JP6674749B2 - デジタル制御電源回路、その制御回路およびそれを用いた電子機器 - Google Patents
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Description
連続制御が可能なアナログ回路を用いることで、サンプリングに依存しない高速な補正が可能となり、応答性を高めることができる。
デューティ指令値を増減させることで、パルス信号のパルス幅を補正できる。
これにより、次のサイクルで直ちに補正後のパルス幅を有するパルス信号を生成することができ、応答性を高めることができる。
これによりデューティ指令値が過補正されて、出力電圧に補正に起因する変動が及ぶのを防止できる。
補償器を介さない高速なデジタル回路によりパルス幅を補正することで、応答性を高めることができる。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
ノンリニアコントローラ240は、アナログアシスト回路242、デジタルノンリニアコントローラ244を含む。
図7(a)〜(c)は、アナログアシスト回路242によるデューティ比の補正を示す図である。図7(a)は、パルス信号SPWMがハイレベルの期間(オン時間TON)において、デューティ比の補正(補正信号S11、S12のアサート)が発生した場合である。この場合、現在出力しているパルス信号SPWMのトレイリングエッジ(ネガティブエッジ)が遅延、もしくは速められて、パルス幅(デューティ比)が補正される。
実施の形態では、ノンリニアコントローラ240に関して、アナログアシスト回路242とデジタルノンリニアコントローラ244のハイブリッド回路を説明したが、アナログアシスト回路242のみ、あるいはデジタルノンリニアコントローラ244のみで構成してもよい。
実施の形態では、ノンリニアコントローラ240によるパルス信号SPWMのパルス幅の補正として、デューティ指令値DDUTYに、デューティ補正値DCORRを加減算する方式を採用したが、本発明はそれに限定されない。
図8は、第2変形例に係る制御回路200aのブロック図である。ノンリニアコントローラ240は、出力電圧VOUTの変動を検出すると、パルス信号SPWMのパルス幅の補正量ΔTに応じた補正パルスSCORRを生成し、パルス発生器220が生成するパルス信号SPWMに補正パルスSCORRを合成することにより、パルス幅が補正されたパルス信号SPWM’を生成する。
図5のフィードバックコントローラ210も例示に過ぎない。誤差検出器212としては、減算器を用いてもよい。また補償器214としては、PID補償器に代えて、P補償器、PI補償器など、P(比例)制御、I(積分)制御、D制御(微分)の任意の組み合わせの補償器を用いることができる。
実施の形態では、降圧DC/DCコンバータを説明したが、出力回路102のトポロジーは特に限定されない。たとえば整流素子D1の代わりに同期整流トランジスタを備えてもよい。あるいは出力回路102は、昇圧型、昇降圧型、電圧反転型のコンバータであってもよいし、インダクタに代えてトランスを利用したコンバータであってもよい。
実施の形態では、ノンリニアコントローラ240によるパルス幅の補正として、パルス幅の増加、減少の両方をサポートしたが、いずれか一方のみとしてもよい。出力電圧VOUTのアンダーシュートが問題となるアプリケーションでは、パルス幅を増加させる機能のみとし、出力電圧VOUTのオーバーシュートが問題となるアプリケーションでは、パルス幅を減少させる機能のみを実装してもよい。
図4のデジタルノンリニアコントローラ244では、デジタルのフィードバック値DFBの変動量(傾き)にもとづいてパルス信号SPWMを補正したが、本発明はそれに限定されない。デジタルノンリニアコントローラ244は、フィードバック値DFBの傾きの変化量にもとづいて、パルス幅を補正してもよい。
最後に、電源回路100の用途を説明する。図9(a)、(b)は、電源回路100を備える電子機器を示すブロック図である。図9(a)の電子機器1aは、商用交流電源4からの交流電圧を整流するブリッジ回路6と、平滑キャパシタ8と、上述の電源回路100と、負荷9を備える。この場合、電源回路100としては、非絶縁型の降圧、昇圧、あるいは昇降圧コンバータなどが好適に利用できる。負荷9は、たとえばFPGA(Field Programmable Gate Array)、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、各種マイコンなどが想定されるが、特に限定されない。電子機器1aは、たとえば移動体通信用の基地局、テレビやPC、冷蔵庫などの家電製品、ファクシミリやコピー機などのOA機器、工作機械、などが例示される。
Claims (16)
- デジタル制御電源回路の制御回路であって、
前記デジタル制御電源回路の出力電圧に応じたデジタルのフィードバック値がその目標値に近づくように、デジタルのデューティ指令値を生成するフィードバックコントローラと、
前記出力電圧の変動を検出すると、前記デューティ指令値を補正するノンリニアコントローラと、
補正後のデューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス発生器と、
前記パルス信号に応じて、前記デジタル制御電源回路のスイッチング素子を駆動するドライバと、
を備え、
前記ノンリニアコントローラは、
前記出力電圧に応じたアナログのフィードバック電圧を監視し、前記フィードバック電圧の変動幅が所定のしきい値電圧を超えたことを前記出力電圧の前記変動として検出し、補正値を出力するアナログアシスト回路と、
前記デューティ指令値と前記補正値を加算もしくは減算することにより、前記デューティ指令値を補正する加減算器と、
を含み、
前記パルス信号がオフレベルであるオフ時間の間に、前記アナログアシスト回路による前記デューティ指令値の補正が発生すると、前記パルス発生器は、前記パルス信号の周期をリセットし、直ちに次のサイクルのパルス信号の生成を開始することを特徴とする制御回路。 - 前記アナログアシスト回路は、前記出力電圧が正側に変動したとき、前記パルス信号のパルス幅が減少するような前記補正値を出力することを特徴とする請求項1に記載の制御回路。
- 前記アナログアシスト回路は、前記出力電圧が負側に変動したとき、前記パルス信号のパルス幅が増加するような前記補正値を出力することを特徴とする請求項1または2に記載の制御回路。
- 前記アナログアシスト回路は、
前記フィードバック電圧の交流成分を前記しきい値電圧と比較するアナログコンパレータと、
前記アナログコンパレータの出力に応じて、前記補正値を出力する第1補正値生成部と、
を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の制御回路。 - デジタル制御電源回路の制御回路であって、
前記デジタル制御電源回路の出力電圧に応じたデジタルのフィードバック値がその目標値に近づくように、デジタルのデューティ指令値を生成するフィードバックコントローラと、
前記デューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス発生器と、
前記出力電圧の変動を検出すると、前記パルス信号のパルス幅を補正するノンリニアコントローラと、
前記ノンリニアコントローラによるパルス幅の補正後のパルス信号に応じて、前記デジタル制御電源回路のスイッチング素子を駆動するドライバと、
を備え、
前記ノンリニアコントローラは、
前記出力電圧に応じたアナログのフィードバック電圧を監視し、前記フィードバック電圧の変動幅が所定のしきい値電圧を超えたことを前記出力電圧の前記変動として検出し、前記パルス信号のパルス幅の補正値に対応するパルス幅を有する補正パルスを生成するアナログアシスト回路と、
前記パルス発生器が生成した前記パルス信号と前記補正パルスを合成し、前記補正後のパルス信号を出力する合成器と、
を含み、
前記補正後のパルス信号がオフレベルであるオフ時間の間に、前記パルス信号のパルス幅の補正が発生すると、前記パルス発生器は、前記パルス信号の周期をリセットし、直ちに次のサイクルのパルス信号の生成を開始することを特徴とする制御回路。 - 前記ノンリニアコントローラは、1回、前記パルス信号のデューティ指令値を補正した後、所定のマスク時間の間、さらなるデューティ指令値の補正を停止することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の制御回路。
- 前記ノンリニアコントローラは、1回、前記パルス信号のパルス幅を補正した後、所定のマスク時間の間、さらなるパルス幅の補正を停止することを特徴とする請求項5に記載の制御回路。
- デジタル制御電源回路の制御回路であって、
前記デジタル制御電源回路の出力電圧に応じたデジタルのフィードバック値がその目標値に近づくように、デジタルのデューティ指令値を生成するフィードバックコントローラと、
前記出力電圧の変動を検出すると、前記デューティ指令値を補正するノンリニアコントローラと、
補正後のデューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス発生器と、
前記パルス信号に応じて、前記デジタル制御電源回路のスイッチング素子を駆動するドライバと、
を備え、
前記ノンリニアコントローラは、1回、前記デューティ指令値を補正した後、所定のマスク時間の間、さらなるデューティ指令値の補正を停止することを特徴とする制御回路。 - 前記ノンリニアコントローラは、
1サンプリング前の前記フィードバック値と現在の前記フィードバック値の差分を所定のしきい値と比較し、前記出力電圧の変動を示す信号を出力するデジタルコンパレータと、
前記デジタルコンパレータの出力に応じて、補正値を出力する第2補正値生成部と、
を含み、前記補正値を前記デューティ指令値に加算もしくは減算することにより前記デューティ指令値を補正することを特徴とする請求項8に記載の制御回路。 - デジタル制御電源回路の制御回路であって、
前記デジタル制御電源回路の出力電圧に応じたデジタルのフィードバック値がその目標値に近づくように、デジタルのデューティ指令値を生成するフィードバックコントローラと、
前記デューティ指令値に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成するパルス発生器と、
前記出力電圧の変動を検出すると、前記パルス信号のパルス幅を補正するノンリニアコントローラと、
前記ノンリニアコントローラによるパルス幅の補正後のパルス信号に応じて、前記デジタル制御電源回路のスイッチング素子を駆動するドライバと、
を備え、
前記ノンリニアコントローラは、1回、前記パルス信号のパルス幅を補正した後、所定のマスク時間の間、さらなるパルス幅の補正を停止することを特徴とする制御回路。 - 前記フィードバックコントローラは、
前記フィードバック値とその目標値の誤差を示す誤差信号を生成する誤差検出器と、
前記誤差信号にもとづいて前記デューティ指令値を生成する補償器と、
を含むことを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の制御回路。 - 前記誤差検出器は、デジタルコンパレータであり、
前記補償器は、P(比例)制御、I(積分)制御、D制御(微分)の任意の組み合わせにもとづいて前記デューティ指令値を生成することを特徴とする請求項11に記載の制御回路。 - 1サイクルあたりの前記パルス信号のパルス幅の補正量は、固定値であることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の制御回路。
- ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の制御回路。
- 請求項1から14のいずれかに記載の制御回路を備えることを特徴とするデジタル制御電源回路。
- 請求項15に記載のデジタル制御電源回路を備えることを特徴とする電子機器。
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