JPS59144364A - Switching power source - Google Patents

Switching power source

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Publication number
JPS59144364A
JPS59144364A JP1832483A JP1832483A JPS59144364A JP S59144364 A JPS59144364 A JP S59144364A JP 1832483 A JP1832483 A JP 1832483A JP 1832483 A JP1832483 A JP 1832483A JP S59144364 A JPS59144364 A JP S59144364A
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JP
Japan
Prior art keywords
voltage
frequency
switching power
control system
power supply
Prior art date
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Pending
Application number
JP1832483A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naoki Tsuya
津屋 直紀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP1832483A priority Critical patent/JPS59144364A/en
Publication of JPS59144364A publication Critical patent/JPS59144364A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Abstract

PURPOSE:To improve the responding speed by controlling a pulse width modulator by the output of a current detector without using a delay/advance element compensation, thereby increasing the band of a control system. CONSTITUTION:A switching power source turns ON and OFF an input voltage 9 by a switch 6, and outputs and output voltage 8 stabilized through smoothing filters 13, 14. In a feedback control system of this device, the voltage 8 is inputted to a voltage detector 1 having a reference voltage 2, an adder 3 and an error voltage amplifier 4, thereby controlling the ON/OFF time of a pulse width modulator 5 for stabilizing the voltage. A current (g) of a smoothing inductor 13 is further detected by a current detector 21 in addition to the above feedback, and a loop for feeding back to the modulator 5 through a feedback path (h) is provided. In this manner, the phase delay of 180 deg. produced at LC filters 13, 14 is compensated, thereby performing the widening of the control system.

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はスイッチング電源装置の改良に係シ。[Detailed description of the invention] This invention relates to improvements in switching power supplies.

出力電圧を一定罠する制御系を、その安定性を損う事な
く広帯域化し、それによって出力インビータ゛ンスを低
減し、かつ付足の周波数で極大となるピークを庄じない
ようにしたスイッチング電源装置tヲ提供しようとする
ものである。
A switching power supply in which the control system that traps the output voltage at a constant level has been widened to a wider band without sacrificing its stability, thereby reducing output interference and preventing peaks that become maximum at additional frequencies. It is intended to provide a device t.

第1図は従来の一般的なスイッチング電源装置の電圧安
定化のための帰還制御系のブaツク図を示すもので2図
において* tllは電圧検出回路、(2)は基準電圧
、13)は加算器、(4)は誤差電圧増巾器。
Figure 1 shows a book diagram of the feedback control system for voltage stabilization of a conventional general switching power supply. In Figure 2, *tll is the voltage detection circuit, (2) is the reference voltage, and 13) is an adder, and (4) is an error voltage amplifier.

(5)はパルス中変調回路、(6)はスイッチ、(7)
は平滑フィルタ、18)は出力電圧、(9)は入力電圧
、また。
(5) is a pulse modulation circuit, (6) is a switch, (7)
is the smoothing filter, 18) is the output voltage, and (9) is the input voltage.

イは誤差信号2口は制御信号、ハはオン、オフ信号、二
はスイッチ出力電圧、ホは帰還路である。
A is an error signal, 2 ports are a control signal, C is an on/off signal, 2 is a switch output voltage, and E is a feedback path.

まず、第1図に基づいて、一般的なスイッチング電源の
電圧安定化の原理を説明する。ここでは説明の便宜上、
スイッチ(6]の動作から順に述べる。
First, the principle of voltage stabilization of a general switching power supply will be explained based on FIG. For convenience of explanation,
The operation of the switch (6) will be explained in order.

スイッチ(6)はスイッチング、トランジスタ、トラン
スま7ヒはインダクタ整流ダイオード等よ多構成されて
おシ、オン、オフ信号へによってスイッチのオン、オフ
がなされ、入力電圧(9)およびスイッチ(6)の構成
で決定されるスイッチ出力電圧二を発住する。オン、オ
フ信号ハはディジタル信号であ多、スイッチ呂力電圧二
はパルス状の電圧であるため、これを平滑フィルタ(7
)で平滑し、直流の出力電圧(81を得る。
The switch (6) is composed of a switching device, a transistor, a transformer, an inductor, a rectifier diode, etc. The switch is turned on and off depending on the input voltage (9) and the switch (6). The switch output voltage is determined by the configuration of the switch. The on/off signal (3) is a digital signal, and the switch (2) voltage is a pulse voltage, so it is passed through a smoothing filter (7).
) to obtain a DC output voltage (81).

入力電圧(9)、あるいは出力電圧(8)に接続される
負荷、あるいは環境温度による出力電圧(8)の変動を
防止するため、出力電圧(8)全検出し、オン、オフ信
号へに帰R′ff:かける帰還側(財)系企描成する。
In order to prevent fluctuations in the output voltage (8) due to the input voltage (9), the load connected to the output voltage (8), or the environmental temperature, all output voltages (8) are detected and returned to ON/OFF signals. R'ff: Multiply the return side (goods) system plan.

帰還制御系の構成は次の通電である。The configuration of the feedback control system is as follows.

出力電圧18)は電圧帰還路ホ會経て、電圧検出回路(
1)に入力される。
The output voltage 18) passes through the voltage return path and is then sent to the voltage detection circuit (
1) is input.

電圧検出回路(1)は基準電圧(2)、加算器13)1
 m差電圧増巾器(4)からな)、出力電圧(8)は加
算器I3)によシ基準電圧(2)との差である誤差信号
イと71iニジ、ついで誤差電圧増巾器(4)によシ増
巾されて1fiIl掛信勺口となる。制御信号口はパル
ス中度5母@fa15)に入シ、ティジタルのオン、オ
フ信号へとなる。ここで出力電圧(8)の上昇に対して
、オン、オフ信号へのオフを指示する時間の割合が長く
なる碌にすれば、出力電圧(8)は入力゛電圧(9)の
変動、あるいは出力電圧(8)に接続される負荷の変動
、ある層は環境温度の変化による各要素の特性の変動に
よらず。
The voltage detection circuit (1) has a reference voltage (2), an adder 13) 1
m difference voltage amplifier (4)), the output voltage (8) is sent to the adder I3), and the error signal A, which is the difference from the reference voltage (2), is then input to the error voltage amplifier (71i). 4) The width is increased and becomes 1fil. The control signal port enters the pulse medium 5 mother@fa15) and becomes a digital on/off signal. Here, if we increase the ratio of the time for instructing OFF to ON and OFF signals as the output voltage (8) rises, the output voltage (8) will change depending on the fluctuation of the input voltage (9) or Variations in the load connected to the output voltage (8), some layers are independent of variations in the characteristics of each element due to changes in environmental temperature.

Iデぼ一定にする事ができる。その程度は帰還制御系を
構成する要素の特性で決まる。
I can be kept almost constant. The extent of this is determined by the characteristics of the elements that make up the feedback control system.

スイッチング電源の各要素は、ある定當動作状態からの
微少変位を考えると、第2図の周波数特性をMしている
Each element of the switching power supply has a frequency characteristic M shown in FIG. 2, considering minute displacement from a certain constant operating state.

第2図において要素σ0)は誤差電圧増巾器(4)の特
性で1通常1次遅れ要素の特性であシ、 K11i、直
流利得、  Tl は時定数を表わす。
In FIG. 2, element σ0) is the characteristic of the error voltage amplifier (4) and is usually the characteristic of a first-order lag element, K11i is the DC gain, and Tl is the time constant.

要素ハはパルス巾変調回路15)の特性で、制御信号口
をスイッチングのデユーティ信号へに変換する。
Element C is the characteristic of the pulse width modulation circuit 15), which converts the control signal into a switching duty signal.

ここでデユーティ信号とは、オン、オフ信号へにおいて
、オン指示時間をオン指示時間とオフ指示時間の和で割
った量である。要素a21はスイッチ+61の特性で、
入力電圧(9)の電圧Vinと、トランスの昇圧比Nの
槓である。なおM密には更にスイッチング周M程度の無
駄時間要素の横となる〃51通常スイッチング周波数よ
ル低い周波数では無視できるのでここでは以下省略する
。[131は平滑インダクタ、圓は平滑コンデンサでこ
れらは第1図の千嘴フィルタ(7)?構成している。
Here, the duty signal is the amount obtained by dividing the on instruction time by the sum of the on instruction time and the off instruction time in the on and off signals. Element a21 is the characteristic of switch +61,
This is the voltage Vin of the input voltage (9) and the step-up ratio N of the transformer. Furthermore, M-density also includes a dead time element of approximately M switching frequency.51 Since it can be ignored at frequencies lower than the normal switching frequency, the description thereof will be omitted here. [131 is a smoothing inductor, circle is a smoothing capacitor, and these are the Chikuo filter (7) in Figure 1? It consists of

スイッチング電源が必ず平滑インダクタ1131と平滑
コンデンサばから成る平滑フィルタ(7Ht−有スるJ
が、制御系設計の際の重要な制約条件となっている。以
下従来の制御系の設計法、方式について述べる。
A switching power supply must be equipped with a smoothing filter (7Ht) consisting of a smoothing inductor 1131 and a smoothing capacitor.
is an important constraint when designing control systems. The conventional control system design method and system will be described below.

第2図において、系の一巡伝達一数1′向は・・・・・
・・・・・・・・・・+11と表わされる。ここでLは
平滑インダクタa3)のインダクタンス、Cは平滑コン
デンサI]41の容量である。−万、出力インピーダン
スZ (SJは、第3区において出力電圧(8)の変動
分と負荷電流(151の変動分の比と定義され と表わされる。ここでZc は平滑コンデンサ(141
のインピーダンス、Zlj:平滑インダクタ(131の
インピーダンス、几りは出力電圧18]に接続される抵
抗負荷(161の抵抗値である。また、記号//はイン
ヒ。
In Figure 2, the round-trip transmission of the system in the 1' direction is...
It is expressed as ・・・・・・・・・+11. Here, L is the inductance of the smoothing inductor a3), and C is the capacitance of the smoothing capacitor I]41. - 10,000, output impedance Z (SJ is defined as the ratio of the variation of the output voltage (8) and the variation of the load current (151) in the third section. Here, Zc is the smoothing capacitor (141
impedance, Zlj: the resistance value of the resistive load (161) connected to the smoothing inductor (the impedance of 131, the output voltage is 18).

−ダンスの並列接続を表わす。- Represents a parallel connection of dances.

出力インピーダンスは負何′成流(151が変化した時
に出力電圧(8ポ庄じる変動を示す指標であシ、低くか
つ周波数に依存性が少ない特性が好ましい。
The output impedance is an index that shows the fluctuation of the output voltage (8 points) when the negative current (151) changes, and characteristics that are low and have little dependence on frequency are preferable.

それゆえ電源の設計に於ては、−巡伝達画数T (S)
を十分大きくして、出力インピーダンスを低減せねばな
らない。
Therefore, in the design of the power supply, -cyclic transfer stroke number T (S)
must be made sufficiently large to reduce the output impedance.

ところで1以上の議論が成立する前提として。By the way, as a premise that one or more arguments can be established.

この帰還制御系は不安定なものであって1.よならず、
自動制御理論で纒びかれている女定榮件を調定していな
ければならない。
This feedback control system is unstable; 1. Don't cry,
The women's beauty, which is covered by the automatic control theory, must be adjusted.

安定条件には数学的に等価ないくつかの方法か知られて
いるが、ここでは説明の便宜上、謂ゆるボーデの判足法
に従って説明する。ボーデの方法によれば、制御系の一
巡伝達一数T (S)の絶対値力S1となる時1位相が
1800 を越えていない事が安定の蜂件である。−巡
伝達1数T (SJ  の絶対値か1となる周波数全ク
ロスオーツく一周波数と称し、制御系の帯、域中(の上
限λと一致する。またクロスオーバー周波数における位
相と1800と曙は位相余裕といい、安定度の目安とな
る指標の1つである。
Several methods are known that are mathematically equivalent to the stability condition, but for convenience of explanation, we will explain it here according to the so-called Bode's method. According to Bode's method, it is a condition of stability that one phase does not exceed 1800 when the absolute value force S1 of the one-cycle transmission number T (S) of the control system becomes S1. - The frequency at which the absolute value of SJ is 1 is called the 1st frequency, which coincides with the upper limit λ of the band of the control system. Also, the phase at the crossover frequency and 1800 is called the phase margin, and is one of the indicators of stability.

前述の(1)式によれば、スイッチング電源の制御系の
一巡伝達w!J数T (S)には必ずLCフィルタによ
る2次遅れ要素が含まれておシ、LCフィルタの共振周
波数以上の周波数ではT (S)の位相遅れは原理的に
180°とな汎 列え要素[01の帯域が十分広((T
Iか小さいンでも位相余裕がきわめて少なく7i−り実
用に適さない。
According to the above-mentioned equation (1), the loop transmission of the control system of the switching power supply w! The J number T (S) always includes a second-order delay element due to the LC filter, and at frequencies above the resonance frequency of the LC filter, the phase delay of T (S) is in principle 180°. The band of element [01 is sufficiently wide ((T
Even if I is small, the phase margin is extremely small and 7i is not suitable for practical use.

そこで、従来より行なわれていた方法は、遅れ進み補償
による方法で、第3図の系の前向き要素として遅れ進み
要素全挿入していた。第4図に遅れ進み要素の構成例を
示す。第4図において117+ 。
Therefore, the conventional method has been to use lag/lead compensation, in which all lag/lead elements are inserted as forward elements in the system shown in FIG. FIG. 4 shows an example of the configuration of the delay/advance element. 117+ in FIG.

(I&は抵抗# fi91. f20+はコンデンサで
ある。第5図には第4図に示す遅れ進み要素の周波数特
性を示す。
(I& is a resistor #fi91. f20+ is a capacitor. FIG. 5 shows the frequency characteristics of the lag/lead element shown in FIG. 4.

第5図(a)/I′i両対数目盛で表わし7’(オ・り
得特注図、第5図(b)は周波数のみ片対数目盛で表わ
した位相特性図である。なお以故、利・燭1位相につい
ては全てこの目盛で示すことにする。第5図の泣相進み
部分、つまジオ5図(b)で位相がO勤1ら一90°へ
向う周波数域がLC平滑フィルタ(7)の共振周波数f
xに一致する様に第4区の遅れ進みg素を設計して系内
rC挿入すると、−巡伝達函数T (S)は第6図(a
)(b)の利得1位相特性となる。比較のため第6図t
ct(dJには遅れ進み要素かない場合の’rH(s)
の利得1位相特性を示す。図中fxはLCの共振周波数
、  fcはクロスオーバー周波数を示す。第6図から
明らかな様に遅れ進み要素の効果によ)fxからfcで
の位相が180°よル進められ0位相余裕が生じて安定
な系となった事が判る。この時の出力インピーダンスは
前述のオ(2)式よジオ7図の形状になる。
Fig. 5(a)/I'i is a custom-made diagram expressed on a logarithmic scale. Fig. 5(b) is a phase characteristic diagram in which only the frequency is expressed on a semi-logarithmic scale. We will use this scale to indicate all of the 1 phase.The frequency range where the phase advances from 0 to 1 in Figure 5 (b) is the LC smoothing filter. (7) Resonant frequency f
If we design the lagging lead g element in the fourth section so that it matches x and insert rC in the system, the -cyclic transfer function T (S) is expressed as shown in Fig. 6 (a
)(b) Gain 1 phase characteristic. For comparison, see Figure 6.
ct('rH(s) when dJ has no lag/lead element
shows the gain 1 phase characteristics of . In the figure, fx indicates the resonance frequency of the LC, and fc indicates the crossover frequency. As is clear from FIG. 6, due to the effect of the delay/lead element, the phase from fx to fc is advanced by 180 degrees, resulting in a 0 phase margin and a stable system. At this time, the output impedance has the shape shown in Figure 7 based on the above-mentioned equation (2).

ところで、スイッチング電源の制御系のクロスオーバー
周波数fc  はいくらでも高くできるわけではない。
By the way, the crossover frequency fc of the control system of the switching power supply cannot be made as high as desired.

クロスオーバー周仮数かスイッチング周波数に近づくと
、出力電圧に生じているスイッチング周波数成分の9”
ツプル電圧が制御系内に取込また1発振や乱調を生じ易
くなる。!論および経験によると、クロスオーバー周波
数は一般にスイッチング周波数の数十分の一程度が実際
上の上限であ勺、最も良好なもので1710〜1/20
程度に迄しか高くできない。また、一般的に平滑フィル
タの共振周波数fx はクロスオーバー周波数fcの数
分の1程度の@が多い。これVifx、f小さくするK
は大きい平滑インダクタ(1:(+、平滑コンデンサば
か必要になって寸法1M景9価格が増すためであシ、逆
VCfx を大きくしようとすると、平滑コンデンサ圓
を小さくしfc場合−は出力電圧(8)の9ツプルが増
え、また平滑インダクタ(I3)を小で(した場合には
スイッチング素子の電流が増える定めである。
When the crossover frequency mantissa approaches the switching frequency, the switching frequency component occurring in the output voltage
The tuple voltage is likely to cause single oscillation or disturbance in the control system. ! According to theory and experience, the practical upper limit of the crossover frequency is generally about a few tenths of the switching frequency, and the best one is 1710 to 1/20.
It can only be raised to a certain extent. Further, in general, the resonance frequency fx of the smoothing filter is often about a fraction of the crossover frequency fc. This Vifx, f decrease K
This is because a large smoothing inductor (1: (+) becomes necessary, which increases the size of 1M x 9 price.If you try to increase the inverse VCfx, you need to make the smoothing capacitor circle smaller, and if fc -, then the output voltage ( 8) will increase, and if the smoothing inductor (I3) is made smaller, the current of the switching element will increase.

従って共振周波数]Xでの一巡伝達内数T (SJの値
は共振によるピークを除いて数倍程度になる様に遅れ進
み要素を設計せねばならな因。このときT (SJのf
x  より低周技飼における特性は、遅れ仏み要素の零
点(零点tI′i2つあるが、その高い周波数の方)!
で2Q d B/decadeの7頃きで 周波数とと
もに減少し、そこから遅れ進み要素のもう1つの零点ま
での間で利得は極小値をとる。
Therefore, the lagging/lead elements must be designed so that the value of the round transfer internal number T (SJ) at [resonance frequency]X is several times higher than the peak due to resonance.
The characteristic of lower frequency than x is the zero point of the delay element (there are two zero points tI'i, but the higher frequency one)!
At around 7 of 2Q d B/decade, the gain decreases with frequency, and from there to another zero point of the lag/lead element, the gain takes a minimum value.

従ってT (S)の直流利得を高くして出力インピーダ
ンスを低減しようとする場合には、遅′i″L運み要素
の零点1=jにおけるT (87の値を数倍程Kにする
ために遅れ進み要素の極(極は2つあるが、その低い周
波数の万)を低くする必要があって、出力電圧の応答が
遅くなる。
Therefore, when trying to reduce the output impedance by increasing the DC gain of T (S), in order to increase the value of T (87 to several times K) at the zero point 1 = j of the slow Therefore, it is necessary to lower the poles of the lagging element (there are two poles, but the one with the lowest frequency), which slows down the response of the output voltage.

また、a上は制御系の各要素が不変の場合を述べたが2
例えば入力電圧(9)の値Vinが変動する株な場合に
は、  1’(8)の利得が変るので、最大のVinK
対して上述の設計を行わねばならないので、入力電圧V
inが低下しfc場合には全体の一巡伝達極数T (S
Jの利得が低下する。この場合最も問題にな′るのが、
出力インピーダンス特注であって1元々遅れ進み要素の
利得が極小となっている周波数域でT (SJの利得は
更に低下して1に近づき、場合によっては1より小さく
なるために、出力インピーダンスを表わすオ(2)式に
幹てその分母(1+T(SJ〕の絶対値に複雑に変化す
)16極小値が生じ、出力インピーダンスにヒーク状の
極大1Kが圧しる。
In addition, above a describes the case where each element of the control system remains unchanged, but 2
For example, in the case of a stock where the value Vin of input voltage (9) fluctuates, the gain of 1' (8) changes, so the maximum VinK
Since the above design must be performed for the input voltage V
When in decreases and fc, the total number of circular transmission poles T (S
The gain of J decreases. The biggest problem in this case is
The output impedance is custom-made and is 1 in the frequency range where the gain of the lagging element is minimal. In Equation (2), 16 minimum values occur in the denominator of the stem and the denominator (which changes in a complicated manner to the absolute value of 1+T (SJ)), and a peak-like maximum value of 1K presses on the output impedance.

”@′fc極周歿数が下ることから応答速度も遅くなる
``@'fc As the polar circumference number decreases, the response speed also decreases.

この様な一巡伝達画数T (S)と出力インビーダンス
Z (S)の特性をそれぞれ第8図(aJ、 (b)K
示す。
The characteristics of the number of transfer strokes T (S) and the output impedance Z (S) are shown in Fig. 8 (aJ, (b) K), respectively.
show.

以上述べた様に従来性なわれてきた遅れ進み要素を用い
る制御系の補償では出力インピーダンスの低減および′
応答速度の向上には限度があシ、一般に応答は遅く、出
力インピーダンスが動作条件によって変動し、特に極大
値を住じやすい等の欠点があった。
As mentioned above, compensation for control systems using lagging/lead elements, which has been conventionally practiced, reduces the output impedance and
There is a limit to the improvement in response speed, the response is generally slow, and the output impedance fluctuates depending on the operating conditions, with the drawbacks that it is particularly likely to reach a maximum value.

なおりロスオーバー周波数fc  よシ高い周波数にお
ける出力インピーダンスははFJ平清コンデンt口滲の
インピーダンスZc  と一致し、制御系の構成とは直
接関係しない。
Furthermore, the output impedance at a higher frequency than the lossover frequency fc matches the impedance Zc of the FJ Heisei condenser and is not directly related to the configuration of the control system.

この発明によるスイッチング電源装置は、前述の性能限
界および欠点を除去したもので、その目的は遅れ進み要
素補償を用いる事なくループゲインの安定条件を満足せ
しめ、出力インピーダンスを低減し、更に入力電圧変動
の影響を抑圧して出力インピーダンスの極大値の除去、
応答速度の向上を達成するものである。
The switching power supply according to the present invention eliminates the above-mentioned performance limitations and drawbacks, and its purpose is to satisfy the stability condition of the loop gain without using lagging element compensation, reduce the output impedance, and further reduce the input voltage fluctuation. Eliminate the maximum value of output impedance by suppressing the influence of
This achieves an improvement in response speed.

以下、この発明を図面によル詳述する。Hereinafter, this invention will be explained in detail with reference to the drawings.

第9図はこの発明の一実施例を示すものである第9図に
おいて山〜i61.181〜+91.031〜(141
は第1図と同じ、1211は電流検出回路である。第9
図に示すスイッチング電源の各要素の周波数特性は第1
0図となる。第10図において+81. (101〜(
16jは第2図および第3図と同じ、のけ電流検出回路
(20)の特性。
FIG. 9 shows an embodiment of the present invention. In FIG.
is the same as in FIG. 1, and 1211 is a current detection circuit. 9th
The frequency characteristics of each element of the switching power supply shown in the figure are
It becomes figure 0. +81 in Figure 10. (101~(
16j is the same characteristic of the stray current detection circuit (20) as in FIGS. 2 and 3.

トは平滑インダクタ(131の電流、テは電流帰還路で
ある。
G is the current of the smoothing inductor (131), and T is the current return path.

この方式においては、第2図に示した従来の方式の様例
出力電圧f81の帰還回路全構成すると同時に、平滑イ
ンダクタ(131の電流トを電流検出回路21)で検出
し、電流帰還路チを介してオン、オフ信号へに帰還する
局所的な帰還ループ(マイナー、ループを構成して、L
Cフィルタにて生じている180゜の位相遅れを?il
j慣し、制御系の広帯域、高オリ得化を達成し、低くか
つ極大値の庄じない出力インピーダンス特性と速い応答
速度を得ようというものである。
In this method, the entire feedback circuit for the output voltage f81 of the conventional method shown in FIG. A local feedback loop (minor) that feeds back to the on and off signals through the L
What is the 180° phase delay occurring in the C filter? il
The objective is to achieve a wide band and high efficiency control system, and to obtain a low and constant output impedance characteristic with a maximum value and a fast response speed.

この原理を説明するために、第10図からLCフィルタ
部分のみを抜出し7’(第11図において、スイッチ出
力電圧二からインダクタ電流トへの伝達−数G1(,9
λと、 インダクタ電流トから出力電圧(8)への伝達
−数G2 (S)を求めると、それぞれ次の様になる。
In order to explain this principle, we will extract only the LC filter part from FIG.
λ and the transfer number G2 (S) from the inductor current to the output voltage (8) are determined as follows.

、1iIL G2(SJ = RL X□   ・・・・・・・・・
・・・・・・・・・(4)1 +5CRL G1(S) + 02 (S)の周波数特性を第12図
、第13図に示す。
, 1iIL G2 (SJ = RL
(4) The frequency characteristics of 1+5CRL G1(S)+02(S) are shown in FIGS. 12 and 13.

第10図の電流帰還路テで形成きれるマイナー、ループ
の一巡伝達画数TM(S)は TM(SJ  ==  K 3 X  K2  X  
(N、  Vin ) XG 1(S)と表わされ、第
12図のGl (S)の形状からこのマイナー、ループ
は90°の位相余裕を待って安定である。また、マイナ
ー、ループ全体の閉ループ伝達両数GM [S)は となる。GM(S)の周波数特性を第14図(a)に示
す。
The number of minor loop transfer strokes TM(S) that can be formed by the current feedback path in Fig. 10 is TM(SJ == K 3 X K2 X
It is expressed as (N, Vin) Moreover, the closed-loop transfer number GM [S) of the entire minor loop becomes. The frequency characteristics of GM(S) are shown in FIG. 14(a).

マイナー、ループの効果によl) 、  Gz (SJ
 がクロスオーバー周波数fcの上まで平担な特性とな
九位相遅れは0となる。この平担部の利得Gyは前述の
オ(5)式でTM (S) >>  1と近以する事に
よシである。従ってに3は1丁度クロスオーツ(−周波
数でループ全体のループゲインがクロスオーツ(−する
値に設置rせねばならない。もしその時TM(S) >
>1が達成できない場合には、マイナー、ループの前向
き要素(たとえばに2)の利得を高くする必要がある。
Minor, due to the loop effect l), Gz (SJ
has a flat characteristic up to the crossover frequency fc, and the nine phase delay becomes 0. The gain Gy of this flat part is approximately equal to TM (S) >> 1 in the above-mentioned equation (5). Therefore, 3 must be set to a value such that the loop gain of the entire loop at the frequency is exactly crossed. If TM(S) >
If >1 cannot be achieved, the gain of the forward element of the minor loop (eg, 2) needs to be increased.

なおいずれにしても、帰還路トには直流分を阻止するフ
ィルタを含めた方が、出力電圧(8)の直流安定度が優
れている。このようにした時のGy(S)の形状を第1
4区(b) K示す。fpは直流阻止フィルタの遮喝T
周波数である。
In any case, the DC stability of the output voltage (8) is better if the feedback path includes a filter that blocks the DC component. The shape of Gy(S) when done in this way is the first
Section 4 (b) Show K. fp is the shielding T of the DC blocking filter
It is the frequency.

この場合、ループ全体の一巡伝達画数T (S)はと表
わされる。1(s)の周波数特性を第15図に示す。第
15図12)はれ得、(b)は位相金示す。この系は十
分な位相余裕を有しておシ安定である。つまシ9元来第
1図においてLC平滑フィルタ(7)は。
In this case, the number of transfer strokes T (S) for the entire loop is expressed as follows. FIG. 15 shows the frequency characteristics of 1(s). Figure 15 (12) can be peeled off, (b) shows phase gold. This system has sufficient phase margin and is stable. The LC smoothing filter (7) in FIG.

各々か一次遅れであるGl (S)とG2 (S)の積
であシ。
It is the product of Gl (S) and G2 (S), each of which is a first-order lag.

合計すれば位相遅れが180°ある二次遅れ要素となっ
て、そのまま帰還しては不安定になっていたが、この発
明で実施した如く、マイナー。ループを設ける事によっ
てGl(S)全クロスオーバ周波数fc 以上まで平担
な特性であるGM(S)に変形して位相遅れ全Oにする
事によシ、全系の位相遅れが02 (SJによるq o
 Oのみとなって安定な系となる。
In total, it becomes a second-order delay element with a phase delay of 180 degrees, and if it returns as it is, it becomes unstable, but as implemented in this invention, it is minor. By providing a loop, Gl(S) transforms into GM(S), which has flat characteristics up to the total crossover frequency fc, and by making the phase delay total O, the phase delay of the entire system becomes 02 (SJ by qo
The system becomes stable with only O present.

第15図(CJ(dJには比較のため、従来の遅れ進み
補償と用いた場合のT (S)の利得1位相特性を示す
か、この発明の方式の方が高利得であり、応答も速い。
Figure 15 (CJ (dJ) shows the gain 1 phase characteristic of T (S) when using the conventional lag/lead compensation for comparison.The system of this invention has higher gain and response. fast.

次に第10図において出方インピーダンスZ’ fSJ
を求めると1次式となる。
Next, in Fig. 10, the output impedance Z' fSJ
The result is a linear expression.

波数fF  以下の周波数フ い             (15)数fF以上の周
波数ツマイナー、ループのフィルタの連断周波数以下で
は、マイナー、ループなしの場合と同じとなる。、t1
6図(a)に出力インピーダンスz(3)の周M欽特性
を示す。比較のため第16図(b)に従来の瀝れ進み前
慣を用いた場合の出力インピーダンス特注を示すが、こ
の発明の万が低インピーダンスを達成できる。
Frequency below the wave number fF (15) Frequency tuning above the wave number fF Below the continuous frequency of the filter of the minor and loop, it is the same as the case without the minor and the loop. , t1
Figure 6(a) shows the circumferential M-kin characteristic of the output impedance z(3). For comparison, FIG. 16(b) shows a custom-made output impedance in the case of using the conventional pre-decreasing method, but the present invention can even achieve a low impedance.

更に、この発明においては、マイナー、ループの中に入
力電圧vinの がゴまれている事から。
Furthermore, in this invention, the input voltage vin is included in the minor loop.

Vinの変動の影響はマイナー、ループの効果によって
、マイナールーズの閉ループ伝4腫数G M (SJに
現われない。それ放入カ゛電圧Virn K依存して変
動する挙のない安犀したクロスオーバー付性が得られ、
帯域を最大限に拡大する事ができる。また出力インピー
ダンスも安定でるシ、従来の様なピーク付性全圧しない
The effect of fluctuations in Vin is minor, and due to the loop effect, a minor loose closed-loop current (GM) does not appear in SJ. You can get sex,
Bandwidth can be expanded to the maximum. In addition, the output impedance is stable, and there is no peaking of the total pressure like in the past.

この発明は以上の様にスイッチング電源の開所系の帯4
.を拡大し、利得を高め、また久方変動の影響を抑圧す
る事によって、スイッチング′屯諏の応答を速めるとと
も例、全周波数にわたって低いaカインピーダンスを達
成できるので、スイッチング電源の性能向上と用途の拡
大に効果がある。
As described above, this invention provides band 4 of the open system of a switching power supply.
.. By increasing the gain and suppressing the effects of long-term fluctuations, it is possible to speed up the response of the switching circuit and achieve low a-impedance over all frequencies, improving the performance of switching power supplies. Effective in expanding usage.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の一般的なスイッチング電源装置のブロッ
ク図、第2図は各要素の周波数特性を示すブロック図、
第3図は出力インピーダンスの周波数特性を専びくため
のブロック図、第4図は遅れ進み要素を示す回路図、牙
5図は遅れ進み要素の周波数特性を示す概略図、16区
〜28図は従来の方式の周波数特性とその効果を示す概
略図。 第9図はこの発明のスイッチング′電源装置のブロック
図、第10図は各要素の周波数行性を示すブロック図、
第11図はLCフィルタを説明する回路図、第12図〜
第13FiLCフイルタの周波数特性を示す概略図、第
14図〜第16図はこの発明の詳細な説明するための概
略図である。 図中(11は電圧検出回路、(2)は基準′電圧、(3
jは加算器、(4)は誤差電圧増巾器、(5)はパルス
巾変調回路、(6)はスイッチ、(7)は平滑フィルタ
、(8jは出力電圧、(9)は入力電圧、側は誤差電圧
増巾器(4)の周波数特性、(1υはパルス巾変調回路
(5;の周fi数特性、 1121はスイッチ(6)の
周波数特性、uJは平滑インダクタ、 U4+は平滑コ
ンデンサ、 1151は貝荷逼流、u6)は抵抗貫何、
  1171ulllは抵抗、U(支)(4)はコンデ
ンサ、 1211は゛岨流検出回路、4は′屯#L演出
回路四の周波数付性である。 なお9図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して
示しである。 代理人  葛 野 信 − 第11図 第12図 第13図 。7.   第1手図 牙すイ尋 第15図
Fig. 1 is a block diagram of a conventional general switching power supply device, Fig. 2 is a block diagram showing the frequency characteristics of each element,
Figure 3 is a block diagram that focuses on the frequency characteristics of the output impedance, Figure 4 is a circuit diagram showing a lagging element, Figure 5 is a schematic diagram showing the frequency characteristics of a lagging element, and Figures 16 to 28 are A schematic diagram showing the frequency characteristics of a conventional method and its effects. FIG. 9 is a block diagram of the switching power supply device of the present invention, FIG. 10 is a block diagram showing the frequency behavior of each element,
Figure 11 is a circuit diagram explaining the LC filter, Figure 12~
A schematic diagram showing the frequency characteristics of the 13th FiLC filter, and FIGS. 14 to 16 are schematic diagrams for explaining the present invention in detail. In the figure (11 is the voltage detection circuit, (2) is the reference voltage, (3
j is an adder, (4) is an error voltage amplifier, (5) is a pulse width modulation circuit, (6) is a switch, (7) is a smoothing filter, (8j is an output voltage, (9) is an input voltage, The side is the frequency characteristic of the error voltage amplifier (4), (1υ is the frequency characteristic of the pulse width modulation circuit (5), 1121 is the frequency characteristic of the switch (6), uJ is the smoothing inductor, U4+ is the smoothing capacitor, 1151 is Kaiga Toryu, u6) is Resistance Kanka,
1171ull is a resistor, U (support) (4) is a capacitor, 1211 is a surge detection circuit, and 4 is the frequency characteristic of the #L production circuit 4. Note that the same or corresponding parts in FIG. 9 are designated by the same reference numerals. Agent Shin Kuzuno - Figure 11, Figure 12, Figure 13. 7. Figure 15

Claims (1)

【特許請求の範囲】 入力電圧をオン、オフするスイッチと、前記スイッチに
よジオン、オフされた信号をLcフィルタで平滑して出
力電圧を得るスイッチング電源回路と、前記スイッチン
グ電源回路のLCフィルタ中のインダクタの電流を検出
する電流検出回路と。 前記スイッチング電源回路と、前記スイッチング電源口
゛路の出力電圧を検出する電圧検出回路と。 前記電流検出回路および電圧検出回路の出力を受け、前
記スイッチのオン、オフ時間を制御するパルス巾変調回
路とを備え、上記パルス巾変調回路の出力によル前記ス
イッチング屯源囲路のスイッチを特徴とするスイッチン
グ電源装置。
[Scope of Claims] A switch that turns on and off an input voltage, a switching power supply circuit that obtains an output voltage by smoothing the signal turned on and off by the switch with an LC filter, and an LC filter of the switching power supply circuit. and a current detection circuit that detects the current in the inductor. the switching power supply circuit; and a voltage detection circuit that detects the output voltage of the switching power supply port circuit. a pulse width modulation circuit that receives the outputs of the current detection circuit and the voltage detection circuit and controls the on/off time of the switch; Switching power supply with special features.
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US6963190B2 (en) 2003-05-14 2005-11-08 Taiyo Yuden Co., Ltd. Power supply apparatus
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