JP6787505B2 - スイッチング電源装置の制御方法および制御回路 - Google Patents
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Description
また、本発明は、共振インダクタおよび共振コンデンサを有する共振回路に設けられるハーフブリッジ回路のハイサイドの第1のスイッチング素子およびローサイドの第2のスイッチング素子をそれぞれ駆動する第1駆動信号生成部および第2駆動信号生成部を備えたスイッチング電源装置の制御回路が提供される。このスイッチング電源装置の制御回路は、共振回路の共振電流を変換した信号が入力される共振電流検出手段と、直流電圧を出力する出力回路から出力電圧とその目標電圧との誤差を表すフィードバック信号を取得するフィードバック信号検出手段と、第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の一方がターンオフしてから第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の他方がターンオフするまでのターンオフ時間を、第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の一方がターンオフしてからカウントした時間情報とフィードバック信号との乗算に基づいて算出し、ターンオフ時間に基づいて第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の他方をターンオフする制御手段と、を有している。
図1は第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成例を示す回路図、図2はスイッチング電源装置を制御する制御ICの構成例を示す図である。
図3は第1の実施の形態におけるデジタル制御回路の動作を示すフローチャート、図4は第1の実施の形態におけるデジタル制御回路の入出力波形の例を示す図である。
次に、デジタル制御回路20は、電流反転信号Sinvが反転したかどうかを判断し(ステップS11)、電流反転信号Sinvが反転していない場合は、反転するまで共振電流反転前時間Tblのカウント動作を継続する。
図5はデジタル制御回路の機能の構成例を示すブロック図、図6は負荷と電流位相比との関係を示す図、図7はデジタル制御回路の動作波形の例を示す図であって、(A)は通常制御時の動作波形であり、(B)は無負荷制御時の動作波形である。
Kcpr=Tah/Tbh=Tal/Tbl ・・(1)
となる。なお、Tah/Tbh=Tal/Tblが成り立つのは定常状態のときであり、負荷急変時は、ハイサイドのスイッチング素子のオン・オフ制御とローサイドのオン・オフ制御が別になって、Tah/Tbh≠Tal/Tblとなることがある。
Vfb=Kcpr/A+B ・・(2)
で表される。ここで、A,Bは、定数である。
Tah=(Vfb−B)・A・Tbh ・・(3)
Tal=(Vfb−B)・A・Tbl ・・(4)
が求められる。これらの式(3)および式(4)で求められる共振電流反転後時間Tah,Talは、目標値算出部22,28で算出される目標値Tah_t,Tal_tに等しい。
A・(Vfb−B)=Tah/Tbh ・・(5)
が得られる。また、システム設計(仕様決定)の段階で、Tah/Tbh(=Kcpr)の範囲とそれに対応するVfb電圧の範囲とが決められる。Tah/Tbhの最小値(=Kcpr_min)は、無負荷時であって共振電流Icrが励磁電流のみの場合であるため、1である。Tah/Tbhの最大値は、ここでは、たとえば、10であるとする。次に、Tah/Tbhの最小値および最大値に対応するVfb電圧の最小値Vfb_minと最大値Vfb_maxが決められる。ここでは、この実施の形態の制御IC10にてFB端子に設定されている最小値および最大値で、たとえば、Vfb_min=1V、Vfb_max=3Vである。これらの値を上記の式(5)に代入すると連立方程式が得られるので、この連立方程式を解いて定数A,Bがそれぞれ求められる。なお、ここでは、ハイサイドの場合について説明したが、ローサイドの場合でも同じである。
Tah=k・Vfb・Tbh ・・(6)
Tal=k・Vfb・Tbl ・・(7)
で表される。このことから、共振電流反転後時間Tahは、共振電流反転前時間TbhとVfb電圧との乗算で決められ、共振電流反転後時間Talは、共振電流反転前時間TblとVfb電圧との乗算で決められることになる。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置は、第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置と比較して、共振電流反転後時間Tah,Talの求め方を変更している。すなわち、第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置では、共振電流反転後時間Tah,Talは、半周期の開始時点からカウントした時間情報としての共振電流反転前時間Tbh,Tblと半周期の開始時に取得したFB電圧との乗算に基づいて算出している。これに対し、第2の実施の形態では、半周期の開始時点からカウントした時間情報として、直近の連続した複数の半周期の時間を平均化した平均時間を用いる。具体的には、第2の実施の形態の共振電流反転後時間Tah,Talは、この平均時間と半周期の開始時に取得したFB電圧との乗算に基づいて算出している。なお、第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置は、その全体構成および制御ICの構成については、第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置の全体構成(図1)および制御IC10の構成(図2)と同じである。したがって、第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置については、制御IC10のデジタル制御回路の動作から説明する。
Tah_t=k・Vfbh・Tco ・・(8)
によって算出される。ここで、kは定数、VfbhはステップS22でサンプリングにより求められたFB電圧、Tcoはこのスイッチング動作と並行して動作する図9の半周期平均値算出動作によって求められる半周期平均値である。次に、デジタル制御回路20aは、ハイサイドの共振電流反転後時間Tahのカウント動作を開始する(ステップS28)。なお、この共振電流反転後時間Tahのカウント動作は、電流反転信号Sinvが反転してから目標値Tah_tの計算と同時に開始してもよい。
Tah=k・Vfbh・Tco ・・(9)
が求められると、デジタル制御回路20aは、ハイサイドの共振電流反転後時間Tahのカウント動作を終了する(ステップS30)。また、同時にデジタル制御回路20aは、ハイサイドの駆動信号Vhoを、オフを指示する状態に変化させてハイサイドのスイッチング素子Q1をターンオフする(ステップS31)。
Tal_t=k・Vfbl・Tco ・・(10)
によって算出される。ここで、kは定数、VfblはステップS32でサンプリングにより求められたFB電圧、Tcoは図9の半周期平均値算出動作によって求められる半周期平均値である。次に、デジタル制御回路20aは、ローサイドの共振電流反転後時間Talのカウント動作を開始する(ステップS38)。なお、この共振電流反転後時間Talのカウント動作は、電流反転信号Sinvが反転してから目標値Tal_tの計算と同時に開始してもよい。
Tal=k・Vfbl・Tco ・・(11)
が求められると、デジタル制御回路20aは、ローサイドの共振電流反転後時間Talのカウント動作を終了する(ステップS40)。次に、このスイッチング動作は、ステップS21に戻り、ステップS21〜S40の処理を繰り返す。
デジタル制御回路20aは、まず、スイッチング電源装置の起動時に半周期平均値Tcoの初期値設定を行う(ステップS41)。この初期値設定では、スイッチング電源装置の起動直後から半周期平均値Tcoを求めることができるよう、半周期のカウント値を格納する空のレジスタに半周期の仮のカウント値が設定される。仮のカウント値としては、スイッチング周波数が最大となる最小の半周期の値が設定され、これにより、スイッチング電源装置のソフトスタートを実現している。
図11は第2の実施の形態に係るデジタル制御回路の機能の構成例を示すブロック図、図12はFB電圧と負荷との関係を示す図である。
20,20a デジタル制御回路
21 Tbhカウンタ
22 目標値算出部
23 Tahカウンタ
24 デジタル比較器
25 駆動信号生成部
26 デッドタイムカウンタ
27 Tblカウンタ
28 目標値算出部
29 Talカウンタ
30 デジタル比較器
31 駆動信号生成部
32 デッドタイムカウンタ
41 Tchカウンタ
42 目標値算出部
43 Tahカウンタ
44 デジタル比較器
45 駆動信号生成部
46 デッドタイムカウンタ
47 Tco算出部
48 Tclカウンタ
49 目標値算出部
50 Talカウンタ
51 デジタル比較器
52 駆動信号生成部
53 デッドタイムカウンタ
ADC アナログ・デジタル変換器
Buf1,Buf2 バッファ回路
C1 コンデンサ
C2 ブートストラップコンデンサ
C3 コンデンサ
C4 出力コンデンサ
C5,C6 コンデンサ
Cis 分流コンデンサ
Comp 比較器
Cr 共振コンデンサ
D1 ブートストラップダイオード
D2,D3 ダイオード
IN1,IN2 入力端子
OUT1,OUT2 出力端子
P1 1次巻線
PC1 フォトカプラ
Q1,Q2 スイッチング素子
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,Ris_lvs1,Ris_lvs2 抵抗
Ris 分流抵抗
S1,S2 2次巻線
SR1 シャントレギュレータ
T1 トランス
Claims (21)
- ハイサイドの第1のスイッチング素子およびローサイドの第2のスイッチング素子を直列に接続して構成したハーフブリッジ回路と、共振インダクタおよび共振コンデンサとを有する共振回路とを備えたスイッチング電源装置の制御方法であって、
前記共振回路の共振電流を検出し、
直流電圧を出力する出力回路から出力電圧とその目標電圧との誤差を表すフィードバック信号を取得し、
前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の一方がターンオフしてから前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方がターンオフするまでの半周期のうちで前記共振電流が極性を反転したときから前記半周期が終了するまでの共振電流反転後時間を、前記半周期の開始時点からカウントした時間情報と前記半周期の開始時に取得した前記フィードバック信号との乗算に基づいて算出し、前記共振電流が極性を反転したときから算出された前記共振電流反転後時間を経過した後に前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方をターンオフする、スイッチング電源装置の制御方法。 - 前記時間情報は、前記半周期の開始から前記共振電流が極性を反転するまでの共振電流反転前時間である、請求項1記載のスイッチング電源装置の制御方法。
- 前記共振電流反転後時間は、前記共振電流反転前時間を算出し、算出された前記共振電流反転前時間と前記フィードバック信号とから前記共振電流反転後時間の目標値を算出し、前記共振電流が極性を反転したときからカウントしていたカウント値が前記目標値に一致したときの前記カウント値により求められる、請求項2記載のスイッチング電源装置の制御方法。
- 前記時間情報は、直近の連続した所定数の半周期の時間を平均化した平均時間である、請求項1記載のスイッチング電源装置の制御方法。
- 前記共振電流反転後時間は、前記平均時間を算出し、算出された前記平均時間と前記フィードバック信号とから前記共振電流反転後時間の目標値を算出し、前記共振電流が極性を反転したときからカウントしていたカウント値が前記目標値に一致したときの前記カウント値により求められる、請求項4記載のスイッチング電源装置の制御方法。
- 前記平均時間は、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子がターンオフするごとに求められた半周期の長さを保持し、保持された所定数の半周期の長さを平均化することにより求められる、請求項5記載のスイッチング電源装置の制御方法。
- 半周期の長さを保持するレジスタは、起動時にスイッチング周波数が最大となる最小の半周期の値により初期設定される、請求項6記載のスイッチング電源装置の制御方法。
- 共振インダクタおよび共振コンデンサを有する共振回路に設けられるハーフブリッジ回路のハイサイドの第1のスイッチング素子およびローサイドの第2のスイッチング素子をそれぞれ駆動する第1駆動信号生成部および第2駆動信号生成部を備えたスイッチング電源装置の制御回路であって、
前記共振回路の共振電流を変換した信号が入力される共振電流検出手段と、
直流電圧を出力する出力回路から出力電圧とその目標電圧との誤差を表すフィードバック信号を取得するフィードバック信号検出手段と、
前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の一方がターンオフしてから前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方がターンオフするまでの半周期のうちで前記共振電流が極性を反転したときから前記半周期が終了するまでの共振電流反転後時間を、前記半周期の開始時点からカウントした時間情報と前記半周期の開始時に取得した前記フィードバック信号との乗算に基づいて算出し、前記共振電流が極性を反転したときから算出された前記共振電流反転後時間を経過した後に前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方をターンオフする、制御手段と、
を有する、スイッチング電源装置の制御回路。 - 共振インダクタおよび共振コンデンサを有する共振回路に設けられるハーフブリッジ回路のハイサイドの第1のスイッチング素子およびローサイドの第2のスイッチング素子をそれぞれ駆動する第1駆動信号生成部および第2駆動信号生成部を備えたスイッチング電源装置の制御回路であって、
前記共振回路の共振電流を変換した信号が入力される共振電流検出手段と、
直流電圧を出力する出力回路から出力電圧とその目標電圧との誤差を表すフィードバック信号を取得するフィードバック信号検出手段と、
前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の一方がターンオフしてから前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方がターンオフするまでのターンオフ時間を、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の一方がターンオフしてからカウントした時間情報と前記フィードバック信号との乗算に基づいて算出し、前記ターンオフ時間に基づいて前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方をターンオフする、制御手段と、
を有する、スイッチング電源装置の制御回路。 - ハイサイドの第1のスイッチング素子およびローサイドの第2のスイッチング素子を直列に接続して構成したハーフブリッジ回路と、共振インダクタおよび共振コンデンサを有する共振回路とを備えたスイッチング電源装置の制御回路において、
前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の一方がターンオフしたことを契機にカウント動作を開始し、前記共振回路を流れる共振電流を検出し、前記共振電流が極性反転したことを契機に停止する第1の電流反転前時間カウンタおよび第2の電流反転前時間カウンタと、
前記第1の電流反転前時間カウンタおよび前記第2の電流反転前時間カウンタのカウント値である共振電流反転前時間と直流電圧を出力する出力回路からフィードバックされた誤差信号とから共振電流反転後時間の長さを表す目標値を算出する第1の目標値算出部および第2の目標値算出部と、
前記第1の電流反転前時間カウンタまたは前記第2の電流反転前時間カウンタがカウント動作を終了したことを契機にカウント動作を開始する第1の電流反転後時間カウンタおよび第2の電流反転後時間カウンタと、
前記第1の電流反転後時間カウンタまたは前記第2の電流反転後時間カウンタのカウント値と前記目標値とを比較して一致したときに前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方をターンオフする第1の比較器および第2の比較器と、
を備えた、スイッチング電源装置の制御回路。 - 前記共振コンデンサに並列に接続された分流回路により前記共振電流を分流して検出電圧に変換した入力信号を回路内部の基準電圧でプルアップするプルアップ回路と、該プルアップ回路により前記入力信号をプルアップした電圧と前記基準電圧を所定の分圧比で分圧した電圧を比較して前記共振電流が極性反転したことを表す信号を出力する第3の比較器とを備えている、請求項10記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- 前記出力回路からフィードバックされた前記誤差信号をデジタル信号に変換して前記第1の目標値算出部および前記第2の目標値算出部へ入力するアナログ・デジタル変換器を備えている、請求項10記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- 前記第1の比較器または前記第2の比較器が出力した前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の一方のターンオフ信号を受けてデッドタイムをカウントする第1のデッドタイムカウンタおよび第2のデッドタイムカウンタを備えた、請求項10記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- 前記第1の比較器または前記第2の比較器が出力した前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方のターンオフ信号と前記第1のデッドタイムカウンタまたは前記第2のデッドタイムカウンタが出力したターンオン信号とを受けて前記第1のスイッチング素子または前記第2のスイッチング素子を駆動するための駆動信号を出力する第1の駆動信号生成部および第2の駆動信号生成部を備えた、請求項13記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- 前記誤差信号は前記出力回路から出力される前記直流電圧が目標値に比べてより大きくなるにつれてより大きくなる信号であり、前記第1の目標値算出部および前記第2の目標値算出部は前記共振電流反転前時間と前記誤差信号から所定の値を差し引いた差分との乗算結果により前記目標値を算出する、請求項10記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- ハイサイドの第1のスイッチング素子およびローサイドの第2のスイッチング素子を直列に接続して構成したハーフブリッジ回路と、共振インダクタおよび共振コンデンサを有する共振回路とを備えたスイッチング電源装置の制御回路において、
前記第1のスイッチング素子がターンオフしたことを契機にカウント動作を開始し、前記第2のスイッチング素子がターンオフしたことを契機にカウント動作を停止する第1のカウンタと、
前記第2のスイッチング素子がターンオフしたことを契機にカウント動作を開始し、前記第1のスイッチング素子がターンオフしたことを契機にカウント動作を停止する第2のカウンタと、
前記第1のカウンタおよび前記第2のカウンタによってカウントされた直近の連続した所定数の半周期の時間を平均化した平均時間を算出する半周期平均値算出部と、
前記半周期平均値算出部が算出した半周期平均値と直流電圧を出力する出力回路からフィードバックされた誤差信号とに基づいて共振電流が極性反転してから前記第1のスイッチング素子または前記第2のスイッチング素子がターンオフするまでの共振電流反転後時間の長さを表す目標値を算出する第1の目標値算出部および第2の目標値算出部と、
前記共振電流が極性反転したことを契機にカウント動作を開始する第1の電流反転後時間カウンタおよび第2の電流反転後時間カウンタと、
前記第1の電流反転後時間カウンタまたは前記第2の電流反転後時間カウンタのカウント値と前記目標値とを比較して一致したときに前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の一方をターンオフする第1の比較器および第2の比較器と、
を備えた、スイッチング電源装置の制御回路。 - 前記共振コンデンサに並列に接続された分流回路により前記共振電流を分流して検出電圧に変換した入力信号を回路内部の基準電圧でプルアップするプルアップ回路と、該プルアップ回路により前記入力信号をプルアップした電圧と前記基準電圧を所定の分圧比で分圧した電圧を比較して前記共振電流が極性反転したことを表す信号を出力する第3の比較器とを備えている、請求項16記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- 前記出力回路からフィードバックされた前記誤差信号をデジタル信号に変換して前記第1の目標値算出部および前記第2の目標値算出部へ入力するアナログ・デジタル変換器を備えている、請求項16記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- 前記第1の比較器または前記第2の比較器が出力した前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の一方のターンオフ信号を受けてデッドタイムをカウントする第1のデッドタイムカウンタおよび第2のデッドタイムカウンタを備えた、請求項16記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- 前記第1の比較器または前記第2の比較器が出力した前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の他方のターンオフ信号と前記第1のデッドタイムカウンタまたは前記第2のデッドタイムカウンタが出力したターンオン信号とを受けて前記第1のスイッチング素子または前記第2のスイッチング素子を駆動するための駆動信号を出力する第1の駆動信号生成部および第2の駆動信号生成部を備えた、請求項19記載のスイッチング電源装置の制御回路。
- 前記誤差信号は前記出力回路に接続される負荷の重さが重くなるにつれて大きくなる信号であり、前記第1の目標値算出部および前記第2の目標値算出部は前記半周期平均値と前記誤差信号との乗算結果により前記目標値を算出する、請求項16記載のスイッチング電源装置の制御回路。
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