JP5141122B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されたインダクタとを有し、前記スイッチング素子をスイッチング周期毎に駆動することにより出力電圧を制御するスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device that includes a switching element and an inductor connected to the switching element, and controls an output voltage by driving the switching element for each switching period.
従来技術として、出力回路にLC回路が構成され、スイッチング素子をオン/オフすることによって負荷に安定的な電力を供給するスイッチング電源装置が知られている(例えば、特許文献1,2参照)。スイッチング電源装置の制御装置は、出力電圧をフィードバックすることによってスイッチング素子をオン/オフするためのPWM信号(パルス幅変調信号)を生成するとともに、電流モード制御によってインダクタを流れる出力電流をフィードバックすることによって位相進み補償を行っている。
しかしながら、実際には電圧フィードバック制御にキャリアの周期に応じた遅延が生じるため、制御周波数領域がPWM制御のキャリア周波数に近づくにつれて、スイッチング電源の出力の位相ずれが顕著になることがある。 However, since a delay according to the carrier cycle actually occurs in the voltage feedback control, the phase shift of the output of the switching power supply may become conspicuous as the control frequency region approaches the carrier frequency of PWM control.
そこで、本発明は、出力の位相ずれを抑制することができる、スイッチング電源装置の提供を目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a switching power supply device that can suppress a phase shift of an output.
上記目的を達成するため、第1の発明に係るスイッチング電源装置は、
スイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続されたインダクタとを有し、前記スイッチング素子をスイッチング周期毎に駆動することにより出力電圧を制御するスイッチング電源装置であって、
前記インダクタに流れるインダクタ電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段の検出結果を記憶する記憶手段と、
前記出力電圧と所定の基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅手段と、
前記誤差増幅手段の増幅結果又は前記記憶手段に記憶されたm(mは1以上の整数)スイッチング周期前の検出結果のいずれか一方にキャリア信号を重畳させた重畳結果と該キャリア信号が重畳されていないもう一方のものとの比較結果に基づいて、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a switching power supply device according to a first invention
A switching power supply device that includes a switching element and an inductor connected to the switching element, and controls the output voltage by driving the switching element for each switching cycle,
Current detecting means for detecting an inductor current flowing through the inductor;
Storage means for storing the detection result of the current detection means;
Error amplifying means for amplifying an error between the output voltage and a predetermined reference voltage;
The carrier signal is superimposed on the superimposition result obtained by superimposing the carrier signal on either the amplification result of the error amplification means or the detection result before m (m is an integer of 1 or more) stored in the storage means. Drive signal generating means for generating a drive signal for the switching element based on a comparison result with the other one that is not.
第2の発明は、第1の発明に係るスイッチング電源装置であって、
前記スイッチング周期を生み出すクロック信号をセット入力とし、前記比較結果に基づく信号をリセット入力とするフリップフロップを備え、
前記フリップフロップの出力に基づいて前記駆動信号を生成することを特徴とする。
A second invention is a switching power supply device according to the first invention,
A flip-flop having a clock signal that generates the switching period as a set input and a signal based on the comparison result as a reset input,
The drive signal is generated based on the output of the flip-flop.
第3の発明は、第1又は第2の発明に係るスイッチング電源装置であって、
前記電流検出手段の検出結果は、前記スイッチング周期に同期して前記記憶手段に順次記憶されることを特徴とする。
3rd invention is the switching power supply device which concerns on 1st or 2nd invention, Comprising:
The detection result of the current detection means is sequentially stored in the storage means in synchronization with the switching period.
本発明によれば、出力の位相ずれを抑制することができる。 According to the present invention, an output phase shift can be suppressed.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態である降圧型スイッチング電源100の回路構成を示した概略図である。降圧型スイッチング電源100は、基準電圧入力端子1に接続された基準電源からの入力電圧VINを用いて負荷14に電力を供給する電源装置であって、入力電圧VINの電圧変動や負荷14の消費電流(負荷電流)の変動に対して、基準電源からの入力電圧VINを降圧変換した一定の電圧を負荷14側に出力する電源装置(いわゆる降圧型スイッチングレギュレータ)である。降圧型スイッチング電源100が車両に搭載された場合、例えば、基準電源は車載バッテリに相当するものであり、負荷14は車載の電気負荷(例えば、マイクロコンピュータ、IC、抵抗負荷、モータなど)に相当するものである。車両に搭載される電気負荷は多種多様であり、各電気負荷の消費電流の違いにより車載バッテリの電圧は変動しやすいため、本実施形態のような降圧型スイッチング電源を搭載することは効果的である。また、降圧型スイッチング電源100は、複数の電圧系(例えば、14V系と42V系)を有する車両において、両電圧系間の電圧変換を行うコンバータとして用いても、効果的である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a circuit configuration of a step-down
誤差増幅器8は、負荷14に印加される出力電圧VOUTとその目標電圧との誤差を所定の増幅度で増幅した増幅電圧を出力する。また、ランプ信号発生回路9は、スイッチング素子2(2A,2B)を駆動する駆動信号(PWM信号)を生成するためのキャリア信号として、ランプ信号(ノコギリ波)を出力する。加算器10は、誤差増幅器8からの増幅電圧とランプ信号発生回路9からのランプ信号とを加算した重畳電圧を出力する。加算器10からの重畳電圧は、コンパレータ17の非反転入力端子に入力される。
The
一方、電流検出部5は、インダクタ4に流れる電流(インダクタ電流)を検出する。電流検出部5によって検出されたインダクタ電流は、サンプルホールド回路15によってサンプルホールドされる。サンプルホールド回路15によってサンプルホールドされたインダクタ電流値に応じた電圧は、後に詳述する遅延回路16を介して、コンパレータ17の反転入力端子に入力される。
On the other hand, the
コンパレータ17は、加算器10からの重畳電圧とインダクタ電流値に応じた電圧とを比較し、その比較結果を駆動回路13に出力する。駆動回路13は、コンパレータ17の出力電圧レベルに従って、出力電圧VOUTが所定の目標電圧となるようなデューティ比でスイッチング素子2(2A,2B)を駆動する駆動信号(PWM信号)を出力する。その駆動信号に基づきスイッチング素子2のそれぞれがスイッチング動作を行うことによって、基準電源からの入力電圧VINの降圧がなされる。なお、スイッチング素子2の具体例として、IGBT,MOSFET,バイポーラトランジスタ等の半導体素子が挙げられる。
The
PWM信号に基づき、ハイサイドのスイッチング素子2Aがオンし、ローサイドのスイッチング素子2Bがオフすると、スイッチング素子2Aと2Bとの間の接続点に接続されたインダクタ4に電流が流れ、出力コンデンサ6に蓄電される。そして、PWM信号に基づき、スイッチング素子2Aがオフし、スイッチング素子2Bがオンすると、インダクタ4に流れていた電流を流し続けようと、インダクタ4とインダクタ4の出力側に接続された出力コンデンサ6とスイッチング素子2Bとを通って電流が還流する。このようなスイッチング動作をすることによって、平滑された出力電圧VOUTが出力端子7から出力される。なお、スイッチング素子2Bを設けることによって、インダクタ4の入力側に接続されたダイオード3による発熱を抑えることができる。また、ダイオード3があれば、電流の還流が可能であるため、スイッチング素子2Bが無い構成であってもよい。また、ダイオード3がショットキーダイオードであれば、リカバリー電流が少ないためノイズを低減することができるとともに、順方向電圧が小さいため発熱も抑えることができる。
Based on the PWM signal, when the high-
ところで、理想的にはPWM制御の特性は、
VOUT=IL/[ROUT//RLOAD//(1/jωCOUT)]
={RS/[ROUT//RLOAD//(1/jωCOUT)]}×ERROUT
・・・(1)
で与えられる。ここで、VOUTはスイッチング電源の出力電圧、ILはインダクタ電流、RSはインダクタ電流を検出するための変換抵抗、ROUTはスイッチング電源の出力抵抗、RLOADはスイッチング電源の出力に接続される負荷の負荷抵抗、COUTは出力コンデンサの電気容量、ERROUTはVOUTとその目標電圧との誤差を増幅する誤差増幅器の出力電圧、ωは制御周波数領域の角周波数である。
By the way, ideally, the characteristic of PWM control is
VOUT = IL / [R OUT // R LOAD // (1 / jωC OUT )]
= {R S / [R OUT // R LOAD // (1 / jωC OUT )]} × ERROUT
... (1)
Given in. Here, VOUT is the output voltage of the switching power supply, IL is the inductor current, R S conversion resistor for detecting the inductor current, R OUT is the output resistance of the switching power supply, R LOAD is the load connected to the output of the switching power supply load resistor, C OUT is the capacitance of the output capacitor, ERROUT output voltage of the error amplifier for amplifying an error between VOUT and its target voltage, omega is the angular frequency of the control frequency range.
しかしながら、理想的な電流制御では高周波領域においても位相が90°以上まわることはないが、実際にはスイッチング毎の制御遅れが存在するため、制御周波数領域がPWM制御のキャリア周波数に近づくにつれて、スイッチング電源の出力の位相遅れが顕著になる。すなわち、PWM制御が離散制御である限り、n番目のスイッチングタイミングの演算は少なくともn+1番目のスイッチングタイミングのフィードバック演算に反映されるため、実際のPWM制御の特性は、
VOUT(n+1)={RS/[ROUT//RLOAD//(1/jωCOUT)]}
×ERROUT(n) ・・・(2)
となる。したがって、角周波数ωが演算周期に近づくと1周期分の位相の遅れが発生する。
However, in ideal current control, the phase does not turn more than 90 ° even in the high frequency range, but in reality there is a control delay for each switching, so switching occurs as the control frequency range approaches the carrier frequency of PWM control. The phase delay of the power supply output becomes significant. That is, as long as the PWM control is discrete control, the calculation of the nth switching timing is reflected in the feedback calculation of at least the (n + 1) th switching timing.
VOUT (n + 1) = {R S / [R OUT /// R LOAD // (1 / jωC OUT )]}
× ERROUT (n) (2)
It becomes. Therefore, when the angular frequency ω approaches the calculation cycle, a phase delay of one cycle occurs.
図8(a)は、従来のスイッチング電源において、出力電圧とその目標電圧との誤差を増幅する誤差増幅器の出力に対する電源出力のゲイン特性を示した図である。図8(b)は、従来のスイッチング電源において、出力電圧とその目標電圧との誤差を増幅する誤差増幅器の出力に対する電源出力の位相特性を示した図である。図8は、誤差増幅器の出力点にAC入力を入れたときの電源出力のゲインと位相の変化を示したシミューレーション結果である。図8(b)に示されるように、誤差増幅器の出力の角周波数ωが大きくなるにつれて電源出力の位相の遅れが大きくなるとともに、その位相遅れの大きさはPWM制御のキャリア周波数が小さくなるにつれて顕著になる。 FIG. 8A is a diagram showing a gain characteristic of a power supply output with respect to an output of an error amplifier that amplifies an error between an output voltage and a target voltage in a conventional switching power supply. FIG. 8B is a diagram showing the phase characteristics of the power supply output with respect to the output of the error amplifier that amplifies the error between the output voltage and the target voltage in the conventional switching power supply. FIG. 8 shows simulation results showing changes in the gain and phase of the power supply output when an AC input is applied to the output point of the error amplifier. As shown in FIG. 8B, the phase delay of the power supply output increases as the angular frequency ω of the error amplifier output increases, and the magnitude of the phase delay increases as the carrier frequency of PWM control decreases. Become prominent.
この点、誤差増幅器の出力から電源出力までは90°位相が遅れるものとして設計したとしても、それ以上遅れた場合に電源出力の安定性が失われるおそれがある。図8において、例えば、制御周波数領域が100kHz近辺の場合には、10MHz以上のキャリア周波数に設定しなければ、電源出力の位相が90°以上遅れてしまう。逆に、例えば、2MHzのキャリア周波数に設定されている場合、20kHz以下の制御周波数領域で制御されなければ、電源出力の位相が90°以上遅れてしまう。この対策として、キャリア周波数を上げることが考えられ得るが、キャリア周波数を上げるとスイッチング損失やスイッチングノイズ等の懸念が場合によっては生じ、困難が伴うことがある。 In this regard, even if the design is made such that the phase from the output of the error amplifier to the power supply output is delayed by 90 °, the stability of the power supply output may be lost if it is delayed more than that. In FIG. 8, for example, when the control frequency region is around 100 kHz, the phase of the power supply output is delayed by 90 ° or more unless the carrier frequency is set to 10 MHz or higher. On the other hand, for example, when the carrier frequency is set to 2 MHz, the phase of the power output is delayed by 90 ° or more unless controlled in the control frequency region of 20 kHz or less. As a countermeasure, it can be considered to raise the carrier frequency. However, raising the carrier frequency may cause problems such as switching loss and switching noise in some cases, which may be difficult.
そこで、降圧型スイッチング電源100には、電源出力の出力電圧VOUTに基づいてPWM信号を生成するための誤差増幅器8を備える電圧フィードバック回路の位相遅れに合わせるように、電流検出部5によって検出されたインダクタ電流に基づいて位相進み補償を行うためのサンプルホールド回路15を備える電流フィードバック回路の位相を遅らせるため、遅延回路16が備えられている。遅延回路16を含め、図1に示される降圧型スイッチング電源100の詳細な構成例とその動作について説明する。図2は、降圧型スイッチング電源100の第1の構成例を示した図である。図3は、降圧型スイッチング電源100の第1の構成例の動作を示したタイミングチャートである。
Therefore, the step-down
インダクタ4には、PWM信号(図3(j)(k)参照)に従ってスイッチング素子2がオン/オフされることにより、図3(a)のようにインダクタ電流が流れる。基本動作として、HレベルのPWM信号(j)によりスイッチング素子2Aがオンしている場合にはインダクタ電流は増加し、LレベルのPWM信号(j)によりスイッチング素子2Aがオフしている場合にはインダクタ電流は減少する。
When the switching element 2 is turned on / off according to the PWM signal (see FIGS. 3J and 3K), an inductor current flows through the
インダクタ電流(a)は、電流検出部5に備えられた変換抵抗5Aによって当該電流の大きさに比例する電圧に変換されてサンプルホールド回路15に入力される。サンプルホールド回路15は、クロック信号発生回路13Aからの制御クロック信号(h)に従ったサンプル周期で変換抵抗5Aによる変換電圧をサンプルする。クロック信号発生回路13Aが出力する制御クロック信号(h)は、スイッチング素子2のスイッチング周期を決めるPWM制御のキャリア周波数を生成するための信号である。サンプルホールド回路15は、例えば、制御クロック信号(h)の立ち上がり(又は、立ち下がり)タイミングでインダクタ電流(a)に相当するアナログ電圧をサンプルする。このサンプリングされたアナログ電圧は、A/Dコンバータ18によってデジタル値に変換され、サンプリング値として、レジスタ16に保存される。
The inductor current (a) is converted into a voltage proportional to the magnitude of the current by the
サンプリングホールド回路15によるサンプリング値は、A/Dコンバータ18を介して、制御クロック信号(h)に基づくサンプリングタイミングに従って、複数のレジスタ16に順次保存される。図2の場合、3つのレジスタ16A,16B,16Cが設けられている。n+1回目のサンプリングタイミングにおいて、レジスタ16Aに保存されたn回目のサンプリング値はレジスタ16Bに移動し、新たなn+1回目のサンプリング値がレジスタ16Aに保存される。そして、n+2回目のサンプリングタイミングにおいて、レジスタ16Bに保存されたn回目のサンプリング値はレジスタ16Cに移動し、レジスタ16Aに保存されたn+1回目のサンプリング値はレジスタ16Bに移動し、新たなn+2回目のサンプリング値がレジスタ16Aに保存される。その結果、現在から2周期前のサンプリングの結果がレジスタ16Cに保存されていることになる。レジスタ16Cに保存されたサンプリング値は、コンパレータ17Aの反転入力端子に入力される。
The sampling value by the
一方、誤差増幅器8は、出力電圧VOUTとその目標電圧との誤差を増幅して出力する。誤差増幅器8の増幅率は、他の回路との関係から適切な値に設定すればよい。誤差増幅器8の出力電圧(f)にランプ信号発生回路9からのランプ信号が加算器10によって加算された重畳信号(e)は、コンパレータ17Aの非反転入力端子に入力される。
On the other hand, the
コンパレータ17Aは、レジスタ16Cに保存されたサンプリング値(d)と重畳信号(e)とを比較し、サンプリング値(d)が重畳信号(e)より小さい場合にはHレベル信号を出力し、サンプリング値(d)が重畳信号(e)より大きい場合にはLレベル信号を出力する(図3(g))。このコンパレータ17Aの比較結果に基づいて、ハイサイドのスイッチング素子2Aとローサイドのスイッチング素子2Bの駆動信号が生成される。
The
コンパレータ17Aの出力(g)は、インバータ17Bを介して、フリップフロップ13Bのリセット端子Rに反転入力される。また、制御クロック信号(h)は、フリップフロップ13Bのセット端子Sに入力される。フリップフロップ13Bは、コンパレータ17Aの出力(g)を制御クロック信号(h)に同期させる。制御クロック信号(h)の立ち上がりエッジがセット端子Sに入力されることによって、出力端子QからHレベル信号が出力され、コンパレータ17Aの出力(g)がインバータ17Bを介して反転することにより立ち上がりエッジがリセット端子Rに入力されることによって、出力端子QからLレベル信号が出力される(図3(i)参照)。
The output (g) of the
出力端子Qは、ハイサイドのスイッチング素子2Aの駆動信号を出力するAND回路13Fの一方の入力端子に接続されるとともに、入力信号を遅延させて出力する遅延回路13Cを介してAND回路13Fのもう一方の入力端子に接続される。また、出力端子Qは、インバータ13Eを介して、ローサイドのスイッチング素子2Bの駆動信号を出力するAND回路13Gの一方の入力端子に接続されるとともに、入力信号を遅延させて出力する遅延回路13Dを介してAND回路13Gのもう一方の入力端子に接続される。
The output terminal Q is connected to one input terminal of an AND
リセット端子RがLoレベルの状態で、制御クロック信号(h)の立ち上がりによって、出力端子QはHレベルになる。出力端子QがLレベルからHレベルに切り替わった時、インバータ13Eの存在によってAND回路13GにLレベルが入力されるので、スイッチング素子2Bはオフする。また、遅延回路13Cによって出力端子QがHレベルに切り替わってから所定時間経過した後に、AND回路13Fの入力が共にHレベルとなるので、スイッチング素子2Aはオンする。したがって、遅延回路13Cによって、スイッチング素子2Aと2Bが同時期にオン状態となって貫通電流が流れないように、図3に示されるデッドタイムを設けることができる。スイッチング素子2Bがオフした後にスイッチング素子2Aがオンすると、インダクタ電流が増加する。
When the reset terminal R is at the Lo level, the output terminal Q becomes the H level by the rise of the control clock signal (h). When the output terminal Q is switched from the L level to the H level, the L level is input to the AND
また、コンパレータ17Aに入力される重畳信号(e)がサンプリング値(d)より小さくなることによって、コンパレータ17Aの出力はHからLレベルに切り替わる。コンパレータ17Aの出力がHからLレベルに切り替わる時、インバータ17Bによってフリップフロップ13Bのリセット端子RはLからHレベルに切り替わるので、出力端子QはLレベルになる。出力端子QがHレベルからLレベルに切り替わった時、AND回路13FにLレベルが入力されるので、スイッチング素子2Aはオフする。また、出力端子QがHレベルからLレベルに切り替わった時、インバータ13Eの存在によってAND回路13GにHレベルが入力されるとともに、遅延回路13Dによって出力端子QがLレベルに切り替わってから所定時間経過した後に、AND回路13Gの入力が共にHレベルとなるので、スイッチング素子2Bはオンする。したがって、遅延回路13Dによって、スイッチング素子2Aと2Bが同時期にオン状態となって貫通電流が流れないように、図3に示されるデッドタイムを設けることができる。スイッチング素子2Aがオフすると、インダクタ電流が減少する。
Further, when the superimposed signal (e) input to the
したがって、上述の実施例1によれば、レジスタ16Cに保存された現在から2周期前のサンプリング値(d)を重畳信号(e)と比較することができるので、電流フィードバックと電圧フィードバックの位相ずれを合わせることができるようになる。 Therefore, according to the first embodiment, the sampling value (d) two cycles before the current time stored in the register 16C can be compared with the superimposed signal (e). Can be adjusted.
図4は、降圧型スイッチング電源100の第2の構成例を示した図である。図5は、降圧型スイッチング電源100の第2の構成例の動作を示したタイミングチャートである。実施例1と同様の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略又は簡略する。第2の構成例は、図4に示される複数のキャパシタ16(16D,16E,16F)にインダクタ電流のサンプリング値をアナログ電圧として複数保持するものである。
FIG. 4 is a diagram illustrating a second configuration example of the step-down
インダクタ4には、PWM信号(図5(j)(k)参照)に従ってスイッチング素子2がオン/オフされることにより、図5(a)のようにインダクタ電流が流れる。
When the switching element 2 is turned on / off according to the PWM signal (see FIGS. 5J and 5K), an inductor current flows through the
インダクタ電流(a)は、電流検出部5に備えられた変換抵抗5A及びオペアンプ5Bによって当該電流の大きさに比例するアナログ電圧に変換されてサンプルホールド回路15に入力される。オペアンプ5Bは、変換抵抗5Aによって電圧値に変換されたインダクタ電流値を所定の参照電圧VREF基準にレベルシフトし所定の増幅率で増幅する。
The inductor current (a) is converted into an analog voltage proportional to the magnitude of the current by the
サンプルホールド回路15は、制御クロック信号(h)に同期する複数の異なるタイミング信号φに従ってスイッチング動作する複数のスイッチ15と、オペアンプ5Bで増幅されたインダクタ電流値の増幅電圧が供給される複数のキャパシタとを備える。スイッチ15は、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子でよい。タイミング信号φの各周期並びにスイッチ15及びキャパシタ16の数は、各サンプリングタイミングにおけるインダクタ電流のサンプリング値をいくつ保存すべきかに応じて決められる。本実施例では、3サンプリング分のサンプリング値が保存可能なように、タイミング信号φ1〜φ6に従ってスイッチング動作する6つのスイッチ15A〜15Fと、3つのキャパシタ16D〜16Fとを備える。タイミング信号φ1〜φ6の各周期はスイッチング素子2のスイッチング周期の3倍である。また、オペアンプ5Bにより増幅されたサンプリング値をキャパシタ16に保存するためのタイミング信号φ1〜φ3は互いに120°位相がずれているとともに、キャパシタ16に保存されたサンプリング値をオペアンプ17Aの反転入力端子に出力するためのタイミング信号φ4〜φ6も互いに120°位相がずれている。タイミング信号φ1〜φ3の立ち上がりタイミングと立ち下がりタイミングは、制御クロック信号(h)のそれらと同期する。タイミング信号φ1の立ち上がりタイミングでタイミング信号φ4が立ち下がり、タイミング信号φ1の立ち下がりタイミングでタイミング信号φ5が立ち上がる。タイミング信号φ2の立ち上がりタイミングでタイミング信号φ5が立ち下がり、タイミング信号φ2の立ち下がりタイミングでタイミング信号φ6が立ち上がる。タイミング信号φ3の立ち上がりタイミングでタイミング信号φ6が立ち下がり、タイミング信号φ3の立ち下がりタイミングでタイミング信号φ4が立ち上がる。
The
オペアンプ5Bにより増幅されたn回目のサンプリング値は、スイッチ15Dがオフの状態で、タイミング信号φ1によってオンしたスイッチ15Aを介してキャパシタ16Dに供給され、タイミング信号φ1によってスイッチ15Aがオフすることによりその直前のキャパシタ16Dの電圧値がサンプルホールドされる。続いて、オペアンプ5Bにより増幅されたn+1回目のサンプリング値は、スイッチ15Eがオフの状態で、タイミング信号φ2によってオンしたスイッチ15Bを介してキャパシタ16Eに供給され、タイミング信号φ2によってスイッチ15Bがオフすることによりその直前のキャパシタ16Eの電圧値がサンプルホールドされる。続いて、オペアンプ5Bにより増幅されたn+2回目のサンプリング値は、スイッチ15Fがオフの状態で、タイミング信号φ3によってオンしたスイッチ15Cを介してキャパシタ16Fに供給され、タイミング信号φ3によってスイッチ15Cがオフすることによりその直前のキャパシタ16Fの電圧値がサンプルホールドされる。
The n-th sampling value amplified by the
このとき、n+2回目のサンプリングタイミングにおいて、タイミング信号φ4によってスイッチ15Dがオンすることによりキャパシタ16Dに保存されたn回目のサンプリング値が、コンパレータ17Aの反転入力端子に入力される。そして、n+3回目のサンプリングタイミングにおいて、タイミング信号φ4に従ってスイッチ信号15Dがオフする。同様に、n+3回目のサンプリングタイミングにおいて、タイミング信号φ5によってスイッチ15Eがオンすることによりキャパシタ16Eに保存されたn+1回目のサンプリング値が、コンパレータ17Aの反転入力端子に入力される。そして、n+4回目のサンプリングタイミングにおいて、タイミング信号φ5に従ってスイッチ信号15Eがオフする。同様に、n+4回目のサンプリングタイミングにおいて、タイミング信号φ6によってスイッチ15Fがオンすることによりキャパシタ16Fに保存されたn+2回目のサンプリング値が、コンパレータ17Aの反転入力端子に入力される。そして、n+5回目のサンプリングタイミングにおいて、タイミング信号φ6に従ってスイッチ信号15Fがオフする。つまり、コンパレータ17Aの反転入力端子には、現在から2周期前のインダクタ電流のサンプリング値が入力される(図5(l))。なお、現在からn周期前のインダクタ電流のサンプリング値をコンパレータ17Aの反転入力端子に入力させる場合には、図4に示される構成と同様に、n+1個のキャパシタ16を設けて、それらの両端にスイッチ15を設ければよい。
At this time, at the (n + 2) th sampling timing, the switch 15D is turned on by the timing signal φ4, whereby the nth sampling value stored in the capacitor 16D is input to the inverting input terminal of the
一方、誤差増幅器8は、出力電圧VOUTの積分値を出力する(図5(f))。ランプ信号発生回路9からのランプ信号をオペアンプ10A及びカレントミラー回路10Bによって電流変換した後に抵抗器10Cによって変換された電圧値と誤差増幅器8の出力値とが加算された重畳信号(e)が、コンパレータ17Aの非反転入力端子に入力される。オペアンプ10A,カレントミラー回路10B及び抵抗器10Cが、図1に示される加算器10に相当する。
On the other hand, the
コンパレータ17Aは、キャパシタ16に保存されたサンプリング値((b)(c)(d)のいずれか)と重畳信号(e)とを比較し、そのサンプリング値が重畳信号(e)より小さい場合にはHレベル信号を出力し、そのサンプリング値が重畳信号(e)より大きい場合にはLレベル信号を出力する(図5(g))。このコンパレータ17Aの比較結果に基づいて、ハイサイドのスイッチング素子2Aとローサイドのスイッチング素子2Bの駆動信号が生成される。以下の動作は、実施例1と同様のため、省略する。
The
したがって、上述の実施例2によれば、キャパシタ16に保存された現在から2周期前のサンプリング値((b)(c)(d)のいずれか)を重畳信号(e)と比較することができるので、電流フィードバックと電圧フィードバックの位相ずれを合わせることができるようになる。
Therefore, according to the above-described second embodiment, it is possible to compare the sampling value (any one of (b), (c), and (d)) stored two times before the current stored in the
図6は、昇圧型スイッチング電源200を示した図である。図7は、昇圧型スイッチング電源200の動作を示したタイミングチャートである。実施例1、2と同様の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略又は簡略する。
FIG. 6 is a diagram showing a step-up switching
インダクタ4には、PWM信号(図7(j)(k)参照)に従ってスイッチング素子2がオン/オフされることにより、図7(a)のようにインダクタ電流が流れる。基本動作として、HレベルのPWM信号(j)によりスイッチング素子2Bがオンしている場合にはインダクタ電流は増加し、LレベルのPWM信号(j)によりスイッチング素子2Bがオフしている場合にはインダクタ電流は減少する。
The
インダクタ電流(a)は、電流検出部5によって当該電流の大きさに比例する電圧に変換されてサンプルホールド回路15に入力される。サンプルホールド回路15によってサンプルホールドされたインダクタ電流値のサンプリング値は、実施例1,2と同様の遅延回路16を介して、コンパレータ17の反転入力端子に入力される。
The inductor current (a) is converted into a voltage proportional to the magnitude of the current by the
一方、実施例1,2と同様に、加算器10は、誤差増幅器8からの増幅電圧とランプ信号発生回路9からのランプ信号とを加算した重畳電圧を出力する。加算器10からの重畳電圧は、コンパレータ17の非反転入力端子に入力される。
On the other hand, as in the first and second embodiments, the
コンパレータ17は、実施例1,2と同様に、加算器10からの重畳電圧と遅延回路16を介して保存されたインダクタ電流値のサンプリング値とを比較し、その比較結果を駆動回路13に出力する。コンパレータ17は、遅延回路16によって遅延したサンプリング値(l)と重畳信号(e)とを比較し、そのサンプリング値が重畳信号(e)より小さい場合にはHレベル信号を出力し、そのサンプリング値が重畳信号(e)より大きい場合にはLレベル信号を出力する(図7(g))。駆動回路13は、コンパレータ17の出力電圧レベルに従って、出力電圧VOUTが所定の目標電圧となるようなデューティ比でスイッチング素子2(2A,2B)を駆動する駆動信号(PWM信号)を出力する(図7(j)(k))。駆動回路13の構成は、実施例1,2の駆動回路と同様の構成のため、説明を省略する。その駆動信号に基づきスイッチング素子2のそれぞれがスイッチング動作を行うことによって、基準電源からの入力電圧VINの降圧がなされる。
As in the first and second embodiments, the
つまり、PWM信号に基づき、ローサイドのスイッチング素子2Bがオンし、ハイサイドのスイッチング素子2Aがオフすると、スイッチング素子2Aと2Bとの間の接続点に接続されたインダクタ4に電流が流れ、インダクタ4にエネルギーが蓄積される。そして、PWM信号に基づき、スイッチング素子2Bがオフし、スイッチング素子2Aがオンすると、インダクタ4に蓄積されたエネルギーが、スイッチング素子2Aを介してインダクタ4の出力側に接続された出力コンデンサ6に蓄積される。このようなスイッチング動作をすることによって、平滑された出力電圧VOUTが出力端子7から出力される。なお、スイッチング素子2Aを設けることによって、スイッチング素子2Aに並列接続されたダイオード3による発熱を抑えることができる。また、ダイオード3があれば、電流の流通が可能であるため、スイッチング素子2Aが無い構成であってもよい。
That is, when the low-
したがって、上述の実施例3によれば、遅延回路16によって遅延したサンプリング値(l)を重畳信号(e)と比較することができるので、電流フィードバックと電圧フィードバックの位相ずれを合わせることができるようになる。
Therefore, according to the third embodiment, the sampling value (l) delayed by the
このように、上述の実施例によれば、誤差増幅器8の出力で現在のn回目のスイッチング周期からmスイッチング周期前に検出されたインダクタ電流IL(n−m)を制御することになるので、PWM制御の特性は、
ERROUT=RS×IL(n−m) ・・・(3)
VOUT(n+1)={RS/[ROUT//RLOAD//(1/jωCOUT)]}
×ERROUT(n+m) ・・・(4)
となる(n,mは1以上の整数、且つ、n>m)。つまり、n+m回目のスイッチング周期における誤差増幅器の出力電圧ERROUT(n+m)を用いて、n+1回目のスイッチング周期における出力電圧VOUTが制御されるので、出力電圧VOUTの位相が戻されることになる。
Thus, according to the above-described embodiment, the inductor current IL (n−m) detected before the m switching period from the current nth switching period is controlled by the output of the
ERROUT = R S × IL (nm) (3)
VOUT (n + 1) = {R S / [R OUT /// R LOAD // (1 / jωC OUT )]}
× ERROUT (n + m) (4)
(N and m are integers of 1 or more, and n> m). That is, since the output voltage VOUT in the (n + 1) th switching cycle is controlled using the output voltage ERROUT (n + m) of the error amplifier in the (n + m) th switching cycle, the phase of the output voltage VOUT is returned.
図9は、本実施例に係るスイッチング電源において、キャリア周波数が2MHzの場合のPWM制御のゲイン−フェイズ特性を示した図である。図9(a)は、本実施例に係るスイッチング電源において、誤差増幅器8の出力に対する電源出力VOUTのゲイン特性を示した図である。図8(b)は、本実施例に係るスイッチング電源において、誤差増幅器8の出力に対する電源出力VOUTの位相特性を示した図である。図9内の「delay」とは、電流フィードバック回路の位相を遅らせるための遅延回路16によって遅延される時間(すなわち、遅延回路16の入出力間の遅延時間)を示す。図9(b)に示されるように、遅延回路16によって電流フィードバック回路に遅延時間を設けることによって、位相の遅れを抑えることができる(delay=1μsの場合の位相の遅れは、delay=0μsの場合より小さい)。その結果、電源出力VOUTの安定性を確保することができる。
FIG. 9 is a diagram illustrating a gain-phase characteristic of PWM control when the carrier frequency is 2 MHz in the switching power supply according to the present embodiment. FIG. 9A is a diagram showing the gain characteristic of the power supply output VOUT with respect to the output of the
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added.
例えば、PWM信号生成用のキャリア信号は、ランプ信号に限らず、正弦波信号などの他のキャリア信号でもよい。 For example, the carrier signal for generating the PWM signal is not limited to the ramp signal but may be another carrier signal such as a sine wave signal.
また、上述の実施例では、コンパレータ17において誤差増幅器8の出力値とランプ信号とを加算した加算値と遅延回路16の出力値とを比較した構成であったが、同義の構成として、コンパレータ17において遅延回路16の出力値からランプ信号を減算した減算値と誤差増幅器8の出力値とを比較する構成でもよい。
Further, in the above-described embodiment, the
2,2A,2B スイッチング素子
4 インダクタ
5 電流検出部
8 誤差増幅器
9 ランプ信号発生回路
13 駆動回路
15 サンプルホールド回路
16 遅延回路
17,17A コンパレータ
2, 2A,
Claims (5)
前記インダクタに流れるインダクタ電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段の検出結果を記憶する記憶手段と、
前記出力電圧と所定の基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅手段と、
前記誤差増幅手段の増幅結果又は前記記憶手段に記憶されたm(mは1以上の整数)スイッチング周期前の検出結果のいずれか一方にキャリア信号を重畳させた重畳結果と該キャリア信号が重畳されていないもう一方のものとの比較結果に基づいて、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えることを特徴とする、スイッチング電源装置。 A switching power supply device that includes a switching element and an inductor connected to the switching element, and controls the output voltage by driving the switching element for each switching cycle,
Current detecting means for detecting an inductor current flowing through the inductor;
Storage means for storing the detection result of the current detection means;
Error amplifying means for amplifying an error between the output voltage and a predetermined reference voltage;
The carrier signal is superimposed on the superimposition result obtained by superimposing the carrier signal on either the amplification result of the error amplification means or the detection result before m (m is an integer of 1 or more) stored in the storage means. A switching power supply device comprising: drive signal generation means for generating a drive signal for the switching element based on a comparison result with the other one that is not.
前記スイッチング周期を生み出すクロック信号をセット入力とし、前記比較結果に基づく信号をリセット入力とするフリップフロップを備え、
前記フリップフロップの出力に基づいて前記駆動信号を生成する、請求項1に記載のスイッチング電源装置。 The drive signal generation means includes
A flip-flop having a clock signal that generates the switching period as a set input and a signal based on the comparison result as a reset input,
The switching power supply device according to claim 1, wherein the driving signal is generated based on an output of the flip-flop.
前記インダクタに流れるインダクタ電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段の検出結果が入力される記憶手段と、
前記出力電圧と所定の基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅手段と、
前記記憶手段に記憶されたm(mは1以上の整数)スイッチング周期前の検出結果が入力されるコンパレータと、
前記誤差増幅手段の増幅結果にキャリア信号を重畳させた重畳結果と前記記憶手段に記憶されたm(mは1以上の整数)スイッチング周期前の検出結果との前記コンパレータによる比較結果に基づいて、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えることを特徴とする、スイッチング電源装置。 A switching power supply device that includes a switching element and an inductor connected to the switching element, and controls the output voltage by driving the switching element for each switching cycle,
Current detecting means for detecting an inductor current flowing through the inductor;
Storage means for inputting a detection result of the current detection means;
Error amplifying means for amplifying an error between the output voltage and a predetermined reference voltage;
A comparator to which the detection result before m (m is an integer of 1 or more) stored in the storage means is input;
Wherein m stored in the superimposed result as the storage means for a carrier signal is superimposed on the amplification result of the error amplifying means (m is an integer of 1 or more) based on the comparison result by the comparator and the detection result of the previous switching period, And a drive signal generating means for generating a drive signal for the switching element.
前記インダクタに流れるインダクタ電流を検出する電流検出手段と、
コンパレータと、
前記電流検出手段と前記コンパレータとの間に設けられ、前記電流検出手段の検出結果を記憶する記憶手段と、
前記出力電圧と所定の基準電圧との誤差を増幅する誤差増幅手段と、
前記誤差増幅手段の増幅結果又は前記記憶手段に記憶されたm(mは1以上の整数)スイッチング周期前の検出結果のいずれか一方にキャリア信号を重畳させた重畳結果と該キャリア信号が重畳されていないもう一方のものとの前記コンパレータによる比較結果に基づいて、前記スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、を備えることを特徴とする、スイッチング電源装置。 A switching power supply device that includes a switching element and an inductor connected to the switching element, and controls the output voltage by driving the switching element for each switching cycle,
Current detecting means for detecting an inductor current flowing through the inductor;
A comparator,
A storage unit that is provided between the current detection unit and the comparator and stores a detection result of the current detection unit;
Error amplifying means for amplifying an error between the output voltage and a predetermined reference voltage;
The carrier signal is superimposed on the superimposition result obtained by superimposing the carrier signal on either the amplification result of the error amplification means or the detection result before m (m is an integer of 1 or more) stored in the storage means. A switching power supply device comprising: drive signal generation means for generating a drive signal for the switching element based on a comparison result by the comparator with the other one that is not.
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