JP3613907B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リアクトル、逆流素子用ダイオード及びスイッチング素子を使用したスイッチングレギュレータ方式の昇圧型スイッチング電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3には、従来の昇圧型スイッチング電源装置の一例が示されている。この図3に示した装置は、車載用のバッテリ1の出力電圧(12v)を4倍の48vに昇圧して出力端子Tout から出力するためのもので、基本的な構成要素として、入力端子Tinと出力端子Tout との間に接続されたリアクトル2及び逆流阻止用のダイオード3と、ダイオード3のアノード側とグランド端子との間に接続されたチョッピング用トランジスタ4(npn形)とを備えて成る。
【0003】
トランジスタ4は、AND回路5からベース信号を受けるようになっており、そのAND回路5の一対の入力端子には、信号発生器6及び比較回路7からの各出力が与えられるようになっている。この場合、信号発生器6は、トランジスタ4のオンタイミングを決定するための駆動パルスPz(図4(a)参照)を出力する。また、比較回路7は、ハイインピーダンスの分圧回路8を介して与えられる分圧電圧Vd(出力端子Tout からの出力電圧に比例)と、図示しない基準電圧発生回路から与えられる基準電圧Vref (出力端子Tout からの出力電圧レベル(=48v)を決定するために設定される電圧)とを比較し、Vd≦Vref の関係にある期間のみハイレベル信号を出力する構成となっている。
【0004】
さらに、出力端子Tout 側には周知の平滑用コンデンサ9が接続され、入力端子Tin側には入力電流の脈動を抑制するための平滑用コンデンサ10が接続される。尚、Rは出力端子Tout とグランド端子との間に接続された負荷である。
【0005】
上記のような構成では、信号発生回路6から出力される駆動パルスPzが立ち上がった状態にあり、且つ出力電圧レベルが48v未満にある期間(Vd≦Vref の関係にある期間)のみ、AND回路5からハイレベル信号が出力されてトランジスタ4がオンされる。トランジスタ4のオン期間には、バッテリ1からリアクトル2及びトランジスタ4を通じて電流が流れ、トランジスタ4のオフ期間には、リアクトル2に蓄積されたエネルギに応じた電流がダイオード3を通じて流れることになる。
【0006】
出力端子Tout に抵抗性の負荷Rが接続された状態においては、トランジスタ4が、図4(b)に示すように周期的にオンオフ動作されるようになり、これに応じてリアクトル2に流れる電流I1 は図4(c)に示すように変動することになる。尚、図4には、信号発生器6からの駆動パルスPzの波形、トランジスタ4のオンオフ波形、リアクトル2に流れる電流I1 の波形、バッテリ1のからの入力電流Iinの波形、ダイオード3を通じて流れる出力電流Iout の波形(コンデンサ9による平滑前の波形)を示す。
【0007】
ここで、リアクトル2のインダクタンスをL、その両端電圧をV、リアクトル2に流れる電流の時間微分値をΔI/Δtとした場合、V=L・ΔI/Δtという関係が成立するから、トランジスタ4のオン期間における電流I1 の勾配は、12v/Lで得られる。また、トランジスタ4のオフ期間における電流I1 の勾配は、(48v−12v)/L=36v/Lとなる。従って、その電流I1 の立上がり時の勾配の傾きは、立ち下がり時の勾配の1/3倍になる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来構成においては、出力側に出力電流Iout を平滑するための平滑用コンデンサ9を設けることは勿論のこと、入力側にも平滑用コンデンサ10を接続する必要がある。即ち、コンデンサ10を接続しない構成では、入力電流Iinが大きく脈動することに起因して電源ラインに大きなノイズが誘起されることになるため、このノイズが他の電子回路装置に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。従って、このような事情に対処するために、入力側にもコンデンサ10を接続して、入力電流Iinの脈動を図4(d)に示すように抑制する必要が出てくる。
【0009】
ところで、上述したような入力電流Iinの脈動抑制機能を十分に発揮するためには、平滑用コンデンサ10として大容量のものを使用する必要が出てくるが、一般的に大容量のコンデンサは、回路部品として比較的高価でしかも大形の部品であるため、これが装置全体の小形化やコストダウンの障害になるという問題点となっていた。
【0010】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力電流の脈動を抑制するために大容量のコンデンサを用いる必要がなくなって、装置全体の小形化及びコストダウンを実現可能になるなどの効果を奏するスイッチング電源装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
一般的に、直流電源の出力電圧をリアクトル、逆流素子用ダイオード及びチョッピング用スイッチング素子を利用して昇圧するようにしたスイッチングレギュレータ方式の電源装置は、チョッピング用スイッチング素子のオン期間に直流電源からリアクトル及び当該スイッチング素子を通じて電流が流れ、上記スイッチング素子のオフ期間にリアクトルに蓄積されたエネルギに応じた電流が逆流素子用ダイオードを通じて流れるという動作が繰り返されることにより、直流電源の出力電圧が昇圧されるものである。
【0012】
請求項1記載の構成によれば、並列接続されたn個のリアクトルとそれぞれ対応されたn個のチョッピング用スイッチング素子が、制御手段によって2π/nずつ位相がずれた状態でスイッチング動作され、これに応じてn倍の昇圧比が得られる。このようなスイッチング動作が行われた場合、各リアクトルに流れる電流の増減タイミングが互いにずれた状態となるため、それらリアクトルに流れる電流の合成電流、つまり直流電源からの入力電流の波形は、全体として脈動が少ない状態の波形となる。この結果、入力電流の脈動に起因して電源ラインに大きなノイズを誘起する虞が小さくなるため、従来構成のように大容量の平滑用コンデンサを設ける必要がなくなり、以て装置全体の小形化及びコストダウンを実現できるようになる。
【0013】
請求項2記載の構成によれば、パルス発生手段が発生する駆動パルスによって、n個のチョッピング用スイッチング素子のオンタイミングの位相が2π/nずつずれるように制御され、また、出力電圧が設定電圧以上となったときに、電圧検知手段が発生する信号により上記チョッピング用スイッチング素子がオフされるようになる。このため、チョッピング用スイッチング素子のオン期間の制御が正確に行われるようになって、出力電圧レベルの制御精度が高くなる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図1及び図2を参照しながら説明する。
即ち、この実施例は、電気自動車内に設けられる各種の回路装置を駆動するためのスイッチング電源装置を対象としたものであり、電源電圧を12vから48vに昇圧する例(昇圧比が4倍の例)を示している。
【0015】
図1において、直流電源である車載用バッテリ11(定格出力電圧12v)のプラス側端子に接続された入力端子Tinには、合計4個のリアクトル12a〜12dの一端側が接続されており、これらリアクトル12a〜12dの他端側は、それぞれ逆流阻止用ダイオード13a〜13dを個別に介して出力端子Tout に接続されている。また、ダイオード13a〜13dの各アノード側とグランド端子との間には、チョッピング用スイッチング素子としてのnpn形トランジスタ14a〜14dのコレクタ・エミッタ間が接続されている。尚、バッテリ11のマイナス側端子はグランド端子に接続される。
【0016】
上記トランジスタ14a〜14dは、それぞれと対応されたAND回路15a〜15dからベース信号を受けるようになっている。AND回路15a〜15dは、各一方の入力端子に、信号発生器16の出力端子Qa〜Qdからの出力がそれぞれ与えられると共に、各他方の入力端子に、比較回路17からの出力が与えられるようになっている。
【0017】
上記信号発生器16は、本発明でいうパルス発生手段に相当するもので、その出力端子Qa〜Qdから、トランジスタ14a〜14dのオンタイミングを決定するための駆動パルスPa〜Pd(図2(a)、(d)、(g)、(j)参照)を出力する構成となっている。この場合、各駆動パルスPa〜Pdは、互いの位相がπ/2(90°)ずつずれた状態とされている。
【0018】
また、比較回路17は、分圧回路18とで本発明でいう電圧検知手段19を構成するもので、その分圧回路18を介して与えられる分圧電圧Vd(出力端子Tout からの出力電圧に比例)と、図示しない基準電圧発生回路から与えられる基準電圧Vref (出力端子Tout からの出力電圧レベル(=48v)を決定するために設定される電圧)とを比較し、Vd≦Vref の関係にある期間のみハイレベル信号を出力する構成となっている。尚、上記分圧回路18は、出力端子Tout とグランド端子との間に抵抗18a及び18bの直列回路を接続することにより構成されたもので、そのインピーダンスは十分に高く設定されている。
【0019】
出力端子Tout 側には、ダイオード13a〜13dを通じた出力電流を平滑するための平滑用コンデンサ20が接続されており、この出力端子Tout とグランド端子との間には負荷Rが接続される。
【0020】
上記のような構成によれば、トランジスタ14a〜14dとそれぞれ対応されたAND回路15a〜15dからは、信号発生回路16から出力される駆動パルスPa〜Pdが立ち上がった状態にあり、且つ出力電圧レベルが48v未満にある期間(Vd≦Vref の関係にある期間)のみハイレベル信号が出力される。この場合、上記駆動パルスPa〜Pdは、その位相がπ/2ずつずれた状態となっているから、各トランジスタ14a〜14dは、図2に示すように、π/2ずつ位相がずれた状態でオンされるようになる。
【0021】
各トランジスタ14a〜14dのオン期間には、バッテリ11からリアクトル12a〜12dに電流が供給され、トランジスタ14a〜14dのオフ期間には、リアクトル12a〜12dに蓄積されたエネルギに応じた電流がそれぞれに対応したダイオード13a〜13dを通じて流れることになる。
【0022】
出力端子Tout に抵抗性の負荷Rが接続された状態においては、トランジスタ14a〜14dが周期的にオンオフ動作されるようになり、これに応じてリアクトル12a〜12dにそれぞれ流れる電流Ia〜Idは図2(c)、(f)、(i)、(l)に示すように変動することになる。尚、図2には、信号発生器16からの駆動パルスPa〜Pdの波形、トランジスタ14a〜14dのオンオフ波形、リアクトル12a〜12dに流れる電流Ia〜Idの波形、バッテリ11のからの入力電流Iinの波形、ダイオード13a〜13dを通じて流れる合計出力電流Iout の波形(平滑用コンデンサ20による平滑前の波形)を示す。
【0023】
ここで、バッテリ11の出力電圧12vを48vに昇圧する場合、従来構成の説明で述べたと同様に、トランジスタ14a〜14dのオン期間における電流Ia〜Idの各立上がり勾配は、トランジスタ14a〜14dのオフ期間における電流Ia〜Idの各立ち下がり勾配の1/3倍になることが分かる。
【0024】
ところで、入力電流Iinは、各リアクトル12a〜12dに流れる電流Ia〜Idの総和に相当するものであるが、上記構成のように、同じ割合で直線的な増減を繰り返す各電流Ia〜Idの位相がπ/2ずつずれた状態となっていた場合には、入力電流Iin(=Ia+Ib+Ic+Id)の波形は図2(m)に示すようにフラットな直流となる。この結果、入力電流Iinの脈動に起因して電源ラインに大きなノイズが誘起される事態を招く虞がなくなる。
【0025】
従って、入力電流Iinの変動を抑制するために、従来構成のように大容量の平滑用コンデンサ10(図3参照)を設ける必要がなく、また、平滑用のコンデンサを設けるとしても小容量のもので済むから、装置全体の小形化及びコストダウンを実現できるようになる。尚、本実施例では、トランジスタ14a〜14dなどの回路素子数が従来構成より増えているが、例えば、トランジスタ14a〜14d自体は従来構成のトランジスタ4(図3参照)より小容量のもので済むようになるから、トータルで見ればコストダウンを実現できる。
【0026】
また、信号発生器16から出力される4種類の駆動パルスPa〜Pdによって、4個のトランジスタ14a〜14dのオンタイミングの位相がπ/2ずつずれるように制御し、また、出力電圧が48v以上となったときに、電圧検知手段19内の比較回路17から出力される信号(ローレベル信号)により上記トランジスタ14a〜14dをオフする制御を行う構成としたから、トランジスタ14a〜14dのオン期間の制御を正確に実行できるようになる。この結果、出力電圧レベルの制御精度が高くなると利点もある。
【0027】
さらに、トランジスタ14a〜14dのスイッチング周波数を小さくした場合でも従来と同等の出力を得る構成が可能であり、このようにスイッチング周波数を下げた場合には、スイッチングノイズの発生を抑制できると共に、全体のスイッチング損失を低減できる利点が出てくる。しかも、トランジスタ14a〜14d或いはダイオード13a〜13dの何れかで故障が発生した場合でも、出力レベルがある程度以上のレベルに保持されるから、フェイルセーフ機能が得られるという副次的効果も期待できるようになる。
【0028】
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
上記実施例では、昇圧比を4倍に設定する例で説明したが、整数倍であれば任意に設定可能である。つまり、昇圧比をn倍(nは2以上の整数)に設定する場合には、リアクトル、逆流素子用ダイオード及びチョッピング用スイッチング素子をn個ずつ設ければ良い。また、チョッピング用スイッチング素子としてはバイポーラトランジスタに限らず、他の半導体スイッチング素子を利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す電気回路構成図
【図2】各部波形を示すタイミングチャート
【図3】従来例を示す電気回路構成図
【図4】
各部波形を示すタイミグチャート
【符号の説明】
図面中、11は車載用バッテリ(直流電源)、12a〜12dはリアクトル、13a〜13dは逆流阻止用ダイオード、14a〜14dはトランジスタ(チョッピング用スイッチング素子)、16は信号発生器(パルス発生手段)、17は比較回路、18は分圧回路、19は電圧検知手段を示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a step-up switching power supply device of a switching regulator type using a reactor, a diode for a backflow element, and a switching element.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows an example of a conventional step-up switching power supply device. The device shown in FIG. 3 is for boosting the output voltage (12v) of the in-
[0003]
The transistor 4 receives a base signal from the
[0004]
Further, a known
[0005]
In the above configuration, the
[0006]
In the state where the resistive load R is connected to the output terminal Tout, the transistor 4 is periodically turned on and off as shown in FIG. 4B, and the current flowing through the
[0007]
Here, when the inductance of the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional configuration as described above, a
[0009]
By the way, in order to sufficiently exhibit the function of suppressing the pulsation of the input current Iin as described above, it is necessary to use a capacitor having a large capacity as the
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to eliminate the need to use a large-capacitance capacitor in order to suppress pulsation of the input current, thereby reducing the size and cost of the entire apparatus. An object of the present invention is to provide a switching power supply device that achieves an effect such as realization.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In general, a switching regulator type power supply device that boosts the output voltage of a DC power supply using a reactor, a reverse-current element diode, and a chopping switching element, is connected to the reactor from the DC power supply during the ON period of the chopping switching element. In addition, the output voltage of the DC power supply is boosted by repeating the operation in which a current flows through the switching element and a current corresponding to the energy stored in the reactor flows through the reverse-current element diode during the OFF period of the switching element. Is.
[0012]
According to the configuration of the first aspect, the n chopping switching elements respectively corresponding to the n reactors connected in parallel are switched by the control means while being out of phase by 2π / n. In response to this, a boost ratio of n times is obtained. When such a switching operation is performed, since the increase / decrease timing of the current flowing through each reactor is shifted from each other, the combined current of the current flowing through these reactors, that is, the waveform of the input current from the DC power supply as a whole The waveform has less pulsation. As a result, the possibility of inducing large noise in the power supply line due to the pulsation of the input current is reduced, so that it is not necessary to provide a large-capacity smoothing capacitor as in the conventional configuration. Cost reduction can be realized.
[0013]
According to the configuration of the second aspect, the on-timing phase of the n chopping switching elements is controlled to be shifted by 2π / n by the driving pulse generated by the pulse generating means, and the output voltage is set to the set voltage. When this occurs, the chopping switching element is turned off by a signal generated by the voltage detection means. For this reason, the control of the ON period of the chopping switching element is accurately performed, and the control accuracy of the output voltage level is increased.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
In other words, this embodiment is intended for a switching power supply device for driving various circuit devices provided in an electric vehicle, and an example of boosting a power supply voltage from 12v to 48v (a boost ratio is 4 times). Example).
[0015]
In FIG. 1, one end side of a total of four
[0016]
The
[0017]
The signal generator 16 corresponds to the pulse generating means referred to in the present invention, and drive pulses Pa to Pd (FIG. 2 (a) for determining the ON timing of the
[0018]
The comparison circuit 17 constitutes the voltage detection means 19 in the present invention together with the
[0019]
On the output terminal Tout side, a smoothing
[0020]
According to the above configuration, the AND
[0021]
During the on period of each of the
[0022]
In the state where the resistive load R is connected to the output terminal Tout, the
[0023]
Here, when the output voltage 12v of the battery 11 is boosted to 48v, as described in the description of the conventional configuration, the rising slopes of the currents Ia to Id during the on periods of the
[0024]
By the way, the input current Iin corresponds to the sum of the currents Ia to Id flowing through the
[0025]
Therefore, it is not necessary to provide a large-capacity smoothing capacitor 10 (see FIG. 3) as in the conventional configuration in order to suppress fluctuations in the input current Iin. Therefore, it is possible to reduce the size and cost of the entire apparatus. In this embodiment, the number of circuit elements such as the
[0026]
Further, the four kinds of drive pulses Pa to Pd output from the signal generator 16 are controlled so that the phases of the ON timing of the four
[0027]
Furthermore, even when the switching frequency of the
[0028]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications or expansions are possible.
In the above embodiment, the example in which the step-up ratio is set to four times has been described. However, it can be arbitrarily set as long as it is an integer multiple. That is, when the step-up ratio is set to n times (n is an integer of 2 or more), n reactors, backflow element diodes, and n chopping switching elements may be provided. The chopping switching element is not limited to the bipolar transistor, and other semiconductor switching elements can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electric circuit configuration diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a timing chart showing waveforms of respective parts. FIG. 3 is an electric circuit configuration diagram showing a conventional example.
Timing chart showing the waveforms of each part [Explanation of symbols]
In the drawing, 11 is a vehicle-mounted battery (DC power supply), 12a to 12d are reactors, 13a to 13d are backflow blocking diodes, 14a to 14d are transistors (chopping switching elements), and 16 is a signal generator (pulse generating means). , 17 is a comparison circuit, 18 is a voltage dividing circuit, and 19 is a voltage detection means.
Claims (2)
昇圧比をn倍(nは2以上の整数)に設定する場合に、並列接続されたn個のリアクトルとこれらリアクトルとそれぞれ対応されたn個のチョッピング用スイッチング素子を設け、
前記n個のチョッピング用スイッチング素子を、2π/nずつ位相がずれた状態でスイッチング動作させる制御手段を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。In a switching regulator type power supply device that boosts the output voltage of a DC power supply using a reactor, a diode for backflow element and a switching element for chopping,
When the step-up ratio is set to n times (n is an integer of 2 or more), n reactors connected in parallel and n switching elements for chopping respectively corresponding to these reactors are provided.
A switching power supply device comprising a control means for switching the n chopping switching elements in a state of being shifted in phase by 2π / n.
前記n個のチョッピング用スイッチング素子のオンタイミングを決定するための2π/nずつ位相がずれた状態のn種類の駆動パルスを発生するパルス発生手段と、
出力電圧が設定電圧以上となったときに前記チョッピング用スイッチング素子をオフさせるための信号を発生する電圧検知手段とにより構成されていることを特徴とする請求項1記載のスイッチング用電源装置。The control means includes
Pulse generating means for generating n types of drive pulses in a phase-shifted state by 2π / n for determining the on-timing of the n chopping switching elements;
2. The switching power supply device according to claim 1, further comprising: a voltage detection unit that generates a signal for turning off the chopping switching element when an output voltage becomes equal to or higher than a set voltage.
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