JP2024020025A - Series capacitor step-down converter, controller circuit therefor, and control method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、直列キャパシタコンバータに関する。 The present disclosure relates to series capacitor converters.
入力電圧よりも低い電圧を生成するために、降圧機能を持つDC/DCコンバータが使用される。降圧機能を持つDC/DCコンバータとしては、降圧(Buck)型、昇降圧型、Cuk型、Zeta型、Sepic型などが知られている。 A DC/DC converter with a step-down function is used to generate a voltage lower than the input voltage. As a DC/DC converter having a step-down function, there are known types such as buck type, buck-boost type, Cuk type, Zeta type, and Sepic type.
用途によっては、降圧コンバータのバリエーションであるインタリーブ型や直列キャパシタ(Series Capacitor)型が採用される。インタリーブ型は、Buckコンバータを並列に接続し、入力同士、出力同士を共通に接続したものである。複数のBuckコンバータがインタリーブ動作することにより、高効率動作が実現される。インタリーブ型は、通常のバックコンバータと同じ降圧比を有する。 Depending on the application, an interleaved type or series capacitor type, which is a variation of a step-down converter, is used. In the interleaved type, Buck converters are connected in parallel, and the inputs and outputs are connected in common. High efficiency operation is achieved by interleaving a plurality of Buck converters. The interleaved type has the same step-down ratio as a normal buck converter.
直列キャパシタ型の降圧コンバータは、フェーズ数が2であるインタリーブ型の修正と考えることができ、直列キャパシタが追加された構成を有する。直列キャパシタ型の降圧コンバータは、降圧比をインタリーブ型の1/2倍と小さくできるため、小さな降圧比が必要なアプリケーションに適している。 A series capacitor type step-down converter can be considered a modification of the interleaved type with a number of phases of two, with the addition of a series capacitor. A series capacitor type step-down converter can have a step-down ratio as small as 1/2 that of an interleaved type, and is therefore suitable for applications that require a small step-down ratio.
本開示は係る状況においてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、高効率動作が可能な直列キャパシタ降圧コンバータの提供にある。 The present disclosure was made in such a situation, and one of its exemplary objectives is to provide a series capacitor step-down converter capable of highly efficient operation.
本開示のある態様は、直列キャパシタ降圧コンバータのコントローラ回路に関する。直列キャパシタ降圧コンバータは、入力ラインおよび出力ラインと、第1端が入力ラインと接続された第1スイッチと、それぞれの第1端が出力ラインと接続される第1インダクタおよび第2インダクタを含むカップルドインダクタと、第1インダクタの第2端である第1スイッチングノードと接地の間に接続された第2スイッチと、第1スイッチの第2端と第1スイッチングノードの間に接続された直列キャパシタと、第1スイッチの第2端と第2インダクタの第2端である第2スイッチングノードの間に接続された第3スイッチと、第2スイッチングノードと接地の間に接続された第4スイッチと、出力ラインと接続された出力キャパシタと、を備える。コントローラ回路は、第1スイッチと第4スイッチがオンである第1状態と、第2スイッチと第3スイッチがオンである第2状態と、を、デッドタイムを挟みながら交互に繰り返すように、第1スイッチから第4スイッチのオン、オフ状態を指示する複数の制御信号を生成する制御ロジック回路と、第2状態から第1状態への遷移の間に挿入される第2デッドタイムにおいて、第1スイッチングノードに生ずる第1スイッチング電圧を監視し、第1スイッチング電圧が所定の上側しきい値とクロスすると、第1スイッチのターンオンを指示する第1タイミング信号をアサートする第1タイミング発生器と、を備える。 Certain aspects of the present disclosure relate to controller circuits for series capacitor buck converters. A series capacitor buck converter includes a couple including an input line and an output line, a first switch having a first end connected to the input line, and a first inductor and a second inductor having respective first ends connected to the output line. a second switch connected between a first switching node, which is a second end of the first inductor, and ground; and a series capacitor connected between a second end of the first switch and the first switching node. a third switch connected between the second end of the first switch and a second switching node, which is the second end of the second inductor; and a fourth switch connected between the second switching node and ground. , and an output capacitor connected to the output line. The controller circuit alternately repeats a first state in which the first switch and the fourth switch are on, and a second state in which the second switch and the third switch are on, with a dead time in between. A control logic circuit generates a plurality of control signals instructing on/off states of the first switch to the fourth switch, and a second dead time inserted between the transition from the second state to the first state. a first timing generator that monitors a first switching voltage developed at the switching node and asserts a first timing signal instructing turn-on of the first switch when the first switching voltage crosses a predetermined upper threshold; Be prepared.
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目(課題を解決するための手段)の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。 Note that arbitrary combinations of the above components, and mutual substitution of components and expressions among methods, devices, systems, etc., are also effective as aspects of the present invention or the present disclosure. Furthermore, the description in this section (Means for Solving the Problems) does not describe all essential features of the present invention, and therefore, subcombinations of the described features may also constitute the present invention. .
本開示のある態様によれば、高効率動作を実現できる。 According to an aspect of the present disclosure, highly efficient operation can be achieved.
(実施形態の概要)
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態(実施例や変形例)または複数の実施形態(実施例や変形例)を指すものとして用いる場合がある。
(Summary of embodiment)
1 provides an overview of some exemplary embodiments of the present disclosure. This Summary is intended to provide a simplified description of some concepts of one or more embodiments in order to provide a basic understanding of the embodiments and as a prelude to the more detailed description that is presented later. It does not limit the size. This summary is not an exhaustive overview of all possible embodiments and is not intended to identify key elements of all embodiments or to delineate the scope of any or all aspects. For convenience, "one embodiment" may be used to refer to one embodiment (example or modification) or multiple embodiments (examples or modifications) disclosed in this specification.
本開示のある態様のコントローラ回路は、直列キャパシタ降圧コンバータを制御する。直列キャパシタ降圧コンバータは、入力ラインおよび出力ラインと、第1端が入力ラインと接続された第1スイッチと、それぞれの第1端が出力ラインと接続される第1インダクタおよび第2インダクタを含むカップルドインダクタと、第1インダクタの第2端である第1スイッチングノードと接地の間に接続された第2スイッチと、第1スイッチの第2端と第1スイッチングノードの間に接続された直列キャパシタと、第1スイッチの第2端と第2インダクタの第2端である第2スイッチングノードの間に接続された第3スイッチと、第2スイッチングノードと接地の間に接続された第4スイッチと、出力ラインと接続された出力キャパシタと、を備える。コントローラ回路は、第1スイッチと第4スイッチがオンである第1状態と、第2スイッチと第3スイッチがオンである第2状態と、を、デッドタイムを挟みながら交互に繰り返すように、第1スイッチから第4スイッチのオン、オフ状態を指示する複数の制御信号を生成する制御ロジック回路と、第2状態から第1状態への遷移の間に挿入される第2デッドタイムにおいて、第1スイッチングノードに生ずる第1スイッチング電圧を監視し、第1スイッチング電圧が所定の上側しきい値とクロスすると、第1スイッチのターンオンを指示する第1タイミング信号をアサートする第1タイミング発生器と、を備える。 A controller circuit of an aspect of the present disclosure controls a series capacitor buck converter. A series capacitor buck converter includes a couple including an input line and an output line, a first switch having a first end connected to the input line, and a first inductor and a second inductor having respective first ends connected to the output line. a second switch connected between a first switching node, which is a second end of the first inductor, and ground; and a series capacitor connected between a second end of the first switch and the first switching node. a third switch connected between the second end of the first switch and a second switching node, which is the second end of the second inductor; and a fourth switch connected between the second switching node and ground. , and an output capacitor connected to the output line. The controller circuit alternately repeats a first state in which the first switch and the fourth switch are on, and a second state in which the second switch and the third switch are on, with a dead time in between. A control logic circuit generates a plurality of control signals instructing on/off states of the first switch to the fourth switch, and a second dead time inserted between the transition from the second state to the first state. a first timing generator that monitors a first switching voltage developed at the switching node and asserts a first timing signal instructing turn-on of the first switch when the first switching voltage crosses a predetermined upper threshold; Be prepared.
この構成によると、第1スイッチのドレインソース間電圧が十分に小さい状態で、第1スイッチをターンオンすることができ、高効率動作を実現できる。 According to this configuration, the first switch can be turned on in a state where the drain-source voltage of the first switch is sufficiently small, and high efficiency operation can be realized.
一実施形態において、上側しきい値Vthhは、入力ラインの入力電圧をVinとするとき、
Vin/2×0.7≦Vthh
を満たしてもよい。また上側しきい値Vthhは、
Vthh≦Vin/2+0.5
を満たしてもよい。
In one embodiment, the upper threshold Vthh is, where the input voltage of the input line is Vin.
Vin/2×0.7≦Vthh
may be satisfied. Moreover, the upper threshold value Vthh is
Vthh≦Vin/2+0.5
may be satisfied.
一実施形態において、コントローラ回路は、第1状態から第2状態への遷移の間に挿入される第1デッドタイムにおいて、第2スイッチングノードに生ずる第2スイッチング電圧を監視し、第2スイッチング電圧が上側しきい値とクロスすると、第3スイッチのターンオンを指示する第3タイミング信号をアサートする第3タイミング発生器をさらに備えてもよい。これにより、第3スイッチのドレインソース間電圧が十分に小さい状態で第3スイッチをターンオンすることができ、高効率動作を実現できる。 In one embodiment, the controller circuit monitors a second switching voltage developed at the second switching node during a first dead time inserted between the transition from the first state to the second state, The third timing generator may further include a third timing generator that asserts a third timing signal instructing turn-on of the third switch when the upper threshold is crossed. Thereby, the third switch can be turned on in a state where the drain-source voltage of the third switch is sufficiently small, and high efficiency operation can be realized.
一実施形態において、コントローラ回路は、第1デッドタイムにおいて、第1スイッチング電圧を監視し、第1スイッチング電圧が所定の下側しきい値とクロスすると、第2スイッチのターンオンを指示する第2タイミング信号をアサートする第2タイミング発生器をさらに備えてもよい。これにより、第2スイッチのドレインソース間電圧が十分に小さい状態で第2スイッチをターンオンすることができ、高効率動作を実現できる。 In one embodiment, the controller circuit monitors the first switching voltage during a first dead time and has a second timing for instructing turn-on of the second switch when the first switching voltage crosses a predetermined lower threshold. The device may further include a second timing generator that asserts the signal. Thereby, the second switch can be turned on in a state where the drain-source voltage of the second switch is sufficiently small, and high efficiency operation can be realized.
一実施形態において、コントローラ回路は、第2デッドタイムにおいて、第2スイッチング電圧を監視し、第2スイッチング電圧が所定の下側しきい値とクロスすると、第4スイッチのターンオンを指示する第4タイミング信号をアサートする第4タイミング発生器をさらに備えてもよい。これにより、第4スイッチのドレインソース間電圧が十分に小さい状態で第4スイッチをターンオンすることができ、高効率動作を実現できる。 In one embodiment, the controller circuit monitors the second switching voltage during the second dead time, and when the second switching voltage crosses a predetermined lower threshold, the controller circuit has a fourth timing for instructing turn-on of the fourth switch. The device may further include a fourth timing generator that asserts the signal. Thereby, the fourth switch can be turned on in a state where the drain-source voltage of the fourth switch is sufficiently small, and high efficiency operation can be realized.
一実施形態において、コントロール回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を1つのチップ上に集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。 In one embodiment, the control circuit may be monolithically integrated on one semiconductor substrate. "Integration" includes cases where all of the circuit components are formed on a semiconductor substrate, cases where the main components of the circuit are integrated, and some of the components are integrated to adjust the circuit constants. A resistor, a capacitor, etc. may be provided outside the semiconductor substrate. By integrating circuits on one chip, the circuit area can be reduced and the characteristics of circuit elements can be kept uniform.
一実施形態に係る直列キャパシタ降圧コンバータは、直列キャパシタ降圧コンバータの主回路と、主回路を駆動する上述のいずれかのコントローラ回路と、を備えてもよい。 A series capacitor step-down converter according to one embodiment may include a main circuit of the series capacitor step-down converter and any of the above-described controller circuits that drive the main circuit.
(実施形態)
以下、好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、開示および発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示および発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the drawings. Identical or equivalent components, members, and processes shown in each drawing are designated by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted as appropriate. Furthermore, the embodiments are illustrative rather than limiting the disclosure and invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the disclosure and invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to not only a case where member A and member B are physically directly connected, but also a state in which member A and member B are electrically connected. This also includes cases in which they are indirectly connected via other members that do not substantially affect the connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に接続された(設けられた)状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "a state in which member C is connected (provided) between member A and member B" refers to a state in which member A and member C or member B and member C are directly connected. In addition, it also includes cases where they are indirectly connected via other members that do not substantially affect their electrical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.
また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号、あるいは抵抗、キャパシタ、インダクタなどの回路素子に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは回路定数(抵抗値、容量値、インダクタンス)を表すものとする。 In addition, in this specification, the symbols attached to electrical signals such as voltage signals and current signals, or circuit elements such as resistors, capacitors, and inductors are used as necessary to indicate the respective voltage value, current value, or circuit constant (resistance). value, capacitance value, inductance).
本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。 The vertical and horizontal axes of the waveform diagrams and time charts referred to in this specification have been enlarged or reduced as appropriate for ease of understanding, and each waveform shown has also been simplified for ease of understanding. exaggerated or emphasized.
図1は、実施形態に係る直列キャパシタ降圧コンバータ100の回路図である。直列キャパシタ降圧コンバータ100は、入力ライン102に供給された入力電圧Vinを降圧し、降圧後の出力電圧Voutを出力ライン104に発生する。
FIG. 1 is a circuit diagram of a series capacitor step-down
直列キャパシタ降圧コンバータ100は、主回路110およびコントローラIC(Integrated Circuit)200を備える。コントローラIC200は、ひとつの半導体基板に集積化されたASIC(Application Specific Integrated Circuit)である。
Series capacitor step-down
主回路110は、第1スイッチS1~第4スイッチS4、カップルドインダクタ112、直列キャパシタCr、出力キャパシタCoutを備える。
The
第1スイッチS1は、第1端が入力ライン102と接続される。カップルドインダクタ112は、トランスであり、磁気的に結合する第1インダクタL1および第2インダクタL2を含む。第1インダクタL1および第2インダクタL2は、等しいインダクタンスLを有しており、また相互インダクタンスMを有する。第1インダクタL1および第2インダクタL2それぞれの第1端は、出力ライン104と接地の間に接続される。
The first switch S1 has a first end connected to the
第2スイッチS2は、第1インダクタL1の第2端(第1スイッチングノードSW1)と接地の間に接続される。直列キャパシタCrは、第1スイッチS1の第2端と第1インダクタL1の第2端の間に接続される。第3スイッチS3は、第1スイッチS1の第2端と第2インダクタL2の第2端(第2スイッチングノードSW2)の間に接続される。第4スイッチS4は、第2インダクタL2の第2端と接地の間に接続される。出力キャパシタCoutは、出力ライン104と接続される。
The second switch S2 is connected between the second end (first switching node SW1) of the first inductor L1 and ground. A series capacitor Cr is connected between a second end of the first switch S1 and a second end of the first inductor L1. The third switch S3 is connected between the second end of the first switch S1 and the second end of the second inductor L2 (second switching node SW2). The fourth switch S4 is connected between the second end of the second inductor L2 and ground. Output capacitor Cout is connected to
この例では、第1スイッチS1~第4スイッチS4がすべてNチャンネルMOSFETとして示されるがその限りでなく、その他のトランジスタを用いてもよい。また下側の第2スイッチS2および第4スイッチS4は、ダイオードなどの整流素子であってもよい。 In this example, the first switch S1 to the fourth switch S4 are all shown as N-channel MOSFETs, but the present invention is not limited to this, and other transistors may be used. Further, the second switch S2 and the fourth switch S4 on the lower side may be rectifying elements such as diodes.
コントローラIC200は、第1スイッチS1~第4スイッチS4を制御し、出力ライン104に出力電圧Voutを発生させる。具体的には、コントローラIC200は、第1状態φ1と第2状態φ2を、デッドタイムTDを挟みながら、所定のスイッチング周波数fSWで交互に繰り返す。
第1状態φ1:
第1スイッチS1=ON
第2スイッチS2=OFF
第3スイッチS3=OFF
第4スイッチS4=ON
The
First state φ1:
First switch S1=ON
Second switch S2=OFF
Third switch S3=OFF
Fourth switch S4=ON
第2状態φ2:
第1スイッチS1=OFF
第2スイッチS2=ON
第3スイッチS3=ON
第4スイッチS4=OFF
Second state φ2:
First switch S1=OFF
Second switch S2=ON
Third switch S3=ON
Fourth switch S4=OFF
デッドタイムTD:
第1スイッチS1=OFF
第2スイッチS2=OFF
第3スイッチS3=OFF
第4スイッチS4=OFF
Dead time TD :
First switch S1=OFF
Second switch S2=OFF
Third switch S3=OFF
Fourth switch S4=OFF
第1状態φ1、第2状態φ2それぞれの長さがTONであるとき、スイッチング周波数fSWは、1/(2×TON)である。言い換えると、スイッチング周波数fSWで動作するとは、第1状態φ1および第2状態φ2を、TON=1/(2×fSW)の長さで繰り返すことをいう。 When the length of each of the first state φ1 and the second state φ2 is T ON , the switching frequency f SW is 1/(2×T ON ). In other words, operating at the switching frequency f SW means repeating the first state φ1 and the second state φ2 with a length of T ON =1/(2×f SW ).
以上が直列キャパシタ降圧コンバータ100の構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the configuration of the series capacitor step-down
図2は、第1状態φ1における直列キャパシタ降圧コンバータ100(主回路110)の等価回路図である。オンであるスイッチS1,S4は、単なる配線として示している。またカップルドインダクタ112は、励磁インダクタンスLmと、漏れインダクタンスLkを含む等価回路として示している。第1インダクタL1に流れる電流を第1コイル電流IL1、第2インダクタL2に流れる電流を、第2コイル電流IL2と称する。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the series capacitor step-down converter 100 (main circuit 110) in the first state φ1. Switches S1 and S4 that are on are shown as mere wiring. Further, the coupled
第1状態φ1では、直列キャパシタCr、第1インダクタL1(漏れインダクタンスLk)および出力キャパシタCoutが直列共振回路を形成しており、第1インダクタL1に共振電流Iresが流れる(IL1=Ires)。第2インダクタL2には、第1インダクタL1に流れる共振電流Iresのレプリカである共振電流Ires’と、励磁インダクタンスLmに流れる励磁電流Im2の合計電流が流れるから、第2コイル電流IL2は、IL2=Ires’+Im2となる。 In the first state φ1, the series capacitor Cr, the first inductor L1 (leakage inductance Lk), and the output capacitor Cout form a series resonant circuit, and a resonant current Ires flows through the first inductor L1 (I L1 =Ires). Since the sum of the resonant current Ires', which is a replica of the resonant current Ires flowing through the first inductor L1, and the excitation current Im2 flowing through the excitation inductance Lm flows through the second inductor L2, the second coil current I L2 is I L2 =Ires'+ Im2 .
図3は、第2状態φ2における直列キャパシタ降圧コンバータ100(主回路110)の等価回路図である。オンであるスイッチS2,S3は、単なる配線として示している。 FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the series capacitor step-down converter 100 (main circuit 110) in the second state φ2. Switches S2 and S3 that are on are shown as mere wiring.
第2状態φ2では、直列キャパシタCr、漏れインダクタンスLkおよび出力キャパシタCoutが直列共振回路を形成しており、第2インダクタL2に共振電流Iresが流れる(IL2=Ires)。第1インダクタL1には、第2インダクタL2に流れる共振電流Iresのレプリカである共振電流Ires’と、励磁インダクタンスLmに流れる励磁電流Im1の合計電流が流れるから、第1コイル電流IL1は、IL1=Ires’+Im1となる。 In the second state φ2, the series capacitor Cr, the leakage inductance Lk, and the output capacitor Cout form a series resonant circuit, and a resonant current Ires flows through the second inductor L2 (I L2 =Ires). Since the sum of the resonant current Ires', which is a replica of the resonant current Ires flowing through the second inductor L2, and the excitation current Im1 flowing through the excitation inductance Lm flows through the first inductor L1, the first coil current I L1 is I L1 =Ires'+ Im1 .
第1状態φ1と第2状態φ2を交互に繰り返すと、定常状態では、直列キャパシタCrの両端間電圧は、Vin/2となり、カップルドインダクタ112に、残りのVin/2が印加される。第1インダクタL1と第2インダクタL2のインダクタンスが等しいとき、出力ライン104には、Vinの1/4倍の出力電圧Voutが発生する。
When the first state φ1 and the second state φ2 are alternately repeated, the voltage across the series capacitor Cr becomes Vin/2 in the steady state, and the remaining Vin/2 is applied to the coupled
直列キャパシタ降圧コンバータ100が、ZVS(Zero Voltage Switching)するための条件は、以下の通りである。
The conditions for series capacitor step-down
・第1状態φ1から第2状態φ2への遷移
第1状態φ1の直後のデッドタイムTD中において、IL1≧0であるとき、第2スイッチS2のボディダイオードに電流IL1が流れており、第2スイッチS2の両端間電圧が小さくなる。このときに、第2状態φ2に遷移、すなわち第2スイッチS2をターンオンすると、第2スイッチS2のZVSが成立する。なお、電流IL1,IL2は、出力ライン104に向かう向きを正にとる。
・Transition from the first state φ1 to the second state φ2 During the dead time TD immediately after the first state φ1, when I L1 ≧0, the current I L1 flows through the body diode of the second switch S2. , the voltage across the second switch S2 becomes smaller. At this time, when the state changes to the second state φ2, that is, when the second switch S2 is turned on, ZVS of the second switch S2 is established. Note that the currents I L1 and I L2 have positive directions toward the
またデッドタイムTD中において、IL2<0であるときに、回生電流によって、第3スイッチS3と第4スイッチS4の接続ノードの電圧が上昇し、第3スイッチS3の両端間電圧が小さくなる。このときに、第2状態φ2に遷移、すなわち第3スイッチS3がターンオンすると、第3スイッチS3のZVSが成立する。 Also, during the dead time TD , when I L2 <0, the voltage at the connection node between the third switch S3 and the fourth switch S4 increases due to the regenerative current, and the voltage across the third switch S3 decreases. . At this time, when the state changes to the second state φ2, that is, the third switch S3 turns on, ZVS of the third switch S3 is established.
・第2状態φ2から第1状態φ1への遷移
第2状態φ2の直後のデッドタイムTD中において、IL1<0であるとき、回生電流によって、第1スイッチS1と第2スイッチS2の接続ノードの電圧が上昇し、第1スイッチS1の両端間電圧が小さくなる。このときに第1状態φ1に遷移、すなわち第1スイッチS1をターンオンすると、第1スイッチS1のZVSが成立する。
・Transition from the second state φ2 to the first state φ1 During the dead time TD immediately after the second state φ2, when I L1 <0, the regenerative current connects the first switch S1 and the second switch S2. The voltage at the node increases, and the voltage across the first switch S1 decreases. At this time, when the state changes to the first state φ1, that is, when the first switch S1 is turned on, ZVS of the first switch S1 is established.
またデッドタイム中において、IL2≧0であるとき、第4スイッチS4のボディダイオードに電流IL2が流れており、第4スイッチS4の両端間電圧が小さくなっている。このときに、第1状態φ1に遷移、すなわち第4スイッチS4をターンオンすると、第4スイッチS4のZVSが成立する。 Further, during the dead time, when I L2 ≧0, the current I L2 flows through the body diode of the fourth switch S4, and the voltage across the fourth switch S4 becomes small. At this time, when the state changes to the first state φ1, that is, when the fourth switch S4 is turned on, ZVS of the fourth switch S4 is established.
図4は、直列キャパシタ降圧コンバータ100の電流波形図である。スイッチング周波数fswは、主回路110の共振周波数f0と一致しており、共振電流Iresがゼロとなるタイミングで、第1状態φ1と第2状態φ2が遷移する。ここではデッドタイムは省略している。図4は、第1スイッチS1~第4スイッチS4を理想スイッチとした場合の、すなわち第1スイッチS1~第4スイッチS4が寄生容量を含まないとした場合の電流波形を示している。
FIG. 4 is a current waveform diagram of the series capacitor step-down
第1状態φ1の終わりのタイミングでは、第1インダクタL1の電流IL1は正もしくはゼロ(IL1≧0)、第2インダクタL2の電流IL2は負(IL2<0)であるから、上述のZVSの条件を満たしている。 At the end of the first state φ1, the current I L1 of the first inductor L1 is positive or zero (I L1 ≧0), and the current I L2 of the second inductor L2 is negative (I L2 <0). The ZVS conditions are met.
同様に、第2状態φ2の終わりのタイミングでは、第1インダクタL1の電流IL1は負(IL1<0)であり、第2インダクタL2の電流IL2は正もしくはゼロ(IL2≧0)であるから、上述のZVSの条件を満たしている。 Similarly, at the end of the second state φ2, the current I L1 of the first inductor L1 is negative (I L1 <0), and the current I L2 of the second inductor L2 is positive or zero (I L2 ≧0). Therefore, the above-mentioned ZVS conditions are satisfied.
このように、直列キャパシタ降圧コンバータ100は、共振周波数f0でスイッチングすることにより、ZVSの条件を満たすことができ、高効率動作が可能である。
In this way, the series capacitor step-down
図5は、直列キャパシタ降圧コンバータ100の電流波形図である。図4では、MOSFETの寄生容量を無視した波形を示したが、実際には、寄生容量が存在する。この寄生容量により、デッドタイムを跨ぐ電流の不連続が抑制される。コイル電流IL1,IL2は連続となり、第1状態φ1と第2状態φ2では、デッドタイムに関して時間軸上で対称な波形を有する。
FIG. 5 is a current waveform diagram of the series capacitor step-down
図6は、デッドタイムを考慮した直列キャパシタ降圧コンバータ100の動作を説明するタイムチャートである。図6は、スイッチング周波数fSWが共振周波数f0と等しいときの動作を示しており、第1状態φ1と第2状態φ2の長さTONはそれぞれ、共振周期Tr(=1/fr)の1/2である。
FIG. 6 is a time chart illustrating the operation of the series capacitor step-down
スイッチング周波数fSWを、共振周波数f0と完全に一致させることができれば、ZVSの条件が常に成り立つため、高効率動作が可能となる。 If the switching frequency f SW can be made to completely match the resonant frequency f 0 , the ZVS condition will always hold, and high efficiency operation will be possible.
デッドタイムの損失について検討する。図6のタイムチャートにおける第2状態φ2と第1状態φ1の間のデッドタイムTD2に着目する。 Consider dead time losses. Attention is paid to the dead time T D2 between the second state φ2 and the first state φ1 in the time chart of FIG.
図7は、第2状態φ2から第1状態φ1に遷移する間のデッドタイムTD2における動作波形図である。電圧VSW1は、第1スイッチングノードSW1の電圧であり、これをスイッチング電圧VSW1と称する。 FIG. 7 is an operational waveform diagram during dead time TD2 during transition from second state φ2 to first state φ1. The voltage V SW1 is the voltage at the first switching node SW1, and is referred to as a switching voltage V SW1 .
時刻t0より前において、第2状態φ2であり、第1スイッチS1がオフ、第2スイッチS2がオンとなっている。第2状態φ2の間、第1スイッチングノードSW1の電圧VSW1は、0Vである。 Before time t0 , the second state φ2 is reached, in which the first switch S1 is off and the second switch S2 is on. During the second state φ2, the voltage VSW1 of the first switching node SW1 is 0V.
時刻t0に、第2スイッチS2がターンオフし、デッドタイムTD2となる。上述したように、ZVSの条件が成立している場合、時刻t0において第1コイル電流IL1は負(<0)であり、第1スイッチングノードSW1に向かって流れ込む。この第1コイル電流IL1によって、第1スイッチS1および第2スイッチS2の寄生容量が充電され、スイッチング電圧VSW1が上昇する。そして、スイッチング電圧VSW1が、Vin/2付近まで上昇すると、第1スイッチS1のボディダイオードに、第1コイル電流IL1が流れ始める。第1コイル電流IL1がボディダイオードに流れている間、スイッチング電圧VSW1は、
VSW1≒Vin/2+Vf
となる。Vfは、ボディダイオードの順方向電圧である。
At time t0 , the second switch S2 is turned off, resulting in a dead time TD2 . As described above, when the ZVS condition is satisfied, the first coil current I L1 is negative (<0) at time t 0 and flows toward the first switching node SW1. This first coil current I L1 charges the parasitic capacitances of the first switch S1 and the second switch S2, and the switching voltage V SW1 increases. Then, when the switching voltage V SW1 rises to around Vin/2, the first coil current I L1 begins to flow through the body diode of the first switch S1. While the first coil current I L1 is flowing through the body diode, the switching voltage V SW1 is
V SW1 ≒Vin/2+Vf
becomes. Vf is the forward voltage of the body diode.
デッドタイムTD2から第1状態φ1に遷移するタイミングが早すぎると、言い換えるとデッドタイムTD2が短すぎると、充電区間中に、第1スイッチS1がターンオンすることとなる。充電区間中は、第1スイッチS1のドレインソース間電圧Vds1が大きく、ハードスイッチングとなり、効率が低下する。したがって、第1状態φ1への遷移タイミングは、ボディダイオードの導通後であることが好ましい。 If the timing of transition from the dead time T D2 to the first state φ1 is too early, in other words, if the dead time T D2 is too short, the first switch S1 will be turned on during the charging period. During the charging period, the drain-source voltage Vds1 of the first switch S1 is large, resulting in hard switching and lower efficiency. Therefore, the timing of transition to the first state φ1 is preferably after the body diode is turned on.
一方で、第1コイル電流IL1がボディダイオードに流れている間、ボディダイオードには、IL1×Vfの損失が生ずることとなるため、デッドタイムTD2が長すぎると、損失が大きくなる。 On the other hand, while the first coil current I L1 is flowing through the body diode, a loss of I L1 ×Vf occurs in the body diode, so if the dead time T D2 is too long, the loss increases.
したがって高効率動作を実現するためには、デッドタイムTD2の長さは、スイッチングノードの充電区間と、ボディダイオードの導通区間の境界に近いことが望ましい。ここでは、第2状態φ2から第1状態φ1に遷移するときのデッドタイムTD2を説明したが、第1状態φ1から第2状態φ2に遷移するときのデッドタイムTD1についても同様である。 Therefore, in order to achieve high efficiency operation, it is desirable that the length of the dead time T D2 be close to the boundary between the charging section of the switching node and the conduction section of the body diode. Although the dead time TD2 when transitioning from the second state φ2 to the first state φ1 has been described here, the same applies to the dead time TD1 when transitioning from the first state φ1 to the second state φ2.
以下では、高効率動作が可能なスイッチング制御について説明する。 In the following, switching control capable of highly efficient operation will be described.
(実施形態1)
図8は、実施形態1に係るコントローラIC200を備える直列キャパシタ降圧コンバータ100のブロック図である。コントローラIC200は、制御ロジック回路210、オシレータ220、第1タイミング発生器230、第3タイミング発生器240、ドライバDR1~DR4を備える。コントローラIC200は、第1出力ピンOUT1~第4出力ピンOUT4、第1電圧検出ピンVS1、第2電圧検出ピンVS2を備える。第1出力ピンOUT1~第4出力ピンOUT4は、第1スイッチS1~第4スイッチS4のゲートと接続される。第1電圧検出ピンVS1は、第1スイッチングノードSW1と接続され、第1スイッチング電圧VSW1が入力される。第2電圧検出ピンVS2は、第2スイッチングノードSW2と接続され、第2スイッチング電圧VSW2が入力される。
(Embodiment 1)
FIG. 8 is a block diagram of a series capacitor step-down
オシレータ220は、主回路110の共振周波数frに応じた発振周波数を有し、クロック信号CLKを生成する。クロック信号CLKは、制御ロジック回路210に供給される。制御ロジック回路210は、クロック信号CLKと同期して、第1状態φ1と第2状態φ2を切りかえる。クロック信号CLKのエッジは、第2状態φ2の終了タイミングt0と、第1状態φ1の終了タイミングt2と、を示す。
第1タイミング発生器230は、第2デッドタイムTD2における第1スイッチング電圧VSW1を監視する。そして、第1スイッチング電圧VSW1が、所定の上側しきい値電圧Vthhとクロスすると、第1スイッチSW1のターンオンのトリガとなる第1タイミング信号St1をアサートする。制御ロジック回路210は、第1タイミング信号St1をトリガとして、第1スイッチS1をターンオンし、それと同時に、あるいはそれと時間差をもって第4スイッチS4をターンオンし、第2デッドタイムTD2から第1状態φ1に遷移する。
The
上側しきい値電圧Vthhは、Vin/2付近に定められる。好ましくは、Vthhは、 Vin/2×0.7≦Vthh≦Vin/2+0.5
の範囲に定めてもよい。
The upper threshold voltage Vthh is set around Vin/2. Preferably, Vthh is Vin/2×0.7≦Vthh≦Vin/2+0.5
may be set within the range of
同様にして、第3タイミング発生器240は、第1デッドタイムTD1における第2スイッチング電圧VSW2を監視する。そして、第2スイッチング電圧VSW2が、上側しきい値電圧Vthhとクロスすると、第3スイッチSW3のターンオンのトリガとなる第3タイミング信号St2をアサートする。制御ロジック回路210は、第3タイミング信号St2をトリガとして、第3スイッチS3をターンオンし、それと同時に、あるいはそれと時間差をもって、第2スイッチS2をターンオンし、第1デッドタイムTD1から第2状態φ2に遷移する。
Similarly, the
以上がコントローラIC200の構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the configuration of the
図9は、図8のコントローラIC200の動作波形図である。クロック信号CLKのエッジが発生する時刻t0に、第2スイッチS2および第3スイッチS3がターンオフし、第2状態φ2からデッドタイムTD2に遷移する。デッドタイムTD2に移行すると、第1スイッチング電圧VSW1が上昇する。時刻t1に第1スイッチング電圧VSW1が上側しきい値Vthhとクロスすると、タイミング信号St1がアサートされる。このアサートに応答して、制御ロジック回路210は、第1スイッチS1および第4スイッチS4をターンオンし、第1状態φ1に遷移する。
FIG. 9 is an operational waveform diagram of the
クロック信号CLKの次のエッジが発生する時刻t2に、第1状態φ1からデッドタイムTD1に遷移する。デッドタイムTD1に移行すると、第2スイッチング電圧VSW2が上昇する。時刻t3に第2スイッチング電圧VSW2が上側しきい値Vthhとクロスすると、タイミング信号St2がアサートされる。このアサートに応答して、制御ロジック回路210は、第2スイッチS2および第3スイッチS3をターンオンし、第2状態φ2に遷移する。
At time t2 when the next edge of clock signal CLK occurs, the first state φ1 transitions to dead time TD1 . When the dead time T D1 begins, the second switching voltage V SW2 increases. When the second switching voltage VSW2 crosses the upper threshold Vthh at time t3 , the timing signal St2 is asserted. In response to this assertion, the
以上がコントローラIC200の動作である。このコントローラIC200によれば、第1スイッチS1のターンオンのタイミングにおいてそのドレインソース間電圧は十分に小さくなっており、ソフトスイッチングとなっている。同様に、第2スイッチS2のターンオンのタイミングにおいて、そのドレインソース間電圧が十分に小さく、ソフトスイッチングとなっている。そのため、高効率動作が可能となる。
The above is the operation of the
(実施形態2)
実施形態1では、第1タイミング信号St1のアサートに応答して、第1スイッチS1と第4スイッチS4が同時にターンオンし、第3タイミング信号St2のアサートに応答して、第2スイッチS2と第3スイッチS3が同時にターンオンした。実施形態2では、第1スイッチS1と第4スイッチS4が別々のタイミングでターンオンし、第2スイッチS2と第3スイッチS3が別々のタイミングでターンオンする。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the first switch S1 and the fourth switch S4 are simultaneously turned on in response to the assertion of the first timing signal St1, and the second switch S2 and the third switch S4 are turned on simultaneously in response to the assertion of the third timing signal St2. Switch S3 was turned on at the same time. In the second embodiment, the first switch S1 and the fourth switch S4 are turned on at different timings, and the second switch S2 and third switch S3 are turned on at different timings.
図10は、実施形態2に係るコントローラIC200Aを備える直列キャパシタ降圧コンバータ100Aのブロック図である。
FIG. 10 is a block diagram of a series capacitor step-down
コントローラIC200Aは、図8のコントローラIC200に加えて、第2タイミング発生器250および第4タイミング発生器260を備える。
The
第2タイミング発生器250は、第1デッドタイムTD1において、第1スイッチング電圧VSW1を監視し、第1スイッチング電圧VSW1が所定の下側しきい値Vthlとクロスすると、第2スイッチS2のターンオンを指示する第2タイミング信号St2をアサートする。
The
また第4タイミング発生器260は、第2デッドタイムTD2において、第2スイッチング電圧VSW2を監視し、第2スイッチング電圧VSW2が下側しきい値Vthlとクロスすると、第4スイッチS4のターンオンを指示する第4タイミング信号St4をアサートする。
Further, the
制御ロジック回路210は、第2デッドタイムTD2において、第1タイミング信号St1のアサートに応答して第1スイッチS1をターンオンし、第4タイミング信号St4のアサートに応答して第4スイッチS4をターンオンする。また制御ロジック回路210は、第1デッドタイムTD1において、第2タイミング信号St2のアサートに応答して第2スイッチS1をターンオンし、第3タイミング信号St3のアサートに応答して第3スイッチS3をターンオンする。
During the second dead time T D2 , the
以上がコントローラIC200Aの構成である。
The above is the configuration of the
図11は、図10のコントローラIC200Aの動作波形図である。図10のコントローラIC200Aによれば、ハイサイドスイッチS1,S3のみでなく、ローサイドスイッチS2,S4についても、ドレインソース間電圧が小さい状態でターンオンすることができるため、効率を改善できる。
FIG. 11 is an operational waveform diagram of the
ローサイドスイッチの効率のみを改善する場合には、図10のコントローラIC200Aから、第1タイミング発生器230および第3タイミング発生器240を省略してもよい。その場合、第2タイミング信号St2に応じて、第2スイッチS2と第3スイッチS3をターンオンし、第4タイミング信号St4に応じて、第1スイッチS1と第4スイッチS4をターンオンすればよい。
If only the efficiency of the low-side switch is to be improved, the
実施形態では、第1スイッチング電圧VSW1と第2スイッチング電圧VSW2の両方を監視することとしたが、それらの一方のみを監視してもよい。 In the embodiment, both the first switching voltage V SW1 and the second switching voltage V SW2 are monitored, but only one of them may be monitored.
実施形態では、オシレータが生成するクロック信号と同期してスイッチングする他励方式について説明したが、本開示はそれに限定されず、自励方式のコントローラにも適用できる。 In the embodiment, a separately excited system in which switching is performed in synchronization with a clock signal generated by an oscillator has been described, but the present disclosure is not limited thereto, and can also be applied to a self-excited controller.
(用途)
図12は、直列キャパシタ降圧コンバータ100を備える電子機器700の一例を示す図である。電子機器700の好適な一例はサーバーである。元来、サーバーには12Vの電源線が引き込まれていたため、内部回路710は12Vで動作するように設計されている。内部回路710は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ、LAN(Local Area Network)のインタフェース回路と、12Vの電圧を降圧するDC/DCコンバータなどを含みうる。
(Application)
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an
近年、電線に流れる電流を減らすために、バス電圧を12Vから48Vに置き換える動きが進められている。この場合に、48Vの電源電圧を12Vに降圧する電源回路720が必要となる。上述したゲインが1/4倍の直列キャパシタ降圧コンバータ100は、こうした電源回路720に好適に用いることができる。
In recent years, there has been a movement to replace the bus voltage from 12V to 48V in order to reduce the current flowing through electric wires. In this case, a
電子機器700はサーバーに限定されず、車載機器であってもよい。従来の自動車のバッテリは12Vあるいは24Vが主流であるが、ハイブリッド車両では、48Vシステムが採用される場合があり、この場合も48Vのバッテリ電圧を、12Vに変換する電源回路が必要とされる。このような場合に、1/4倍の直列キャパシタ降圧コンバータ100を好適に利用することができる。
The
その他、電子機器700は、産業機器、OA機器であってもよいし、オーディオ機器などの民生機器であってもよい。
In addition, the
(付記)
本開示に含まれる技術は、以下のように把握することができる。
(Additional note)
The technology included in the present disclosure can be understood as follows.
(項目1)
直列キャパシタ降圧コンバータのコントローラ回路であって、
前記直列キャパシタ降圧コンバータは、
入力ラインおよび出力ラインと、
第1端が前記入力ラインと接続された第1スイッチと、
それぞれの第1端が前記出力ラインと接続される第1インダクタおよび第2インダクタを含むカップルドインダクタと、
前記第1インダクタの第2端である第1スイッチングノードと接地の間に接続された第2スイッチと、
前記第1スイッチの第2端と前記第1スイッチングノードの間に接続された直列キャパシタと、
前記第1スイッチの前記第2端と前記第2インダクタの第2端である第2スイッチングノードの間に接続された第3スイッチと、
前記第2スイッチングノードと接地の間に接続された第4スイッチと、
前記出力ラインと接続された出力キャパシタと、
を備え、
前記コントローラ回路は、
前記第1スイッチと前記第4スイッチがオンである第1状態と、前記第2スイッチと前記第3スイッチがオンである第2状態と、を、デッドタイムを挟みながら交互に繰り返すように、前記第1スイッチから前記第4スイッチのオン、オフ状態を指示する複数の制御信号を生成する制御ロジック回路と、
前記第2状態から前記第1状態への遷移の間に挿入される第2デッドタイムにおいて、前記第1スイッチングノードに生ずる第1スイッチング電圧を監視し、前記第1スイッチング電圧が所定の上側しきい値とクロスすると、前記第1スイッチのターンオンを指示する第1タイミング信号をアサートする第1タイミング発生器と、
を備える、コントローラ回路。
(Item 1)
A controller circuit for a series capacitor buck converter, the controller circuit comprising:
The series capacitor buck converter includes:
an input line and an output line;
a first switch having a first end connected to the input line;
a coupled inductor including a first inductor and a second inductor each having a first end connected to the output line;
a second switch connected between a first switching node, which is a second end of the first inductor, and ground;
a series capacitor connected between a second end of the first switch and the first switching node;
a third switch connected between the second end of the first switch and a second switching node that is the second end of the second inductor;
a fourth switch connected between the second switching node and ground;
an output capacitor connected to the output line;
Equipped with
The controller circuit includes:
A first state in which the first switch and the fourth switch are on, and a second state in which the second switch and the third switch are on are alternately repeated with a dead time in between. a control logic circuit that generates a plurality of control signals from a first switch to instruct the fourth switch to be on or off;
During a second dead time inserted between the transition from the second state to the first state, a first switching voltage generated at the first switching node is monitored, and the first switching voltage reaches a predetermined upper threshold. a first timing generator that asserts a first timing signal that instructs the first switch to turn on when the first timing signal crosses the first timing signal;
A controller circuit comprising:
(項目2)
前記上側しきい値をVthh、前記入力ラインの入力電圧をVinとするとき、
Vin/2×0.7≦Vthh
を満たす、項目1に記載のコントローラ回路。
(Item 2)
When the upper threshold is Vthh and the input voltage of the input line is Vin,
Vin/2×0.7≦Vthh
The controller circuit according to
(項目3)
前記第1状態から前記第2状態への遷移の間に挿入される第1デッドタイムにおいて、前記第2スイッチングノードに生ずる第2スイッチング電圧を監視し、前記第2スイッチング電圧が所定の上側しきい値とクロスすると、前記第3スイッチのターンオンを指示する第3タイミング信号をアサートする第3タイミング発生器をさらに備える、項目1に記載のコントローラ回路。
(Item 3)
During a first dead time inserted between the transition from the first state to the second state, a second switching voltage generated at the second switching node is monitored, and the second switching voltage reaches a predetermined upper threshold. 2. The controller circuit of
(項目4)
前記第1デッドタイムにおいて、前記第1スイッチング電圧を監視し、前記第1スイッチング電圧が所定の下側しきい値とクロスすると、前記第2スイッチのターンオンを指示する第2タイミング信号をアサートする第2タイミング発生器をさらに備える、項目1から3のいずれかに記載のコントローラ回路。
(Item 4)
a second timing signal for monitoring the first switching voltage during the first dead time and asserting a second timing signal instructing to turn on the second switch when the first switching voltage crosses a predetermined lower threshold; 4. The controller circuit according to any of
(項目5)
前記第2デッドタイムにおいて、前記第2スイッチング電圧を監視し、前記第2スイッチング電圧が所定の下側しきい値とクロスすると、前記第4スイッチのターンオンを指示する第4タイミング信号をアサートする第4タイミング発生器をさらに備える、項目1から3のいずれかに記載のコントローラ回路。
(Item 5)
A fourth timing signal for monitoring the second switching voltage during the second dead time and asserting a fourth timing signal instructing to turn on the fourth switch when the second switching voltage crosses a predetermined lower threshold. 4. The controller circuit according to any of
(項目6)
ひとつの半導体基板に一体集積化される、項目1から5のいずれかに記載のコントローラ回路。
(Item 6)
The controller circuit according to any one of
(項目7)
直列キャパシタ降圧コンバータの主回路と、
前記主回路を駆動する項目1から5のいずれかに記載のコントローラ回路と、
を備える、直列キャパシタ降圧コンバータ。
(Item 7)
The main circuit of a series capacitor buck converter,
the controller circuit according to any one of
A series capacitor buck converter comprising:
(項目8)
直列キャパシタ降圧コンバータの制御方法であって、
前記直列キャパシタ降圧コンバータは、
入力ラインおよび出力ラインと、
第1端が前記入力ラインと接続された第1スイッチと、
それぞれの第1端が前記出力ラインと接続される第1インダクタおよび第2インダクタを含むカップルドインダクタと、
前記第1インダクタの第2端である第1スイッチングノードと接地の間に接続された第2スイッチと、
前記第1スイッチの第2端と前記第1スイッチングノードの間に接続された直列キャパシタと、
前記第1スイッチの前記第2端と前記第2インダクタの第2端である第2スイッチングノードの間に接続された第3スイッチと、
前記第2スイッチングノードと接地の間に接続された第4スイッチと、
前記出力ラインと接続された出力キャパシタと、
を備え、
前記制御方法は、
前記第1スイッチと前記第4スイッチがオンである第1状態と、前記第2スイッチと前記第3スイッチがオンである第2状態と、を、デッドタイムを挟みながら交互に繰り返すステップと、
前記第2状態から前記第1状態への遷移の間に挿入される第2デッドタイムにおいて、前記第1スイッチングノードに生ずる第1スイッチング電圧を監視し、前記第1スイッチング電圧が所定の上側しきい値とクロスすると、前記第1スイッチのターンオンを指示する第1タイミング信号をアサートするステップと、
を備える、制御方法。
(Item 8)
A method for controlling a series capacitor buck converter, the method comprising:
The series capacitor buck converter includes:
an input line and an output line;
a first switch having a first end connected to the input line;
a coupled inductor including a first inductor and a second inductor each having a first end connected to the output line;
a second switch connected between a first switching node, which is a second end of the first inductor, and ground;
a series capacitor connected between a second end of the first switch and the first switching node;
a third switch connected between the second end of the first switch and a second switching node that is the second end of the second inductor;
a fourth switch connected between the second switching node and ground;
an output capacitor connected to the output line;
Equipped with
The control method includes:
a step of alternately repeating a first state in which the first switch and the fourth switch are on, and a second state in which the second switch and the third switch are on, with a dead time in between;
During a second dead time inserted between the transition from the second state to the first state, a first switching voltage generated at the first switching node is monitored, and the first switching voltage reaches a predetermined upper threshold. asserting a first timing signal that, when crossed with a value, instructs the first switch to turn on;
A control method comprising:
(項目9)
前記上側しきい値をVthh、前記入力ラインの入力電圧をVinとするとき、
Vin/2×0.7≦Vthh
を満たす、項目8に記載の制御方法。
(Item 9)
When the upper threshold is Vthh and the input voltage of the input line is Vin,
Vin/2×0.7≦Vthh
The control method described in item 8, which satisfies the following.
(項目10)
前記第1状態から前記第2状態への遷移の間に挿入される第1デッドタイムにおいて、前記第2スイッチングノードに生ずる第2スイッチング電圧を監視し、前記第2スイッチング電圧が所定の上側しきい値とクロスすると、前記第3スイッチのターンオンを指示する第3タイミング信号をアサートするステップをさらに備える、項目8に記載の制御方法。
(Item 10)
During a first dead time inserted between the transition from the first state to the second state, a second switching voltage generated at the second switching node is monitored, and the second switching voltage reaches a predetermined upper threshold. 9. The control method according to item 8, further comprising the step of asserting a third timing signal that instructs to turn on the third switch when the third timing signal crosses the value.
(項目11)
前記上側しきい値は、前記上側しきい値と等しい、項目10に記載の制御方法。
(Item 11)
The control method according to item 10, wherein the upper threshold is equal to the upper threshold.
(項目12)
前記上側しきい値をVthh、前記入力ラインの入力電圧をVinとするとき、
Vin/2×0.7≦Vthh
を満たす、項目10または11に記載の制御方法。
(Item 12)
When the upper threshold is Vthh and the input voltage of the input line is Vin,
Vin/2×0.7≦Vthh
The control method according to item 10 or 11, which satisfies the following.
実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにさまざまな変形例が存在すること、またそうした変形例も本開示に含まれ、また本発明の範囲を構成しうることは当業者に理解されるところである。 The embodiments are illustrative, and it is understood that there are various modifications to the combinations of the constituent elements and processing processes, and that such modifications are also included in the present disclosure and may constitute the scope of the present invention. It will be understood by those skilled in the art.
100 直列キャパシタ降圧コンバータ
102 入力ライン
104 出力ライン
106 接地ライン
110 主回路
112 カップルドインダクタ
Lk 漏れインダクタンス
Lm 励磁インダクタンス
L1 第1インダクタ
L2 第2インダクタ
Cr 直列キャパシタ
S1 第1スイッチ
S2 第2スイッチ
S3 第3スイッチ
S4 第4スイッチ
Cout 出力キャパシタ
200 コントローラIC
210 制御ロジック回路
DR ドライバ
220 オシレータ
230 第1タイミング発生器
240 第3タイミング発生器
250 第2タイミング発生器
260 第4タイミング発生器
100 Series
210 Control logic
Claims (12)
前記直列キャパシタ降圧コンバータは、
入力ラインおよび出力ラインと、
第1端が前記入力ラインと接続された第1スイッチと、
それぞれの第1端が前記出力ラインと接続される第1インダクタおよび第2インダクタを含むカップルドインダクタと、
前記第1インダクタの第2端である第1スイッチングノードと接地の間に接続された第2スイッチと、
前記第1スイッチの第2端と前記第1スイッチングノードの間に接続された直列キャパシタと、
前記第1スイッチの前記第2端と前記第2インダクタの第2端である第2スイッチングノードの間に接続された第3スイッチと、
前記第2スイッチングノードと接地の間に接続された第4スイッチと、
前記出力ラインと接続された出力キャパシタと、
を備え、
前記コントローラ回路は、
前記第1スイッチと前記第4スイッチがオンである第1状態と、前記第2スイッチと前記第3スイッチがオンである第2状態と、を、デッドタイムを挟みながら交互に繰り返すように、前記第1スイッチから前記第4スイッチのオン、オフ状態を指示する複数の制御信号を生成する制御ロジック回路と、
前記第2状態から前記第1状態への遷移の間に挿入される第2デッドタイムにおいて、前記第1スイッチングノードに生ずる第1スイッチング電圧を監視し、前記第1スイッチング電圧が所定の上側しきい値とクロスすると、前記第1スイッチのターンオンを指示する第1タイミング信号をアサートする第1タイミング発生器と、
を備える、コントローラ回路。 A controller circuit for a series capacitor buck converter, the controller circuit comprising:
The series capacitor buck converter includes:
an input line and an output line;
a first switch having a first end connected to the input line;
a coupled inductor including a first inductor and a second inductor each having a first end connected to the output line;
a second switch connected between a first switching node, which is a second end of the first inductor, and ground;
a series capacitor connected between a second end of the first switch and the first switching node;
a third switch connected between the second end of the first switch and a second switching node that is the second end of the second inductor;
a fourth switch connected between the second switching node and ground;
an output capacitor connected to the output line;
Equipped with
The controller circuit includes:
A first state in which the first switch and the fourth switch are on, and a second state in which the second switch and the third switch are on are alternately repeated with a dead time in between. a control logic circuit that generates a plurality of control signals from a first switch to instruct the fourth switch to be on or off;
During a second dead time inserted between the transition from the second state to the first state, a first switching voltage generated at the first switching node is monitored, and the first switching voltage reaches a predetermined upper threshold. a first timing generator that asserts a first timing signal that instructs the first switch to turn on when the first timing signal crosses the first timing signal;
A controller circuit comprising:
Vin/2×0.7≦Vthh
を満たす、請求項1に記載のコントローラ回路。 When the upper threshold is Vthh and the input voltage of the input line is Vin,
Vin/2×0.7≦Vthh
The controller circuit according to claim 1, which satisfies the following.
前記主回路を駆動する請求項1から3のいずれかに記載のコントローラ回路と、
を備える、直列キャパシタ降圧コンバータ。 The main circuit of a series capacitor buck converter,
The controller circuit according to any one of claims 1 to 3, which drives the main circuit;
A series capacitor buck converter comprising:
前記直列キャパシタ降圧コンバータは、
入力ラインおよび出力ラインと、
第1端が前記入力ラインと接続された第1スイッチと、
それぞれの第1端が前記出力ラインと接続される第1インダクタおよび第2インダクタを含むカップルドインダクタと、
前記第1インダクタの第2端である第1スイッチングノードと接地の間に接続された第2スイッチと、
前記第1スイッチの第2端と前記第1スイッチングノードの間に接続された直列キャパシタと、
前記第1スイッチの前記第2端と前記第2インダクタの第2端である第2スイッチングノードの間に接続された第3スイッチと、
前記第2スイッチングノードと接地の間に接続された第4スイッチと、
前記出力ラインと接続された出力キャパシタと、
を備え、
前記制御方法は、
前記第1スイッチと前記第4スイッチがオンである第1状態と、前記第2スイッチと前記第3スイッチがオンである第2状態と、を、デッドタイムを挟みながら交互に繰り返すステップと、
前記第2状態から前記第1状態への遷移の間に挿入される第2デッドタイムにおいて、前記第1スイッチングノードに生ずる第1スイッチング電圧を監視し、前記第1スイッチング電圧が所定の上側しきい値とクロスすると、前記第1スイッチのターンオンを指示する第1タイミング信号をアサートするステップと、
を備える、制御方法。 A method for controlling a series capacitor buck converter, the method comprising:
The series capacitor buck converter includes:
an input line and an output line;
a first switch having a first end connected to the input line;
a coupled inductor including a first inductor and a second inductor each having a first end connected to the output line;
a second switch connected between a first switching node, which is a second end of the first inductor, and ground;
a series capacitor connected between a second end of the first switch and the first switching node;
a third switch connected between the second end of the first switch and a second switching node that is the second end of the second inductor;
a fourth switch connected between the second switching node and ground;
an output capacitor connected to the output line;
Equipped with
The control method includes:
a step of alternately repeating a first state in which the first switch and the fourth switch are on, and a second state in which the second switch and the third switch are on, with a dead time in between;
During a second dead time inserted between the transition from the second state to the first state, a first switching voltage generated at the first switching node is monitored, and the first switching voltage reaches a predetermined upper threshold. asserting a first timing signal that, when crossed with a value, instructs the first switch to turn on;
A control method comprising:
Vin/2×0.7≦Vthh
を満たす、請求項8に記載の制御方法。 When the upper threshold is Vthh and the input voltage of the input line is Vin,
Vin/2×0.7≦Vthh
The control method according to claim 8, which satisfies the following.
Vin/2×0.7≦Vthh
を満たす、請求項10または11に記載の制御方法。 When the upper threshold is Vthh and the input voltage of the input line is Vin,
Vin/2×0.7≦Vthh
The control method according to claim 10 or 11, which satisfies the following.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022122878A JP2024020025A (en) | 2022-08-01 | 2022-08-01 | Series capacitor step-down converter, controller circuit therefor, and control method |
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Publications (1)
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JP2022122878A Pending JP2024020025A (en) | 2022-08-01 | 2022-08-01 | Series capacitor step-down converter, controller circuit therefor, and control method |
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