JP4082200B2

JP4082200B2 - DC-DC converter

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Publication number: JP4082200B2
Application number: JP2002360824A
Authority: JP
Inventors: 幸男加藤; 世紀坂田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004194452A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチング素子のスイッチング動作を用いたＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング素子を用いたフライバック方式のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、コンバータ起動時や２次側の出力の短絡時等、２次側の出力電圧が０Ｖあるいは低電圧状態にある場合、１次側電流が急激に増加するいわゆる突入電流が発生する。
コンバータ起動直後に１次側電流が急激に増加するのに対応する方法としては、ソフトスタートと称される起動方法が用いられている。これは、コンバータ起動直後、２次側の出力電圧が０Ｖの状態から電圧の高い定常状態となるまでの過渡期間において、１次側電流が急激に増加するのを防ぐため、１次側のスイッチング素子のオン時間を徐々に長くして、１次側のトランスに流れる電流を小電流から徐々に上昇させることにより出力電圧を徐々に高めて定常状態にする方法である。
【０００３】
また、２次側の出力の短絡時に１次側電流が急激に増加するのに対応する方法として、１次側のスイッチング素子に流れる過電流を検知してスイッチング動作を停止させる過電流防止のための保護回路が設けられている。
これらの方法により１次側のスイッチング素子に過電流が流れて動作不能になったり破壊するのを防止している。
また、上述した過電流保護機能を有するＤＣ−ＤＣコンバータの他の例として、過電流制御時に過電流閾値電圧を変えることによって素子を保護するものがある（例えば、特許文献１参照）。さらに、周波数減少回路との組み合わせで過電流を防止するコンバータ用１次側コントローラがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３０８２３９号公報（第５−８頁、図１）
【特許文献２】
特開平６−２４５５０３号公報（第３−４頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ソフトスタートを用いた起動方法では、トランスの１次側コイルには、当初から大電流を流すのではなく、徐々に大きな電流を流すように電流値を高めていくため、トランスの２次側の出力電圧を定常運転時の所望の値まで高めるのに時間がかかってしまうという問題点がある。
そこで、後で詳述するが、コンバータ起動時に、スイッチング素子を制御するＰＷＭ制御部から高いデューティを与えてコンバータ起動当初から大電流を流すとともに、上述した過電流保護回路を利用してスイッチング素子に流れる過電流を防止し、コンバータを短時間で定常状態まで立ち上げる方法が考えられている。
しかしながら、こうした過電流保護回路においては、過電流の検出からスイッチング素子の動作停止までに所定の時間を必要とする。この時間が過電流防止保護回路の動作遅れ時間となり、この動作遅れに起因して１次側、２次側の電流がどんどん上昇しいわゆる電流暴走が発生して、過電流保護回路が機能し得なくなるという問題点がある。
【０００６】
このような方法を用いた場合に発生する上述した電流暴走の現象を具体的に説明する。過電流保護回路としてパルス・バイ・パルス過電流（ＯＣＬ）判定部（以下、ＯＣＬ判定部と略す）が設けられたＤＣ−ＤＣコンバータの電気回路の構成を図７に示す。
トランス１の１次側において、トランス１の１次側コイル１ａの一端は図示しない入力電圧Ｖinの直流電源に接続され、他端はＭＯＳトランジスタ等からなるスイッチング素子（Ｍ１）６に接続されている。スイッチング素子６には過電流検出抵抗７が接続され、過電流検出抵抗７はトランス１の１次側のグランドに接地される。
【０００７】
また、トランス１の１次側に設けられたＰＷＭ制御部２は、トランス１の２次側の出力電圧Ｖout に連動する電圧をフィードバック信号として入力し、２次側の出力電圧Ｖout が目標の値になるような所定のデューティ信号Ｄ１（パルス幅変調信号）を出力する。ＡＮＤ回路３にはこのデューティ信号Ｄ１およびＯＣＬ判定部４からの出力信号Ｓ１が入力され、これらの信号の論理積が出力される。ＡＮＤ回路３には駆動回路５が接続され、駆動回路５にはスイッチング素子６が接続されている。駆動回路５は、ＡＮＤ回路３の出力信号Ｐ１に基づいてスイッチング素子６をオン、オフさせる。
【０００８】
また、ＯＣＬ判定部４には、スイッチング素子６と過電流検出抵抗７との間の電位Ｖｒが入力される。ＯＣＬ判定部４は、入力された電位Ｖｒを基に、スイッチング素子６に流れる電流ｉ１が、図８および９に示されるＯＣＬ閾値以上の過電流である場合に、ＡＮＤ回路３に出力する出力信号Ｓ１をＬｏにし、スイッチング素子６を強制的にオフするように構成されている。
一方、トランス１の２次側において、２次側コイル１ｂに整流ダイオード１１および平滑コンデンサ（Ｃ１）１２が接続され、平滑コンデンサ１２はグランドに接地される。整流ダイオード１１および平滑コンデンサ１２の間の位置１３からＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖout が取り出され、この出力電圧Ｖout に連動するフィードバック電圧がＰＷＭ制御部２にフィードバックされ、ＰＷＭ制御部２の制御に利用される。
【０００９】
ＰＷＭ制御部２からのデューティ信号Ｄ１に基づいてスイッチング素子６がオンするごとに、そのオン時間に対応して１次側コイル１ａに１次側電流ｉ１が流れる。スイッチング素子６がオフすると、２次側コイル１ｂに２次側電流ｉ２が誘起される。この２次側コイル１ｂに流れる２次側電流ｉ２によりＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖout が発生する。
【００１０】
図８および９は、トランス１の１次側コイル１ａを流れる１次側電流ｉ１および２次側コイル１ｂを流れる２次側電流ｉ２の様子を示すタイミングチャートである。
図８は、２次側の出力電圧Ｖout が高い定常状態の様子を示し、図９は、ＤＣ−ＤＣコンバータの起動時や２次側の出力の短絡時等、２次側の出力電圧Ｖout が低い状態にある場合の様子を示す。
図８において、スイッチング素子６がオンすると、１次側電流ｉ１は徐々に上昇し、それとともに、電位Ｖｒが上昇する。１次側電流ｉ１がＯＣＬ閾値ｉＳ１に達すると、ＯＣＬ判定部４が出力信号Ｓ１をＬｏにし、ＰＷＭ制御部２からのデューティ出力にかかわらず、スイッチング素子６を強制的にオフする。ここで、ＯＣＬ判定部４は１次側電流ｉ１がＯＣＬ閾値ｉＳ１に達したことを検知してスイッチング素子６をオフするまでに動作遅れを有するため、１次側電流ｉ１の終期値ｉ１０がＯＣＬ閾値ｉＳ１を多少上回った時点で、スイッチング素子６がオフされることになる。
【００１１】
スイッチング素子６がオフすると、２次側コイル１ｂに２次側電流ｉ２が流れる。この２次側電流ｉ２は、以下のように求められる。

但し、ｉ１：スイッチング素子６のオフした時点の１次側電流
ｎ１：１次側コイル１ａの巻数，ｎ２：２次側コイル１ｂの巻数
Δｉ２：スイッチング素子６のオフ時間中の２次側電流変化分
Δｔoff：スイッチング素子６のオフ時間
Ｌ２：２次側コイル１ｂのインダクタンス
である。
２次側電流ｉ２の初期値ｉ２０は、ＯＣＬ閾値ｉＳ１に巻き比ｎ１／ｎ２を乗算した値である１次側換算ＯＣＬ閾値ｉＳ２の値をわずかに上回る値である。
【００１２】
図８の場合は、出力電圧Ｖout が高いので、その後の２次側電流ｉ２は、初期値ｉ２０に対して急激に減少し、再度スイッチング素子６がオンする前にｉ２＝０になっている。そして、再度スイッチング素子６がオンした瞬間の１次側電流ｉ１＝（ｎ２／ｎ１）×ｉ２＝０として求められる。
さらに、その後の１次側電流ｉ１は以下のように求められる。
ｉ１＝（ｎ２／ｎ１）×ｉ２＋Ｖin／Ｌ１×Δｔon ………（式２）
但し、ｉ２：スイッチング素子６のオンした時点の２次側電流
Ｖin：１次側の入力電圧
Δｔon：スイッチング素子６のオン時間
Ｌ１：１次側コイル１ａのインダクタンス
である。
この図の場合、スイッチング素子６が再度オンしたとき、すでに２次側電流ｉ２は０になっているので、１次側電流ｉ１は、再度０から上昇する。
【００１３】
一方、図９の示されるように、コンバータ起動時等出力電圧Ｖout が低い場合、ＯＣＬ判定部４は、出力電圧Ｖout が高い場合と同様に、１次側電流ｉ１の終期値ｉ１１がＯＣＬ閾値ｉＳ１を多少上回った時点で、スイッチング素子６がオフされる。
２次側電流ｉ２の初期値ｉ２１は、図８の初期値ｉ２０と同じであるが、その後の２次側電流ｉ２は、上述した（式１）におけるＶout の値が小さいため、初期値ｉ２１に対して緩やかに減少する。
そのため、再度スイッチング素子６がオンするときにも、２次側電流ｉ２が高い値を維持しているため、１次側電流ｉ１２は、例えば、ＯＣＬ閾値ｉＳ１付近から、（式２）に基づいて再度上昇する。この際の１次側電流ｉ１は、ＯＣＬ閾値ｉＳ１を越えているため、ＯＣＬ判定部４は即座に過電流と判定し、スイッチング素子６がオフされるが、ＯＣＬ判定部４の動作遅れにより、スイッチング素子６がオフしたときの１次側電流の終期値ｉ１３は、前回の終期値ｉ１１よりもさらに上昇する。このような動作が繰り返され、１次側電流がＯＣＬ閾値ｉＳ１を越えて次々に上昇する電流暴走が発生する。
【００１４】
このような電流暴走が発生することを考慮し、スイッチング素子等ＤＣ−ＤＣコンバータの回路に用いられる素子については、素子の定格のマージンを十分取る必要があり、サイズが大きく、コストも高い素子を使用しなければならない。また、これらの定格の高い素子を使用することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの回路が大型化しまた、回路全体のコストも高いものになってしまうという問題点がある。
【００１５】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、ＤＣ−ＤＣコンバータ起動時における定常状態までの立ち上がり時間を短くするとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ起動時や２次側の出力の短絡時の電流暴走を防止したＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、１次側コイルを介して直流電源に接続され且つデューティ制御されるスイッチング素子のスイッチング動作に伴って、２次側コイルに誘起される電流から直流電圧を生成するＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、スイッチング素子をデューティ制御するＰＷＭ制御部と、スイッチング素子を流れる過電流を検出した場合、ＰＷＭ制御部によるデューティ制御にかかわらず、スイッチング素子をオフする過電流判定部と、この過電流判定部のオフ動作によりスイッチング素子がオフした後、その後の２次側の出力に応じて所定のスキップ時間だけ継続してスイッチング素子をオフすることにより、デューティ制御のサイクルを変更するスキップ判定部とを有し、２次側の出力は、２次側出力電圧であって、２次側出力電圧が高くなるにしたがってスキップ時間を短くすることを特徴とするものである。過電流判定部のオフ動作によりスイッチング素子がオフした後、２次側出力電圧が低い場合には長くし、２次側出力電圧が高くなるに従って短くしたスキップ時間だけ継続してスイッチング素子をオフすることにより、電流暴走を防止しつつ、ＤＣ−ＤＣコンバータ起動時の立ち上がりを早めている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１にこの発明の実施の形態１に係るＤＣ−ＤＣコンバータの電気回路図を示す。
このＤＣ−ＤＣコンバータは、図７のＤＣ−ＤＣコンバータに対して、主に、スキップ判定部としてパルスＳＫＩＰ判定部３０を追加して設けたものである。
【００１９】
トランス１の１次側において、トランス１の１次側コイル１ａ（インダクタンスＬ１、巻数ｎ１）の一端は図示しない入力電圧Ｖinの直流電源に接続され、他端は例えばＭＯＳトランジスタからなるスイッチング素子（Ｍ１）６に接続されている。スイッチング素子６には過電流検出抵抗７が接続され、過電流検出抵抗７はトランス１の１次側のグランドに接地される。
また、トランス１の１次側に設けられたＰＷＭ制御部２は、トランス１の２次側の出力電圧Ｖout に連動するフィードバック電圧をフィードバック信号として入力し、２次側の出力電圧Ｖout が目標の値になるように所定のデューティ信号Ｄ１（パルス幅変調信号）を出力するＩＣである。
【００２０】
さらに、ＰＷＭ制御部２は、ＡＮＤ回路２３の入力側に接続されている。このＡＮＤ回路２３の入力側は、ＯＣＬ判定部４およびパルスＳＫＩＰ判定部３０にも接続されている。したがって、ＡＮＤ回路２３には、ＰＷＭ制御部２からのデューティ信号Ｄ１、ＯＣＬ判定部４からの出力信号Ｓ１およびパルスＳＫＩＰ判定部３０からの出力信号Ｔ１が入力され、これらの信号の論理積が出力信号Ｐ１として出力される。
ＡＮＤ回路２３の出力側は駆動回路５に接続され、駆動回路５にはスイッチング素子６が接続されている。駆動回路５は、ＡＮＤ回路２３の出力信号Ｐ１に基づいてスイッチング素子６をオン、オフさせる。
【００２１】
また、ＯＣＬ判定部４は、ＮＯＴ回路２５を介して、パルスＳＫＩＰ判定部３０の入力端子３１に接続されている。さらに、ＯＣＬ判定部４には、スイッチング素子６と過電流検出抵抗７との間の電位Ｖｒが入力される。ＯＣＬ判定部４は、入力された電位Ｖｒを基に、スイッチング素子６に流れる電流ｉ１が図３に示されるＯＣＬ閾値ｉＳ１以上の過電流である場合に、ＡＮＤ回路２３およびＮＯＴ回路２５に出力する出力信号Ｓ１をＬｏにする。ここで、ＯＣＬ判定部４、過電流検出抵抗７およびＡＮＤ回路２３は過電流判定部を構成する。過電流判定部は、スイッチング素子６を流れる電流ｉ１を検出し、検出した電流ｉ１が基準値以上のときはスイッチング素子６をオフするように構成されている。
【００２２】
一方、トランス１の２次側において、２次側コイル１ｂ（インダクタンスＬ２、巻数ｎ２）に整流ダイオード１１および平滑コンデンサ（Ｃ１）１２が接続され、平滑コンデンサ１２はグランドに接地される。整流ダイオード１１および平滑コンデンサ１２によりＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖout が直流電圧として生成され、これらの間の位置１３から取り出され図示しない他の回路に供給されるとともに、出力電圧Ｖout に連動する電圧がＰＷＭ制御部２にフィードバックされＤＣ−ＤＣコンバータの制御に利用される。
【００２３】
パルスＳＫＩＰ判定部３０の入力端子３３は、直列に配置された抵抗４１および４２の間に接続されている。抵抗４１は一端に出力電圧Ｖout がかかり、抵抗４２は一端が接地されており、２次側の出力電圧Ｖout に連動する分圧Ｖｓが入力端子３３に入力される。
ここで、分圧Ｖｓは、
Ｖｓ＝Ｖout ×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２） ………（式３）
として表される。
【００２４】
図２に詳細に示されるように、パルスＳＫＩＰ判定部３０には、第１オペアンプ３４および第２オペアンプ３５が配置されている。第１オペアンプ３４の入力端子（＋）には分圧Ｖｓが入力される。第２オペアンプ３５の入力端子（＋）は、オフセット電圧をかけるためにパルスＳＫＩＰ判定部３０の基準電圧Ｖ１に接続され、反転入力端子（−）には、第１オペアンプ３４の出力が抵抗値Ｒ４の抵抗３７を介して入力される。また、第２オペアンプ３５には抵抗値Ｒ５の帰還抵抗３８が接続されている。
【００２５】
このように構成された回路により、第２オペアンプ３５の出力として閾値電圧Ｖｔが生成される。
ここで、閾値電圧Ｖｔは、
Ｖｔ＝Ｖ１＋（Ｒ５／Ｒ４）×(Ｖ１−Ｖｓ） ………（式４）
として表される。
次に、第２オペアンプ３５の出力は、コンパレータ３６の反転入力端子（−）に入力される。また、コンパレータ３６の入力端子（＋）は、ＭＯＳトランジスタである放電スイッチ（Ｍ２）３９と静電容量Ｃ２のコンデンサ４０が並列に接続された回路に接続されている。この放電スイッチ３９およびコンデンサ４０には所定の電源に接続された基準電流Ｉref が流れる。
【００２６】
放電スイッチ３９は、ＮＯＴ回路２５を介してＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１により制御され、出力信号Ｓ１がＬｏのときにオンされ、出力信号Ｓ１がＨｉのときにオフされる。
ここで、パルスＳＫＩＰ判定部３０、ＮＯＴ回路２５およびＡＮＤ回路２３はスキップ判定部を構成する。なお、ＡＮＤ回路２３は過電流判定部を構成するとともにスキップ判定部をも構成することになる。
【００２７】
次に、この発明の実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの動作を図１および２の電気回路図並びに図３のタイムチャートに従って説明する。
図３のタイムチャートは、ＤＣ−ＤＣコンバータの起動時、すなわち２次側の出力電圧Ｖout が当初０Ｖである場合における、トランス１の１次側コイル１ａを流れる１次側電流ｉ１および２次側コイル１ｂを流れる２次側電流ｉ２の様子を示すタイミングチャートである。
【００２８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ起動当初、時刻ｔ０において、ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１およびパルスＳＫＩＰ判定部３０の出力信号Ｔ１はＨｉであり、ＰＷＭ制御部２のデューティ出力信号Ｄ１に従い、スイッチング素子６がオンする。スイッチング素子６がオンすると、１次側電流ｉ１は徐々に上昇する。１次側電流ｉ１がＯＣＬ閾値ｉＳ１に達すると、ＯＣＬ判定部４は１次側電流ｉ１が過電流であると判定して、出力信号Ｓ１をＬｏにする。
【００２９】
ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１がＬｏになることによりスイッチング素子６はオフされる。ＯＣＬ判定部４には多少の時間遅れがあるので、１次側電流ｉ１の終期値ｉ１１０がＯＣＬ閾値ｉＳ１を多少上回った時点で、スイッチング素子６がオフされることになる。
このように、時刻ｔ１において、スイッチング素子６がオフされると、２次側コイル１ｂに２次側電流ｉ２が流れる。２次側電流ｉ２の初期値ｉ１２０は、１次側電流ｉ１の終期値ｉ１１０に対応して、１次側換算ＯＣＬ閾値ｉＳ２の値をわずかに上回る値である。
その後の２次側電流ｉ２は、上述した（式１）により求められ、ｉ２＝（ｎ１／ｎ２）×ｉ１−Ｖout /Ｌ２×Δｔoff であり且つ出力電圧Ｖout は低い状態あるので、２次側電流ｉ２は緩やかに減少する。
【００３０】
また、ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１がＬｏになると、ＮＯＴ回路２５を介してパルスＳＫＩＰ判定部３０の入力端子３１がＨｉになり、放電スイッチ３９がオンする。放電スイッチ３９のオンにより、コンデンサ４０は放電される。コンデンサ４０の放電により、コンパレータ３６の入力端子（＋）電圧ＶｃはＶｔより低い電圧になるので、コンパレータ３６の出力であるパルスＳＫＩＰ判定部３０の出力信号Ｔ１も、ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１と同様にＬｏになる。
【００３１】
上述したＯＣＬ判定部４の判定によりスイッチング素子６が一旦オフすると、過電流検出抵抗７には電流が流れなくなり、ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１がＨｉになる。しかしながら、パルスＳＫＩＰ判定部３０の出力信号Ｔ１は、依然としてＬｏのままであるので、ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１がＨｉになっても、スイッチング素子６が即座にオンすることはなく、ＰＷＭ制御部２からのデューティ出力Ｄ１に従ってスイッチング素子６が動作することはない。すなわち、ＰＷＭ制御部２からのデューティ出力信号Ｄ１のパルスがスキップされることになる。
【００３２】
ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１がＨｉになると、パルスＳＫＩＰ判定部３０の入力端子３１がＬｏになり、放電スイッチ３９がオフする。
放電スイッチ３９がオフすると、コンデンサ４０が基準電流Ｉrefにより充電され、コンパレータ３６の入力端子（＋）の電圧Ｖｃは、図４に示されるように徐々に高くなる。一方、閾値電圧Ｖｔ０は、（式４）より２次側の出力電圧Ｖout の増加ともに、少しずつ減少する。
コンパレータ３６の入力端子（＋）の電圧Ｖｃが、コンパレータ３６の反転入力端子（−）に入力される閾値電圧Ｖｔを上回ると、パルスＳＫＩＰ判定部３０の出力信号Ｔ１はＨｉになる。
【００３３】
ここで、パルスＳＫＩＰ判定部３０の出力信号Ｔ１がＬｏからＨｉに切り替わるまでのスキップ時間Ｔｓは、
Ｔｓ＝Ｃ２×Ｖｔ／Ｉref ………（式５）
で求められる。
また、（式４）により表される閾値電圧Ｖｔは出力電圧Ｖout の分圧Ｖｓが小さいほど大きい。
したがって、図５の直線ａに示されるように、出力電圧Ｖout とスキップ時間Ｔｓとの間には、負の比例関係があり、出力電圧Ｖout が低いときほど、スキップ時間Ｔｓが長くなるように設定されている。
【００３４】
このように設定されたスキップ時間Ｔｓによって、パルスＳＫＩＰ判定部３０は、スキップ時間Ｔｓが経過してから出力信号Ｔ１をＬｏからＨｉに切り替えるので、スキップ時間Ｔｓの間に、ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１がたとえＨｉになっていても、ＰＷＭ制御部２のデューティ信号Ｄ１に基づいてスイッチング素子６が動作することはない。
ここでは、コンバータ起動後の、最初のスキップ時間Ｔｓ１は２次側の電流ｉ２がＯＣＬ閾値ｉＳ２を下回って減少するまでの時間になるように設定されている。
【００３５】
スキップ時間Ｔｓ１だけ経過した時刻ｔ２において、パルスＳＫＩＰ判定部３０の出力信号Ｔ１がＨｉになると、すでにＯＣＬ判定部３０の出力信号Ｓ１は、Ｈｉになっているので、ＡＮＤ回路２３の出力信号Ｐ１は、ＰＷＭ制御部２のデューティ信号Ｄ１に対応することになり、デューティ信号Ｄ１に基づいてスイッチング素子６がオンすることになる。
このとき、１次側電流ｉ１は、２次側電流ｉ２に対応して、ＯＣＬ閾値ｉＳ１を下回った付近から、（式２）に基づいて再度上昇する。１次側電流ｉ１が再度ＯＣＬ閾値ｉＳ１を越えると、ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１がＬｏになり、時刻ｔ３において、スイッチング素子６がオフされ、再度２次側電流ｉ２が誘起される。この際、スキップ時間Ｔｓ１の経過により、２次側の出力電圧Ｖout は、図９に比べ十分高められているので、２次側電流ｉ２の減少の割合が多くなる。
【００３６】
スイッチング素子６がオフされるので、ＯＣＬ判定部４の出力信号Ｓ１はＨｉに戻るが、パルスＳＫＩＰ判定部３０の出力信号Ｔ１はＬｏのままであるので、出力電圧Ｖout の値に応じて、再度スキップ時間Ｔｓ２だけ、スイッチング素子６がオフ状態に維持される。
この際、スキップ時間Ｔｓ２の経過により、２次側の出力電圧Ｖout はさらに高められ、スキップ時間Ｔｓ３のようにスキップ時間Ｔｓは出力電圧Ｖout の上昇に応じて小さくなりながら、このような一連の動作を繰り返すことによって、出力電圧Ｖout が所望の定常状態の電圧まで高められる。
【００３７】
このように、コンバータ起動当初から１次側コイル１ａに大電流を流し、再度１次側コイル１ａに電流を流すタイミングを、出力電圧Ｖout に応じたスキップ時間Ｔｓだけ遅らせることにより、電流暴走を防止しつつ、コンバータを早期に定常状態まで起動することができる。
すなわち、出力電圧Ｖout に応じてスキップ時間Ｔｓを変更して、スイッチング素子６のデューティ制御のサイクルを一時的に長くなるように変更することによって、電流暴走を防止しつつ、コンバータを早期に定常状態まで起動することができる。
また、電流暴走を防止できので、スイッチング素子等ＤＣ−ＤＣコンバータの回路に用いられる素子の定格のマージンを小さくすることができる。したがって、コンパクトで安価な素子を使用することが可能になり、ＤＣ−ＤＣコンバータの全体回路のダウンサイジングやコストダウンを図ることができる。
【００３８】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、図１のパルスＳＫＩＰ判定部３０の入力端子３３に接続される抵抗４１および４２の回路に、図６に示されるように、所定の基準電圧にＶref に一端が接続された抵抗５１を追加したものであり、その他の構成は図１と同様であるので、全体の回路図は省略する。
抵抗５１は、抵抗値Ｒ３を有し、分圧Ｖｓにオフセット電圧を与えるように構成されている。
ここで、分圧Ｖｓは、

として表される。
【００３９】
このように回路を構成すると、出力電圧Ｖout が０Ｖの場合であっても、分圧Ｖｓは０Ｖにならず、オフセット電圧が与えられる。
ところで、実施の形態１では、出力電圧Ｖout が０Ｖの場合における閾値電圧Ｖｔ０１は（式４）によりＶｔ０１＝Ｖ１＋（Ｒ５／Ｒ４）×Ｖ１となり、最大スキップ時間Ｔｓｍａｘは、（式５）によりＴｓｍａｘ＝Ｃ２×Ｖｔ０１／Ｉref となり、パルスＳＫＩＰ判定部３０の内部の回路構成により定められてしまう。
しかしながら、この実施の形態２のような回路構成にすると、出力電圧Ｖout が０Ｖの場合における、閾値電圧Ｖｔ０２は（式４）および（式６）によりＶｔ０２＝Ｖ１＋（Ｒ５／Ｒ４）×｛Ｖ１−（Ｖref ／Ｒ３）／（１／Ｒ１＋１／Ｒ２＋１／Ｒ３）｝となり、最大スキップ時間Ｔｓｍａｘは、（式５）によりＴｓｍａｘ＝Ｃ２×Ｖｔ０２／Ｉref となる。
【００４０】
したがって、パルスＳＫＩＰ判定部３０の入力端子３３に入力される分圧Ｖｓにオフセット電圧を与える回路を、パルスＳＫＩＰ判定部３０の外部に構成をすることにより、図５の線図ｂに示されるように、最大スキップ時間Ｔｓｍａｘを容易に変更することができる。
なお、この実施の形態２においては、最大スキップ時間Ｔｓｍａｘを上述した回路構成により変更できるようにしたが、（式５）からも明らかなように、パルスＳＫＩＰ判定部３０のコンデンサ４０の静電容量Ｃ２や基準電流Ｉref の値を変更することによっても、最大スキップ時間Ｔｓｍａｘを変更することができる。
【００４１】
上述した実施の形態１および２においては、図１、２および６に示されるように、パルスＳＫＩＰ判定部３０の入力端子３３に入力される分圧Ｖｓを生成するにあたり、２次側の出力電圧Ｖoutを利用したが、これに限定されるものではなく、ＰＷＭ制御部２に入力される２次側のフィードバック電圧を利用してもよい。すなわち、図１、２および６において、出力電圧Ｖout を抵抗４１の一端に印加する代わりに、ＰＷＭ制御部２に入力される２次側のフィードバック電圧を抵抗４１に印加する。
また、実施の形態１および２においては、スイッチング素子を用いたフライバック方式のＤＣ−ＤＣコンバータを例に説明したが、この発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、これに限定されるものではなく、フォワードタイプのＤＣ−ＤＣコンバータにも適用できる。また、トランスを用いないＤＣ−ＤＣコンバータ、例えば、極性反転コンバータ、ステップダウンコンバータにも適用できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、２次側出力電圧が低い場合には長くし、２次側出力電圧が高くなるに従って短くしたスキップ時間だけ継続してスイッチング素子をオフすることにより、デューティ制御のサイクルを変更するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ起動時における定常状態までの立ち上がり時間を短くするとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ起動時や２次側の出力の短絡時の電流暴走を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るＤＣ−ＤＣコンバータの電気回路図である。
【図２】図１のパルスＳＫＩＰ判定部の内部および周辺を示す電気回路図である。
【図３】実施の形態１に係るＤＣ−ＤＣコンバータの１次側コイル１ａを流れる１次側電流ｉ１および２次側コイル１ｂを流れる２次側電流ｉ２の様子を示すタイミングチャートである。
【図４】図１のパルスＳＫＩＰ判定部の動作を模式的に示すグラフである。
【図５】実施の形態１および２における出力電圧とスキップ時間との関係を示すグラフである。
【図６】実施の形態２に係るＤＣ−ＤＣコンバータのパルスＳＫＩＰ判定部の入力端子に接続される抵抗の回路構成を示す電気回路図である。
【図７】従来のＤＣ−ＤＣコンバータの電気回路図である。
【図８】従来のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力電圧が高い場合に、１次側電流ｉ１および２次側電流ｉ２の様子を示すタイミングチャートである。
【図９】従来のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力電圧が低い場合に、１次側電流ｉ１および２次側電流ｉ２の様子を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ａ…１次側コイル、１ｂ…２次側コイル、２…ＰＷＭ制御部、４…ＯＣＬ判定部（過電流判定部）、６…スイッチング素子、７…過電流検出抵抗（過電流判定部）、３０…パルスＳＫＩＰ判定部（スキップ判定部）、Ｔｓ…スキップ時間、Ｖout …２次側の出力電圧。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a DC-DC converter using a switching operation of a switching element.
[0002]
[Prior art]
In a flyback type DC-DC converter using a switching element, when the secondary side output voltage is 0V or in a low voltage state, such as when the converter is started or when the secondary side output is short-circuited, the primary side current is A so-called inrush current that rapidly increases is generated.
As a method corresponding to the sudden increase of the primary current immediately after the converter is started, a starting method called soft start is used. This is because switching of the primary side is prevented in order to prevent the primary side current from rapidly increasing in a transient period from when the output voltage of the secondary side becomes 0V to a steady state where the voltage is high immediately after starting the converter. This is a method in which the output voltage is gradually increased to a steady state by gradually increasing the ON time of the element and gradually increasing the current flowing through the primary transformer from a small current.
[0003]
As a method for dealing with the sudden increase in the primary current when the output on the secondary side is short-circuited, in order to prevent overcurrent that stops the switching operation by detecting the overcurrent flowing through the switching element on the primary side. A protection circuit is provided.
These methods prevent overcurrent from flowing through the switching element on the primary side to prevent it from becoming inoperable or breaking.
As another example of the DC-DC converter having the above-described overcurrent protection function, there is one that protects an element by changing an overcurrent threshold voltage during overcurrent control (see, for example, Patent Document 1). Furthermore, there is a converter primary side controller that prevents overcurrent in combination with a frequency reduction circuit (see, for example, Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-9-308239 (page 5-8, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-6-245503 (page 3-4, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the start-up method using the soft start, the current value is gradually increased so that a large current flows in the primary coil of the transformer rather than from the beginning. There is a problem that it takes time to increase the output voltage on the side to a desired value during steady operation.
Therefore, as will be described in detail later, at the time of starting the converter, a high duty is supplied from the PWM control unit that controls the switching element to flow a large current from the beginning of the converter, and the above-described overcurrent protection circuit is used for the switching element. A method of preventing the flowing overcurrent and starting the converter to a steady state in a short time is considered.
However, in such an overcurrent protection circuit, a predetermined time is required from the detection of the overcurrent to the stop of the operation of the switching element. This time becomes the operation delay time of the overcurrent protection circuit, and due to this operation delay, the primary side and secondary side currents increase and so-called current runaway occurs, and the overcurrent protection circuit can function. There is a problem of disappearing.
[0006]
The above-described current runaway phenomenon that occurs when such a method is used will be described in detail. FIG. 7 shows a configuration of an electric circuit of a DC-DC converter provided with a pulse-by-pulse overcurrent (OCL) determination unit (hereinafter abbreviated as an OCL determination unit) as an overcurrent protection circuit.
On the primary side of the transformer 1, one end of the primary side coil 1a of the transformer 1 is connected to a DC power source of an input voltage Vin (not shown), and the other end is connected to a switching element (M1) 6 made of a MOS transistor or the like. . An overcurrent detection resistor 7 is connected to the switching element 6, and the overcurrent detection resistor 7 is grounded to the primary side ground of the transformer 1.
[0007]
The PWM control unit 2 provided on the primary side of the transformer 1 inputs a voltage linked to the output voltage Vout on the secondary side of the transformer 1 as a feedback signal, and the output voltage Vout on the secondary side is a target value. A predetermined duty signal D1 (pulse width modulation signal) is output. The AND circuit 3 receives the duty signal D1 and the output signal S1 from the OCL determination unit 4, and outputs a logical product of these signals. A driving circuit 5 is connected to the AND circuit 3, and a switching element 6 is connected to the driving circuit 5. The drive circuit 5 turns on and off the switching element 6 based on the output signal P1 of the AND circuit 3.
[0008]
The OCL determination unit 4 receives the potential Vr between the switching element 6 and the overcurrent detection resistor 7. Based on the input potential Vr, the OCL determination unit 4 outputs an output signal to the AND circuit 3 when the current i1 flowing through the switching element 6 is an overcurrent greater than or equal to the OCL threshold shown in FIGS. S1 is set to Lo and the switching element 6 is forcibly turned off.
On the other hand, on the secondary side of the transformer 1, a rectifier diode 11 and a smoothing capacitor (C1) 12 are connected to the secondary coil 1b, and the smoothing capacitor 12 is grounded. An output voltage Vout of the DC-DC converter is taken out from a position 13 between the rectifier diode 11 and the smoothing capacitor 12, and a feedback voltage linked to the output voltage Vout is fed back to the PWM control unit 2 to control the PWM control unit 2. Used.
[0009]
Each time the switching element 6 is turned on based on the duty signal D1 from the PWM controller 2, the primary current i1 flows through the primary coil 1a corresponding to the ON time. When the switching element 6 is turned off, a secondary current i2 is induced in the secondary coil 1b. The output voltage Vout of the DC-DC converter is generated by the secondary current i2 flowing through the secondary coil 1b.
[0010]
8 and 9 are timing charts showing the state of the primary current i1 flowing through the primary coil 1a of the transformer 1 and the secondary current i2 flowing through the secondary coil 1b.
FIG. 8 shows a state of steady state where the output voltage Vout on the secondary side is high, and FIG. 9 shows that the output voltage Vout on the secondary side is such as when the DC-DC converter is started up or when the secondary side output is short-circuited. The situation when in a low state is shown.
In FIG. 8, when the switching element 6 is turned on, the primary side current i1 gradually increases, and at the same time, the potential Vr increases. When the primary current i1 reaches the OCL threshold value iS1, the OCL determination unit 4 sets the output signal S1 to Lo and forcibly turns off the switching element 6 regardless of the duty output from the PWM control unit 2. Here, since the OCL determination unit 4 detects that the primary current i1 has reached the OCL threshold value iS1 and turns off the switching element 6, the final value i10 of the primary current i1 is OCL. When the threshold value iS1 is slightly exceeded, the switching element 6 is turned off.
[0011]
When the switching element 6 is turned off, the secondary current i2 flows through the secondary coil 1b. The secondary current i2 is obtained as follows.

However, i1: Primary side current when the switching element 6 is turned off
n1: number of turns of the primary coil 1a, n2: number of turns of the secondary coil 1b
Δi2: Secondary side current change during the OFF time of the switching element 6
Δtoff: OFF time of the switching element 6
L2: Inductance of the secondary coil 1b
It is.
The initial value i20 of the secondary side current i2 is a value slightly higher than the value of the primary side conversion OCL threshold value iS2, which is a value obtained by multiplying the OCL threshold value iS1 by the winding ratio n1 / n2.
[0012]
In the case of FIG. 8, since the output voltage Vout is high, the subsequent secondary current i2 rapidly decreases with respect to the initial value i20, and i2 = 0 before the switching element 6 is turned on again. Then, the primary side current i1 = (n2 / n1) × i2 = 0 at the moment when the switching element 6 is turned on again is obtained.
Further, the subsequent primary side current i1 is obtained as follows.
i1 = (n2 / n1) × i2 + Vin / L1 × Δton (Equation 2)
Where i2: secondary side current when switching element 6 is turned on
Vin: Input voltage on the primary side
Δton: ON time of the switching element 6
L1: Inductance of the primary coil 1a
It is.
In the case of this figure, when the switching element 6 is turned on again, the secondary current i2 is already 0, so the primary current i1 rises from 0 again.
[0013]
On the other hand, as shown in FIG. 9, when the output voltage Vout is low such as when the converter is started, the OCL determination unit 4 determines that the final value i11 of the primary current i1 is the OCL threshold value iS1 as in the case where the output voltage Vout is high. Is slightly over, the switching element 6 is turned off.
The initial value i21 of the secondary current i2 is the same as the initial value i20 of FIG. 8, but the subsequent secondary current i2 has the initial value i21 because the value of Vout in (Equation 1) is small. On the other hand, it decreases gradually.
Therefore, even when the switching element 6 is turned on again, the secondary side current i2 maintains a high value, so that the primary side current i12 is calculated based on (Equation 2) from the vicinity of the OCL threshold value iS1, for example. Rise again. Since the primary side current i1 at this time exceeds the OCL threshold value iS1, the OCL determination unit 4 immediately determines an overcurrent and the switching element 6 is turned off. However, due to the operation delay of the OCL determination unit 4, The final value i13 of the primary current when the switching element 6 is turned off is further increased from the previous final value i11. Such an operation is repeated, and a current runaway occurs in which the primary current rises one after another exceeding the OCL threshold value iS1.
[0014]
Considering the occurrence of such current runaway, elements that are used in DC-DC converter circuits, such as switching elements, must have a sufficient element rating margin, are large in size, and expensive. Must be used. In addition, the use of these highly rated elements increases the size of the DC-DC converter circuit and increases the cost of the entire circuit.
[0015]
The present invention has been made to solve such a problem, and shortens the rise time to the steady state when the DC-DC converter is activated, and also shorts the output on the secondary side when the DC-DC converter is activated. It is an object of the present invention to provide a DC-DC converter that prevents current runaway during operation.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The DC-DC converter according to claim 1 of the present invention is based on a current induced in the secondary coil in accordance with the switching operation of the switching element connected to the DC power source via the primary coil and controlled in duty. In a DC-DC converter that generates a DC voltage, a switching element is used.When an overcurrent flowing through a switching element and a PWM control unit that performs duty control is detected, an overcurrent determination unit that turns off the switching element regardless of duty control by the PWM control unit, and switching by an off operation of the overcurrent determination unit After the element is turned off, it has a skip determination unit that changes the duty control cycle by turning off the switching element continuously for a predetermined skip time according to the output on the secondary side thereafter. Output is the secondary output voltage, and the skip time is shortened as the secondary output voltage increasesIt is characterized by doing.After the switching element is turned off by the off operation of the overcurrent determination unit, the switching element is turned off continuously for a skip time which is lengthened when the secondary output voltage is low and shortened as the secondary output voltage becomes high. As a result, while the current runaway is prevented, the rise at the start of the DC-DC converter is accelerated.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows an electric circuit diagram of a DC-DC converter according to Embodiment 1 of the present invention.
This DC-DC converter is mainly provided by adding a pulse SKIP determination unit 30 as a skip determination unit to the DC-DC converter of FIG.
[0019]
On the primary side of the transformer 1, one end of the primary side coil 1a (inductance L1, number of turns n1) of the transformer 1 is connected to a DC power source of an input voltage Vin (not shown), and the other end is a switching element (M1) made of, for example, a MOS transistor. ) 6. An overcurrent detection resistor 7 is connected to the switching element 6, and the overcurrent detection resistor 7 is grounded to the primary side ground of the transformer 1.
Also, the PWM control unit 2 provided on the primary side of the transformer 1 inputs a feedback voltage linked to the output voltage Vout on the secondary side of the transformer 1 as a feedback signal, and the output voltage Vout on the secondary side is the target. This is an IC that outputs a predetermined duty signal D1 (pulse width modulation signal) so as to be a value.
[0020]
Further, the PWM control unit 2 is connected to the input side of the AND circuit 23. The input side of the AND circuit 23 is also connected to the OCL determination unit 4 and the pulse SKIP determination unit 30. Therefore, the AND circuit 23 receives the duty signal D1 from the PWM control unit 2, the output signal S1 from the OCL determination unit 4, and the output signal T1 from the pulse SKIP determination unit 30, and outputs the logical product of these signals. It is output as signal P1.
The output side of the AND circuit 23 is connected to the drive circuit 5, and the switching element 6 is connected to the drive circuit 5. The drive circuit 5 turns on and off the switching element 6 based on the output signal P1 of the AND circuit 23.
[0021]
The OCL determination unit 4 is connected to the input terminal 31 of the pulse SKIP determination unit 30 via the NOT circuit 25. Further, the potential Vr between the switching element 6 and the overcurrent detection resistor 7 is input to the OCL determination unit 4. Based on the input potential Vr, the OCL determination unit 4 outputs to the AND circuit 23 and the NOT circuit 25 when the current i1 flowing through the switching element 6 is an overcurrent equal to or greater than the OCL threshold value iS1 shown in FIG. The output signal S1 is set to Lo. Here, the OCL determination unit 4, the overcurrent detection resistor 7, and the AND circuit 23 constitute an overcurrent determination unit. The overcurrent determination unit is configured to detect a current i1 flowing through the switching element 6 and to turn off the switching element 6 when the detected current i1 is equal to or greater than a reference value.
[0022]
On the other hand, on the secondary side of the transformer 1, the rectifier diode 11 and the smoothing capacitor (C1) 12 are connected to the secondary coil 1b (inductance L2, number of turns n2), and the smoothing capacitor 12 is grounded. The output voltage Vout of the DC-DC converter is generated as a DC voltage by the rectifier diode 11 and the smoothing capacitor 12, taken out from a position 13 between them, supplied to another circuit (not shown), and a voltage interlocked with the output voltage Vout. Is fed back to the PWM controller 2 and used to control the DC-DC converter.
[0023]
The input terminal 33 of the pulse SKIP determination unit 30 is connected between

resistors

41 and 42 arranged in series. The resistor 41 is applied with an output voltage Vout at one end, and the resistor 42 is grounded at one end, and a divided voltage Vs linked to the output voltage Vout on the secondary side is input to the input terminal 33.
Here, the partial pressure Vs is
Vs = Vout × R1 / (R1 + R2) (Equation 3)
Represented as:
[0024]
As shown in detail in FIG. 2, a first operational amplifier 34 and a second operational amplifier 35 are arranged in the pulse SKIP determination unit 30. The divided voltage Vs is input to the input terminal (+) of the first operational amplifier 34. The input terminal (+) of the second operational amplifier 35 is connected to the reference voltage V1 of the pulse SKIP determination unit 30 to apply an offset voltage, and the output of the first operational amplifier 34 has a resistance value R4 at the inverting input terminal (−). Input through the resistor 37. A feedback resistor 38 having a resistance value R5 is connected to the second operational amplifier 35.
[0025]
The threshold voltage Vt is generated as the output of the second operational amplifier 35 by the circuit configured as described above.
Here, the threshold voltage Vt is
Vt = V1 + (R5 / R4) × (V1-Vs) (Equation 4)
Represented as:
Next, the output of the second operational amplifier 35 is input to the inverting input terminal (−) of the comparator 36. The input terminal (+) of the comparator 36 is connected to a circuit in which a discharge switch (M2) 39, which is a MOS transistor, and a capacitor 40 having a capacitance C2 are connected in parallel. A reference current Iref connected to a predetermined power source flows through the discharge switch 39 and the capacitor 40.
[0026]
The discharge switch 39 is controlled by the output signal S1 of the OCL determination unit 4 via the NOT circuit 25, and is turned on when the output signal S1 is Lo and turned off when the output signal S1 is Hi.
Here, the pulse SKIP determination unit 30, NOT circuit 25, and AND circuit 23 constitute a skip determination unit. The AND circuit 23 forms an overcurrent determination unit and also a skip determination unit.
[0027]
Next, the operation of the DC-DC converter according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the electric circuit diagrams of FIGS. 1 and 2 and the time chart of FIG.
The time chart of FIG. 3 shows the primary side current i1 and the secondary side flowing through the primary side coil 1a of the transformer 1 when the DC-DC converter is started, that is, when the secondary side output voltage Vout is initially 0V. It is a timing chart which shows the mode of secondary side current i2 which flows through coil 1b.
[0028]
At the time of starting the DC-DC converter, at time t0, the output signal S1 of the OCL determination unit 4 and the output signal T1 of the pulse SKIP determination unit 30 are Hi, and the switching element 6 is turned on according to the duty output signal D1 of the PWM control unit 2 To do. When the switching element 6 is turned on, the primary current i1 gradually increases. When the primary current i1 reaches the OCL threshold value iS1, the OCL determination unit 4 determines that the primary current i1 is an overcurrent, and sets the output signal S1 to Lo.
[0029]
When the output signal S1 of the OCL determination unit 4 becomes Lo, the switching element 6 is turned off. Since the OCL determination unit 4 has some time delay, the switching element 6 is turned off when the final value i110 of the primary current i1 slightly exceeds the OCL threshold value iS1.
Thus, when the switching element 6 is turned off at time t1, the secondary current i2 flows through the secondary coil 1b. The initial value i120 of the secondary current i2 corresponds to the final value i110 of the primary current i1, and is slightly higher than the value of the primary conversion OCL threshold value iS2.
The subsequent secondary current i2 is obtained by (Equation 1) described above, and i2 = (n1 / n2) × i1−Vout / L2 × Δtoff and the output voltage Vout is low. i2 decreases gradually.
[0030]
Further, when the output signal S1 of the OCL determination unit 4 becomes Lo, the input terminal 31 of the pulse SKIP determination unit 30 becomes Hi through the NOT circuit 25, and the discharge switch 39 is turned on. When the discharge switch 39 is turned on, the capacitor 40 is discharged. Since the input terminal (+) voltage Vc of the comparator 36 becomes lower than Vt due to the discharge of the capacitor 40, the output signal T1 of the pulse SKIP determination unit 30 that is the output of the comparator 36 is also the output signal S1 of the OCL determination unit 4. It becomes Lo like.
[0031]
Once the switching element 6 is turned off by the determination of the OCL determination unit 4 described above, no current flows through the overcurrent detection resistor 7, and the output signal S1 of the OCL determination unit 4 becomes Hi. However, since the output signal T1 of the pulse SKIP determination unit 30 remains Lo, even if the output signal S1 of the OCL determination unit 4 becomes Hi, the switching element 6 does not turn on immediately, and PWM control is performed. The switching element 6 does not operate according to the duty output D1 from the unit 2. That is, the pulse of the duty output signal D1 from the PWM control unit 2 is skipped.
[0032]
When the output signal S1 of the OCL determination unit 4 becomes Hi, the input terminal 31 of the pulse SKIP determination unit 30 becomes Lo, and the discharge switch 39 is turned off.
When the discharge switch 39 is turned off, the capacitor 40 is charged by the reference current Iref, and the voltage Vc at the input terminal (+) of the comparator 36 gradually increases as shown in FIG. On the other hand, the threshold voltage Vt0 decreases little by little as the output voltage Vout on the secondary side increases from (Equation 4).
When the voltage Vc of the input terminal (+) of the comparator 36 exceeds the threshold voltage Vt input to the inverting input terminal (−) of the comparator 36, the output signal T1 of the pulse SKIP determination unit 30 becomes Hi.
[0033]
Here, the skip time Ts until the output signal T1 of the pulse SKIP determination unit 30 switches from Lo to Hi is:
Ts = C2 × Vt / Iref (Formula 5)
Is required.
Further, the threshold voltage Vt expressed by (Equation 4) increases as the divided voltage Vs of the output voltage Vout decreases.
Therefore, as shown by the straight line a in FIG. 5, there is a negative proportional relationship between the output voltage Vout and the skip time Ts, and the skip time Ts is set longer as the output voltage Vout is lower. Has been.
[0034]
The pulse SKIP determination unit 30 switches the output signal T1 from Lo to Hi after the skip time Ts elapses according to the skip time Ts set in this way. Therefore, during the skip time Ts, the output of the OCL determination unit 4 Even if the signal S1 is Hi, the switching element 6 does not operate based on the duty signal D1 of the PWM control unit 2.
Here, the first skip time Ts1 after the start of the converter is set to be a time until the secondary current i2 decreases below the OCL threshold value iS2.
[0035]
At time t2 when only the skip time Ts1 has elapsed, when the output signal T1 of the pulse SKIP determination unit 30 becomes Hi, the output signal S1 of the OCL determination unit 30 is already Hi, so the output signal P1 of the AND circuit 23 is Therefore, it corresponds to the duty signal D1 of the PWM control unit 2, and the switching element 6 is turned on based on the duty signal D1.
At this time, the primary side current i1 rises again from the vicinity below the OCL threshold value iS1 based on (Expression 2) corresponding to the secondary side current i2. When the primary current i1 exceeds the OCL threshold value iS1 again, the output signal S1 of the OCL determination unit 4 becomes Lo, the switching element 6 is turned off at time t3, and the secondary current i2 is induced again. At this time, as the skip time Ts1 elapses, the output voltage Vout on the secondary side is sufficiently increased as compared with FIG. 9, and thus the reduction rate of the secondary current i2 increases.
[0036]
Since the switching element 6 is turned off, the output signal S1 of the OCL determination unit 4 returns to Hi, but since the output signal T1 of the pulse SKIP determination unit 30 remains Lo, the output signal S1 again depends on the value of the output voltage Vout. The switching element 6 is maintained in the off state only for the skip time Ts2.
At this time, the output voltage Vout on the secondary side is further increased as the skip time Ts2 elapses, and the skip time Ts decreases as the output voltage Vout increases as the skip time Ts3. Is repeated to increase the output voltage Vout to the desired steady state voltage.
[0037]
In this way, current runaway is prevented by delaying the timing of supplying a large current to the primary coil 1a from the start of the converter and again supplying the current to the primary coil 1a by the skip time Ts corresponding to the output voltage Vout. However, the converter can be started up to a steady state at an early stage.
That is, by changing the skip time Ts according to the output voltage Vout and changing the duty control cycle of the switching element 6 to be temporarily longer, the converter can be brought into steady state early while preventing current runaway. Can start up.
Moreover, since current runaway can be prevented, the margin of rating of elements used in the circuit of the DC-DC converter such as switching elements can be reduced. Therefore, it is possible to use a compact and inexpensive element, and downsizing and cost reduction of the entire circuit of the DC-DC converter can be achieved.
[0038]
Embodiment 2. FIG.
The DC-DC converter according to the second embodiment of the present invention has a predetermined reference as shown in FIG. 6 in the circuit of

resistors

41 and 42 connected to the input terminal 33 of the pulse SKIP determination unit 30 in FIG. The resistor 51 having one end connected to the voltage Vref is added to the voltage, and other configurations are the same as those in FIG. 1, and thus the entire circuit diagram is omitted.
The resistor 51 has a resistance value R3 and is configured to give an offset voltage to the divided voltage Vs.
Here, the partial pressure Vs is

Represented as:
[0039]
When the circuit is configured in this way, even if the output voltage Vout is 0V, the divided voltage Vs does not become 0V, but an offset voltage is given.
In the first embodiment, when the output voltage Vout is 0 V, the threshold voltage Vt01 is Vt01 = V1 + (R5 / R4) × V1 according to (Expression 4), and the maximum skip time Tsmax is equal to Tsmax = (Expression 5). C2 × Vt01 / Iref, which is determined by the internal circuit configuration of the pulse SKIP determination unit 30.
However, with the circuit configuration as in the second embodiment, when the output voltage Vout is 0 V, the threshold voltage Vt02 is Vt02 = V1 + (R5 / R4) × {V1− (Vref / R3) / (1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3)}, and the maximum skip time Tsmax is Tsmax = C2 × Vt02 / Iref according to (Equation 5).
[0040]
Therefore, a circuit for applying an offset voltage to the divided voltage Vs input to the input terminal 33 of the pulse SKIP determination unit 30 is configured outside the pulse SKIP determination unit 30, so that the line b shown in FIG. In addition, the maximum skip time Tsmax can be easily changed.
In the second embodiment, the maximum skip time Tsmax can be changed by the circuit configuration described above. However, as is clear from (Equation 5), the capacitance of the capacitor 40 of the pulse SKIP determination unit 30 is as follows. The maximum skip time Tsmax can also be changed by changing the value of C2 or the reference current Iref.
[0041]
In the first and second embodiments described above, as shown in FIGS. 1, 2, and 6, the secondary output voltage is generated in generating the divided voltage Vs input to the input terminal 33 of the pulse SKIP determination unit 30. Although Vout is used, the present invention is not limited to this, and a secondary feedback voltage input to the PWM control unit 2 may be used. That is, in FIGS. 1, 2, and 6, instead of applying the output voltage Vout to one end of the resistor 41, a secondary feedback voltage input to the PWM control unit 2 is applied to the resistor 41.
In the first and second embodiments, the flyback DC-DC converter using a switching element has been described as an example. However, the DC-DC converter according to the present invention is not limited to this, The present invention can also be applied to a forward type DC-DC converter. The present invention can also be applied to a DC-DC converter that does not use a transformer, such as a polarity inversion converter and a step-down converter.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the DC-DC converter of the present invention,By turning off the switching element continuously for a skip time that is lengthened when the secondary output voltage is low and shortened as the secondary output voltage increases,Since the duty control cycle is changed, it is possible to shorten the rise time to the steady state when the DC-DC converter is activated, and to prevent current runaway when the DC-DC converter is activated or when the secondary side output is short-circuited. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electric circuit diagram of a DC-DC converter according to Embodiment 1 of the present invention.
2 is an electric circuit diagram showing the inside and the periphery of a pulse SKIP determination unit in FIG. 1; FIG.
3 is a timing chart showing a state of a primary side current i1 flowing through the primary side coil 1a and a secondary side current i2 flowing through the secondary side coil 1b of the DC-DC converter according to Embodiment 1. FIG.
4 is a graph schematically showing the operation of the pulse SKIP determination unit in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between output voltage and skip time in the first and second embodiments.
6 is an electric circuit diagram illustrating a circuit configuration of a resistor connected to an input terminal of a pulse SKIP determination unit of the DC-DC converter according to Embodiment 2. FIG.
FIG. 7 is an electric circuit diagram of a conventional DC-DC converter.
FIG. 8 is a timing chart showing the state of the primary side current i1 and the secondary side current i2 when the output voltage is high in the conventional DC-DC converter.
FIG. 9 is a timing chart showing the state of the primary side current i1 and the secondary side current i2 when the output voltage is low in the conventional DC-DC converter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... Primary side coil, 1b ... Secondary side coil, 2 ... PWM control part, 4 ... OCL determination part (overcurrent determination part), 6 ... Switching element, 7 ... Overcurrent detection resistance (overcurrent determination part), 30: Pulse SKIP determination unit (skip determination unit), Ts: Skip time, Vout: Secondary side output voltage.

Claims

In a DC-DC converter that generates a DC voltage from a current induced in a secondary coil in association with a switching operation of a switching element that is connected to a DC power source through a primary coil and is duty controlled,
A PWM controller for duty-controlling the switching element;
When an overcurrent flowing through the switching element is detected, an overcurrent determination unit that turns off the switching element regardless of the duty control by the PWM control unit;
After the switching element is turned off by the off operation of the overcurrent determination unit,
A skip determination unit that changes a duty control cycle by continuously turning off the switching element according to a subsequent secondary-side output in accordance with a secondary output;
Have
The secondary output is a secondary output voltage,
The DC-DC converter characterized in that the skip time is shortened as the secondary output voltage becomes higher .