JP6188487B2 - Dc/dcコンバータおよびその動作方法、および電子機器 - Google Patents
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Description
比較例に係るDC/DCコンバータ10Aは、図1に示すように、入力と出力との間に配置されたトランス15と、トランス15の1次側インダクタンスL1と接地電位との間に直列接続されたメインMOSトランジスタQMMAINと、トランス15の2次側インダクタンスL2と接地電位との間に直列接続された同期整流用MOSトランジスタQM2Fと、トランス15の2次側出力と接地電位との間に接続され、出力電流を還流可能な還流用MOSトランジスタQM2Rと、同期整流用MOSトランジスタQM2Fをクランプするクランプ用MOSトランジスタQCL1と、還流用MOSトランジスタQM2Rをクランプするクランプ用MOSトランジスタQCL2と、トランス15の1次側インダクタンスL1と接地電位との間にキャパシタCtを介して直列接続され、かつメインMOSトランジスタQMMAINと並列接続された補助MOSトランジスタQMAUXと、メインMOSトランジスタQMMAINおよび補助MOSトランジスタQMAUXに接続され、入力電流を制御するコントローラ30とを備える。
実施の形態に係るDC/DCコンバータ10は、図3に示すように、入力と出力との間に配置されたトランス15と、トランス15の1次側インダクタンスL1と接地電位との間に直列接続されたメインMOSトランジスタQMMAINと、トランス15の2次側インダクタンスL2と接地電位との間に直列接続された同期整流用MOSトランジスタQM2Fと、トランス15の2次側出力と接地電位との間に接続され、出力電流を還流可能な還流用MOSトランジスタQM2Rと、メインMOSトランジスタQMMAINおよび同期整流用MOSトランジスタQM2Fに接続され、入力電流を制御すると共に、出力電流も制御可能なコントローラ30とを備える。ここで、所定の時刻において電源回路の動作が停止されると、コントローラ30は、メインMOSトランジスタQMMAINを停止させると共に、同期整流用MOSトランジスタQM2Fおよび還流用MOSトランジスタQM2Rをソフトストップ(SS:Soft Stop)動作によって、一定期間経過後、停止するようにしても良い。
実施の形態に係るDC/DCコンバータ10において、1次側に配置されたコントローラ30は、メインMOSトランジスタQMMAIN若しくは補助MOSトランジスタQMAUXに接続され、入力電流を制御すると共に、出力電流も制御可能である。
実施の形態に係るコントロール駆動方式による同期整流型のDC/DCコンバータ10において、所定の時刻tSにおいて電源回路の動作を停止(保護による停止も含む)する際、1次側のメインMOSトランジスタQMMAINは即座にオフとなるが、1次側のリセット用の補助MOSトランジスタQMAUXや2次側の同期整流用MOSトランジスタQM2Fは、すぐにスイッチングを停止させず、一定期間スイッチングを継続させることによって、2次側の出力側から2次側の還流用MOSトランジスタQM2Rに過電流が流れないようにすることができる。
実施の形態に係るDC/DCコンバータの停止動作方法は、メインMOSトランジスタを第1のタイミングにおいてオフとするステップと、補助MOSトランジスタ、同期整流用MOSトランジスタおよび還流用MOSトランジスタを、第1のタイミングにおいて停止させず、一定期間スイッチングを継続させるステップと、一定期間の経過の後、補助MOSトランジスタ、同期整流用MOSトランジスタおよび還流用MOSトランジスタをオフとするステップとを有し、還流用MOSトランジスタに導通する過電流を抑制することができる。
実施の形態に係るDC/DCコンバータの停止動作方法は、メインMOSトランジスタを第1のタイミングにおいてオフとするステップと、補助MOSトランジスタ、同期整流用MOSトランジスタおよび還流用MOSトランジスタを、第1のタイミングにおいて停止させず、一定期間スイッチングを継続させるステップと、一定期間の経過の後、補助MOSトランジスタ、同期整流用MOSトランジスタおよび還流用MOSトランジスタをオフとするステップとを有し、同期整流用MOSトランジスタおよび還流用MOSトランジスタのオン/オフ切り替えのタイミングにおいて、オンーオンのオーバーラップ時間を生成してデッドタイムを無くし、同期整流用MOSトランジスタおよび還流用MOSトランジスタのドレインに発生する過電圧を抑制することができる。
―動作停止時の過大電流発生メカニズム―
コントロール駆動方式による同期整流型DC/DCコンバータにおいて、電源回路の動作を停止した際、停止動作の比較例を説明する動作波形は、図5に示すように表される。また、図5に対応する停止動作時の動作波形例は、図6に示すように表される。コントロール駆動方式によるDC/DCコンバータの停止動作方法の比較例では、1次側の補助MOSトランジスタQMAUXのみのSS動作を行う。特に、図5に示すように、時刻tSにおいて電源回路の動作が停止されると、コントローラ30からメインMOSトランジスタQMMAINを駆動するパルス波形OUT・同期整流用MOSトランジスタQM2Fを駆動するパルス波形OUT2Fおよび還流用MOSトランジスタQM2Rを駆動するパルス波形OUT2Rも同時に停止される。一方、1次側の補助MOSトランジスタQMAUXは、SS動作によって、PWM方式でパルス幅のデューティ比を制御して、次第にパルス幅が狭くなるような制御を行い、一定期間経過後、停止している。
実施の形態に係るDC/DCコンバータにおいて、過大電流を抑制可能な停止動作例を説明する動作波形は、図12に示すように表される。
実施の形態に係るDC/DCコンバータにおいて、2次側同期整流用MOSトランジスタQM2Fのゲート電圧M2FGと、2次側還流用MOSトランジスタQM2Rのゲート電圧M2RGの動作タイミング波形であって、デッドタイムΔtDを有する例は、図16に示すように表される。
実施の形態に係るDC/DCコンバータにおいて、2次側同期整流用MOSトランジスタQM2Fのゲート電圧M2FGと、2次側還流用MOSトランジスタQM2Rのゲート電圧M2RGの動作タイミング波形であって、オーバーラップ期間ΔtOLを有する例は、図19に示すように表される。
実施の形態に係るコントロール駆動方式のDC/DCコンバータと比較例に係る自己駆動方式のDC/DCコンバータの電力変換効率と出力コイルLを導通する負荷電流ILとの関係は、図24に示すように表される。
実施の形態に係るDC/DCコンバータは、電子機器に内蔵可能である。電子機器としては、例えば、スマートホン、ラップトップPC、タブレットPC、モニタ若しくはTV、外部ハードディスクドライブ、セットトップボックス、掃除機、冷蔵庫、洗濯機、電話器、ファクシミリ、プリンタ、レーザディスプレイ、通信機器、サーバなどさまざまな機器において適用可能である。
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
15…トランス
20、22…絶縁トランス
24、26…ドライバ
30…コントローラ(コントロールIC)
40…制御回路部
L1…トランスの1次側インダクタンス
L2…トランスの2次側インダクタンス
D1、D2…ダイオード
EL…1次側ライン電圧
VO…出力電圧
CO…出力キャパシタ
Ct、C11、C12、C21、C22…キャパシタ
L…出力コイル
QMAUX…補助MOSトランジスタ
QMMAIN…メインMOSトランジスタ
QCL1、QCL2…クランプ用MOSトランジスタ
QM2R…還流用MOSトランジスタ
QM2F…同期整流用MOSトランジスタ
ΔtD…デッドタイム(Dead Time)
ΔtOL…オーバーラップ期間(Overlap Time)
Claims (15)
- 入力と出力との間に配置されたトランスと、
前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続されたメインMOSトランジスタと、
前記トランスの2次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続された同期整流用MOSトランジスタと、
前記トランスの2次側出力と接地電位との間に接続され、出力電流を還流可能な還流用MOSトランジスタと、
前記メインMOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタに接続され、入力電流を制御すると共に、出力電流も制御可能なコントローラと
を備え、
所定の時刻において動作が停止されると、前記コントローラは、前記メインMOSトランジスタを停止させると共に、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタを、パルス幅変調方式でパルス幅のデューティ比を制御して行うソフトストップ動作によって、一定期間経過後、停止することを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 所定の時刻において動作が停止されると、前記コントローラから出力される前記同期整流用MOSトランジスタの駆動パルス、前記還流用MOSトランジスタの駆動パルスのオン/オフ切り替えのタイミングにおいて、オンーオンのオーバーラップ時間を生成してデッドタイムを無くし、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタのドレインに発生する過電圧を抑制することを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間にキャパシタを介して直列接続され、かつ前記1次側メインMOSトランジスタと並列接続された補助MOSトランジスタを備えることを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記コントローラは、前記補助MOSトランジスタに接続され、所定の時刻において電源回路の動作が停止されると、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタに同期して、前記補助MOSトランジスタをソフトストップ動作によって、一定期間経過後、停止することを特徴とする請求項3に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記コントローラは、第1絶縁トランスを介して前記同期整流用MOSトランジスタのゲートに接続されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記コントローラは、第2絶縁トランスを介して前記還流用MOSトランジスタのゲートに接続されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記トランスの2次側出力と前記出力との間に接続された出力コイルと、
前記出力と接地電位との間に接続された出力キャパシタと
備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。 - 入力と出力との間に配置されたトランスと、
前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続されたメインMOSトランジスタと、
前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間にキャパシタを介して直列接続され、かつ前記1次側メインMOSトランジスタと並列接続された補助MOSトランジスタと、
前記トランスの2次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続された同期整流用MOSトランジスタと、
前記トランスの2次側出力と接地電位との間に接続され、出力電流を還流可能な還流用MOSトランジスタと、
前記メインMOSトランジスタ、前記補助MOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタ、および前記還流用MOSトランジスタを制御可能なコントローラと
を備え、
所定の時刻において動作が停止されると、前記コントローラから出力される前記メインMOSトランジスタの駆動パルスが停止され、前記コントローラから出力される前記同期整流用MOSトランジスタの駆動パルス、前記還流用MOSトランジスタの駆動パルスおよび前記補助MOSトランジスタの駆動パルスは、パルス幅変調方式でパルス幅のデューティ比を制御して行うソフトストップ動作によって、一定期間経過後、停止されることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 入力と出力との間に配置されたトランスと、
前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続されたメインMOSトランジスタと、
前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間にキャパシタを介して直列接続され、かつ前記1次側メインMOSトランジスタと並列接続された補助MOSトランジスタと、
前記トランスの2次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続された同期整流用MOSトランジスタと、
前記トランスの2次側出力と接地電位との間に接続され、出力電流を還流可能な還流用MOSトランジスタと、
前記メインMOSトランジスタ、前記補助MOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタ、および前記還流用MOSトランジスタを制御可能なコントローラと
を備え、
所定の時刻において動作が停止されると、前記コントローラから出力される前記同期整流用MOSトランジスタの駆動パルス、前記還流用MOSトランジスタの駆動パルスのオン/オフ切り替えのタイミングにおいて、オンーオンのオーバーラップ時間を生成してデッドタイムを無くし、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタのドレインに発生する過電圧を抑制することを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 入力と出力との間に配置されたトランスと、前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続されたメインMOSトランジスタと、前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間にキャパシタを介して直列接続され、かつ前記1次側メインMOSトランジスタと並列接続された補助MOSトランジスタと、前記トランスの2次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続された同期整流用MOSトランジスタと、前記トランスの2次側出力と接地電位との間に接続され、出力電流を還流可能な還流用MOSトランジスタと、前記メインMOSトランジスタ、前記補助MOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタ、および前記還流用MOSトランジスタに接続され、入力電流を制御すると共に、出力電流も制御可能なコントローラとを備えるDC/DCコンバータの停止動作方法において、
前記メインMOSトランジスタを第1のタイミングにおいてオフとするステップと、
前記補助MOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタを、前記第1のタイミングにおいて停止させず、一定期間スイッチングを継続させるステップと、
前記一定期間の経過の後、前記補助MOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタをオフとするステップと
を有し、
前記一定期間スイッチングを継続させるステップは、パルス幅変調方式でパルス幅のデューティ比を制御して行うソフトストップ動作を行い、
前記還流用MOSトランジスタに導通する過電流を抑制したことを特徴とするDC/DCコンバータの動作方法。 - 入力と出力との間に配置されたトランスと、前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続されたメインMOSトランジスタと、前記トランスの1次側インダクタンスと接地電位との間にキャパシタを介して直列接続され、かつ前記1次側メインMOSトランジスタと並列接続された補助MOSトランジスタと、前記トランスの2次側インダクタンスと接地電位との間に直列接続された同期整流用MOSトランジスタと、前記トランスの2次側出力と接地電位との間に接続され、出力電流を還流可能な還流用MOSトランジスタと、前記メインMOSトランジスタ、前記補助MOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタ、および前記還流用MOSトランジスタに接続され、入力電流を制御すると共に、出力電流も制御可能なコントローラとを備えるDC/DCコンバータの停止動作方法において、
前記メインMOSトランジスタを第1のタイミングにおいてオフとするステップと、
前記補助MOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタを、前記第1のタイミングにおいて停止させず、一定期間スイッチングを継続させるステップと、
前記一定期間の経過の後、前記補助MOSトランジスタ、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタをオフとするステップと
を有し、
前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタのオン/オフ切り替えのタイミングにおいて、オンーオンのオーバーラップ時間を生成してデッドタイムを無くし、前記同期整流用MOSトランジスタおよび前記還流用MOSトランジスタのドレインに発生する過電圧を抑制したことを特徴とするDC/DCコンバータの動作方法。 - 前記一定期間スイッチングを継続させるステップは、ソフトストップ動作を行うことを特徴とする請求項11に記載のDC/DCコンバータの動作方法。
- 前記ソフトストップ動作は、パルス幅変調方式でパルス幅のデューティ比を制御して行うことを特徴とする請求項12に記載のDC/DCコンバータの動作方法。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータを搭載したことを特徴とする電子機器。
- 前記電子機器は、モニタ、外部ハードディスクドライブ、セットトップボックス、ラップトップPC、タブレットPC、スマートホン、バッテリーチャージャーシステム、パーソナルコンピュータ、ディスプレイ、プリンタ、掃除機、冷蔵庫、ファクシミリ、電話機、通信機器、サーバのいずれかであることを特徴とする請求項14に記載の電子機器。
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