JPH11214971A - デューティー比制限機能付きパルス発生回路及びdc/dcコンバータ - Google Patents
デューティー比制限機能付きパルス発生回路及びdc/dcコンバータInfo
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Abstract
ばらつきを抑制するとともに、回路面積の縮小及びコス
トダウンを実現した、出力パルスのデューティー比を制
限する機能を有するパルス発生回路を提供する。 【解決手段】 三角波発生回路SがコンデンサCTを充
放電することにより生成される三角波を用いて端子Fか
ら入力する電圧に応じてパルス幅変調を行ったパルスを
出力するコンパレータCOMPの出力側がそれを介して
接地されているトランジスタQKを三角波発生回路Sを
用いて所定のタイミングでONさせることにより、端子
SWから出力するパルスの最大デューティーを前記三角
波のデューティー比とする。
Description
圧との誤差に応じてパルス幅変調を行ってパルスを発生
するとともに、発生するパルスのデューティー比が所定
値よりも大きくならないように制限する機能を有するデ
ューティー比制限機能付きパルス発生回路、及び、スイ
ッチング素子を用いてDC電圧を変換するDC/DCコ
ンバータに関するものである。
の回路構成を示す図である。同図において、スイッチン
グトランジスタTrがON/OFFされるが、トランジ
スタTrがONからOFFに切り換わるときには、コイ
ルLのインダクタンスにより、トランジスタTrには電
流が流れ続けようとし、トランジスタTrのコレクタ電
位が上昇する。このようにインダクタンスの性質を利用
し、端子INから入力した1次側のDC電圧を昇圧して
端子OUTから出力するが、トランジスタTrがONし
ている時間とOFFしている時間との比で出力電圧が変
化する。
はパルス発生回路P’が出力するパルスにより行われ
る。パルス発生回路P’における動作は以下の通りであ
る。端子Fから入力する昇圧電圧を抵抗RAと抵抗RBと
で分圧する。エラーアンプEは、抵抗RAと抵抗RBとで
分圧された昇圧電圧と基準電圧Vrefとを入力し、昇圧
電圧と設定電圧との誤差に応じた電圧を出力する。尚、
エラーアンプEの出力電圧は、昇圧電圧が設定電圧より
も高くなるほど低くなり、設定電圧よりも低くなるほど
高くなる。
の出力電圧と三角波発生回路SがコンデンサCTを充放
電することにより生成される三角波の電圧とを比較し、
三角波の電圧がエラーアンプEの出力電圧よりも高けれ
ばハイレベルの出力を行い、逆に、三角波の電圧がエラ
ーアンプEの出力電圧よりも低ければローレベルの出力
を行う。
はトランジスタQのベースに接続されている。トランジ
スタQのコレクタは定電流回路CCの電流流出側に接続
されているとともに、アンプAを介して端子SWに接続
されている。トランジスタQのエミッタは接地されてい
る。
力電圧がハイレベルになると、トランジスタQがON
し、端子SWからはローレベルの電圧が出力され、端子
SWにベースが接続されたスイッチングトランジスタT
rがOFFとなる。一方、コンパレータCOMP’の出
力電圧がローレベルになると、トランジスタQがOFF
し、端子SWからはハイレベルの電圧が出力され、スイ
ッチングトランジスタTrがONとなる。
P’ではエラーアンプEの出力電圧と三角波の電圧とを
比較することからして、昇圧電圧と設定電圧との誤差に
応じてパルス幅変調が行われたパルスが端子SWから出
力されることになり、具体的には、端子SWから出力さ
れるパルスは、昇圧電圧が設定電圧よりも高くなるほ
ど、ハイレベルのデューティー比が小さくなり、一方、
昇圧電圧が設定電圧よりも低くなるほど、ハイレベルの
デューティー比が大きくなる。
のON/OFFのデューティー比が昇圧電圧と設定電圧
との誤差に応じて制御され、端子OUTから出力される
電圧は設定電圧で安定するようになる。このように、D
C/DCコンバータなどの電源回路では出力電圧をフィ
ードバック制御することによって出力電圧を安定させる
ようになっている。
のONデューティー、すなわち、端子SWから出力され
るパルスのハイレベルのデューティー比がある程度大き
くなるとコイルLが磁気飽和を起こしてしまうので、昇
圧電圧が設定電圧よりも低いからといって、パルス発生
回路P’では端子SWから出力するパルスのハイレベル
のデューティー比を無制限に大きくすることはできな
い。また、2次側の電圧が0Vから起動する場合などに
は、スイッチングトランジスタTrのONデューティー
に制限がないと、帰還の極性によってスイッチングトラ
ンジスタTrが永久にONし続けてしまい、その結果、
2次側電圧が全く発生しないという状態に陥ってしま
う。すなわち、パルス発生回路P’はデューティー比
(この例ではハイレベルのデューティー比)を制限する
機能を備えていなければならないわけである。
出力するパルスのハイレベルのデューティー比を制限す
るためのDC電圧(以下、「デューティー比制限用電
圧」と呼ぶ)を端子Mから入力してコンパレータCOM
P’に与え、コンパレータCOMP’では昇圧電圧が設
定電圧よりも低くなり過ぎてエラーアンプEの出力電圧
がデューティー比制限用電圧よりも高くなると、エラー
アンプEの出力電圧の代わりにデューティー比制限用電
圧を三角波の電圧と比較することによって、端子SWか
ら出力されるパルスのハイレベルのデューティー比が所
定値よりも大きくならないようにしていた(図7参
照)。尚、図8にコンパレータCOMP’の等価回路を
示しておく。
Cコンバータなどにて出力電圧をフィードバック制御す
るために使用されるパルス発生回路では、従来は、出力
するパルスのデューティー比を制限するために、DC電
圧であるデューティー比制限用電圧が別途必要であっ
た。そして、三角波のDCレベル、振幅はそれぞれ電源
電圧の設定の仕方、クロック同期の有無によって変化す
るので、所望の最大デューティー比を得るためには、各
仕様に合わせてデューティー比制限用電圧を調整する必
要があった。
ーティー比のばらつきが大きかった。尚、温度による最
大デューティー比のばらつきとはDC電圧であるデュー
ティー比制限用電圧が温度変化により変動することに起
因して生じるものである。
るための端子が必要であるとともに、エラーアンプの出
力電圧と三角波の電圧を比較するコンパレータが複雑に
なるため、回路面積が大きく、また、コストが高いとい
う問題を招いていた。
ロックの周期の整数倍にDC/DCコンバータのスイッ
チング周期を同期させることであり、機器内で生成され
る信号に干渉を及ぼさないようにすること、DC/DC
コンバータの温度変動をなくすことなどを目的として行
われる場合がある。
振幅が小さくなるので、同一のデューティー比制限用電
圧では、クロック同期の有無(クロック同期を行ってい
るか、行っていないか)によって、最大デューティー比
が変化してしまう。例えば、図6に示したパルス発生回
路P’では、自走時(クロック同期を行っていないと
き)に設定したデューティー比制限用電圧のままでクロ
ック同期を行うと、ハイレベルの最大デューティー比が
小さくなってしまう(図9参照)。
レベルや振幅に個体差があれば、所望の最大デューティ
ー比を得るために各機器毎にデューティー比制限用電圧
を調整しなければならなくなるので、三角波のDCレベ
ルや振幅のばらつきは許されず、三角波の生成に関して
高精度な電圧発生回路などが要求され、回路面積が大き
く、また、コストが高いという問題に拍車がかかってい
た。
パルス発生回路が上記問題を有することを受けて、DC
/DCコンバータは、出力電圧の安定度が低く、また、
回路面積が大きい、及び、コストが高い、さらに、機器
に組み込む際のセットアップが困難であるという問題が
あった。
最大デューティー比のばらつきを抑制するとともに、回
路面積の縮小及びコストダウンを実現した、出力パルス
のデューティー比を制限する機能を有するパルス発生回
路を提供することを目的とする。
せ、また、回路面積の縮小及びコストダウンを実現し、
さらに、機器に組み込む際のセットアップを容易にした
DC/DCコンバータを提供することを目的とする。
め、本発明のデューティー比制限機能付きパルス発生回
路では、入力電圧に応じてパルス幅変調を行ったパルス
を出力するとともに、出力するパルスのデューティー比
を制限する機能を有するデューティー比制限機能付きパ
ルス発生回路において、出力するパルスの最大デューテ
ィー比をパルスの生成に関与する三角波のデューティー
比としている。
は減少中には入力電圧によらず出力電圧を固定すること
によって、出力するパルスの最大デューティー比を前記
三角波のデューティー比とすることができる。
ティー比制限用電圧は不要となり、また、三角波のDC
レベルや振幅によらず所望の最大デューティー比を得る
ことができる。
を参照しながら説明する。図1は本発明の一実施形態で
あるパルス発生回路Pを用いて出力電圧をフィードバッ
ク制御するDC/DCコンバータの回路構成を示す図で
ある。尚、図1において図6と同一である部分について
は同一の符号を付して説明を省略する。
出力電圧と三角波発生回路SがコンデンサCTを充放電
することにより生成される三角波の電圧とを比較し、エ
ラーアンプEの出力電圧が三角波の電圧よりも高ければ
ハイレベルの出力を行い、逆に、エラーアンプEの出力
電圧が三角波の電圧よりも低ければローレベルの出力を
行う。
トランジスタQのベースに接続されている。トランジス
タQのコレクタは定電流回路CCの電流流出側に接続さ
れているとともに、反転アンプHを介して端子SWに接
続されている。また、コンパレータCOMPの出力側は
NPN型のトランジスタQKを介して接地されている。
ある場合は、コンパレータCOMPの出力電圧がハイレ
ベルになると、トランジスタQがONし、反転アンプH
により端子SWからはハイレベルの電圧が出力され、ス
イッチングトランジスタTrがONとなり、一方、コン
パレータCOMPの出力電圧がローレベルになると、ト
ランジスタQがOFFし、反転アンプHにより端子SW
からはローレベルの電圧が出力され、スイッチングトラ
ンジスタTrがOFFとなる。
はエラーアンプEの出力電圧と三角波の電圧とを比較す
ることから、昇圧電圧と設定電圧との誤差に応じてパル
ス幅変調が行われたパルスが端子SWから出力されるこ
とになり、具体的には、端子SWから出力されるパルス
は、昇圧電圧が設定電圧よりも高くなるほど、ハイレベ
ルのデューティー比が小さくなり、一方、昇圧電圧が設
定電圧よりも低くなるほど、ハイレベルのデューティー
比が大きくなる。この結果、スイッチングトランジスタ
TrのON/OFFのデューティー比が昇圧電圧と設定
電圧との誤差に応じて制御され、端子OUTから出力さ
れる電圧は設定電圧で安定するようになる。
は、コンパレータCOMPでの比較結果によらず、トラ
ンジスタQがOFFとなり、端子SWから出力される電
圧はローレベルに固定される。そして、後述するよう
に、トランジスタQKは三角波発生回路Sからの信号に
より所定のタイミングでONし、端子SWから出力され
るパルスのハイレベルのデューティー比に制限がかかる
ようになっている。
る。接続関係は以下の通りである。PNP型のトランジ
スタQ1及びQ2とは差動対を形成しており、これらのエ
ミッタは定電流回路CC0の電流流出側に接続されてい
る。トランジスタQ1、Q2のコレクタは2つのNPN型
トランジスタで構成された電流流入型のカレントミラー
回路CM0の入力側、出力側にそれぞれ接続されてい
る。トランジスタQ1のベースは端子Cに接続されてい
る。トランジスタQ2のベースは抵抗R1と抵抗R2との
接続点に接続されている。抵抗R1、R2は抵抗R3と共
に電圧VBG間に高電位側から抵抗R1、抵抗R2、抵抗R
3の順で直列に接続されている。抵抗R2と抵抗R3との
接続点はNPN型のトランジスタQ3を介して接地され
ている。
ラー回路CM0の出力側との接続点である点Kには、そ
れぞれ抵抗R4、R5を介してNPN型のトランジスタQ
3、Q4のベースが接続されているとともに、コンパレー
タCOMPの出力側がそれを介して接地されている前出
のトランジスタQKのベースが抵抗RKを介して接続され
ている。
NPN型のトランジスタで構成された電流流入型のカレ
ントミラー回路CM1の入力側に接続されているととも
に、トランジスタQ4を介して接地されている。カレン
トミラー回路CM1の出力側は2つのPNP型トランジ
スタで構成された電流流出型のカレントミラー回路CM
2の入力側に接続されており、カレントミラー回路CM2
の出力側は端子Cに接続されている。
PN型のトランジスタで構成された電流流入型のカレン
トミラー回路CM3の入力側に接続されている。カレン
トミラー回路CM3の出力側は端子Cに接続されてい
る。
ジスタQ3及びQ4がOFFであり、定電流回路CC1、
CC2の出力電流をI、カレントミラー回路CM2の電流
増幅度をNとすると、コンデンサCTには電流(N−
1)×Iが流れ込み、コンデンサCTが充電される。そ
して、コンデンサCTの電圧がVH=(R2+R3)VBG/
(R1+R2+R3)以上となると(但し、R1、R2、R3
の抵抗値をそれぞれR1、R2、R3としている)、トラ
ンジスタQ3及びQ4がONとなり、コンデンサCTから
は電流Iが流れ出し、コンデンサCTが放電される。そ
して、コンデンサCTの電圧がVL=R2・VBG/(R1+
R2)となると、トランジスタQ3及びQ4がOFFとな
り、電流(N−1)×IによるコンデンサCTの充電が
再開される。
すようになり、電圧VHとVLとの間で行き来する三角波
が生成される。尚、生成される三角波の電圧がVLから
VHにまで増加するのに要する時間とVHからVLにまで
減少するのに要する時間との比は1/{(N−1)・
I}:1/I=1:(N−1)となる。
Q3及びQ4と同じタイミングでON/OFFするので、
コンデンサCTの充電時、すなわち、三角波の電圧が増
加している間は、トランジスタQKがOFFとなり、コ
ンパレータCOMPでの比較結果に応じてトランジスタ
QがON/OFFするが、コンデンサCTの放電時、す
なわち、三角波の電圧が減少している間は、トランジス
タQKがONとなり、トランジスタQがOFFに固定さ
れる。
スのハイレベルの最大デューティー比は、三角波の電圧
増加のデューティー比となり、三角波のデューティー比
がそのまま出力パルスの最大デューティー比となる(図
3参照)。三角波の電圧増加のデューティー比=1/
{1+(N−1)}=1/Nであるので、例えば端子S
Wから出力されるパルスのハイレベルの最大デューティ
ー比を80%にしたい場合は、カレントミラー回路CM
2の電流増幅度NをN=5/4に設定すればよいことに
なる。
えてみる。図4はクロック同期を行う回路であるクロッ
ク同期用回路CSを図1に示した三角波発生回路Sに接
続したものである。クロック同期用回路CSについて説
明する。接続関係は以下の通りである。
グランド電位点との間に直列に接続された抵抗R11と抵
抗12との接続点に接続されている。トランジスタQ12及
びQ16のベースはそれぞれ抵抗R13、R14を介してトラ
ンジスタQ11のコレクタに接続されている。トランジス
タQ13のベースはトランジスタQ12のコレクタに接続さ
れているとともに、コンデンサCDを介して接地されて
いる。トランジスタQ14、Q15のベースはそれぞれトラ
ンジスタQ13、Q14のコレクタに接続されている。
レクタはそれぞれ定電流回路CC11、CC12、CC13、
CC14の電流流出側に接続されている。トランジスタQ
15及びQ16のコレクタは定電流回路CC15の電流流出側
に共通に接続されている。定電流回路CC15とトランジ
スタQ15及びQ16のコレクタとの接続点にはトランジス
タQ17のベースが接続されている。トランジスタQ11、
Q12、Q13、Q14、Q15、Q16、Q17のエミッタはそれ
ぞれ接地されている。そして、トランジスタQ17のコレ
クタが、クロック同期用回路CSの出力端子であり、三
角波発生回路S内の点Kに接続されている。
るクロックの立ち上がりでワンショットのパルスがトラ
ンジスタQ17のベースに印加され、その結果、三角波発
生回路S内の点Kは端子CLKに入力されるクロックの
立ち上がりで一瞬接地されることになる。
子CLKに入力されるクロックの立ち上がりでトランジ
スタQ3及びQ4が一瞬OFFとなり、コンデンサCTの
充電中はトランジスタQ3及びQ4が元々OFFであるの
で何等影響はないが、コンデンサCTの放電中はトラン
ジスタQ3及びQ4がONであるので、コンデンサCTの
充電に切り換わる。すなわち、コンデンサCTの電圧が
VLにまで減少する前に端子CLKに入力されるクロッ
クの立ち上がりで強制的に充電を開始することになり、
生成される三角波の振幅は小さくなる(図5参照)。
数によっては、クロック同期の開始当初(電源投入直
後)はコンデンサCTの充電時間と放電時間との比が各
充放電毎にばらつくが、次第にそのばらつきは無視でき
るほど小さくなり、三角波のデューティー比は安定す
る。
の振幅は小さくなってしまうが、本実施形態のパルス発
生回路Pでは、出力するパルスの最大デューティー比に
何等影響が及ぶことはない。というのは、出力するパル
スの最大デューティー比は三角波のデューティー比その
ものであり、三角波の振幅がたとえ小さくなったとして
も、コンデンサCTの充放電電流が一定である限り、そ
の三角波のデューティー比は変化しないからである。
路Pでは、従来必要であったDC電圧であるデューティ
ー比制限用電圧なしで、出力するパルスのデューティー
比を制限することができる。そして、出力するパルスの
最大デューティー比は、三角波のデューティー比そのも
のであるので、三角波発生回路SがコンデンサCTを充
放電する電流によって設定することができ、コンデンサ
CTの充放電電流にばらつきがなければ、三角波のDC
レベルや振幅によらず一定となる。
ー比を所望のものとするために、三角波のDCレベルの
変化をもたらす電源電圧の設定の仕方や、三角波の振幅
の変化をもたらすクロック同期の有無に応じた調整をす
る必要はなくなる。尚、実際には三角波発生回路SはI
C(集積回路)となっており、コンデンサCTを充放電
する電流のばらつきが少ないので、出力パルスの最大デ
ューティー比は高精度なものとなる。
ず、温度や調整ズレによる最大デューティー比のばらつ
きを抑制することができる。また、デューティー比制限
用電圧を入力するための端子が不要となるとともに、エ
ラーアンプEの出力電圧と三角波の電圧とを比較するコ
ンパレータの構成も簡略化され、回路面積の縮小及びコ
ストダウンを実現することができる。さらに、三角波の
生成に関与する電圧発生回路などには高精度が要求され
なくなるので、回路面積の縮小及びコストダウンをより
一層促進することができる。
電圧をフィードバック制御するパルス発生回路が上記利
点を有すること受けて、出力電圧がより安定し、また、
回路面積の縮小及びコストダウンがもたらされ、さら
に、機器に組み込む際のセットアップが容易となる。
生回路によれば、出力するパルスの最大デューティー比
を三角波のデューティー比としているので、出力するパ
ルスのデューティー比を制限するためのDC電圧である
デューティー比制限用電圧が不要となるとともに、所望
の最大デューティー比を得るために電源電圧の設定の仕
方やクロック同期の有無に応じて行っていた調整は不要
となる。したがって、まず、温度や調整ズレによる最大
デューティー比のばらつきが抑制される。また、回路面
積の縮小及びコストダウンを実現することができる。さ
らに、三角波の生成に関与する電圧発生回路などには高
精度が要求されなくなり、回路面積の縮小及びコストダ
ウンをより一層促進することができる。
れば、出力電圧をフィードバック制御するパルス発生回
路が上記効果を有することを受けて、出力電圧をより安
定させ、また、回路面積の縮小及びコストダウンを実現
し、さらに、機器に組み込む際のセットアップを容易に
することができる。
用いて出力電圧をフィードバック制御するDC/DCコ
ンバータの回路構成を示す図である。
れる三角波の波形を示す図である。
力電圧との関係を示す波形図である。
用いて出力電圧をフィードバック制御するDC/DCコ
ンバータの回路構成を示す図である。
示す波形図である。
ィードバック制御するDC/DCコンバータの回路構成
を示す図である。
力電圧との関係を示す波形図である。
図である。
に、出力パルスの最大デューティー比が変化することを
示す図である。
のトランジスタ R11、R12、R13、R14 抵抗 CD コンデンサ CC11、CC12、CC13、CC14、CC15 定電流回
路 COMP’ コンパレータ A アンプ
Claims (3)
- 【請求項1】 入力電圧に応じてパルス幅変調を行った
パルスを出力するとともに、出力するパルスのデューテ
ィー比を制限する機能を有するデューティー比制限機能
付きパルス発生回路において、出力するパルスの最大デ
ューティー比をパルスの生成に関与する三角波のデュー
ティー比としたことを特徴とするパルス発生回路。 - 【請求項2】 前記三角波の電圧が増加中あるいは減少
中には入力電圧によらず出力電圧を固定することによっ
て、出力するパルスの最大デューティー比を前記三角波
のデューティー比としたことを特徴とする請求項1に記
載のパルス発生回路。 - 【請求項3】 スイッチング素子をON/OFFするこ
とによりDC電圧を変換するとともに、前記スイッチン
グ素子がONである時間とOFFである時間との比によ
ってDC電圧の変換度が決まるDC/DCコンバータに
おいて、前記スイッチング素子がONである時間とOF
Fである時間との比を変換後の電圧に応じて変化させる
ことによって変換後の電圧をフィードバック制御する手
段として、請求項1または2に記載のデューティー比制
限機能付きパルス発生回路を用いたことを特徴とするD
C/DCコンバータ。
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