JP6849143B2 - 共振型コンバータの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は共振型コンバータの制御装置に関し、特に入力に力率改善回路の出力コンデンサであるバルクコンデンサが接続された電流共振型のDC−DCコンバータである共振型コンバータの制御装置に関する。
電流共振型のDC−DCコンバータは、高効率化・薄型化に適しているため、液晶テレビ、AC−DCアダプタなどに広く採用されている。この電流共振型のDC−DCコンバータでは、スイッチング動作によって発生する高調波電流をある制限値以下に抑え、力率を改善する力率改善回路と組み合わされて用いられている。力率改善回路は、交流入力電圧から昇圧された直流の中間電圧を生成し、DC−DCコンバータがその中間電圧を所定の値の直流電圧に変換している。
力率改善回路とDC−DCコンバータとの間には、大容量のバルクコンデンサが設けられ、力率改善回路で生成された中間電圧は、バルクコンデンサに蓄積され、バルクコンデンサに蓄積された中間電圧は、DC−DCコンバータの入力電圧となる。DC−DCコンバータは、その入力電圧を変換して負荷に供給している。
ここで、たとえば、電源プラグが誤ってコンセントから外れるなどして力率改善回路への交流入力電圧の供給がなくなると、力率改善回路からバルクコンデンサへのエネルギの供給が停止してしまう。この場合、DC−DCコンバータに入力されるエネルギは、バルクコンデンサに蓄積されているエネルギのみとなってしまい、このため、バルクコンデンサの端子間の中間電圧は低下していくことになる。
DC−DCコンバータは、入力電圧が低下すると、共振はずれ現象が生じ、スイッチング素子が破壊されることがある。すなわち、電流共振型のDC−DCコンバータでは、ハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子を直列接続したハーフブリッジ回路が用いられ、ハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子を交互にターンオンさせることで電流共振回路を駆動している。電流共振型のDC−DCコンバータでは、入力電圧が低下すると、所定の出力電圧を維持するためにスイッチングの動作周波数を低下させる制御が行われ、スイッチングの周期が長くなる。すると、スイッチング素子のオン時間が長すぎてオン時間中に共振電流が反転する共振はずれが生じてしまい、その後のスイッチングで大電流が流れるという現象が生ずることがある。たとえば、ハイサイドのスイッチング素子がオンからオフに切り替わる場合を考えると、通常動作ではターンオフするときの共振電流の向きは、ハイサイドのスイッチング素子に逆並列に接続されているボディダイオード(スイッチング素子がMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)の場合)の順方向とは逆の方向になっている。言い換えれば、ボディダイオードに電流が流れていない状態で、スイッチング素子をターンオフさせるようにしている。しかしながら、スイッチング周期が長くなりすぎて、スイッチング素子のオン時間中に共振電流が反転すると、ボディダイオードに電流が流れるようになってしまう。ボディダイオードに電流が流れている状態でハイサイドおよびローサイドのスイッチング素子のオンオフが反転すると、ハイサイドのボディダイオードの逆回復動作が開始され、ダイオードの逆回復電流がターンオンしたローサイドのスイッチング素子に流れる形で、電源とグランド間に瞬間的に大電流(貫通電流)が流れる。このときに流れる電流がスイッチング素子の定格を超えると、スイッチング素子が破壊される可能性がある。
そこで、DC−DCコンバータでは、入力電圧が低くなると、共振はずれを起こす前に、スイッチング動作を停止してスイッチング素子を保護することが行われている(たとえば、特許文献1,2参照)。
特許文献1に記載の共振はずれ防止技術によれば、共振電流を監視し、共振電流が第1の閾値を超えると、DC−DCコンバータの強制ターンオフを許可し、その後、共振電流が第2の閾値より低下すると、DC−DCコンバータの強制ターンオフを実行する。これにより、共振電流が反転する前に確実にDC−DCコンバータの共振はずれを防止している。
また、特許文献2によれば、共振電流および共振電圧を監視し、共振電圧により共振電流の極性反転を判定してDC−DCコンバータの強制ターンオフを許可し、その後、共振電流が所定の電流閾値より低下すると、DC−DCコンバータの強制ターンオフを実行する。これにより、共振電流が反転する前に確実にDC−DCコンバータの共振はずれを防止している。
DC−DCコンバータにおいては、力率改善回路から供給される電源の喪失時にできるだけ長い時間、負荷に対して直流電圧を供給できることが望まれている。これは、電源喪失が発生した場合に、データ処理装置のような負荷がシャットダウンする前にデータのバックアップを行う、保持時間と呼ばれる時間が必要であることによる。この保持時間を確保するには、バルクコンデンサの中間電圧をできるだけ低い電圧まで利用できるようにするか、バルクコンデンサの容量を増やすことである。
特許第4386743号公報 特許第5761206号公報
DC−DCコンバータがバルクコンデンサの中間電圧をできるだけ低い電圧まで利用できるようにするには、強制ターンオフを実行する共振電流の閾値を低く設定すればよい。しかしながら、強制ターンオフを実行する共振電流の閾値を低く設定すると、入力電圧が高いとき、共振電流の電流変化率(dI/dt)が大きくなるため、共振はずれ防止が難しくなる。一方、強制ターンオフを実行する共振電流の閾値を高く設定すると、入力電圧が低下しないうちに強制ターンオフが実行されるため、保持時間が短くなり、その分、バルクコンデンサのエネルギが有効利用されなくなる。つまり、共振電流の閾値を低く設定すると共振はずれ防止が困難になり、共振電流の閾値を高く設定すると保持時間の確保が困難になる。このため、保持時間を確保するにはバルクコンデンサの容量を増やすのがよいが、バルクコンデンサの部品コストが高くなるという問題点があった。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、共振はずれを確実に防止しながらバルクコンデンサの容量を増やすことなく長い保持時間を確保することができる共振型コンバータの制御装置を提供することを目的とする。
本発明では、上記の課題を解決するために、バルクコンデンサの直流電圧を入力とする共振型コンバータの制御装置が提供される。この共振型コンバータの制御部は、強制ターンオフ制御回路を備えている。強制ターンオフ制御回路は、共振型コンバータに流れる共振電流を分流して電圧に変換した共振電流検出信号を入力してその共振電流検出信号が第1の可変閾値と第1の可変閾値より小さい第2の可変閾値との間に入ると強制ターンオフ信号を出力する。また、強制ターンオフ制御回路は、第1の可変閾値および第2の可変閾値をバルクコンデンサの直流電圧を分圧して入力した入力電圧に応じて可変する。
上記構成の共振型コンバータの制御装置は、共振電流検出信号と比較される第1の可変閾値および第2の可変閾値の絶対値を入力電圧に応じて可変することで、高入力電圧時の共振はずれ防止機能を実現しながら低入力電圧時の保持時間の確保を両立できるという利点がある。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は、本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
本発明の制御装置を適用したDC−DCコンバータを備えるスイッチング電源装置の構成例を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る共振型コンバータの制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。 強制ターンオフ制御回路の構成例を示す回路図である。 強制ターンオフ制御回路の閾値電圧算出部の入出力関係を示す図である。 強制ターンオフ信号の生成タイミングチャートである。 スイッチオン・オフ制御回路の構成例を示す回路図である。 FB端子電圧によるターンオフ時のタイミングチャートである。 強制ターンオフ時のタイミングチャートである。 レベルシフト回路の構成例を示す回路図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、回路の端子名とその端子における電圧、信号などは、同じ符号を用いることがある。
図1は本発明の制御装置を適用したDC−DCコンバータを備えるスイッチング電源装置の構成例を示す回路図、図2は本発明の実施の形態に係る共振型コンバータの制御装置の構成例を示す機能ブロック図である。
本実施の形態に係るスイッチング電源装置は、力率改善回路(PFC)1とDC−DCコンバータ2とを備え、力率改善回路1とDC−DCコンバータ2との間には、バルクコンデンサC1が配置されている。
力率改善回路1は、その入力端子に交流電源10が接続され、出力端子にはバルクコンデンサC1が接続されていて、交流電圧を整流および昇圧し、バルクコンデンサC1の充電電圧として直流電圧Viを生成する。この直流電圧Viは、DC−DCコンバータ2の直流入力電圧となる。
DC−DCコンバータ2では、バルクコンデンサC1の正極端子および負極端子は、ハイサイドのスイッチング素子Q1とローサイドのスイッチング素子Q2とを直列接続したハーフブリッジ回路に接続されている。この実施の形態では、スイッチング素子Q1,Q2は、NチャネルMOSFETを使用している。
スイッチング素子Q1,Q2の共通の接続点は、トランスT1の一次巻線P1の一方の端子に接続され、一次巻線P1の他方の端子は、共振コンデンサC6を介してグランドに接続されている。ここで、トランスT1のリーケージインダクタンス成分および共振コンデンサC6は、共振回路を構成している。なお、リーケージインダクタンスを利用せずに、共振コンデンサC6にトランスT1を構成するインダクタンスとは別のインダクタを直列に接続し、当該インダクタを共振回路の共振リアクタンスとするようにしてもよい。
トランスT1の二次巻線S1の一方の端子は、ダイオードD3のアノード端子に接続され、二次巻線S2の一方の端子は、ダイオードD4のアノード端子に接続されている。ダイオードD3,D4のカソード端子は、ともに、出力コンデンサCoの正極端子および出力端子11pに接続されている。出力コンデンサCoの負極端子は、二次巻線S1,S2の共通の接続点および出力端子11nに接続されている。二次巻線S1,S2、ダイオードD3,D4および出力コンデンサCoは、二次巻線S1,S2に生起された交流電圧を整流・平滑して直流の出力電圧Voに変換する回路を構成し、DC−DCコンバータ2の出力回路を構成している。
制御IC(Integrated Circuit)12は、DC−DCコンバータ2を制御する制御部である。制御IC12は、バルクコンデンサC1の正極端子に接続されたVH端子、グランドに接続されたGND端子、入力の直流電圧Viを検出するBO端子を有している。BO端子は、抵抗Rb1の一方の端子および抵抗Rb2の一方の端子に接続され、抵抗Rb1の他方の端子は、バルクコンデンサC1の正極端子に接続され、抵抗Rb2の他方の端子は、バルクコンデンサC1の負極端子に接続されている。抵抗Rb1,Rb2は、入力の直流電圧Viを分圧し、分圧された電圧をBO端子へ供給する分圧回路を構成している。
制御IC12は、また、抵抗R11を介してスイッチング素子Q1のゲート端子に接続されたHO端子および抵抗R12を介してスイッチング素子Q2のゲート端子に接続されたLO端子を有している。制御IC12は、さらに、ハイサイド電源用のVB端子、ハイサイド基準電位のVS端子、制御IC12の電源用のVCC端子、共振電圧検出用のVW端子、出力電圧Voの情報がフィードバックされるFB端子および共振電流検出用のIS端子を有している。
制御IC12のVB端子とVS端子との間には、コンデンサC5が接続され、VS端子は、スイッチング素子Q1,Q2の共通の接続点に接続されている。VCC端子は、コンデンサC3の正極端子に接続され、コンデンサC3の負極端子はグランドに接続されている。VCC端子は、また、ダイオードD2のアノード端子に接続され、このダイオードD2のカソード端子は、VB端子に接続されている。VCC端子は、さらに、電流制限用の抵抗R13の一方の端子に接続され、抵抗R13の他方の端子は、ダイオードD1のカソード端子に接続されている。ダイオードD1のアノード端子は、トランスT1の補助巻線P2の一方の端子に接続され、補助巻線P2の他方の端子は、グランドに接続されている。これにより、コンデンサC3は、このDC−DCコンバータ2が起動した後は、その補助巻線P2に誘起された電流を蓄積して制御IC12の電源にしている。
トランスT1の補助巻線P2の一方の端子は、また、抵抗R14の一方の端子に接続され、抵抗R14の他方の端子は、抵抗R15の一方の端子に接続され、抵抗R15の他方の端子は、グランドに接続されている。抵抗R14および抵抗R15の共通の接続点は、制御IC12のVW端子に接続され、共振電圧検出信号がVW端子に供給される。トランスT1の一次巻線P1の他方の端子と共振コンデンサC6との接続点は、コンデンサCisの一方の端子に接続され、コンデンサCisの他方の端子は、抵抗Risの一方の端子に接続され、抵抗Risの他方の端子は、グランドに接続されている。コンデンサCisおよび抵抗Risの共通の接続点は、制御IC12のIS端子に接続されている。これにより、共振コンデンサC6を流れる共振電流がコンデンサCisおよび抵抗Risの直列回路によって分流され、その分流された電流が抵抗Risにより電圧に変換され、共振電流検出信号として制御IC12のIS端子に供給される。
出力コンデンサCoの正極端子は、抵抗R16を介してフォトカプラPC1の発光ダイオードのアノード端子に接続され、発光ダイオードのカソード端子は、シャントレギュレータSR1のカソード端子に接続されている。発光ダイオードのアノード端子およびカソード端子間には、抵抗R17が接続されている。シャントレギュレータSR1のアノード端子は、出力端子11nに接続されている。シャントレギュレータSR1は、出力コンデンサCoの正極端子と負極端子との間に直列接続された抵抗R18,R19の接続点に接続されたリファレンス端子を有している。シャントレギュレータSR1は、リファレンス端子とカソード端子との間に、抵抗R20およびコンデンサC11の直列回路が接続されている。このシャントレギュレータSR1は、出力電圧Vo(出力コンデンサCoの両端電圧)を抵抗R18,R19により分圧した電位と内蔵の基準電圧との差に応じた電流をフォトカプラPC1の発光ダイオードに流すものである。これにより、発光ダイオードには、出力電圧Voの目標の電圧に対する誤差に相当する電流が流れることになる。フォトカプラPC1のフォトトランジスタは、そのコレクタ端子が制御IC12のFB端子に接続され、エミッタ端子がグランドに接続され、コレクタ端子およびエミッタ端子間には、コンデンサC2が接続されている。なお、FB端子は図示しない抵抗を介して図示しない内部基準電圧にプルアップされている。
制御IC12は、図2に示したように、スイッチオン・オフ制御回路21、強制ターンオフ制御回路22、ハイサイドドライブ回路23、ローサイドドライブ回路24、起動回路25および電圧レギュレータ26を備えている。
制御IC12のVH端子は、起動回路25の入力端子に接続され、起動回路25の出力端子は、VCC端子と、スイッチオン・オフ制御回路21と、ローサイドドライブ回路24と、電圧レギュレータ26とに接続されている。電圧レギュレータ26は、内部電源の電圧VDDを生成し、スイッチオン・オフ制御回路21および強制ターンオフ制御回路22に供給している。
FB端子は、スイッチオン・オフ制御回路21の入力端子に接続され、スイッチオン・オフ制御回路21のハイサイド出力端子は、ハイサイドドライブ回路23の入力端子に接続されてハイサイドドライブ信号hi_preを供給する。スイッチオン・オフ制御回路21のローサイド出力端子は、ローサイドドライブ回路24の入力端子に接続されてローサイドドライブ信号lo_preを供給する。ハイサイドドライブ回路23の出力端子は、HO端子に接続され、ローサイドドライブ回路24の出力端子は、LO端子に接続されている。ハイサイドドライブ回路23は、また、ハイサイドの電源用のVB端子およびハイサイドの基準電位となるVS端子に接続されている。
VW端子、IS端子およびBO端子は、強制ターンオフ制御回路22の入力端子に接続され、強制ターンオフ制御回路22の出力端子は、スイッチオン・オフ制御回路21の入力端子に接続され、強制ターンオフ信号ftoを供給している。強制ターンオフ制御回路22は、また、スイッチオン・オフ制御回路21のハイサイド出力端子およびローサイド出力端子に接続されて、ハイサイドドライブ信号hi_preおよびローサイドドライブ信号lo_preを受けている。
このようなDC−DCコンバータ2によれば、バルクコンデンサC1の充電電圧が高くなると、制御IC12では、まず、起動回路25が動作してその出力端子からコンデンサC3を充電する電流を出力する。この電流は、VCC端子を介してVCC端子に接続されたコンデンサC3を充電して電圧VCCを生成する。そして、電圧レギュレータ26により電圧VCCから定電圧の電圧VDDが生成され、スイッチオン・オフ制御回路21および強制ターンオフ制御回路22に供給される。電圧VCCおよび電圧VDDが確立され、DC−DCコンバータ2がスイッチング動作を開始すると、VCC端子の電圧は、トランスT1の補助巻線P2から供給される電流によって維持される。
スイッチオン・オフ制御回路21は、FB端子に入力された出力電圧Voの情報を受けてハイサイドドライブ信号hi_preおよびローサイドドライブ信号lo_preのオン幅を制御して、出力電圧Voが所定の一定値になるよう制御する。
強制ターンオフ制御回路22は、BO端子に入力電圧検出信号を入力し、VW端子に共振電圧検出信号を入力し、IS端子に共振電流検出信号を入力する。VW端子に入力された共振電圧検出信号は、共振電流が変化する方向(増大する方向か減少する方向か)を特定し、IS端子に入力された共振電流検出信号は、ハイサイドドライブ信号hi_preおよびローサイドドライブ信号lo_preを強制ターンオフするタイミングを決めている。BO端子の入力電圧検出信号は、ハイサイドドライブ信号hi_preおよびローサイドドライブ信号lo_preをターンオフするときの閾値を決めている。
したがって、強制ターンオフ制御回路22は、VW端子の信号の減少時に、VW端子の信号が第1の固定閾値より低下したときであって、かつ、IS端子の信号が第1の可変閾値より低下したときにハイサイドドライブ信号hi_preをターンオフする。また、強制ターンオフ制御回路22は、VW端子の信号の上昇時に、VW端子の信号が第1の固定閾値より小さい第2の固定閾値より上昇したときであって、かつ、IS端子の信号が第1の可変閾値より小さい第2の可変閾値より上昇したときにローサイドドライブ信号lo_preをターンオフする。ここで、第1の可変閾値および第2の可変閾値については、BO端子の入力電圧検出信号の値、すなわち入力の直流電圧Viの値に依存して変化され、直流電圧Viが高いとき、高く設定され、直流電圧Viが低くなると低く設定される。なお、第1の可変閾値および第2の可変閾値が低く設定される範囲は、DC−DCコンバータ2が所定の出力電圧Voを維持できる範囲である。これにより、直流電圧Viが高いときには、第1の可変閾値および第2の可変閾値が高く設定されるので、共振はずれを確実に防止することができる。一方、直流電圧Viが低くなると、第1の可変閾値および第2の可変閾値が低く設定され、IS端子の信号が第1の可変閾値および第2の可変閾値に達するまでに時間がかかり、その分、強制ターンオフが遅れて実行されるので、保持時間を長くすることができる。
次に、強制ターンオフ制御回路22およびスイッチオン・オフ制御回路21の具体的な構成例について説明する。
図3は強制ターンオフ制御回路の構成例を示す回路図、図4は強制ターンオフ制御回路の閾値電圧算出部の入出力関係を示す図、図5は強制ターンオフ信号の生成タイミングチャートである。
強制ターンオフ制御回路22では、図3に示したように、VW端子が比較器COMP1の反転入力端子と比較器COMP2の非反転入力端子とに接続されている。比較器COMP1の非反転入力端子は、ハイサイド用の固定の閾値電圧Vthvwh(第1の固定閾値)が印加され、比較器COMP1の出力端子は、DフリップフロップDFF1のクロック入力端子Cに接続されている。比較器COMP2の反転入力端子は、ローサイド用の固定の閾値電圧Vthvwl(第2の固定閾値)が印加され、比較器COMP2の出力端子は、DフリップフロップDFF2のクロック入力端子Cに接続されている。
DフリップフロップDFF1,DFF2の入力端子Dは、内部電源の電圧VDDがそれぞれ印加されている。DフリップフロップDFF1の出力端子Qは、リセット優先のRSフリップフロップRSFF1のセット入力端子Sに接続されている。DフリップフロップDFF2の出力端子Qは、リセット優先のRSフリップフロップRSFF2のセット入力端子Sに接続されている。DフリップフロップDFF1のリセット入力端子RおよびRSフリップフロップRSFF1の第1のリセット入力端子R1には、スイッチオン・オフ制御回路21が出力するローサイドドライブ信号lo_preが入力されている。DフリップフロップDFF2のリセット入力端子RおよびRSフリップフロップRSFF2の第1のリセット入力端子R1には、スイッチオン・オフ制御回路21が出力するハイサイドドライブ信号hi_preが入力されている。
IS端子は、レベルシフト回路32を介して比較器COMP3の非反転入力端子と比較器COMP4の反転入力端子とに接続されている。なお、レベルシフト回路32については後で説明するまで無いものとみなし、したがって、レベルシフト回路の出力の信号は、IS端子の電圧と同じとして以下の説明を行う。比較器COMP3の出力端子は、RSフリップフロップRSFF1の第2のリセット入力端子R2に接続され、比較器COMP4の出力端子は、RSフリップフロップRSFF2の第2のリセット入力端子R2に接続されている。
比較器COMP3の反転入力端子および比較器COMP4の非反転入力端子には、直流電圧Viに応じて可変される閾値電圧Vthish(第1の可変閾値),Vthisl(第2の可変閾値)がそれぞれ入力される。すなわち、BO端子は、アナログ・デジタル変換器ADCの入力端子に接続され、アナログ・デジタル変換器ADCの出力端子は、閾値電圧算出部31の入力端子に接続されている。閾値電圧算出部31のハイサイド用出力端子は、デジタル・アナログ変換器DAC1の入力端子に接続され、閾値電圧算出部31のローサイド用出力端子は、デジタル・アナログ変換器DAC2の入力端子に接続されている。デジタル・アナログ変換器DAC1の出力端子は、比較器COMP3の反転入力端子に接続され、デジタル・アナログ変換器DAC2の出力端子は、比較器COMP4の非反転入力端子に接続されている。なお、アナログ・デジタル変換器ADCおよびデジタル・アナログ変換器DAC1,DAC2は、この実施の形態では、分解能を10ビットにしている。
RSフリップフロップRSFF1,RSFF2の出力端子Qは、それぞれ、論理和回路OR1の入力端子に接続され、論理和回路OR1の出力端子は、強制ターンオフ信号ftoを出力する強制ターンオフ制御回路22の出力端子に接続されている。
ここで、閾値電圧算出部31は、図4に示した関係に従って、BO端子に入力された電圧Vboからハイサイド用の閾値電圧Vthishおよびローサイド用の閾値電圧Vthislを算出している。図4において、横軸は、直流電圧Viを抵抗Rb1,Rb2による分圧回路で分圧した電圧Vboを示し、縦軸は、閾値電圧算出部31によって算出される共振電流比較用の閾値電圧Vthis(閾値電圧Vthishおよび閾値電圧Vthislを総称して閾値電圧Vthisとしている)を示している。
閾値電圧算出部31は、電圧Vboの所定の電圧範囲において電圧Vboに応じて可変する閾値電圧Vthisを出力し、その所定の電圧範囲外では電圧Vboに応じて変化しない閾値電圧Vthisを出力する。
すなわち、ハイサイド用の閾値電圧Vthishは、電圧VboがVbo2<Vbo<Vbo1の関係にあるとき、
Figure 0006849143
となり、電圧VboがVbo≧Vbo1のとき、
Vthish=Vthish1・・・(2)
となり、電圧VboがVbo≦Vbo2のとき、
Vthish=Vthish2・・・(3)
となる。
一方、ローサイド用の閾値電圧Vthislは、電圧VboがVbo2<Vbo<Vbo1の関係にあるとき、
Figure 0006849143
となり、電圧VboがVbo≧Vbo1のとき、
Vthisl=Vthisl1・・・(5)
となり、電圧VboがVbo≦Vbo2のとき、
Vthisl=Vthisl2・・・(6)
となる。
ここで、一数値例を挙げると、直流電圧Viは、Vbo1が規定の電圧の400ボルト(V)に相当し、Vbo2が電源喪失時に低下したときの260Vに相当する。また、ハイサイド用の閾値電圧Vthish1およびローサイド用の閾値電圧Vthisl1の絶対値は1V、ハイサイド用の閾値電圧Vthish2およびローサイド用の閾値電圧Vthisl2の絶対値は0.5Vである。これにより、共振電流比較用の閾値電圧Vthisは、直電圧Viが高いときに高く設定され、直流電圧Viが低いときに低く設定される。
次に、以上の構成の強制ターンオフ制御回路22の動作について図5を参照しながら説明する。図5において、共振電圧信号比較用の閾値電圧Vthvwh,Vthvwlは、固定値であり、共振電流信号比較用の閾値電圧Vthish,Vthislは、閾値電圧算出部31によって算出された可変の値を有する。
まず、ハイサイドドライブ信号hi_preがハイ(H)レベル、ローサイドドライブ信号lo_preがロー(L)レベルのとき、IS端子の共振電流検出信号は、ハイサイド用の閾値電圧Vthishより高い状態にある。したがって、比較器COMP3は、Hレベルの信号を出力し、RSフリップフロップRSFF1をリセットし、DフリップフロップDFF2およびRSフリップフロップRSFF2は、ハイサイドドライブ信号hi_preによってリセットされている。
ここで、VW端子の共振電圧検出信号が閾値電圧Vthvwhより低下すると、比較器COMP1の出力端子がHレベルになる。これにより、DフリップフロップDFF1は、クロック入力端子Cに入力される信号が立ち上がるので、その立ち上がりタイミングで電圧VDD(Hレベルの信号)をラッチし、出力端子QにHレベルの信号を出力する。このHレベルの信号は、RSフリップフロップRSFF1のセット入力端子Sに入力されるが、RSフリップフロップRSFF1は、比較器COMP3の出力信号によって優先的にリセットされているので、その出力端子Qは、Lレベルのままである。また、RSフリップフロップRSFF2も、ハイサイドドライブ信号hi_preによってリセットされているので、その出力端子Qは、Lレベルのままである。したがって、論理和回路OR1が出力する強制ターンオフ信号ftoは、Lレベルである。
その後、IS端子の共振電流検出信号がハイサイド用の閾値電圧Vthishより低下すると、比較器COMP3は、Lレベルの信号を出力する。これにより、RSフリップフロップRSFF1の第1のリセット入力端子R1および第2のリセット入力端子R2がともにLレベルになる。このとき、RSフリップフロップRSFF1のリセットが解除され、そのセット入力端子Sに入力されているHレベルの信号によってセットされ、出力端子QにHレベルの信号を出力する。これにより、論理和回路OR1は、Hレベルの強制ターンオフ信号ftoを出力し、これを受けたスイッチオン・オフ制御回路21は、そのタイミングでHレベルのハイサイドドライブ信号hi_preを強制的にLレベルにする。
Hレベルの強制ターンオフ信号ftoは、ローサイドドライブ信号lo_preがHレベルになってRSフリップフロップRSFF1がリセットされるタイミングでLレベルになる。
同様に、ハイサイドドライブ信号hi_preがLレベル、ローサイドドライブ信号lo_preがHレベルのとき、IS端子の共振電流検出信号は、ローサイド用の閾値電圧Vthislより低い状態(但し、絶対値はローサイド用の閾値電圧Vthislの絶対値より大きい)にある。したがって、比較器COMP4は、Hレベルの信号を出力し、RSフリップフロップRSFF2をリセットし、DフリップフロップDFF1およびRSフリップフロップRSFF1は、ローサイドドライブ信号lo_preによってリセットされている。
ここで、VW端子の共振電圧検出信号が閾値電圧Vthvwlより高くなると、比較器COMP2の出力端子がHレベルになる。これにより、DフリップフロップDFF2は、クロック入力端子Cに入力される信号が立ち上がるので、その立ち上がりタイミングで電圧VDD(Hレベルの信号)をラッチし、出力端子QにHレベルの信号を出力する。このHレベルの信号は、RSフリップフロップRSFF2のセット入力端子Sに入力されるが、RSフリップフロップRSFF2は、比較器COMP4の出力信号によって優先的にリセットされているので、その出力端子Qは、Lレベルのままである。また、RSフリップフロップRSFF1も、ローサイドドライブ信号lo_preによってリセットされているので、その出力端子Qは、Lレベルのままである。したがって、論理和回路OR1が出力する強制ターンオフ信号ftoは、Lレベルである。
その後、IS端子の共振電流検出信号がローサイド用の閾値電圧Vthislより高くなると、比較器COMP4は、Lレベルの信号を出力する。これにより、RSフリップフロップRSFF2の第1のリセット入力端子R1および第2のリセット入力端子R2がともにLレベルになる。このとき、RSフリップフロップRSFF2は、そのセット入力端子SにHレベルの信号が入力されているので、セットされ、出力端子QにHレベルの信号を出力する。これにより、論理和回路OR1は、Hレベルの強制ターンオフ信号ftoを出力し、これを受けたスイッチオン・オフ制御回路21は、そのタイミングで、Hレベルのローサイドドライブ信号lo_preを強制的にLレベルにする。
Hレベルの強制ターンオフ信号ftoは、ハイサイドドライブ信号hi_preがHレベルになって、RSフリップフロップRSFF2をリセットするタイミングでLレベルになる。
なお、共振はずれが起こらない通常動作では、強制ターンオフ信号ftoが出力される前にハイサイドドライブ信号hi_preまたはローサイドドライブ信号lo_preがハイレベルになって、DフリップフロップDFF1またはDFF2が再度リセットされるので、強制ターンオフ信号ftoが出力されることはない。
強制ターンオフ制御回路22は、以上の動作を繰り返し実行しながら、ハイサイド用の閾値電圧Vthishおよびローサイド用の閾値電圧Vthislが入力の直流電圧Viの変化に応じて可変される。
図6はスイッチオン・オフ制御回路の構成例を示す回路図、図7はFB端子電圧によるターンオフ時のタイミングチャート、図8は強制ターンオフ時のタイミングチャートである。
スイッチオン・オフ制御回路21は、図6に示したように、FB端子が比較器COMP5の反転入力端子に接続されている。比較器COMP5の非反転入力端子は、定電流源Iosの一方の端子とコンデンサCosの一方の端子との接続点に接続され、コンデンサCosの充電電圧Vosを受けている。定電流源Iosの他方の端子は、電圧VDDを受けており、コンデンサCosの他方の端子は、グランドに接続されている。コンデンサCosには、スイッチSW1が並列に接続されている。ここで、比較器COMP5、定電流源Ios、コンデンサCosおよびスイッチSW1は、ハイサイドドライブ信号hi_preおよびローサイドドライブ信号lo_preのオン幅、すなわちターンオフのタイミングを決める回路を構成している。
比較器COMP5の出力端子は、論理和回路OR2の第1の入力端子に接続されている。論理和回路OR2の第2の入力端子は、強制ターンオフ制御回路22から出力される強制ターンオフ信号ftoを受ける端子に接続されている。論理和回路OR2の出力端子は、リセット優先のRSフリップフロップRSFF3のセット入力端子Sに接続されている。
RSフリップフロップRSFF3の出力端子Qは、スイッチSW1の制御入力端子と、インバータ回路INV3の入力端子と、ワンショット回路OS2の入力端子とに接続され、信号Tdを出力している。インバータ回路INV3の出力端子は、ワンショット回路OS1の入力端子に接続されている。
インバータ回路INV3の出力端子は、スイッチSW2の制御入力端子に接続されている。スイッチSW2の一方の端子は、定電流源Itdの一方の端子と、コンデンサCtdの一方の端子と、インバータ回路INV1の入力端子とに接続され、インバータ回路INV1は、コンデンサCtdの充電電圧Vtdを受けている。定電流源Itdの他方の端子は、電圧VDDを受け、コンデンサCtdの他方の端子とスイッチSW2の他方の端子は、グランドに接続されている。インバータ回路INV1の出力端子は、インバータ回路INV2の入力端子に接続され、インバータ回路INV2の出力端子は、RSフリップフロップRSFF3の第2のリセット入力端子R2に接続されている。ここで、定電流源Itd、スイッチSW2、コンデンサCtd、インバータ回路INV1,INV2は、デッドタイム、すなわち、ハイサイドドライブ信号hi_preおよびローサイドドライブ信号lo_preの一方がターンオフ(Lレベルの信号になる)してから他方がターンオン(Hレベルの信号になる)するまでの時間を決める回路を構成している。
RSフリップフロップRSFF3の第1のリセット入力端子R1は、ヒステリシス比較器COMP6の出力端子に接続されている。ヒステリシス比較器COMP6の反転入力端子は、この制御IC12の電源の電圧VCCを受けており、ヒステリシス比較器COMP6の非反転入力端子は、閾値電圧Vthvcch,Vthvcclを受けている。このヒステリシス比較器COMP6は、電圧VCCが低下して制御IC12の内部回路が動作可能な電圧以下に低下したときに異常動作を引き起こさないようにする低電圧誤動作防止(UVLO:Under Voltage Lock Out)回路を構成している。
ワンショット回路OS1の出力端子は、RSフリップフロップRSFF4のセット入力端子Sに接続され、RSフリップフロップRSFF4をセットするオントリガ信号on_trgを出力する。ワンショット回路OS2の出力端子は、RSフリップフロップRSFF4のリセット入力端子Rに接続され、RSフリップフロップRSFF4をリセットするオフトリガ信号off_trgを出力する。RSフリップフロップRSFF4の出力端子Qは、論理積回路AND1,AND2の第1の入力端子に接続されている。
ワンショット回路OS2の出力端子は、また、インバータ回路INV4の入力端子に接続されている。インバータ回路INV4の出力端子は、DフリップフロップDFF3のクロック入力端子Cに接続されている。DフリップフロップDFF3の入力端子Dは、インバータ回路INV5の出力端子に接続され、インバータ回路INV5の入力端子は、DフリップフロップDFF3の出力端子Qに接続されている。DフリップフロップDFF3の出力端子Qは、また、論理積回路AND1の第2の入力端子とインバータ回路INV6の入力端子とに接続され、ドライブ選択信号dri_selを出力している。インバータ回路INV6の出力端子は、論理積回路AND2の第2の入力端子に接続されている。論理積回路AND1の出力端子は、ハイサイドドライブ信号hi_preを出力するスイッチオン・オフ制御回路21の出力端子を構成している。論理積回路AND2の出力端子は、ローサイドドライブ信号lo_preを出力するスイッチオン・オフ制御回路21の出力端子を構成している。DフリップフロップDFF3のリセット入力端子Rは、ヒステリシス比較器COMP6の出力端子に接続されている。
次に、このスイッチオン・オフ制御回路21の動作について、図7を参照しながら説明する。まず、FB端子の電圧よりもコンデンサCosの充電電圧Vosが高くなると、比較器COMP5が論理和回路OR2を介してRSフリップフロップRSFF3をセットする。これにより、RSフリップフロップRSFF3からHレベルの信号Tdが出力される。この信号Tdは、ワンショット回路OS2に入力され、ワンショット回路OS2は、信号Tdの立ち上がりエッジに同期して立ち上がる所定のオン幅を有するオフトリガ信号off_trgを出力する。このオフトリガ信号off_trgは、RSフリップフロップRSFF4をリセットし、RSフリップフロップRSFF4は、論理積回路AND1,AND2の第1の入力端子にLレベルの信号を供給する。これにより、論理積回路AND1,AND2が出力するハイサイドドライブ信号hi_preおよびローサイドドライブ信号lo_preは、Lレベルになる。
信号TdがHレベルになると、スイッチSW1がオン(導通)してコンデンサCosの電荷は放電される。また、インバータ回路INV3の出力がLレベルになるので、スイッチSW2がオフ(遮断)し、コンデンサCtdの充電が開始され、その充電電圧Vtdが上昇する。充電電圧Vtdが上昇して、インバータ回路INV1の閾値電圧より高くなると、インバータ回路INV1の出力がLレベルになり、インバータ回路INV2の出力がHレベルになる。このHレベルの信号は、RSフリップフロップRSFF3をリセットして、その出力の信号TdをLレベルにする。このLレベルの信号Tdは、インバータ回路INV3により論理反転されてワンショット回路OS1に入力され、ワンショット回路OS1は、インバータ回路INV3の出力信号の立ち上がり、すなわち信号Tdの立ち下がりエッジに同期して立ち上がる所定のオン幅のオントリガ信号on_trgを出力する。このオントリガ信号on_trgは、RSフリップフロップRSFF4をセットし、RSフリップフロップRSFF4は、論理積回路AND1,AND2の第1の入力端子にHレベルの信号を供給する。これにより、論理積回路AND1,AND2は、その第2の入力端子に入力されるドライブ選択信号dri_selまたはその論理反転信号をハイサイドドライブ信号hi_preおよびローサイドドライブ信号lo_preとして出力する。
また、信号TdがLレベルになると、スイッチSW2がオン(導通)してコンデンサCtdの電荷が放電されるとともに、スイッチSW1がオフ(遮断)し、コンデンサCosの充電が開始され、その充電電圧Vosが上昇する。充電電圧VosがFB端子の電圧に達したタイミングで、比較器COMP5は、その出力状態が反転され、RSフリップフロップRSFF3のセット入力端子SにHレベルの信号が入力される。このタイミングでは、RSフリップフロップRSFF3の第2のリセット入力端子R2がLレベルであるので、RSフリップフロップRSFF3は、Hレベルの信号Tdを出力する。
信号TdがHレベルになることにより、ワンショット回路OS2は、オフトリガ信号off_trgを出力する。このオフトリガ信号off_trgは、インバータ回路INV4により論理反転されてDフリップフロップDFF3のクロック入力端子Cに入力される。これにより、DフリップフロップDFF3は、オフトリガ信号off_trgの立ち下がりエッジに同期してインバータ回路INV5の出力状態をラッチする。すなわち、DフリップフロップDFF3の出力状態がLレベルのとき、Hレベルの信号をラッチし、Hレベルの信号を出力する。逆に、DフリップフロップDFF3の出力状態がHレベルのときには、インバータ回路INV5によって論理反転されたLレベルの信号をラッチし、Lレベルの信号を出力する。このDフリップフロップDFF3の出力信号は、ドライブ選択信号dri_selとして論理積回路AND1に入力され、論理積回路AND1からハイサイドドライブ信号hi_preとして出力される。また、DフリップフロップDFF3の出力のドライブ選択信号dri_selをインバータ回路INV6で論理反転された信号は、論理積回路AND2に入力され、論理積回路AND2からローサイドドライブ信号lo_preとして出力される。
なお、ヒステリシス比較器COMP6が電圧VCCの異常低下を検出したときには、ヒステリシス比較器COMP6は、Hレベルの信号を出力し、RSフリップフロップRSFF3およびDフリップフロップDFF3を強制的にリセットする。
ここで、強制ターンオフ制御回路22から強制ターンオフ信号ftoが入力された場合について説明する。論理和回路OR2は、比較器COMP5からFB端子の電圧によってオン幅を制御する信号と強制ターンオフ制御回路22からの強制ターンオフ信号ftoとを入力し、RSフリップフロップRSFFにセット信号を入力している。このため、RSフリップフロップRSFFは、オン幅を制御する信号および強制ターンオフ信号ftoのうち、先にHレベルとなった信号に応答してセットされる。
ここで、コンデンサCosの充電電圧VosがFB端子の電圧に達する前に強制ターンオフ信号ftoが入力されると、RSフリップフロップRSFF4は、強制ターンオフ信号ftoの立ち上がりエッジに同期して立ち上がる信号Tdを出力する。これ以降の、デッドタイムの設定およびターンオンのタイミングは、図8に示したように、通常制御時と同じである。
次に、図3に示したレベルシフト回路32について説明する。
図9はレベルシフト回路の構成例を示す回路図である。まず、IS端子に入力される電圧は、共振電流の分流が抵抗Risに流れることによって生じるが、共振電流の向きによって正にも負にもなる。制御IC12は、負電圧電源を供給されているものであれば負電圧の入力に対応できるが、負電圧電源を供給されていないものだと、入力が負電圧になるとラッチアップしてしまう。レベルシフト回路32は、負電圧電源を供給されていない制御IC12でもラッチアップを起こすことなく正にも負にもなるIS端子に入力される電圧(これもISで示す)を扱えるように、電圧ISをレベルシフト(レベルアップ)して常に正電圧となる電圧IS2に変換するものである。
レベルシフト回路32は、図9に示したように、抵抗Rls1,Rls2からなる直列回路を介してIS端子を電圧VDDの内部電源に接続し、抵抗Rls1とRls2の接続点の電位IS2をレベルシフト回路32の出力信号とするものである。ここで、出力信号の電圧IS2は、以下の式となる。
Figure 0006849143
レベルシフト回路32を用いる場合は、上述の(1)〜(6)式で求めたVthish,Vthislを(7)式のISに代入して得られる値を、IS2と比較すればよい。
また、VW端子に入力される共振電圧検出信号も正にも負にもなる電圧なので、制御IC12が負電圧を扱えない場合は、IS端子と同様に、VW端子に接続されるレベルシフト(レベルアップ回路)を設け、VW端子の電圧と比較される閾値電圧に対し(7)式と同様な変換をすればよい。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
1 力率改善回路
2 DC−DCコンバータ
10 交流電源
11n 出力端子
11p 出力端子
12 制御IC
21 スイッチオン・オフ制御回路
22 強制ターンオフ制御回路
23 ハイサイドドライブ回路
24 ローサイドドライブ回路
25 起動回路
26 電圧レギュレータ
31 閾値電圧算出部
32 レベルシフト回路
ADC アナログ・デジタル変換器
AND1,AND2 論理積回路
C1 バルクコンデンサ
C2,C3,C5,C11 コンデンサ
C6 共振コンデンサ
COMP1,COMP2,COMP3,COMP4,COMP5 比較器
COMP6 ヒステリシス比較器
Cis コンデンサ
Co 出力コンデンサ
Cos,Ctd コンデンサ
D1,D2,D3,D4 ダイオード
DAC1,DAC2 デジタル・アナログ変換器
DFF1,DFF2,DFF3 Dフリップフロップ
INV1,INV2,INV3,INV4,INV5,INV6 インバータ回路
Ios,Itd 定電流源
OR1,OR2 論理和回路
OS1,OS2 ワンショット回路
P1 一次巻線
P2 補助巻線
PC1 フォトカプラ
Q1,Q2 スイッチング素子
R11,R12,R13,R14,R15,R16,R17,R18,R19,R20,Rb1,Rb2,Ris,Rls1,Rls2 抵抗
RSFF1,RSFF2,RSFF3,RSFF4 RSフリップフロップ
S1,S2 二次巻線
SR1 シャントレギュレータ
SW1,SW2 スイッチ
T1 トランス

Claims (7)

  1. バルクコンデンサの直流電圧を入力とする共振型コンバータの制御装置において、
    前記共振型コンバータに流れる共振電流を分流して電圧に変換した共振電流検出信号を入力して前記共振電流検出信号が第1の可変閾値と前記第1の可変閾値より小さい第2の可変閾値との間に入ると強制ターンオフ信号を出力し、前記第1の可変閾値および前記第2の可変閾値を前記バルクコンデンサの直流電圧を分圧して入力した入力電圧に応じて可変するようにした強制ターンオフ制御回路を備えている、共振型コンバータの制御装置。
  2. 前記強制ターンオフ制御回路は、前記第1の可変閾値および前記第2の可変閾値を、前記入力電圧の所定の変化範囲において、それぞれ、前記入力電圧が規定の電圧以上のときに第1共振電流値および前記第1共振電流値とは符が逆の第2共振電流値に相当する閾値に設定し、前記入力電圧が規定の電圧より低くなるにつれて前記第1共振電流値より絶対値がより低い電流値および前記第2共振電流値より絶対値がより低い電流値に相当する閾値に設定する、請求項1記載の共振型コンバータの制御装置。
  3. 前記強制ターンオフ制御回路は、前記第1の可変閾値および前記第2の可変閾値の絶対値の可変の範囲を、前記共振型コンバータが所定の動作を維持できる範囲とした、請求項2記載の共振型コンバータの制御装置。
  4. 前記強制ターンオフ制御回路は、前記共振型コンバータの共振電圧を検出した共振電圧検出信号を入力して前記共振電圧検出信号の減少時に前記共振電圧検出信号が第1の固定閾値を超える、または前記共振電圧検出信号の上昇時に前記共振電圧検出信号が第2の固定閾値を超えると前記強制ターンオフ信号の出力を有効にする、請求項2記載の共振型コンバータの制御装置。
  5. 前記強制ターンオフ制御回路は、
    前記共振電圧検出信号と前記第1の固定閾値とを比較する第1の比較器と、
    前記共振電圧検出信号と前記第2の固定閾値とを比較する第2の比較器と、
    前記第1の比較器の出力をクロック入力に受けたときにハイレベルの信号をラッチし、DC−DCコンバータを構成するハーフブリッジ回路のローサイド用スイッチング素子を駆動するローサイドドライブ信号を受けてリセットされる第1のDフリップフロップと、
    前記第2の比較器の出力をクロック入力に受けたときにハイレベルの信号をラッチし、前記ハーフブリッジ回路のハイサイド用スイッチング素子を駆動するハイサイドドライブ信号を受けてリセットされる第2のDフリップフロップと、
    前記第1のDフリップフロップの出力をセット入力に受け、前記ローサイドドライブ信号を第1のリセット入力に受ける第1のRSフリップフロップと、
    前記第2のDフリップフロップの出力をセット入力に受け、前記ハイサイドドライブ信号を第1のリセット入力に受ける第2のRSフリップフロップと、
    前記第1のRSフリップフロップの出力と前記第2のRSフリップフロップの出力とを入力して前記強制ターンオフ信号を出力する論理和回路と、
    前記入力電圧を分圧した信号をデジタルに変換するアナログ・デジタル変換器と、
    前記アナログ・デジタル変換器の出力を受けて前記入力電圧に応じたハイサイド用閾値およびローサイド用閾値を算出する算出部と、
    前記共振電流検出信号と前記ハイサイド用閾値とを比較し、出力が前記第1のRSフリップフロップの第2のリセット入力に接続された第3の比較器と、
    前記共振電流検出信号と前記ローサイド用閾値とを比較し、出力が前記第2のRSフリップフロップの第2のリセット入力に接続された第4の比較器と、
    を有している、請求項4記載の共振型コンバータの制御装置。
  6. 前記共振電流検出信号は、前記共振型コンバータに流れる共振電流を分流した電流を電流検出抵抗に流し、前記電流検出抵抗により生成された電圧をレベルシフト回路によりレベルシフトした信号である、請求項1記載の共振型コンバータの制御装置。
  7. 前記第1の可変閾値および前記第2の可変閾値は、絶対値が等しく符が逆の電流をそれぞれ前記レベルシフト回路によりレベルシフトした値に相当する、請求項6記載の共振型コンバータの制御装置。
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