JP3560100B2 - Resonant DC-DC converter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流入力をスイッチ素子でスイッチングすることによって交流に変換し、この交流出力を直流に変換して出力する共振型DC−DCコンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
図2は、従来の共振型DC−DCコンバータの構成を示す回路図である。同図において、直流入力電圧Vinが入力される入力端子1とアースとの間にはリップル除去用コンデンサ2が接続され、さらに入力端子1と出力電圧Vout が出力される出力端子3との間にはチョークコイル4および整流用ダイオード5が直列に接続されている。
【0003】
チョークコイル4および整流用ダイオード5との接続点とアースとの間にはスイッチ素子6が接続され、整流用ダイオード5の出力段とアースとの間には出力平滑用コンデンサ7が接続されている。
【0004】
また、差動増幅器8は直流出力電圧の変動分を検出するものであり、この差動増幅器8の一方の入力端には分圧器9により分圧された出力電圧が入力され、差動増幅器8の他方の入力端には基準電圧10が入力されている。
【0005】
差動増幅器8で検出された差電圧はパルス幅変調回路(PWM)11に供給され、差動増幅器8の差電圧に応じてパルス幅変調されたパルス信号はスイッチ素子6に供給される。このパルス信号でスイッチ素子6をスイッチングすることによって直流入力をチョッピングして交流に変換し、この交流出力をダイオード5によって直流に変換し、コンデンサ7によって平滑化して出力電圧Vout を出力する。
【0006】
このように構成されたDC−DCコンバータのPWM制御は、スイッチング周期を固定してスイッチング素子6のオン/オフ時間比(時比率)を制御して行うパルス幅変調方式である。
【0007】
この制御回路方式では、帰還系の分圧器9で分圧した出力電圧と基準電圧10とを差動増幅器8で比較し、その差電圧でパルス幅変調回路11を制御し、出力電圧が低い時には、オン時間のパルス幅を広げ、出力電圧が高い時には、オン時間のパルス幅を狭くして、電源の出力電圧を安定化している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、時比率制御の場合、スイッチング周波数を固定しているため、小負荷電流時に出力電圧の上昇を防止する過電流保護回路や、過負荷や出力短絡などの過電流保護回路を付加しなければならず、コスト、実装面で不利となる。
【0009】
また、電流共振型DC−DCコンバータは、共振周波数をオン時間に対応させて固定するため、出力電圧の安定化はオフ時間を可変にすることによって出力電圧の安定化を図る周波数制御となる。
【0010】
本発明は、スイッチ素子のオフ時間を可変にすることにより、過電流保護、スイッチング周波数の低下防止を簡易な回路構成でローコストに、かつ容易に実現できる、信頼性及び安全性の高い電流共振型DC−DCコンバータを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は直流電圧を所定の周波数でチョッピングして交流に変換するスイッチ素子と、前記変換された交流を直流に変換し平滑化して直流出力電圧を生成する整流平滑部とを有する共振型DC−DCコンバータであって、前記スイッチ素子に所定周波数のスイッチング用パルス信号を出力するパルス発生回路と、前記直流出力電圧と基準電圧とを比較して誤差電圧を検出する誤差検出回路と、前記スイッチ素子のオフ時間を制御する時定数可変回路とを備え、前記時定数可変回路は、前記誤差検出回路で検出された前記直流出力電圧と基準電圧との誤差電圧に応じて前記パルス発生回路の時定数設定用抵抗成分を変化させることにより前記スイッチ素子のオフ時間を制御するものである。
【0012】
本発明によれば、過負荷や出力短絡等の過電流時には、時定数可変回路がパルス発生回路の時定数を、スイッチ素子のオフ時間が極端に短くならないよう決定して負荷に過電流が流れるのを防止する。また、小負荷電流時には、時定数可変回路がパルス発生回路の時定数を、スイッチ素子のオフ時間が極端に長くなないように決定してスイッチング周波数が低下するのを防止する。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、直流電圧を所定の周波数でチョッピングして交流に変換するスイッチ素子と、前記変換された交流を直流に変換し平滑化して直流出力電圧を生成する整流平滑部とを有する共振型DC−DCコンバータであって、前記スイッチ素子に所定周波数のスイッチング用パルス信号を出力するパルス発生回路と、前記直流出力電圧と基準電圧とを比較して誤差電圧を検出する誤差検出回路と、前記パルス発生回路の時定数設定用抵抗成分を前記誤差検出回路で検出された誤差電圧に応じて変化させることにより前記スイッチ素子のオフ時間を制御する時定数可変回路とを備えてなるものである。
【0014】
請求項2に記載の発明は、時定数可変回路が、誤差検出回路からの誤差電圧に応じた電流を生成するトランジスタと、前記トランジスタのエミッタに直列に接続された第1の抵抗と、前記トランジスタのコレクタに直列に接続された第2の抵抗と、前記トランジスタと第1の抵抗との直列回路に並列に接続した第3の抵抗とから構成されているものである。
【0015】
従って、過負荷や出力短絡等の過電流時には、時定数可変回路を構成するトランジスタがオン状態になるため、パルス発生回路のオフ時間の時定数は、第1〜第3の抵抗の合成抵抗により決定される。これにより、オフ時間が極端に短くなるのを制限し、負荷に過電流が流れるのを防止する。
【0016】
また、小負荷電流時には、時定数可変回路を構成するトランジスタがオフ状態になるため、パルス発生回路のオフ時間の時定数は第2の抵抗と第3の抵抗の合成抵抗により決定される。これにより、オフ時間が極端に長くなるのを制限し、スイッチング周波数が低下するのを防止する。
【0017】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【0018】
図1は、本発明の実施の形態による電流共振型DC−DCコンバータの構成を示す回路図で、図2に示す構成要素と同一部分には同一符号を付して説明する。図1において、直流入力電圧Vinが入力される入力端子1とアースとの間にはリップル除去用コンデンサ2が接続され、さらに入力端子1と出力電圧Vout を出力する出力端子3との間には、チョークコイル4および整流用ダイオード5が直列に接続されている。
【0019】
また、チョークコイル4および整流用ダイオード5の接続点とアースとの間には共振用チョークコイル12およびスイッチ素子6が接続され、整流用ダイオード5の出力段とアースとの間には出力平滑用コンデンサ7が接続されている。さらに、整流用ダイオード5と並列に共振用コンデンサ13が接続され、共振用チョークコイル12および共振用コンデンサ13によって電流共振回路を構成している。
【0020】
また、スイッチ素子6を制御するパルス幅制御回路14は、出力電圧Vout を分圧器15aで分圧した電圧と基準電圧15bとを比較して両者の誤差電圧を検出する差動増幅器15cを有する誤差検出回路15を有する。
【0021】
さらに、パルス幅制御回路14は誤差検出回路15から出力される誤差電圧に応じた電流を生成するPNPトランジスタ16、このトランジスタ16のエミッタ端子とVcc電源間に直列接続された抵抗17、トランジスタ16のコレクタ端子とVcc電源間に並列接続されたスイッチング周波数低下防止用の抵抗18、トランジスタ16のコレクタ端子に直列接続された過電流防止用の抵抗19、スイッチ素子6にパルス信号を供給するIC構成のデュアル単安定マルチバイブレータからなるパルス発生回路20を有する。
【0022】
さらに、パルス発生回路20およびVcc電源間に接続されてパルス発生回路20のオン時間を設定するコンデンサ21および抵抗22、パルス発生回路20とトランジスタ16のコレクタ端子間に接続されてパルス発生回路20のオフ時間を設定するコンデンサ23を備える。なお、トランジスタ16および抵抗17〜19はパルス発生回路20のオフ時間の時定数を設定する時定数可変回路24を構成する。
【0023】
次に、本実施の形態の動作について説明する。まず、パルス発生回路20の時定数、すなわちコンデンサ21と抵抗22とで決定されるオン時間は、チョークコイル12とコンデンサ13による共振電流の共振周波数に対応させる。
【0024】
一方、誤差検出回路15において、分圧器15aで分圧された出力電圧と基準電圧15bとの誤差電圧は差動増幅器15cで増幅され、この誤差電圧がトランジスタ16のベースに加えられると、その誤差電圧に応じた電流がトランジスタ16のコレクタに流れるため、抵抗17と抵抗18の並列回路と、この並列回路に直列接続された抵抗19の合成抵抗が見かけ上変化したとことと等価になり、この合成抵抗とコンデンサ23とにより、パルス発生回路20のオフ時間の時定数が決定される。
【0025】
つまり、過負荷や出力短絡等の過電流時には、トランジスタ16が完全なオン状態になるため、パルス発生回路20のオフ時間の時定数は、抵抗17と抵抗18及び抵抗19との合成抵抗とコンデンサ23とにより決定される。これによりオフ時間が極端に短くなるのを制限し、負荷に過電流が流れるのを防止する。
【0026】
また、小負荷電流時には、トランジスタ16が完全なオフ状態になるため、パルス発生回路20のオフ時間の時定数は、抵抗14と抵抗19の合成抵抗とコンデンサ23とにより決定される。これにより、オフ時間が極端に長くなるのを制限し、スイッチング周波数が可聴帯域まで低下するのを防止する。
【0027】
このように本実施の形態によれば、過電流時には抵抗17〜19の合成抵抗によりオフ時間が短くなるのを制限することができ、小負荷電流時には抵抗18と19の合成抵抗によりオフ時間が短くなるのを制限して、スイッチング周波数が低下するのを防止できる。
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチ素子のオフ時間をパルス発生回路の時定数設定用抵抗成分を誤差検出回路で検出された誤差電圧に応じ変化させて制御することにより、過電流防止及びスイッチング周波数の低下防止を簡単な回路構成で実現することができ、低コスト化と実装面で有利となるほか、安全性及び信頼性の高い共振型DC−DCコンバータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による共振型DC−DCコンバータの構成を示す回路図
【図2】従来の共振型DC−DCコンバータの構成を示す回路図
【符号の説明】
1 入力端子
2 リップル除去用コンデンサ
3 出力端子
4 チョークコイル
5 整流ダイオード
6 スイッチ素子
7 平滑用コンデンサ
12 共振用チョークコイル
13 共振用コンデンサ
14 パルス幅制御回路
15 誤差検出回路
15a 分圧器
15b 基準電圧
15c 差動増幅器
16 トランジスタ
17 抵抗
18 抵抗
19 抵抗
20 パルス発生回路
21 コンデンサ
22 抵抗
23 コンデンサ
24 時定数可変回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a resonant DC-DC converter that converts a DC input into AC by switching with a switch element, converts this AC output into DC, and outputs the DC.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional resonance type DC-DC converter. In FIG. 1, a
[0003]
A
[0004]
The
[0005]
The differential voltage detected by the
[0006]
The PWM control of the DC-DC converter configured as described above is a pulse width modulation method performed by controlling the on / off time ratio (time ratio) of the
[0007]
In this control circuit system, the output voltage divided by the voltage divider 9 of the feedback system is compared with the reference voltage 10 by the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the duty ratio control, the switching frequency is fixed, so it is necessary to add an overcurrent protection circuit that prevents the output voltage from rising at a small load current, and an overcurrent protection circuit that prevents an overload or output short circuit. This is disadvantageous in terms of cost and mounting.
[0009]
Further, in the current resonance type DC-DC converter, the resonance frequency is fixed in accordance with the on-time, so that the stabilization of the output voltage is frequency control for stabilizing the output voltage by making the off-time variable.
[0010]
The present invention provides a highly reliable and safe current resonance type which can easily realize overcurrent protection and prevention of a decrease in switching frequency at low cost and easily by making the off time of a switch element variable. It is an object to provide a DC-DC converter.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a resonance type DC-DC converter having a switch element for chopping a DC voltage at a predetermined frequency and converting the converted AC to an AC, and a rectifying and smoothing unit for converting the converted AC to a DC and smoothing to generate a DC output voltage. a DC converter, an error detection circuit for detecting an error voltage by comparing a pulse generating circuit for outputting a pulse signal for switching a predetermined frequency to said switching element and said DC output voltage and a reference voltage, the switching element A time constant variable circuit for controlling an off time of the pulse generation circuit, the time constant variable circuit comprising a time constant of the pulse generation circuit according to an error voltage between the DC output voltage detected by the error detection circuit and a reference voltage. by also in the range for controlling the off time of the switching element by changing the setting resistor component.
[0012]
According to the present invention, at the time of an overcurrent such as an overload or an output short circuit, the time constant variable circuit determines the time constant of the pulse generation circuit so that the off time of the switch element is not extremely short, and the overcurrent flows to the load. To prevent Further, at the time of a small load current, the time constant variable circuit determines the time constant of the pulse generation circuit so that the off time of the switch element does not become extremely long, thereby preventing the switching frequency from lowering.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the first aspect of the present invention, there is provided a switch element for chopping a DC voltage at a predetermined frequency and converting it to AC, and a rectifier for converting the converted AC to DC and smoothing the converted AC to generate a DC output voltage. A resonance type DC-DC converter having a smoothing unit, comprising: a pulse generation circuit that outputs a switching pulse signal having a predetermined frequency to the switch element; and detecting an error voltage by comparing the DC output voltage with a reference voltage. An error detection circuit, and a time constant variable circuit that controls an off time of the switch element by changing a time constant setting resistance component of the pulse generation circuit according to an error voltage detected by the error detection circuit. It is provided.
[0014]
The invention according to
[0015]
Therefore, at the time of an overcurrent such as an overload or an output short circuit, the transistor constituting the time constant variable circuit is turned on, and the time constant of the off time of the pulse generation circuit is determined by the combined resistance of the first to third resistors. It is determined. This limits the off time from becoming extremely short and prevents an overcurrent from flowing to the load.
[0016]
Further, at the time of a small load current, the transistor forming the time constant variable circuit is turned off, so that the time constant of the off time of the pulse generation circuit is determined by the combined resistance of the second resistance and the third resistance. This limits the off time from becoming extremely long and prevents the switching frequency from lowering.
[0017]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a current resonance type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention. The same components as those shown in FIG. In FIG. 1, a
[0019]
A resonance choke coil 12 and a
[0020]
Further, the pulse width control circuit 14 for controlling the
[0021]
Further, the pulse width control circuit 14 includes a
[0022]
Further, a capacitor 21 and a resistor 22, which are connected between the
[0023]
Next, the operation of the present embodiment will be described. First, the time constant of the
[0024]
On the other hand, in the error detection circuit 15, an error voltage between the output voltage divided by the voltage divider 15a and the
[0025]
That is, at the time of an overcurrent such as an overload or an output short circuit, the
[0026]
At the time of a small load current, the
[0027]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to limit the shortening of the off-time due to the combined resistance of the
[0028]
【The invention's effect】
According to the present invention, by Gosuru system by changing depending OFF time of the switching element to the error voltage to a constant setting resistor component detected by the error detection circuit when the pulse generation circuit, the overcurrent prevention and Switching Frequency The reduction can be prevented with a simple circuit configuration, which is advantageous in terms of cost reduction and mounting, and also provides a safe and reliable resonant DC-DC converter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a resonance type DC-DC converter according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional resonance type DC-DC converter.
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記スイッチ素子に所定周波数のスイッチング用パルス信号を出力するパルス発生回路と、前記直流出力電圧と基準電圧とを比較して誤差電圧を検出する誤差検出回路と、前記スイッチ素子のオフ時間を制御する時定数可変回路とを備え、前記時定数可変回路は、前記誤差検出回路で検出された前記直流出力電圧と基準電圧との誤差電圧に応じて前記パルス発生回路の時定数設定用抵抗成分を変化させることにより前記スイッチ素子のオフ時間を制御することを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。A resonant DC-DC converter having a switch element for chopping a DC voltage at a predetermined frequency and converting it to AC, and a rectifying and smoothing unit for converting the converted AC to DC and smoothing to generate a DC output voltage. So,
A pulse generation circuit that outputs a switching pulse signal having a predetermined frequency to the switch element; an error detection circuit that compares the DC output voltage with a reference voltage to detect an error voltage; and controls an off time of the switch element. A time constant variable circuit, wherein the time constant variable circuit changes a time constant setting resistance component of the pulse generation circuit according to an error voltage between the DC output voltage detected by the error detection circuit and a reference voltage. The resonant DC-DC converter controls the off time of the switch element by causing the switch element to turn off .
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