JP4621636B2 - 電源装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
Vahid Yousefzadeh 他著、"Sensorless Optimizationof Dead Times in DC-DC Converters with Synchronous Rectifiers"、APEC、2005年、911〜917頁
図示するように、まずカットオフタイムの初期値としてtd2_initを設定する。そしてカットオフタイムを初期値td2_initから徐々に変化させていく。この際、2つのケースが考えられる。すなわち、ロウサイドスイッチ4がオフした後に電流ILがゼロになる場合(CASE1)と、ロウサイドスイッチ4がオフする前に電流ILがゼロになる場合である(CASE2)。CASE1の場合には、カットオフタイムを初期値td2_initから短くしていくことによって、カットオフタイムの最適値td2_optを見つける。CASE2の場合には、カットオフタイムを長くしていくことによって最適値td2_optを見つける。なお、CASE1において、時刻t3〜t4に流れる電流は、ロウサイドスイッチ4のソース・ドレイン間のボディダイオードを介して流れる電流であり、前述のように効率低下の原因となる。
まず電流ILを一定とするため、ディジタルコントローラ2がDC−DCコンバータ1を定常状態とした後、カットオフタイムtd2が初期値td2_initに設定される(ステップS1)。なおディジタルコントローラ2は、カットオフタイムtd2を設定し直す度に時比率Dも設定し直す。カットオフタイムtd2が変化するとDC−DCコンバータ1の効率、すなわち出力電圧Voutが変化する。従って、出力電圧Voutが一定になるように時比率Dを新たな値にする。そして、この時点におけるtd2を仮の最適値td2_optとすると共に(ステップS2)、時比率DをDoldとする(ステップS3)。
ここでtd2を減少、もしくは、増大させる場合において時比率Dが変化しない期間が存在する。これは回路の動作条件、負荷の大きさ、Δtの値によって時比率Dが変化しない期間の長さは変化する。例えば、スイッチング周波数が大きい場合、単位時間あたりのスイッチング回数が増加するため、td2の変化に対する時比率Dの依存性は大きくなる。すなわち時比率Dが変化しない期間はスイッチング周波数を大きくすると短くなる。
(1)DC−DCコンバータの効率を、不連続モードにおいても向上出来る。
本実施形態に係るDC−DCコンバータであると、カットオフタイムtd2を変化させつつ時比率Dを監視し、時比率Dが最小になった値をカットオフタイムtd2の最適値td2_optとする。より具体的には、カットオフタイムtd2をケースによって短くする、または長くすることによって、時比率Dが最小、すなわち電流ILがゼロとなるカットオフタイムを探索する。そして時比率Dは、ハイサイドスイッチ3とロウサイドスイッチ4を制御するディジタルコントローラ2自身が把握している。また、電流ILをセンサで検出する等の必要が無い。従って、センサレスで簡便にカットオフタイムを最適化出来、不連続モードにおけるDC−DCコンバータの効率を向上出来る。
なお図4では、まずステップS4においてカットオフタイムを短くし、その後ステップで長くする場合について説明した。しかし、先にカットオフタイムを長くして時比率Dが上昇する点を探索し、次にカットオフタイムを短くしていっても良い。
(2)DC−DCコンバータの効率を、不連続モードにおいても容易に向上出来る。
本実施形態に係るDC−DCコンバータであると、センサを用いてある電流値を探索し、検出されたポイントをカットオフタイムtd2の初期値td2_initとして用いている。センサ15によって検出された電流値は誤差を含むおそれがある。従って、センサ15で電流値がゼロになったことを検出したとしても、実際の電流値がゼロではない場合があり、センサ15の検出結果によってロウサイドスイッチ4を正確に制御することが困難な場合がある。
次に、この発明の第4の実施形態に係る電源装置について説明する。本実施形態は、上記第2の実施形態におけるディジタルコントローラ2の構成に関するものである。図11は、本実施形態に係るディジタルコントローラ2の構成の一例を示すブロック図である。
また、図4で説明したフローチャートは、図17に示すように変形することも可能である。すなわち、まず電流ILを一定とするため、ディジタルコントローラ2がDC−DCコンバータ1を定常状態とする(ステップS30)。次にカットオフタイムtd2が初期値td2_initに設定される(ステップS31)。なおディジタルコントローラ2は、カットオフタイムtd2を設定し直す度に時比率Dも設定し直す。カットオフタイムtd2が変化するとDC−DCコンバータ1の効率、すなわち出力電圧Voutが変化する。従って、出力電圧Voutが一定になるように時比率Dを新たな値にする。
以上のようにしてカットオフタイムtd2を最適化出来る。
(1)負荷に対して流れる電流が常時ゼロより大きい連続モードと、前記負荷に対して流れる電流がゼロ以下となる期間が存在する不連続モードとを有する電源装置であって、前記電源装置は、電圧を負荷に伝達する第1MOSトランジスタと、前記第1MOSトランジスタと交互にオン状態となり、前記負荷に流れる電流を整流する第2MOSトランジスタと、前記第2MOSトランジスタがオフしてから第1期間経過の後に前記第1MOSトランジスタをオンさせ、前記第1MOSトランジスタがオフしてから第2期間経過の後に前記第2MOSトランジスタをオンさせるディジタル制御回路とを具備し、前記ディジタル制御回路は前記不連続モードにおいて、前記負荷に印加される前記電圧が一定となるように前記第1MOSトランジスタのオン期間を制御し、前記ディジタル制御回路は前記オン期間を制御した状態において、前記第1MOSトランジスタがオン状態及びオフ状態となる1周期においてオン状態となる期間の比率である時比率に応じて、前記第1期間の最適値を決定する。
(2)上記(1)においてディジタル制御回路は、最小の前記時比率が得られる前記第1期間の長さを基準にして、前記第1期間の最適値を決定する。
(3)上記(1)においてディジタル制御回路は、最小の前記時比率が得られる前記第1期間の長さを、該第1期間の最適値とする。
(4)上記(1)においてディジタル制御回路は、前記電圧に応じて前記時比率を決定する時比率発生部と、前記時比率発生部で決定された時比率に応じて前記第1期間の長さを算出する第1期間算出部と、前記第1期間算出部で算出された第1期間の長さに応じて、前記第1、第2MOSトランジスタのオン/オフを制御する第1制御部とを備える。
(5)上記(4)においてディジタル制御回路は、前記時比率発生部における時比率の決定に要するパラメータを格納する制御テーブルを保持部と、前記電圧に応じて前記制御テーブルから前記パラメータを読み出し、読み出した該パラメータに応じて前記時比率発生部を制御する第2制御部とを備え、時比率発生部は、前記電圧と、前記第2制御部による制御に基づいて、前記時比率を決定する。
(6)上記(1)においてディジタル制御回路は第1動作モードと第2動作モードとを有し、前記第1動作モードにおいて前記第1期間の最適値を決定し、前記第2動作モードにおいては、前記第1動作モードにおいて決定された前記第1期間の最適値を用いて前記第1、第2MOSトランジスタを制御する。
(7)上記(1)において、前記第2MOSトランジスタに流れる電流、または前記第2MOSトランジスタの出力電圧を検出するセンサを更に備え、前記ディジタル制御回路は、前記センサによって任意の電流値が検出された時点を基準にして前記時比率が最小となる値を探索することによって、前記任意の電流値が検出された時刻と前記第1期間の開始時刻との時間差を得、前記センサによって任意の電流値が検出されてから前記時間差の経過後に前記第2MOSトランジスタをオフさせる制御信号を出力する。
(8)上記(1)において、第1、第2MOSトランジスタ及び前記ディジタル制御回路は、半導体基板上に形成される。
(9)電源装置は、電圧を負荷に伝達する第1MOSトランジスタと、前記第1MOSトランジスタと交互にオン状態となり、前記負荷に流れる電流を整流する第2MOSトランジスタと、前記第2MOSトランジスタがオフしてから第1期間経過の後に前記第1MOSトランジスタをオンさせ、前記第1MOSトランジスタがオフしてから第2期間経過の後に前記第2MOSトランジスタをオンさせるディジタル制御回路とを具備し、前記ディジタル制御回路は、前記第1MOSトランジスタがオン状態となる期間を一定にしつつ前記第1期間の長さを変化させた際における、前記負荷に伝達される前記電圧の値に応じて、前記第1期間の最適値を決定する。
(10)上記(9)においてディジタル制御回路は、前記負荷に伝達される前記電圧の最大値が得られる前記第1期間の長さを基準にして、前記第1期間の最適値を決定する。
(11)上記(9)においてディジタル制御回路は、前記負荷に伝達される前記電圧の最大値が得られる前記第1期間の長さを、該第1期間の最適値とする。
(12)上記(9)においてディジタル制御回路は第1動作モードと第2動作モードとを有し、前記第1動作モードにおいて前記第1期間の最適値を決定し、前記第2動作モードにおいては、前記第1動作モードにおいて決定された前記第1期間の最適値を用いて前記第1、第2MOSトランジスタを制御する。
(13)上記(9)において、第1、第2MOSトランジスタ及び前記ディジタル制御回路は、半導体基板上に形成される。
また、上記実施形態に係る電源装置の制御方法は、
(14)電圧を負荷に伝達する第1MOSトランジスタと、前記第1MOSトランジスタと交互にオン状態とされ、且つ前記負荷に流れる電流を整流する第2MOSトランジスタとを具備し、前記電流がゼロ以下となる期間が存在する不連続モードにおいて前記第2MOSトランジスタがオフしてから第1期間経過の後に前記第1MOSトランジスタがオン状態となり、前記第1MOSトランジスタがオフしてから第2期間経過の後に前記第2MOSトランジスタがオン状態となる電源装置の制御方法であって、前記制御方法は、前記第1期間を任意の初期値に設定するステップと、前記負荷に伝達される電圧を一定にしつつ、前記第1期間を前記初期値から減少または増加させて時比率を低下させるステップと、前記第1期間を減少させた場合に前記時比率が低下する場合、前記負荷に伝達される電圧を一定にしつつ、前記時比率が上昇に転ずるまで前記第1期間を減少させ続けるステップと、前記第1期間を増加させた場合に前記時比率が低下する場合、前記負荷に伝達される電圧を一定にしつつ、前記時比率が上昇に転ずるまで前記第1期間を増加させ続けるステップと、前記時比率が上昇に転じた直前の前記時比率が得られる前記第1期間に応じて、該第1期間の最適値を決定するステップとを具備する。
(15)上記(14)において、時比率が上昇に転じた直前の前記時比率が得られる前記第1期間が、該第1期間の最適値として選択される。
(16)上記(14)において、最小の時比率が得られる前記第1期間が、該第1期間の最適値として選択される。
(17)上記(16)において、複数の第1期間において最小の前記時比率が得られる場合に、最も長い前記第1期間が、該第1期間の最適値として選択される。
(18)上記(14)において、第1期間は、予め定められた範囲内においてのみ増加または減少される。
(19)上記(14)において、前記第1期間を任意の初期値に設定する前に、センサを用いて前記第2MOSトランジスタに流れる電流が任意の電流値になる時間を検出するステップと、前記電流が任意の電流値となる時間から前記第1MOSトランジスタがオン状態となる時間までの期間を前記初期値とするステップとを更に備え、第2MOSトランジスタは、前記電流が前記任意の電流値になる時間から、前記初期値と前記最適値との間の時間差が経過した後にオフ状態とされる。
Claims (5)
- 負荷に対して流れる電流が常時ゼロより大きい連続モードと、前記負荷に対して流れる電流がゼロ以下となる期間が存在する不連続モードとを有する電源装置であって、前記電源装置は、
電圧を負荷に伝達する第1MOSトランジスタと、
前記第1MOSトランジスタと交互にオン状態となり、前記負荷に流れる電流を整流する第2MOSトランジスタと、
前記第2MOSトランジスタがオフしてから第1期間経過の後に前記第1MOSトランジスタをオンさせ、前記第1MOSトランジスタがオフしてから第2期間経過の後に前記第2MOSトランジスタをオンさせるディジタル制御回路と
を具備し、前記ディジタル制御回路は前記不連続モードにおいて、前記負荷に印加される前記電圧が一定となるように制御しつつ、前記第1期間の長さを変化させ、該第1期間の長さを変化させた際の時比率の変化に基づいて、前記負荷に流れる電流がゼロとなる前記第1期間の長さを決定し、
前記時比率は、前記第1MOSトランジスタがオン状態及びオフ状態となる1周期においてオン状態となる期間の比率である
ことを特徴とする電源装置。 - 前記ディジタル制御回路は、最小の前記時比率が得られる前記第1期間において、前記電流がゼロになると判断する
ことを特徴とする請求項1記載の電源装置。 - 前記第2MOSトランジスタに流れる電流、または前記第2MOSトランジスタの出力電圧を検出するセンサを更に備え、
前記ディジタル制御回路は、前記センサによって任意の電流値が検出された時点を基準にして前記時比率が最小となる値を探索することによって、前記任意の電流値が検出された時刻と前記第1期間の開始時刻との時間差を得、前記センサによって任意の電流値が検出されてから前記時間差の経過後に前記第2MOSトランジスタをオフさせる制御信号を出力する
ことを特徴とする請求項1記載の電源装置。 - 電圧を負荷に伝達する第1MOSトランジスタと、
前記第1MOSトランジスタと交互にオン状態となり、前記負荷に流れる電流を整流する第2MOSトランジスタと、
前記第2MOSトランジスタがオフしてから第1期間経過の後に前記第1MOSトランジスタをオンさせ、前記第1MOSトランジスタがオフしてから第2期間経過の後に前記第2MOSトランジスタをオンさせるディジタル制御回路と
を具備し、前記ディジタル制御回路は、前記第1MOSトランジスタがオン状態となる期間を一定にしつつ前記第1期間の長さを変化させた際における、前記負荷に伝達される前記電圧の値に応じて、前記負荷に流れる電流がゼロとなる前記第1期間の長さを決定する
ことを特徴とする電源装置。 - 電圧を負荷に伝達する第1MOSトランジスタと、前記第1MOSトランジスタと交互にオン状態とされ、且つ前記負荷に流れる電流を整流する第2MOSトランジスタとを具備し、前記電流がゼロ以下となる期間が存在する不連続モードにおいて前記第2MOSトランジスタがオフしてから第1期間経過の後に前記第1MOSトランジスタがオン状態となり、前記第1MOSトランジスタがオフしてから第2期間経過の後に前記第2MOSトランジスタがオン状態となる電源装置の制御方法であって、前記制御方法は、
前記第1期間を任意の初期値に設定するステップと、
前記負荷に伝達される電圧を一定にしつつ、前記第1期間を前記初期値から減少または増加させて時比率を低下させるステップと、
前記第1期間を減少させた場合に前記時比率が低下する場合、前記負荷に伝達される電圧を一定にしつつ、前記時比率が上昇に転ずるまで前記第1期間を減少させ続けるステップと、
前記第1期間を増加させた場合に前記時比率が低下する場合、前記負荷に伝達される電圧を一定にしつつ、前記時比率が上昇に転ずるまで前記第1期間を増加させ続けるステップと、
前記時比率が上昇に転じた直前の前記時比率が得られる前記第1期間に応じて、前記負荷に流れる電流がゼロとなる前記第1期間の長さを決定するステップと
を具備することを特徴とする電源装置の制御方法。
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