JP6789828B2 - Switching power supply - Google Patents
Switching power supply Download PDFInfo
- Publication number
- JP6789828B2 JP6789828B2 JP2017000043A JP2017000043A JP6789828B2 JP 6789828 B2 JP6789828 B2 JP 6789828B2 JP 2017000043 A JP2017000043 A JP 2017000043A JP 2017000043 A JP2017000043 A JP 2017000043A JP 6789828 B2 JP6789828 B2 JP 6789828B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- circuit
- current
- period
- power supply
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 57
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 34
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 20
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 6
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
Description
本発明は、スイッチング電源装置にかかり、特に、インダクタの励磁エネルギーを演算することで負荷電力を検出してスイッチングトランジスタの制御に利用できるようにしたスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a switching power supply device capable of detecting load power by calculating the excitation energy of an inductor and using it for controlling a switching transistor.
スイッチング電源装置の電力異常の検出を目的として、入力電力および出力電力の計算方法について記載された特許文献1がある。ここでは、入力電力と出力電力をA/D変換したデータを取り込んで、スイッチング電源装置のインダクタの励磁エネルギーを演算し、その演算で得られた入力電力と出力電力を比較することにより、異常電力の発生の有無を判定して、スイッチングトランジスタの制御にフィードバックしている。これによれば、比較結果に基づいてプログラムによってスイッチング状態を調整することにより、通常の制御をはじめ保護動作に適用することができる。
しかしながら、入力電力や出力電力をA/D変換でデジタル化して演算する方法は、メイン演算を行うプロセッサ、メモリ、プロセッサを動作させる基準のタイミング信号の生成器などのデジタル処理を実行する回路が必要となり、回路規模が大きくなる問題がある。また、演算処理の速度も高速となって消費電流が多くなる問題もある。さらに、プロセッサを使うためスイッチング電源装置のコストが高くなるといった問題もある。 However, the method of digitizing the input power and output power by A / D conversion and calculating them requires a circuit that executes digital processing such as a processor that performs the main calculation, a memory, and a reference timing signal generator that operates the processor. Therefore, there is a problem that the circuit scale becomes large. In addition, there is a problem that the speed of arithmetic processing becomes high and the current consumption increases. Further, there is a problem that the cost of the switching power supply device becomes high because the processor is used.
本発明の目的は、小さい回路規模、少ない消費電流、低いコストで、負荷電力を示す制御信号を生成できるようにした演算回路を備えたスイッチング電源装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a switching power supply device including an arithmetic circuit capable of generating a control signal indicating load power with a small circuit scale, low current consumption, and low cost.
上記目的を達成するために、請求項1にかかる発明は、スイッチングトランジスタのON期間で入力直流電圧によって流れる電流によりインダクタにエネルギーを蓄積し、前記スイッチングトランジスタのOFF期間で前記インダクタから放出されるエネルギーの電圧を整流平滑することにより、前記入力直流電圧を昇圧し又は降圧した直流電圧を負荷に出力し、前記スイッチングトランジスタの前記ON期間及び/又は前記OFF期間が、前記負荷の状態に応じて制御されるスイッチング電源装置において、負荷電力を演算して前記スイッチングトランジスタの前記ON期間及び/又は前記OFF期間を制御する制御信号を生成する演算回路を備え、該演算回路は、前記スイッチングトランジスタの前記ON期間の二乗に比例した二乗信号を生成する二乗回路と、前記スイッチングトランジスタの今回のON開始点から次回のON開始点までの期間又は今回のOFF開始点から次回のOFF開始点までの期間を示す周期に比例した周期信号を生成する周期カウンタと、前記二乗回路で生成した前記二乗信号と前記周期カウンタで生成した前記周期信号の除算を行って前記負荷電力を示す前記制御信号を生成する除算回路とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 stores energy in the inductor by a current flowing by an input DC voltage during the ON period of the switching transistor, and the energy released from the inductor during the OFF period of the switching transistor. By rectifying and smoothing the voltage of, the input DC voltage is boosted or stepped down, and the DC voltage is output to the load, and the ON period and / or the OFF period of the switching transistor is controlled according to the state of the load. The switching power supply device includes an arithmetic circuit that calculates a load power to generate a control signal for controlling the ON period and / or the OFF period of the switching transistor, and the arithmetic circuit is the ON period of the switching transistor. The square circuit that generates a squared signal proportional to the square of the period and the period from the current ON start point to the next ON start point of the switching transistor or the period from the current OFF start point to the next OFF start point are shown. A cycle counter that generates a periodic signal proportional to the period, and a division circuit that divides the squared signal generated by the squared circuit and the periodic signal generated by the periodic counter to generate the control signal indicating the load power. It is characterized by having and.
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載のスイッチング電源装置において、前記二乗回路は、前記スイッチングトランジスタのON期間ごとに更新して前記スイッチングトランジスタに流れる電流に応じて充電される第1キャパシタを備え、該第1キャパシタに、前記スイッチングトランジスタの前記ON期間の二乗に比例した二乗電圧が前記二乗信号に対応するものとして生成されることを特徴とする。 According to the second aspect of the present invention, in the switching power supply device according to the first aspect, the squared circuit is updated every ON period of the switching transistor and charged according to the current flowing through the switching transistor. The first capacitor is characterized in that a squared voltage proportional to the square of the ON period of the switching transistor is generated corresponding to the squared signal.
請求項3にかかる発明は、請求項1に記載のスイッチング電源装置において、前記周期カウンタは、前記スイッチングトランジスタの今回のON開始点から次回のON開始点までの期間ごとに更新して、又は今回のOFF開始点から次回のOFF開始点までの期間ごとに更新して定電流で充電される第2キャパシタを備え、該第2キャパシタに、前記周期に比例した周期電圧が前記周期信号に対応するものとして生成されることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the switching power supply device according to
請求項4にかかる発明は、請求項2に記載のスイッチング電源装置において、前記二乗回路は、前記第1キャパシタに充電された前記二乗電圧を前記スイッチングトランジスタがOFFするごとにサンプルホールドする第1サンプルホールド回路と、該第1サンプルホールド回路でホールドされた電圧を電流に変換する第1電圧/電流変換回路とを備え、該第1電圧/電流変換回路から前記スイッチングトランジスタがOFFするごとに決まる前記二乗信号が出力することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the switching power supply device according to the second aspect, the squared circuit holds a sample of the squared voltage charged in the first capacitor each time the switching transistor is turned off. A hold circuit and a first voltage / current conversion circuit that converts a voltage held by the first sample hold circuit into a current are provided, and the switching transistor is determined each time the switching transistor is turned off from the first voltage / current conversion circuit. It is characterized in that a squared signal is output.
請求項5にかかる発明は、請求項3に記載のスイッチング電源装置において、前記周期カウンタは、前記第2キャパシタに充電された前記周期電圧を前記スイッチングトランジスタがOFFするごとにサンプルホールドする第2サンプルホールド回路と、該第2サンプルホールド回路でホールドされた電圧を電流に変換する第2電圧/電流変換回路とを備え、該第2電圧/電流変換回路から前記スイッチングトランジスタがOFFするごとに決まる前記周期信号が出力することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the switching power supply device according to the third aspect, the periodic counter holds a sample of the periodic voltage charged in the second capacitor each time the switching transistor is turned off. A hold circuit and a second voltage / current conversion circuit that converts the voltage held by the second sample hold circuit into a current are provided, and the switching transistor is determined each time the switching transistor is turned off from the second voltage / current conversion circuit. It is characterized in that a periodic signal is output.
請求項6にかかる発明は、請求項1に記載のスイッチング電源装置において、前記除算回路は、請求項4に記載の第1電圧/電流変換回路から出力する前記二乗信号と、請求項5に記載の第2電圧/電流変換回路から出力する前記周期信号とを入力して、前記二乗信号を前記周期信号で除算し、又は前記周期信号を前記二乗信号で除算して、前記制御信号を生成することを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the switching power supply device according to
本発明によれば、スイッチングトランジスタのON/OFFの周期の検出やスイッチングトランジスタのON期間の検出に基づいて、インダクタの励磁エネルギーを計算し負荷電力を検出するので、スイッチング電源装置を制御する集積回路にプロセッサを用いないアナログの演算回路を使用できるため、スイッチング電源装置の回路規模の小型化、消費電流削減を実現できる。このとき、従来のスイッチング電源装置に新たに追加する回路は少なくて済み、コスト低減も実現できる。 According to the present invention, the excitation energy of the inductor is calculated and the load power is detected based on the detection of the ON / OFF cycle of the switching transistor and the detection of the ON period of the switching transistor, so that the integrated circuit that controls the switching power supply device is controlled. Since an analog arithmetic circuit that does not use a processor can be used, the circuit scale of the switching power supply can be reduced and the current consumption can be reduced. At this time, the number of circuits newly added to the conventional switching power supply device is small, and cost reduction can be realized.
<第1実施例>
図1にDC/DC変換をPWM/PFM混合方式の制御で行う昇圧型のスイッチング電源装置を示す。Cinは入力キャパシタ、MN1はNMOSのスイッチングトランジスタ、L1はインダクタ、Rs1はスイッチングトランジスタMN1のドレイン電流を検出するセンス抵抗、D1は整流ダイオード、Coutは出力キャパシタである。
<First Example>
FIG. 1 shows a step-up switching power supply device that performs DC / DC conversion under the control of a PWM / PFM mixed system. Cin is an input capacitor, MN1 is an NMOS switching transistor, L1 is an inductor, Rs1 is a sense resistor that detects the drain current of the switching transistor MN1, D1 is a rectifier diode, and Cout is an output capacitor.
10はスイッチングトランジスタMN1をON/OFF駆動する駆動回路であり、制御回路11と演算回路12とを備える。制御回路11は、演算回路12が出力する負荷電力を示す制御電流Ioとスイッチング電源装置の出力電圧Voutをフィードバック信号として取り込んで、スイッチングトランジスタMN1のONタイミングとOFFタイミング、つまりON継続時間とオフ継続時間をPWMとPFMの方式により制御し、またそのOFFタイミングごとに一定のパルス幅のタイミング信号CK1を出力する。演算回路12は、そのタイミング信号CK1とスイッチングトランジスタMN1のソースに接続されたセンス抵抗Rs1に発生するセンス電圧Vs1とを入力してインダクタL1の励磁エネルギーを演算し、上記した制御電流Ioを出力する。
このスイッチング電源装置では、スイッチングトランジスタMN1のON期間でインダクタL1に蓄積されたエネルギーの電圧が、スイッチングトランジスタMN1のOFF期間で入力電圧Vinに加算されてダイオードD1で整流され、出力キャパシタCoutで平滑されて、出力電圧Voutとして出力する。 In this switching power supply device, the voltage of the energy stored in the inductor L1 during the ON period of the switching transistor MN1 is added to the input voltage Vin during the OFF period of the switching transistor MN1, rectified by the diode D1, and smoothed by the output capacitor Cout. And output as the output voltage Vout.
図2に演算回路12の構成ブロック図を示す。13はT−FF回路であり、制御回路11から出力するタイミング信号CK1を入力し、それを1/2分周したタイミング信号CK2を出力する。14は2相信号発生器であり、T−FF回路13から出力するタイミング信号CK2からデットタイムを有する2相信号φ1,φ2を生成する。15は二乗回路であり、センス電圧Vc1を取り込んでセンス抵抗Rs1に流れる電流の時間の二乗に比例した二乗信号である電流Isqを出力する。この二乗回路15はタイミング信号CK1に同期したクリア信号CLRでリセットされる。16は周期カウンタであり、タイミング信号φ1、φ2を取り込むことで、タイミング信号CK1の周期を示す周期信号である電流Itを出力する。17は除算回路であり、二乗回路15から出力する電流Isq(第1電流)を周期カウンタ16から出力する電流It(第2電流)によって除算して、前記の制御信号Io(=Isq/It)を生成する。
FIG. 2 shows a block diagram of the
図3に図2の演算回路12における二乗回路15の構成ブロック図を示す。151は電圧/電流変換回路であり、センス電圧Vs1を電流Icpに変換する。Cpは電流Icpで充電されるキャパシタ(第1キャパシタ)、SW1はキャパシタCpに充電された電圧Vcpをクリア信号CLRによって放電するためのスイッチ、152はキャパシタCpの電圧Vcpをタイミング信号φ1,φ2で交互にサンプリングホールドするサンプルホールド回路(第1サンプルホールド回路)、153はサンプルホールド回路152の出力電圧Vshを電流Isqに変換する電圧/電流変換回路(第1電圧/電流変換回路)である。図4にこの二乗回路の具体的回路を示す。
FIG. 3 shows a block diagram of the squared
図4において、電圧/電流変換回路151は、センス電圧Vs1を入力するオペアンプOP1と、NMOSトランジスタMN2と、抵抗R1と、トランジスタMN2のドレイン電流を入力するようカレントミラー接続されたPMOSトランジスタMP2、MP3とにより構成されている。スイッチSW1はNMOSトランジスタMN3で構成されている。
In FIG. 4, the voltage /
そして、抵抗R1に発生する電圧がセンス電圧Vs1に一致するようにオペアンプOP1がトランジスタMN2を制御することで、カレントミラー接続のトランジスタMP2,MP3のドレインにセンス電圧Vs1に比例した電流Icpが流れる。この電流IcpがキャパシタCpに充電されると、そのキャパシタCpの電圧がVcpになる。この電圧Vcpは後記するように電流Icpの流れている時間の二乗に比例した二乗電圧である。 Then, the operational amplifier OP1 controls the transistor MN2 so that the voltage generated in the resistor R1 matches the sense voltage Vs1, so that a current Icp proportional to the sense voltage Vs1 flows through the drains of the transistors MP2 and MP3 connected to the current mirror. When this current Icp is charged to the capacitor Cp, the voltage of the capacitor Cp becomes Vcp. This voltage Vcp is a square voltage proportional to the square of the time during which the current Icp is flowing, as described later.
サンプルホールド回路152は、バッファBF1と、スイッチSW2,SW3,SW4,SW5と、キャパシタCs1,Cs2とにより構成されている。タイミング信号φ1が“H”、タイミング信号φ2が“L”のとき、スイッチSW2,SW3がONしスイッチSW4,SW5がOFFして、入力する電圧VcpがキャパシタCs1に充電されその電圧がVsh1になるとともに、キャパシタCs2に充電されていた電圧Vsh2がホールド電圧Vshとして出力する。
The
また、タイミング信号φ1が“L”、タイミング信号φ2が“H”のとき、スイッチSW2,SW3がOFFしスイッチSW4,SW5がONして、入力する電圧VcpがキャパシタCs2に充電されその電圧がVsh2になるとともに、キャパシタCs1に充電されていた電圧Vsh1がホールド電圧Vshとして出力する。このようにして、電圧Vsh1,Vsh2が交互にホールド電圧Vshとして取り出される。 When the timing signal φ1 is “L” and the timing signal φ2 is “H”, the switches SW2 and SW3 are turned off, the switches SW4 and SW5 are turned on, the input voltage Vcp is charged to the capacitor Cs2, and the voltage is Vsh2. At the same time, the voltage Vsh1 charged in the capacitor Cs1 is output as the hold voltage Vsh. In this way, the voltages Vsh1 and Vsh2 are alternately taken out as the hold voltage Vsh.
電圧/電流変換回路153は、サンプルホールド回路152の出力電圧Vshを入力するオペアンプOP2と、NMOSトランジスタMN4と、抵抗R2と、トランジスタMN4のドレイン電流を入力するようカレントミラー接続されたPMOSトランジスタMP4、MP5とにより構成されている。
The voltage /
そして、抵抗R2に発生する電圧がホールド電圧Vshに一致するようにオペアンプOP2がトランジスタMN4を制御することで、カレントミラー接続のトランジスタMP4,MP5のドレインにホールド電圧Vshに比例した電流Isqが流れる。 Then, the operational amplifier OP2 controls the transistor MN4 so that the voltage generated in the resistor R2 matches the hold voltage Vsh, so that a current Isq proportional to the hold voltage Vsh flows through the drains of the transistors MP4 and MP5 connected to the current mirror.
図5に図2の演算回路12における周期カウンタ16の具体的回路を示す。Iaは基準電流Iaを出力する電流源である。161、162は時間カウンタであり、タイミング信号φ1、φ2の“H”の時間幅に応じて基準電流Iaの時間積分を交互に行う。163は時間カウンタ161、162の出力電圧Vctのサンプルホールドを行うサンプルホールド回路(第2サンプルホールド回路)である。164はサンプルホールド回路163から出力するホールド電圧Vtsを電流Itに変換する電圧/電流変換回路(第2電圧/電流変換回路)である。図6に周期カウンタ16の具体的回路を示す。
FIG. 5 shows a specific circuit of the
図6において、時間カウンタ161は、スイッチSW6,SW7,SW8と、キャパシタCt1とで構成される。時間カウンタ162は、スイッチSW9,SW10,SW11と、キャパシタCt2とで構成される。
In FIG. 6, the
そして、時間カウンタ161では、タイミング信号φ1が“H”、タイミング信号φ2が“L”のとき、スイッチSW6,SW7がONしてキャパシタCt1が基準電流Iaで充電され、その充電電圧Vct1が電圧Vctとして出力する。タイミング信号φ1が“L”、タイミング信号φ2が“H”のとき、スイッチSW8がオンしてその電圧Vct1を放電する。
Then, in the
一方、時間カウンタ162では、タイミング信号φ1が“L”、タイミング信号φ2が“H”のとき、スイッチSW9,SW10がオンしてキャパシタCt2が基準電流Iaで充電され、その充電電圧Vct2が電圧Vctとして出力する。タイミング信号φ1が“H”、タイミング信号φ2が“L”とき、スイッチSW11がONしてその電圧Vct2を放電する。
On the other hand, in the
この結果、キャパシタCt1の電圧Vct1はタイミング信号φ1の“H”期間に対応する電圧となり、キャパシタCt2の電圧Vct2はタイミング信号φ2の“H”期間に対応する電圧となり、これらが交互にタイミング信号CK1の周期を示す電圧Vctとして取り出される。 As a result, the voltage Vct1 of the capacitor Ct1 becomes the voltage corresponding to the “H” period of the timing signal φ1, and the voltage Vct2 of the capacitor Ct2 becomes the voltage corresponding to the “H” period of the timing signal φ2, and these alternately become the timing signal CK1. It is taken out as a voltage Vct indicating the period of.
サンプルホールド回路163は、バッファBF2と、スイッチSW12,SW13,SW14,SW15と、キャパシタCts1,Cts2とにより構成されている。タイミング信号φ1が“H”、タイミング信号φ2が“L”のとき、スイッチSW12,SW13がONしスイッチSW14,SW15がOFFして、入力する電圧VctがキャパシタCts1に充電されその電圧がVts1になるとともに、キャパシタCts2に充電されていた電圧Vts2がホールド電圧Vtsとして出力する。
The
タイミング信号φ1が“L”、タイミング信号φ2が“H”のとき、スイッチSW12,SW13がOFFしスイッチSW14,SW15がONして、入力する電圧VctがキャパシタCts2に充電されその電圧がVts2になるとともに、キャパシタCts1に充電されていた電圧Vts1がホールド電圧Vtsとして出力する。このように、電圧Vts1,Vts2が交互に電圧Vtsとして出力する。 When the timing signal φ1 is “L” and the timing signal φ2 is “H”, the switches SW12 and SW13 are turned off, the switches SW14 and SW15 are turned on, the input voltage Vct is charged to the capacitor Cts2, and the voltage becomes Vts2. At the same time, the voltage Vts1 charged in the capacitor Cts1 is output as the hold voltage Vts. In this way, the voltages Vts1 and Vts2 are alternately output as the voltage Vts.
電圧/電流変換回路164は、サンプルホールド回路163の出力電圧Vtsを入力するオペアンプOP3と、NMOSトランジスタMN5と、抵抗R3と、トランジスタMN5のドレイン電流を入力するカレントミラー接続のPMOSトランジスタMP6、MP7とにより構成されている。
The voltage /
そして、抵抗R3に発生する電圧がホールド電圧Vtsに一致するようにオペアンプOP3がトランジスタMN5を制御することで、カレントミラー接続のトランジスタMP6,MP7のドレインにサンプルホールド電圧Vtsに比例した電流Itが流れる。 Then, the operational amplifier OP3 controls the transistor MN5 so that the voltage generated in the resistor R3 matches the hold voltage Vts, so that a current It proportional to the sample hold voltage Vts flows through the drains of the transistors MP6 and MP7 connected to the current mirror. ..
図7に除算回路17の具体的回路を示す。この除算回路17は、基準電流Ibの電流源Ibと、二乗回路15の出力電流Isqが入力するカレントミラー接続のNPNトランジスタQ1,Q2と、周期カウンタ16の出力電流Itが入力するカレントミラー接続のNPNトランジスタQ3,Q4と、トランジスタQ4のコレクタにベースが接続されたNPNトランジスタQ5と、トランジスタQ5のコレクタ電流をミラーして出力電流Ioとするカレントミラー接続のPNPトランジスタQ6,Q7と、トランジスタQ2のコレクタ電流で制御されるNPNトランジスタQ8,Q9と、そのトランジスタQ9で制御されて、トランジスタQ5を制御するNPNトランジスタQ10とを備える。
FIG. 7 shows a specific circuit of the
そして、トランジスタQ10のエミッタ電流とトランジスタQ4のコレクタ電流の差分がIsq/Itに対応する電流としてトランジスタQ5のベースに入力し、トランジスタQ6,Q7のコレクタにIsq/Itに対応する電流が流れる。 Then, the difference between the emitter current of the transistor Q10 and the collector current of the transistor Q4 is input to the base of the transistor Q5 as the current corresponding to Isq / It, and the current corresponding to Isq / It flows through the collectors of the transistors Q6 and Q7.
次に、演算回路12の動作について説明する。まず、図3及び図4に示した二乗回路15の動作を表すタイミングチャートを図8に示す。センス電圧Vs1は、図1におけるスイッチングトランジスタMN1がONしているときに流れる過度的なドレイン電流Idがセンス抵抗Rs1で電圧に変換されたもので、この電圧Vs1に対応する電流が電圧/電流変換回路151から出力して、キャパシタCpに充電される。このときの充電電流Icpは以下の式で表される。Vinはスイッチング電源装置の入力電圧、L1はインダクタL1のインダクタンス、tは充電時間である。
Next, the operation of the
タイミング信号φ1が“H”になっている期間、サンプルホールド回路152のスイッチSW2がONして、キャパシタCs1の電圧Vsh1はキャパシタCpの電圧Vcpと同じとなる。
During the period when the timing signal φ1 is “H”, the switch SW2 of the
スイッチングトランジスタMN1がオンしてキャパシタCpが充電しているときの電圧Vcpは、充電時間tの二乗に比例して以下の式のようになり、同時に電圧Vsh1となる。
The voltage Vcp when the switching transistor MN1 is turned on and the capacitor Cp is charged is as shown in the following equation in proportion to the square of the charging time t, and at the same time becomes the voltage Vsh1.
スイッチングトランジスタMN1がOFFするタイミングでタイミング信号CK1は“H”になり、タイミング信号φ1は“L”になって、スイッチングトランジスタMN1がOFFする直前のキャパシタCpの充電電圧Vsh1で保持され、この電圧Vsh1がサンプルホールド回路152の出力電圧Vshとなる。スイッチングトランジスタMN1がオンになっている時間をtonとすると、電圧Vsh1は以下のようになる。
The timing signal CK1 becomes "H" and the timing signal φ1 becomes "L" at the timing when the switching transistor MN1 is turned off, and is held by the charging voltage Vsh1 of the capacitor Cp immediately before the switching transistor MN1 is turned off. This voltage Vsh1 Is the output voltage Vsh of the
一方、クリア信号CLRはタイミング信号CK1と同期するので、クリア信号CLRが“H”になるとスイッチSW1であるトランジスタMN3がオンし、キャパシタCpの電荷を放電して電圧Vcpをグランドレベルに落とす。また、タイミング信号φ2が“H”になるので、サンプルホールド回路152のキャパシタCs2の電圧Vsh2が、キャパシタCpの今回の電圧Vcpになる。
On the other hand, since the clear signal CLR is synchronized with the timing signal CK1, when the clear signal CLR becomes “H”, the transistor MN3 which is the switch SW1 is turned on to discharge the charge of the capacitor Cp and drop the voltage Vcp to the ground level. Further, since the timing signal φ2 becomes “H”, the voltage Vsh2 of the capacitor Cs2 of the
タイミング信号φ2が“H”になっている期間でスイッチングトランジスタMN1がONになってキャパシタCpが充電される動作は、タイミング信号φ1が“H”になっている場合と同じになる。そして、タイミング信号CK1が“H”になるとタイミング信号φ2が“L”になって、電圧Vsh2はスイッチングトランジスタMN1がOFFする直前のキャパシタCpの充電電圧Vcpで保持され、タイミング信号φ1が“H”になるとサンプルホールド回路152の出力電圧Vshは電圧Vsh2となる。
The operation in which the switching transistor MN1 is turned on and the capacitor Cp is charged during the period when the timing signal φ2 is “H” is the same as when the timing signal φ1 is “H”. Then, when the timing signal CK1 becomes “H”, the timing signal φ2 becomes “L”, the voltage Vsh2 is held by the charging voltage Vcp of the capacitor Cp immediately before the switching transistor MN1 is turned off, and the timing signal φ1 becomes “H”. Then, the output voltage Vsh of the
再度、タイミング信号φ1が“H”になるので、キャパシタCpの電圧と電圧Vsh1の電圧は等しくなる。以下、スイッチングトランジスタMN1がONする毎に同様の動作が繰り返されるので、電圧/電流変換回路153からは、その度に決まるサンプルホールド回路152の出力電圧Vshを電流に変換した電流Isqが出力する。
Since the timing signal φ1 becomes “H” again, the voltage of the capacitor Cp and the voltage of the voltage Vsh1 become equal. Hereinafter, since the same operation is repeated every time the switching transistor MN1 is turned on, the voltage /
次に、周期カウンタ16の動作を表すタイミングチャートを図9に示す。タイミング信号CK1,CK2とタイミング信号φ1,タイミング信号φ2の“H”/“L”の関係は図8と同じである。タイミング信号CK1はスイッチングトランジスタMN1がONからOFFに切り替わるときに“H”に立ち上がるので、タイミング信号CK1が“H”に立ち上がる間隔の時間Tswをカウントすることによりタイミング信号CK1の周期を得ることができる。
Next, a timing chart showing the operation of the
周期カウンタ2の具体的な回路を示す図6において、サンプルホールド回路163は前記した二乗回路15のサンプルホールド回路152と同様に動作する。
In FIG. 6, which shows a specific circuit of the
図6において、まず、タイミング信号φ1が“H”になっているときは、時間カウンタ161のキャパシタCtlの電圧Vct1は、電流源Iaの電流Iaにより定電流充電される。
In FIG. 6, first, when the timing signal φ1 is “H”, the voltage Vct1 of the capacitor Ctl of the
このキャパシタCtlの電圧Vct1は、サンプルホールド回路163の入力電圧Vctとなり、サンプルホールド回路163のキャパシタCts1の電圧Vts1はキャパシタCt1の電圧Vctlと等しくなる。
The voltage Vct1 of the capacitor Ctl becomes the input voltage Vct of the
タイミング信号CK1が再び“H”になるとタイミング信号φ1は“L”になり、タイミング信号φ2は“H”になる。これにより、サンプルホールド回路163では電圧Vts1はタイミング信号CK1が“H”になる直前の電圧、つまり、1周期Tswの経過時点の電圧が保持される。この電圧Vts1がサンプルホールド回路163の出力電圧Vtsとなる。
When the timing signal CK1 becomes “H” again, the timing signal φ1 becomes “L” and the timing signal φ2 becomes “H”. As a result, in the
一方、タイミング信号φ2が“H”になることで、キャパシタCtlの電荷が放電されるとともに、キャパシタCt2が電流Iaにより定電流充電される。このときの電圧Vctは時間カウンタ162のキャパシタCt2の電圧Vct2であり、この電圧Vct2がサンプルホールド回路163のキャパシタCts2の電圧Vts2となる。さらに再びタイミング信号CK1が“H”になると、タイミング信号φ1は“H”にタイミング信号φ2は“L”になるので、1周期Tswの経過時点の電圧Vct2が保持されて電圧Vts2となり、サンプルホールド回路163の出力電圧Vtsとなる。
On the other hand, when the timing signal φ2 becomes “H”, the electric charge of the capacitor Ctl is discharged, and the capacitor Ct2 is constantly charged by the current Ia. The voltage Vct at this time is the voltage Vct2 of the capacitor Ct2 of the
以下、スイッチングトランジスタMN1がOFFするごとに同様の動作が繰り返され、電圧/電流変換回路164からは、その度に決まるサンプルホールド回路163の出力電圧Vtsを電流に変換した電流Itが出力する。
Hereinafter, the same operation is repeated every time the switching transistor MN1 is turned off, and the voltage /
以上のようにして、二乗回路15や周期カウンタ16のサンプルホールド回路152、163の電圧Vsh、Vtsを電流変換した電流Isq,Itは、次のようになる。Ct=Ct1=Ct2である。
As described above, the currents Isq and It obtained by converting the voltages Vsh and Vts of the
除算回路17では、電流Isqと電流Itの割算が行われて、演算回路12からは最終的に電流Ioが出力される。
In the
次に、スイッチングトランジスタMN1がオンしたときにインダクタL1に生じる励磁エネルギーPWと演算回路12から出力する電流Ioとの関係を説明する。
Next, the relationship between the exciting energy PW generated in the inductor L1 when the switching transistor MN1 is turned on and the current Io output from the
スイッチングトランジスタMN1がオンしているときのインダクタL1のピーク電流をIpkとすると、励磁エネルギーPWは次のように表される。
Assuming that the peak current of the inductor L1 when the switching transistor MN1 is ON is Ipk, the exciting energy PW is expressed as follows.
一方、tonとIpkの関係が、
となるので、演算回路12の出力電流Ioは、式(8)から、
となる。ただし、
である。
On the other hand, the relationship between ton and Ipk is
Therefore, the output current Io of the
Will be. However,
Is.
つまり、式(11)と式(12)をみると、αは定数であるので、演算回路12の出力電流IoはインダクタL1に生じる式(9)の励磁エネルギーPWを等価的に示していることとなる。この結果、図1に示したスイッチング電源装置のように、演算回路12の出力電流Ioを制御回路11に入力することで、インダクタL1の励磁エネルギーをスイッチング電源装置の負荷に供給されている負荷電力を示す信号として、スイッチングトランジスタMN1の制御のためにフィードバックすることができる。これによって、スイッチング電源装置の入力電力を出力電力に応じてバランスよくコントロールでき、その変換効率向上に役立てることができる。
That is, looking at the equations (11) and (12), since α is a constant, the output current Io of the
<第2実施例>
図11にDC/DC変換をPWM/PFM混合方式で制御する降圧型のスイッチング電源装置を示す。図1で説明した昇圧型のスイッチング電源装置と同じものには同じ符号をつけた。MP1はPMOSのスイッチングトランジスタ、L2はインダクタ、Rs2はスイッチングトランジスタMP1のドレイン電流を検出するセンス抵抗、D2は整流ダイオードである。
<Second Example>
FIG. 11 shows a step-down switching power supply device that controls DC / DC conversion by a PWM / PFM mixed method. The same reference numerals are given to the same step-up switching power supply devices described in FIG. MP1 is a MOSFET switching transistor, L2 is an inductor, Rs2 is a sense resistor that detects the drain current of the switching transistor MP1, and D2 is a rectifier diode.
20はスイッチングトランジスタMP1をON/OFF駆動する駆動回路であり、制御回路21と演算回路22を備える。制御回路21は、演算回路22が出力する負荷電力を示す制御電流Ioとスイッチング電源装置の出力電圧Voutをフィードバック信号として取り込んで、スイッチングトランジスタMP1のON継続時間とオフ継続時間をPWMとPFMの方式により制御し、またそのOFFタイミングごとに一定のパルス幅のタイミング信号CK1を出力する。演算回路22は、そのタイミング信号CK1とスイッチングトランジスタMN1のソースに接続されたセンス抵抗Rs2に発生するセンス電圧Vs2とを入力してインダクタL2の励磁エネルギーを演算し、制御電流Ioを出力する。
このスイッチング電源装置では、スイッチングトランジスタMP1のON期間でインダクタL2に蓄積されたエネルギーの電圧が、スイッチングトランジスタMP1のOFF期間でダイオードD2で整流され、出力キャパシタCoutで平滑されて、入力電圧Vinが降圧された出力電圧Voutとして出力する。 In this switching power supply device, the voltage of the energy stored in the inductor L2 during the ON period of the switching transistor MP1 is rectified by the diode D2 during the OFF period of the switching transistor MP1, smoothed by the output capacitor Cout, and the input voltage Vin is stepped down. Output as the output voltage Vout.
図12に演算回路22の構成ブロック図を示す。図2で説明した演算回路12における要素と同じものには同じ符号をつけて重複説明は省略する。25は二乗回路であり、センス電圧Vs2を入力して、二乗回路15と同様にスイッチングトランジスタMP1のON期間の二乗に対応した電流Isqを出力する。
FIG. 12 shows a block diagram of the
図13に図12の演算回路22における二乗回路25の構成ブロック図を示す。図3で説明した二乗回路15における要素と同じものは同じ符号をつけて重複説明は省略する。図14に二乗回路25の具体回路を示す。251は電圧/電流変換回路であり、センス電圧Vs2を電流に変換する。この電圧/電流変換回路251は、センス電圧Vs2を入力するオペアンプOP4と、PMOSトランジスタMP8と、抵抗R4とにより構成されている。
FIG. 13 shows a block diagram of the
そして、抵抗R4に発生する電圧がセンス電圧Vs2に一致するようにオペアンプOP4がトランジスタMP8を制御することで、そのトランジスタMP8のドレインにセンス電圧Vs2に比例した電流が流れ、キャパシタCpに二乗電圧Vcpとして充電される。 Then, the operational amplifier OP4 controls the transistor MP8 so that the voltage generated in the resistor R4 matches the sense voltage Vs2, so that a current proportional to the sense voltage Vs2 flows through the drain of the transistor MP8, and the square voltage Vcp flows through the capacitor Cp. Charged as.
このように、第2実施例のスイッチング電源装置は、第1実施例のスイッチング電源装置とは演算回路22の二乗回路25の構成が異なるのみであり、第1実施例のスイッチング電源装置と同様に動作して、インダクタL2の励磁エネルギーPWを示す電流Ioを負荷電力を示す制御信号として、スイッチングトランジスタMP1の制御状態にフィードバックすることができる。これによって、スイッチング電源装置の入力電力を出力電力に応じてバランスよくコントロールでき、その変換効率向上に役立てることができる。
As described above, the switching power supply device of the second embodiment differs from the switching power supply device of the first embodiment only in the configuration of the squared
<その他の実施例>
なお、上記実施例では、演算回路12,22を、スイッチングトランジスタのON期間とOFF期間の両者が制御可能なPWM/PFM混合方式のスイッチング電源装置に適用した場合について説明したが、PWM方式のみで制御するスイッチング電源装置、あるいはPFM方式のみで制御するスイッチング電源装置、非絶縁コンバータ、絶縁コンバータにも同様に適用することができる。PWM方式のみで制御するスイッチング電源装置では電流Itは一定値となり、PFM方式のみで制御するスイッチング電源装置では電流Isqは一定値となる。また、周期カウンタ16は、上記した実施例ではスイッチングトランジスタMN1,MP1の今回のOFF開始点から次回のOFF開始点までの期間を更新して検出するようにしたが、これに限られず、スイッチングトランジスタMN1,MP1の今回のON開始点から次回のON開始点までの期間を更新して検出するようにしてもよい。また、除算回路17は、上記した実施例ではIsq/Itの演算を行ったが、これに限られず、It/Isqの演算を行ってもよい。この場合は、図7において入力する信号IsqとItを入れ替えて、制御回路11、21においてその逆数で制御を行えばよい。
<Other Examples>
In the above embodiment, the case where the
10:駆動回路、11:制御回路、12:演算回路、13:T−FF回路、14:2相信号発生器、15:二乗回路、16:周期カウンタ、17:除算回路、20:駆動回路、21:制御回路、22:演算回路、25:二乗回路
151:電圧/電流変換回路、152:サンプルホールド回路、153:電圧/電流変換回路
161,162:時間カウンタ、163:サンプルホールド回路、164:電圧/電流変換回路、251:電圧/電流変換回路
10: Drive circuit, 11: Control circuit, 12: Arithmetic circuit, 13: T-FF circuit, 14: 2-phase signal generator, 15: Square circuit, 16: Period counter, 17: Dividing circuit, 20: Drive circuit, 21: Control circuit, 22: Arithmetic circuit, 25: Square circuit 151: Voltage / current conversion circuit, 152: Sample hold circuit, 153: Voltage /
Claims (6)
負荷電力を演算して前記スイッチングトランジスタの前記ON期間及び/又は前記OFF期間を制御する制御信号を生成する演算回路を備え、
該演算回路は、前記スイッチングトランジスタの前記ON期間の二乗に比例した二乗信号を生成する二乗回路と、前記スイッチングトランジスタの今回のON開始点から次回のON開始点までの期間又は今回のOFF開始点から次回のOFF開始点までの期間を示す周期に比例した周期信号を生成する周期カウンタと、前記二乗回路で生成した前記二乗信号と前記周期カウンタで生成した前記周期信号の除算を行って前記負荷電力を示す前記制御信号を生成する除算回路とを有することを特徴とするスイッチング電源装置。 Energy is stored in the inductor by the current flowing by the input DC voltage during the ON period of the switching transistor, and the input DC voltage is boosted by rectifying and smoothing the voltage of the energy released from the inductor during the OFF period of the switching transistor. Alternatively, in a switching power supply device that outputs a stepped-down DC voltage to a load and controls the ON period and / or the OFF period of the switching transistor according to the state of the load.
A calculation circuit for calculating the load power and generating a control signal for controlling the ON period and / or the OFF period of the switching transistor is provided.
The arithmetic circuit includes a squared circuit that generates a squared signal proportional to the square of the ON period of the switching transistor, and a period from the current ON start point of the switching transistor to the next ON start point or the current OFF start point. The load is obtained by dividing a cycle counter that generates a cycle signal proportional to the cycle indicating the period from to the next OFF start point, the square signal generated by the square circuit, and the cycle signal generated by the cycle counter. A switching power supply device including a division circuit for generating the control signal indicating power.
前記二乗回路は、前記スイッチングトランジスタのON期間ごとに更新して前記スイッチングトランジスタに流れる電流に応じて充電される第1キャパシタを備え、該第1キャパシタに、前記スイッチングトランジスタの前記ON期間の二乗に比例した二乗電圧が前記二乗信号に対応するものとして生成されることを特徴とするスイッチング電源装置。 In the switching power supply device according to claim 1,
The squared circuit includes a first capacitor that is updated every ON period of the switching transistor and charged according to the current flowing through the switching transistor, and the first capacitor is used to square the ON period of the switching transistor. A switching power supply device, characterized in that a proportional squared voltage is generated as corresponding to the squared signal.
前記周期カウンタは、前記スイッチングトランジスタの今回のON開始点から次回のON開始点までの期間ごとに更新して、又は今回のOFF開始点から次回のOFF開始点までの期間ごとに更新して定電流で充電される第2キャパシタを備え、該第2キャパシタに、前記周期に比例した周期電圧が前記周期信号に対応するものとして生成されることを特徴とするスイッチング電源装置。 In the switching power supply device according to claim 1,
The period counter is updated every period from the current ON start point of the switching transistor to the next ON start point, or is updated every period from the current OFF start point to the next OFF start point. A switching power supply device comprising a second capacitor charged with an electric current, wherein a periodic voltage proportional to the period is generated in the second capacitor as corresponding to the periodic signal.
前記二乗回路は、前記第1キャパシタに充電された前記二乗電圧を前記スイッチングトランジスタがOFFするごとにサンプルホールドする第1サンプルホールド回路と、該第1サンプルホールド回路でホールドされた電圧を電流に変換する第1電圧/電流変換回路とを備え、該第1電圧/電流変換回路から前記スイッチングトランジスタがOFFするごとに決まる前記二乗信号が出力することを特徴とするスイッチング電源装置。 In the switching power supply device according to claim 2,
The squared circuit has a first sample hold circuit that sample-holds the squared voltage charged in the first capacitor each time the switching transistor is turned off, and converts the voltage held by the first sample hold circuit into a current. A switching power supply device including a first voltage / current conversion circuit, and outputting the squared signal determined each time the switching transistor is turned off from the first voltage / current conversion circuit.
前記周期カウンタは、前記第2キャパシタに充電された前記周期電圧を前記スイッチングトランジスタがOFFするごとにサンプルホールドする第2サンプルホールド回路と、該第2サンプルホールド回路でホールドされた電圧を電流に変換する第2電圧/電流変換回路とを備え、該第2電圧/電流変換回路から前記スイッチングトランジスタがOFFするごとに決まる前記周期信号が出力することを特徴とするスイッチング電源装置。 In the switching power supply device according to claim 3,
The cycle counter converts the periodic voltage charged in the second capacitor into a current by a second sample hold circuit that holds a sample each time the switching transistor is turned off and a voltage held by the second sample hold circuit. A switching power supply device including a second voltage / current conversion circuit that outputs a periodic signal determined each time the switching transistor is turned off from the second voltage / current conversion circuit.
前記除算回路は、請求項4に記載の第1電圧/電流変換回路から出力する前記二乗信号と、請求項5に記載の第2電圧/電流変換回路から出力する前記周期信号とを入力して、前記二乗信号を前記周期信号で除算し、又は前記周期信号を前記二乗信号で除算して、前記制御信号を生成することを特徴とするスイッチング電源装置。
In the switching power supply device according to claim 1,
The division circuit inputs the squared signal output from the first voltage / current conversion circuit according to claim 4 and the periodic signal output from the second voltage / current conversion circuit according to claim 5. , The switching power supply device, characterized in that the control signal is generated by dividing the squared signal by the periodic signal or dividing the periodic signal by the squared signal.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017000043A JP6789828B2 (en) | 2017-01-04 | 2017-01-04 | Switching power supply |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017000043A JP6789828B2 (en) | 2017-01-04 | 2017-01-04 | Switching power supply |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018110482A JP2018110482A (en) | 2018-07-12 |
JP6789828B2 true JP6789828B2 (en) | 2020-11-25 |
Family
ID=62845096
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017000043A Active JP6789828B2 (en) | 2017-01-04 | 2017-01-04 | Switching power supply |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6789828B2 (en) |
-
2017
- 2017-01-04 JP JP2017000043A patent/JP6789828B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2018110482A (en) | 2018-07-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6962259B2 (en) | Switching power supply | |
CN102577061B (en) | Electric current estimation circuit | |
JP5974674B2 (en) | Switching power supply | |
KR100599239B1 (en) | Switching power supply | |
CN107408892B (en) | Semiconductor device is used in power supply control | |
WO2017097260A1 (en) | Error amplification apparatus and drive circuit comprising error amplification apparatus | |
TWI410035B (en) | Electric power conversion apparatus, and triangular wave voltage generating circuit | |
US9112404B2 (en) | Multiplier-divider circuit and AC-to-DC power converting apparatus incorporating the same | |
US20110199794A1 (en) | Method for controlling a switching regulator and related switching regulator | |
JP5944113B2 (en) | Switching regulator control circuit and method, and switching regulator | |
JP5786368B2 (en) | Digitally controlled switching power supply with input voltage detection circuit | |
JP2019176605A (en) | Zero current detection circuit for bridgeless totem-pole power factor improving converter, and bridgeless totem-pole power factor improving converter | |
TW201222191A (en) | Correction circuit, correction apparatus and correction method for power converter | |
JP2010226888A (en) | Interleaved converter | |
US20150155778A1 (en) | Control device for power conversion circuit | |
US10038366B2 (en) | Multiphase power factor improvement circuit | |
JP2001078370A (en) | Charger and charging control circuit | |
JP3419443B2 (en) | DC power supply unit with multiple DC power supply circuits connected in parallel | |
JP2016178800A (en) | Switching power supply device | |
JP5493916B2 (en) | Buck-boost DC-DC converter and switching control circuit | |
US6661205B1 (en) | Capacitor charging method and capacitor charger | |
JP6789828B2 (en) | Switching power supply | |
JP2012039736A (en) | Power supply device | |
KR20150100235A (en) | Soft-start circuit and dc-dc convertor having the same | |
JP6565770B2 (en) | Push-pull DC / DC converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191211 |
|
RD05 | Notification of revocation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7425 Effective date: 20200207 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20200408 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200924 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201006 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201104 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6789828 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |