JP4918066B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、カレントモード制御手段を含むスイッチング制御手段により、負荷に安定化した直流電圧を供給するスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply apparatus that supplies a stabilized DC voltage to a load by switching control means including current mode control means.
直流入力電圧を、電界効果トランジスタ(FET)等のスイッチング素子により所定の周期でスイッチングし、整流平滑化した直流出力電圧を負荷に供給し、その直流出力電圧が設定値となるように、スイッチング素子のオン期間を制御するスイッチング電源装置は、既に各種の構成が知られている。又スイッチング電源装置は、直流出力電圧が設定電圧となるようにスイッチング素子のオン期間を制御するものであるが、起動初期の過渡的な制御状態に於いて、直流出力電圧がオーバーシュートする現象が発生する。このオーバーシュートによる電圧は、急激に所定の電圧を超えるように変化するものであるから、半導体集積回路等の負荷に対して悪影響を及ぼす可能性が高いものとなる。従って、このオーバーシュートの発生を抑圧する為のソフトスタート回路を設けた構成が適用される場合が多い(例えば、特許文献1参照)。又平滑回路を構成するチョークコイルを流れる電流を検出してフィードバック制御するカレントモード制御手段を備えたスイッチング電源装置も知られている(例えば、特許文献2参照)。 A switching element such that a DC input voltage is switched at a predetermined cycle by a switching element such as a field effect transistor (FET), and a rectified and smoothed DC output voltage is supplied to a load, and the DC output voltage becomes a set value. Various configurations of switching power supply devices that control the on-period of these are already known. In addition, the switching power supply device controls the ON period of the switching element so that the DC output voltage becomes the set voltage. However, the phenomenon that the DC output voltage overshoots in a transient control state at the initial stage of startup. appear. Since the voltage due to this overshoot suddenly changes so as to exceed a predetermined voltage, there is a high possibility of adversely affecting a load such as a semiconductor integrated circuit. Accordingly, a configuration provided with a soft start circuit for suppressing the occurrence of this overshoot is often applied (see, for example, Patent Document 1). There is also known a switching power supply device provided with a current mode control means for detecting and feeding back a current flowing through a choke coil constituting a smoothing circuit (see, for example, Patent Document 2).
このようなカレントモード制御手段とソフトスタート回路とを適用した従来例のスイッチング電源装置の要部を図3に示す。同図に於いて、Eは直流電源、Q1は電界効果トランジスタ等のスイッチング素子、D1はダイオード、L1はチョークコイル、C1,C2はコンデンサ、R1〜R3は抵抗、RLは負荷、SWはソフトスタートスイッチ、Vrefは基準電源電圧、Vrは基準電圧、Vinは入力電圧、Voutは出力電圧、V1はチョークコイルに流れる電流を検出した電流検出電圧、V2は誤差電圧、V3は出力検出電圧、I1は負荷電流、I2はチョークコイル電流、21は電流電圧変換器(I/V)、22はカレントトランスやチョークコイル二次巻線等によりチョークコイルを流れる電流を検出する電流検出器、23は誤差増幅器、24は比較器、25は発振器(OSC)、26はセット端子Sとリセット端子Rと出力端子Qとを有するフリップフロップを示す。 FIG. 3 shows a main part of a conventional switching power supply device to which such a current mode control means and a soft start circuit are applied. In the figure, E is a DC power supply, Q1 is a switching element such as a field effect transistor, D1 is a diode, L1 is a choke coil, C1 and C2 are capacitors, R1 to R3 are resistors, RL is a load, and SW is a soft start. The switch, Vref is the reference power supply voltage, Vr is the reference voltage, Vin is the input voltage, Vout is the output voltage, V1 is the current detection voltage that detects the current flowing through the choke coil, V2 is the error voltage, V3 is the output detection voltage, and I1 is Load current, I2 is a choke coil current, 21 is a current-voltage converter (I / V), 22 is a current detector for detecting a current flowing through the choke coil by a current transformer, a choke coil secondary winding, etc., and 23 is an error amplifier , 24 is a comparator, 25 is an oscillator (OSC), 26 is a flip having a set terminal S, a reset terminal R, and an output terminal Q Show a drop.
ソフトスタート回路は、ソフトスタートスイッチSWと抵抗R3とコンデンサC2とを含む構成を有し、カレントモード制御回路は、電流検出器22と、電流電圧変換器21と比較器24とを含む構成を有する場合を示し、スイッチング素子Q1は、フリップフロップ26の出力端子Qがハイレベル(“1”)の時にオンとなる場合を示す。又発振器25は、スイッチング素子Q1のオン、オフ周期に対応した一定の周期の出力信号をフリップフロップ26のセット端子Sに入力する。例えば、ソフトスタート回路のソフトスタートスイッチSWを図示のようにオン状態とすると、コンデンサC2は短絡状態となり、誤差増幅器23に入力される基準電圧Vrは0Vとなる。従って、誤差増幅器23の出力の誤差電圧V2は0Vとなり、比較器24の出力信号はハイレベル“1”を継続する。又発振器25の一定周期の出力信号によってセットされるフリップフロップ26は、比較器24の出力信号(“1”)によってリセットされる。従って、ソフトスタートスイッチSWをオン状態としている場合、フリップフロップ26は、リセット状態を継続することになり、スイッチング素子Q1はオフ状態を継続し、負荷RLに印加する出力電圧Voutは0Vとなる。従って、誤差増幅器23に入力される出力検出電圧V3も0Vとなる。即ち、スイッチング電源装置としては休止状態を継続する。
The soft start circuit has a configuration including a soft start switch SW, a resistor R3, and a capacitor C2. The current mode control circuit has a configuration including a
ソフトスタートスイッチSWをオフとすると、抵抗R3を介してコンデンサC2に基準電源電圧Vrefから充電され、コンデンサC2の端子電圧が誤差増幅器23の基準電圧Vrとして入力される。この場合の基準電圧VrはCR時定数に従って上昇する。又抵抗R1,R2による出力電圧Voutを分圧した出力検出電圧V3を誤差増幅器23に入力し、基準電圧Vrとの差の誤差電圧V2を比較器24に入力し、電流検出器22によりチョークコイルL1に流れる電流を検出して、電流電圧変換器21により変換した電流検出電圧V1を比較器24に入力し、V1≧V2となった時に、フリップフロップ26をリセットして、スイッチング素子Q1をオフとする。このフリップフロップ26は、前述のように、発振器25の出力信号によりセットされ、比較器24の出力信号によりリセットされ、出力端子Qからのセット出力信号によりスイッチング素子Q1はオンとなる。このスイッチング素子Q1がオンとなった時に、チョークコイルL1を介してコンデンサC1の充電電流と負荷RLに供給する電流I1とが流れる。その後にスイッチング素子Q1がオフとなると、チョークコイルL1の蓄積エネルギによる電流がダイオードD1を介して、コンデンサC1と負荷RLとに流れる。負荷RLに印加する出力電圧Voutは、ソフトスタートスイッチSWをオフとすることにより、次第に上昇して、基準電圧Vrにより定まる一定の電圧に制御される。
前述の従来のソフトスタート回路とカレントモード制御回路とを含む構成のスイッチング電源装置は、理想的には、ソフトスタート回路により、出力電圧の立上りが所定の時定数に従って円滑な特性となり、且つカレントモード制御回路により、負荷電流の変化に対して、出力電圧の変動を抑制する特性となる。しかし、前述の図3に示す従来のスイッチング電源装置は、出力電圧の立上り特性が必ずしも円滑な特性とはならない問題がる。図4は、前述の図4に示すスイッチング電源装置の動作特性の概要を示すものであり、Vr,Vout,V1,V2,V3はそれぞれ、基準電圧、出力電圧、電流検出電圧、誤差電圧、出力検出電圧の概要特性を示す。なお、横軸はそれぞれ同一の時間tを示すが、縦軸はそれぞれ同一又は異なる電圧として示す。 The switching power supply device having the above-described configuration including the conventional soft start circuit and the current mode control circuit ideally has a smooth characteristic that the output voltage rises according to a predetermined time constant by the soft start circuit, and the current mode. The control circuit has a characteristic that suppresses fluctuations in the output voltage against changes in the load current. However, the conventional switching power supply device shown in FIG. 3 has a problem that the rising characteristics of the output voltage are not always smooth. FIG. 4 shows an outline of the operation characteristics of the switching power supply device shown in FIG. 4, and Vr, Vout, V1, V2, and V3 are a reference voltage, an output voltage, a current detection voltage, an error voltage, and an output, respectively. The outline characteristics of the detection voltage are shown. The horizontal axis indicates the same time t, but the vertical axis indicates the same or different voltage.
ソフトスタートスイッチSWをオフとすると、基準電源電圧VrefによりコンデンサC2は抵抗R3を介して充電され、コンデンサC2の端子電圧が基準電圧Vrとして、誤差増幅器23に入力される。従って、基準電圧Vrは、図4の一番上に示すように、CR時定数に従って上昇し、基準電源電圧Vrefと略同様な値の基準電圧Vrとなる。この基準電圧Vrの上昇に対応して出力電圧Vout(出力検出電圧V3)も上昇する。この出力電圧Vout(出力検出電圧V3)の上昇に対応してチョークコイルL1に流れる電流I2は、負荷RLに流れる電流I1とコンデンサC1の充電電流との和となり、急激に増加し、電流検出電圧V1は、所定値を超えた値となる。カレントモード制御回路としては、電流検出電圧V1が所定値を超えた電流が流れたことにより、ソフトスタート期間であっても、スイッチング素子Q1のオン期間を短縮するように制御して、出力電圧Vout(出力検出電圧V3)を低下させる。
When the soft start switch SW is turned off, the capacitor C2 is charged through the resistor R3 by the reference power supply voltage Vref, and the terminal voltage of the capacitor C2 is input to the
この出力電圧Vout(出力検出電圧V3)の低下により、チョークコイルL1に流れる電流I2も減少し、この電流I2の変化に対応して、電流検出電圧V1は、急上昇した後、低下する。そして、出力電圧Vout(出力検出電圧V3)が所定値となった時点では、電流I2は所定値、即ち、電流検出電圧V1は所定値となる。このように、ソフトスタート回路とカレントモード制御回路とを備えた従来のスイッチング電源装置に於いては、図4の上から2番目に示す出力電圧Voutの立上り過程の途中で、a点に於いて急変することにより、誤差電圧V2も変化する。このように、負荷RLに印加する出力電圧Voutの急激な変化は、半導体集積回路等の耐圧の低い負荷に対して悪影響を及ぼす問題がある。 As the output voltage Vout (output detection voltage V3) decreases, the current I2 flowing through the choke coil L1 also decreases. In response to the change in the current I2, the current detection voltage V1 rapidly increases and then decreases. When the output voltage Vout (output detection voltage V3) reaches a predetermined value, the current I2 has a predetermined value, that is, the current detection voltage V1 has a predetermined value. As described above, in the conventional switching power supply device including the soft start circuit and the current mode control circuit, at the point a during the rising process of the output voltage Vout shown second from the top in FIG. By sudden change, the error voltage V2 also changes. Thus, a sudden change in the output voltage Vout applied to the load RL has a problem of adversely affecting a load with a low breakdown voltage such as a semiconductor integrated circuit.
本発明は、スイッチング電源装置のソフトスタート時の負荷に印加する出力電圧が滑らかに上昇し、負荷に印加電圧の急変による衝撃を与えないようにすることを目的とするものである。 An object of the present invention is to prevent an output voltage applied to a load at the time of soft start of a switching power supply device from rising smoothly and to give an impact to the load due to a sudden change in the applied voltage.
本発明のスイッチング電源装置は、負荷に印加する出力電圧を検出した出力検出電圧と基準電圧とを誤差増幅器に入力して求めた誤差分と、スイッチング素子によりオン、オフ制御した電流を、チョークコイルを介して前記負荷に供給すると共に、該電流を検出して電圧に変換した電流検出電圧とを求めて、その誤差分と電流検出電圧とを比較器により比較し、誤差分と電流検出電圧との差分に対応して前記スイッチング素子のオン期間を制御するカレントモード制御回路と、前記基準電圧を起動時に徐々に上昇させるソフトスタート回路とを含むスイッチング電源装置であって、前記電流検出電圧を入力する前記比較器の端子と前記出力検出電圧を入力する前記誤差増幅器の端子との間に、抵抗とコンデンサとの直列回路を接続した構成を備えている。 The switching power supply device according to the present invention provides an error amount obtained by inputting an output detection voltage and a reference voltage detected by an output voltage applied to a load to an error amplifier, and a current that is on / off controlled by a switching element. A current detection voltage obtained by detecting the current and converting it to a voltage, and comparing the error amount with the current detection voltage by a comparator. The switching power supply device includes a current mode control circuit that controls an ON period of the switching element corresponding to a difference between the switching element and a soft start circuit that gradually increases the reference voltage at the time of start-up. A series circuit of a resistor and a capacitor is connected between the comparator terminal and the error amplifier terminal for inputting the output detection voltage. Eteiru.
ソフトスタート回路により誤差増幅器に入力する基準電圧を徐々に増加させることにより、負荷に印加する出力電圧を徐々に増加し、その出力電圧の増加に対してチョークコイルに流れる電流が急激に増加することから、従来は、スイッチング素子のオン期間を短縮することにより、出力電圧が一時的に低下し、その後に急上昇するものであったが、比較器の電流検出電圧の入力端子と、誤差増幅器の出力検出電圧の入力端子との間に接続した抵抗とコンデンサとにより、電流検出電圧の急変成分を出力検出電圧に重畳させて、スイッチング素子のオン期間短縮による出力電圧の一時的な低下を回避し、ソフトスタート回路によるソフトスタート特性に対応して、出力電圧を滑らかに上昇させることが可能となる。 By gradually increasing the reference voltage input to the error amplifier by the soft start circuit, the output voltage applied to the load is gradually increased, and the current flowing through the choke coil increases rapidly as the output voltage increases. Therefore, in the past, the output voltage temporarily decreased by shortening the ON period of the switching element, and then rapidly increased, but the current detection voltage input terminal of the comparator and the output of the error amplifier A resistor and a capacitor connected between the input terminal of the detection voltage superimpose a sudden change component of the current detection voltage on the output detection voltage, avoiding a temporary decrease in the output voltage due to shortening of the ON period of the switching element, Corresponding to the soft start characteristic by the soft start circuit, the output voltage can be increased smoothly.
本発明のスイッチング電源装置は、図1を参照して説明すると、負荷RLに印加する出力電圧Voutを検出した出力検出電圧V3と基準電圧Vrとを誤差増幅器23に入力して誤差電圧V2を求め、スイッチング素子Q1によりオン、オフ制御した電流を、チョークコイルL1を介して負荷RLに供給すると共に、チョークコイルL1に流れる電流I2を検出して、電流電圧変換器21により電流検出電圧V1に変換し、その電流検出電圧V1と、誤差電圧V2とを比較器24に入力して比較し、誤差電圧V2と電流検出電圧V1との差分に対応してスイッチング素子Q1のオン期間を制御するカレントモード制御回路と、誤差増幅器23に入力する基準電圧Vrを起動時に徐々に上昇させるソフトスタート回路とを含むスイッチング電源装置であって、電流検出電圧V1を入力する比較器24の端子と出力検出電圧V3を入力する誤差増幅器23の端子との間に、抵抗R4とコンデンサC3との直列回路を接続した構成を備えている。
The switching power supply device of the present invention will be described with reference to FIG. 1. An output voltage V3 obtained by detecting an output voltage Vout applied to a load RL and a reference voltage Vr are input to an
図1は、本発明の実施例1の説明図であり、Eは直流電源、Q1は電界効果トランジスタ等のスイッチング素子、D1はダイオード、L1はチョークコイル、C1〜C3はコンデンサ、R1〜R4は抵抗、RLは半導体集積回路や各種の負荷、SWはソフトスタートスイッチ、Vrefは基準電源電圧、Vrは基準電圧、Vinは入力電圧、Voutは出力電圧、V1はチョークコイルに流れる電流を検出した電流検出電圧、V2は誤差増幅器23の出力の誤差電圧、V3は抵抗R1,R2により分圧した出力検出電圧、I1は負荷RLに供給する負荷電流、I2はチョークコイルL1を介してコンデンサC1や負荷RLに流れるチョークコイル電流、21は電流電圧変換器(I/V)、22はカレントトランスやチョークコイルの二次巻線等によりチョークコイルL1を流れる電流を検出する電流検出器、23は誤差増幅器、24は比較器、25は発振器(OSC)、26はセット端子Sとリセット端子Rと出力端子Qとを有するフリップフロップを示す。
FIG. 1 is an explanatory diagram of Embodiment 1 of the present invention, where E is a DC power supply, Q1 is a switching element such as a field effect transistor, D1 is a diode, L1 is a choke coil, C1 to C3 are capacitors, and R1 to R4 are Resistor, RL is a semiconductor integrated circuit and various loads, SW is a soft start switch, Vref is a reference power supply voltage, Vr is a reference voltage, Vin is an input voltage, Vout is an output voltage, and V1 is a current detected through a choke coil. The detection voltage, V2 is the error voltage of the output of the
ソフトスタートスイッチSWをオフとすることにより、基準電圧VrをコンデンサC2と抵抗R3とによるCR時定数に従って滑らかに上昇させて、スイッチング電源装置のスイッチング素子Q1のオン期間を0から順次長くし、出力電圧Voutを上昇させる。この出力電圧Voutにより、負荷RLとコンデンサC1とに電流が流れる。又スイッチング素子Q1がオン状態に於いて流れた電流によるチョークコイルL1の蓄積エネルギにより、スイッチング素子Q1がオフ状態となった時に、負荷RL及びコンデンサC1に流れる。このチョークコイルL1に流れる電流I2を電流検出器22により検出し、電流電圧変換器21により電流検出電圧V1に変換して比較器24に入力する。この電流電圧変換器21により変換した電流検出電圧V1を、抵抗R4とコンデンサC3とを介して、出力検出電圧V3に重畳させて誤差増幅器23に入力する。即ち、抵抗R4とコンデンサC3とを介して、チョークコイルL1に流れる電流I2の変化分に相当する電流検出電圧を、分圧抵抗R1,R2による出力検出電圧V3に重畳して誤差増幅器23に入力する。それにより、出力電圧Voutの立上り過程に於けるチョークコイルL1に流れる電流I2の急上昇によるスイッチング素子Q1のオン期間短縮を回避し、出力電圧Voutを円滑に上昇させることができる。
By turning off the soft start switch SW, the reference voltage Vr is smoothly increased according to the CR time constant of the capacitor C2 and the resistor R3, and the ON period of the switching element Q1 of the switching power supply device is sequentially increased from 0 to output The voltage Vout is increased. The output voltage Vout causes a current to flow through the load RL and the capacitor C1. Further, when the switching element Q1 is turned off by the energy stored in the choke coil L1 due to the current that flows when the switching element Q1 is turned on, the current flows to the load RL and the capacitor C1. The current I2 flowing through the choke coil L1 is detected by the
図2は、図1に示す本発明の実施例1の動作概要の説明図であり、Vrは基準電圧、Voutは出力電圧、V1はチョークコイルに流れる電流を検出して電圧に変換した電流検出電圧、V2は誤差増幅器23の出力の誤差電圧、V3は分圧抵抗R1,R2による出力検出電圧のそれぞれソフトスタート過程に於ける概要を示す。誤差増幅器23に入力する基準電圧Vrは、従来例と同様に、ソフトスタートスイッチSWをオフとすることにより、コンデンサC2と抵抗R3とによるCR時定数に従って上昇する。この基準電圧Vrの上昇に従って出力電圧Voutは上昇し、チョークコイルL1に流れる電流I2も増加し、電流検出電圧V1も上昇し、その変化分が抵抗R4とコンデンサC3とを介して、出力検出電圧V3に重畳されて誤差増幅器23に入力される。それにより、チョークコイルL1に流れる電流が急増しても、それに対応して、誤差増幅器23に入力する出力検出電圧V3も上昇した状態となるから、誤差電圧V2は殆ど所定の値を維持し、出力電圧Voutは滑らかに設定値に上昇する。即ち、ソフトスタートによる出力電圧Voutの立上りを滑らかにすることができる。
FIG. 2 is an explanatory diagram of an outline of the operation of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, wherein Vr is a reference voltage, Vout is an output voltage, V1 is a current detection in which a current flowing through a choke coil is detected and converted into a voltage. Voltage, V2 is an error voltage of the output of the
ソフトスタート回路は、図1に示す抵抗R3とコンデンサC2とソフトスタートスイッチSWによる構成のみでなく、既に知られている各種の構成も適用可能である。又スイッチング素子Q1をオン、オフ制御する為の発振器25とフリップフロップ26とを含む構成についても、既に知られているスイッチング制御構成を適用可能である。
The soft start circuit is not limited to the configuration of the resistor R3, the capacitor C2, and the soft start switch SW shown in FIG. 1, and various configurations already known are also applicable. A known switching control configuration can also be applied to a configuration including the
21 電流電圧変換器(I/V)
22 電流検出器
23 誤差増幅器
24 比較器
25 発振器(OSC)
26 フリップフロップ
I1 負荷電流
I2 チョークコイル電流
E 直流電源
Q1 スイッチング素子
D1 ダイオード
L1 チョークコイル
C1〜C3 コンデンサ
L1 チョークコイル
R1〜R4 抵抗
RL 負荷
SW ソフトスタートスイッチ
Vref 基準電源電圧
Vin 入力電圧
Vout 出力電圧
V1 電流検出電圧
V2 誤差電圧
V3 出力検出電圧
21 Current-voltage converter (I / V)
22
26 flip-flop I1 load current I2 choke coil current E DC power supply Q1 switching element D1 diode L1 choke coil C1 to C3 capacitor L1 choke coil R1 to R4 resistance RL load SW soft start switch Vref reference power supply voltage Vin input voltage Vout output voltage V1 current Detection voltage V2 Error voltage V3 Output detection voltage
Claims (1)
前記電流検出電圧を入力する前記比較器の端子と前記出力検出電圧を入力する前記誤差増幅器の端子との間に抵抗とコンデンサとの直列回路を接続した構成を備えた
ことを特徴とするスイッチング電源装置。 An error amount obtained by inputting an output detection voltage and a reference voltage detected from the output voltage applied to the load to the error amplifier, and a current that is on / off controlled by the switching element are supplied to the load via the choke coil. The current detection voltage that is detected and converted into a voltage is compared by a comparator, and a current mode control circuit that controls the ON period of the switching element corresponding to the difference; In a switching power supply device including a soft start circuit for raising,
A switching power supply comprising a configuration in which a series circuit of a resistor and a capacitor is connected between a terminal of the comparator for inputting the current detection voltage and a terminal of the error amplifier for inputting the output detection voltage. apparatus.
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