JP4488751B2

JP4488751B2 - スイッチング電源

Info

Publication number: JP4488751B2
Application number: JP2004014222A
Authority: JP
Inventors: 健一久保田; 賢知林; 晴夫渡辺
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: JP2005210822A

Description

本発明は、負荷が過電流若しくは短絡状態になってもインダクタ電流の平均値をほぼ一定にし、発振周波数の変化を最小限に抑えることができるスイッチング電源に関するものである。

従来、スイッチング波形の制御手段の代表例として、図３で示すような、電流モード型ＰＷＭ制御がある（例えば、特許文献１参照。）。この電流モード型ＰＷＭ制御とは、電源回路の出力側に誤差アンプ５１を接続して検出電圧と基準電圧との誤差を増幅するように構成し、誤差アンプ５１の出力を比較器５２の一方の入力に接続し、他方の入力に電流検出回路５３を接続して、電源回路のインダクタ電流を制御するものである。
米国特許第４９４３９０２号公報

しかし、この電流モード型ＰＷＭ制御では、固定周波数三角波の代わりにインダクタ電流信号を用いることで、誤差増幅信号との位相余裕を大きく取れるようになったが、誤差増幅信号の周波数帯域を大きく上げることはできない。

以上のような課題が生じたことより、図４に示すように、検出電圧と基準電圧との誤差を増幅する誤差アンプ５１の出力を２つの比較器５２，５３に接続し、一方の比較器５２には直接、他方の比較器５３には分割抵抗Ｒ_３，Ｒ_４を介して接続してあり、電源回路に設けた転流スイッチＳ２と並列に、抵抗Ｒ_ＳＡＷ１及びコンデンサＣ_ＳＡＷ１，Ｃ_ＳＡＷ２を備えたＲＣ回路６２を接続し、このＲＣ回路６２の出力を２つの比較器５２，５３の他方の入力に接続して、ＲＣ回路６２より得られる三角波形の振幅が第一の比較器５２の一方の入力レベルと第二の比較器５３の一方の入力レベルとの間に収まるように制御する制御手段を備えたスイッチング電源を発明した（特許文献２参照。）。
特願２００２−２７０３２７

また、図３及び図４図示のスイッチング電源において、各周期に過電流制限機能が割り込み処理を行うようにするため、整流スイッチＳ１を流れる電流を検出する手段を設けていた。具体例として、図５に示すように、整流スイッチＳ１の両端に整流スイッチ用電流検出回路１０を接続し、整流スイッチ用電流検出回路１０の出力に制御回路３０を接続してある。制御回路３０の出力にドライバ４１を接続し、このドライバ４１は整流スイッチＳ１の制御端子並びに転流スイッチＳ２の制御端子にそれぞれ接続してある。

整流スイッチ用電流検出回路１０はハイサイド電流センサ１１を設けてあり、この出力に比較器１２の一方の入力端子を接続してある。この比較器１２は制御回路３０に設けたＯＲ回路３２の一方の入力端子に接続してある。このＯＲ回路３２の他方の入力端子にはリセット信号が入力するようにしてあるとともに、ＯＲ回路３２の出力端子はフリップフロップ回路３４のリセット端子に接続し、各周期に整流スイッチＳ１の過電流の制限を行う機能を有する。

しかしながら、図５に示すような各周期に過電流制限機能が割り込み処理を行うように構成された可変周波数型のスイッチング電源において、過電流制限機能が働く動作状態になると、出力電圧は設定電圧を下回り、電圧制御ループは、出力電圧を上昇させるように動く。特に可変周波数型のスイッチング電源の場合、過電流制限機能が働いた後、すぐに整流スイッチをオンさせようとするため、過電流制限機能により整流スイッチＳ１がオフした直後に再び整流スイッチＳ１がオンすると、インダクタを流れる電流レベルが十分に下がっていないため、またすぐに過電流制限機能が働いて整流スイッチＳ１をオフしてしまう。

この動作を繰り返すと、図６の上段に図示する様に動作周波数が非常に高くなってしまう。対策として過電流制限機能が働いた後、任意に設定した固定時間の間、整流スイッチＳ１がオンすることを禁止すれば、インダクタを流れる電流レベルが下がり、周波数が高くなりすぎることは防止できるが、インダクタ電流の下り傾斜は出力電圧に依存して変化するため、整流スイッチがオンに転ずるタイミングでのインダクタ電流値は、出力電圧によって変わってしまう。

過電流制限機能が働いた後、任意に設定した固定時間の間、整流スイッチＳ１がオンすることを禁止する方法では、以上の理由により、過電流制限機能が働く状態でのインダクタ電流の平均値すなわち出力電流値が出力電圧によって変化する。負荷が短絡状態の時には、出力電圧が非常に低く、インダクタ電流レベルは下がりにくいため、電流の平均値が大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、負荷が過電流若しくは短絡状態になってもインダクタ電流の平均値をほぼ一定にし、発振周波数の変化を最小限に抑えることができる新規のスイッチング電源を提供する。

上記課題を解決するために、本発明スイッチング電源は、整流スイッチと、転流スイッチと、前記整流スイッチを流れる電流を検出する整流スイッチ電流検出手段と、前記転流スイッチを流れる電流を検出する転流スイッチ電流検出手段とを設けてあるとともに、各周期に前記整流スイッチの過電流制限を行う機能と、過電流制限機能が動作した周期において前記転流スイッチを流れる電流が設定したレベル以下に下がるまで前記転流スイッチの導通状態を持続させるようにする機能とを備えた制御手段を設けてある。

前記制御手段にフリップフロップ回路を設けてあり、このフリップフロップ回路は、前記整流スイッチ電流検出手段並びに前記転流スイッチ電流検出手段から出力される信号を反転させて、各周期に前記整流スイッチの過電流制限を行うとともに、過電流制限を行う周期において前記転流スイッチを流れる電流が設定したレベル以下に下がるまで前記転流スイッチの導通状態を持続させるように構成してある。

前記制御手段はＡＮＤ回路を設けてあり、一方の入力端子を前記フリップフロップ回路の反転出力端子に接続し、他方の入力端子にセット信号を出力するように構成して、各周期に前記整流スイッチの過電流制限を行うようにしてある。

本発明によれば、上記構成により、インダクタを流れる平均電流及び発振周波数は出力電圧に依存しなくなり、負荷が過電流若しくは短絡状態になってもインダクタ電流の平均値をほぼ一定にし、発振周波数の変化を最小限に抑えることができる効果がある。

以下、添付図面を用いて本発明スイッチング電源に係る実施例を説明する。図１は本発明に係るスイッチング電源の一実施例を示す。Ｓ１は整流スイッチ、Ｓ２は転流スイッチ、１０は整流スイッチ用電流検出回路、２０は転流スイッチ用電流検出回路、３０は制御回路、４１はドライバである。

本実施例に係るスイッチング電源は、整流スイッチＳ１及び転流スイッチＳ２を備えた電源回路を備えてある。整流スイッチＳ１の両端に整流スイッチ用電流検出回路１０を接続し、転流スイッチＳ２の両端に転流スイッチ用電流検出回路２０を接続してある。整流スイッチ用電流検出回路１０並びに転流スイッチ用電流検出回路２０の出力に制御回路３０を接続してある。制御回路３０の出力にドライバ４１を接続し、このドライバ４１は整流スイッチＳ１の制御端子並びに転流スイッチＳ２の制御端子にそれぞれ接続してある。

整流スイッチ用電流検出回路１０はハイサイド電流センサ１１を設けてあり、この出力に比較器１２の一方の入力端子を接続してある。この比較器１２は制御回路３０に設けたフリップフロップ回路３３のセット端子に接続してある。

この比較器１２は制御回路３０に設けたＯＲ回路３２の一方の入力端子に接続してある。このＯＲ回路３２の他方の入力端子にはセット信号が入力するようにしてあるとともに、ＯＲ回路３２の出力端子は第二のフリップフロップ回路３４のリセット端子に接続し、各周期に整流スイッチＳ１の過電流の制限を行う機能を有する。

転流スイッチ用電流検出回路２０はローサイド電流センサ２１を設けてあり、この出力に比較器２２の一方の入力端子を接続してある。この比較器２２は制御回路３０に設けたフリップフロップ回路３３のリセット端子に接続してある。

このフリップフロップ回路３３は転流スイッチ用電流検出回路２０より信号を入力した際にのみ出力するように構成してある。また、フリップフロップ回路３３の出力端子はＡＮＤ回路３１の一方の入力端子に接続してあり、過電流制限機能が動作した周知において転流スイッチＳ２を流れる電流が設定したレベル以下に下がるまで転流スイッチＳ２の導通状態を持続させるようにする機能を有する。

ＡＮＤ回路３１の他方の入力端子にはリセット信号が入力するようにしてあるとともに、ＡＮＤ回路３１の出力端子は第二のフリップフロップ回路３４のセット端子に接続してある。この第二のフリップフロップ回路３４の出力をドライバ４１の入力端子に接続し、このドライバ４１の出力端子を整流スイッチＳ１並びに転流スイッチＳ２の制御端子に接続してある。

以上のように構成してあるスイッチング電源は以下のような作用をする。まず、過電流状態について説明する。整流スイッチＳ１がオンするとハイサイド電流センサ１１により整流スイッチＳ１に流れる電流が電圧に変換される。変換された電圧は比較器１２に入力され基準電圧１３を上回るとＯＲ回路３２へＨｉを入力しＯＲ回路３２の出力もＨｉとなる。同時にこの信号はフリップフロップ回路３３のセット端子にも入力され、ＡＮＤ回路３１の一方の入力端子へＬｏが入力される。ＯＲ回路３２の出力はフリップフロップ回路３４のリセット端子へ接続しておりフリップフロップ回路３４の出力はＬｏとなる。これにより整流スイッチＳ１はドライバ回路４１によりオフし、転流スイッチＳ２がオンしインダクタ電流は上り傾斜から下り傾斜へ切り替わる。

電源が過電流状態であると電圧ループは出力電圧を上昇させようと働くためセット信号はＨｉをＡＮＤ回路３１へ入力するが、フリップフロップ回路３３と接続している他方の入力端子がＬｏになっているため整流スイッチＳ１はオフを、転流スイッチＳ２はオンを継続し続ける。転流スイッチＳ２がオンするとローサイド電流センサ２１により転流スイッチＳ２に流れる電流が電圧に変換される。変換された電圧は比較器２２に入力され基準電圧２３を下回るとフリップフロップ回路３３のリセット端子へＨｉを入力する。この時フリップフロップ回路３３はＨｉをＡＮＤ回路３１へ入力し、フリップフロップ回路３４のセット端子がＨｉとなり転流スイッチＳ２がオフし、整流スイッチＳ１がオンする。

以上を繰り返し動作をするが、基準電圧１３を過電流設定ピーク電流値、基準電圧２３を転流スイッチオフ電流値とすることでインダクタ電流は過電流設定ピーク電流値と転流スイッチオフ電流値の間でスイッチングを行い、出力電圧によらず一定の発振周波数及びインダクタ電流平均値を得る事ができる。

負荷短絡時についても過電流状態と同様な動作をするため説明を省略する。

本発明のスイッチング電源は、インダクタを流れる平均電流及び発振周波数は出力電圧に依存しなくなり、負荷が過電流若しくは短絡状態になってもインダクタ電流の平均値をほぼ一定にし、発振周波数の変化を最小限に抑えることができる効果がある。

本発明に係るスイッチング電源における発明を実施するための最良の形態の回路図である。図１図示実施形態の動作波形図である。従来例を示した回路図である。同じく従来例を示した回路図である。同じく従来例を示した回路図である。図５図示従来例の動作波形図である。

符号の説明

Ｓ１整流スイッチ
Ｓ２転流スイッチ
１０整流スイッチ用電流検出回路
１１ハイサイド電流センサ
１２比較器
１３基準電圧
２０転流スイッチ用電流検出回路
２１ローサイド電流センサ
２２比較器
２３基準電圧
３０制御回路
３１ＡＮＤ回路
３２ＯＲ回路
３３フリップフロップ回路
３４第二のフリップフロップ回路
４１ドライバ

Claims

整流スイッチと、転流スイッチと、前記整流スイッチを流れる電流を検出する整流スイッチ電流検出手段と、前記転流スイッチを流れる電流を検出する転流スイッチ電流検出手段とを設けてあるとともに、各周期に前記整流スイッチの過電流制限を行う機能と、過電流制限機能が動作した周期において前記転流スイッチを流れる電流が設定したレベル以下に下がるまで前記転流スイッチの導通状態を持続させるようにする機能とを備えた制御手段を設けてあり、前記制御手段にフリップフロップ回路と、このフリップフロップ回路にセット信号及びリセット信号を供給する電圧制御ループの制御手段とを設けてあり、前記フリップフロップ回路は、前記整流スイッチ電流検出手段並びに前記転流スイッチ電流検出手段から出力される信号を用い、各周期に前記整流スイッチの過電流制限を行うとともに、過電流制限を行う周期において前記転流スイッチを流れる電流が設定したレベル以下に下がるまで前記転流スイッチの導通状態を持続させるように構成してあることを特徴とするスイッチング電源。
前記制御手段はＡＮＤ回路を設けてあり、一方の入力端子を前記フリップフロップ回路の反転出力端子に接続し、他方の入力端子にセット信号を出力するように構成して、各周期に前記整流スイッチの過電流制限を行うようにしてあることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源。