設定値が一番高い値となっているスイッチング電源装置から、出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置に電圧が印加された状態である。 The remaining switching power supply devices having a low output voltage set value in the switching power supply system are in a state in which a voltage higher than their own output voltage set value is applied to the output side. This is a state in which a voltage is applied from the switching power supply device with the highest output voltage setting value to the switching power supply device with the lower output voltage setting value.
ここで、自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が外部から印加されたスイッチング電源装置は、自身の出力電圧制御回路が消費する電力を外部から供給された状態となり、自身のスイッチング素子を動作させて電力を供給する必要が無くなる。また、外部から印加された電圧が自身の出力電圧制御回路の設定電圧よりも高いため、出力電圧制御回路は、自身の出力電圧が高くなっていると判断し、出力電圧を低下させるように自身のスイッチング素子の動作を制御する。この制御によってスイッチング素子の動作が完全に停止した状態となる。 Here, the switching power supply device to which a voltage higher than its own output voltage setting value is externally applied is in a state where the power consumed by its own output voltage control circuit is supplied from the outside, and operates its own switching element. Power need not be supplied. Also, since the externally applied voltage is higher than the set voltage of its own output voltage control circuit, the output voltage control circuit determines that its own output voltage is high, and reduces its output voltage. The operation of the switching element is controlled. By this control, the operation of the switching element is completely stopped.
このとき、出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置は出力電流がほぼゼロ、出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置は出力電流が完全にゼロであり、出力電流としては、どちらのスイッチング電源装置もほとんど同じ値となるので、特許文献1の電流バランス技術は機能しないことになる。 At this time, the switching power supply with the higher output voltage set value has almost zero output current, and the switching power supply with the lower output voltage set value has completely zero output current. Since the power supply device has almost the same value, the current balance technique of Patent Document 1 does not function.
(スイッチング電源装置の構成)
図6はスイッチング電源システムを構成する従来のスイッチング電源装置の1台の回路の構成を示した回路ブロック図である。
(Configuration of switching power supply)
FIG. 6 is a circuit block diagram showing the configuration of one circuit of a conventional switching power supply device constituting the switching power supply system.
図6に示すように、スイッチング電源装置100は、電力変換部112と出力電圧制御回路122で構成される。出力電圧制御回路122には、フィードバック制御回路126、基準電圧源128、PWM制御回路130が設けられる。
As shown in FIG. 6, the switching
電力変換部112は、例えば降圧チョッパーであり、MOS−FETを用いたスイッチング素子114、整流用のダイオード118及び平滑用のインダクタ116とコンデンサ120で構成される。
The
電力変換部112は、スイッチング素子114のオン、オフにより、入力端子110a,110bに対する入力電圧Vinを断続電圧に変換し、断続電圧をインダクタ116、ダイオード118及び出力コンデンサ120により整流平滑することで直流の出力電圧Voを生成し、出力端子121a,121bから負荷に供給する。
The
スイッチング素子114は、PWM制御回路130からのスイッチング制御信号VGSがHレベルのときオンし、Lレベルのときオフするように動作する。出力電圧Voは、スイッチング素子114のオンデューティにより制御され、オンデューティが大きくなると出力電圧Voが上昇し、オンデューティが小さくなると出力電圧Voが低下する。
Switching
なお、図6では、電力変換部112として降圧チョッパーを用いているが、スイッチング素子のオン、オフで電力変換できる回路であれば同様の動作となり、例えば、絶縁型のフォワードコンバータやフライバックコンバータ等でも良い。
In FIG. 6, a step-down chopper is used as the
基準電圧源128は、所定の基準電圧Vrefを出力する電圧発生回路であり、電力変換部112の出力電圧Voを所定の出力電圧設定値に制御するために用いる。
The
フィードバック制御回路126は誤差アンプ138で構成される。誤差アンプ138は、出力電圧Voが基準電圧Vrefに比例した値になるように、フィードバック制御を行う。フィードバック制御回路126の誤差アンプ138には、基準電圧Vrefと出力電圧検出回路124の抵抗134,136で分圧された出力電圧Voに比例した電圧である出力検出電圧Vsensが入力される。
The
フィードバック制御回路126の誤差アンプ138は基準電圧Vrefと出力検出電圧Vsensとの誤差に応じて変化するフィードバック信号VFBをPWM制御回路130に出力する。即ち、誤差アンプ138はVsens>Vrefのときフィードバック信号VFBが低下するように制御を行い、Vsens<Vrefのときフィードバック信号VFBが上昇するように制御を行う。
The error amplifier 138 of the
PWM制御回路130はPWMコンパレータ146と三角波発振器148で構成される。PWMコンパレータ146には、三角波発振器148からの所定周波数と振幅の三角波信号Vtriとフィードバック制御回路126からのフィードバック信号VFBが入力され、PWMコンパレータ146の出力がスイッチング制御信号VGSとして電力変換部112に出力される。
The
PWM制御回路130は、VFB>Vtriのときスイッチング制御信号VGSがHレベルになるように制御を行い、VFB<Vtriのときスイッチング制御信号VGSがLレベルになるように制御を行う。従って、スイッチング電源装置100のスイッチング周波数は、三角波発振器148の周波数で決定され、フィードバック信号VFBが上昇するとスイッチング素子114のオンデューティが大きくなり、フィードバック信号VFBが低下するとスイッチング素子114のオンデューティが小さくなる。
The
これによりスイッチング電源装置100の出力電圧Voは、基準電圧Vrefで決定される所定の出力電圧設定値になるように制御される。
As a result, the output voltage Vo of the switching
(並列運転時における出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置の動作)
図7は出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置の動作波形を示したタイムチャートであり、図7(A)は誤差アンプ138の入力を示し、図7(B)はPWMコンパレータ146の入力を示し、図7(C)はスイッチング制御信号VGSを示す。
(Operation of switching power supply unit with higher output voltage setting value during parallel operation)
FIG. 7 is a time chart showing operation waveforms of the switching power supply device on the higher output voltage setting value, FIG. 7A shows the input of the
スイッチング電源システムが無負荷で動作している場合、出力電圧設定値が一番高いスイッチング電源装置だけがスイッチング動作を行い、他のスイッチング電源装置はスイッチング動作を停止した状態となる。スイッチング電源システムを構成するスイッチング電源装置の中でスイッチング動作が行われている側のスイッチング電源装置の動作を、図7を基に説明を行う。 When the switching power supply system is operating with no load, only the switching power supply device with the highest output voltage setting value performs the switching operation, and the other switching power supply devices are in a state where the switching operation is stopped. The operation of the switching power supply on the side where the switching operation is performed in the switching power supply constituting the switching power supply system will be described with reference to FIG.
スイッチング電源システムが無負荷で動作している場合でも、スイッチング動作が行われているスイッチング電源装置は、スイッチング電源システムとしての出力電圧が自身の出力電圧設定値になるように制御を行う。このとき、スイッチング動作が行われているスイッチング電源装置は、スイッチング電源システムを構成しているスイッチング電源装置の出力側の消費電力の全てを供給する。 Even when the switching power supply system is operating with no load, the switching power supply apparatus in which the switching operation is performed performs control so that the output voltage as the switching power supply system becomes its own output voltage setting value. At this time, the switching power supply device in which the switching operation is performed supplies all of the power consumption on the output side of the switching power supply device constituting the switching power supply system.
スイッチング動作が行われているスイッチング電源装置は、図7(A)に示すように、出力電圧検出信号Vsensが基準電圧Vrefと等しくなるようにフィードバック信号VFBが制御される。 In the switching power supply device in which the switching operation is performed, the feedback signal VFB is controlled so that the output voltage detection signal Vsens becomes equal to the reference voltage Vref, as shown in FIG.
また、スイッチング電源システムが無負荷の状態においては、スイッチング動作が行われているスイッチング電源装置は、ほとんど電力を出力しなくても良い状態であるため、図7(B)(C)に示すように、電力変換部112は、スイッチング素子114のオンデューティが小さな状態で動作する。この状態では、フィードバック信号VFBは三角波信号Vtriの下限ぎりぎりに位置した状態で動作することになる。
In addition, when the switching power supply system is in a no-load state, the switching power supply device in which the switching operation is performed is in a state in which almost no power needs to be output. In addition, the
(並列運転時における出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置の動作)
図8は出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置の動作波形を示したタイムチャートであり、図8(A)は誤差アンプ138の入力を示し、図8(B)はPWMコンパレータ146の入力を示し、図8(C)はスイッチング制御信号VGSを示す。
(Operation of switching power supply unit with lower output voltage setting value during parallel operation)
FIG. 8 is a time chart showing operation waveforms of the switching power supply device on the side where the output voltage set value is low, FIG. 8A shows the input of the
スイッチング電源システムを構成するスイッチング電源装置の中で出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置の動作を、図8を基に説明を行う。 The operation of the switching power supply having the lower output voltage setting value in the switching power supply constituting the switching power supply system will be described with reference to FIG.
スイッチング電源システムが無負荷で動作している場合は、自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が外部から印可された状態となるため、自身の出力側回路の消費電力は、外部から供給された状態となる。 When the switching power supply system is operating with no load, a voltage higher than its output voltage setting value is applied from the outside, so the power consumption of its output circuit is supplied from the outside. It becomes a state.
出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置は、自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が外部から印可されているため、図8(A)に示すように、Vsens>Vrefの状態となる。この状態では、フィードバック制御回路126が出力電圧を低下させるように制御を行うことになるため、フィードバック信号VFBを低下させる制御を行う。
Since the switching power supply device on the side where the output voltage set value is lower is applied with a voltage higher than its own output voltage set value from the outside, the state becomes Vsens> Vref as shown in FIG. In this state, since the
出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置は、フィードバック信号VFBを低下させても出力側に外部から印可された電圧が低下することがないため、フィードバック信号VFBを下限まで低下させることになり、図8(B)に示すように、フィードバック信号VFBは三角波信号Vtriの下限から剥離した状態になるように制御され、スイッチング動作が停止した状態が維持されることになる。 The switching power supply device on the side where the output voltage setting value is low will reduce the feedback signal VFB to the lower limit because the voltage applied from the outside to the output side will not decrease even if the feedback signal VFB is decreased. As shown in FIG. 8B, the feedback signal VFB is controlled so as to be separated from the lower limit of the triangular wave signal Vtri, and the state where the switching operation is stopped is maintained.
(スイッチング電源システムの電流応答悪化の原理)
無負荷で運転されるスイッチング電源システムにおいて、出力電流が増加するまでの応答時間の遅れが発生する原理を以下に説明する。
(Principle of current response deterioration of switching power supply system)
In the switching power supply system operated with no load, the principle that the response time is delayed until the output current increases will be described below.
スイッチング電源システムから、急峻に大きな出力電流を取り出そうとした場合に、システムを構成するスイッチング電源装置の出力電圧が低下する。出力電圧の低下に対して、スイッチング電源装置は、スイッチング素子のオンデューティを大きくすることで出力電圧を上昇させるような制御が行われる。 When a large output current is suddenly taken out from the switching power supply system, the output voltage of the switching power supply device constituting the system is lowered. In response to a decrease in the output voltage, the switching power supply device is controlled to increase the output voltage by increasing the on-duty of the switching element.
具体的には、システムを構成するスイッチング電源装置の全てがVsens<Vrefの状態となるので、フィードバック制御回路126がフィードバック信号VFBを上昇させる動作を行う。
Specifically, since all of the switching power supply devices constituting the system are in a state of Vsens <Vref, the
このとき、図7で示されている出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置は、フィードバック信号VFBが三角波信号Vtriの下限ぎりぎりの位置で動作しているため、フィードバック信号VFBが上昇すると、即座にスイッチング素子114のオンデューティが大きくなり、出力電流の増加に対して素早く応答することができる。
At this time, the switching power supply device with the higher output voltage setting value shown in FIG. 7 operates immediately at the position where the feedback signal VFB is just below the lower limit of the triangular wave signal Vtri. On the other hand, the on-duty of the
一方、図8で示される出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置は、三角波信号Vtriが振幅している位置に対してフィードバック信号VFBが剥離した位置にあるため、フィードバック信号VFBが上昇しても、三角波信号Vtriの振幅位置に達するまでスイッチング素子114が動作することができず、出力電流の増加に対して素早く応答することができない。
On the other hand, the switching power supply device with the lower output voltage setting value shown in FIG. 8 is located at a position where the feedback signal VFB is separated from the position where the triangular wave signal Vtri is amplitude, so that the feedback signal VFB increases. However, the switching
このため、無負荷状態のスイッチング電源システムから、システムを構成する1台のスイッチング電源装置が出力可能な電流値以下の電流に対しては素早く応答することができるが、これ以上の電流をスイッチング電源システムから急峻に出力させようとした場合、電流出力の応答遅れが発生することになる。 For this reason, a switching power supply system in a no-load state can quickly respond to a current that is less than or equal to the current value that can be output by a single switching power supply device that constitutes the system. When trying to output steeply from the system, a response delay of current output occurs.
(同期整流とダイオード整流の比較)
出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置における電流応答の問題は、電力変換部112にダイオード整流を用いたスイッチング電源装置を並列運転する際に顕著になる。
(Comparison between synchronous rectification and diode rectification)
The problem of the current response in the switching power supply device on the side where the output voltage set value is low becomes conspicuous when the switching power supply device using diode rectification in the
これに対し電力変換部に同期整流を用いたスイッチング電源装置では、出力側から入力側に向けて逆流電流が流れる現象が発生するため、同期整流のスイッチング電源装置を並列運転する際には、例えば、特許文献2で開示されているような逆流電流を防ぐ対策を行うことで、電流応答の問題も同時に解消される。 On the other hand, in a switching power supply using synchronous rectification in the power conversion unit, a phenomenon occurs in which a reverse current flows from the output side to the input side. By taking measures to prevent the reverse current as disclosed in Patent Document 2, the problem of current response is also solved at the same time.
特許文献2のスイッチング電源装置では、スイッチング電源装置の出力側から自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が印可された場合でも、フィードバック信号が三角波信号の下限よりも低下しないような構成になっている。この状態は、フィードバック信号が三角波信号の振幅内に位置することになるため、即座に出力電流を増加させることができる。 The switching power supply device of Patent Document 2 is configured such that the feedback signal does not fall below the lower limit of the triangular wave signal even when a voltage higher than its output voltage setting value is applied from the output side of the switching power supply device. Yes. In this state, since the feedback signal is positioned within the amplitude of the triangular wave signal, the output current can be increased immediately.
ところで、このような特許文献2による電流応答の遅れを無くす対策は、電力変換部に同期整流を用いることで、無負荷でも全負荷でもスイッチング素子を同じオンデューティで動作させることが可能である特徴を利用したもので、ダイオード整流のスイッチング電源装置には適用できない。 By the way, a measure for eliminating such a delay in current response according to Patent Document 2 is that the switching element can be operated at the same on-duty at no load or at full load by using synchronous rectification in the power converter. And cannot be applied to a diode rectifier switching power supply.
これは、ダイオード整流のスイッチング電源装置を無負荷で用いる場合には、オンデューティを限りなくゼロに近い状態で動作させなければならないため、特許文献2による電流応答の遅れを無くす対策を用いようとすると、三角波信号やフィードバック信号のばらつきや変動を極限まで小さくする必要があり、実用的な回路とすることができないことが理由である。 This is because when a diode rectification switching power supply device is used with no load, the on-duty must be operated as close to zero as possible. This is because it is necessary to reduce the variation and fluctuation of the triangular wave signal and the feedback signal to the utmost limit, and it is impossible to make a practical circuit.
本発明は、並列運転による無負荷状態で自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が外部から印可されている状態から急峻に電流出力させるときの電流応答性を改善させるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 The present invention provides a switching power supply device that improves current responsiveness when a current is sharply output from a state where a voltage higher than its output voltage setting value is applied from the outside in a no-load state due to parallel operation. With the goal.
(スイッチング電源装置)
本発明は、
スイッチング素子と出力平滑回路を備え、スイッチング素子のオン、オフによって入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を出力平滑回路で直流電圧に変換して出力電圧を生成し、出力電圧はスイッチング素子のオンデューティで制御される電力変換部と、
誤差アンプと基準電圧源を備え、基準電圧源が出力する所定の基準電圧と出力電圧に比例した出力検出電圧を誤差アンプに入力して両者の誤差に応じて変化するフィードバック信号を出力するフィードバック制御回路と、
PWMコンパレータと三角波発振器を備え、三角波発信器から出力される所定の周波数と振幅の三角波信号とフィードバック信号をPWMコンパレータに入力して比較した結果に基づいてスイッチング素子をオン、オフさせるスイッチング制御信号を出力するPWM制御回路と、
を備えたスイッチング電源装置に於いて、
基準電圧源は所定の基準電圧を上昇させる機能を備えており、
スイッチング素子の所定時間以上のオフを検出した場合に、スイッチング動作停止検出信号を基準電圧源に出力して所定の基準電圧を上昇させ、フィードバック信号の三角波信号からの乖離を抑制させるスイッチング動作モニタ回路が設けられたことを特徴とする。
(Switching power supply)
The present invention
A switching element and an output smoothing circuit are provided, the input voltage is converted into an intermittent voltage by turning on and off the switching element, the intermittent voltage is converted into a DC voltage by the output smoothing circuit, and an output voltage is generated. A power converter controlled by on-duty;
Feedback control that includes an error amplifier and a reference voltage source, inputs a predetermined reference voltage output from the reference voltage source and an output detection voltage proportional to the output voltage to the error amplifier, and outputs a feedback signal that changes according to the error between the two. Circuit,
A switching control signal that includes a PWM comparator and a triangular wave oscillator, and that turns a switching element on and off based on a comparison result obtained by inputting a triangular wave signal having a predetermined frequency and amplitude output from a triangular wave transmitter and a feedback signal to the PWM comparator and comparing them. An output PWM control circuit;
In a switching power supply device with
The reference voltage source has a function to increase a predetermined reference voltage,
A switching operation monitoring circuit that suppresses the deviation of the feedback signal from the triangular wave signal by outputting a switching operation stop detection signal to the reference voltage source to increase the predetermined reference voltage when it is detected that the switching element has been turned off for a predetermined time or longer. Is provided.
(スイッチング動作モニタ回路)
スイッチング動作モニタ回路は、ダイオード、コンデンサ、抵抗及びしきい値電圧検出回路を備え、スイッチング制御信号のオン期間にダイオードを介してコンデンサに電荷を蓄え、スイッチング制御信号のオフ期間にコンデンサの電荷を、抵抗を介して放電し、コンデンサの電圧をしきい値電圧検出回路に入力して所定のしきい値電圧以下となった場合にスイッチング動作停止検出信号を出力させるように構成される。
(Switching operation monitor circuit)
The switching operation monitor circuit includes a diode, a capacitor, a resistor, and a threshold voltage detection circuit, stores electric charge in the capacitor via the diode during the ON period of the switching control signal, and stores the electric charge of the capacitor during the OFF period of the switching control signal. The switching operation stop detection signal is output when the voltage is discharged through the resistor and the voltage of the capacitor is input to the threshold voltage detection circuit and becomes equal to or lower than a predetermined threshold voltage.
(基準電圧を上昇させる機能をもった基準電圧源)
基準電圧源は、パルス信号のデューティを変化させる機能をもった方形波発振器、抵抗及びコンデンサを備え、方形波発振器の出力するパルス信号を抵抗とコンデンサで平滑した電圧を基準電圧として出力し、方形波発信器のデューティを所定値に初期設定して所定の基準電圧を出力し、スイッチング動作停止検出信号が入力された場合に方形波発振器のデューティを変化させて基準電圧を上昇させるように構成される。
(Reference voltage source with a function to increase the reference voltage)
The reference voltage source includes a square wave oscillator with a function to change the duty of the pulse signal, a resistor and a capacitor, and outputs a voltage obtained by smoothing the pulse signal output from the square wave oscillator with a resistor and a capacitor as a reference voltage. It is configured to increase the reference voltage by changing the duty of the square wave oscillator when the switching operation stop detection signal is input, by initially setting the duty of the wave transmitter to a predetermined value and outputting a predetermined reference voltage. The
(時間経過に応じた基準電圧の上昇)
基準電圧源は、スイッチング動作停止検出信号が入力された場合に、方形波発振器のデューティを時間の経過に応じて変化させることにより、基準電圧を時間の経過に応じて上昇させる。
(Increase of the reference voltage over time)
When the switching operation stop detection signal is input, the reference voltage source changes the duty of the square wave oscillator with the passage of time, thereby increasing the reference voltage with the passage of time.
(基本的な効果)
本発明は、スイッチング素子と出力平滑回路を備え、スイッチング素子のオン、オフによって入力電圧を断続電圧に変換し、断続電圧を出力平滑回路で直流電圧に変換して出力電圧を生成し、出力電圧はスイッチング素子のオンデューティで制御される電力変換部と、誤差アンプと基準電圧源を備え、基準電圧源が出力する所定の基準電圧と出力電圧に比例した出力検出電圧を誤差アンプに入力して両者の誤差に応じて変化するフィードバック信号を出力するフィードバック制御回路と、PWMコンパレータと三角波発振器を備え、三角波発信器から出力される所定の周波数と振幅の三角波信号とフィードバック信号をPWMコンパレータに入力して比較した結果に基づいてスイッチング素子をオン、オフさせるスイッチング制御信号を出力するPWM制御回路とを備えたスイッチング電源装置に於いて、基準電圧源は所定の基準電圧を上昇させる機能を備えており、スイッチング素子の所定時間以上のオフを検出した場合に、スイッチング動作停止検出信号を基準電圧源に出力して所定の基準電圧を上昇させ、フィードバック信号の三角波信号からの乖離を抑制させるスイッチング動作モニタ回路が設けられたため、例えば複数のスイッチング電源装置の出力を負荷に並列に接続して使用する並列運転時に、無負荷状態でスイッチング電源装置自身の出力電圧設定値よりも高い外部電圧が他のスイッチング電源装置から印加されてスイッチング素子の動作が停止したことを検出すると、スイッチング動作モニタ回路がスイッチング素子の停止を検出して基準電圧値を上昇させ、基準電圧が上昇されるとフィードバック電圧が上昇し、スイッチング素子が動作して基準電圧の上昇が解除され、この動作の繰り返しにより、スイッチング電源装置のフィードバック電圧は三角波信号と大きく剥離しない状態を作ることが可能となり、スイッチング電源装置から急峻に電流を出力させようとした場合の電流出力の応答遅れを無くすことができる。
(Basic effect)
The present invention includes a switching element and an output smoothing circuit, converts an input voltage to an intermittent voltage by turning on and off the switching element, converts the intermittent voltage to a DC voltage by an output smoothing circuit, and generates an output voltage. Has a power converter controlled by the on-duty of the switching element, an error amplifier and a reference voltage source, and inputs a predetermined reference voltage output from the reference voltage source and an output detection voltage proportional to the output voltage to the error amplifier. A feedback control circuit that outputs a feedback signal that changes according to the error between the two, a PWM comparator and a triangular wave oscillator, and a triangular wave signal having a predetermined frequency and amplitude output from the triangular wave transmitter and a feedback signal are input to the PWM comparator. Outputs a switching control signal that turns the switching element on and off based on the comparison results In the switching power supply device including the PWM control circuit, the reference voltage source has a function of increasing the predetermined reference voltage, and when the switching element is detected to be off for a predetermined time or more, the switching operation stop detection is performed. A switching operation monitor circuit is provided that outputs a signal to a reference voltage source to increase a predetermined reference voltage and suppresses the deviation of the feedback signal from the triangular wave signal. For example, outputs of a plurality of switching power supply devices are connected in parallel to a load. When connected and used in parallel operation, switching is detected when an external voltage higher than the output voltage setting value of the switching power supply itself is applied from another switching power supply in the no-load state and the operation of the switching element is stopped. The operation monitor circuit detects the stop of the switching element and increases the reference voltage value. When the voltage rises, the feedback voltage rises, and the switching element operates to cancel the rise of the reference voltage. By repeating this operation, the feedback voltage of the switching power supply device can be in a state where it does not greatly separate from the triangular wave signal. This makes it possible to eliminate the delay in response of the current output when the current is suddenly output from the switching power supply device.
(スイッチング動作モニタ回路による効果)
また、スイッチング動作モニタ回路は、ダイオード、コンデンサ、抵抗及びしきい値電圧検出回路を備え、スイッチング制御信号をオン期間にダイオードを介してコンデンサに電荷を蓄え、スイッチング制御信号のオフ期間にコンデンサの電荷を抵抗を介して放電し、コンデンサの電圧をしきい値電圧検出回路に入力して所定のしきい値電圧以下となった場合にスイッチング動作停止検出信号を出力させるように構成されたため、並列運転中の無負荷状態でスイッチング電源装置自身の出力電圧設定値よりも高い外部電圧が印加されてスイッチング素子の動作が停止したことを確実に検出して、基準電圧を上昇させることができる。
(Effects of switching operation monitor circuit)
The switching operation monitor circuit also includes a diode, a capacitor, a resistor, and a threshold voltage detection circuit. The switching operation signal is stored in the capacitor via the diode during the ON period, and the capacitor charge is stored during the OFF period of the switching control signal. Is connected to the threshold voltage detection circuit and the switching operation stop detection signal is output when the voltage drops below the specified threshold voltage. The reference voltage can be increased by reliably detecting that an external voltage higher than the output voltage setting value of the switching power supply device itself is applied in the no-load state and the operation of the switching element is stopped.
(基準電圧を上昇させる機能をもった基準電圧源による効果)
また、基準電圧源は、パルス信号のデューティを変化させる機能をもった方形波発振器、抵抗及びコンデンサを備え、方形波発振器の出力するパルス信号を抵抗とコンデンサで平滑した電圧を基準電圧として出力し、方形波発信器のデューティを所定値に初期設定して所定の基準電圧を出力し、スイッチング動作停止検出信号が入力された場合に方形波発振器のデューティを変化させて所定の基準電圧を上昇させるように構成されたため、方形波発振器のデューティを変化させることで、簡単な構成により基準電圧を変化させることができる。
(Effects of a reference voltage source with a function to increase the reference voltage)
The reference voltage source also includes a square wave oscillator with a function to change the duty of the pulse signal, a resistor and a capacitor, and outputs a voltage obtained by smoothing the pulse signal output from the square wave oscillator with a resistor and a capacitor as a reference voltage. The square wave oscillator duty is initially set to a predetermined value and a predetermined reference voltage is output. When a switching operation stop detection signal is input, the square wave oscillator duty is changed to increase the predetermined reference voltage. Thus, the reference voltage can be changed with a simple configuration by changing the duty of the square wave oscillator.
(時間経過に応じた基準電圧の上昇による効果)
また、基準電圧源は、スイッチング動作停止検出信号が入力された場合に、方形波発振器のデューティを時間の経過に応じて変化させることにより、基準電圧を時間の経過に応じて上昇させるようにしたため、スイッチング電源装置から急峻に電流を出力させようとした場合に基準電圧を徐々に上昇させることで、基準電圧をステップ的に上昇させた場合に比べフィードバック制御回路を安定に動作させることができる。
(Effects of increasing reference voltage over time)
In addition, when the switching operation stop detection signal is input, the reference voltage source increases the reference voltage with the passage of time by changing the duty of the square wave oscillator with the passage of time. When the current is steeply output from the switching power supply, the reference voltage is gradually increased, so that the feedback control circuit can be operated more stably than when the reference voltage is increased stepwise.
また、誤差アンプに入力している出力検出電圧を超えて基準電圧を上昇させることで、上昇後の基準電圧の出力検出電圧に対する電圧差を大きくすることが可能となるため、フィードバック信号の上昇速度が大きくなり、スイッチング素子が動作するまでの遅れ時間を更に短くすることができる。 Also, by raising the reference voltage beyond the output detection voltage input to the error amplifier, it is possible to increase the voltage difference between the increased reference voltage and the output detection voltage, so the feedback signal rise speed And the delay time until the switching element operates can be further shortened.
[スイッチング電源装置の回路構成]
図1は本発明によるスイッチング電源装置の第1実施形態を示した回路ブロック図である。
[Circuit configuration of switching power supply unit]
FIG. 1 is a circuit block diagram showing a first embodiment of a switching power supply device according to the present invention.
図1に示すように、本実施形態のスイッチング電源装置10は、電力変換部12と出力電圧制御回路22で構成される。出力電圧制御回路22には、電圧上昇機能を備えた基準電圧源28、フィードバック制御回路26、PWM制御回路30、及びスイッチング動作モニタ回路32が設けられる。電力変換部12の出力側には出力電圧検出回路24が設けられるが、これは出力電圧制御回路22に含まれる。
As shown in FIG. 1, the switching
(電力変換部)
電力変換部12は、非絶縁型の降圧チョッパーとしており、プラス側の入力端子11aにMOS−FETを用いたスイッチング素子14のドレインが接続され、スイッチング素子14のソースに整流用のダイオード18のアノードとインダクタ16の一端が接続され、インダクタ16の他端にコンデンサ20の一端が接続され、コンデンサ20の他端とダイオード18のカソードがマイナス側の入力端子11bに接続されている。
(Power converter)
The power conversion unit 12 is a non-insulated step-down chopper, the drain of the switching
電力変換部12は、入力端子11a,11bからの入力電圧Vinを、スイッチング素子14のオン、オフ動作によって断続電圧に変換し、断続電圧をダイオード18により整流してインダクタ16とコンデンサ20で構成される平滑回路で平滑することで直流電圧に変換し、出力電圧Voを生成して出力端子21a,21bから負荷に供給している。
The power conversion unit 12 is configured by an
電力変換部12の出力電圧Voは、スイッチング素子14のオンデューティが制御されることで所定の電圧が出力される。
The output voltage Vo of the power converter 12 is output as a predetermined voltage by controlling the on-duty of the switching
なお、本実施形態では、電力変換部12として非絶縁型の降圧チョッパーを用いているが、スイッチング素子のオン、オフで電力変換できる回路であれば良く、例えば、絶縁型のフォワードコンバータやフライバックコンバータを用いても良い。 In the present embodiment, a non-insulated step-down chopper is used as the power conversion unit 12. However, any circuit that can convert power by turning on and off switching elements may be used. For example, an isolated forward converter or flyback A converter may be used.
(基準電圧源)
基準電圧源28は、通常は所定の基準電圧Vrefを出力する電圧発生回路であり、また、スイッチング動作モニタ回路32が出力するスイッチング動作停止検出信号Vstopが入力されることによって基準電圧Vrefを上昇させる機能を備えている。
(Reference voltage source)
The reference voltage source 28 is a voltage generation circuit that normally outputs a predetermined reference voltage Vref, and raises the reference voltage Vref when the switching operation stop detection signal Vstop output from the switching
電圧上昇機能を備えた基準電圧源28の一例として、本実施形態にあっては、方形波発振器40、抵抗42、コンデンサ44で構成され、方形波発振器40から出力されるパルス信号を抵抗42とコンデンサ44で平滑した電圧を基準電圧Vrefとして出力する。
As an example of the reference voltage source 28 having a voltage raising function, in this embodiment, the reference voltage source 28 includes a
基準電圧源28は、スイッチング動作停止検出信号Vstopが入力されることによって、方形波発振器40から出力されるパルス信号のHレベルのデューティを広げる制御を行うことで、基準電圧Vrefを上昇させる。
The reference voltage source 28 increases the reference voltage Vref by performing control to increase the duty of the H level of the pulse signal output from the
方形波発振器40は、例えば、Hレベルとして5ボルト、Lレベルとして0ボルトのパルス信号を出力する。このとき、方形波発振器40のデューティを50%に設定すれば、抵抗42とコンデンサ44により平滑されて基準電圧Vref=2.5ボルトが得られ、デューティを55%に設定すればVref=2.75.ボルトが得られる。
For example, the
(フィードバック制御回路)
フィードバック制御回路26は、誤差アンプ38で構成される。誤差アンプ38には、基準電圧Vrefと出力電圧検出回路24の抵抗34,36で分圧された出力電圧Voに比例した電圧である出力検出電圧Vsensが入力される。誤差アンプ38は基準電圧Vrefと出力検出電圧Vsensとの誤差に応じて変化するフィードバック信号VFBをPWM制御回路30に出力する。
(Feedback control circuit)
The
即ち、フィードバック制御回路26の誤差アンプ38は、Vsens>Vrefのときフィードバック信号VFBが低下するように制御を行い、Vsens<Vrefのときフィードバック信号VFBが上昇するように制御を行う。
That is, the
(PWM制御回路)
PWM制御回路30は、PWMコンパレータ46と三角波発振器48から構成される。三角波発振器48は所定の周波数と振幅の三角波信号Vtriを出力する。PWMコンパレータ46には三角波信号Vtriとフィードバック信号VFBが入力され、三角波信号Vtriとフィードバック信号VFBを比較した結果に基づいてスイッチング素子14をオン、オフさせるスイッチング制御信号VGSを出力する。
(PWM control circuit)
The
即ち、PWM制御回路30は、VFB>Vtriのときスイッチング制御信号VGSがHレベルになるように制御を行い、VFB<Vtriのときスイッチング制御信号VGSがLレベルになるように制御を行う。
That is, the
これにより、スイッチング電源装置10のスイッチング周波数は、三角波発振器48の周波数で決定される。また、スイッチング素子14のオンデューティは、フィードバック信号VFBの電圧レベルで制御され、フィードバック信号VFBが上昇するとスイッチング素子14のオンデューティが大きくなり、フィードバック信号VFBが低下するとスイッチング素子14のオンデューティが小さくなる。
Thereby, the switching frequency of the switching
(スイッチング動作モニタ回路)
スイッチング動作モニタ回路32は、スイッチング素子14のオン、オフ動作をモニタする回路であり、一定時間以上、スイッチング素子14のオン、オフ動作が行われなかった場合にスイッチング動作停止検出信号Vstopを基準電圧源28に出力して基準電圧Vrefを上昇させる。
(Switching operation monitor circuit)
The switching
本実施形態では、スイッチング動作モニタ回路32は、一例として、ダイオード50、抵抗52、コンデンサ54、しきい値電圧検出回路56で構成される。スイッチング動作モニタ回路32にはスイッチング制御信号VGSが入力され、スイッチング制御信号VGSがHレベルのときに、ダイオード50を介してコンデンサ54が充電される。また、スイッチング制御信号VGSがLレベルのとき、コンデンサ54に蓄えられた電荷が抵抗52を介して放電されることでコンデンサ54の電圧が低下する。
In the present embodiment, the switching
スイッチング制御信号VGSによりスイッチング素子14のオン、オフ動作が行われているときは、コンデンサ54の電圧が一定の値以上に保たれるが、スイッチング素子14のオン、オフ動作が停止してオフ状態が続くと、コンデンサ54の電圧が所定のしきい値電圧Vth以下になる。コンデンサ54には、しきい値電圧検出回路56が接続されており、コンデンサ54の電圧が所定のしきい値電圧Vth以下になるとスイッチング動作停止信号Vstopが基準電圧源28に出力され、基準電圧Vrefを上昇させる。
When the switching
[並列運転を行うスイッチング電源システムの概要]
図2は複数台のスイッチング電源装置の出力を負荷に並列接続して並列運転するスイッチング電源システムを示したブロック図である。
[Overview of switching power supply system for parallel operation]
FIG. 2 is a block diagram showing a switching power supply system in which outputs of a plurality of switching power supply apparatuses are connected in parallel to a load and operated in parallel.
図2に示すように、本実施形態のスイッチング電源システムは、図1の第1実施形態のスイッチング電源装置10と同じ構成をもつ複数台のスイッチング電源装置10−1〜10−nを備え、スイッチング電源装置10−1〜10−nの入力端子に入力電源11が並列に接続され、また、スイッチング電源装置10−1〜10−nの出力端子が負荷21に並列に接続され、スイッチング電源装置10−1〜10−nの並列運転により負荷21に電源を供給している。
As shown in FIG. 2, the switching power supply system of the present embodiment includes a plurality of switching power supply devices 10-1 to 10-n having the same configuration as the switching
ここで、スイッチング電源装置10−1はマスター電源装置として機能し、残りのスイッチング電源装置10−2〜10−nはスレーブ電源装置として機能する。 Here, the switching power supply device 10-1 functions as a master power supply device, and the remaining switching power supply devices 10-2 to 10-n function as slave power supply devices.
スイッチング電源装置10−1〜10−nで並列運転を行う場合、バランス制御によりマスターに設定されたスイッチチング電源装置10−1及びスレーブに設定されたスイッチング電源装置10−2〜10−nの各出力電圧Voは同じとなり、各出力電流Ioは、負荷21に流す定格電流Iratedを電源装置の台数nで割った(Irated/n)となる。 When performing parallel operation with the switching power supply devices 10-1 to 10-n, each of the switching power supply device 10-1 set as a master by balance control and the switching power supply devices 10-2 to 10-n set as slaves. The output voltage Vo becomes the same, and each output current Io is (rated / n) obtained by dividing the rated current Irated to be supplied to the load 21 by the number n of power supply devices.
スイッチング電源装置10−1〜10−nで並列運転を行う場合のバランス制御は、例えば、汎用のUARTモジュールを用いたシリアル通信で実現する。UARTモジュールは、汎用非同期受信・送信機(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)モジュールの略称である。 The balance control when performing parallel operation with the switching power supply devices 10-1 to 10-n is realized by serial communication using a general-purpose UART module, for example. UART module is an abbreviation for Universal Asynchronous Receiver Transmitter module.
スイッチング電源装置10−1〜10−nからは、UARTモジュールの通信端子がINF端子として外部に取り出され、伝送線60により相互に接続されている。
From the switching power supply devices 10-1 to 10-n, the communication terminal of the UART module is taken out as an INF terminal and connected to each other by the
マスターに設定されたスイッチング電源装置10−1は、自身の出力電圧目標値からその設定情報を生成し、また、出力電流検出値から出力電流目標値の設定情報を生成し、シリアル通信データ信号に含めてUARTモジュールのINF端子から伝送線60を介してスレーブに設定されたスイッチング電源装置10−2〜10−nに送信される。
The switching power supply device 10-1 set as the master generates the setting information from the output voltage target value of itself, generates the setting information of the output current target value from the output current detection value, and generates the serial communication data signal. In addition, the power is transmitted from the INF terminal of the UART module via the
スレーブに設定されたスイッチング電源装置10−2〜10−nは、シリアル通信データ信号を、INF端子を介してUARTモジュールで受信することにより、マスターに設定されたスイッチング電源装置10−1が送信した出力電圧目標値の設定値情報および出力電流目標値の設定情報を受信し、マスターの出力電圧及び出力電流と自身の出力電圧及び出力電流との差分が一定値以下になるように自身の出力電圧目標値及び出力電流目標値を設定する。 The switching power supply 10-10 to 10 -n set as the slave transmits the serial communication data signal by the UART module via the INF terminal, so that the switching power supply 10-10 set as the master transmits the serial communication data signal. Receives output voltage target value setting value information and output current target value setting information, and outputs its own output voltage so that the difference between the master output voltage and output current and its own output voltage and output current is below a certain value. Set the target value and output current target value.
この動作により、スレーブに設定されたスイッチング電源装置10−2〜10−nは、自身の出力電圧および出力電流がマスターに設定されたスイッチング電源装置10−1と同一になるように制御され、負荷21に対し並列接続されたスイッチング電源装置10−1〜10−nの出力電圧および出力電流がバランスする。 By this operation, the switching power supply devices 10-2 to 10-n set as slaves are controlled so that their output voltage and output current are the same as the switching power supply devices 10-1 set as masters. The output voltage and the output current of the switching power supply devices 10-1 to 10-n connected in parallel to 21 are balanced.
並列運転で出力電圧および出力電流をバランスさせる制御は、例えば、図1の基準電圧源28に設けた方形波発振器40のデューティを、マスターに設定されたスイッチング電源装置10−1から受信した出力電圧目標値および出力電流目標値に対応した基準電圧Vrefとなるように設定する制御を行う。
The control for balancing the output voltage and the output current in the parallel operation is performed by, for example, the output voltage received from the switching power supply apparatus 10-1 in which the duty of the
このようにスイッチング電源装置10−1〜10−nで並列運転を行う場合のバランス制御は、各スイッチング電源装置の出力電圧と出力電流の差分が一定値以下になるように制御が行われる機能であるため、負荷21に一定値以上の電流を供給している場合に有効に機能しているが、負荷21の動作が停止している無負荷状態では、スイッチング電源装置10−1〜10−nは出力電流がほぼゼロ又は完全にゼロであり、出力電流としては、全てスイッチング電源装置10−1〜10−nがほとんど同じ値となるので、バランス制御は機能しないことになる。 Thus, the balance control in the case of performing the parallel operation with the switching power supply devices 10-1 to 10-n is a function in which the control is performed so that the difference between the output voltage and the output current of each switching power supply device becomes a certain value or less. Therefore, it functions effectively when a current of a certain value or more is supplied to the load 21, but in a no-load state in which the operation of the load 21 is stopped, the switching power supply devices 10-1 to 10-n Since the output current is almost zero or completely zero, and the switching power supply devices 10-1 to 10-n all have almost the same value as the output current, the balance control does not function.
[並列運転時における出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置の動作]
図3は出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置の動作波形を示したタイムチャートであり、図3(A)は誤差アンプ38の入力を示し、図3(B)はPWMコンパレータ46の入力を示し、図3(C)はスイッチング動作停止検出信号Vstopを示し、図3(D)はコンデンサ54の電圧であるしきい値電圧検出回路56の入力を示し、図3(E)はスイッチング制御信号VGSを示す。
[Operation of switching power supply unit with higher output voltage setting during parallel operation]
FIG. 3 is a time chart showing operation waveforms of the switching power supply device on the side where the output voltage set value is high, FIG. 3A shows the input of the
ここで、スイッチング電源システムのバランス制御は、複数台のスイッチング電源装置10の並列運転により負荷電流に一定値以上の差がある場合において機能するため、スイッチング電源システムが無負荷で運転されている場合には、負荷電流にほとんど差が無いため、スイッチング電源システムのバランス制御が機能しない。
Here, since the balance control of the switching power supply system functions when there is a difference of a certain value or more in the load current due to the parallel operation of the plurality of switching
また、スイッチング電源システムが無負荷で動作する場合には、システムを構成する複数台のスイッチング電源装置の中で、出力電圧設定値のばらつきにより、出力電圧設定値が一番高い値となっているスイッチング電源装置だけが積極的にスイッチング動作を行うことでスイッチング電源システムに電流を供給することになる。 In addition, when the switching power supply system operates with no load, the output voltage setting value is the highest value among the plurality of switching power supply devices constituting the system due to variations in the output voltage setting value. Only the switching power supply device actively performs a switching operation to supply current to the switching power supply system.
図3を参照して並列運転時における出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置10の動作について説明すると次にようになる。
The operation of the switching
出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置10は、スイッチング電源システムとしての出力電圧が自身の出力電圧設定値になるように制御を行う。このとき、出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置10は、スイッチング電源システムを構成しているスイッチング電源装置10の出力側の消費電力の全てを供給する。従って、並列運転時における出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置10は単体で動作するスイッチング電源装置10と同じ動作となる。
The switching
出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置10は、図3(A)に示すように、フィードバック制御回路26により出力検出電圧Vsensが基準電圧Vrefと等しくなるようにフィードバック信号VFBが制御される。
As shown in FIG. 3A, in the switching
スイッチング電源システムが無負荷の状態においては、出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置10は、ほとんど電力を出力しなくても良い状態であるため、図3(B)に示すように、フィードバック信号VFBは三角波信号Vtriの下限ぎりぎりに位置した状態で動作することになり、図3(E)に示すように、スイッチング制御信号VGSのHレベル期間は短くなり、スイッチング素子14のオンデューティが小さな状態で動作する。
When the switching power supply system is in a no-load state, the switching
スイッチング動作モニタ回路32のコンデンサ54は、図3(D)に示すように、スイッチング制御信号VGSのHレベルにより定期的に充電されることになり、コンデンサ54の電圧VCはしきい値電圧検出回路56のしきい値電圧Vth以下になることがない。従って、スイッチング動作モニタ回路32からは、図3(C)に示すように、スイッチング動作停止検出信号Vstopが出力されずにLレベルにあり、基準電圧源28で基準電圧Vrefが上昇する制御が行われることがなく、所定の基準電圧Vrefに保たれている。
As shown in FIG. 3D, the
このような並列運転時における出力電圧設定値が高い側のスイッチング電源装置10の動作は、スイッチング電源装置10が単体で動作している場合も同じ動作となる。ダイオード整流のスイッチング電源装置10を無負荷で動作させる場合は、スイッチング素子のオンデューティを限りなくゼロに近い状態で動作させることになるが、スイッチング素子が動作していることでスイッチング動作モニタ回路32がスイッチング動作停止検出信号Vstopを出力することが無いため、電圧上昇機能を備えた基準電圧源28は、スイッチング素子の制御に影響を及ぼすことがなく、図1に示した本実施形態のスイッチング電源装置10は、図2に示した並列運転を行うスイッチング電源システムでの使用を例に示したが、単体のスイッチング電源装置10としても使用できる。
The operation of the switching
[並列運転時における出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置の動作]
図4は出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置の動作波形を示したタイムチャートであり、図4(A)は誤差アンプ38の入力を示し、図4(B)はPWMコンパレータ46の入力を示し、図4(C)はスイッチング動作停止検出信号Vstopを示し、図4(D)はコンデンサ54の電圧であるしきい値電圧検出回路56の入力を示し、図4(E)はスイッチング制御信号VGSを示す。
[Operation of switching power supply with lower output voltage setting during parallel operation]
FIG. 4 is a time chart showing operation waveforms of the switching power supply device on the side where the output voltage set value is low. FIG. 4A shows the input of the
図4を参照して並列運転時における出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置10の動作を説明すると次のようになる。
With reference to FIG. 4, the operation of the switching
スイッチング電源システムが無負荷で動作している場合は、自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が外部から印可された状態となるため、自身の出力側回路の消費電力は、外部から供給された状態となる。 When the switching power supply system is operating with no load, a voltage higher than its output voltage setting value is applied from the outside, so the power consumption of its output circuit is supplied from the outside. It becomes a state.
出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置10は、図4(A)のスイッチング動作停止未検出期間T1に示すように、自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が外部から印可されているため、Vsens>Vrefの状態となる。この状態では、フィードバック制御回路26が出力電圧を低下させるように制御を行うことになるため、図3(B)に示すように、フィードバック信号VFBを低下させる制御が行われ、フィードバック信号VFBが徐々に低下していって三角波信号Vtri以下となり、三角波信号Vtriの周波数によるスイッチング素子14のスイッチング動作が停止する。このときのフィードバック信号VFBの低下速度はフィードバック制御回路26の応答速度で決定される。
As shown in the switching operation stop non-detection period T1 in FIG. 4A, the switching
スイッチング素子14のスイッチング動作が停止すると、スイッチング制御信号VGSはLレベルとなり、図4(D)に示すように、スイッチング動作モニタ回路32のコンデンサ54が充電されなくなり、コンデンサ54の電圧VCが低下する。コンデンサ54の電圧VCがスイッチング動作モニタ回路32のしきい値電圧検出回路56に設定されたしきい値電圧Vthを時刻t1で下回ると、図4(C)に示すように、Hレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopが出力される。
When the switching operation of the switching
基準電圧源28は、Hレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopが入力されると、図4(A)に示すように、出力検出電圧Vsensよりも高い状態になるように基準電圧Vrefを上昇させる。スイッチング動作停止検出期間T2に示すように、Vsens<Vrefの状態では、図4(B)に示すように、フィードバック制御回路26がフィードバック信号VFBを上昇させる制御が行われる。このときのフィードバック信号VFBの上昇速度はフィードバック制御回路26の応答速度で決定される。
When the switching operation stop detection signal Vstop which becomes H level is input, the reference voltage source 28 increases the reference voltage Vref so as to be higher than the output detection voltage Vsens as shown in FIG. . As shown in the switching operation stop detection period T2, in the state of Vsens <Vref, as shown in FIG. 4B, the
図4(B)に示すように、フィードバック信号VFBが上昇して時刻t2でVFB>Vtriの状態となると、図4(E)に示すように、Hレベルとなるスイッチング制御信号VGSが出力され、スイッチング素子14がオンする。また、Hレベルとなるスイッチング制御信号VGSが出力されると、スイッチング動作モニタ回路32のコンデンサ54が充電されてコンデンサ電圧VCが上昇し、しきい値電圧検出回路56のしきい値電圧Vthを超え、Lレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopが出力される。
As shown in FIG. 4B, when the feedback signal VFB rises and becomes VFB> Vtri at time t2, as shown in FIG. 4E, a switching control signal VGS that becomes H level is output, The switching
Lレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopが入力されると、基準電圧源28による基準電圧Vrefの上昇動作が解除されて通常の電圧に戻るように制御され、以下、同様な動作が繰り返される。 When the switching operation stop detection signal Vstop that is at L level is input, the reference voltage source 28 is released from the rising operation of the reference voltage Vref and returned to the normal voltage, and the same operation is repeated thereafter.
このため並列運転に伴い自身の出力電圧設定値よりも高い電圧が外部から印可されている側のスイッチング電源装置10において、フィードバック信号VFBは三角波信号Vtriから剥離することがなくなり、三角波信号Vtri下限付近で動作を続けることになる。
For this reason, in the switching
(第1実施形態のメリット)
第1実施形態のスイッチング電源装置を並列運転するスイッチング電源システムに用いることで、無負荷状態のスイッチング電源システムから、システムを構成する1台のスイッチング電源装置が出力可能な電流値以上の電流をスイッチング電源システムから急峻に出力させようとした場合、出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置においても、電流出力の応答遅れが発生することをなくすことができ、スイッチング電源装置の出力側のコンデンサを大型化する必要がなく、小型、低コストのスイッチング電源装置を作ることができる。
(Advantages of the first embodiment)
By using the switching power supply device of the first embodiment in a switching power supply system that operates in parallel, a switching power supply system in a no-load state switches a current that is greater than or equal to the current value that can be output by one switching power supply device that constitutes the system. When trying to output steeply from the power supply system, it is possible to eliminate the delay in response of the current output even in the switching power supply device on the side where the output voltage setting value is low, and the capacitor on the output side of the switching power supply device There is no need to increase the size, and a small-sized and low-cost switching power supply device can be produced.
また、本実施形態のスイッチング電源装置を単体で使用した場合にも、無負荷時の動作に悪影響を及ぼすこともない。 Moreover, even when the switching power supply device of this embodiment is used alone, it does not adversely affect the operation at no load.
[スイッチング電源装置の第2実施形態]
図5はスイッチング電源装置の第2実施形態において、出力電圧設定値が低い側のスイッチング電源装置の動作波形を示したタイムチャートであり、図5(A)は誤差アンプ38の入力を示し、図5(B)はPWMコンパレータ46の入力を示し、図5(C)はスイッチング動作停止検出信号Vstopを示し、図5(D)はしきい値電圧検出回路56の入力を示し、図5(E)はスイッチング制御信号VGSを示す。
[Second Embodiment of Switching Power Supply Device]
FIG. 5 is a time chart showing operation waveforms of the switching power supply device on the side where the output voltage set value is low in the second embodiment of the switching power supply device. FIG. 5A shows the input of the
(第2実施形態の構成)
本実施形態のスイッチング電源装置は、図1に示した第1実施形態のスイッチング電源装置10と同じ構成となるが、Hレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopを入力した場合の基準電圧源28による基準電圧Vrefの上昇のさせ方が相違する。
(Configuration of Second Embodiment)
The switching power supply device of the present embodiment has the same configuration as the switching
本発明の基準電圧源28は、Hレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopを入力した場合に、出力検出電圧Vsensよりも大きくなるように基準電圧Vrefを上昇させる制御を行うことが必要である。 The reference voltage source 28 of the present invention needs to perform control to increase the reference voltage Vref so as to be larger than the output detection voltage Vsens when the switching operation stop detection signal Vstop which becomes H level is input.
図1の第1実施形態では、基準電圧Vrefを通常動作時の電圧とHレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopが入力されることで上昇した後の電圧の2段階でステップ的に制御を行っているため、並列運転されるスイッチング電源装置10の出力電圧設定値のばらつきを見込んで上昇後の基準電圧Vrefを設定する必要があるが、並列運転されるスイッチング電源装置10の出力電圧設定値のばらつきが大きい場合は、上昇後の基準電圧Vrefの設定値を大きく設定しておく必要がある。しかし、基準電圧Vrefを上昇させる前後の電圧差が大きいと、基準電圧Vrefのステップ的な変化によりフィードバック制御回路26の動作が不安定になってしまう場合がある。
In the first embodiment shown in FIG. 1, the reference voltage Vref is controlled stepwise in two stages, that is, the voltage after normal operation and the voltage that has been raised by the input of the switching operation stop detection signal Vstop that becomes H level. Therefore, it is necessary to set the increased reference voltage Vref in anticipation of variations in the output voltage setting value of the switching
本実施形態では、スイッチング動作停止検出期間の基準電圧Vrefの上昇を、図5(A)のスイッチング動作停止検出期間T2に示すように、傾きを持たせて上昇させる動作とすることで、基準電圧Vrefを大きく上昇させる場合でもフィードバック制御回路26を安定に動作させることができる。
In this embodiment, the reference voltage Vref in the switching operation stop detection period is increased with an inclination as shown in the switching operation stop detection period T2 in FIG. Even when Vref is greatly increased, the
本実施形態のスイッチング電源装置は、図1に示した第1実施形態のスイッチング電源装置10と同じ回路で構成されており、電圧上昇機能を備えた基準電圧源28の制御を次のように行う。
The switching power supply device of this embodiment is configured by the same circuit as the switching
基準電圧源28は、図5(A)に示すように、時刻t1でスイッチング動作停止検出信号Vstopが入力されると、方形波発振器40のデューティを時間とともに広げる制御を行う。この制御により基準電圧Vrefが時間の経過に伴い徐々に上昇する。基準電圧Vrefが上昇して時刻t2でVsens<Vrefの状態になると、図5(B)に示すように、フィードバック制御回路26がフィードバック信号VFBを上昇させる制御となる。
As shown in FIG. 5A, when the switching operation stop detection signal Vstop is input at time t1, the reference voltage source 28 performs control to increase the duty of the
時刻t2でVsens<Vrefとなっても基準電圧Vrefが上昇を続ける。出力検出電圧Vsensと基準電圧Vrefの差が大きいほどフィードバック信号VFBの上昇速度が大きくなるので、フィードバック信号VFBを速く三角波信号Vtriの下限に到達させることができる。 Even if Vsens <Vref at time t2, the reference voltage Vref continues to rise. As the difference between the output detection voltage Vsens and the reference voltage Vref increases, the rate of increase of the feedback signal VFB increases, so that the feedback signal VFB can be quickly reached the lower limit of the triangular wave signal Vtri.
時刻t3でフィードバック信号VFBが三角波信号Vtriの下限に到達すると、Hレベルとなるスイッチング素子制御信号VGSが出力されることで、Lレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopが出力される。Lレベルとなるスイッチング動作停止検出信号Vstopが入力されると、基準電圧源28の方形波発振器40のデューティは通常の状態に戻され、基準電圧Vrefは通常時の電圧に戻る。以下、同様な動作が繰り返される。
When feedback signal VFB reaches the lower limit of triangular wave signal Vtri at time t3, switching element control signal VGS at H level is output, and switching operation stop detection signal Vstop at L level is output. When the switching operation stop detection signal Vstop which becomes L level is input, the duty of the
(第2実施形態のメリット)
第1実施形態では、基準電圧Vrefを通常動作時の電圧と上昇後の電圧の2段階でステップ的に制御を行っていたため、基準電圧Vrefを上昇させる前後の電圧差が大きいと、基準電圧Vrefのステップ的な変化によりフィードバック制御回路26の動作が不安定になってしまう場合があったが、第2実施形態では、基準電圧Vrefを時間の経過に伴い徐々に上昇させるように制御を行うため、フィードバック制御回路26を安定に動作させることができる。
(Advantages of the second embodiment)
In the first embodiment, since the reference voltage Vref is controlled stepwise in two steps, that is, the voltage during normal operation and the voltage after the increase, if the voltage difference before and after the reference voltage Vref is increased is large, the reference voltage Vref However, in the second embodiment, the control is performed so that the reference voltage Vref is gradually increased as time elapses. The
また、第1実施形態では、基準電圧Vrefを上昇させる前後の電圧差を大きくすることが難しかったため、上昇後の基準電圧Vrefと出力検出電圧Vsensの電圧差を大きくすることが難しかったが、第2実施形態では、上昇後の基準電圧Vrefと出力検出電圧Vsensの電圧差を大きくすることが可能となるため、フィードバック信号VFBの上昇速度が大きくなり、無負荷状態のスイッチング電源システムから、システムを構成する1台のスイッチング電源装置が出力可能な電流値以上の電流をスイッチング電源システムから急峻に出力させようとした場合、スイッチング素子が動作するまでの遅れ時間を短くすることができる。 In the first embodiment, it is difficult to increase the voltage difference before and after the reference voltage Vref is increased. Therefore, it is difficult to increase the voltage difference between the increased reference voltage Vref and the output detection voltage Vsens. In the second embodiment, since the voltage difference between the increased reference voltage Vref and the output detection voltage Vsens can be increased, the rising speed of the feedback signal VFB is increased, and the system is switched from the switching power supply system in the no-load state. When the switching power supply system steeply outputs a current that is greater than or equal to the current value that can be output by a single switching power supply device, the delay time until the switching element operates can be shortened.
[本発明の変形例]
上記の実施形態は、複数のスイッチング電源装置の並列運転を行うスイッチング電源システムの無負荷状態で、電力変換部の出力に出力電圧より高い外部電圧が他のスイッチング電源装置から印加された場合を例に示しているが、単体で動作しているスイッチング電源装置が無負荷状態で、電力変換部の出力に出力電圧より高い外部電圧が印加された場合であっても、同様に、基準電圧を上昇させることにより、フィードバック信号の三角波信号からの乖離を抑制させ、スイッチング電源装置から急峻に電流を出力させようとした場合の電流出力の応答遅れを無くすことができる。
[Modification of the present invention]
The above embodiment is an example in which an external voltage higher than the output voltage is applied to the output of the power conversion unit from another switching power supply device in the no-load state of the switching power supply system that performs parallel operation of the plurality of switching power supply devices. In the same way, even if the switching power supply operating as a single unit is in a no-load state and an external voltage higher than the output voltage is applied to the output of the power converter, the reference voltage is similarly increased. By doing so, it is possible to suppress the deviation of the feedback signal from the triangular wave signal, and to eliminate the response delay of the current output when trying to output the current sharply from the switching power supply device.
また、本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。 The present invention includes appropriate modifications without impairing the object and advantages thereof, and is not limited by the numerical values shown in the above embodiments.
10:スイッチング電源装置
11:入力電源
12:電力変換部
14:スイッチング素子
16:インダクタ
18,50:ダイオード
20,44,54:コンデンサ
21:負荷
22:出力電圧制御回路
24:出力電圧検出回路
26:フィードバック制御回路
28:基準電圧源
30:PWM制御回路
34,36,42,52:抵抗
32:スイッチング動作モニタ回路
38:誤差アンプ
40:方形波発振器
46:PWMコンパレータ
48:三角波発振器
56:しきい値電圧検出回路
60:伝送線
10: switching power supply device 11: input power supply 12: power converter 14: switching element 16:
Claims (4)
誤差アンプと基準電圧源を備え、前記基準電圧源が出力する所定の基準電圧と前記出力電圧に比例した出力検出電圧を前記誤差アンプに入力して両者の誤差に応じて変化するフィードバック信号を出力するフィードバック制御回路と、
PWMコンパレータと三角波発振器を備え、前記三角波発信器から出力される所定の周波数と振幅の三角波信号と前記フィードバック信号を前記PWMコンパレータで比較した結果に基づいて前記スイッチング素子をオン、オフさせるスイッチング制御信号を出力するPWM制御回路と、
を備えたスイッチング電源装置に於いて、
前記基準電圧源は前記所定の基準電圧を上昇させる機能を備えており、
前記スイッチング素子が所定の時間以上オフしていることを検出した場合に、スイッチング動作停止検出信号を前記基準電圧源に出力して前記所定の基準電圧を上昇させ、前記フィードバック信号の前記三角波信号からの乖離を抑制させるスイッチング動作モニタ回路が設けられたことを特徴とするスイッチング電源装置。
A switching element and an output smoothing circuit; converting the input voltage to an intermittent voltage by turning on and off the switching element; generating the output voltage by converting the intermittent voltage to a DC voltage by the output smoothing circuit; and Is a power converter controlled by the on-duty of the switching element;
An error amplifier and a reference voltage source are provided, and a predetermined reference voltage output from the reference voltage source and an output detection voltage proportional to the output voltage are input to the error amplifier, and a feedback signal that changes according to the error between the two is output. A feedback control circuit to
A switching control signal that includes a PWM comparator and a triangular wave oscillator, and that turns on and off the switching element based on a result of comparing the feedback signal with a triangular wave signal having a predetermined frequency and amplitude output from the triangular wave transmitter. PWM control circuit that outputs
In a switching power supply device with
The reference voltage source has a function of increasing the predetermined reference voltage;
When it is detected that the switching element has been turned off for a predetermined time or more, a switching operation stop detection signal is output to the reference voltage source to raise the predetermined reference voltage, and from the triangular wave signal of the feedback signal A switching power supply device is provided, which is provided with a switching operation monitor circuit that suppresses the difference between the two.
請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記スイッチング動作モニタ回路は、ダイオード、コンデンサ、抵抗及びしきい値電圧検出回路を備え、前記スイッチング制御信号のオン期間に前記ダイオードを介して前記コンデンサに電荷を蓄え、前記スイッチング制御信号のオフ期間に前記コンデンサの電荷を前記抵抗を介して放電し、前記コンデンサの電圧を前記しきい値電圧検出回路に入力して所定のしきい値電圧以下となった場合に前記スイッチング動作停止検出信号を出力させるように構成されたことを特徴とするスイッチング電源装置。
(Switching operation monitor circuit)
In the switching power supply device according to claim 1,
The switching operation monitor circuit includes a diode, a capacitor, a resistor, and a threshold voltage detection circuit, and stores charge in the capacitor via the diode during the ON period of the switching control signal, and during the OFF period of the switching control signal. The capacitor charge is discharged through the resistor, and the switching operation stop detection signal is output when the voltage of the capacitor is input to the threshold voltage detection circuit and falls below a predetermined threshold voltage. A switching power supply device configured as described above.
請求項1記載のスイッチング電源装置に於いて、
前記基準電圧源は、パルス信号のデューティを変化させる機能をもった方形波発振器、抵抗及びコンデンサを備え、前記方形波発振器の出力するパルス信号を前記抵抗と前記コンデンサで平滑した電圧を基準電圧として出力し、前記方形波発信器のデューティを所定値に初期設定して前記所定の基準電圧を出力し、前記スイッチング動作停止検出信号が入力された場合に前記方形波発振器のデューティを変化させて前記所定の基準電圧を上昇させるように構成されたことを特徴とするスイッチング電源装置。
(Reference voltage source with a function to increase the reference voltage)
In the switching power supply device according to claim 1,
The reference voltage source includes a square wave oscillator having a function of changing the duty of a pulse signal, a resistor and a capacitor, and a voltage obtained by smoothing the pulse signal output from the square wave oscillator by the resistor and the capacitor is used as a reference voltage. Output, the duty of the square wave oscillator is initially set to a predetermined value, the predetermined reference voltage is output, and when the switching operation stop detection signal is input, the duty of the square wave oscillator is changed to change the duty A switching power supply device configured to increase a predetermined reference voltage.
請求項3記載のスイッチング電源装置に於いて、前記基準電圧源は、前記スイッチング動作停止検出信号が入力された場合に、前記方形波発振器のデューティを時間の経過に応じて変化させることにより、前記基準電圧を時間の経過に応じて上昇させることを特徴としたスイッチング電源装置。 (Increase of the reference voltage over time)
4. The switching power supply device according to claim 3, wherein when the switching operation stop detection signal is input, the reference voltage source changes the duty of the square wave oscillator according to the passage of time. A switching power supply device characterized in that a reference voltage is raised as time passes.
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