JP4807142B2 - DC / DC converter - Google Patents
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Description
本発明は、DC/DCコンバータに係り、詳しくは電流モード制御を行うDC/DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC / DC converter, and more particularly to a DC / DC converter that performs current mode control.
DC/DCコンバータ(スイッチング電源)の制御方式として電圧モード制御と電流モード制御とがある。電流モード制御の場合、電圧モード制御に比較してライン・レギュレーションが良好になる。従来、電流モード制御を行うDC/DCコンバータが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。このDC/DCコンバータは、一次−二次間が絶縁されたトランスを備え、一次回路に主スイッチを設けたフォワード型DC/DCコンバータであり、前記トランスに補助巻線を設け、この補助巻線に電圧検出回路を接続し、この電圧検出回路に誤差アンプを設けてある。そして、前記一次回路のピーク電流を検出してスイッチングのオン期間を決めるピーク電流モード制御を行い、前記誤差アンプの出力を利用して、出力電圧の基準電圧に正帰還をかけることで出力電圧の負荷電流補正を行う。
DC/DCコンバータで電流モード制御を行う場合、リアクトル電流を測定する必要がある。しかし、制御周期と比較して電流検出回路の遅れ時間が大きい場合、制御を行う時点での正しい電流値が分からないため制御が不安定になることがある。制御周期を短くせずに制御を行えば、制御が不安定になるのを避けることはできるが、制御周期が長くなればなるほどピーク電流値が大きくなり、コンバータに使用するチョークコイルや平滑コンデンサが大型化してコンバータを小型化することが困難になる。 When performing current mode control with a DC / DC converter, it is necessary to measure the reactor current. However, when the delay time of the current detection circuit is large compared to the control cycle, the control may become unstable because the correct current value at the time of control is not known. If control is performed without shortening the control cycle, it is possible to avoid instability of the control, but the longer the control cycle, the larger the peak current value, and the more the choke coil and smoothing capacitor used in the converter become. It becomes difficult to reduce the size of the converter by increasing the size.
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、制御周期を短くしても制御が不安定になるのを抑制することができ、コンバータの小型化を図ることができるDC/DCコンバータを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to suppress unstable control even when the control cycle is shortened, and to reduce the size of the converter. It is to provide a DC / DC converter capable of
前記の目的を達成するため請求項1に記載の発明は、スイッチング素子のスイッチング制御を電流モード制御で行うDC/DCコンバータである。そして、コイルに流れる電流量を検出する電流検出手段と、入力電圧、出力電圧、前記コイルに流れる電流値、前記スイッチング素子のデューティ及び前記コイルの電流重畳特性から電流変動値を演算し、前記電流変動値から検出電流値を差し引いた電流値変動分を出力する演算手段と、前記電流検出手段による検出電流値に前記演算手段によって出力された前記電流値変動分を加算し、その加算した値に基づく補正値を検出電流値を遅れ時間分補正するための電流値として出力する補正手段と、前記補正手段により出力された電流値に基づいて前記スイッチング素子をオン、オフ制御する制御手段とを備えている。ここで、「電流重畳特性」とは、電流値によって決まるインダクタンスの値を意味する。また、「電流変動値」とは、電流検出手段による電流検出時から制御手段に電流値信号が入力されるまでの遅れ時間中に変化する電流値を意味する。以下、この明細書では同様の意味で使用する。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a DC / DC converter that performs switching control of a switching element by current mode control. Then, a current detecting means for detecting the amount of current flowing through the coil, the input voltage, output voltage, current flowing through the coil, and calculates the current variation value from the duty and the current superposition characteristic of the coil of the switching element, the current A calculating means for outputting a current value fluctuation amount obtained by subtracting a detected current value from a fluctuation value, and adding the current value fluctuation amount output by the calculating means to the detected current value by the current detecting means, and adding the added value to the added value. A correction unit that outputs a correction value based on the detection current value as a current value for correcting the delay time, and a control unit that controls on and off of the switching element based on the current value output by the correction unit. ing. Here, the “current superposition characteristic” means an inductance value determined by a current value. Further, the “current fluctuation value” means a current value that changes during a delay time from when the current is detected by the current detection unit to when the current value signal is input to the control unit. Hereinafter, the same meaning is used in this specification.
電流モード制御では、コイルに流れる電流量を検出する必要があるが、電流検出が制御周期と比較して遅れが大きいと制御が不安定になりやすい。例えば、キャリア周波数が100kHzの場合、電流検出の遅れが数μsec以上となると制御が不安定になる可能性がある。しかし、電流検出をこの程度の遅れがない状態で行うのは難しい。この発明では、電流検出を遅れが小さい状態で行うのではなく、電流検出手段によって検出された検出電流値を補正手段により遅れ時間分補正することで、制御手段がスイッチング制御を行う時に正しい電流値を使用することができる。具体的には、演算手段が、入力電圧、出力電圧、コイルに流れる電流値、スイッチング素子のデューティ及び電流重畳特性から電流変動値を演算する。補正手段はその電流変動値に基づいて検出電流値の補正を行う。そして、制御手段は補正された電流値に基づいてスイッチング素子をオン、オフ制御する。従って、制御周期を短くしても制御が不安定になるのを抑制することができ、コンバータの小型化を図ることができる。 In current mode control, it is necessary to detect the amount of current flowing through the coil, but if current detection is delayed compared to the control cycle, control tends to become unstable. For example, when the carrier frequency is 100 kHz, the control may become unstable if the delay in current detection is several μsec or more. However, it is difficult to perform current detection without such a delay. In the present invention, current detection is not performed in a state where the delay is small, but the correct current value is detected when the control means performs switching control by correcting the detected current value detected by the current detection means by the correction means by the delay time. Can be used. Specifically, the calculation means calculates the current fluctuation value from the input voltage, the output voltage, the current value flowing through the coil, the duty of the switching element, and the current superposition characteristics. The correcting means corrects the detected current value based on the current fluctuation value. Then, the control unit performs on / off control of the switching element based on the corrected current value. Therefore, even if the control cycle is shortened, it is possible to prevent the control from becoming unstable, and it is possible to reduce the size of the converter.
また、補正手段が、電流変動値をそのまま使用した補正値を制御手段に出力する構成では、演算手段が故障して電流変動値が得られない場合、制御手段が制御を続けることができなくなる。しかし、この発明では、補正手段は、検出電流値に電流値変動分を加算した値に基づく補正値を制御手段に出力するため、演算手段が故障して電流変動値が得られない場合でも、検出電流値に基づく補正値が制御手段に出力され、演算手段が故障の場合でも制御を続けることができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記演算手段には、前記電流変動値を演算するためのマップ又は計算式が記憶されている。
Further, in the configuration in which the correction means outputs the correction value using the current fluctuation value as it is to the control means, the control means cannot continue control when the arithmetic means fails and the current fluctuation value cannot be obtained. However, in the present invention, the correction means outputs a correction value based on a value obtained by adding the current value fluctuation to the detected current value to the control means, so even if the calculation means fails and the current fluctuation value cannot be obtained, A correction value based on the detected current value is output to the control means, and control can be continued even when the arithmetic means is out of order.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the calculation means stores a map or a calculation formula for calculating the current fluctuation value.
本発明によれば、制御周期を短くしても制御が不安定になるのを抑制することができ、コンバータの小型化を図ることができる。 According to the present invention, even if the control cycle is shortened, it is possible to prevent the control from becoming unstable, and it is possible to reduce the size of the converter.
以下、本発明を降圧型の電流モード制御DC/DCコンバータに具体化した一実施形態を図1及び図2にしたがって説明する。
図1に示すように、DC/DCコンバータ10は、2個の電力用のスイッチング素子Q1,Q2が直流電源11に直列に接続されている。スイッチング素子Q1,Q2にはそれぞれnチャネルのMOSFETが使用されている。スイッチング素子Q1のソース及びスイッチング素子Q2のドレインの接続点と、直流電源11のマイナス端子との間にはコイル(リアクトル)L1及びコンデンサC1が直列に接続されている。コイルL1の下流側(スイッチング素子Q1のソース及びスイッチング素子Q2のドレインの接続点側)にはコイルL1に流れる電流量を検出する電流検出手段を構成する電流検出用抵抗R1が設けられている。コンデンサC1の一方の端子にはプラス側の出力端子12aが設けられ、他方の端子にはマイナス側の出力端子12bが設けられている。そして、両出力端子12a,12b間に負荷15が接続されるようになっている。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a step-down current mode control DC / DC converter will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 1, the DC /
スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング制御を電流モード制御で行う制御装置20は、電流検出手段を構成する電流検出回路21と、電流変動値を演算する演算手段22と、電流検出手段による検出電流値を遅れ時間分補正する補正手段23と、スイッチング素子Q1,Q2をオン、オフ制御する制御手段としての制御IC24とを備えている。
A
電流検出回路21は、電流検出用抵抗R1の両端電圧を検出するとともに電流値信号SIを出力する。
演算手段22は、入力電圧Vinと、出力電圧Vout と、コイルL1に流れる電流値に相当する電流値信号SIと、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチングデューティと、コイルL1の電流重畳特性とから電流変動値を演算する。入力電圧Vinは図示しない電圧検出センサの検出信号を入力することで得られ、出力電圧Vout はコンデンサC1の端子電圧を検出する図示しない電圧検出センサの検出信号を入力することで得られる。スイッチングデューティは、制御IC24からデューティ信号を入手することで確認する。演算手段22は例えばマイクロコンピュータで構成されている。演算手段22は、マップ又は計算式をメモリに記憶しており、マップ又は計算式を使用して電流変動値を演算する。
The
The calculation means 22 calculates the current fluctuation from the input voltage Vin, the output voltage Vout, the current value signal SI corresponding to the current value flowing through the coil L1, the switching duty of the switching elements Q1 and Q2, and the current superposition characteristics of the coil L1. Calculate the value. The input voltage Vin is obtained by inputting a detection signal of a voltage detection sensor (not shown), and the output voltage Vout is obtained by inputting a detection signal of a voltage detection sensor (not shown) that detects the terminal voltage of the capacitor C1. The switching duty is confirmed by obtaining a duty signal from the
補正手段23は、演算手段22の出力を入力してアナログ信号に変換するD/A変換器25と、誤差増幅器26とを備えている。誤差増幅器26の反転入力端子には電流検出回路21の出力端子が抵抗R2を介して接続され、D/A変換器25の出力端子が抵抗R3を介して接続されている。誤差増幅器26の非反転入力端子には基準電圧Vref が入力される。そして、誤差増幅器26の出力が制御IC24に入力されるようになっている。即ち、補正手段23は、検出電流値に電流値変動分を加算した値に基づく補正値を制御IC24に出力する。
The
制御IC24は、コイルL1を流れる電流値に対応する電圧を入力して、スイッチング素子Q1,Q2をオン、オフ制御するための制御信号(デューティ信号)を出力するPWMコンパレータ(パルス幅変調器)を備えている。制御IC24から出力された制御信号は、スイッチング素子Q1,Q2のゲートに入力されるようになっている。
The
次に前記のように構成されたDC/DCコンバータ10の作用を説明する。制御IC24から出力される制御信号に基づいてスイッチング素子Q1,Q2が所定のオンデューティで、交互にONになるようにオン、オフ制御される。
Next, the operation of the DC /
スイッチング素子Q1がONでスイッチング素子Q2がOFFの状態において、直流電源11から電流がスイッチング素子Q1、電流検出用抵抗R1、コイルL1に流れてコイルL1に電磁エネルギーが蓄えられるとともにコンデンサC1の充電も行われ、静電エネルギーが蓄えられる。次ぎにスイッチング素子Q1がOFFでスイッチング素子Q2がONになると、コイルL1の電磁エネルギーがスイッチング素子Q2を介して放出され、電流がスイッチング素子Q2からコイルL1に向かうように流れる。この期間、負荷15はコイルL1とコンデンサC1の蓄積エネルギーによって連続的に給電を受ける。
When the switching element Q1 is ON and the switching element Q2 is OFF, current flows from the
制御IC24は、コイルL1に所定の電流が流れるようにスイッチング素子Q1,Q2のデューティを設定して制御信号を出力する。コイルL1に流れる電流量は電流検出用抵抗R1及び電流検出回路21によって検出される。電流検出回路21の検出信号が遅れなく制御IC24に入力されれば問題はない。しかし、電流検出回路21の検出信号が制御IC24に入力されるまでには遅れがある。そして、コイルL1を流れる電流量は時間と共に変化し、コイルL1を流れる電流値によってインダクタンス(L値)が変化する。図2に示すように、インダクタンスは直流電流が大きくなるに従って減少し、その減少量を考慮せずに制御を行うと、制御が不安定になる。なお、図2ではインダクタンスが直線的に変化するように表しているが、条件によっては曲線状に変化する場合もある。
The
この実施形態では、演算手段22において、入力電圧Vinと、出力電圧Vout と、コイルL1に流れる電流値に相当する電流値信号SIと、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチングデューティと、電流重畳特性とから電流変動値が演算される。即ち、電流検出回路21で検出された電流値が制御IC24に入力されるまでの遅れ時間を考慮した電流変動値が演算される。演算手段22は、電流変動値をそのまま補正手段23のD/A変換器25に出力するのではなく、電流変動値から電流検出回路21の電流値信号SIの電流値を差し引いた電流値変動分を出力する。
In this embodiment, in the calculation means 22, the input voltage Vin, the output voltage Vout, the current value signal SI corresponding to the current value flowing through the coil L1, the switching duty of the switching elements Q1 and Q2, and the current superimposition characteristics. A current fluctuation value is calculated. That is, the current fluctuation value is calculated in consideration of the delay time until the current value detected by the
演算手段22の出力信号がD/A変換器25でアナログ信号に変換され、電流値信号SIに加算された後、誤差増幅器26の非反転入力端子に入力される。そのため、制御IC24には、遅れ時間が補正された電流値に相当する信号が入力される。そして、制御周期(スイッチング周期)に合った正しい電流値に基づいてスイッチング素子Q1,Q2のオンデューティ(スイッチングデューティ)が設定されて、スイッチング素子Q1,Q2に制御信号が出力される。
The output signal of the
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)DC/DCコンバータ10は、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング制御を電流モード制御で行う。DC/DCコンバータ10は、コイルL1に流れる電流量を検出する電流検出用抵抗R1及び電流検出回路21と、入力電圧Vin、出力電圧Vout 、コイルL1に流れる電流値、スイッチング素子Q1,Q2のデューティ及びコイルL1の電流重畳特性から電流変動値を演算する演算手段22と、検出電流値を遅れ時間分補正する補正手段23とを備えている。そして、スイッチング素子Q1,Q2をオン、オフ制御する制御IC24は、補正手段23により補正された電流値に基づいてスイッチング素子Q1,Q2のオン、オフ時間、即ちスイッチングデューティを設定する。従って、電流検出手段によって検出された検出電流値を補正手段23により遅れ時間分補正することで、制御IC24がスイッチング制御を行う時に正しい電流値を使用することができる。そのため、制御周期を短くしても制御が不安定になるのを抑制することができ、DC/DCコンバータ10を構成するコイルL1やコンデンサC1として小型のものを使用でき、DC/DCコンバータ10の小型化を図ることができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The DC /
(2)補正手段23は、電流検出用抵抗R1及び電流検出回路21による検出電流値に電流値変動分を加算した値に基づく補正値を制御IC24に出力する。補正手段23が、電流変動値をそのまま使用した補正値を制御IC24に出力する構成では、演算手段22が故障して電流変動値が得られない場合、制御IC24が制御を続けることができなくなる。しかし、補正手段23は、検出電流値に電流値変動分を加算した値に基づく補正値を制御IC24に出力するため、演算手段22が故障して電流変動値が得られない場合でも、検出電流値に基づく補正値が制御IC24に出力されるため、演算手段22が故障の場合でも制御を続けることができる。
(2) The correction means 23 outputs to the control IC 24 a correction value based on a value obtained by adding the current value variation to the current value detected by the current detection resistor R1 and the
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 降圧型のDC/DCコンバータ10に限らず、例えば、図3に示すような昇圧型のDC/DCコンバータ30に適用してもよい。
The embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
Not only the step-down DC /
○ 2個のスイッチング素子Q1,Q2が交互にオン、オフ制御される構成に限らず、例えば、図4に示すように、スイッチング素子Q2に代えてダイオードDを設けてもよい。ダイオードDは、アノードが直流電源11のマイナス端子側に、カソードがスイッチング素子Q1に接続される。この構成においては、構成が簡単になるとともに制御も簡単になる。
Not limited to the configuration in which the two switching elements Q1 and Q2 are alternately turned on and off, for example, as shown in FIG. 4, a diode D may be provided instead of the switching element Q2. The diode D has an anode connected to the negative terminal side of the
○ スイッチング素子Q1,Q2を構成するトランジスタは、MOSFETに限らず、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor )等その他のスイッチング素子を使用してもよい。IGBTを使用する場合は、MOSFETのソースが接続される部分にエミッタを接続し、ドレインが接続される部分にコレクタを接続する。 The transistors constituting the switching elements Q1 and Q2 are not limited to MOSFETs, and other switching elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) may be used. When using an IGBT, an emitter is connected to a portion to which the source of the MOSFET is connected, and a collector is connected to a portion to which the drain is connected.
○ DC/DCコンバータ10は、非絶縁型のコンバータに限らず、入力側と出力側とが絶縁されている絶縁型のDC/DCコンバータに適用してもよい。絶縁型のコンバータとしては、例えば、プッシュプル型コンバータや一石フォワード型コンバータがある。
The DC /
○ DC/DCコンバータ10の電源はバッテリに限らず、交流を直流に変換した直流、即ちAC/DCインバータの出力であってもよい。
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
The power source of the DC /
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
・ 請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記DC/DCコンバータは、非絶縁型のコンバータである。 -In invention of Claim 1 or Claim 2, the said DC / DC converter is a non-insulated type converter.
L1…コイル、Q1,Q2…スイッチング素子、Vin…入力電圧、Vout …出力電圧、10,30…DC/DCコンバータ、21…電流検出手段を構成する電流検出回路、22…演算手段、23…補正手段、24…制御手段としての制御IC。
L1 ... Coil, Q1, Q2 ... Switching element, Vin ... Input voltage, Vout ... Output voltage, 10, 30 ... DC / DC converter, 21 ... Current detection circuit constituting current detection means, 22 ... Calculation means, 23 ...
Claims (2)
コイルに流れる電流量を検出する電流検出手段と、
入力電圧、出力電圧、前記コイルに流れる電流値、前記スイッチング素子のデューティ及び前記コイルの電流重畳特性から電流変動値を演算し、前記電流変動値から検出電流値を差し引いた電流値変動分を出力する演算手段と、
前記電流検出手段による検出電流値に前記演算手段によって出力された前記電流値変動分を加算し、その加算した値に基づく補正値を検出電流値を遅れ時間分補正するための電流値として出力する補正手段と、
前記補正手段により出力された電流値に基づいて前記スイッチング素子をオン、オフ制御する制御手段とを備えたDC/DCコンバータ。 A DC / DC converter that performs switching control of a switching element by current mode control,
Current detection means for detecting the amount of current flowing through the coil;
Calculates the current fluctuation value from the input voltage, output voltage, current value flowing through the coil, duty of the switching element, and current superimposition characteristics of the coil, and outputs the current fluctuation value obtained by subtracting the detected current value from the current fluctuation value and computing means for,
The current value fluctuation output by the computing means is added to the current value detected by the current detecting means, and a correction value based on the added value is output as a current value for correcting the detected current value by the delay time. Correction means;
DC / DC converter provided with the control means which carries out on-off control of the said switching element based on the electric current value output by the said correction means.
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