JP2018050374A - 電流モード制御ｄｃ／ｄｃコンバータ及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で広い負荷電流範囲でも安定に動作可能な電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ及びその制御方法を提供する。【解決手段】電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、入力電圧をスイッチングするスイッチ素子１１１を含む１次側回路１１と、入力電圧を変換した出力電圧を生成する２次側回路１２と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路１３と、スイッチ素子１１１に流れる電流を示す電流検出信号を出力する電流検出回路１４と、スイッチ素子１１１に流れる電流に基づいて制御されたスロープをもつスロープ補償信号を生成するスロープ補償回路１５と、出力電圧とスロープ補償信号が重畳された電流検出信号に基づいてスイッチ素子１１１のスイッチング制御を行うスイッチング制御回路１６と、を有している。【選択図】 図１

Description

本発明は、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ及びその制御方法に関する。

ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方式には、出力電圧のみを検出して帰還制御する電圧モード制御方式と、出力電圧以外にスイッチングトランジスタ等に流れる電流を検出して帰還制御する電流モード制御方式がある。電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータは、基準電圧とＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を誤差増幅器により比較し、且つスイッチングトランジスタ等に流れる電流を電圧変換し、変換した電圧を基準電圧と比較し、所要のパルス幅で、スイッチング素子を駆動して、出力電圧の制御を実施する。

電流モード制御方式のＤＣ／ＤＣコンバータが、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の電流モード制御装置は、スイッチング電源装置のスイッチ素子に流れる通電電流を検出する電流センス回路が、スイッチ素子のオン期間、時間の経過と共に一次直線の傾きをもって増加するスイッチ素子の通電電流を検出する。検出された電流は、抵抗体とコンデンサによる積分回路により積分され、二次曲線カーブの傾きをもつ電圧に変換され、電流センス回路から出力される電圧に重畳され、スイッチング制御回路に出力される。

また特許文献２に開示されているＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチングレギュレータ内部のリアクトル電流を検出し、電流ゲイン切り替え回路を介して得られる電流検出信号と、スイッチングレギュレータの出力電圧を検出し電圧補償回路により位相補償した電圧フィードバック信号を、カレントモードコントロール制御回路にフィードバックする。

特開平１１−０４１９２４号公報 特開平０９−２６６６６４号公報

図８は、スイッチ素子に流れる通電電流をフィードバックする電流検出信号の波形を示す図である。浮遊容量成分やリーケージインダクタンス成分のため、スイッチングトランジスタがスイッチオンされたとき、図８に示すようにターンオンノイズが発生し、電流検出信号に重畳される。図８に示すように、通常、ターンオンノイズのピークに比べ、電流検出信号のピークは高い。しかしながら、負荷電流が少ない時には、ターンオンノイズの振幅が減少しないため、電流検出信号のピークが、ターンオンノイズのピークより低くなってしまう。したがって、電流検出信号のＳ／Ｎ比が悪くなり、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の制御に誤動作が起きやすくなる。

特許文献１の構成では、スイッチ素子の通電電流に重畳されるバイアス電圧が電源装置の負荷電流に対して一定の割合で重畳されるので、電源装置の負荷電流が少なくなりスイッチ素子の電流が小さくなると、重畳される電圧が小さくなり、誤動作を防止する効果は少ない。また電源装置の負荷電流が大きくなりバイアス電圧が大きくなった場合、バイアス電圧が電源装置の負荷電流に対して一定の割合で重畳されるので、重畳される電圧が大きくなり、本来のスイッチ素子を流れる電流の検出能力が低下する。

特許文献２には、負荷電流が少ない時Ｓ／Ｎ比が悪くなり、誤動作が起きやすくなるという上記の課題が記載されており、この課題に対して、軽負荷時にリアクトル電流をフィードバックする際、電流ゲインを大きくする構成となっている。しかしながら、特許文献２に開示されている構成では、電流ゲインが切り換わり大きくなった際に低下する制御帯域を一定に保つため、電流ゲインを切り替えるとともにスイッチを用いて電圧補償回路内の抵抗又はコンデンサが切り換える複雑な構成となっている。

本発明の目的は、簡単な構成で広い負荷電流範囲でも安定に動作可能な電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ及びその制御方法を提供することにある。

本発明の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧をスイッチングするスイッチ素子を含む１次側回路と、前記入力電圧を変換した出力電圧を生成する２次側回路と、前記出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記スイッチ素子に流れる電流を示す電流検出信号を出力する電流検出回路と、前記スイッチ素子に流れる電流に基づいて制御されたスロープをもつスロープ補償信号を生成するスロープ補償回路と、前記出力電圧と、前記スロープ補償信号が重畳された電流検出信号に基づいて前記スイッチ素子のスイッチング制御を行うスイッチング制御回路と、を有する。

また本発明の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法は、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を検出し、前記電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧をスイッチングするスイッチ素子に流れる電流を示す電流検出信号を出力し、前記スイッチ素子に流れる電流に基づいて制御されたスロープをもつスロープ補償信号を生成し、前記出力電圧と、前記スロープ補償信号が重畳された電流検出信号とに基づいて前記スイッチ素子のスイッチング制御を行う。

本発明によれば、簡単な構成で、負荷電流が少ない場合に発生する誤動作を防止し、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータが安定に動作する負荷電流範囲を広げることが可能となる。

本発明の実施形態の概略構成を示すブロック図である。 図１のスロープ補償回路の動作を示す図である。 本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 図３のスロープ補償回路の一例を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。 図５のスロープ補償回路の一例を示す回路図である。 図５のスロープ補償回路の動作を示す図である。 電流検出信号の波形を示す図である。

以下、図面を参照して本発明について説明する。図１は、本発明の実施形態の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように本発明の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、入力電圧をスイッチングするスイッチ素子１１１を含む１次側回路１１と、入力電圧を変換した出力電圧を生成して負荷２０に出力する２次側回路１２とを備えている。また、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、出力電圧を検出する出力電圧検出回路１３と、負荷２０に流れる負荷電流に比例する、スイッチ素子１１１に流れる電流を示す電流検出信号を出力する電流検出回路１４を備えている。また電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、スイッチ素子１１１に流れる電流に基づいて制御されたスロープをもつスロープ補償信号を生成するスロープ補償回路１５と、出力電圧と、スロープ補償信号が重畳された電流検出信号に基づいてスイッチ素子１１１のスイッチング制御を行うスイッチング制御回路１６を備えている。

出力電圧検出回路１３は、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧が基準電圧以下となると、スイッチ素子１１１をオフにするスイッチオフ基準電圧を示す電圧を出力し、そうでなければゼロレベルの電圧を出力する。

スロープ補償回路１５は、スイッチ素子１１１に流れる電流に基づいて制御されたスロープをもつスロープ補償信号を生成する。スロープ補償信号は、ターンオンノイズに電圧が重畳されないようスイッチ素子オン時は電圧がゼロで、その後、スイッチ素子１１１に流れる電流に基づいて制御されたスロープで上昇する信号である。

スイッチング制御回路１６は、スロープ補償信号が重畳された電流検出信号と、出力電圧検出回路１３の出力電圧とを比較する。スイッチング制御回路１６は、電流検出信号が、出力電圧検出回路１３が出力するスイッチオフ基準電圧以下のときは、スイッチ素子１１１をオンとする信号をスイッチ素子１１１に出力する。またスイッチング制御回路１６は、電流検出信号が、スイッチオフ基準電圧を超えるとスイッチ素子１１１をオフとする信号をスイッチ素子１１１に出力する。

次に本発明の実施形態の動作について説明する。まず出力電圧検出回路１３が、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧を検出する。そして電流検出回路１４が、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１の入力電圧をスイッチングするスイッチ素子１１１に流れる電流を示す電流検出信号を出力する。そして、スロープ補償回路１５が、負荷電流に比例する、スイッチ素子１１１に流れる電流に基づいて制御されたスロープをもつスロープ補償信号を生成する。スイッチング制御回路１６が、出力電圧と、スロープ補償信号が重畳された電流検出信号とに基づいてスイッチ素子１１１のスイッチング制御を行う。

図２は、図１のスロープ補償回路の動作を示す図である。スロープ補償回路１５は、例えば、図２の右図のように電流検出信号のピークが、ターンオンノイズのピークより低くなるレベルに減少したとき、負荷電流に基づいて制御された大きいスロープをもつスロープ補償信号を電流検出信号に重畳してスイッチング制御回路１６に出力する。このことでスロープ補償信号のスロープを大きくし、電流検出信号のピークが、ターンオンノイズのピークより越えるようにする。

一方、負荷電流が多いときは、重畳するスロープ補償信号のスロープを小さくする。例えば、図２の左図のように電流検出信号のピークが、ターンオンノイズのピークより高くなるレベルに上昇したとき、電流検出信号に重畳するスロープ補償信号のスロープを小さくし、スイッチング制御回路１６に出力する。このことで、電流検出信号で本来のスイッチ素子１１１を流れる電流を正しく検出できる範囲を広げることができる。

本発明はこのような構成により、簡単な構成で、負荷電流が少ない場合に発生する誤動作を防止し、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ１が安定に動作する負荷電流範囲を広げることを可能とする。

次に具体的な構成を例示して説明する。図３は、本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、トランスＴ１、カレントトランスＴ２、スイッチングトランジスタＴＲ１からなる１次側回路２１と、ダイオードＤ１、Ｄ２、コイルＬ１、コンデンサＣ１からなる２次側回路２２を備えている。スイッチングトランジスタＴＲ１が上述のスイッチ素子である。

また、電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２の電流検出回路２４は、カレントトランスＴ２の巻線より電流検出信号を生成する。

また電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスロープ補償回路２５は、電流検出回路２４からの電流検出信号と基準電圧源２５２による基準電圧Ｖｒｅｆ２を比較するコンパレータ２５１を備えている。

また電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスロープ補償回路２５は、クロック回路２５３を備え、クロック回路２５３からのクロックに基づいてスロープ補償信号を生成するスロープ補償信号生成回路２５４を備える。スロープ補償信号生成回路２５４は、コンパレータ２５１の出力に基づいてスロープを制御したスロープ補償信号を生成する。

図４は、図３のスロープ補償回路２５の一例を示す回路図である。コンパレータ２６１の入力には、電流検出回路２４の出力がＲ２を介して接続される。また、スロープ補償信号生成回路２５４の出力が、コンパレータ２６１の入力に接続される。

スロープ補償信号生成回路２５４においては、クロック回路２５３の出力に、ＴＲ２のベースが接続される。また、ＴＲ２のベースには、ＲＴ及びＣＴが接続される。ＲＴの他端は＋５ｖに接続され、ＣＴの他端はＲＴＮに接続される。ＴＲ２のコレクタは、＋５ｖに接続され、ＴＲ２のエミッタがスロープ補償信号生成回路２５４の出力としてＲ１を介してコンパレータ２６１の入力に接続される。

またスロープ補償信号生成回路２５４において、コンパレータ２５１の出力には、ＴＲ３のベースが接続され、ＴＲ３のエミッタにＲ３が接続される。ＴＲ３のコレクタは、ＴＲ２のベースに接続され、Ｒ３の他端は、コンパレータ２６１の入力に接続される。コンパレータ２６１の入力にＣ４の一端が接続されＣ４の他端はＲＴＮに接続される。

次に本実施形態の動作について説明する。まず出力電圧検出回路２３の誤差増幅器２３２は、出力電圧Ｖｏｕｔ１と基準電圧源２３１による基準電圧Ｖｒｅｆ１を誤差増幅器２３２により比較する。出力電圧検出回路２３は、出力電圧Ｖｏｕｔ１が基準電圧Ｖｒｅｆ１より低ければ出力電圧Ｖｏｕｔ１と基準電圧Ｖｒｅｆ１との差に基づいたスイッチオフ基準電圧を出力する。出力電圧Ｖｏｕｔ１と基準電圧Ｖｒｅｆ１との差が大きければ高いスイッチオフ基準電圧を出力する。出力電圧Ｖｏｕｔ１が基準電圧Ｖｒｅｆ１より高ければ、出力をオフにする。

電流検出回路２４は、スイッチングトランジスタＴＲ１に流れる動作電流（負荷電流に比例する）をカレントトランスＴ２の１次側巻線、２次側巻線を介して検出し、電圧変換して電流検出信号を生成し、出力する。

スロープ補償回路２５は、コンパレータ２５１で、電流検出信号と、基準電圧源２５２による基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較する。スロープ補償回路２５は、負荷電流が少ないとき、電流検出回路２４により電圧変換された電流検出信号に、クロック回路２５３から出力されるクロックを元にしたスロープ補償信号を重畳して出力する。スロープ補償回路２５は、負荷電流が多いときは、電流検出回路２４により電圧変換された電流検出信号に、スロープ補償信号を重畳せず、電流検出信号を出力する。

スイッチング制御回路２６は、コンパレータ２６１で、スロープ補償回路２５から出力される信号と、出力電圧検出回路２３の誤差増幅器２３２の出力信号を比較し、スイッチングトランジスタＴＲ１を駆動する。スロープ補償回路２５からの出力が、出力電圧検出回路２３からの出力より低ければスイッチングトランジスタＴＲ１をオンし、スロープ補償回路２５からの出力が、出力電圧検出回路２３からの出力より高ければスイッチングトランジスタＴＲ１をオフする。

以上説明したように、本実施形態によれば、スロープ補償信号のスロープを負荷電流により制御し、負荷電流が少ない場合に電流検出信号にスロープを大きくし、負荷電流が大きい場合はスロープを小さくすることで、誤動作を抑え、正常に動作可能な負荷電流範囲を広げることが可能となる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。図６は本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、負荷電流によらず一定のスロープをもつ第１のスロープ補償信号と、負荷電流に基づいて制御されたスロープをもつ第２のスロープ補償信号を生成する点で第１の実施形態と異なる。

図６は、図５のスロープ補償回路３５の一例を示す回路図である。第１の実施形態と同様、コンパレータ２６１の入力には、電流検出回路２４の出力がＲ２を介して接続される。また、スロープ補償信号生成回路３５１及び３５２の出力がコンパレータ２６１の入力に接続される。

スロープ補償信号生成回路３５１においては、クロック回路２５３の出力に、ＴＲ２のベースが接続される。また、ＴＲ２のベースには、ＲＴ及びＣＴが接続される。ＲＴの他端は＋５ｖに接続され、ＣＴの他端はＲＴＮに接続される。ＴＲ２のコレクタは、＋５ｖに接続され、ＴＲ２のエミッタがスロープ補償信号生成回路２５４の出力としてＲ１を介してコンパレータ２６１の入力に接続される。

またスロープ補償信号生成回路３５２において、コンパレータ２６１の出力に、ＴＲ４のベースが接続される。また、ＴＲ４のベースには、ＲＴ２及びＣＴ２が接続される。ＲＴ２の他端は＋５ｖに接続され、ＣＴ２の他端はＲＴＮに接続される。ＴＲ４のコレクタは、＋５ｖに接続され、ＴＲ４のエミッタがスロープ補償信号生成回路３５２の出力としてＲ４を介してコンパレータ２６１の入力に接続される。またコンパレータ２５１の出力に、ＴＲ５のベースが接続され、ＴＲ５のエミッタにＲ５が接続される。ＴＲ５のコレクタは、ＴＲ４のベースに接続され、Ｒ５の他端は、コンパレータ２６１の入力に接続される。コンパレータ２６１の入力にＣ４の一端が接続されＣ４の他端はＲＴＮに接続される。

本実施形態の動作について説明する。スロープ補償信号生成回路３５１は、第１の実施形態と同様なクロック回路２５３から出力されるクロックに基づいて一定のスロープをもつ第１のスロープ補償信号を生成する。一方、スロープ補償信号生成回路３５２は、負荷電流が少ない場合にスイッチング制御回路２６のコンパレータ２６１の出力から第２のスロープ補償信号を生成し、負荷電流が大きい場合はスロープ補償信号を生成しない。スロープ補償回路３５は、電流検出回路２４からの電流検出信号に、スロープ補償信号生成回路３５１からの第１のスロープ補償信号と、スロープ補償信号生成回路３５２からの第２のスロープ補償信号とを重畳して、スイッチング制御回路２６のコンパレータ２６１に出力する。

図７は、図５のスロープ補償回路の動作を示す図である。スロープ補償回路３５は、例えば、図７の右図のように電流検出信号のピークが、ターンオンノイズのピークより低くなるレベルに減少したとき、スロープ補償回路３５１及び３５２の両方によるスロープ補償信号を電流検出信号に重畳する。このことでスロープ補償信号のスロープを大きくし、電流検出信号のピークが、ターンオンノイズのピークより越えるようにする。

一方、負荷電流が多いときは、重畳するスロープ補償信号のスロープを小さくする。例えば、図７の左図のように電流検出信号のピークが、ターンオンノイズのピークより高くなるレベルに上昇したとき、スロープ補償回路３５１のスロープ補償信号のみを電流検出信号に重畳する。このことで、電流検出信号で本来のスイッチ素子を流れる電流を正しく検出できる範囲を広げることができる。

第２の実施形態の構成によっても、第１の実施形態と同様、スロープ補償信号のスロープを負荷電流により制御し、負荷電流が少ない場合にスロープを大きくし、負荷電流が大きい場合はスロープの小さくすることで、誤動作を抑え、正常に動作可能な負荷電流範囲を広げることができる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

例えば、スロープ補償回路２５のコンパレータ２５１は、誤差増幅器に置き換えられてもよい。すなわち、第１の実施形態のスロープ補償信号生成回路２５２及び第２の実施形態のスロープ補償信号生成回路３５２は、電流検出信号と基準電圧Ｖｒｅｆ２との差に応じてスロープを連続的に変え、負荷電流に応じたスロープをもつスロープ補償信号を生成してもよい。

このような構成によって、第１、第２の実施形態と同様に、負荷電流が少ない場合に電流検出信号にスロープ補償信号を重畳し、負荷電流が大きい場合は電流検出信号にスロープの小さなスロープ補償信号を重畳することができ、スイッチングノイズによる誤動作を抑えるとともに正常に動作可能な負荷電流範囲を広げることができる。またスロープ補償回路２５のコンパレータ２５１を誤差増幅器に置き換えた構成により、スロープ補償信号のスロープを負荷電流により連続的に制御することができる。

また例えば、電流検出信号生成回路２４１は、カレントトランスＴ２を用いてスイッチングトランジスタＴＲ１の負荷電流を電圧変換するとして説明したが、これに限られない。電流検出信号生成回路２４１は、カレントトランスＴ２を抵抗に置き換え、抵抗の両端に発生する電圧に応じた電圧を電流検出信号として出力するものでもよい。

１、２、３ 電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１、２１ １次側回路
１２、２２ ２次側回路
１３、２３ 出力電圧検出回路
１４、２４ 電流検出回路
１５、２５、３５ スロープ補償回路
１６、２６ スイッチング制御回路
２０ 負荷
１１１ スイッチ素子
２３１ 基準電圧源
２３２ 誤差増幅器
２５１ コンパレータ
２５２ 基準電圧源
２５３ クロック回路
２５４、３５１、３５２ スロープ補償信号生成回路
２６１ コンパレータ

Claims (7)

1. 入力電圧をスイッチングするスイッチ素子を含む１次側回路と、
   前記入力電圧を変換した出力電圧を生成する２次側回路と、
   前記出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
   前記スイッチ素子に流れる電流を示す電流検出信号を出力する電流検出回路と、
   前記スイッチ素子に流れる電流に基づいて制御されたスロープをもつスロープ補償信号を生成するスロープ補償回路と、
   前記出力電圧と、前記スロープ補償信号が重畳された電流検出信号とに基づいて前記スイッチ素子のスイッチング制御を行うスイッチング制御回路と、
   を有する電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記スロープ補償回路は、
   前記スイッチ素子に流れる電流を電圧変換し基準電圧と比較するコンパレータと、
   前記コンパレータの出力に基づき前記スロープを切り替えるスロープ補償信号生成回路と、
   を有する請求項１に記載の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記スロープ補償回路は、
   前記スイッチ素子に流れる電流を電圧変換し基準電圧と比較する誤差増幅器と、
   前記誤差増幅器の出力に基づいて前記スロープを制御するスロープ補償信号生成回路と、
   を有する請求項１に記載の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記スロープ補償信号生成回路は、前記スイッチ素子に流れる電流を電圧変換した電圧が前記基準電圧を超えたとき前記スロープをゼロに切り替える、
   を有する請求項２又は３に記載の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記スロープ補償回路は、
   クロックを出力するクロック回路と、
   前記クロックに基づき一定のスロープをもつスロープ補償信号を生成する第１のスロープ補償信号生成回路と、前記スイッチ素子に流れる電流を電圧変換し基準電圧と比較するコンパレータと、
   前記スイッチ素子に流れる電流を電圧変換し基準電圧と比較するコンパレータと、
   前記コンパレータの出力に基づいてスロープを制御する第２のスロープ補償信号生成回路と、
   を有する請求項１に記載の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 前記第２のスロープ補償信号生成回路は、前記スイッチ素子に流れる電流を電圧変換した電圧が前記基準電圧を超えたときスロープをゼロに切り替える、
   を有する請求項５に記載の電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータ。
7. 電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を検出し、
   前記電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧をスイッチングするスイッチ素子に流れる電流を示す電流検出信号を出力し、
   前記スイッチ素子に流れる電流に基づいて制御されたスロープをもつスロープ補償信号を生成し、
   前記出力電圧と、前記スロープ補償信号が重畳された電流検出信号とに基づいて前記スイッチ素子のスイッチング制御を行う、
   電流モード制御ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。

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