JP2021191062A - スイッチング制御回路、llcコンバータ - Google Patents

スイッチング制御回路、llcコンバータ Download PDF

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Abstract

【課題】LLCコンバータの動作によらず貫通電流を効果的に抑制するスイッチング制御回路を提供する。【解決手段】スイッチング電源回路において、スイッチングを制御する制御IC40は、第1還流ダイオードを有する第1スイッチング素子並びに第1スイッチング素子及び第1還流ダイオードと直列に接続された第2還流ダイオードを有する第2スイッチング素子を含むLLCコンバータの第1、第2スイッチング素子のスイッチングを制御する端子HO、LOと、LLCコンバータの共振電流に基づいて、第1モード又は第2モードの何れかの動作モードでLLCコンバータが動作するかを判定する判定回路61と、第1又は第2スイッチング素子に貫通電流が流れないよう、判定された動作モードに基づいて、第1、第2スイッチング素子をスイッチングする駆動信号を出力する駆動信号出力回路62と、を備える。【選択図】図9

Description

本発明は、スイッチング制御回路及びLLCコンバータに関する。
LLCコンバータにおいて、スイッチング周波数が容量性負荷領域に入ると、想定していた共振条件から外れること(すなわち、共振外れ)が生じることにより、電源から接地へと貫通電流が流れることがある。(例えば、特許文献1及び特許文献2)
特開2005−198456号公報 特開2010−004596号公報
ところで、例えば、LLCコンバータの起動時に流れる貫通電流を抑制する回路はあるが、この回路は、起動後の通常動作時に貫通電流を抑制することができない。
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、LLCコンバータの動作によらず貫通電流を効果的に抑制するスイッチング制御回路を提供することにある。
前述した課題を解決する本発明にかかるスイッチング制御回路は、第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と並列に接続された第1還流ダイオードと、前記第1スイッチング素子および前記第1還流ダイオードと直列に接続された第2スイッチング素子と、前記第2スイッチング素子に並列に接続された第2還流ダイオードとを含むLLCコンバータの前記第1及び第2スイッチング素子のスイッチングを制御するスイッチング制御回路であって、前記LLCコンバータの共振電流に基づいて、第1モードまたは第2モードの何れかの動作モードで前記LLCコンバータが動作するかを判定する判定回路と、前記第1スイッチング素子または前記第2スイッチング素子に貫通電流が流れないよう、判定された前記動作モードに基づいて、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子をスイッチングする駆動信号を出力する駆動信号出力回路と、を備える。
前述した課題を解決する本発明にかかるLLCコンバータは、LLCコンバータであって、第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子に逆並列に接続される第1還流ダイオードと、第2スイッチング素子と、前記第2スイッチング素子に逆並列に接続される第2還流ダイオードと、前記LLCコンバータの共振電流に基づいて、第1モードまたは第2モードの何れかの動作モードで前記LLCコンバータが動作するかを判定する判定回路と、前記第1スイッチング素子または前記第2スイッチング素子に貫通電流が流れないよう、判定された前記動作モードに基づいて、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子をスイッチングする駆動信号を出力する駆動信号出力回路と、を備える。
LLCコンバータの動作によらず貫通電流を効果的に抑制するスイッチング制御回路を提供することができる。
スイッチング電源回路10の構成の一例を示す図である。 電源側のNMOSトランジスタ22がオンした後、接地側のNMOSトランジスタ23がオンする際に流れる貫通電流の一例を示す図である。 接地側のNMOSトランジスタ23がオンした後、電源側のNMOSトランジスタ22がオンする際に流れる貫通電流の一例を示す図である。 貫通電流が流れる場合の共振電流Icrの一例を示す図である。 接地側のNMOSトランジスタ23がオンした後、電源側のNMOSトランジスタ22がオンする際に流れる貫通電流の一例を示す図である。 正の方向に共振電流Icrが流れる際に貫通電流が流れる場合の共振電流Icrの一例を示す図である。 電源側のNMOSトランジスタ22がオンした後、接地側のNMOSトランジスタ23がオンする際に流れる貫通電流の一例を示す図である。 負の方向に共振電流Icrが流れる際に貫通電流が流れる場合の共振電流Icrの一例を示す図である。 制御IC40の一例を示す図である。 タイミング信号出力回路63がタイミング信号tim1,tim2を生成するタイミングの一例を示す図である。 制御IC40の動作の一例を表すフローチャートを示す図である。 スイッチング電源回路10の起動時の制御IC40の動作の一例を示すタイミングチャートを示す図である。 スイッチング電源回路10が通常動作している場合の制御IC40の動作の一例を示すタイミングチャートを示す図である。
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。
=====本実施形態=====
<<<スイッチング電源回路10の概要>>>
図1は、本発明の一実施形態であるスイッチング電源回路10の構成を示す図である。スイッチング電源回路10は、所定の入力電圧Vinから、目的レベルの出力電圧Voutを負荷11に生成するLLCコンバータである。
スイッチング電源回路10は、コンデンサ20,21,32、NMOSトランジスタ22,23、トランス24、制御ブロック25、ダイオード30,31、定電圧回路33、及び発光ダイオード34を含んで構成される。
コンデンサ20は、入力電圧Vinが印加される電源ラインと、接地電圧GNDが印加されるグランドラインとの間の電圧を安定化させ、ノイズ等を除去する。なお、入力電圧Vinは、所定レベルの直流電圧である。コンデンサ21は、共振回路を構成する、いわゆる共振用コンデンサである。
NMOSトランジスタ22は、ハイサイド側のパワートランジスタであり、NMOSトランジスタ23は、ローサイド側のパワートランジスタである。
ダイオードD1は、NMOSトランジスタ22のボディダイオードであり、ダイオードD2は、NMOSトランジスタ23のボディダイオードである。そして、ダイオードD1,D2は、いわゆる還流ダイオードとして動作する。
なお、本実施形態では、スイッチング素子としてNMOSトランジスタ22,23が用いられているが、例えば、PMOSトランジスタ、バイポーラトランジスタ、又はIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)であっても良い。バイポーラトランジスタの場合、バイポーラトランジスタには、NMOSトランジスタのボディダイオードの代わりに外付けのダイオードを逆並列接続し、還流ダイオードとする。なお、逆並列接続とは入力電圧Vin側がアノード、接地電圧GND側がカソードとなるように、NMOSトランジスタ22又はNMOSトランジスタ23に並列接続された形態である。
トランス24は、1次コイルL1、2次コイルL2,L3を備えており、1次コイルL1と、2次コイルL2,L3との間は絶縁されている。トランス24においては、1次側の1次コイルL1の両端の電圧の変化に応じて、2次側の2次コイルL2,L3に電圧が発生する。
また、1次コイルL1は、一端にNMOSトランジスタ22のソースと、NMOSトランジスタ23のドレインが接続され、他端にNMOSトランジスタ23のソースがコンデンサ21を介して接続されている。
したがって、NMOSトランジスタ22,23のスイッチングが開始されると、2次コイルL2,L3の電圧が変化することとなる。なお、1次コイルL1と2次コイルL2,L3とは、同極性で電磁結合されている。
制御ブロック25は、NMOSトランジスタ22,23のスイッチングを制御するための回路ブロックであり、詳細は後述する。
ダイオード30,31は、2次コイルL2,L3の電圧を整流し、コンデンサ32は、整流された電圧を平滑化する。この結果、コンデンサ32には、平滑化された出力電圧Voutが生成される。なお、出力電圧Voutは、目的レベルの直流電圧となる。
定電圧回路33は、一定の直流電圧を生成する回路であり、例えば、シャントレギュレータを用いて構成される。
発光ダイオード34は、出力電圧Voutと、定電圧回路33の出力との差に応じた強度の光を発光する素子であり、後述するフォトトランジスタ51とともに、フォトカプラを構成する。本実施形態では、出力電圧Voutのレベルが高くなると、発光ダイオード34からの光の強度は強くなる。
なお、直列に接続された1次コイルL1及びコンデンサ21がNMOSトランジスタ23と並列に接続される形態が説明されたが、直列に接続された1次コイルL1及びコンデンサ21がNMOSトランジスタ22と並列に接続されていてもよい。
<<<制御ブロック25>>>
制御ブロック25は、制御IC40、電流検出回路50、フォトトランジスタ51、及びコンデンサ52を含む。
制御IC40は、NMOSトランジスタ22,23のスイッチングを制御する集積回路であり、端子FB,IS,HO,LOを有する。
端子FBは、出力電圧Voutに応じた帰還電圧Vfbが発生する端子であり、フォトトランジスタ51、及びコンデンサ52が接続される。フォトトランジスタ51は、発光ダイオード34からの光の強度に応じた大きさのバイアス電流I1を、端子FBから接地へと流し、コンデンサ52は、端子FBと、接地との間のノイズを除去するために設けられる。このため、フォトトランジスタ51は、シンク電流を生成するトランジスタとして動作する。
端子ISは、コンデンサ21に流れる共振電流Icrを検出する電流検出回路50により、1次コイルL1の共振電流Icrの電流値に応じた電圧Visが印加される端子である。なお、電流検出回路50は、共振電流Icrを検出し、共振電流Icrの方向及び大きさに応じた電圧Visを出力する。この電流検出回路50の構成は特に制限されないが、抵抗と容量素子が直列接続された形態が一例となる。端子ISには抵抗と容量素子の接続点が接続される。他の形態として2つの抵抗が直列接続された形態でもよく、端子ISには抵抗同士の接続点が接続される。
端子HOは、NMOSトランジスタ22を駆動する駆動信号Vdr1が出力される端子であり、NMOSトランジスタ22のゲートが接続される。
端子LOは、NMOSトランジスタ23を駆動する駆動信号Vdr2が出力される端子であり、NMOSトランジスタ23のゲートが接続される。なお、制御IC40は、「スイッチング制御回路」に相当する。また、ダイオードD1は「第1還流ダイオード」に相当し、ダイオードD2は「第2還流ダイオード」に相当する。
<<<スイッチング電源回路10における貫通電流の説明>>>
ところで、本実施形態のスイッチング電源回路10では、NMOSトランジスタ22,23がスイッチングされる際には、NMOSトランジスタ22,23がともにオフとなるデッドタイムが設定されている。しかしながら、スイッチング電源回路10において、例えば共振外れが発生した場合に、電源側から接地側へと貫通電流が流れることがある。以下、スイッチング電源回路10において発生する貫通電流について説明する。
==通常動作時に発生する貫通電流==
図2は、状態(A)電源側のNMOSトランジスタ22がオンした後、状態(C)接地側のNMOSトランジスタ23がオンする際に流れる貫通電流の一例を示す図であり、スイッチング電源回路10のトランス24、コンデンサ21、トランス24の2次側の回路の等価回路10aを示す。
等価回路10aは、インダクタL4,L5、コンデンサC1、2次側の整流回路などを表す交流等価抵抗R1を含んで構成される。
また、NMOSトランジスタ22,23は、相補的にオンされる。具体的には、NMOSトランジスタ22がオンされているとき、反対側のNMOSトランジスタ23はオフされ、NMOSトランジスタ23がオンされているとき、反対側のNMOSトランジスタ22はオフされる。
ここで、NMOSトランジスタ22,23の接続点(すなわち、NMOSトランジスタ22とNMOSトランジスタ23との交点)をノードN0とし、インダクタL4,L5の接続点をノードN1とする。なお、等価回路10aに流れる共振電流crは、ノードN0からノードN1(すなわち、1次コイルL1とコンデンサ21で構成される共振回路)の方向へ至る場合を正とする電流である。
状態(A)において、端子HOからハイレベル(以下、“H”レベルとする)の電圧が出力されると、NMOSトランジスタ22はオンされる。状態(A)において、端子LOからは、ローレベル(以下、“L”レベルとする)の電圧が出力され、NMOSトランジスタ23はオフされる。
この時、始めに、経路Paで示すように、NMOSトランジスタ22を経由して正の方向の共振電流Icrが流れる。その後、インダクタL4,L5、コンデンサC1で構成される共振回路の共振動作により、正の方向の共振電流Icrは減少する。
正の方向の共振電流Icrが減少し、経路Pbで示すように、NMOSトランジスタ22を経由して共振電流Icrが負の方向に流れる。
その後、状態(B)において、端子HOから“L”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ22はオフされる。そして、経路Pcで示すように共振電流Icrは、ダイオードD1を介して直流電源Vdcに流れる方向、すなわち負の方向に流れる。
この結果、例えば、図4に示すように、NMOSトランジスタ22がオフした後のデッドタイムの期間において、共振電流Icrは負の値となる。このとき、NMOSトランジスタ22に流れるドレイン電流IdHも負となり、ダイオードD1に共振電流Icrが流れている。
なお、図4において、期間a,b,cは、それぞれ、経路Pa,Pb,Pcに対応する。そのため、期間a,b,cは、それぞれ、共振電流Icrが流れる際の共振電流Icrの電流値の変化を経路Pa,Pb,Pcごとに分けて示している。
そして、状態(C)において、端子LOから“H”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ23はオンされる。ダイオードD1に共振電流Icrが流れている間に、NMOSトランジスタ23がオンされると、ダイオードD1に逆回復電流が流れるため、電源側から接地側へと経路Pdで示すように貫通電流が流れる。
なお、「逆回復電流」とは、順方向バイアス電圧を印加することでダイオードに順方向電流が流れる状態から、バイアス方向が変化し、ダイオードに逆方向バイアス電圧が印加されると、ダイオードに蓄積されたキャリアによって、カソードからアノードの方向に流れる電流を表す。
図3は、状態(D)接地側のNMOSトランジスタ23がオンした後、状態(F)電源側のNMOSトランジスタ22がオンする際に流れる貫通電流の一例を示す図である。等価回路10aは、図2の場合と同様であるため、説明を省略する。
状態(D)において、端子LOから“H”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ23はオンされる。状態(D)において、端子HOからは、“L”レベルの電圧が出力され、NMOSトランジスタ22はオフされる。
この時、始めに、経路Peで示すように、負の方向の共振電流Icrが流れる。その後、インダクタL4,L5、コンデンサC1で構成される共振回路の共振動作により、負の方向の共振電流Icrは減少する。
負の方向の共振電流Icrが減少し、経路Pfで示すように、NMOSトランジスタ23を経由して共振電流Icrが正の方向に流れる。
その後、状態(E)において、端子LOから“L”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ23はオフされる。そして、経路Pgで示すように共振電流Icrは、ダイオードD2を介してノードN0に流れる方向、すなわち正の方向に流れる。
この結果、例えば、図4に示すように、NMOSトランジスタ23がオフした後のデッドタイムの期間において、共振電流Icrは正の値となる。
なお、図4において、期間e,f,gは、それぞれ、経路Pe,Pf,Pgに対応する。そのため、期間e,f,gは、それぞれ、共振電流Icrが流れる際の共振電流Icrの電流値の変化を経路Pe,Pf,Pgごとに分けて示している。
そして、状態(E)において、NMOSトランジスタ23はオフされているため、経路Pgで示すように、正の方向の共振電流Icrは、ダイオードD2を介してノードN0に流れる。
この時、状態(F)において、端子HOから“H”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ22はオンされる。ダイオードD2に共振電流Icrが流れている間に、NMOSトランジスタ22がオンされると、ダイオードD2に逆回復電流が流れるため、電源側から接地側へと経路Phで示すように貫通電流が流れる。
このように、NMOSトランジスタ22がオンされる際に、正の方向の共振電流Icrが流れ、その後、NMOSトランジスタ22がオフされ、負の方向の共振電流IcrがダイオードD1を介して流れる際にNMOSトランジスタ23がオンされることにより貫通電流が流れる。
また、NMOSトランジスタ23がオンされる際に、負の方向の共振電流Icrが流れ、その後、NMOSトランジスタ23がオフされ、正の方向の共振電流IcrがダイオードD2を介して流れる際にNMOSトランジスタ22がオンされることにより貫通電流が流れる。
以下、本実施形態では、スイッチング電源回路10が、NMOSトランジスタ22がオンした後に正の方向の共振電流Icrを流し、NMOSトランジスタ23がオンした後に負の方向の共振電流Icrを流す「通常動作」している場合、スイッチング電源回路10は、「モードA」で動作していると称する。
なお、詳細は後述するが、ここで「NMOSトランジスタ22(またはNMOSトランジスタ23)がオンした後」とは、NMOSトランジスタ22(またはNMOSトランジスタ23)がオンしてから、所定期間経過した後のタイミングである。
==起動時等に発生する貫通電流==
上述した貫通電流は、スイッチング電源回路10が通常動作をしている場合以外に、例えば、スイッチング電源回路10の起動時、負荷急変の発生時、または、直流電源Vdcの急変時等の過渡的な状態により発生することがある。ここで、図5及ぶ図6を参照しつつ、スイッチング電源回路10の起動時等に発生する貫通電流を説明する。
なお、図5は、状態(I)接地側のNMOSトランジスタ23がオンした後、状態(K)電源側のNMOSトランジスタ22がオンする際に流れる貫通電流の一例を示す図である。等価回路10aは、図2、図3の場合と同様であるため、説明を省略する。
図6は、正の方向に共振電流Icrが流れる際に貫通電流が流れる場合の共振電流Icrの一例を示す図である。スイッチング電源回路10が起動された直後においては、コンデンサC1やスイッチング電源回路10に生じる寄生容量等は充電されていない。
このため、起動時、例えば、状態(G)において、端子HOから“H”レベルの電圧が出力されると、図5のNMOSトランジスタ22がオンされ、非常に大きな正の方向の電流が経路Piで示すように、コンデンサC1へと流れることになる。なお、状態(G)において、端子LOから“L”レベルの電圧が出力され、NMOSトランジスタ23はオフされている。
このため、状態(H)において、端子HOから“L”レベルの電圧が出力され、NMOSトランジスタ22がオフとなった後、共振電流Icrは経路Pjで示すようにダイオードD2を介して正の方向に流れ続ける。
その後、状態(I)において、端子LOから“H”レベルの電圧が出力され、NMOSトランジスタ23はオンされた場合であっても、図6に示すように、共振電流Icrは、経路Pkで示すように流れ、正の値を維持する。
そして、共振電流Icrが、経路Pkで示すように、NMOSトランジスタ23を介して流れている間に、状態(J)において、端子LOから“L”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ23はオフされる。この結果、共振電流Icrは、経路Plで示すように、ダイオードD2を介してノードN0に流れる。
その後、図6に示すように、状態(K)において、端子HOから“H”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ22はオンされる。ダイオードD2に共振電流Icrが流れている間に、NMOSトランジスタ22がオンされると、ダイオードD2に逆回復電流が流れるため、電源側から接地側へと経路Pmで示すように貫通電流が流れる。
なお、図6において、期間i,j,k,lは、それぞれ、経路Pi,Pj,Pk,Plに対応する。そのため、期間i,j,k,lは、それぞれ、共振電流Icrが流れる際の共振電流Icrの電流値の変化を経路Pi,Pj,Pk,Plごとに分けて示している。
スイッチング電源回路10が通常動作しない場合(例えば、起動された直後の場合)における貫通電流について上述した。スイッチング電源回路10が通常動作しない場合には、更に、直流電圧Vdcが急激に低下したり、負荷11の状態が変化することにより出力電圧Voutが目的レベルの直流電圧から急激に上昇したりする場合がある。
以下でこのような場合に流れることがある貫通電流について説明する。
なお、図7は、状態(N)電源側のNMOSトランジスタ22がオンした後、状態(P)接地側のNMOSトランジスタ23がオンする際に流れる貫通電流の一例を示す図である。等価回路10aは、図2、図3、図5の場合と同様であるため、説明を省略する。
図8は、負の方向に共振電流Icrが流れる際に貫通電流が流れる場合の共振電流Icrの一例を示す図である。
ところで、直流電圧Vdcの急激な低下や、出力電圧Voutの急激な上昇の直後においては、出力電圧Voutが直流電圧Vdcより高くなることがある。このため、例えば、状態(L)において、端子LOから“H”レベルの電圧が出力されると、図7のNMOSトランジスタ23がオンされ、負の方向の共振電流Icrが、経路Pnで示すように、NMOSトランジスタ23へと流れることになる。状態(L)において、端子HOから“L”レベルの電圧が出力され、NMOSトランジスタ22は、オフされる。
その後、状態(M)において、端子LOから“L”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ23はオフとなった後、共振電流Icrは、経路Pоで示すように、ダイオードD1を介して負の方向に流れ続ける。
このため、状態(N)において、端子HOから“H”レベルの電圧が出力され、NMOSトランジスタ22はオンされた場合であっても、共振電流Icrは、経路Ppで示すように、NMOSトランジスタ22を介して流れ、負の値を維持する。
その後、状態(О)において、端子HOから“L”レベルの電圧が出力され、NMOSトランジスタ22がオフされると、共振電流Icrは、経路Pqで示すように、ダイオードD1を介して流れる。
この時、図8に示すように、状態(P)において、端子LOから“H”レベルの電圧が出力されると、NMOSトランジスタ23はオンされる。ダイオードD1に共振電流Icrが流れている間に、NMOSトランジスタ23がオンされると、ダイオードD1に逆回復電流が流れるため、電源側から接地側へと経路Prで示すように貫通電流が流れる。
なお、図8において、期間n,о,p,qは、それぞれ、経路Pn,Pо,Pp,Pqに対応する。そのため、期間n,о,p,qは、それぞれ、共振電流Icrが流れる際の共振電流Icrの電流値の変化を経路Pn,Pо,Pp,Pqごとに分けて示している。
このように、スイッチング電源回路10が起動された直後において、NMOSトランジスタ23がオンされる際に、正の方向の共振電流Icrが流れ、その後、NMOSトランジスタ23がオフされ、正の方向の共振電流IcrがダイオードD2を介して流れる際にNMOSトランジスタ22がオンされることにより貫通電流が流れる。
また、直流電圧Vdcの急激な低下や、出力電圧Voutの急激な上昇により、NMOSトランジスタ22がオンされる際に、負の方向の共振電流Icrが流れ、その後、NMOSトランジスタ22がオフされ、負の方向の共振電流IcrがダイオードD1を介して流れる際にNMOSトランジスタ23がオンされると、貫通電流が流れる。
上述したように、スイッチング電源回路10が通常動作(または、モードA)で動作している場合、NMOSトランジスタ22がオンした後、正の方向の共振電流Icrが流れ、NMOSトランジスタ23がオンした後、負の方向の共振電流Icrが流れる。
しかしながら、例えば、スイッチング電源回路10の起動時、NMOSトランジスタ23がオンした後、負の方向ではなく、正の方向の共振電流Icrが流れる。また、スイッチング電源回路10の負荷や入力の電源電圧Vdcが急変した場合、NMOSトランジスタ22がオンした後、正の方向ではなく、負の方向の共振電流Icrが流れる。
本実施形態では、NMOSトランジスタ22がオンした後に負の方向の共振電流Icrが流れている場合、または、NMOSトランジスタ23がオンした後に正の方向の共振電流Icrが流れている場合、スイッチング電源回路10は、「モードB」で動作していると称する。
したがって、スイッチング電源回路10が「モードB」で動作している場合、NMOSトランジスタ22がオンされる状態と、NMOSトランジスタ23がオンされる状態と、において、同一の方向に共振電流Icrが流れることにより貫通電流が流れる。
<<<制御IC40の一例>>>
図9は、制御IC40の一例を示す図である。制御IC40は、電圧Vis及び電圧Vfbに基づいて、NMOSトランジスタ22,23をスイッチングする回路であり、判定回路61、駆動信号出力回路62、タイミング信号出力回路63、駆動回路64、抵抗65を含んで構成される。
なお、抵抗65は、端子FBを電源電圧Vccから内部回路(不図示)により生成される電圧Vddにプルアップするための抵抗であり、フォトトランジスタ51のバイアス電流I1により変化する電圧Vfbを生成する。
判定回路61は、タイミング信号出力回路63(後述)からタイミング信号tim1,tim2が入力される際に、共振電流Icrに応じた電圧Visが基準電圧VREF0に対して高いか低いかに基づいて、スイッチング電源回路10の動作モードを判定する。判定回路61は、コンパレータ71、モード判定回路72を含んで構成される。
コンパレータ71は、共振電流Icrに応じた電圧Visと、共振電流Icrの方向を検出するための基準電圧VREF0と、を比較し、共振電流Icrの方向を示す信号th1を出力する。ここで、基準電圧VREF0のレベルは、共振電流Icrがゼロの際の電圧Visのレベルである。
そして、コンパレータ71は、電圧Visが基準電圧VREF0より大きい場合、共振電流Icrの方向が正であることを示す“H”レベルの信号th1を出力する。一方、コンパレータ71は、電圧Visが基準電圧VREF0より小さい場合、共振電流Icrの方向が負であることを示す“L”レベルの信号th1を出力する。
モード判定回路72は、タイミング信号tim1の立ち上がりエッジにおいて、“H”レベルの信号th1が入力されている場合、スイッチング電源回路10が“モードA”で動作すると判定し、“L”レベルの信号th1が入力されている場合、スイッチング電源回路10が“モードB”で動作すると判定する。
一方、モード判定回路72は、タイミング信号tim2の立ち上がりエッジにおいて、“L”レベルの信号th1が入力されている場合、スイッチング電源回路10が“モードA”で動作すると判定し、“H”レベルの信号th1が入力されている場合、スイッチング電源回路10が“モードB”で動作すると判定する。
また、モード判定回路72は、スイッチング電源回路10が“モードA”で動作する場合、“H”レベルの信号modeを出力し、スイッチング電源回路10が“モードB”で動作する場合、“L”レベルの信号modeを出力する。
駆動信号出力回路62は、信号mode、電圧Vis及び電圧Vfbに基づいて、駆動信号Vdrv1,Vdrv2を出力する回路であり、パルス幅出力回路81、コンパレータ82,83、駆動信号生成回路84を含んで構成される。
パルス幅出力回路81は、出力電圧Voutに応じた電圧Vfbに基づいて、出力電圧Voutを目的レベルとするための駆動信号Vdrv1,Vdrv2の“パルス幅T0”を示す情報を出力する。
本実施形態のパルス幅出力回路81は、例えば、電圧Vfbに応じて値が変化するカウント値を、“パルス幅T0”として出力するカウンタを含む。ただし、パルス幅出力回路81は、所定の演算処理を実行し、電圧Vfbに応じた“パルス幅T0”を示す情報を出力しても良い。
コンパレータ82は、共振電流Icrの方向が正の方向から負の方向へ変わる直前のタイミングを検出する回路である。具体的には、コンパレータ82は、電圧Visと、ゼロに近い正の方向の共振電流Icrに応じた電圧Visを示す基準電圧VREF1と、を比較し、共振電流Icrがゼロに近づくと、“L”レベルの信号th2を出力する。一方、正の方向の共振電流Icrに応じた電圧Visが基準電圧VREF1よりも大きい場合、コンパレータ82は、“H”レベルの信号th2を出力する。
コンパレータ83は、共振電流Icrが負の方向から正の方向へ変わる直前のタイミングを検出する回路である。具体的には、コンパレータ83は、電圧Visと、ゼロに近い負の方向の共振電流Icrに応じた電圧Visを示す基準電圧VREF2と、を比較し、共振電流Icrがゼロに近づくと、“H”レベルの信号th3を出力する。一方、負の方向の共振電流Icrに応じた電圧Visが基準電圧VREF2よりも小さい場合、コンパレータ83は、“L”レベルの信号th3を出力する。なお、本実施形態では、基準電圧VREF0,VREF1,VREF2の大小関係は、VREF1>VREF0>VREF2であるものとする。
このように、本実施形態では、共振電流Icrが正から負の方向へ変化する直前のタイミング時と、負から正の方向へ変化する直前のタイミング時と、を基準電圧VREF1,VREF2を用いて検出している。なお、本実施形態では、基準電圧VREF1の大きさと、基準電圧VREF2の大きさとを同じであることとするが、異なる大きさであっても良い。また、基準電圧VREF1,VREF2は、直流電源Vdcに応じて変化するものとしてもよい。
駆動信号生成回路84は、“パルス幅T0”、信号mode、信号th2,th3に基づいて、駆動信号Vdrv1,Vdrv2を出力する。具体的には、駆動信号生成回路84は、信号modeが“モードA”を示す場合、“パルス幅T0”の駆動信号Vdrv1,Vdrv2を出力する。ただし、スイッチング電源回路10がモードAで動作し、出力電圧Voutを目的レベルとする”パルス幅T0“の駆動信号Vdrv1,Vdrv2を出力し続ける場合において、上述のように、貫通電流が発生することがある。
そこで、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードA動作している際に、貫通電流を防ぐべく、“パルス幅T0”より短いパルス幅の駆動信号Vdrv1,Vdrv2を生成することがある。
具体的には、駆動信号生成回路84は、“パルス幅T0”の駆動信号Vdrv1,Vdrv2を出力している際に、共振電流Icrがほぼゼロになる、すなわち、“L”レベルの信号th2及び“H”レベルの信号th3が入力されると、出力している駆動信号のレベルを“L”レベルに変化させる。なお、駆動信号生成回路84は、所定のデッドタイムを有し、駆動信号Vdrv1,Vdrv2を相補的に出力する。
また、駆動信号生成回路84は、信号modeが“モードB”を示す場合、“パルス幅T0”に基づいて、駆動信号Vdrv1,Vdrv2のうち一方を“H”レベルとし、“パルス幅T0”が経過すると、“L”レベルに変化させる。
ただし、スイッチング電源回路10がモードBで動作している際、上述のように、貫通電流が発生する。そこで、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードB動作している際に、貫通電流を防ぐべく、デッドタイムが延長するように、駆動信号Vdrv1,Vdrv2を生成する。
具体的には、駆動信号生成回路84は、駆動信号Vdrv1が“L”レベルとなった後、デッドタイム経過後、共振電流Icrが正の方向に流れる、すなわち、“H”レベルの信号th2が入力されるまで、“L”レベルの駆動信号Vdrv2を出力する。一方、駆動信号生成回路84は、駆動信号Vdrv2が“L”レベルとなった後、デッドタイム経過後、共振電流Icrが負の方向に流れる、すなわち、“L”レベルの信号th3が入力されるまで、“L”レベルの駆動信号Vdrv1を出力する。
なお、本実施形態では、上述のようにデッドタイムを延長する期間を、信号th2,th3で決定しているが、信号th1が変化するタイミング(例えば、信号th1が“H”レベルから“L”レベルへ変化するタイミング、又は、信号th1が“L”レベルから“H”レベルへ変化するタイミング)で決定してもよい。
タイミング信号出力回路63は、パルス幅出力回路81からの“パルス幅T0”に基づいて、駆動信号Vdrv1が“H”レベルである時、タイミング信号tim1を生成し、駆動信号Vdrv2が“H”レベルである時、タイミング信号tim2を生成する。タイミング信号tim1,tim2の生成については、後述する。
駆動回路64は、駆動信号Vdrv1,Vdrv2に基づいて、NMOSトランジスタ22,23を駆動する。具体的には、駆動回路64は、“H”レベルの駆動信号Vdrv1が入力されると、“H”レベルの信号Vdr1を端子HOから出力し、“L”レベルの駆動信号Vdrv1が入力されると、“L”レベルの信号Vdr1を端子HOから出力する。
また、駆動回路64は、“H”レベルの駆動信号Vdrv2が入力されると、“H”レベルの信号Vdr2を端子LOから出力し、“L”レベルの駆動信号Vdrv2が入力されると、“L”レベルの信号Vdr2を端子LOから出力する。なお、コンパレータ71は「第1検出回路」に相当する。
<<<タイミング信号tim1,tim2を生成するタイミングの説明>>>
図10は、タイミング信号出力回路63がタイミング信号tim1,tim2を生成するタイミングの一例を示す図である。なお、ここでは、スイッチング電源回路10が通常動作している際の共振電流Icrの波形を例示している。
まず、時刻t0において、端子HOから“H”レベルの信号が出力される。時刻t1において、共振電流Icrは、負の方向から正の方向へと変化する。ここで、共振電流Icrは、負荷電流Iloadと、励磁電流Iexと、の和であるため、負荷11の状態が軽負荷状態となるにつれ、負荷電流Iloadが減少する。そのため、時刻t1の位置は、より遅れる。したがって、スイッチング電源回路10が通常動作している場合において、時刻t1は、負荷電流Iloadが流れない場合に最も遅れる。
また、時刻t2において、励磁電流Iexが負の方向から正の方向へと変化する。スイッチング周波数は、出力電圧Voutに応じた電圧Vfbに基づいて、決定される。そして、NMOSトランジスタ22,23のオン・デューティ比が50%とすると、励磁電流Iexが負の方向から正の方向へと変化する時刻t2は、“パルス幅T0”が“H”レベルになってから1/2T0の期間が経過した所(パルス幅T0の中心箇所)となる。
ここで、“パルス幅T0”のパルス幅T0の中心箇所で、共振電流Icrが負の方向から正の方向へと変化しない場合、スイッチング電源回路10の起動時等において、コンデンサ21の電圧の平均値が直流電源Vdcの1/2以下となっている。したがって、“パルス幅T0”において、“パルス幅T0”のパルス幅T0の中心箇所となる時刻t2にタイミング信号tim1を生成し、共振電流Icrの方向を判定することで、“モードA”又は“モードB”を判定することができる。また、タイミング信号tim1を生成するタイミングは、“パルス幅T0”の1/2以後(中心以後)であってもよい。
また、タイミング信号tim2はタイミング信号tim1と同様に生成される。以下でタイミング信号tim2を生成するタイミングについて説明する。
時刻t0に対応する時刻t3において、端子LOから“H”レベルの信号が出力され、時刻t1に対応する時刻t4において、共振電流Icrは、正の方向から負の方向へと変化する。そして、時刻t2に対応する時刻t5において、励磁電流Iexが正の方向から負の方向へと変化する。
ここで、“パルス幅T0”において、“パルス幅T0”のパルス幅T0の中心箇所となる時刻t5にタイミング信号tim2を生成し、共振電流Icrの方向を判定することで、タイミング信号tim1と同様に、“モードA”又は“モードB”を判定することができる。また、タイミング信号tim2を生成するタイミングは、タイミング信号tim1と同様に、“パルス幅T0”の1/2以後(中心以後)であってもよい。
なお、NMOSトランジスタ22は「第1スイッチング素子」に対応し、NMOSトランジスタ23は「第2スイッチング素子」に対応する。また、タイミング信号tim1は「第1タイミング信号」に相当し、タイミング信号tim2は「第2タイミング信号」に相当する。また、モードBは「第1モード」に相当し、モードAは「第2モード」に相当する。基準電圧VREF1,VREF2は、「第1所定値」又は「第2所定値」に相当する。また、タイミング信号tim1が出力されるタイミングは「第1タイミング」に相当し、タイミング信号tim2が出力されるタイミングは「第2タイミング」に相当する。
<<<制御IC40の動作のフローチャートの説明>>>
図11は、制御IC40の動作の一例を表すフローチャートを示す図である。
まず、モードA又はBにおける制御IC40の動作の概略を示す。スイッチング電源回路10がモードA動作する場合、共振電流Icrがゼロに近づいたことをコンパレータ82,83が示すと、制御IC40は、NMOSトランジスタ22,23のうちオンされている一方をオフし、デッドタイム経過後、他方をオンする。なお、共振電流Icrがゼロに近づいたか否かを検出するために、駆動信号生成回路84は、信号th2が“L”レベルであり、かつ、信号th3が“H”レベルであるかを判定する。
つぎに、スイッチング電源回路10がモードB動作する場合、“パルス幅T0”の間、NMOSトランジスタ22,23のうち一方がオンされた後にデッドタイムが経過した後、共振電流Icrがゼロに近づくまでデッドタイムを延長する。そして、共振電流Icrがゼロに近づいたことをコンパレータ82,83が示すと、制御IC40は、他方をオンする。
以下に、上述した動作に関する制御IC40の詳細な動作についてフローチャートを用いて説明する。
==モード判定動作==
始めに、パルス幅出力回路81は、出力電圧Voutに応じた電圧Vfbに応じて“パルス幅T0”を出力する(S1)。そして、駆動信号生成回路84は、駆動信号Vdrv1又はVdrv2を“H”レベルにする(S2)。その後、駆動信号生成回路84及びタイミング信号出力回路63は、“H”レベルにされた“パルス幅T0”をカウントする(S3)。
タイミング信号出力回路63は、駆動信号Vdrv1又はVdrv2のパルスの継続時間が“パルス幅T0”の中心となったか否かを判定する(S4)。タイミング信号出力回路63は、パルスの継続時間が“パルス幅T0”の中心でない場合(S4:No)、駆動信号Vdrv1又はVdrv2のパルスの継続時間が“パルス幅T0”の中心となったか否かを判定し続ける(S4)。
パルス幅の継続時間が“パルス幅T0”の中心となる場合(S4:Yes)、モード判定回路72は、タイミング信号tim1の発生時、共振電流Icrが正の方向に流れているか、すなわち、コンパレータ71が“H”レベルの信号th1を出力しているかを判定する(S5)。またはパルス幅の継続時間が“パルス幅T0”の中心となる場合(S4:Yes)、モード判定回路72は、タイミング信号tim2の発生時、共振電流Icrが負の方向に流れているか、すなわち、コンパレータ71が“L”レベルの信号th1を出力しているかを判定する(S5)。
モード判定回路72は、タイミング信号tim1の発生時、共振電流Icrが正の方向に流れる、すなわち、信号th1が“H”レベルである場合、スイッチング電源回路10がモードAで動作すると判定する(S5:Yes)。また、モード判定回路72は、タイミング信号tim2の発生時、共振電流Icrが負の方向に流れる、すなわち、信号th1が“L”レベルである場合、スイッチング電源回路10がモードAで動作すると判定する(S5:Yes)。
一方、モード判定回路72は、タイミング信号tim1の発生時、共振電流Icrが負の方向に流れる、すなわち、信号th1が“L”レベルである場合、スイッチング電源回路10がモードBで動作すると判定する(S5:No)。また、モード判定回路72は、イミング信号tim2の発生時、共振電流Icrが正の方向に流れる、すなわち、信号th1が“H”レベルである場合、スイッチング電源回路10がモードBで動作すると判定する(S5:No)。
==スイッチング電源回路10がモードB動作する場合の動作==
スイッチング電源回路10がモードBで動作する場合(S5:No)、駆動信号生成回路84は、“パルス幅T0”をカウント完了したかを判定する(S11)。
“パルス幅T0”をカウント完了していない場合(S11:No)、駆動信号生成回路84は、“パルス幅T0”をカウント完了したかを判定し続ける(S11)。“パルス幅T0”をカウント完了した場合(S11:Yes)、駆動信号生成回路84は、駆動信号Vdrv1又はVdrv2を“L”レベルにし、デッドタイムのカウントを開始する(S12)。
駆動信号生成回路84は、デッドタイムをカウント完了したかを判定する(S13)。デッドタイムをカウント完了していない場合(S13:No)、駆動信号生成回路84は、デッドタイムをカウント完了したかを判定し続ける(S13)。
デッドタイムをカウント完了した場合(S13:Yes)、駆動信号生成回路84は、駆動信号Vdrv1が“L”レベルとなった後、共振電流Icrは正の方向に流れるか、すなわち、コンパレータ82が“H”レベルの信号th2を出力するかを判定する(S14)。または、駆動信号生成回路84は、駆動信号Vdrv2が“L”レベルとなった後、共振電流Icrは負の方向に流れるか、すなわち、コンパレータ83が“L”レベルの信号th3を出力するかを判定する(S14)。
駆動信号Vdrv1が“L”レベルとなった後、信号th2が“L”レベルである場合、又は駆動信号Vdrv2が“L”レベルとなった後、信号th3が“H”レベルである場合(S14:No)、駆動信号生成回路84は、デッドタイムを継続する(S14)。この時、共振電流Icrは、徐々にほぼゼロに近づく。
駆動信号Vdrv1が“L”レベルとなった後、信号th2が“H”レベルである場合、又は駆動信号Vdrv2が“L”レベルとなった後、信号th3が“L”レベルである場合(S14:Yes)、パルス幅出力回路81は、出力電圧Voutに応じた電圧Vfbに応じて“パルス幅T0”を出力する(S1)。この時、共振電流Icrは、駆動信号Vdrv1が“L”レベルとなった後の場合、正の方向に流れており、駆動信号Vdrv2が“L”レベルとなった後の場合、負の方向に流れている。
このように、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードBで動作する場合、負の方向の共振電流Icrが増加し、ゼロに近い正の値(基準電圧VREF1)となると、接地側のNMOSトランジスタ23をオンする。このような駆動により、共振電流Icrが正となってから接地側のNMOSトランジスタ23を駆動することで、確実に貫通電流を防ぐことができる。なお、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードBで動作する場合、正の方向の共振電流Icrが減少し、ゼロに近い負の値(基準電圧VREF2)となると、電源側のNMOSトランジスタ22をオンする。同じくこのような駆動により、共振電流Icrが負となってから電源側のNMOSトランジスタ22を駆動することで、確実に貫通電流を防ぐことができる。
このため、スイッチング電源回路10がモードBで動作し、負の方向の共振電流Icrが増加する場合、「第1所定値」は、共振電流Icrの大きさがゼロに近い正の値(基準電圧VREF1に対応する値)となる。一方、スイッチング電源回路10がモードBで動作し、正の方向の共振電流Icrが減少する場合、「第1所定値」は、共振電流Icrの大きさがゼロに近い負の値(基準電圧VREF2に対応する値)となる。なお、「第3所定値」は、共振電流Icrの電流値がゼロに近い負の値(基準電圧VREF2に対応する値)となる。
なお、スイッチング電源回路10がモードBで動作する場合、「第1所定値」は、共振電流Icrの大きさがゼロを示す値(基準電圧VREF0に対応する値)であっても、同様の効果を得ることができる。
また、「共振電流の大きさ」は、共振電流Icrの絶対値に相当し、共振電流Icrの絶対値が所定値より小さいか否かに少なくとも基づいて、共振電流Icrが正の方向又は負の方向になったかを判定してもよい。
==スイッチング電源回路10がモードA動作する場合の動作==
スイッチング電源回路10がモードAで動作する場合(S5:Yes)、駆動信号生成回路84は、共振電流Icrがほぼゼロになったか、すなわち、コンパレータ82が“L”レベルの信号th2を出力し、コンパレータ83が“H”レベルの信号th3を出力しているかを判定する(S21)。
なお、本実施形態では、共振電流Icrがほぼゼロになったかを判定するために、信号th2,th3を用いているが、信号th1が変化するタイミング(例えば、信号th1が“H”レベルから“L”レベルへ変化するタイミング、又は、信号th1が“L”レベルから“H”レベルへ変化するタイミング)で共振電流Icrがほぼゼロになったかを判定してもよい。
また、「共振電流の大きさ」は、共振電流Icrの絶対値に相当し、共振電流Icrの絶対値が所定値より小さいか否かに基づいて、共振電流Icrがほぼゼロになったかを判定してもよい。
コンパレータ82が“H”レベルの信号th2を出力している、又はコンパレータ83が“L”レベルの信号th3を出力している場合(S21:No)、駆動信号生成回路84は、“パルス幅T0”をカウント完了したかを判定する(S22)。
“パルス幅T0”をカウント完了しない場合(S22:No)、駆動信号生成回路84は、共振電流Icrがほぼゼロになったか、すなわち、コンパレータ82が“L”レベルの信号th2を出力し、コンパレータ83が“H”レベルの信号th3を出力しているかを判定する(S21)。“パルス幅T0”をカウント完了した場合(S22:Yes)、若しくは、コンパレータ82が“L”レベルの信号th2を出力し、コンパレータ83が“H”レベルの信号th3を出力している場合(S21:Yes)、駆動信号生成回路84は、駆動信号Vdrv1又はVdrv2を“L”レベルにし、デッドタイムのカウントを開始する(S23)。
このように、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードAで動作する場合、正の方向の共振電流Icrが減少し、ゼロに近い正の値(基準電圧VREF1)となると、電源側のNMOSトランジスタ22をオフする。なお、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードAで動作する場合、負の方向の共振電流Icrが増加し、ゼロに近い負の値(基準電圧VREF2)となると、接地側のNMOSトランジスタ23をオフする。
このため、スイッチング電源回路10がモードAで動作し、正の方向の共振電流Icrが減少する場合、「第2所定値」は、共振電流Icrの大きさがゼロに近い正の値(基準電圧VREF1に対応する値)となる。一方、スイッチング電源回路10がモードAで動作し、負の方向の共振電流Icrが増加する場合、「第2所定値」は、共振電流Icrの大きさがゼロに近い負の値(基準電圧VREF2に対応する値)となる。なお、「第4所定値」は、共振電流Icrの電流値がゼロに近い負の値(基準電圧VREF2に対応する値)となる。
なお、スイッチング電源回路10がモードAで動作する場合、「第2所定値」は、共振電流Icrの大きさがゼロを示す値(基準電圧VREF0に対応する値)であっても、同様の効果を得ることができる。
その後、駆動信号生成回路84は、デッドタイムのカウントを完了したかを判定する(S24)。デッドタイムのカウントを完了していない場合(S24:No)、デッドタイムのカウントを完了したかを判定し続ける(S24)。デッドタイムのカウントを完了した場合(S24:Yes)、パルス幅出力回路81は、出力電圧Voutに応じた電圧Vfbに応じて“パルス幅T0”を出力する(S1)。
<<<スイッチング電源回路10の起動時の動作>>>
図12は、スイッチング電源回路10の起動時の制御IC40の動作の一例を示すタイミングチャートを示す図である。なお、図12は、図5及び図6で説明したスイッチング電源回路10の動作時の貫通電流を抑制するための制御IC40の動作について説明するための図である。図7及び図8で説明したスイッチング電源回路10の動作時の貫通電流を抑制するための制御IC40の動作は同様であるためここでは説明を省略する。
コンパレータ71,82,83は、図9において説明したように動作する。したがって、以下では、制御IC40の動作を説明するために必要となる、信号th1,th2,th3の変化タイミングに時刻を付し、特定の時刻の信号th1,th2,th3の状態のみに関して説明する。
時刻t10以前において、まだ、スイッチング電源回路10は起動しておらず、本実施形態のモード判定回路72は、初期値としてモードAを示すmode信号を出力しているものとする。
スイッチング電源回路10が起動する時刻t10において、駆動信号生成回路84は、“H”レベルの駆動信号Vdrv1を出力する。
時刻t11において、タイミング信号出力回路63は、“H”レベルの駆動信号Vdrv1が出力されてから“パルス幅T0”の中心となったことを示すタイミング信号tim1を出力する。この時、コンパレータ71が“H”レベルの信号th1を出力しており、正の方向の共振電流Icrが流れているため、モード判定回路72は、モードAを示すmode信号を出力する。
時刻t10から“パルス幅T0”が経過した時刻t12において、駆動信号生成回路84は、“L”レベルの駆動信号Vdrv1を出力する。
時刻t12からデッドタイムDT1が経過した後の時刻t13において、駆動信号生成回路84は、“H”レベルの駆動信号Vdrv2を出力する。なお、時刻t13において、デッドタイムDT1は、所定のデッドタイムであり、スイッチング電源回路10がモードA動作することを示す信号modeに基づいて、延長されることはない。
時刻t14において、タイミング信号出力回路63は、“H”レベルの駆動信号Vdrv2が出力されてから“パルス幅T0”の中心となったことを示すタイミング信号tim2を出力する。この時、コンパレータ71が“H”レベルの信号th1を出力しており、正の方向の共振電流Icrが流れているため、モード判定回路72は、モードBを示すmode信号を出力する。
時刻t13から“パルス幅T0”が経過した時刻t15において、駆動信号生成回路84は、“L”レベルの駆動信号Vdrv2を出力する。
時刻t15からデッドタイムDT2が経過した後の時刻t16において、コンパレータ83が、共振電流Icrが負の方向に流れること、すなわち、共振電流Icrに応じた電圧Visの大きさが基準電圧VREF2より小さくなったことを示す“L”レベルの信号th3を出力する。
スイッチング電源回路10がモードB動作することを示す信号modeと、“L”レベルの信号th3と、に基づいて、駆動信号生成回路84は、“H”レベルの駆動信号Vdrv1を出力する。なお、時刻t16において、デッドタイムDT2は、スイッチング電源回路10がモードB動作することを示す信号modeに基づいて、延長され、所定のデッドタイムより長い。このため、本実施形態では、図6で説明した貫通電流の発生を防ぐことができる。
<<<スイッチング電源回路10が通常動作している場合>>>
図13は、スイッチング電源回路10が通常動作している場合のタイミングチャートを示す図である。なお、図13は、図2から図4で説明したスイッチング電源回路10の動作時の貫通電流を抑制するための制御IC40の動作について説明するための図である。なお、図12の場合と同様に、以下では、制御IC40の動作を説明するために必要となる、信号th1,th2,th3の変化タイミングに時刻を付し、特定の時刻の信号th1,th2,th3の状態のみに関して説明する。
時刻t20以前において、“H”レベルの駆動信号Vdrv2出力時に負の方向の共振電流Icrが流れており、モード判定回路72は、モードAを示すmode信号を出力しているものとする。
時刻t20において、駆動信号生成回路84は、“H”レベルの駆動信号Vdrv1を出力する。
時刻t21において、タイミング信号出力回路63は、“H”レベルの駆動信号Vdrv1が出力されてから“パルス幅T0”の中心となったことを示すタイミング信号tim1を出力する。この時、コンパレータ71が“H”レベルの信号th1を出力しており、正の方向の共振電流Icrが流れているため、モード判定回路72は、モードAを示すmode信号を出力する。
時刻t20から“パルス幅T0”が経過した時刻t22において、駆動信号生成回路84は、“L”レベルの駆動信号Vdrv1を出力する。
時刻t22から所定のデッドタイムが経過した後の時刻t23において、駆動信号生成回路84は、“H”レベルの駆動信号Vdrv2を出力する。
時刻t24において、タイミング信号出力回路63は、“H”レベルの駆動信号Vdrv2が出力されてから“パルス幅T0”の中心となったことを示すタイミング信号tim2を出力する。この時、コンパレータ71が“L”レベルの信号th1を出力しており、負の方向の共振電流Icrが流れているため、モード判定回路72は、モードAを示すmode信号を出力する。
時刻t25において、コンパレータ83が、共振電流Icrがゼロに近づいたこと、すなわち、共振電流Icrに応じた電圧Visの大きさが基準電圧VREF2より大きくなったことを示す“H”レベルの信号th3を出力する。
スイッチング電源回路10がモードA動作することを示す信号modeと、“H”レベルの信号th3と、に基づいて、駆動信号生成回路84は、“L”レベルの駆動信号Vdrv2を出力する。
このように、時刻t25において、駆動信号Vdrv2のパルス幅は、スイッチング電源回路10がモードA動作することを示す信号modeに基づいて、短縮される。したがって、駆動信号Vdrv2が“H”レベルの際、共振電流Icrが正の方向に流れることを防ぐことができるため、貫通電流の発生が抑制される。
時刻t25から所定のデッドタイムが経過した時刻t26において、駆動信号生成回路84は、“H”レベルの駆動信号Vdrv1を出力する。なお、時刻t26において、駆動信号Vdrv2が短縮された後、短縮された分だけ、“H”レベルの駆動信号Vdrv1が早く出力されるようになる。
時刻t27において、タイミング信号出力回路63は、“H”レベルの駆動信号Vdrv1が出力されてから“パルス幅T0”の中心となったことを示すタイミング信号tim1を出力する。この時、コンパレータ71が“H”レベルの信号th1を出力しており、正の方向の共振電流Icrが流れているため、モード判定回路72は、モードAを示すmode信号を出力する。
時刻t26から“パルス幅T0”が経過した時刻t28において、駆動信号生成回路84は、“L”レベルの駆動信号Vdrv1を出力する。
時刻t28から所定のデッドタイムが経過した時刻t29において、駆動信号生成回路84は、“H”レベルの駆動信号Vdrv2を出力する。
===まとめ===
(1)以上、本実施形態のスイッチング電源回路10について説明した。判定回路61は、スイッチング電源回路10の共振電流Icrに基づいて、モードAまたはモードBの何れかの動作モードでスイッチング電源回路10が動作するかを判定する。また、駆動信号出力回路62は、NMOSトランジスタ22またはNMOSトランジスタ23に貫通電流が流れないよう、判定された動作モードに基づいて、NMOSトランジスタ22およびNMOSトランジスタ23をスイッチングする駆動信号Vdrv1,Vdrv2を出力する。判定回路61が、共振電流Icrに基づいて、動作モードを判定することで、スイッチング電源回路10の動作によらず貫通電流を効果的に抑制するスイッチング制御回路を提供することができる。
(2)また、判定回路61は、NMOSトランジスタ22がオンされる“パルス幅T0”の所定タイミングにおける共振電流Icrに基づいて、動作モードを判定することで、逐次的にスイッチング電源回路10の動作モードを判定することができる。
(3)また、判定回路61は、所定タイミングにおける共振電流Icrと、NMOSトランジスタ23がオンされる“パルス幅T0”の2つ目の所定タイミングにおける共振電流Icrと、に基づいて、動作モードを判定することで、動作モードの判定を確実に行うことができる。
(4)また、所定タイミングは、NMOSトランジスタ22がオンされる“パルス幅T0”の中心以後のタイミングとされ、2つ目の所定タイミングは、NMOSトランジスタ23がオンされる“パルス幅T0”の中心以後のタイミングとされる。これにより、負荷電流Iloadの変化によらず、共振電流Icrが流れる方向を正しく判定することができる。
(5)また、所定タイミングは、NMOSトランジスタ22がオンされる“パルス幅T0”の中心のタイミングとされ、2つ目の所定タイミングは、NMOSトランジスタ23がオンされる“パルス幅T0”の中心のタイミングとされる。これにより、共振電流Icrが励磁電流Iexのみ含む場合であっても、共振電流Icrが流れる方向を正しく判定することができる。
(6)また、タイミング信号出力回路63は、所定タイミングを示すタイミング信号tim1と、2つ目の所定タイミングを示すタイミング信号tim2と、を判定回路61に出力することで、“パルス幅T0”に基づいて、タイミング信号tim1,tim2を生成することができる。
(7)また、コンパレータ71は、共振電流Icrの方向を検出し、モード判定回路72は、所定タイミング又は2つ目の所定タイミングにおいて、共振電流Icrの方向に基づいて、スイッチング電源回路10がモードA動作するか、モードB動作するかを判定する。これにより、スイッチング電源回路10が起動する際、または通常動作する際にかかわりなく、貫通電流を抑制できる。
(8)また、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードBで動作する場合、NMOSトランジスタ22又は23のうち一方をオフした後、NMOSトランジスタ22がオフされた後に共振電流Icrに応じた電圧Visが基準電圧VREF1より大きくなるか、NMOSトランジスタ23がオフされた後に基準電圧VREF2より小さくなると、他方をオンする。また、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードAで動作する場合、共振電流Icrがほぼゼロになる、すなわち、共振電流Icrに応じた電圧Visが基準電圧VREF1より小さく、かつ、基準電圧VREF2より大きくなると、NMOSトランジスタ22又は23のうちオンしている一方をオフする。これにより、スイッチング電源回路10に流れる貫通電流を抑制できる。
(9)また、駆動信号生成回路84は、スイッチング電源回路10がモードBで動作する場合、前記NMOSトランジスタ23をオフした後、共振電流Icrに応じた電圧Visが基準電圧VREF2より小さくなると、NMOSトランジスタ22をオンし、スイッチング電源回路10がモードAで動作する場合、共振電流Icrに応じた電圧Visが基準電圧VREF2より大きくなると、NMOSトランジスタ23をオフする。これにより、スイッチング電源回路10に流れる貫通電流を抑制できる。
(10)また、判定回路61、駆動信号出力回路62は、LLCコンバータに用いると好適である。
上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更や改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれるのはいうまでもない。
10 スイッチング電源回路
10a 等価回路
11 負荷
20,21,32,52,C1 コンデンサ
22,23 NMOSトランジスタ
24 トランス
25 制御ブロック
30,31 ダイオード
33 定電圧回路
34 発光ダイオード
50 電流検出回路
51 フォトトランジスタ
61 判定回路
62 駆動信号出力回路
63 タイミング信号出力回路
64 駆動回路
65 抵抗
71,82,83 コンパレータ
72 モード判定回路
81 パルス幅出力回路
84 駆動信号生成回路
D1,D2 ダイオード
DT1,DT2 デッドタイム
40 制御IC
L1,L2,L3 コイル
L4,L5 インダクタ
N0,N1 ノード
R1 交流等価抵抗

Claims (10)

  1. 第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と並列に接続された第1還流ダイオードと、前記第1スイッチング素子および前記第1還流ダイオードと直列に接続された第2スイッチング素子と、前記第2スイッチング素子に並列に接続された第2還流ダイオードとを含むLLCコンバータの前記第1及び第2スイッチング素子のスイッチングを制御するスイッチング制御回路であって、
    前記LLCコンバータの共振電流に基づいて、第1モードまたは第2モードの何れかの動作モードで前記LLCコンバータが動作するかを判定する判定回路と、
    前記第1スイッチング素子または前記第2スイッチング素子に貫通電流が流れないよう、判定された前記動作モードに基づいて、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子をスイッチングする駆動信号を出力する駆動信号出力回路と、
    を備える、スイッチング制御回路。
  2. 請求項1に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記判定回路は、前記第1スイッチング素子がオンされる期間の第1タイミングにおける前記共振電流に基づいて、前記動作モードを判定する、スイッチング制御回路。
  3. 請求項2に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記判定回路は、前記第1タイミングにおける前記共振電流と、前記第2スイッチング素子がオンされる期間の第2タイミングにおける前記共振電流と、に基づいて、前記動作モードを判定する、スイッチング制御回路。
  4. 請求項3に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記第1タイミングは、前記第1スイッチング素子がオンされる期間の中心以後のタイミングであり、前記第2タイミングは、前記第2スイッチング素子がオンされる期間の中心以後のタイミングである、スイッチング制御回路。
  5. 請求項4に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記第1タイミングは、前記第1スイッチング素子がオンされる期間の中心のタイミングであり、前記第2タイミングは、前記第2スイッチング素子がオンされる期間の中心のタイミングである、スイッチング制御回路。
  6. 請求項3から請求項5のうちいずれか一項に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記第1タイミングを示す第1タイミング信号と、前記第2タイミングを示す第2タイミング信号と、を前記判定回路に出力するタイミング信号出力回路、
    を更に備える、スイッチング制御回路。
  7. 請求項3から請求項6のうちいずれか一項に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記LLCコンバータは、前記第2スイッチング素子と並列に接続され、インダクタと容量素子が直列接続され、前記共振電流が流れる共振回路を有し、
    前記判定回路は、
    電源側の前記第1スイッチング素子と接地側の前記第2スイッチング素子との交点から前記共振回路に至るような前記共振電流の方向を正とし、前記共振回路から前記交点に至るような前記共振電流の前記方向を負とした場合に、前記共振電流の前記方向を検出する第1検出回路と、
    前記第1タイミングにおいて、前記方向が負である場合、前記第1モードと判定し、前記方向が正である場合、前記第2モードと判定し、前記第2タイミングにおいて、前記方向が正である場合、前記第1モードと判定し、前記方向が負である場合、前記第2モードと判定するモード判定回路と、
    を備える、スイッチング制御回路。
  8. 請求項1から請求項7のうちいずれか一項に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記駆動信号出力回路は、
    前記LLCコンバータが前記第1モードで動作する場合、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子のうち一方のスイッチング素子をオフした後、前記共振電流の大きさが第1所定値より小さくなると、他方のスイッチング素子をオンし、
    前記LLCコンバータが前記第2モードで動作する場合、前記共振電流の前記大きさが第2所定値より小さくなると、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子のうちオンしているスイッチング素子をオフする、
    スイッチング制御回路。
  9. 請求項1から請求項7のうちいずれか一項に記載のスイッチング制御回路であって、
    前記駆動信号出力回路は、
    前記LLCコンバータが前記第1モードで動作する場合、前記第2スイッチング素子をオフした後、前記共振電流の電流値が第3所定値より小さくなると、前記第1スイッチング素子をオンし、
    前記LLCコンバータが前記第2モードで動作する場合、前記共振電流の前記電流値が第4所定値より大きくなると、前記第2スイッチング素子をオフする、
    スイッチング制御回路。
  10. LLCコンバータであって、
    第1スイッチング素子と、
    前記第1スイッチング素子に逆並列に接続される第1還流ダイオードと、
    第2スイッチング素子と、
    前記第2スイッチング素子に逆並列に接続される第2還流ダイオードと、
    前記LLCコンバータの共振電流に基づいて、第1モードまたは第2モードの何れかの動作モードで前記LLCコンバータが動作するかを判定する判定回路と、
    前記第1スイッチング素子または前記第2スイッチング素子に貫通電流が流れないよう、判定された前記動作モードに基づいて、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子をスイッチングする駆動信号を出力する駆動信号出力回路と、
    を備える、LLCコンバータ。
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