JP7572984B2 - Switching Power Supply Unit - Google Patents
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Description
本発明は、主スイッチング素子に流れるスイッチング電流の波高値が基準値を超えないようにする電流制限モードの制御を行う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 controls a current limiting mode so that the peak value of the switching current flowing through the main switching element does not exceed a reference value.
<従来のスイッチング電源装置10>
従来、図6に示すように構成されたスイッチング電源装置10があった。スイッチング電源装置10は、主スイッチング素子12のスイッチング動作によって入力電圧Viを出力電圧Voに変換して負荷14に供給する電力変換回路16を備えている。主スイッチング素子12は、ゲート電圧Vgがハイレベルの時にオンしローレベルの時にオフするNチャネルのMOS型FETで構成され、主スイッチング素子12のオンオフは、主制御回路18によって制御される。
<Conventional switching
Conventionally, there has been a switching
主制御回路18は、主スイッチング素子12のオンオフを制御するパルス電圧であって、所定の時比率でハイレベルとローレベルとを繰り返す駆動パルスVkを出力する回路である。この主制御回路18は2種類の制御を行う。1つは、主スイッチング素子12に流れるスイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithに達しない時、出力電圧Voが目標値Vrに保持されるように駆動パルスVkのハイレベル及びローレベルの時間を決定する制御である[出力電圧安定化モードの制御]。もう1つは、スイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithに達した時、過電流状態だと判断し、出力電圧Voの目標値Vrに関係なく、駆動パルスVkを強制的にハイレベルからローレベルに反転させて出力電圧Voを低下させる制御である[電流制限モードの制御(過電流保護の制御)]。各制御モードの内容については、スイッチング電源装置10の動作を説明する中で詳しく述べる。
The
主制御回路18と主スイッチング素子12との間には駆動パルス伝送路20が設けられており、主制御回路18が出力した駆動パルスVkは、駆動パルス伝送路20を介して主スイッチング素子12のゲートソース間に伝送される。
A drive
駆動パルス伝送路20は、カソードが主制御回路18の出力端に接続されたダイオード22と、ダイオード22の両端に並列接続されたゲート抵抗24と、ダイオード22のアノードと主スイッチング素子12のゲートとの間に接続されたゲート抵抗26と、これらを接続する配線パターンとで構成される。この駆動パルス伝送路20の場合、主スイッチング素子12のゲート電圧Vgをローレベルからハイレベルに上昇させる充電電流が流れる経路(充電経路28)は、主制御回路18の出力端から、ゲート抵抗24及び抵抗26を順に通って主スイッチング素子12のゲートに達する経路となる。また、ゲート電圧Vgをハイレベルからローレベルに低下させる放電電流が流れる経路(放電経路30)は、主スイッチング素子12のゲートから、ゲート抵抗26及びダイオード22を順に通って主制御回路18の出力端に達する経路となる。なお、ゲート抵抗24,26は、ゲート電圧Vgの変化速度を調整するための抵抗素子であり、抵抗値は非常に小さい値に設定される。
The drive
次に、スイッチング電源装置10の動作を説明する。電力変換回路16がフライバックコンバータ(以下、FBコンバータ)の場合、スイッチング電源装置10は、図7(a)及び図8(a)~(c)に示す動作を行う。
Next, the operation of the switching
動作点Aは、負荷14が正常な時(インピーダンスが高い時)の動作点であり、出力電流Ioが規定値よりも小さくスイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithに達しないので、主制御回路18は、出力電圧Voが目標値Vrに保持されるようにする出力電圧安定化モードの制御を行う。つまり、出力電圧Voが目標値Vrに保持されるためにはゲート電圧Vgのハイレベルの時間t(Vgh)がTaである必要があるので、駆動パルスVkのハイレベルの時間t(Vkh)がTaに制御される。
Operating point A is the operating point when the
負荷14に何らかの異常が発生してインピーダンスが少し低下すると、出力電流Ioが少し増加し、動作点Bでスイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithとほぼ等しくなる。この動作点Bでは、出力電圧Voがほぼ目標値Vrなので、動作点Aと同様に、時間t(Vkh),t(Vgh)がTb≒Taに制御される。
When some abnormality occurs in the
動作点Bからさらに負荷14のインピーダンスが低下すると、出力電流Ioが増加してスイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithを超えようとするので、主制御回路18は、スイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithを超えるのを阻止する電流制限モードの制御を開始し、時間t(Vkh),t(Vgh)が徐々に短くなる。そして、動作点C(Vo=Vc<Vr)では、時間t(Vkh),t(Vgh)がTc<Tbに制御され、動作点D(Vo=Vd<Vc)では時間t(Vkh),t(Vgh)がTd<Tcに制御される。出力電流Ioは、動作点Bから動作点Dまでの間、Vo-Io特性が概ね定電力カーブ(Vo・Io≒一定)になるように制限される。
When the impedance of the
動作点Dでは、時間t(Vkh),t(Vgh)がTd=Tminとなっている。Tminは、主制御回路18が出力する駆動パルスVkの最小パルス幅(ハイレベルの時間の最小値)である。ここで、最小パルス幅Tminについて簡単に説明する。
At operating point D, times t(Vkh) and t(Vgh) are Td = Tmin. Tmin is the minimum pulse width (minimum value of high level time) of the drive pulse Vk output by the
主制御回路18は、例えば市販品のカレントモードPWM制御ICを用いて構成することができるが、カレントモードPWM制御ICは、リーディングエッジブランキング機能を備えている場合が少なくない。リーディングエッジブランキング機能は、スイッチング電流Iswが流れ始めた時、電流検出用のコンパレータにヒゲ状のスイッチングノイズが侵入して制御系が誤動作するのを防止する機能であり、駆動パルスVkがローレベルからハイレベルに転じた直後の数十nsec~数百nsec程度の期間(ブランキング期間)、コンパレータの出力に関係なく駆動パルスVkをハイレベルに保持する動作を行う。したがって、主制御回路18がリーディングエッジブランキング機能を備えている場合、ブランキング期間が最小パルス幅Tminの主要因となる。また、使用する制御ICがリーディングエッジブランキング機能を備えていない場合でも、スイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithに達したことを検出した後、駆動パルスVkがハイレベルからローレベルに反転するまでの遅延時間が最小パルス幅Tminとなる。
The
動作点Dから負荷14のインピーダンスがさらに低下すると、出力電流Ioが増加しようとするが、主制御回路18は時間t(Vkh),t(Vgh)をTe=Tminより短くすることができず、電流制限モードの制御が不能になる。つまり、動作点E(Vo=Ve<Vd)で電流制限モードの制御が成立するためには、時間t(Vgh)がTe<Td=Tminとなることが条件になるが、主制御回路18は、時間t(Vkh),t(Vgh)を最小パルス幅Tminよりも短くすることができないので、スイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithを超えて大きく増加し、出力電流Ioが定電力カーブから外れて急増してしまう。
When the impedance of the
出力電流Ioがこれほど急増すると、電力変換回路16を構成する各素子の発熱が想定以上に大きくなり、さらには、スイッチング動作を行う各部のパワー半導体に過大なサージ電圧が発生する。そのため、各部品の放熱性を向上させたり、サージ電圧を吸収するスナバ回路を大幅に強化したりする等の特別な対策を行って、スイッチング電源装置10の安全を確保しなければならない。勿論、負荷14に過大な出力電流Ioが供給されることになるので、負荷14の安全性も懸念される。
When the output current Io increases so rapidly, the elements that make up the
ここまで、スイッチング電源装置10の電力変換回路16がFBコンバータの場合の動作を説明したが、電力変換回路16がシングルエンディッドフォワードコンバータ(以下、SFコンバータ)の場合も、類似した動作になる。SFコンバータの場合、スイッチング電源装置10のVo-Io特性は図7(b)のように表され、動作点A~Eの動作波形は図8(a)~(c)とほぼ同じになる。
So far, we have explained the operation when the
SFコンバータの場合、FBコンバータの場合と異なり、動作点Bから動作点Dまでの間、出力電流Ioは、Vo-Io特性がほぼ定電流カーブ(Io≒一定)になるように制限される。しかし、動作点Dからさらに負荷14のインピーダンスが低下すると、主制御回路18の最小パルス幅Tminが原因で電流制限モードの制御が不能になるという点は同じであり、動作点E(Vo=Ve<Vd)では、スイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithを超えて大きく増加し、出力電流Ioが定電流カーブから外れて急増してしまう。したがって、電力変換回路16がSFコンバータの場合も、スイッチング電源装置10に特別な安全対策が必要であり、負荷14の安全性も懸念される。
In the case of an SF converter, unlike the case of an FB converter, the output current Io is limited so that the Vo-Io characteristic is an almost constant current curve (Io ≒ constant) between operating points B and D. However, if the impedance of the
以上のように、従来のスイッチング電源装置10は、出力電圧Voが大きく低下した時、主制御回路18が駆動パルスVkのハイレベルの時間t(Vkh)を最小パルス幅Tmin以下にすることができず、ゲート電圧のハイレベルの時間t(Vgh)も最小パルス幅Tmin以下にならないので、電流制限モードの制御(過電流保護の制御)が不能になってしまうという問題があった。
As described above, in the conventional
<従来のスイッチング電源装置32>
その他従来、図9に示すように構成されたスイッチング電源装置32があった。スイッチング電源装置32は、上記のスイッチング電源装置10と同様の電力変換回路16及び主制御回路18を備えており、スイッチング電源装置10と異なるのは、上記の駆動パルス伝送路20と異なる構成の駆動パルス伝送路34が設けられている点である。
<Conventional switching
Another conventional switching
駆動パルス伝送路34は、NPNトランジスタ38とPNPトランジスタ40とを組み合わせたトーテムポール型のバッファ回路で成り、NPNトランジスタ38は、コレクタが抵抗36を介して直流電圧Vccに接続され、ベースが主制御回路18の出力端に接続され、エミッタが主スイッチング素子12のゲートに接続されており、PNPトランジスタ40は、ベースが主制御回路18の出力端に接続され、エミッタが主スイッチング素子12のゲートに接続され、コレクタがグランドラインに接続されている。駆動パルス伝送路34の場合、主制御回路18が出力する駆動パルスVkは、トランジスタ38,40の各ベースエミッタ間のPN接合を介して主スイッチング素子12のゲートソース間に伝送されることになる。そして、主制御回路18の出力段の電流容量でゲート電圧Vgを高速変化させることが難しい場合でも(例えば、主スイッチング素子12のゲートソース間の寄生容量が非常に大きい時でも)、主制御回路18に代わってトランジスタ38,40が大きなコレクタ電流を流すことでゲート電圧Vgを高速変化させることができ、ゲート電圧Vg及び駆動パルスVkをほぼ相似な矩形波にすることが可能になる。
The drive
その他、駆動パルス伝送路34には、抵抗36の両端に接続されたスイッチ素子42と、スイッチ素子42のオンオフを制御するスイッチ素子制御回路44とが設けられている。スイッチ素子制御回路44は、出力電圧Voを検出し、出力電圧Voが所定の値Vx(Vd<Vx<Vc)よりも高い時にスイッチ素子42をオン状態とし、低い時にスイッチ素子42をオフ状態にする制御を行う。
In addition, the drive
この駆動パルス伝送路34の場合、主スイッチング素子12のゲート電圧Vgをローレベルからハイレベルに上昇させる充電電流が流れる経路(充電経路46)は、実質的に、電源電圧Vccから、抵抗36及びスイッチ素子42の並列回路とNPNトランジスタ38とを順に通って主スイッチング素子12のゲートに達する経路となる。また、ゲート電圧Vgをハイレベルからローレベルに低下させる放電電流が流れる経路(放電経路48)は、実質的に、主スイッチング素子12のゲートから、PNPトランジスタ40を通ってグランドラインに達する経路となる。
In the case of this drive
なお、抵抗36は、NPNトランジスタ38が流すコレクタ電流を大幅に制限する働きをする素子であり、抵抗値は、一般的なゲート抵抗(例えば、スイッチング電源装置10のゲート抵抗24,26)よりも大きい値に設定される。詳しくは、スイッチング電源装置32の動作説明の中で述べる。
The
次に、スイッチング電源装置32の動作を説明する。電力変換回路16がFBコンバータの場合、スイッチング電源装置32は、図10(a)及び図11(a)~(c)に示す動作を行う。動作点A~Cは、出力電圧Voが所定の値Vxよりも高くてスイッチ素子42がオンしており、抵抗36は回路動作に寄与しない。したがって、スイッチング電源装置32の動作は、上記のスイッチング電源装置10とほぼ同じになる。しかし、出力電圧Voが所定の値Vxよりも低下した動作点Dでは、スイッチ素子42がオフし、動作波形が図11(b)のように変化する。
Next, the operation of the
ここで、図11(b)に表した駆動パルスVkがハイレベルの時間t(Vkh)とゲート電圧Vgがハイレベルの時間t(Vgh)とを正確に定義する。前者の時間t(Vkh)は、主制御回路18が駆動パルスVkをハイレベルにしようとしている時間であり、駆動パルスVkが上昇し始めた時からローレベルに転じるまでの時間となる。一方、後者の時間t(Vgh)は、主スイッチング素子12がオンする時間のことであり、スイッチング電流Iswが流れる時間と等価である。この定義は、先に説明した図8(b)においても同様に当てはまるものである。
Here, we precisely define the time t(Vkh) when the drive pulse Vk is at a high level and the time t(Vgh) when the gate voltage Vg is at a high level shown in FIG. 11(b). The former time t(Vkh) is the time when the
動作点Dでは、抵抗36によってNPNトランジスタ38が流すコレクタ電流(主スイッチング素子12のゲートソース間の充電電流)が大幅に制限される。そして、駆動パルスVkがローレベルからハイレベルに転じた後、ゲート電圧Vgが緩やかに上昇し、遅れ時間Txが経過した時に主スイッチング素子12のゲート閾値電圧Vthに達し、主スイッチング素子12がオンしてスイッチング電流Iswが流れる。したがって、動作点Dでは、ゲート電圧Vgがハイレベルの時間t(Vgh)がTd=Tminとなり、駆動パルスVkがハイレベルの時間t(Vkh)は、最小パルス幅Tminよりも長いTx+Tdとなる。つまり、動作点D(Vo=Vd)で電流制限モードの制御が成立するためには、時間T(Vgh)がTd=Tminとなることが条件になるが、主制御回路18は、時間t(Vkh)を最小パルス幅Tminよりも長い時間Tx+Tdに制御すればよいので、電流制限モードの制御を適切に実行することができる。
At the operating point D, the collector current (the charging current between the gate and source of the main switching element 12) flowing through the
さらに、動作点E(Vo=Ve<Vd)では、ゲート電圧Vgがハイレベルの時間t(Vgh)がTe<Td=Tminとなり、駆動パルスVkがハイレベルの時間t(Vkh)が、最小パルス幅Tminよりも長いTx+Teとなる。つまり、動作点E(Vo=Ve<Vd)で電流制限モードの制御が成立するためには、時間t(Vgh)がTe<Td=Tminになることが条件になるが、主制御回路18は、時間t(Vkh)を最小パルス幅Tminよりも長い時間Tx+Teに設定すればよいので、電流制限モードの制御を適切に実行することができる。したがって、出力電流Ioは、動作点Bから動作点Eまでの間、Vo-Io特性が概ね定電力カーブ(Vo・Io≒一定)になるように制限されることになる。
Furthermore, at operating point E (Vo = Ve < Vd), the time t (Vgh) when the gate voltage Vg is at a high level is Te < Td = Tmin, and the time t (Vkh) when the drive pulse Vk is at a high level is Tx + Te, which is longer than the minimum pulse width Tmin. In other words, in order for the current limit mode control to be established at operating point E (Vo = Ve < Vd), the condition is that the time t (Vgh) is Te < Td = Tmin, but the
このように、スイッチング電源装置32は、出力電圧Voが所定の値Vx(Vd<Vx<Vc)より低くなると、スイッチ素子42がオフして遅れ時間Txが発生するので、出力電圧Voが非常に低い動作点D~Eにおいても、電流制限モードの制御(過電流保護の制御)が可能になり、出力電流Ioが定電力カーブから外れて急増するのを回避することができる。
In this way, when the output voltage Vo falls below a predetermined value Vx (Vd<Vx<Vc), the switching
ここまで、スイッチング電源装置32の電力変換回路16がFBコンバータの場合の動作を説明したが、電力変換回路16がSFコンバータの場合も、類似した動作になる。SFコンバータの場合、スイッチング電源装置32のVo-Io特性は図10(b)のように表され、動作点A~Eの動作波形は図11(a)~(c)とほぼ同じになる。そして、SFコンバータの場合もFBコンバータの場合と同様に、出力電圧Voが非常に低い動作点D~Eにおいても、電流制限モードの制御(過電流保護の制御)が可能になり、出力電流Ioが定電流カーブから外れて急増するのを回避することができる。
So far, we have explained the operation when the
以上のように、従来のスイッチング電源装置32によれば、上記のスイッチング電源装置10のような問題(出力電圧Voが大きく低下した時、主制御回路18の最小パルス幅Tminが原因で電流制限モードの制御(過電流保護の制御)が不能になってしまうという問題)を回避することができる。なお、スイッチング電源装置32の構成は、特許文献1に開示されている。
As described above, the conventional
従来のスイッチング電源装置10は、出力電圧Voが大きく低下した時、主制御回路18の最小パルス幅Tminが原因で電流制限モードの制御(過電流保護の制御)が不能になってしまうという問題があり、安全を確保するための特別な対策が必要になる。また、従来のスイッチング電源装置32は、上記のスイッチング電源装置10の問題をある程度は解決できるが、やはり、電源装置の安全確保の面で問題が残る。
The conventional
スイッチング電源装置32の場合、図11(b)、(c)に示すように、動作点D~Eで十分な遅れ時間Txを発生させるため、抵抗値R36を大きい値に設定してゲート電圧Vgの立ち上がりを非常に緩やかにするので、主スイッチング素子12のターンオンの速度が大幅に低下し、クロス損失が非常に大きくなる。しかも、主スイッチング素子12がオンしている間、ゲート電圧Vgがゲート閾値電圧Vthを僅かに超えた電圧に留まるので、主スイッチング素子12のオン抵抗Ronが十分小さくなることができず、オン抵抗Ronによる導通損失も非常に大きくなる。
In the case of the switching
したがって、スイッチング電源装置32においても、出力電圧Voが低下してスイッチ素子42がオフした時、主スイッチング素子12の損失が増加し発熱が想定以上に大きくなるので、スイッチング電源装置32の安全を確保するための特別な対策が必要になる。
Therefore, when the output voltage Vo drops and the
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、主制御回路の最小パルス幅が原因で電流制限モードの制御が不能になってしまうという問題を容易に回避できるシンプルな構成のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above background technology, and aims to provide a switching power supply device with a simple configuration that can easily avoid the problem of the current limit mode becoming uncontrollable due to the minimum pulse width of the main control circuit.
本発明は、主スイッチング素子のスイッチング動作によって入力電圧を所定の出力電圧に変換して負荷に供給する電力変換回路と、前記主スイッチング素子のオンオフを制御するパルス電圧であって、所定の時比率でハイレベルとローレベルとを繰り返す駆動パルスを出力する主制御回路とを備え、前記主スイッチング素子は、自己のゲート電圧がハイレベルの時にオンしローレベルの時にオフするNチャネルのMOS型FETで成り、前記主制御回路が出力する前記駆動パルスが駆動パルス伝送路を介して前記主スイッチング素子のゲートソース間に伝送され、前記主制御回路は、前記主スイッチング素子に流れるスイッチング電流の波高値が基準値に達すると、前記駆動パルスをハイレベルからローレベルに反転させて前記出力電圧を低下させる電流制限モードの制御を行うスイッチング電源装置であって、
前記駆動パルス伝送路には、前記主スイッチング素子のゲート電圧をローレベルからハイレベルに上昇させる充電電流が流れる充電経路と、前記ゲート電圧をハイレベルからローレベルに低下させる放電電流が流れる放電経路と、前記充電経路の中の、前記放電経路の断続に影響しない位置に挿入されて、前記充電経路を断続する補助スイッチング素子と、前記補助スイッチング素子のオンオフを制御する補助制御回路とが設けられ、
前記補助制御回路は、前記駆動パルスがローレベルからハイレベルに転じた後、規定時間が経過した時に前記補助スイッチング素子をオンさせ、前記駆動パルスがハイレベルからローレベルに転じた時に前記補助スイッチング素子をオフさせるスイッチング電源装置である。
The present invention provides a switching power supply device comprising: a power conversion circuit which converts an input voltage into a predetermined output voltage by the switching operation of a main switching element and supplies the output voltage to a load; and a main control circuit which outputs a drive pulse which is a pulse voltage for controlling the on/off of the main switching element and which repeats high and low levels at a predetermined time ratio, the main switching element being an N-channel MOS type FET which is turned on when its gate voltage is at a high level and turned off when it is at a low level, the drive pulse output by the main control circuit being transmitted between the gate and source of the main switching element via a drive pulse transmission path, and the main control circuit controlling a current limit mode which reduces the output voltage by inverting the drive pulse from high to low when the peak value of a switching current flowing through the main switching element reaches a reference value,
The drive pulse transmission path is provided with a charge path through which a charge current flows to raise the gate voltage of the main switching element from a low level to a high level, a discharge path through which a discharge current flows to lower the gate voltage from a high level to a low level, an auxiliary switching element that is inserted in the charge path at a position that does not affect the interruption of the discharge path and interrupts the charge path, and an auxiliary control circuit that controls the on/off of the auxiliary switching element,
The auxiliary control circuit is a switching power supply device that turns on the auxiliary switching element when a specified time has elapsed after the drive pulse changes from a low level to a high level, and turns off the auxiliary switching element when the drive pulse changes from a high level to a low level.
前記主制御回路は、前記スイッチング電流の波高値が前記基準値に達しない時は、前記出力電圧が目標値に保持されるように、前記駆動パルスのハイレベル及びローレベルの時間を決定する出力電圧安定化モードの制御を行い、前記スイッチング電流の波高値が前記基準値に達した時は、前記出力電圧の目標値に関係なく、前記電流制限モードの制御を行う構成にしてもよい。 The main control circuit may be configured to control an output voltage stabilization mode that determines the high and low level times of the drive pulse so that the output voltage is maintained at a target value when the peak value of the switching current does not reach the reference value, and to control the current limit mode regardless of the target value of the output voltage when the peak value of the switching current reaches the reference value.
前記駆動パルス伝送路の前記充電経路の途中の位置、又は前記放電経路の途中の位置、又はその両方に、前記ゲート電圧の変化速度を調節するためのゲート抵抗が挿入されていることが好ましい。 It is preferable that a gate resistor for adjusting the rate of change of the gate voltage is inserted at a position midway along the charging path of the drive pulse transmission line, or at a position midway along the discharging path, or both.
前記補助スイッチング素子は、エミッタが前記主制御回路の出力端に接続され、コレクタが前記充電経路の一端に接続されたPNP型のバイポーラトランジスタで成り、前記補助制御回路は、前記補助スイッチング素子のベースエミッタ間に接続された補助コンデンサとベースコレクタ間に接続された補助抵抗とで構成される。 The auxiliary switching element is a PNP bipolar transistor having an emitter connected to the output terminal of the main control circuit and a collector connected to one end of the charging path, and the auxiliary control circuit is composed of an auxiliary capacitor connected between the base and emitter of the auxiliary switching element and an auxiliary resistor connected between the base and collector.
あるいは、前記補助スイッチング素子は、ソースが前記主制御回路の出力端に接続され、ドレインが前記充電経路の一端に接続されたPチャネルのMOS型FETで成り、前記補助制御回路は、前記補助スイッチング素子のゲートソース間に位置する補助コンデンサと、ゲートドレイン間に接続された補助抵抗とで構成され、前記補助コンデンサは、前記補助スイッチング素子のゲートソース間の寄生容量で成る、又は、前記寄生容量と当該寄生容量に並列接続されたコンデンサ素子とで成る。 Alternatively, the auxiliary switching element is composed of a P-channel MOS FET having a source connected to the output terminal of the main control circuit and a drain connected to one end of the charging path, and the auxiliary control circuit is composed of an auxiliary capacitor located between the gate and source of the auxiliary switching element and an auxiliary resistor connected between the gate and drain, and the auxiliary capacitor is composed of a parasitic capacitance between the gate and source of the auxiliary switching element, or is composed of the parasitic capacitance and a capacitor element connected in parallel to the parasitic capacitance.
本発明のスイッチング電源装置は、駆動パルス伝送路の充電経路の中の所定の位置に補助スイッチング素子を挿入し、この補助スイッチング素子を適切なタイミングでオンさせるという独特な構成を備えているので、主制御回路の最小パルス幅が原因で電流制限モードの制御が不能になってしまうという問題を容易に回避することができる。また、補助スイッチング素子としてPNP型のバイポーラトランジスタやPチャネルのMOS型FETを使用することによって、補助スイッチング素子のオンオフを制御する補助制御回路は、コンデンサ素子や抵抗素子を用いてシンプル且つ安価に構成することができる。 The switching power supply of the present invention has a unique configuration in which an auxiliary switching element is inserted at a specified position in the charging path of the drive pulse transmission line and this auxiliary switching element is turned on at the appropriate timing, so that it is easy to avoid the problem of the current limit mode becoming uncontrollable due to the minimum pulse width of the main control circuit. In addition, by using a PNP type bipolar transistor or a P-channel MOS type FET as the auxiliary switching element, the auxiliary control circuit that controls the on/off of the auxiliary switching element can be constructed simply and inexpensively using capacitor elements and resistor elements.
また、本発明の技術は非常に汎用性が高いものであり、様々な絶縁型コンバータ(フライバックコンバータ、シングルエンディッドフォワードコンバータ、ブリッジコンバータ、プッシュプルコンバータ等)や非絶縁型コンバータ(降圧チョッパ、昇圧チョッパ、昇降圧チョッパ等)に適用することができる。 In addition, the technology of the present invention is highly versatile and can be applied to various isolated converters (flyback converters, single-ended forward converters, bridge converters, push-pull converters, etc.) and non-isolated converters (step-down choppers, step-up choppers, step-up/step-down choppers, etc.).
以下、本発明のスイッチング電源装置の一実施形態について、図1~図5に基づいて説明する。ここで、従来のスイッチング電源装置10と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態のスイッチング電源装置50は、上記の電力変換回路16及び主制御回路18と、上記の駆動パルス伝送路20とは構成が異なる駆動パルス伝送路52とを備えている。
One embodiment of the switching power supply of the present invention will be described below with reference to Figs. 1 to 5. Here, components similar to those of the conventional
駆動パルス伝送路52は、駆動パルス伝送路20と同様の充電経路28、放電経路30及びゲート抵抗24,26を備えており、特徴的なのは、充電経路28の中の、ゲート抵抗24と主制御回路18の出力端との間の位置に補助スイッチング素子54が挿入され、さらに補助スイッチング素子54のオンオフを制御する補助制御回路56が設けられている点である。
The drive
補助制御回路56は、駆動パルスVkがローレベルからハイレベルに転じた後、規定時間Tnが経過した時に補助スイッチング素子54をオンさせ、駆動パルスVkがハイレベルからローレベルに転じた時に補助スイッチング素子54をオフさせる制御を行う回路である。
The
図2に示すように、補助スイッチング素子54は、エミッタが主制御回路18の出力端に接続され、コレクタがゲート抵抗24の一端に接続されたPNP型のバイポーラトランジスタで成り、補助制御回路56は、補助スイッチング素子54のベースエミッタ間に接続された補助コンデンサ58とベースコレクタ間に接続された補助抵抗60とで構成される。補助抵抗60の値は、ゲート抵抗24,26よりも十分大きい。
As shown in FIG. 2, the
図2に示す回路の動作を簡単に説明すると、駆動パルスVkがローレベルの時、補助コンデンサ58の電圧V58はほぼゼロボルトになり、補助スイッチング素子54はオフしている。そして、駆動パルスVkがローレベルからハイレベルに転じると、補助コンデンサ58、補助抵抗60、ゲート抵抗24,26、及び主スイッチング素子12のゲートソース間の寄生容量(図示せず)の経路に電流が流れ、電圧V58が緩やかに上昇する。そして、規定時間Tnが経過した時、電圧V58が補助スイッチング素子54のベースエミッタ間飽和電圧に達し、補助スイッチング素子54が素早くオンする。その後、駆動パルスVkがハイレベルからローレベルに転じると、電圧V58がほぼゼロボルトに低下し、補助スイッチング素子54がオフする。
To briefly explain the operation of the circuit shown in FIG. 2, when the drive pulse Vk is at a low level, the voltage V58 of the
規定時間Tnは、補助コンデンサ58の値及び補助抵抗60の値を変更することによって容易に調整することができる。ただし、補助コンデンサ58の値は、主スイッチング素子12のゲートソース間の寄生容量の値との関係で、ある程度小さい値に設定する点に留意する。補助コンデンサ58の値を大きくし過ぎると、電圧V58が補助スイッチング素子54のベースエミッタ間飽和電圧に達しなくなるからである。
The specified time Tn can be easily adjusted by changing the value of the
次に、スイッチング電源装置50の動作を説明する。電力変換回路50がフライバックコンバータ(以下、FBコンバータ)の場合、スイッチング電源装置50は、図3(a)及び図4(a)~(c)に示す動作を行う。
Next, the operation of the switching
動作点Aは、負荷14が正常な時(インピーダンスが高い時)の動作点であり、出力電流Ioが規定値よりも小さくスイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithに達しないので、主制御回路18は、出力電圧Voが目標値Vrに保持されるようにする出力電圧安定化モードの制御を行う。つまり、出力電圧Voが目標値Vrに保持されるためにはゲート電圧Vgのハイレベルの時間t(Vgh)がTaである必要があるので、駆動パルスVkのハイレベルの時間t(Vkh)がTn+Taに制御される。
Operating point A is the operating point when the
負荷14に何らかの異常が発生してインピーダンスが少し低下すると、出力電流Ioが少し増加し、動作点Bでスイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithとほぼ等しくなる。この動作点Bでは、出力電圧Voがほぼ目標値Vrなので、動作点Aと同様に、時間t(Vgh)がTb≒Taになるように、時間t(Vkh)がTn+Tb≒Tn+Taに制御される。
When some abnormality occurs in the
動作点Bからさらに負荷14のインピーダンスが低下すると、出力電流Ioが増加してスイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithを超えようとするので、主制御回路18は、スイッチング電流Iswの波高値が基準値Ithを超えるのを阻止する電流制限モードの制御を開始し、時間t(Vkh),t(Vgh)が徐々に短くなる。そして、動作点C(Vo=Vc<Vr)では、t(Vgh)がTc<Tbになるようにt(Vkh)がTn+Tcに制御され、動作点D(Vo=Vd<Vc)では、時間t(Vgh)がTd<Tcになるように時間t(Vkh)がTn+Tdに制御される。
When the impedance of the
動作点Dでは、時間t(Vgh)がTd=Tminとなり、時間t(Vkh)は、最小パルス幅Tminよりも長いTn+Tdとなる。つまり、動作点D(Vo=Vd)で電流制限モードの制御が成立するためには、時間T(Vgh)がTd=Tminとなることが条件になるが、主制御回路18は、時間t(Vkh)を最小パルス幅Tminよりも長い時間Tn+Tdに制御すればよいので、電流制限モードの制御を適切に実行することができる。
At operating point D, time t(Vgh) is Td=Tmin, and time t(Vkh) is Tn+Td, which is longer than the minimum pulse width Tmin. In other words, in order for current limit mode control to be established at operating point D (Vo=Vd), time T(Vgh) must be Td=Tmin, but the
さらに、動作点E(Vo=Ve<Vd)では、時間t(Vgh)がTe<Td=Tminとなり、時間t(Vkh)が、最小パルス幅Tminよりも長いTn+Teとなる。つまり、動作点E(Vo=Ve<Vd)で電流制限モードの制御が成立するためには、時間t(Vgh)がTe<Td=Tminとなることが条件になるが、主制御回路18は、時間t(Vkh)を最小パルス幅Tminよりも長い時間Tn+Teに制御すればよいので、電流制限モードの制御を適切に実行することができる。したがって、出力電流Ioは、動作点Bから動作点Eまでの間、Vo-Io特性が概ね定電力カーブ(Vo・Io≒一定)になるように制限されることになる。
Furthermore, at operating point E (Vo=Ve<Vd), time t(Vgh) is Te<Td=Tmin, and time t(Vkh) is Tn+Te, which is longer than the minimum pulse width Tmin. In other words, in order for current limit mode control to be established at operating point E (Vo=Ve<Vd), time t(Vgh) must be Te<Td=Tmin, but the
このように、スイッチング電源装置50は、駆動パルスVkがハイレベルに転じた後、規定時間Tnが経過した時にゲート電圧Vgがハイレベルに転じる構成になっているので、出力電圧Voが非常に低い動作点D~Eにおいても、電流制限モードの制御(過電流保護の制御)が可能になり、出力電流Ioが定電力カーブから外れて急増するのを回避することができる。また、スイッチング電源50は、動作点D~Eにおいてもゲート電圧Vgの立ち上がりは非常に急峻で、素早くゲート閾値電圧Vthを通過して高い電圧に達するので、従来のスイッチング電源装置32のような問題(動作点D~Eで主スイッチング素子12のクロス損失や導通損失が急増するという問題)は発生しない。
In this way, the switching
なお、規定時間Tnの長さは、最小パルス幅Tminの長さやその他の事情に鑑みて個別に設定されるが、例えば、1/2・Tmin≦Tn≦2・Tminの範囲に設定することが好ましい。上述した動作点D,Eの説明から分かるように、規定時間Tnを長くしてTn>Tminにすれば、出力電圧Voがほぼゼロボルトに低下するまで、電流制限モードの制御が可能になる。しかし、規定時間Tnを長くし過ぎると、主スイッチング素子12の最大オン時間(時間t(Vgh)の最大値)が実質的に短くなり、例えば「入力電圧Viが低い時に出力電圧安定化モードの制御が不能になる」等の別の弊害が生じる可能性があるので、規定時間Tnは、Tn≦2・Tminの範囲に設定することが好ましい。また、規定時間Tnを短くしてTn<Tminにすると、出力電圧Voがゼロボルト付近まで低下した時に電流制限モードの制御が不能になるケースが想定されるが、規定時間TnがTn≧1/2・Tminの範囲であれば、電流制限モードの制御が不能になったとしても、出力電流Ioの増加量は大幅に抑えられる。
The length of the specified time Tn is set individually in consideration of the length of the minimum pulse width Tmin and other circumstances, but it is preferable to set it in the range of 1/2·Tmin≦Tn≦2·Tmin, for example. As can be seen from the explanation of the operating points D and E above, if the specified time Tn is extended to Tn>Tmin, control of the current limit mode becomes possible until the output voltage Vo drops to almost zero volts. However, if the specified time Tn is set too long, the maximum on-time (maximum value of the time t(Vgh)) of the
ここまで、スイッチング電源装置50の電力変換回路16がFBコンバータの場合の動作を説明したが、電力変換回路16がSFコンバータの場合も、類似した動作になる。SFコンバータの場合、スイッチング電源装置50のVo-Io特性は図3(b)のように表され、動作点A~Eの動作波形は図4(a)~(c)とほぼ同じになる。そして、SFコンバータの場合もFBコンバータの場合と同様に、出力電圧Voが非常に低い動作点D~Eにおいても、電流制限モードの制御(過電流保護の制御)が可能になり、出力電流Ioが定電流カーブから外れて急増するのを回避することができる。また、従来のスイッチング電源装置32のような問題(動作点D~Eで主スイッチング素子12のクロス損失や導通損失が急増するという問題)も発生しない。
So far, we have explained the operation of the switching
以上説明したように、スイッチング電源装置50は、駆動パルス伝送路52の所定の位置に補助スイッチング素子54を挿入し、補助スイッチング素子54を適切なタイミングでオンさせるという独特な構成を備えているので、主制御回路18の最小パルス幅Tminが原因で電流制限モードの制御が不能になってしまうという問題を容易に回避することができる。また、補助スイッチング素子54をPNP型のバイポーラトランジスタ54を使用しているので、補助スイッチング素子54のオンオフを制御する補助制御回路56を、補助コンデンサ58及び補助抵抗60を用いてシンプル且つ安価に構成することができ、規定時間Tnの設定の容易に変更することができる。
As described above, the switching
なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、補助スイッチング素子及び補助制御回路の構成は、図2に示す補助スイッチング素子54及び補助制御回路56とは異なる構成にすることができる。図2では、補助スイッチング素子54をPNP型のバイポーラトランジスタとし、補助制御回路56を補助コンデンサ58及び補助抵抗60で構成しているが、例えば図5(a)に示すように、補助スイッチング素子54をPチャネルのMOS型FETに置き換えることも可能であり、ほぼ同様の動作を行うことができる。この場合、補助コンデンサ58は、MOS型FETのゲートソース間の寄生容量58aとこれに並列接続されたコンデンサ素子58bとで構成されることになる。また、条件が合えば、補助コンデンサ58を寄生容量58aだけで構成し、コンデンサ素子58bを削除して部品点数を減らすことも可能である。
The switching power supply of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the configuration of the auxiliary switching element and the auxiliary control circuit can be different from that of the
補助スイッチング素子は、充電経路の中の、放電経路の断続に影響しない位置に挿入されて、充電経路を断続するものである。したがって、スイッチング電源装置50の場合、図1に示すように、補助スイッチング素子54をゲート抵抗24の一端であるP1点に挿入している。ゲート抵抗26の一端であるP3点やゲート抵抗26の他端であるP4点に挿入すると、補助スイッチング素子54のオンオフが放電経路30の断続にも影響するので、P3点やP4点に挿入することはできない。
The auxiliary switching element is inserted at a position in the charging path that does not affect the on/off of the discharging path, and interrupts the charging path. Therefore, in the case of the switching
駆動パルス伝送路には、主スイッチング素子のゲート電圧の変化速度を調節するため、ゲート抵抗を設けることが好ましい。ゲート抵抗は、主スイッチング素子のスイッチング速度を一定以下に抑えてスイッチングノイズを低減させることを主目的とする抵抗であり、抵抗値は、従来のスイッチング電源装置32の抵抗36のような大きい値に設定されるものではない。
It is preferable to provide a gate resistor in the drive pulse transmission path to adjust the rate of change of the gate voltage of the main switching element. The gate resistor is a resistor whose main purpose is to suppress the switching speed of the main switching element below a certain level and reduce switching noise, and its resistance value is not set to a large value like
また、ゲート抵抗は、駆動パルス伝送路の前記充電経路の途中の位置、又は前記放電経路の途中の位置、又はその両方に挿入することができる。例えば、スイッチン電源装置50の場合、図1に示すように、充電電流だけが流れる経路にゲート抵抗24が挿入され、充電電流と放電電流の両方が流れる経路にゲート抵抗26が挿入されているが、この回路構成は図5(b)に示す回路構成と実質的に同じなので、当然、本発明の技術的範囲に含まれるものである。なお、ゲート抵抗は、必要なければ全て削除してもよい。
The gate resistor can be inserted at a position in the middle of the charging path of the drive pulse transmission line, or at a position in the middle of the discharging path, or both. For example, in the case of a switching
上記のスイッチング電源装置50の説明の中で、スイッチング電源装置50は定電圧電源であり、電流制限モードの制御は過電流保護の制御として行われる説明した。その他の形態として、例えば図3(b)に示すVo-Io特性の中の定電流カーブの領域(動作点B~Eの領域)を利用して定電流電源を構成することも可能であり、非常に低い出力電圧Voまで良好な定電流特性を得ることができる。なお、定電流電源を構成する場合、出力電圧安定化モードの制御は必須ではない。
In the above explanation of the switching
その他、電力変換回路は、フライバックコンバータ、シングルエンディッドフォワードコンバータ以外に、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータ、プッシュプルコンバータ等の絶縁型のコンバータでもよく、降圧チョッパ、昇圧チョッパ、昇降圧チョッパ等の非絶縁型コンバータであってもよい。本発明は非常に汎用性が高い技術であり、様々な方式のスイッチングコンバータに適用することができ、同様の作用効果を得ることができる。 In addition to the flyback converter and single-ended forward converter, the power conversion circuit may be an isolated converter such as a half-bridge converter, a full-bridge converter, or a push-pull converter, or a non-isolated converter such as a step-down chopper, a step-up chopper, or a step-up/step-down chopper. The present invention is a highly versatile technology that can be applied to various types of switching converters and can achieve the same effects.
10,32,50 スイッチング電源装置
12 主スイッチング素子
16 電力変換回路
18 主制御回路
24,26 ゲート抵抗
28 充電経路
30 放電経路
52 駆動パルス伝送路
54 補助スイッチング素子
56 補助制御回路
58 補助コンデンサ
60 補助抵抗
A~E 動作点
Ith 基準値
Isw スイッチング電流
Tmin 最小パルス幅
Tn 規定時間
t(Vgh) ゲート電圧のハイレベルの時間
t(Vhk) 駆動パルスのハイレベルの時間
Vg ゲート電圧
Vi 入力電圧
Vk 駆動パルス
Vo 出力電圧
Vr 目標値
10, 32, 50 Switching
Ith reference value
Isw Switching current
Tmin Minimum pulse width
Tn: Specified time
t(Vgh) Gate voltage high level time
t(Vhk) High level time of the drive pulse
Vg Gate voltage
Vi input voltage
Vk drive pulse
Vo output voltage
Vr target value
Claims (4)
前記主スイッチング素子は、自己のゲート電圧がハイレベルの時にオンしローレベルの時にオフするNチャネルのMOS型FETで成り、前記主制御回路が出力する前記駆動パルスが駆動パルス伝送路を介して前記主スイッチング素子のゲートソース間に伝送され、
前記主制御回路は、前記主スイッチング素子に流れるスイッチング電流の波高値が基準値に達すると、前記駆動パルスをハイレベルからローレベルに反転させて前記出力電圧を低下させる電流制限モードの制御を行うスイッチング電源装置において、
前記駆動パルス伝送路には、前記主スイッチング素子のゲート電圧をローレベルからハイレベルに上昇させる充電電流が流れる充電経路と、前記ゲート電圧をハイレベルからローレベルに低下させる放電電流が流れる放電経路と、前記充電経路の中の、前記放電経路の断続に影響しない位置に挿入されて、前記充電経路を断続する補助スイッチング素子と、前記補助スイッチング素子のオンオフを制御する補助制御回路とが設けられ、
前記補助スイッチング素子は、エミッタが前記主制御回路の出力端に接続され、コレクタが前記充電経路の一端に接続されたPNP型のバイポーラトランジスタで成り、
前記補助制御回路は、前記補助スイッチング素子のベースエミッタ間に接続された補助コンデンサとベースコレクタ間に接続された補助抵抗とで構成され、
前記補助制御回路は、前記駆動パルスがローレベルからハイレベルに転じた後、規定時間が経過した時に前記補助スイッチング素子をオンさせ、前記駆動パルスがハイレベルからローレベルに転じた時に前記補助スイッチング素子をオフさせることを特徴とするスイッチング電源装置。 a power conversion circuit that converts an input voltage into a predetermined output voltage by the switching operation of a main switching element and supplies the output voltage to a load; and a main control circuit that outputs a drive pulse that is a pulse voltage for controlling the on/off of the main switching element and that repeats high and low levels at a predetermined time ratio;
The main switching element is an N-channel MOS FET that is turned on when its gate voltage is at a high level and turned off when its gate voltage is at a low level, and the drive pulse output by the main control circuit is transmitted between the gate and source of the main switching element via a drive pulse transmission line,
a main control circuit performing a current limiting mode control in which the drive pulse is inverted from a high level to a low level to reduce the output voltage when a peak value of a switching current flowing through the main switching element reaches a reference value,
The drive pulse transmission path is provided with a charge path through which a charge current flows to raise the gate voltage of the main switching element from a low level to a high level, a discharge path through which a discharge current flows to lower the gate voltage from a high level to a low level, an auxiliary switching element that is inserted in the charge path at a position that does not affect the interruption of the discharge path and interrupts the charge path, and an auxiliary control circuit that controls the on/off of the auxiliary switching element,
the auxiliary switching element is a PNP bipolar transistor having an emitter connected to an output terminal of the main control circuit and a collector connected to one end of the charging path,
the auxiliary control circuit is composed of an auxiliary capacitor connected between a base and an emitter of the auxiliary switching element and an auxiliary resistor connected between a base and a collector of the auxiliary switching element,
the auxiliary control circuit turns on the auxiliary switching element when a specified time has elapsed after the drive pulse changes from a low level to a high level, and turns off the auxiliary switching element when the drive pulse changes from a high level to a low level.
前記主スイッチング素子は、自己のゲート電圧がハイレベルの時にオンしローレベルの時にオフするNチャネルのMOS型FETで成り、前記主制御回路が出力する前記駆動パルスが駆動パルス伝送路を介して前記主スイッチング素子のゲートソース間に伝送され、The main switching element is an N-channel MOS FET that is turned on when its gate voltage is at a high level and turned off when its gate voltage is at a low level, and the drive pulse output by the main control circuit is transmitted between the gate and source of the main switching element via a drive pulse transmission line,
前記主制御回路は、前記主スイッチング素子に流れるスイッチング電流の波高値が基準値に達すると、前記駆動パルスをハイレベルからローレベルに反転させて前記出力電圧を低下させる電流制限モードの制御を行うスイッチング電源装置において、a main control circuit performing control of a current limiting mode in which the drive pulse is inverted from a high level to a low level to reduce the output voltage when a peak value of a switching current flowing through the main switching element reaches a reference value,
前記駆動パルス伝送路には、前記主スイッチング素子のゲート電圧をローレベルからハイレベルに上昇させる充電電流が流れる充電経路と、前記ゲート電圧をハイレベルからローレベルに低下させる放電電流が流れる放電経路と、前記充電経路の中の、前記放電経路の断続に影響しない位置に挿入されて、前記充電経路を断続する補助スイッチング素子と、前記補助スイッチング素子のオンオフを制御する補助制御回路とが設けられ、The drive pulse transmission path is provided with a charge path through which a charge current flows to raise the gate voltage of the main switching element from a low level to a high level, a discharge path through which a discharge current flows to lower the gate voltage from a high level to a low level, an auxiliary switching element that is inserted in the charge path at a position that does not affect the interruption of the discharge path and interrupts the charge path, and an auxiliary control circuit that controls the on/off of the auxiliary switching element,
前記補助スイッチング素子は、ソースが前記主制御回路の出力端に接続され、ドレインが前記充電経路の一端に接続されたPチャネルのMOS型FETで成り、the auxiliary switching element is a P-channel MOS type FET having a source connected to an output terminal of the main control circuit and a drain connected to one end of the charging path,
前記補助制御回路は、前記補助スイッチング素子のゲートソース間に位置する補助コンデンサと、ゲートドレイン間に接続された補助抵抗とで構成され、前記補助コンデンサは、前記補助スイッチング素子のゲートソース間の寄生容量で成る、又は、前記寄生容量と当該寄生容量に並列接続されたコンデンサ素子とで成り、the auxiliary control circuit is composed of an auxiliary capacitor located between a gate and a source of the auxiliary switching element, and an auxiliary resistor connected between the gate and the drain, the auxiliary capacitor being composed of a parasitic capacitance between the gate and the source of the auxiliary switching element, or being composed of the parasitic capacitance and a capacitor element connected in parallel to the parasitic capacitance;
前記補助制御回路は、前記駆動パルスがローレベルからハイレベルに転じた後、規定時間が経過した時に前記補助スイッチング素子をオンさせ、前記駆動パルスがハイレベルからローレベルに転じた時に前記補助スイッチング素子をオフさせることを特徴とするスイッチング電源装置。the auxiliary control circuit turns on the auxiliary switching element when a specified time has elapsed after the drive pulse changes from a low level to a high level, and turns off the auxiliary switching element when the drive pulse changes from a high level to a low level.
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