JP7053292B2 - DC / DC converter - Google Patents
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Description
本発明は、DC/DCコンバータに関し、特に、入力電圧範囲が広いDC/DCコンバータの動作を制御する制御回路の起動電圧発生回路に関する。 The present invention relates to a DC / DC converter, and more particularly to a starting voltage generation circuit of a control circuit that controls the operation of a DC / DC converter having a wide input voltage range.
情報通信装置では、高速且つ大容量のデータ処理に対応するために、低電圧で大電流を供給する電源システムが求められ、このような要求を満たすべく、中間バス構成を有する分散型電源システムが広く採用されている。 In information communication equipment, a power supply system that supplies a large current at a low voltage is required in order to support high-speed and large-capacity data processing, and in order to meet such a demand, a distributed power supply system having an intermediate bus configuration is required. Widely adopted.
この種の給電システムの一例として、商用交流ラインから供給されるAC電源を、直流電源に変換して各装置に分配し、各装置内で、絶縁型のDC/DCコンバータにより、直流電源を中間バス電圧に降圧して各ボードへ供給し、更に、各ボード上の各負荷の近傍において、中間バス電圧を各負荷の動作電圧に降圧するシステムがある。 As an example of this type of power supply system, AC power supplied from a commercial AC line is converted into DC power and distributed to each device, and the DC power is intermediated in each device by an isolated DC / DC converter. There is a system that steps down to the bus voltage and supplies it to each board, and further steps down the intermediate bus voltage to the operating voltage of each load in the vicinity of each load on each board.
これらの分散型電源システムの直流電源の電圧範囲には、種々の規格があり広範囲に渡る。又、コンバータが供給可能な電流には限りがあるため、消費電力が比較的高い場合は中間バス電圧が高く設定され、消費電力が低い場合は中間バス電圧を低く設定することができる。それ故、負荷を駆動するために非常に低い動作電圧で大電流の供給が必要な場合には、高い中間バス電圧から低い中間バス電圧へ、降圧を2段階にして分散させるシステムが採用される場合もある。 The voltage range of the DC power supply of these distributed power supply systems has various standards and covers a wide range. Further, since the current that can be supplied by the converter is limited, the intermediate bus voltage can be set high when the power consumption is relatively high, and the intermediate bus voltage can be set low when the power consumption is low. Therefore, when a large current needs to be supplied at a very low operating voltage to drive a load, a system is adopted in which the step-down is distributed in two stages from a high intermediate bus voltage to a low intermediate bus voltage. In some cases.
このように、多様なDC電圧が設定される電源システムに幅広く対応するために、広い入力電圧範囲に対して動作可能なDC/DCコンバータが求められている。一般的に、DC/DCコンバータには、その動作を制御するための制御回路が搭載され、起動する際には、まず、最初に制御回路が起動して、それから制御回路がコンバータを起動し動作させる仕組みとなっている。 As described above, in order to support a wide range of power supply systems in which various DC voltages are set, a DC / DC converter that can operate over a wide input voltage range is required. Generally, a DC / DC converter is equipped with a control circuit for controlling its operation, and when it is started, the control circuit is started first, and then the control circuit starts the converter and operates. It is a mechanism to make it.
しかし、この制御回路自体にも動作可能な電圧範囲があって、DC/DCコンバータ自体の入力電圧範囲が、制御回路の動作電圧範囲よりも低い電圧の範囲まで含む場合、その低い電圧が外部から供給される際には、制御回路の動作電圧範囲の少なくとも下限値まで昇圧して供給する必要がある。 However, if the control circuit itself has an operable voltage range and the input voltage range of the DC / DC converter itself includes a voltage range lower than the operating voltage range of the control circuit, the low voltage is externally applied. When supplied, it is necessary to boost the voltage to at least the lower limit of the operating voltage range of the control circuit.
一般的に、昇圧回路は、入力電圧をわずかに昇圧することは困難であるから、入力電圧を制御回路の動作電圧の下限値よりも十分に低い電圧に一度降圧してから、改めて制御回路の動作電圧まで昇圧することが必要である。その一方で、入力電圧が制御回路の動作電圧範囲内にある場合には、入力電圧を直接供給するだけでよいわけである。 In general, it is difficult for a booster circuit to boost the input voltage slightly, so the input voltage is once stepped down to a voltage sufficiently lower than the lower limit of the operating voltage of the control circuit, and then the control circuit is re-introduced. It is necessary to boost the voltage to the operating voltage. On the other hand, when the input voltage is within the operating voltage range of the control circuit, it is only necessary to directly supply the input voltage.
それ故、DC/DCコンバータに入力される入力電圧に関わらず、必ず昇圧回路を通す構成とすると、制御回路の動作電圧範囲内にある十分に高い入力電圧を、動作電圧範囲の下限値よりも十分に低い電圧に一度降圧してから改めて昇圧することになるので、過剰な電力を消費して損失が大きくなる。加えて、その損失が熱に変換されてコンバータの動作時の温度を上昇させるため、過大な温度上昇を抑制するための機能を搭載することが必要となり、製造コストが増大する。 Therefore, regardless of the input voltage input to the DC / DC converter, if the configuration is such that the booster circuit is always passed, a sufficiently high input voltage within the operating voltage range of the control circuit is set to be higher than the lower limit of the operating voltage range. Since the voltage is stepped down to a sufficiently low voltage and then stepped up again, excessive power is consumed and the loss becomes large. In addition, since the loss is converted into heat and raises the temperature during operation of the converter, it is necessary to install a function for suppressing an excessive temperature rise, which increases the manufacturing cost.
又、DC/DCコンバータの広い入力電圧範囲の全域に渡って制御回路の動作電圧を出力することが可能な、更なるコンバータを付加することもできる。しかし、そのような広い入力電圧範囲で動作可能なコンバータは、結局、絶縁トランスや昇降圧回路を含む大掛かりな構成となり、実装面積の増加や製造コストの高額化が顕著であり現実的ではない。 Further, it is possible to add a further converter capable of outputting the operating voltage of the control circuit over the entire wide input voltage range of the DC / DC converter. However, a converter that can operate in such a wide input voltage range will eventually have a large-scale configuration including an isolation transformer and a buck-boost circuit, and the increase in mounting area and the increase in manufacturing cost are remarkable, which is not realistic.
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広い入力電圧範囲を有するDC/DCコンバータを、低損失且つ安価で供給することである。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to supply a DC / DC converter having a wide input voltage range with low loss and low cost.
本発明の第1の態様であるDC/DCコンバータは、入力電圧が印加される入力端子と、前記入力電圧が供給されて起動電圧を出力する電圧生成回路と、前記起動電圧が供給されて起動し、制御信号を出力する制御回路と、前記制御信号を受信して動作し、供給された前記入力電圧を変圧して出力電圧を出力する電圧変換回路と、を備え、前記電圧生成回路は、整流回路と、前記入力端子と前記整流回路とを接続する第1の経路と、前記入力端子と前記整流回路とを接続し、前記第1の経路と並列に接続された第2の経路と、前記第2の経路と直列に接続され、前記入力電圧が供給されて一定電圧を前記整流回路に供給する定電圧回路と、を有し、前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧が供給され、前記起動電圧を前記制御回路に供給する。 The DC / DC converter according to the first aspect of the present invention has an input terminal to which an input voltage is applied, a voltage generation circuit to which the input voltage is supplied to output a start-up voltage, and a start-up voltage to which the start-up voltage is supplied. The voltage generation circuit comprises a control circuit that outputs a control signal, a voltage conversion circuit that receives the control signal and operates, transforms the supplied input voltage, and outputs an output voltage. A first path connecting the input terminal and the rectifying circuit, a second path connecting the input terminal and the rectifying circuit and connected in parallel with the first path, and a rectifying circuit. It has a constant voltage circuit connected in series with the second path, to which the input voltage is supplied and supplies a constant voltage to the rectifier circuit, and the rectifier circuit is supplied with the input voltage and the constant voltage. Then, the starting voltage is supplied to the control circuit.
本発明の第2の態様によれば、上記第1の態様において、前記定電圧回路は、前記入力電圧が供給されて降圧電圧を出力する降圧回路と、前記降圧電圧が供給されて前記一定電圧を出力する昇圧回路と、を含む。 According to the second aspect of the present invention, in the first aspect, the constant voltage circuit includes a step-down circuit to which the input voltage is supplied to output a step-down voltage and the constant voltage to which the step-down voltage is supplied. Includes a booster circuit that outputs.
本発明の第3の態様によれば、前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧を入力とするダイオードOR回路からなる。 According to the third aspect of the present invention, the rectifier circuit comprises a diode OR circuit having the input voltage and the constant voltage as inputs.
本発明の第4の態様によれば、上記第1の態様乃至上記第3の態様のいずれか1つの態様において、前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧から、いずれか高い方の電圧を前記制御信号として出力する。 According to the fourth aspect of the present invention, in any one of the first aspect to the third aspect, the rectifier circuit has a voltage higher than the input voltage and the constant voltage. Is output as the control signal.
本発明によれば、制御回路の動作電圧範囲よりも低い入力電圧が供給されるときは、十分に低い電圧に一度降圧してから改めて昇圧する経路を通して、動作電圧範囲まで昇圧した起動電圧を制御回路に供給し、制御回路の動作電圧範囲内にある入力電圧が供給されるときは、別の経路を通して、供給された入力電圧を制御回路に直接供給する。これにより、昇圧回路による損失は必要最小限となり、且つ過剰な温度上昇抑制対策が不要となるから、広い入力電圧範囲を有するDC/DCコンバータを、低損失且つ安価で供給する効果を奏することができる。 According to the present invention, when an input voltage lower than the operating voltage range of the control circuit is supplied, the starting voltage boosted to the operating voltage range is controlled through a path in which the voltage is stepped down to a sufficiently low voltage and then boosted again. When the input voltage supplied to the circuit and within the operating voltage range of the control circuit is supplied, the supplied input voltage is directly supplied to the control circuit through another path. As a result, the loss due to the booster circuit is minimized, and excessive temperature rise suppression measures are not required. Therefore, it is possible to achieve the effect of supplying a DC / DC converter having a wide input voltage range with low loss and low cost. can.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施形態に係るブロック図である。DC/DCコンバータ1は、電圧生成回路2、制御回路4、及び電圧変換回路6を備える。
FIG. 1 is a block diagram according to an embodiment of the present invention. The DC /
このDC/DCコンバータ1は、入力電圧(+側)が入力される入力端子(+側)11a及び入力電圧(+側)が入力される入力端子(-側)11bを備える。そして、入力端子間11には、入力電圧(+側)と入力電圧(-側)との差分である入力電圧Vinが印加され、出力端子(+側)61aと出力端子(-側)61bの間の出力端子間61には、入力電圧Vinが変圧された出力電圧Voutが出力される。
The DC /
なお、入力電圧(+側)は入力電圧(+側)供給線13を通じて電圧生成回路2及び電圧変換回路6に供給され、入力電圧(-側)は入力電圧(-側)供給線14を通じて電圧生成回路2、制御回路4、及び電圧変換回路6に供給されている。
The input voltage (+ side) is supplied to the
電圧生成回路2は、入力される入力電圧Vinを用いて、制御回路4を起動するための起動電圧V1を生成し、起動電圧供給線15を通して制御回路4に当該起動電圧V1を供給する。制御回路4は、電圧生成回路2から供給される起動電圧V1によって起動し、制御信号供給線16を介して制御信号を電圧変換回路6に向けて出力する。そして、電圧変換回路6は、当該制御信号を受信して動作し、入力電圧(+側)供給線13から直接供給されている入力電圧Vinを変圧して出力端子間61に所望の出力電圧Voutを出力する。
The
図2は、電圧生成回路2の構成を示すブロック図である。電圧生成回路2は、整流回路25と、入力端子(+側)11aと整流回路25を接続する第1の経路7と、この第1の経路7と並列に接続されて入力端子(+側)11aと整流回路25を結ぶ第2の経路8と、を有する。ここで、第1の経路7は、入力電圧Vinを入力電圧(+側)供給線13を通して整流回路25へ直接供給する経路である。又、第2の経路8では、入力端子(+側)11aと整流回路25との間に定電圧回路21が直列に接続されている。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the
この定電圧回路21には入力電圧Vinが印加され、一定電圧V12を、一定電圧供給線18を通して整流回路25に供給する。しかし、定電圧回路21のような電圧変換回路は、入力電圧Vinの値が出力の目標値である一定電圧V12の値に近すぎる場合には、目標の出力電圧を生成することが困難である。従って、一度、出力の目標値である一定電圧V12よりも十分に低い基準電圧を発生させて、その基準電圧を昇圧して目標値である一定電圧V12を得る手法が一般的である。
An input voltage Vin is applied to the
そこで、定電圧回路21は、降圧回路22及び昇圧回路23の2つの回路ブロックから構成される。これら、降圧回路22及び昇圧回路23はそれぞれ、第2の経路8の経路上に直列に接続されている。その動作は、まず、降圧回路22に入力電圧Vinが供給され、降圧回路22は入力電圧Vinを基準電圧である降圧電圧V11まで一度降圧する。次に、昇圧回路23に降圧された降圧電圧V11が供給され、昇圧回路23は降圧電圧V11を一定電圧V12まで昇圧して一定電圧供給線18に出力する。例えば、昇圧回路23は、入力電圧を2倍~3倍程度に昇圧する構成が効率よい動作ができるから、降圧電圧V11は一定電圧V12の1/2~1/3の値に設定することが好ましい。
Therefore, the
なお、降圧回路22は、図4に示すように、例えば、低電圧レギュレータ22a、トランジスタQ0、及び抵抗素子R0と、からなる低電圧安定化回路22bとして構成されてもよく、更に、抵抗素子R1、R2からなる電圧調整回路22cを有してもよい。又、昇圧回路23は、例えば小型のDC/DCコンバータ回路を用いてもよい。
As shown in FIG. 4, the step-
図3は整流回路25の回路図を示す。整流回路25は、入力電圧Vinを整流回路25から出力可能にするための第1の整流素子27と、一定電圧V12を整流回路25から出力可能にするための第2の整流素子28からなるダイオードOR回路で構成されている。なお、整流回路25の出力は起動電圧V1であり、起動電圧供給線15に供給されている。
FIG. 3 shows a circuit diagram of the
この整流回路25は、供給される入力電圧Vin及び一定電圧V12から、いずれか高い方の電圧を起動電圧V1として起動電圧供給線15に出力する。ここで、入力電圧Vinよりも一定電圧V1の方が高い場合は、第1の整流素子27が起動電圧供給線15から入力端子(+側)11a方向への電流の逆流を防止し、一定電圧V1より入力電圧Vinの方が高い場合は第2の整流素子28が、起動電圧供給線15から昇圧回路23への電流の逆流を防止する。
The
制御回路4は、内部レギュレータ41、制御部42、及びドライバ43を含んでいてもよい。この制御回路4は、例えば、電圧範囲VL~VHの起動電圧において起動可能である。ここで、VL~VHの電圧範囲が比較的広い場合は、起動電圧を内部レギュレータ41により内部の動作電圧に降圧して、制御部42を駆動していてもよい(図4)。
The
なお、DC/DCコンバータ1の入力端子間11に印加される入力電圧VinがVLよりも低い場合は、第2の経路8の経路上の定電圧回路21により、入力電圧VinをVLまで昇圧し、整流回路25及び起動電圧供給線15を通して制御回路4に供給することができる。又、入力電圧VinがVL~VHの範囲にある場合は、入力電圧Vinが第1の経路7を通して制御回路4に直接供給される。
When the input voltage Vin applied to the
電圧変換回路6は、例えば、図4に示すように、ハーフブリッジ構成であって、プッシュプル方式で絶縁トランスを駆動するパワーコンバータであってもよい。
As shown in FIG. 4, the
このとき、制御回路4は、ドライバ43を介して、ハーフブリッジ構成のハイサイド及びローサイドのトランジスタQ1及びトランジスタQ2の各ゲート端子を駆動する制御信号を、制御信号供給線16のそれぞれ(制御信号供給線16a,16b)を介してトランジスタQ1及びトランジスタQ2に供給している。又、制御回路4の制御部42から、スイッチングトランジスタQ3及びQ4のそれぞれをプッシュプル動作させる制御信号を、制御信号供給線16のそれぞれ(制御信号供給線16c,16d)を介してスイッチングトランジスタQ3及びQ4に供給している。
At this time, the
そして、電圧変換回路6は、絶縁トランスTを含んでいる。又、制御回路4のドライバ43を介して供給される制御信号によって、直列に接続されたトランジスタQ1及びトランジスタQ2が駆動し、その中間接点の出力を絶縁トランスTの1次側に供給する。又、制御回路4の制御部42から直接供給される制御信号によって、絶縁トランスTの1次側のプッシュ側コイルとプル側コイルを交互に駆動する。ここで、スイッチングトランジスタQ3及びQ4に供給される制御信号は、トランジスタQ1及びトランジスタQ2に供給される制御信号と同期されている。絶縁トランスTの1次側コイルの動作電流は、対応する2次側コイルの電流に変換され、入力電圧Vinが出力端子間61に出力電圧Voutとして出力される。なお、電圧変換回路6の回路構成は、本実施形態に記載した方式に限定されるものではなく、種々のコンバータ回路方式を適用することができる。
The
1 DC/DCコンバータ
2 電圧生成回路
4 制御回路
6 電圧変換回路
7 第1の経路
8 第2の経路
11 入力端子間
11a 入力端子(+側)
11b 入力端子(-側)
13 入力電圧(+側)供給線
14 入力電圧(-側)供給線
15 起動電圧供給線
16、16a、16b、16c、16d 制御信号供給線
17 降圧電圧供給線
18 一定電圧供給線
21 定電圧回路
22 降圧回路
22a 低電圧レギュレータ
22b 低電圧安定化回路
22c 電圧調整回路
23 昇圧回路
25 整流回路
27 第1の整流素子
28 第2の整流素子
41 内部レギュレータ
42 制御部
43 ドライバ
61 出力端子間
61a 出力端子(+側)
61b 出力端子(-側)
Vin 入力電圧
V1 起動電圧
V11 降圧電圧
V12 一定電圧
Vout 出力電圧
1 DC /
11b Input terminal (-side)
13 Input voltage (+ side)
61b output terminal (-side)
Vin input voltage V1 start-up voltage V11 step-down voltage V12 constant voltage Vout output voltage
Claims (4)
前記入力電圧が供給されて起動電圧を出力する電圧生成回路と、
前記起動電圧が供給されて起動し、制御信号を出力する制御回路と、
前記制御信号を受信して動作し、供給された前記入力電圧を変圧して出力電圧を出力する電圧変換回路と、を備え、
前記電圧生成回路は、整流回路と、前記入力端子と前記整流回路とを接続する第1の経路と、前記入力端子と前記整流回路とを接続し、前記第1の経路と並列に接続された第2の経路と、前記第2の経路と直列に接続され、前記入力電圧が供給されて一定電圧を前記整流回路に供給する定電圧回路と、を有し、
前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧が供給され、前記起動電圧を前記制御回路に供給する、DC/DCコンバータ。 The input terminal to which the input voltage is applied and
A voltage generation circuit to which the input voltage is supplied and outputs a starting voltage,
A control circuit that is supplied with the start-up voltage, starts up, and outputs a control signal.
It is provided with a voltage conversion circuit that receives the control signal, operates, transforms the supplied input voltage, and outputs the output voltage.
The voltage generation circuit connects the rectifier circuit, the first path connecting the input terminal and the rectifier circuit, the input terminal and the rectifier circuit, and is connected in parallel with the first path. It has a second path and a constant voltage circuit that is connected in series with the second path and is supplied with the input voltage to supply a constant voltage to the rectifier circuit.
The rectifier circuit is a DC / DC converter to which the input voltage and the constant voltage are supplied and the starting voltage is supplied to the control circuit.
The DC / DC converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the rectifier circuit outputs the higher voltage from the input voltage and the constant voltage as the starting voltage .
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