WO2023153292A1 - 昇圧コンバータ - Google Patents

昇圧コンバータ Download PDF

Info

Publication number
WO2023153292A1
WO2023153292A1 PCT/JP2023/003277 JP2023003277W WO2023153292A1 WO 2023153292 A1 WO2023153292 A1 WO 2023153292A1 JP 2023003277 W JP2023003277 W JP 2023003277W WO 2023153292 A1 WO2023153292 A1 WO 2023153292A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
output capacitor
boost converter
switching transistor
output
shunt resistor
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/003277
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
飛馬 今村
Original Assignee
ローム株式会社
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ローム株式会社 filed Critical ローム株式会社
Publication of WO2023153292A1 publication Critical patent/WO2023153292A1/ja

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H02M3/145Conversion 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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion 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 using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Definitions

  • a DC/DC converter is used in various electronic devices, vehicles, and industrial machines to convert a DC voltage of a certain voltage value into a DC voltage of another voltage value.
  • EMC Electro-Magnetic Compatibility
  • EMI Electro Magnetic Interference
  • EMS Electro Magnetic Susceptibility
  • the switching frequency of the DC/DC converter is several hundred kHz to several MHz, but since the switching voltage is close to a square wave, harmonic noise with a frequency higher than the switching frequency is generated. Therefore, it is difficult to meet the standards required for on-vehicle parts (for example, CISPR25 established by CISPR (International Special Committee on Radio Interference)) with the conventional board design method.
  • An aspect of the present disclosure has been made in view of such problems, and one exemplary purpose of the aspect is to provide a boost converter with reduced noise.
  • a boost converter includes an input line that receives an input voltage, an output line that is connected to a load, an inductor that has one end connected to the input line, and an inductor connected in series between the other end of the inductor and a ground line.
  • a switching transistor and a shunt resistor connected to the output line; a rectifying element connected between the other end of the inductor and the output line; a converter controller that controls the switching transistor according to a voltage drop of at least the shunt resistor; and the other end of which is connected to a connection node of the switching transistor and the shunt resistor.
  • noise can be reduced.
  • FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a boost converter according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a boost converter according to a comparative technique.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating advantages of the boost converter according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram explaining a second output capacitor according to a comparative technique.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the output capacitor group of the boost converter according to the embodiment.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the main circuit portion of the boost converter according to the comparative technique.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a printed circuit board layout of the boost converter of FIG.
  • FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the main circuit portion of the boost converter according to the embodiment.
  • 9 is a diagram showing an example of a layout of a printed circuit board of the boost converter of FIG. 7.
  • FIG. 10 is a circuit diagram of a light-emitting device provided with a boost converter according to the embodiment.
  • a boost converter includes an input line for receiving an input voltage, an output line connected to a load, an inductor having one end connected to the input line, and connected in series between the other end of the inductor and a ground line. a rectifying element connected between the other end of the inductor and the output line; a converter controller that controls the switching transistor according to at least a voltage drop across the shunt resistor; one end of which is connected to the output line; and a first output capacitor having the other end connected to a connection node of the switching transistor and the shunt resistor.
  • an AC current loop is formed by the switching transistor, rectifying element, output capacitor, and ground line. Performance with respect to electromagnetic noise such as EMC tends to be worse the more components the AC current loop has, in other words, the larger the area of the AC current loop. According to the above configuration, by bypassing the shunt resistor with the first output capacitor, the components of the AC current loop can be reduced, or the area of the AC current loop can be reduced, thereby improving the electromagnetic noise characteristics.
  • the boost converter may further include a second output capacitor having one end connected to the output line and the other end connected to the ground line.
  • the capacitance of the first output capacitor may be smaller than the capacitance of the second output capacitor.
  • the capacitance of the first output capacitor may be less than 1/10 of the capacitance of the second output capacitor.
  • the switching frequency of the switching transistor may be between 100 kHz and 2 MHz, and the capacitance of the first output capacitor may be between 100 pF and 0.1 ⁇ F.
  • the switching transistor, the shunt resistor, the rectifying element, the first output capacitor, and the second output capacitor are mounted on a printed circuit board, and consist of the switching transistor, the rectifying element, and the first output capacitor on the printed circuit board.
  • the area of the closed loop may be smaller than that of the closed loop consisting of the switching transistor, the rectifying element, the shunt resistor and the second output capacitor.
  • the rectifying element may be a diode.
  • the rectifying element may be a synchronous rectifying transistor.
  • the load may include multiple light emitting elements connected in series.
  • a state in which member A is connected to member B refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, and that member A and member B are electrically connected to each other. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.
  • FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a boost converter 100 according to an embodiment.
  • the boost converter 100 boosts the input voltage VIN and supplies the boosted output voltage VOUT to the load circuit 2 .
  • a DC input voltage V IN is supplied to the input line 102 from a power supply (not shown).
  • a load circuit 2 is connected to the output line 104 .
  • inductor L1 One end of inductor L1 is connected to input line 102 .
  • Switching transistor M1 and shunt resistor Rs are connected in series between the other end of inductor L1 and ground line 106 .
  • the anode of the rectifier diode D1 is connected to the connection node between the inductor L1 and the switching transistor M1, and the cathode of the rectifier diode D1 is connected to the output line 104.
  • the output capacitor group Co includes a first output capacitor Co1 and a second output capacitor Co2.
  • the first output capacitor Co1 is connected between the connection node of the switching transistor M1 and the shunt resistor Rs and the output line 104.
  • a second output capacitor Co2 is connected between the output line 104 and the ground line 106 .
  • a feedback signal V FB indicating the electrical state of the load circuit 2 is input to the converter controller 200 .
  • Converter controller 200 feedback-controls the duty cycle of switching transistor M1 so that feedback signal VFB approaches a target value.
  • converter controller 200 may be a peak current mode controller.
  • converter controller 200 amplifies the error between feedback signal V FB and its target value V REF to generate a peak current command value that defines the peak of the coil current.
  • the duty cycle of the switching transistor M1 may be feedback-controlled so that the peak of the current detection signal Vs approaches the peak current command value.
  • converter controller 200 may be an average current mode controller.
  • converter controller 200 may amplify the error between feedback signal V FB and its target value V REF to generate an average current command value that defines the average value of the coil current. Then, the duty cycle of the switching transistor M1 may be feedback-controlled so that the average value of the current detection signal Vs approaches the average current command value.
  • converter controller 200 may be a voltage mode controller.
  • converter controller 200 amplifies the error between feedback signal V FB and its target value V REF to generate an average current command value that defines the average value of the coil current, and the average value of current detection signal Vs is
  • the duty cycle of the switching transistor M1 may be feedback-controlled so as to approach the average current command value.
  • the current detection signal Vs is used not for feedback control but for overcurrent protection or the like.
  • the configuration of the boost converter 100 is as described above.
  • the advantage of the boost converter 100 of FIG. 1 becomes clear by comparison with a comparative technique. Therefore, the boost converter 100 according to the comparative technique will be described.
  • FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a boost converter 100R according to a comparative technique.
  • a boost converter 100R according to a comparative technique is similar to the boost converter 100 of FIG. 1 except that the first output capacitor Co1 is omitted.
  • An AC current loop 110 is formed by the switching transistor M1, the rectifying diode D1, the second output capacitor Co2 and the shunt resistor Rs.
  • boost converter 100 ⁇ /b>R performs a switching operation, AC current I AC flows through AC current loop 110 .
  • the alternating current IAC includes not only the switching frequency of the boost converter 100R, but also its harmonic components.
  • AC current loop 110 acts as a kind of antenna and radiates electromagnetic noise induced by alternating current IAC .
  • the intensity and amount of electromagnetic noise radiated from the antenna tend to increase as the number of components of the AC current loop increases, in other words, as the area of the AC current loop increases.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating advantages of the boost converter 100 according to the embodiment.
  • the first AC current loop 110 is formed by the switching transistor M1, the rectifying diode D1, the second output capacitor Co2 and the shunt resistor Rs, as in the comparative technique.
  • a second AC current loop 112 is formed by the switching transistor M1, the rectifying diode D1, and the first output capacitor Co1.
  • the first AC current loop 110 includes a sense resistor Rs while the second AC current loop 112 does not include a sense resistor Rs, the first AC current loop 110 carries a relatively low frequency current component and the second AC current loop A current component with a relatively high frequency flows through 112 .
  • Relatively low frequencies include the switching frequency of boost converter 100, so the current component at the switching frequency flows through shunt resistor Rs. Current sensing by the shunt resistor Rs is therefore unaffected by the second AC current loop 112 .
  • high-frequency current which causes problems such as EMI, flows through the second AC current loop 112 .
  • a second AC current loop 112 is formed inside the first AC current loop 110 and bypasses the shunt resistor Rs and the ground line 106 by the first output capacitor Co1. Accordingly, the second AC current loop 112 has fewer components than the first AC current loop 110 . In other words, the area of the second AC current loop 112 can be smaller than the area of the first AC current loop 110 . That is, when second AC current loop 112 and first AC current loop 110 are viewed as radiation antennas that radiate high-frequency noise, the performance of the antenna of second AC current loop 112 is lower than the performance of the antenna of first AC current loop 110. ing. Therefore, in the configurations of FIGS. 1 and 3, in which high-frequency current flows through the second AC current loop 112, electromagnetic noise can be reduced compared to the comparative technology, in which high-frequency current flows through the first AC current loop 110.
  • FIG. 1 and 3 in which high-frequency current flows through the second AC current loop
  • FIG. 4 is a diagram explaining the second output capacitor Co2 according to the comparative technique.
  • the second output capacitor Co2 includes a plurality of n capacitors C1 to Cn connected in parallel.
  • the n capacitors C1 to Cn may have different capacitance values.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the output capacitor group of the boost converter 100 according to the embodiment.
  • the output capacitor group Co includes the same number of n capacitors C1 to Cn as in the comparison technique, and among the n capacitors, k (k ⁇ n) are assigned to the first output capacitor Co1, and nk is assigned to the second output capacitor Co2.
  • the capacitance of the capacitors C1 and C2 assigned as the first output capacitor Co1 may be smaller than 1/10 of the capacitance of the capacitors C3 to Cn assigned as the second output capacitor Co2.
  • the switching frequency of the switching transistor M1 is 100 kHz to 2 MHz.
  • the capacitances of the capacitors C1 and C2 forming the first output capacitor Co1 are preferably 100 pF to 0.1 ⁇ F.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the main circuit portion of the boost converter 100R according to the comparative technique.
  • Boost converter 100R includes a series circuit of snubber resistor Rsnb1 and snubber capacitor Csnb1 connected in parallel with the series circuit of switching transistor M1 and shunt resistor Rs.
  • Boost converter 100R also includes a series circuit of snubber resistor Rsnb2 and snubber capacitor Csnb2 connected in parallel with rectifier diode D1.
  • the output capacitor Co2 includes five capacitors C1-C5.
  • a wiring 107 connects the drain of the transistor M1 and the inductor L1.
  • a wiring 108 connects the source of the transistor M1 and the shunt resistor Rs.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a printed circuit board layout of the boost converter 100R of FIG. In this layout, an AC current loop 110 is formed including wire 107, switching transistor M1, rectifier diode D1, output line 104, second output capacitor Co2, ground line 106, shunt resistor Rs, and wire 108.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a printed circuit board layout of the boost converter 100R of FIG. In this layout, an AC current loop 110 is formed including wire 107, switching transistor M1, rectifier diode D1, output line 104, second output capacitor Co2, ground line 106, shunt resistor Rs, and wire 108.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a printed circuit board layout of the boost converter 100R of FIG. In this layout, an AC current loop 110 is formed including wire 107, switching transistor M1, rectifier diode D1, output line 104, second output capacitor Co2, ground line 106, shunt resistor Rs, and wire 108.
  • FIG. 7 is a diagram showing
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a printed circuit board layout of boost converter 100 of FIG.
  • an AC current loop 112 is formed including wire 107, switching transistor M1, rectifier diode D1, output line 104, first output capacitor Co1, and wire .
  • the length and area of this AC current loop 112 are smaller than the length and area of the AC current loop 110 of FIG. Therefore, according to the boost converter 100 according to the embodiment, electromagnetic noise can be suppressed more than the boost converter 100R according to the comparative technique.
  • the inductance of the AC current loop 110 was simulated and found to be 2.778 nH at 100 MHz.
  • simulating the inductance of the second AC current loop 112 in the layout of FIG. 9 it is 1.998 nH at 100 MHz. was done.
  • FIG. 10 is a circuit diagram of a light emitting device 300 including the boost converter 100 according to the embodiment.
  • the load circuit 2 is an LED string including multiple light emitting diodes connected in series.
  • the LED string 302 is connected to the LED pin of the converter controller 200.
  • the boost converter 100 has a constant voltage output as in FIG. 1, but the node to which the constant voltage is applied is different. That is, in FIG. 1, one end of the load circuit 2, that is, the voltage of the output line 104 is to be stabilized, but in FIG. 10, the voltage of the other end of the load circuit 2 is to be stabilized.
  • Converter controller 200 includes constant current source 210 , PWM (Pulse Width Modulation) circuit 220 and driver 230 .
  • a constant current source 210 is connected in series with the LED string 302 via the LED pin.
  • a constant current source 210 stabilizes the drive current I LED flowing through the LED string 302 to a current amount corresponding to the target brightness.
  • the PWM circuit 220 receives the voltage at the LED pin, ie the voltage across the constant current source 210 (voltage drop) as the feedback signal VFB , and adjusts the duty cycle of the pulse signal Spwm so that the feedback signal VFB approaches the target voltage. feedback control.
  • the driver 230 drives the switching transistor M1 according to the pulse signal Spwm.
  • the current detection signal Vs is used for current mode control or for overcurrent protection.
  • Modification 1 Although the diode rectification boost converter 100 has been described in the embodiment, the present disclosure can also be applied to a synchronous rectification boost converter including a synchronous rectification transistor (high-side transistor) instead of the rectifier diode D1.
  • Modification 2 In the embodiments, a constant voltage output boost converter has been described, but the present disclosure is also applicable to a constant current output boost converter.
  • the second output capacitor Co2 may be omitted.
  • an LC filter for ripple removal may be inserted.
  • An input line that receives an input voltage; an output line connected to a load; an inductor having one end connected to the input line; a switching transistor and a shunt resistor connected in series between the other end of the inductor and a ground line; a rectifying element connected between the other end of the inductor and the output line; a converter controller that controls the switching transistor according to at least the voltage drop of the shunt resistor; a first output capacitor having one end connected to the output line and the other end connected to a connection node of the switching transistor and the shunt resistor; A boost converter.
  • the switching transistor, the shunt resistor, the rectifying element, the first output capacitor, and the second output capacitor are mounted on a printed circuit board,
  • the area of the closed loop formed by the switching transistor, the rectifying element, and the first output capacitor on the printed circuit board is smaller than the area of the closed loop formed by the switching transistor, the rectifying element, the shunt resistor, and the second output capacitor.
  • (Item 7) The boost converter according to any one of items 1 to 6, wherein the rectifying element is a diode.
  • the present disclosure relates to boost converters.
  • boost converter 102 input line 104 output line 106 ground line 110 first AC current loop 112 second AC current loop L1 inductor Co1 first output capacitor Co2 second output capacitor 200 converter controller M1 switching transistor D1 rectifier diode Rs shunt resistor 2 load circuit

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

インダクタL1は、一端が入力ライン102と接続される。スイッチングトランジスタM1およびシャント抵抗Rsは、インダクタL1の他端と接地ライン106の間に直列に接続される。整流ダイオードD1は、インダクタL1の他端と出力ライン104の間に接続される。コンバータコントローラ200は、少なくともシャント抵抗Rsの電圧降下に応じてスイッチングトランジスタM1を制御する。第1出力キャパシタCo1は、一端が出力ライン104と接続され、他端がスイッチングトランジスタM1およびシャント抵抗Rsの接続ノードと接続される。

Description

昇圧コンバータ
 本開示は、昇圧コンバータに関する。
 さまざまな電子機器や車両、産業機械において、ある電圧値の直流電圧を別の電圧値の直流電圧に変換するDC/DCコンバータが使用される。
特開2020-57714号公報
 電子機器には、EMC(Electro-Magnetic Compatibility:電磁両立性)、すなわち電磁的に他の機器に悪影響を及ぼさない不干渉性と、他の機器から電磁的に悪影響を受けない耐性とが求められる。前者は、電磁妨害(EMI:Electro Magnetic Interference)として評価され、後者は電磁感受性(EMS:Electro Magnetic Susceptibility)として評価される。
 DC/DCコンバータのスイッチング周波数は数百kHz~数MHzであるが、スイッチング電圧が矩形波に近いため、スイッチング周波数より高い周波数の高調波ノイズが発生する。したがって従来の基板設計の手法では、車載部品に要求される規格(たとえばCISPR(国際無線障害特別委員会)が策定するCISPR25など)をクリアすることが難しくなっている。
 本開示のある態様は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ノイズを低減した昇圧コンバータの提供にある。
 本開示のある態様に係る昇圧コンバータは、入力電圧を受ける入力ラインと、負荷と接続される出力ラインと、一端が入力ラインと接続されるインダクタと、インダクタの他端と接地ラインの間に直列に接続されるスイッチングトランジスタおよびシャント抵抗と、インダクタの他端と出力ラインの間に接続された整流素子と、少なくともシャント抵抗の電圧降下に応じてスイッチングトランジスタを制御するコンバータコントローラと、一端が出力ラインと接続され、他端がスイッチングトランジスタおよびシャント抵抗の接続ノードと接続された第1出力キャパシタと、を備える。
 なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目(課題を解決するための手段)の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。
 本開示のある態様によれば、ノイズを低減できる。
図1は、実施形態に係る昇圧コンバータの等価回路図である。 図2は、比較技術に係る昇圧コンバータの等価回路図である。 図3は、実施形態に係る昇圧コンバータの利点を説明する図である。 図4は、比較技術に係る第2出力キャパシタを説明する図である。 図5は、実施形態に係る昇圧コンバータの出力キャパシタ群を説明する図である。 図6は、比較技術に係る昇圧コンバータの主回路部分の等価回路図である。 図7は、図6の昇圧コンバータのプリント基板のレイアウトの一例を示す図である。 図8は、実施形態に係る昇圧コンバータの主回路部分の等価回路図である。 図9は、図7の昇圧コンバータのプリント基板のレイアウトの一例を示す図である。 図10は、実施形態に係る昇圧コンバータを備える発光装置の回路図である。
(実施形態の概要)
 本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、1つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態(実施例や変形例)または複数の実施形態(実施例や変形例)を指すものとして用いる場合がある。
 一実施形態に係る昇圧コンバータは、入力電圧を受ける入力ラインと、負荷と接続される出力ラインと、一端が入力ラインと接続されるインダクタと、インダクタの他端と接地ラインの間に直列に接続されるスイッチングトランジスタおよびシャント抵抗と、インダクタの他端と出力ラインの間に接続された整流素子と、少なくともシャント抵抗の電圧降下に応じてスイッチングトランジスタを制御するコンバータコントローラと、一端が出力ラインと接続され、他端がスイッチングトランジスタおよびシャント抵抗の接続ノードと接続された第1出力キャパシタと、を備える。
 昇圧コンバータのトポロジーでは、スイッチングトランジスタ、整流素子、出力キャパシタ、接地ラインによるAC電流ループが形成される。EMCなどの電磁ノイズに関する性能は、AC電流ループの構成要素が多いほど、言い換えると、AC電流ループの面積が大きいほど、悪化する傾向がある。上記構成によれば、第1出力キャパシタによって、シャント抵抗をバイパスすることにより、AC電流ループの構成要素を減らし、あるいはAC電流ループの面積を小さくでき、これにより電磁ノイズに関する特性を改善できる。
 一実施形態において、昇圧コンバータは、一端が出力ラインと接続され、他端が接地ラインと接続された第2出力キャパシタをさらに備えてもよい。第2出力キャパシタと第1出力キャパシタを別々に設けることにより、シャント抵抗による電流検出を妨げることなく、出力電圧を平滑化できる。
 一実施形態において、第1出力キャパシタの容量は、第2出力キャパシタの容量より小さくてもよい。第2出力キャパシタの容量を大きくすることで、出力電圧を平滑化でき、第1出力キャパシタの容量を小さくすることで、シャント抵抗による電流検出に与える影響をなくすことができる。
 一実施形態において、第1出力キャパシタの容量は、第2出力キャパシタの容量の1/10より小さくてもよい。
 一実施形態において、スイッチングトランジスタのスイッチング周波数は、100kH~2MHzであり、第1出力キャパシタの容量は、100pF~0.1μFであってもよい。
 一実施形態において、スイッチングトランジスタ、シャント抵抗、整流素子、第1出力キャパシタ、第2出力キャパシタは、プリント基板上に実装されており、プリント基板上におけるスイッチングトランジスタ、整流素子、第1出力キャパシタからなる閉ループの面積は、スイッチングトランジスタ、整流素子、シャント抵抗、第2出力キャパシタからなる閉ループの面積より小さくてもよい。
 一実施形態において、整流素子はダイオードであってもよい。
 一実施形態において、整流素子は、同期整流トランジスタであってもよい。
 一実施形態において、負荷は、直列に接続された複数の発光素子を含んでもよい。
(実施形態)
 以下、好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、開示および発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示および発明の本質的なものであるとは限らない。
 本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
 同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
 また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号、あるいは抵抗、キャパシタなどの回路素子に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは抵抗値、容量値を表すものとする。
 図1は、実施形態に係る昇圧コンバータ100の等価回路図である。昇圧コンバータ100は、入力電圧VINを昇圧し、昇圧後の出力電圧VOUTを負荷回路2に供給する。
 昇圧コンバータ100は、入力ライン102、出力ライン104、インダクタL1、スイッチングトランジスタ(ローサイドトランジスタ)M1、整流ダイオードD1、シャント抵抗Rs、コンバータコントローラ200、出力キャパシタ群Coを備える。
 入力ライン102には、図示しない電源から、直流の入力電圧VINが供給される。出力ライン104には、負荷回路2が接続される。
 インダクタL1の一端は、入力ライン102と接続される。スイッチングトランジスタM1およびシャント抵抗Rsは、インダクタL1の他端と接地ライン106の間に直列に接続される。整流ダイオードD1のアノードは、インダクタL1とスイッチングトランジスタM1の接続ノードと接続され、整流ダイオードD1のカソードは、出力ライン104と接続される。
 出力キャパシタ群Coは、第1出力キャパシタCo1および第2出力キャパシタCo2を含む。第1出力キャパシタCo1は、スイッチングトランジスタM1とシャント抵抗Rsの接続ノードと、出力ライン104の間に接続される。第2出力キャパシタCo2は、出力ライン104と接地ライン106の間に接続される。
 スイッチングトランジスタM1のオン区間において、シャント抵抗Rsには、インダクタL1およびスイッチングトランジスタM1に流れる電流(コイル電流)が流れ、シャント抵抗Rsの両端間には、コイル電流に比例した電圧降下Vsが発生する。コンバータコントローラ200は、シャント抵抗Rsの電圧降下Vsを電流検出信号として受ける。コンバータコントローラ200は、少なくとも電流検出信号Vsにもとづいて、スイッチングトランジスタM1を駆動する。
 本実施形態では、コンバータコントローラ200には、負荷回路2の電気状態を示すフィードバック信号VFBが入力される。コンバータコントローラ200は、フィードバック信号VFBが目標値に近づくように、スイッチングトランジスタM1のデューティサイクルをフィードバック制御する。
 コンバータコントローラ200の構成および制御方式は、特に限定されない。たとえばコンバータコントローラ200は、ピーク電流モードのコントローラであってもよい。この場合、コンバータコントローラ200は、フィードバック信号VFBとその目標値VREFの誤差を増幅し、コイル電流のピークを規定するピーク電流指令値を生成する。そして、電流検出信号Vsのピークが、ピーク電流指令値に近づくように、スイッチングトランジスタM1のデューティサイクルをフィードバック制御してもよい。
 あるいは、コンバータコントローラ200は、平均電流モードのコントローラであってもよい。この場合、コンバータコントローラ200は、フィードバック信号VFBとその目標値VREFの誤差を増幅し、コイル電流の平均値を規定する平均電流指令値を生成してもよい。そして電流検出信号Vsの平均値が、平均電流指令値に近づくように、スイッチングトランジスタM1のデューティサイクルをフィードバック制御してもよい。
 あるいはコンバータコントローラ200は、電圧モードのコントローラであってもよい。この場合、コンバータコントローラ200は、フィードバック信号VFBとその目標値VREFの誤差を増幅し、にコイル電流の平均値を規定する平均電流指令値を生成し、電流検出信号Vsの平均値が、平均電流指令値に近づくように、スイッチングトランジスタM1のデューティサイクルをフィードバック制御してもよい。電流検出信号Vsは、フィードバック制御ではなく、過電流保護などに利用される。
 以上が昇圧コンバータ100の構成である。図1の昇圧コンバータ100の利点は、比較技術との対比によって明確となる。そこで比較技術に係る昇圧コンバータ100について説明する。
 図2は、比較技術に係る昇圧コンバータ100Rの等価回路図である。比較技術に係る昇圧コンバータ100Rは、図1の昇圧コンバータ100から、第1出力キャパシタCo1を省略したものであり、その他は図1と同様である。
 比較技術に係る昇圧コンバータ100Rで生ずる問題を説明する。スイッチングトランジスタM1、整流ダイオードD1、第2出力キャパシタCo2、シャント抵抗RsによってAC電流ループ110が形成される。昇圧コンバータ100Rがスイッチング動作すると、このAC電流ループ110に、交流電流IACが流れる。交流電流IACは、昇圧コンバータ100Rのスイッチング周波数のみでなく、その高調波成分を含んでいる。AC電流ループ110は、ある種のアンテナとして機能し、交流電流IACにより誘起される電磁ノイズを放射する。
 ここで、アンテナから放射される電磁ノイズの強度や量は、AC電流ループの構成要素が多いほど、言い換えると、AC電流ループの面積が大きいほど、大きくなる傾向がある。
 図3は、実施形態に係る昇圧コンバータ100の利点を説明する図である。昇圧コンバータ100では、比較技術と同様に、スイッチングトランジスタM1、整流ダイオードD1、第2出力キャパシタCo2、シャント抵抗Rsによって第1AC電流ループ110が形成される。さらに昇圧コンバータ100では、スイッチングトランジスタM1、整流ダイオードD1、第1出力キャパシタCo1によって第2AC電流ループ112が形成される。
 第1AC電流ループ110はセンス抵抗Rsを含む一方、第2AC電流ループ112はセンス抵抗Rsを含まないため、第1AC電流ループ110には、相対的に周波数が低い電流成分が流れ、第2AC電流ループ112には、相対的に周波数が高い電流成分が流れる。相対的に低い周波数は、昇圧コンバータ100のスイッチング周波数を含んでおり、したがってスイッチング周波数の電流成分は、シャント抵抗Rsに流れる。したがって、シャント抵抗Rsによる電流検出は、第2AC電流ループ112の影響を受けない。
 一方で、EMIなどで問題となる高周波電流は、第2AC電流ループ112に流れる。第2AC電流ループ112は、第1AC電流ループ110の内側に形成されており、第1出力キャパシタCo1によって、シャント抵抗Rsおよび接地ライン106がバイパスされている。したがって、第2AC電流ループ112の構成要素は、第1AC電流ループ110の構成要素よりも少なくなっている。言い換えると、第2AC電流ループ112の面積を、第1AC電流ループ110の面積より小さくできる。つまり第2AC電流ループ112および第1AC電流ループ110を、高周波ノイズを放射する放射アンテナとして見たときに、第2AC電流ループ112のアンテナの性能は、第1AC電流ループ110のアンテナの性能より低くなっている。したがって、高周波電流が第2AC電流ループ112に流れる図1、図3の構成では、高周波電流が第1AC電流ループ110に流れる比較技術に比べて、電磁ノイズを低減することができる。
 図4は、比較技術に係る第2出力キャパシタCo2を説明する図である。図2の比較技術に係る昇圧コンバータ100Rにおいて、第2出力キャパシタCo2は、並列に接続される複数n個のキャパシタC1~Cnを含んでいるとする。n個のキャパシタC1~Cnは、容量値が異なっていてもよい。
 図5は、実施形態に係る昇圧コンバータ100の出力キャパシタ群を説明する図である。出力キャパシタ群Coは、比較技術と同数n個のキャパシタC1~Cnを含んでおり、n個のキャパシタのうち、k個(k<n)が第1出力キャパシタCo1に割り当てられ、n-k個が第2出力キャパシタCo2に割り当てられる。
 n個のキャパシタC1~Cnは、容量値が異なっていてもよい。たとえばn=4とすると、キャパシタC1,C2は、相対的に小さい容量値を有しており、キャパシタC3,C4は、相対的に大きな容量値を有しているとする。この場合、容量値が小さいキャパシタC1,C2が、第1出力キャパシタCo1に割り当てられ、シャント抵抗Rsと接続される。また容量値が大きいキャパシタC3,C4が、第2出力キャパシタCo2に割り当てられ、接地ライン106と接続される。
 たとえば、第1出力キャパシタCo1として割り当てるキャパシタC1,C2の容量は、第2出力キャパシタCo2として割り当てるキャパシタC3~Cnの容量の1/10より小さくてもよい。
 たとえばスイッチングトランジスタM1のスイッチング周波数は、100kH~2MHzである。この場合、第1出力キャパシタCo1を構成するキャパシタC1,C2の容量は、100pF~0.1μFとすることが好ましい。
 図5の構成によれば、比較技術と実施形態とで、出力キャパシタ群Coを構成するキャパシタの個数は同じであるため、チップ数の増加を抑え、また実装面積の増加も抑えることができる。
 図6は、比較技術に係る昇圧コンバータ100Rの主回路部分の等価回路図である。昇圧コンバータ100Rは、スイッチングトランジスタM1およびシャント抵抗Rsの直列回路と並列に接続された、スナバ抵抗Rsnb1とスナバキャパシタCsnb1の直列回路を含む。また昇圧コンバータ100Rは、整流ダイオードD1と並列に接続に接続されたスナバ抵抗Rsnb2とスナバキャパシタCsnb2の直列回路を含む。出力キャパシタCo2は、5個のキャパシタC1~C5を含んでいる。配線107は、トランジスタM1のドレインとインダクタL1を接続する。配線108は、トランジスタM1のソースとシャント抵抗Rsを接続する。
 図7は、図6の昇圧コンバータ100Rのプリント基板のレイアウトの一例を示す図である。このレイアウトでは、配線107、スイッチングトランジスタM1、整流ダイオードD1、出力ライン104、第2出力キャパシタCo2、接地ライン106、シャント抵抗Rs、配線108を含むAC電流ループ110が形成される。
 図8は、実施形態に係る昇圧コンバータ100の主回路部分の等価回路図である。キャパシタC1,C2は、第1出力キャパシタCo1であり、それらの一端は、配線108と接続されている。
 図9は、図7の昇圧コンバータ100のプリント基板のレイアウトの一例を示す図である。このレイアウトでは、配線107、スイッチングトランジスタM1、整流ダイオードD1、出力ライン104、第1出力キャパシタCo1、配線108を含むAC電流ループ112が形成される。このAC電流ループ112の長さおよび面積は、図7のAC電流ループ110の長さおよび面積より小さくなっている。したがって、実施形態に係る昇圧コンバータ100によれば、比較技術に係る昇圧コンバータ100Rに比べて、電磁ノイズを抑制することができる。
 図7のレイアウトにおいて、AC電流ループ110のインダクタンスをシミュレーションしたところ、100MHzにおいて2.778nHであった。これに対して、図9のレイアウトにおいて、第2AC電流ループ112のインダクタンスをシミュレーションすると、100MHzにおいて、1.998nHであり、図7のレイアウトに比べて、インダクタンスを28%低減できていることが確認された。
(用途)
 図10は、実施形態に係る昇圧コンバータ100を備える発光装置300の回路図である。発光装置300において、負荷回路2は、直列に接続された複数の発光ダイオードを含むLEDストリングである。
 LEDストリング302は、コンバータコントローラ200のLEDピンと接続される。昇圧コンバータ100は、図1と同様に定電圧出力であるが、定電圧対象のノードが異なる。すなわち、図1では、負荷回路2の一端、つまり出力ライン104の電圧が安定化の対象であったが、図10では、負荷回路2の他端の電圧が安定化の対象である。
 コンバータコントローラ200は、定電流源210、PWM(パルス幅変調)回路220、ドライバ230を含む。定電流源210は、LEDピンを介して、LEDストリング302と直列に接続される。定電流源210は、LEDストリング302に流れる駆動電流ILEDを、目標輝度に応じた電流量に安定化する。
 PWM回路220は、LEDピンの電圧、つまり定電流源210の両端間電圧(電圧降下)をフィードバック信号VFBとして受け、フィードバック信号VFBが目標電圧に近づくように、パルス信号Spwmのデューティサイクルをフィードバック制御する。ドライバ230は、パルス信号Spwmに応じてスイッチングトランジスタM1を駆動する。
 電流検出信号Vsは、電流モードの制御に利用され、あるいは過電流保護に利用される。
(変形例)
 上述した実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なことが当業者に理解される。以下、こうした変形例について説明する。
(変形例1)
 実施形態では、ダイオード整流型の昇圧コンバータ100について説明したが、整流ダイオードD1の代わりに同期整流トランジスタ(ハイサイドトランジスタ)を備える同期整流型の昇圧コンバータにも本開示は適用できる。
(変形例2)
 実施形態では、定電圧出力の昇圧コンバータを説明したがその限りでなく、定電流出力の昇圧コンバータにも本開示は適用可能である。定電流出力の昇圧コンバータの場合、第2出力キャパシタCo2は省略しても良い。あるいは第2出力キャパシタCo2の代わりに、リップル除去用のLCフィルタを挿入してもよい。
 実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにさまざまな変形例が存在すること、またそうした変形例も本開示または本発明の範囲に含まれる。
(付記)
 本明細書には以下の技術が開示される。
(項目1)
 入力電圧を受ける入力ラインと、
 負荷と接続される出力ラインと、
 一端が前記入力ラインと接続されるインダクタと、
 前記インダクタの他端と接地ラインの間に直列に接続されるスイッチングトランジスタおよびシャント抵抗と、
 前記インダクタの前記他端と前記出力ラインの間に接続された整流素子と、
 少なくとも前記シャント抵抗の電圧降下に応じて前記スイッチングトランジスタを制御するコンバータコントローラと、
 一端が前記出力ラインと接続され、他端が前記スイッチングトランジスタおよび前記シャント抵抗の接続ノードと接続された第1出力キャパシタと、
 を備える、昇圧コンバータ。
(項目2)
 一端が前記出力ラインと接続され、他端が前記接地ラインと接続された第2出力キャパシタをさらに備える、項目1に記載の昇圧コンバータ。
(項目3)
 前記第1出力キャパシタの容量は、前記第2出力キャパシタの容量より小さい、項目2に記載の昇圧コンバータ。
(項目4)
 前記第1出力キャパシタの容量は、前記第2出力キャパシタの容量の1/10より小さい、項目2または3に記載の昇圧コンバータ。
(項目5)
 前記スイッチングトランジスタのスイッチング周波数は、100kH~2MHzであり、前記第1出力キャパシタの容量は、100pF~0.1μFである、項目1から4のいずれかに記載の昇圧コンバータ。
(項目6)
 前記スイッチングトランジスタ、前記シャント抵抗、前記整流素子、前記第1出力キャパシタ、前記第2出力キャパシタは、プリント基板上に実装されており、
 前記プリント基板上における前記スイッチングトランジスタ、前記整流素子、前記第1出力キャパシタからなる閉ループの面積は、前記スイッチングトランジスタ、前記整流素子、前記シャント抵抗、前記第2出力キャパシタからなる閉ループの面積より小さい、項目2に記載の昇圧コンバータ。
(項目7)
 前記整流素子はダイオードである、項目1から6のいずれかに記載の昇圧コンバータ。
(項目8)
 前記整流素子は、同期整流トランジスタである、項目1から6のいずれかに記載の昇圧コンバータ。
(項目9)
 前記負荷は、直列に接続された複数の発光素子を含む、項目1から8のいずれかに記載の昇圧コンバータ。
 本開示は、昇圧コンバータに関する。
 100 昇圧コンバータ
 102 入力ライン
 104 出力ライン
 106 接地ライン
 110 第1AC電流ループ
 112 第2AC電流ループ
 L1 インダクタ
 Co1 第1出力キャパシタ
 Co2 第2出力キャパシタ
 200 コンバータコントローラ
 M1 スイッチングトランジスタ
 D1 整流ダイオード
 Rs シャント抵抗
 2 負荷回路

Claims (9)

  1.  入力電圧を受ける入力ラインと、
     負荷と接続される出力ラインと、
     一端が前記入力ラインと接続されるインダクタと、
     前記インダクタの他端と接地ラインの間に直列に接続されるスイッチングトランジスタおよびシャント抵抗と、
     前記インダクタの前記他端と前記出力ラインの間に接続された整流素子と、
     少なくとも前記シャント抵抗の電圧降下に応じて前記スイッチングトランジスタを制御するコンバータコントローラと、
     一端が前記出力ラインと接続され、他端が前記スイッチングトランジスタおよび前記シャント抵抗の接続ノードと接続された第1出力キャパシタと、
     を備える、昇圧コンバータ。
  2.  一端が前記出力ラインと接続され、他端が前記接地ラインと接続された第2出力キャパシタをさらに備える、請求項1に記載の昇圧コンバータ。
  3.  前記第1出力キャパシタの容量は、前記第2出力キャパシタの容量より小さい、請求項2に記載の昇圧コンバータ。
  4.  前記第1出力キャパシタの容量は、前記第2出力キャパシタの容量の1/10より小さい、請求項2または3に記載の昇圧コンバータ。
  5.  前記スイッチングトランジスタのスイッチング周波数は、100kH~2MHzであり、前記第1出力キャパシタの容量は、100pF~0.1μFである、請求項1から4のいずれかに記載の昇圧コンバータ。
  6.  前記スイッチングトランジスタ、前記シャント抵抗、前記整流素子、前記第1出力キャパシタ、前記第2出力キャパシタは、プリント基板上に実装されており、
     前記プリント基板上における前記スイッチングトランジスタ、前記整流素子、前記第1出力キャパシタからなる閉ループの面積は、前記スイッチングトランジスタ、前記整流素子、前記シャント抵抗、前記第2出力キャパシタからなる閉ループの面積より小さい、請求項2に記載の昇圧コンバータ。
  7.  前記整流素子はダイオードである、請求項1から6のいずれかに記載の昇圧コンバータ。
  8.  前記整流素子は、同期整流トランジスタである、請求項1から6のいずれかに記載の昇圧コンバータ。
  9.  前記負荷は、直列に接続された複数の発光素子を含む、請求項1から8のいずれかに記載の昇圧コンバータ。
PCT/JP2023/003277 2022-02-14 2023-02-01 昇圧コンバータ WO2023153292A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022020427 2022-02-14
JP2022-020427 2022-02-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023153292A1 true WO2023153292A1 (ja) 2023-08-17

Family

ID=87564335

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/003277 WO2023153292A1 (ja) 2022-02-14 2023-02-01 昇圧コンバータ

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023153292A1 (ja)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001015332A (ja) * 1999-06-30 2001-01-19 Denso Corp 電磁負荷の制御装置
JP2009077523A (ja) * 2007-09-20 2009-04-09 Diamond Electric Mfg Co Ltd デジタルコンバータ及びその制御方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001015332A (ja) * 1999-06-30 2001-01-19 Denso Corp 電磁負荷の制御装置
JP2009077523A (ja) * 2007-09-20 2009-04-09 Diamond Electric Mfg Co Ltd デジタルコンバータ及びその制御方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103621179B (zh) 用于简化形状因数固态光源灯的驱动电路
US7978485B2 (en) Thyristor power control circuit with damping circuit maintaining thyristor holding current
EP2686944B1 (en) Lighting power circuit with peak current limiter for emi filter
JP5265488B2 (ja) 交流led調光装置及びそれによる調光方法
US7245088B2 (en) Power control circuit for controlling rated power supplied to a load
JP5177816B2 (ja) Ledを駆動する電源装置
US9653988B2 (en) Apparatus and system for noise cancellation of power converters
TWI701442B (zh) 一次側恆定電流調節
US9257901B2 (en) DC power supply circuit
US20180324913A1 (en) Ripple suppression circuit and light emitting diode driver
US20160066375A1 (en) Lighting apparatus and luminaire
CN109247047B (zh) 一种BiFRED转换器和驱动输出负载的方法
US20040027096A1 (en) Auxiliary circuit for power factor corrector having self-power supplying and zero current detection mechanisms
WO2023153292A1 (ja) 昇圧コンバータ
WO2020017091A1 (ja) 電力変換装置
Cosetin et al. Off-line single-stage SEPIC-Buck converter for dimmable LED lighting with reduced storage capacitor
JP5916390B2 (ja) 電源ユニット及びそれを用いたled照明装置
US20170295617A1 (en) Light-emitting diode (led) driving device and led lighting device containing the same
JP6028474B2 (ja) コンデンサ回路、dc−dcコンバータ回路、及び直流電源装置
WO2020017090A1 (ja) 電力変換装置
WO2019101559A1 (en) Power supply device and led driving device
US20140028275A1 (en) Voltage converting apparatus
KR102456427B1 (ko) Led 조명용 전원 장치 및 그의 저전압 보호 방법
CN211352042U (zh) 一种用于保护开关电源的pcb电路
US20220416658A1 (en) Switching power supply

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23752757

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1