JP4341698B2 - スイッチング電源とその制御回路及び制御方法 - Google Patents
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Description
力段2341,増幅段2342で鈍った波形入力をもとにVCONT(PWM信号)を出力段2343で形成して出力する。
s〜数100ns以上あるのに対し、最近のスイッチング電源では小型化のためにスイッチング周波数を高周波化する傾向があり、とりわけDC-DCコンバータではスイッチング周波数が数MHzに達しているものがある。PWMコンパレータの応答遅延を100nsとすると、従来のコンバータ制御部で制御できるオン時比率Dは、スイッチング周波数が1MHzの場合に10〜90%となる。またスイッチング周波数が10MHzとなるとPWMコンパレータの応答時間とスイッチング周期が等しくなるため、もはやスイッチング動作が不可能であり、従来のコンバータ制御部はスイッチング電源のスイッチング周波数の高周波化の妨げとなっている。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る制御回路を含んで構成されたスイッチング電源の構成ブロック図である。スイッチング電源には、インバータやコンバータ等など様々なものがあるが、ここでは、その代表例として、DC-DCコンバータについて説明する。本発明の第1の実施形態に係る制御回路430は、誤差増幅回路432、オン時間調整回路434、パルス発振器436で構成されている。誤差増幅回路432は、DC-DCコンバータ100の出力電圧VOUTを検出回路410により検出した電圧VOと基準電圧REFとの比較により誤差信号VEを出力する。パルス発振器436は、例えば定周期の矩形波状のパルスを発生する。オン時間調整回路434は、VCONT(PWM信号)を出力してDC-DCコンバータ100の主スイッチングのオン/オフを制御するにあたり、パルス発振器436から出力されるパルスに基づきそれぞれの周期における前記PWM信号の生成を開始し、前記PWM信号が前記スイッチング素子をオンさせる信号となっている期間であるオン時間を調整する。なお、制御回路430は、検出回路410および基準電圧源420と協同してコンバータ制御部400を構成する。図1に示す本発明に係るスイッチング電源では、DC-DCコンバータ100の出力電圧VOUTがコンバータ制御部400にフィードバックされ、コンバータ制御部400では出力電圧VOUTと目標値を比較してその結果よりPWM信号(VCONT)を生成し出力する。そして出力されたPWM信号(VCONT)に基づいてMOSFETやバイポーラトランジスタに代表される半導体スイッチまたはリレー回路に代表される機械スイッチをオン/オフすることにより、出力電圧VOUTを目標値に近づけるよう制御している。
を出力する。またRSFF521のR(リセット)端子前段のバッファ522は、VC端における閾値調整のために設けられており、不図示のインバータ2段で構成することができる。なおR(リセット)端子の閾値を直接調節する場合にはバッファ522を設ける必要はない。
t1=C1*VTH/I1
で与えられる。いま、一般的なCMOS IC(Complementary Metal Oxide Semiconductor Integrated Circuit)で容易に実現できる第2ロジック回路520の入力の閾値電圧VTH=数V,コンデンサC1(560)の容量C1=数pF,電圧制御電流源I1(550)の最大値=数mAを考えると、PWM信号(VCONT)のHIGH期間t1=数nsとなり、スイッチング周波数が1MHzの場合、オン時比率Dは1%以下となる。
LOWからHIGHに達するまでにVC端の電位が第2ロジック回路520の入力の閾値電圧VTHに達しなかった場合、次の周期の初期にVC端を0Vにリセットするために設けている。PWM信号(VCONT)のLOW期間t2はロジック回路やスイッチの応答遅延を無視すると、時間tdrと等しくなる。時間tdrはコンデンサC1(560)に蓄えられた電荷をスイッチS4(540)を介して放電するのに要する時間から設定する。いま、一般的なCMOS ICで容易に実現できるコンデンサC1(560)の容量C1=数pF,スイッチS4(540)のオン抵抗=数100Ωとすると、時定数は数nsとなる。よって、時間tdr=t2も数nsとすることができる。スイッチング周波数が1MHzの場合、オン時比率Dは99%以上となる。
イッチS4(540)をオンにし、VC端を0Vにしている。フリップフロップ回路(RSFF)521のQ出力はLOWである。そして第2ロジック回路520の出力であるPWM信号(VCONT)をLOWにしている。次にVPULSEがHIGHになると、第1のアンド回路512から時間幅tdrのHIGHが出力されてRSFF521をセットし、RSFF521のQ出力がHIGHになる。第2のアンド回路513は第1のアンド回路512の出力がLOWになるまで入力のアンド条件が成立せず出力がLOWのままなので、第1ロジック回路510はVPULSEがHIGHになってから時間tdrだけ遅れてスイッチS3(530)をオン、スイッチS4(540)をオフにし、誤差信号VEで決まる電流I1でコンデンサC1(560)を充電し、VC端の電位は上昇し始める。また、上述したように、VPULSEがHIGHになると、第1ロジック回路510の第1のアンド回路512は直ちにHIGHになり、この信号がRSFF521のQ出力をHIGHにするため、第2ロジック回路520の出力であるPWM信号(VCONT)はHIGHとなる。VC端の電位が第2ロジック回路520の入力の閾値電圧VTH(バッファ522の閾値もしくはRSFF521のR(リセット)端子の閾値)に達すると第2ロジック回路520のRSFF521のR(リセット)入力が能動化しRSFF521のQ出力をLOWとする。これにより、第2ロジック回路520の出力であるPWM信号(VCONT)がLOWになると共に、第1ロジック回路510はスイッチS3(530)をオフ、スイッチS4(540)をオンにし、再びVC端を0Vにする。以上の動作を繰り返すことにより第2ロジック回路520の出力からPWM信号(VCONT)を生成する。
t1=tdr+C1*VTH/I1
となる。時間tdrは数ns程度に設定できるため、この場合も、上述した図3の場合と同様に、例えばスイッチング周波数が1MHzの場合、最小オン時比率Dは1%以下とすることができる。
さらに以上の図2A〜図6Bに示したオン時間調整回路の第2の具体例までの説明でオン時比率の範囲を広範囲に改善できることを示したが、最小オン時比率=0%、最大オン時比率=100%を同一回路で実現する例について示していないため、以下では最小オン時比率=0%、最大オン時比率=100%を同一回路で実現する例について説明する。
電され、VC端の電位VCは下降し始める。VCが閾値電圧VTHに達すると、第6ロジック回路720はVCONT(PWM信号)をHIGHにする。以上の動作を繰り返すことにより第6ロジック回路720の出力からPWM信号(VCONT)を生成する。
[実施形態2]
図1から図10までに説明した第1の実施形態では、スイッチング電源の主スイッチのオン時間を制御することを主眼に説明したが、スイッチング電源の主スイッチのオフ期間を制御しても良い。図11は、本発明の第2の実施形態に係る制御回路を含んで構成されたスイッチング電源の構成ブロック図である。スイッチング電源には、インバータやコンバータなどの様々なものがあるが、ここでは、その代表例として、DC−DCコンバータについて説明する。図11に示すように本発明の第2の実施形態に係る制御回路430は、誤差増幅回路432、パルス発振器436、オフ時間調整回路438で構成されている。誤差増幅回路432は、DC-DCコンバータ100の出力電圧VOUTを検出した電圧VOと基準電圧REFとの比較により誤差信号VEを出力する。パルス発振器436は、例えば定周期の矩形波状のパルスを発生する。オフ時間調整回路438は、VCONT(PWM信号)を出力してDC-DCコンバータ100の主スイッチングのオン/オフを制御するにあたり、パルス発振器436から出力されるパルスに基づきそれぞれの周期における前記PWM信号の生成を開始し、前記PWM信号が前記スイ
ッチング素子をオフさせる信号となっている期間であるオフ時間を調整する。図11において、オフ時間調整回路438は主スイッチのオフ期間を誤差増幅回路432の出力である誤差信号VEに基づき調節するように構成される。すなわち第1の実施形態を示す図1中のオン期間調整回路434を図11ではオフ期間調整回路438に置き換えて構成している。その他の構成については、図1中の構成と同じなのでその説明を省略する。このオフ期間調整回路438は、図2A〜図10に示した具体例並びに回路およびその動作に関し、信号の極性について、論理の整合を取ることにより、同様に構成できる。
400 コンバータ制御部
410 検出回路
420 基準電圧源
430 制御回路
432 誤差増幅回路
434 オン時間調整回路
436 パルス発振器
438 オフ時間調整回路
510、610、710、810 第1のロジック回路
511 tdr遅延回路
512 第1のアンド回路
513 第2のアンド回路
514 インバータ
520、620、720、820 第2のロジック回路
521 RSフリップフロップ回路
522 バッファ
530、630、730、830 第1のスイッチ
540、640、740、840 第2のスイッチ
550、650、750、760、850、860 電圧制御電流源
560、660、770、870 コンデンサ
Claims (15)
- スイッチング電源のスイッチング素子をPWM信号によりオン/オフしてその時比率を調整することにより出力電圧をPWM(パルス幅変調)方式で調整するスイッチング電源の制御回路において、
該制御回路は、
前記出力電圧と基準電圧との比較により誤差信号を出力する誤差増幅回路と、
定周期のパルスを発生するパルス発生回路と、
前記誤差信号の出力電圧で制御される電圧制御電流源、該電圧制御電流源からの電流により充電され、該充電により前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオンとなる期間であるオン時間を決定するコンデンサ、該コンデンサの充電/放電を切り換えるスイッチ、および、該スイッチのオン/オフを制御するロジック回路から成るオン時間調整回路と、で構成され、
前記オン時間調整回路は、前記パルス発生回路から出力される前記パルスに基づきそれぞれの周期における前記PWM信号の生成を開始し、前記PWM信号が前記スイッチング素子をオンさせる信号となっている期間である前記オン時間を、前記誤差信号に応じた前記電圧制御電流源からの電流による前記コンデンサの充放電電圧により調整するスイッチング電源の制御回路。 - 前記オン時間調整回路は、前記パルス発生回路からパルスが出力された後、所定の遅延時間を設定し、該所定の遅延時間後に前記コンデンサの充電を開始し、前記遅延時間の間は前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオフの状態になるよう設定することを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源の制御回路。
- 前記オン時間調整回路は、前記パルス発生回路からパルスが出力された後、所定の遅延時間を設定し、該所定の遅延時間後に前記コンデンサの充電を開始し、前記遅延時間の間は前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオンの状態になるよう設定することを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源の制御回路。
- 前記オン時間調整回路が、前記誤差信号の出力電圧で制御される第1の電圧制御電流源と、前記誤差信号の出力電圧で制御される第2の電圧制御電流源と、前記第1の電圧制御電流源により充電され、前記第2の電圧制御電流源により放電され、該充電/放電により前記オン時間を決定するコンデンサと、該コンデンサの充電/放電を切り換えるスイッチと、該スイッチのオン/オフを制御するロジック回路と、を有することを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源の制御回路。
- 前記オン時間調整回路は、前記コンデンサの充電/放電を切り換えるスイッチの切り換えの時比率を固定し、前記誤差信号の出力電圧に応じて前記第1の電圧制御電流源による充電電流と前記第2の電圧制御電流源による放電電流の差が変化することに伴い前記コンデンサの平均電圧を増減させて前記PWM信号の時比率を制御することを特徴とする請求項4記載のスイッチング電源の制御回路。
- スイッチング電源のスイッチング素子をPWM信号によりオン/オフしてその時比率を調整することにより出力電圧をPWM(パルス幅変調)方式で調整するスイッチング電源の制御方法において、
前記出力電圧と基準電圧との比較により誤差信号を出力するステップと、
該誤差信号に応じた電流を生成するステップと、
所定周期でPWM信号の生成を開始するステップと、
所定の遅延時間後にコンデンサの充電を開始し、前記遅延時間の間は前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオフの状態になるよう設定するステップと、
前記PWM信号が前記スイッチング素子をオンさせる信号となっている期間であるオン時間を、前記誤差信号に応じた電流による前記コンデンサの充放電電圧により調整するステップと、
を含むスイッチング電源の制御方法。 - スイッチング電源のスイッチング素子をPWM信号によりオン/オフしてその時比率を調整することにより出力電圧をPWM(パルス幅変調)方式で調整するスイッチング電源の制御方法において、
前記出力電圧と基準電圧との比較により誤差信号を出力するステップと、
該誤差信号に応じた電流を生成するステップと、
所定周期でPWM信号の生成を開始するステップと、
所定の遅延時間後にコンデンサの充電を開始し、前記遅延時間の間は前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオンの状態になるよう設定するステップと、
前記PWM信号が前記スイッチング素子をオンさせる信号となっている期間であるオン時間を、前記誤差信号に応じた電流による前記コンデンサの充放電電圧により調整するステップと、
を含むスイッチング電源の制御方法。 - スイッチング電源のスイッチング素子をPWM信号によりオン/オフしてその時比率を調整することにより出力電圧をPWM(パルス幅変調)方式で調整するスイッチング電源の制御回路において、
該制御回路は、
前記出力電圧と基準電圧との比較により誤差信号を出力する誤差増幅回路と、
定周期のパルスを発生するパルス発生回路と、
前記誤差信号の出力電圧で制御される電圧制御電流源、該電圧制御電流源からの電流により充電され、該充電により前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオフとなる期間であるオフ時間を決定するコンデンサ、該コンデンサの充電/放電を切り換えるスイッチ、および、該スイッチのオン/オフを制御するロジック回路から成るオフ時間調整回路と、で構成され、
前記オフ時間調整回路は、前記パルス発生回路から出力される前記パルスに基づきそれぞれの周期における前記PWM信号の生成を開始し、前記PWM信号が前記スイッチング素子をオフさせる信号となっている期間である前記オフ時間を、前記誤差信号に応じた前記電圧制御電流源からの電流による前記コンデンサの充放電電圧により調整するスイッチング電源の制御回路。 - 前記オフ時間調整回路は、前記パルス生成回路からパルスが出力された後、所定の遅延時間を設定し、該所定の遅延時間後に前記コンデンサの充電を開始し、前記遅延時間の間は前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオフの状態になるよう設定する請求項8記載のスイッチング電源の制御回路。
- 前記オフ時間調整回路は、前記パルス生成回路からパルスが出力された後、所定の遅延時間を設定し、該所定の遅延時間後に前記コンデンサの充電を開始し、前記遅延時間の間は前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオンの状態になるよう設定する請求項8記載のスイッチング電源の制御回路。
- 前記オフ時間調整回路が、前記誤差信号の出力電圧で制御される第1の電圧制御電流源と、前記誤差信号の出力電圧で制御される第2の電圧制御電流源と、前記第1の電圧制御電流源により充電され、前記第2の電圧制御電流源により放電され、該充電/放電により前記オフ時間を決定するコンデンサと、該コンデンサの充電/放電を切り換えるスイッチと、該スイッチのオン/オフを制御するロジック回路と、を有することを特徴とする請求項8記載のスイッチング電源の制御回路。
- 前記オフ時間調整回路は、前記コンデンサの充電/放電を切り換えるスイッチの切り換えの時比率を固定し、前記誤差信号の出力電圧に応じて前記第1の電圧制御電流源による充電電流と前記第2の電圧制御電流源による放電電流の差が変化することに伴い前記コンデンサの平均電圧を増減させて前記PWM信号の時比率を制御する請求項11記載のスイッチング電源の制御回路。
- スイッチング電源のスイッチング素子をPWM信号によりオン/オフしてその時比率を調整することにより出力電圧をPWM(パルス幅変調)方式で調整するスイッチング電源の制御方法において、
前記出力電圧と基準電圧との比較により誤差信号を出力するステップと、
該誤差信号に応じた電流を生成するステップと、
所定周期でPWM信号の生成を開始するステップと、
所定の遅延時間後にコンデンサの充電を開始し、前記遅延時間の間は前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオフの状態になるよう設定するステップと、
前記PWM信号が前記スイッチング素子をオフさせる信号となっている期間であるオフ時間を、前記誤差信号に応じた電流による前記コンデンサの充放電電圧により調整するステップと、
を含むスイッチング電源の制御方法。 - スイッチング電源のスイッチング素子をPWM信号によりオン/オフしてその時比率を調整することにより出力電圧をPWM(パルス幅変調)方式で調整するスイッチング電源の制御方法において、
前記出力電圧と基準電圧との比較により誤差信号を出力するステップと、
該誤差信号に応じた電流を生成するステップと、
所定周期でPWM信号の生成を開始するステップと、
所定の遅延時間後にコンデンサの充電を開始し、前記遅延時間の間は前記PWM信号によるスイッチング電源のスイッチング素子がオンの状態になるよう設定するステップと、
前記PWM信号が前記スイッチング素子をオフさせる信号となっている期間であるオフ時間を、前記誤差信号に応じた電流による前記コンデンサの充放電電圧により調整するステップと、
を含むスイッチング電源の制御方法。 - 請求項1ないし14のいずれか1項に記載の制御を備えたスイッチング電源。
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