JP2005143197A - PWM signal duty ratio control method, duty ratio control circuit, and DC-DC converter - Google Patents
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Abstract
【課題】 高精度でオン時比率を制限するようにしたPWM信号の時比率制御方法および時比率制御回路を提供する。
【解決手段】 DC−DCコンバータの時比率制御回路部は、誤差出力信号Vfbを生成する誤差増幅器11と、誤差出力信号Vfbを所定周期の三角波信号Vosc1と比較してPWM信号Vpwm1を生成するコンパレータ12と、所定周期の三角波信号Vosc1およびこの三角波信号Vosc1に同期する第1のパルス信号Vosc2を生成する三角波発振回路13と、第1のパルス信号Vosc2に対して所定の遅延時間tdで第2のパルス信号Vdを生成する遅延回路14と、第1のパルス信号Vosc2によりPWM信号Vpwm1を強制オフするとともに、第2のパルス信号VdによりPWM信号Vpwm1の強制オフを解除する論理回路15と、出力バッファ16とを備えている。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a PWM signal time ratio control method and a time ratio control circuit capable of limiting an on-time ratio with high accuracy.
A duty ratio control circuit unit of a DC-DC converter includes an error amplifier 11 that generates an error output signal Vfb, and a comparator that generates a PWM signal Vpwm1 by comparing the error output signal Vfb with a triangular wave signal Vosc1 having a predetermined period. 12, a triangular wave signal Vosc1 having a predetermined period and a triangular wave oscillation circuit 13 for generating a first pulse signal Vosc2 synchronized with the triangular wave signal Vosc1, and a second delay time td with respect to the first pulse signal Vosc2 A delay circuit 14 for generating a pulse signal Vd, a logic circuit 15 for forcibly turning off the PWM signal Vpwm1 by the first pulse signal Vosc2, and forcibly turning off the PWM signal Vpwm1 by the second pulse signal Vd, and an output buffer 16.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、オン時比率の最大値が制限されたPWM信号を生成するようにしたPWM信号の時比率設定方法、DC−DCコンバータなどにおけるPWM信号の時比率制御を可能にした時比率制御回路およびDC−DCコンバータに関する。 The present invention relates to a PWM signal time ratio setting method for generating a PWM signal in which the maximum value of the on-time ratio is limited, and a time ratio control circuit that enables PWM signal time ratio control in a DC-DC converter or the like. And a DC-DC converter.
直流電圧を任意の直流レベルの電圧に変換できるDC−DCコンバータは、小型化・高効率化にともなって多種多様の電子機器の電源装置に使用され、その使用範囲が拡大されている。そのため、動作範囲や出力設定電圧の範囲がより広いDC−DCコンバータが求められている。 A DC-DC converter that can convert a DC voltage into a voltage of an arbitrary DC level is used in power supply devices for various electronic devices with a reduction in size and efficiency, and the use range thereof is expanded. Therefore, there is a demand for a DC-DC converter with a wider operating range and output setting voltage range.
図6は、従来のPWM(Pulse Width Modulation)方式のステップアップ型DC−DCコンバータを示す回路図である。直流入力電圧Vinを昇圧し出力電圧Voutとして出力するDC−DCコンバータ回路部51は、NチャネルMOSトランジスタよりなるスイッチング素子としての出力トランジスタM1、リアクトルL1、ダイオードD1およびコンデンサC1を有している。出力トランジスタM1のドレインには、リアクトルL1を介して直流入力電圧Vinが印加されている。また、出力トランジスタM1のソースはグランドに接続されている。ダイオードD1はアノードが出力トランジスタM1のドレインに接続され、カソードが出力端子P0に接続されている。コンデンサC1は出力端子P0とグランドの間に接続されている。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a conventional PWM (Pulse Width Modulation) step-up DC-DC converter. The DC-DC
このDC−DCコンバータ回路部51では、出力トランジスタM1がオン・オフ制御されることによって、出力端子P0から出力される出力電圧Voutは、入力電圧Vinより高い電圧に昇圧される。この出力トランジスタM1のオン時間Tonとオフ時間Toffの比を変化させることにより、出力電圧Voutを予め定めた設定電圧に制御できる。
In the DC-DC
ここで、入力電圧Vinに対する出力電圧Voutの関係については、
Vout={(Ton+Toff)/Toff}Vin
=Vin/Doff
のように表すことができる。Doffはオフ・デューティ比であって、(Ton+Toff)/Toffの逆数、即ち、Toff/(Ton+Toff)と定義できる。
Here, regarding the relationship of the output voltage Vout with respect to the input voltage Vin,
Vout = {(Ton + Toff) / Toff} Vin
= Vin / Doff
It can be expressed as Doff is an off-duty ratio, and can be defined as the reciprocal of (Ton + Toff) / Toff, that is, Toff / (Ton + Toff).
また、オン・デューティ比Donは、Ton/(Ton+Toff)と定義される。したがって、Doff+Don=1となるため、
Vout=Vin/Doff=Vin/(1−Don)
となる。
The on-duty ratio Don is defined as Ton / (Ton + Toff). Therefore, since Doff + Don = 1,
Vout = Vin / Doff = Vin / (1-Don)
It becomes.
図6に示すDC−DCコンバータは、このDC−DCコンバータ回路部51からの出力電圧Voutを予め定めた設定電圧に制御するために、出力電圧検出回路部52および時比率制御回路部53を備えている。
The DC-DC converter shown in FIG. 6 includes an output voltage
出力電圧検出回路部52は検出抵抗R1,R2とからなる。検出抵抗R1,R2は直列に接続され、その直列回路は出力端子P0とグランドの間に接続されている。そして、直列に接続された検出抵抗R1,R2は、出力電圧Voutを分圧し、その分圧した電圧(検出電圧)Vfを時比率制御回路部53にフィードバックする。
The output voltage
時比率制御回路部53は、誤差増幅回路54、基準電圧回路E1、三角波発振回路56、デットタイム電圧回路E2、PWMコンパレータ58および出力バッファ59を有している。
The time ratio
誤差増幅回路54では、出力電圧Voutを一定の分圧比で分圧した検出電圧Vfと基準電圧回路E1から出力される予め定めた基準電圧Vref1とを比較し、その両電圧Vf,Vrefの差電圧を増幅した誤差出力電圧VfbをPWMコンパレータ58に出力する。
In the
図7は、時比率制御回路部53の各電圧信号波形を示す波形図である。ここに示すように、三角波発振回路56からは、一定の電圧値の範囲で振幅する三角波信号Vosc1をPWMコンパレータ58に出力する。デットタイム電圧回路E2からPWMコンパレータ58には、最大デューティ設定電圧Vdmax1を出力する。この最大デューティ設定電圧Vdmax1は、出力トランジスタM1をオン・オフ制御する際のオン時比率(オン・デューティ比)の最大値を設定する電圧となる。
FIG. 7 is a waveform diagram showing each voltage signal waveform of the duty ratio
PWMコンパレータ58には、誤差出力電圧Vfb、三角波信号Vosc1および最大デューティ設定電圧Vdmax1が入力されている。このPWMコンパレータ58では、誤差出力電圧Vfbと最大デューティ設定電圧Vdmax1とのいずれか小さい値と、三角波信号Vosc1の値とを比較している。図6に示すDC−DCコンバータでは、通常時は誤差出力電圧Vfbが最大デューティ設定電圧Vdmax1より小さく、したがってPWMコンパレータ58は誤差出力電圧Vfbと三角波信号Vosc1との間で比較が行われる。
The
図7(a)に示すように、三角波信号Vosc1が誤差出力電圧Vfbより小さい期間には、PWM信号VpwmとしてHレベルの信号が出力されるが、三角波信号Vosc1が誤差出力電圧Vfbより大きくなるとPWM信号VpwmはLレベルになる。 As shown in FIG. 7A, an H level signal is output as the PWM signal Vpwm during a period in which the triangular wave signal Vosc1 is smaller than the error output voltage Vfb. However, when the triangular wave signal Vosc1 becomes larger than the error output voltage Vfb, The signal Vpwm becomes L level.
このように、検出電圧Vfが予め設定した基準電圧Vref1より低くなるほど誤差出力電圧Vfbが大きくなり、PWM信号VpwmのHレベル状態になる期間(オン時間:Ton)がLレベル状態になる期間(オフ時間:Toff)より長くなって、オン・デューティ比Don(=Ton/(Ton+Toff))は大きくなる。反対に、誤差出力電圧Vfbが小さいときは、検出電圧Vfが予め設定した基準電圧Vref1より大きく、PWM信号VpwmのLレベル状態の割合がHレベル状態に比べ大きくなって、オン・デューティ比Donは小さくなる。 As described above, the error output voltage Vfb increases as the detection voltage Vf becomes lower than the preset reference voltage Vref1, and the period in which the PWM signal Vpwm is in the H level state (ON time: Ton) is in the L level state (OFF). The on-duty ratio Don (= Ton / (Ton + Toff)) increases as the time becomes longer than time (Toff). On the other hand, when the error output voltage Vfb is small, the detection voltage Vf is larger than the preset reference voltage Vref1, the ratio of the L level state of the PWM signal Vpwm is larger than that in the H level state, and the on-duty ratio Don is Get smaller.
そして、PWMコンパレータ58から出力されたPWM信号Vpwmは、出力バッファ59を介して出力トランジスタM1のゲートに出力される。出力トランジスタM1は、PWM信号Vpwmの波形に従ってオンオフされ、出力トランジスタM1とダイオードD1との接続点に生じる交流電圧がインダクタL1とコンデンサC1とで平滑されて、所定の出力電圧Voutが出力端子P0から負荷に供給される。
The PWM signal Vpwm output from the
ところで、図7(b)に示すように、出力端子P0の負荷状態によっては、誤差増幅回路54の誤差出力電圧Vfbが最大デューティ設定電圧Vdmax1より大きくなる場合があった。そのようなときに、PWM信号Vpwmが100%のデューティサイクルとなって出力トランジスタM1を常にオンにしてしまえば、出力トランジスタM1を破壊し、コンバータ回路部51としての機能が停止することになる。そこで、PWMコンパレータ58では最大デューティ設定電圧Vdmax1と三角波信号Vosc1との間で比較を行うようにして、誤差出力電圧Vfbが最大デューティ設定電圧Vdmax1より大きくなったときでも、PWM信号VpwmのHレベル状態になる期間(オン時間:Ton)を100%の未満の割合で、例えば80%程度に制限するようにしていた。
Incidentally, as shown in FIG. 7B, the error output voltage Vfb of the
このように、図6に示すDC−DCコンバータでは最大デューティ設定電圧Vdmax1によって最大のオン・デューティ比Donが決定されているが、この最大値を最大デューティ設定電圧Vdmax1で決定しているために、最大デューティ設定電圧Vdmax1の値は、三角波信号Vosc1の最大値より小さく、かつその最大値にできるだけ近い値とすることが好ましい。しかし、三角波信号Vosc1の波高値のバラツキや、PWMコンパレータ58の入力オフセット電圧等の影響によって、三角波信号Vosc1の最大値が最大デューティ設定電圧Vdmax1を下回ってしまうおそれがあった。
Thus, in the DC-DC converter shown in FIG. 6, the maximum on-duty ratio Don is determined by the maximum duty setting voltage Vdmax1, but since this maximum value is determined by the maximum duty setting voltage Vdmax1, The value of the maximum duty setting voltage Vdmax1 is preferably smaller than the maximum value of the triangular wave signal Vosc1 and as close as possible to the maximum value. However, the maximum value of the triangular wave signal Vosc1 may fall below the maximum duty setting voltage Vdmax1 due to variations in the peak value of the triangular wave signal Vosc1, the input offset voltage of the
図8に示すDC−DCコンバータは、PWMコンパレータ58を第1、第2のコンパレータ60,61とアンド回路62とに置き換えて構成したものである。このように構成した場合には、最大デューティ設定電圧Vdmax1と三角波信号Vosc1を第2のコンパレータ61で比較して、あらかじめ所定の最大オン時比率をなすように狭幅(オフ時間:Toff=t)のパルス信号Vdmaxを生成することができる。このパルス信号Vdmaxのパルス幅に基づいて最大オン時比率が設定され、他の信号のレベル等に影響されないで、その時々で最大オン時比率が変動するといったことがなくなるため、大きな最大オン時比率を設定することができる。
The DC-DC converter shown in FIG. 8 is configured by replacing the
ここでは、図9に示すように、このパルス信号VdmaxとPWMコンパレータ60からのPWM信号Vpwm1とをアンド回路62で比較して、このアンド回路62からハイレベル(High)期間の短い方を出力することによって、最大オン時比率を制限するようにしている。
Here, as shown in FIG. 9, the
しかし、この方法でも図6のものと同様に、三角波信号Vosc1の波高値やコンパレータ61のオフセット電圧等によって最大デューティ制限値の精度が悪くなるという問題を解決するものではなかった。
However, this method does not solve the problem that the accuracy of the maximum duty limit value deteriorates due to the peak value of the triangular wave signal Vosc1, the offset voltage of the
こうした課題に対して、特許文献1に記載された発明では、図10に示すように、最大デューティ設定電圧Vdmax1を用いないで、三角波信号Vosc1に同期したパルス信号Vpsを用いて、その時々で最大オン時比率が変動するといったことはなく、大きな最大オン時比率を得ることのできるデューティ比設定回路が提案されている。図11には、図10に示すデューティ比設定回路の各部電圧波形を示す。
To solve such a problem, the invention described in
このデューティ比設定回路では、オン時比率の最大値をパルス発生回路63から出力されるパルス信号Vpsのパルス幅tによって設定しているから、パルス発生回路63において、そのパルス幅tを調整するだけでオン時比率の最大値の大きさを簡単に調整することができる。また、狭幅(オン時間:Ton=t)のパルス信号Vpsでは、そのパルス幅tが他の信号のレベル変動に影響されないことから、その時々でオン時比率の最大値が変動することもなくなる。
ところが、図10に示すデューティ比設定回路は、そのスイッチング周波数がMHz帯の高周波である場合やオン時比率(オン・デューティ比)を90%以上に設定している場合等には、パルス信号Vpsのパルス幅tをナノ秒クラスの狭幅で生成することが必要になる。 However, the duty ratio setting circuit shown in FIG. 10 uses the pulse signal Vps when the switching frequency is a high frequency in the MHz band, or when the on-time ratio (on-duty ratio) is set to 90% or more. Therefore, it is necessary to generate a pulse width t with a narrow width of nanosecond class.
しかし、ナノ秒クラスのパルス幅でパルス信号Vpsを生成するには、三角波信号Vosc1を生成している三角波発振回路56から、何段ものゲート回路等を介してパルスを伝えていくことになるため、途中でパルス幅が変わってしまったり、最悪の場合にはパルス自体が消滅したりするという問題があった。また、一度狭幅パルスを生成した後には、その後段での論理回路を全て高速応答するものとしなければ三角波信号Vosc1に同期した精度の良いパルスを生成することができないという問題もあった。
However, in order to generate the pulse signal Vps with a pulse width of nanosecond class, the pulse is transmitted from the triangular
この発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、最大デューティ比設定電圧やデューティ比設定用のパルス信号を生成することなしに高精度でオン時比率を制限するようにしたPWM信号の時比率制御方法および時比率制御回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and a PWM signal that limits the on-time ratio with high accuracy without generating a maximum duty ratio setting voltage or a duty ratio setting pulse signal. It is an object of the present invention to provide a time ratio control method and a time ratio control circuit.
この発明は、上記問題を解決するために、誤差出力信号を所定周期の三角波信号と比較してPWM信号を生成するとき、前記PWM信号の変化するオン時比率の最大値を設定するようにしたPWM信号の時比率設定方法において、前記三角波信号に同期して生成した第1のパルス信号、および該第1のパルス信号に対して所定の遅延時間をもって生成した第2のパルス信号に基づいて、前記オン時比率の最大値を制限するようにした。 In order to solve the above problem, the present invention sets the maximum value of the on-time ratio at which the PWM signal changes when the PWM signal is generated by comparing the error output signal with a triangular wave signal having a predetermined period. In the PWM signal duty ratio setting method, based on the first pulse signal generated in synchronization with the triangular wave signal and the second pulse signal generated with a predetermined delay time with respect to the first pulse signal, The maximum value of the on-time ratio is limited.
また、この発明の時比率制御回路は、誤差出力信号を生成する誤差増幅器と、前記誤差出力信号を所定周期の三角波信号と比較してPWM信号を生成するコンパレータと、前記所定周期の三角波信号、および前記三角波信号に同期する第1のパルス信号を生成する三角波発振回路と、第1のパルス信号に対して所定の遅延時間を有する第2のパルス信号を生成する遅延回路と、前記第1のパルス信号により前記PWM信号を強制オフするとともに、前記第2のパルス信号により前記PWM信号の強制オフを解除する論理回路とを備えて構成されている。 The duty ratio control circuit according to the present invention includes an error amplifier that generates an error output signal, a comparator that generates a PWM signal by comparing the error output signal with a triangular wave signal having a predetermined period, a triangular wave signal having the predetermined period, And a triangular wave oscillation circuit that generates a first pulse signal synchronized with the triangular wave signal, a delay circuit that generates a second pulse signal having a predetermined delay time with respect to the first pulse signal, and the first circuit The PWM signal is forcibly turned off by a pulse signal, and a logic circuit for canceling the forced off of the PWM signal by the second pulse signal is provided.
さらに、この発明のDC−DCコンバータは、スイッチング素子を含み、そのスイッチング素子がデューティ比制御されることにより、入力電圧を該入力電圧と異なる電圧値の出力電圧に変換するDC−DCコンバータ回路部と、前記出力電圧の電圧値を検出する出力電圧検出回路部と、前記検出回路部からの検出電圧に基づいて誤差出力信号を生成する誤差増幅器と、前記誤差出力信号を所定周期の三角波信号と比較して、前記スイッチング素子をデューティ比制御するためのPWM信号を生成するコンパレータと、前記所定周期の三角波信号、および前記三角波信号に同期する第1のパルス信号を生成する三角波発振回路と、第1のパルス信号に対して所定の遅延時間を有する第2のパルス信号を生成する遅延回路と、前記第1のパルス信号により前記PWM信号を強制オフするとともに、前記第2のパルス信号により前記PWM信号の強制オフを解除する論理回路とを備えて構成されている。 Furthermore, the DC-DC converter according to the present invention includes a switching element, and the switching element is controlled by a duty ratio, thereby converting an input voltage into an output voltage having a voltage value different from the input voltage. An output voltage detection circuit unit that detects a voltage value of the output voltage, an error amplifier that generates an error output signal based on the detection voltage from the detection circuit unit, and a triangular wave signal having a predetermined cycle as the error output signal In comparison, a comparator that generates a PWM signal for controlling the duty ratio of the switching element, a triangular wave signal having a predetermined period, and a triangular wave oscillation circuit that generates a first pulse signal synchronized with the triangular wave signal; A delay circuit for generating a second pulse signal having a predetermined delay time with respect to one pulse signal, and the first pulse Wherein together to force off the PWM signal, it is constituted by a logic circuit for releasing the forced off of the PWM signal by the second pulse signal by No..
この発明によれば、最大デューティ比設定電圧やデューティ比設定用のパルス信号を用いないで、第1のパルス信号と第2のパルス信号との間に設定した所定の遅延時間をもってオン時比率の最大値を設定することができる。 According to the present invention, without using the maximum duty ratio setting voltage or the pulse signal for setting the duty ratio, the on-time ratio can be set with a predetermined delay time set between the first pulse signal and the second pulse signal. A maximum value can be set.
したがって、PWM信号の設定周波数がMHz帯域のような高周波であるときにも、高精度でオン時比率を制限できる。また、他の信号のレベル等に影響されないで、その時々で最大オン時比率が変動するといったことがなくなるため、大きな最大オン時比率を設定することができる。 Therefore, even when the set frequency of the PWM signal is a high frequency such as the MHz band, the on-time ratio can be limited with high accuracy. Further, since the maximum on-time ratio does not fluctuate from time to time without being influenced by the level of other signals, a large maximum on-time ratio can be set.
また、この発明によれば、DC−DCコンバータ回路を制御する制御回路の最終段でオン時比率を制限するようにしたので、途中でパルス幅が変わってしまったり、パルス自体が消滅したりするおそれがない。 Further, according to the present invention, since the on-time ratio is limited at the final stage of the control circuit that controls the DC-DC converter circuit, the pulse width may change in the middle or the pulse itself may disappear. There is no fear.
したがって、高周波のスイッチング電源に適用した場合でも、高精度でオン時比率を制限できる。 Therefore, even when applied to a high-frequency switching power supply, the on-time ratio can be limited with high accuracy.
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図1は、この発明のDC−DCコンバータの原理的構成を示す回路図である。
図1に示すDC−DCコンバータにおいて、時比率制御回路部は、誤差出力信号Vfbを生成する誤差増幅器11と、誤差出力信号Vfbを所定周期の三角波信号Vosc1と比較してPWM信号Vpwm1を生成するコンパレータ12と、所定周期の三角波信号Vosc1およびこの三角波信号Vosc1に同期する第1のパルス信号Vosc2を生成する三角波発振回路13と、第1のパルス信号Vosc2に対して所定の遅延時間tdで第2のパルス信号Vdを生成する遅延回路14と、第1のパルス信号Vosc2によりPWM信号Vpwm1を強制オフするとともに、第2のパルス信号VdによりPWM信号Vpwm1の強制オフを解除する論理回路15と、出力バッファ16とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing the basic configuration of a DC-DC converter according to the present invention.
In the DC-DC converter shown in FIG. 1, the duty ratio control circuit unit generates the PWM signal Vpwm1 by comparing the
このDC−DCコンバータでは、こうした時比率制御回路部の構成に特徴があり、出力トランジスタM1、リアクトルL1、ダイオードD1およびコンデンサC1からなるDC−DCコンバータ回路部や、検出抵抗R1,R2からなる出力電圧検出回路部については、従来のDC−DCコンバータ(図6)の構成と同じである。したがって、以下では時比率制御回路部について詳細に説明し、他の構成は図6に示すDC−DCコンバータに用いた符号と同じ符号を付して、それらの詳細な説明は省略する。 This DC-DC converter is characterized by the configuration of such a time ratio control circuit unit, and includes a DC-DC converter circuit unit comprising an output transistor M1, a reactor L1, a diode D1 and a capacitor C1, and an output comprising detection resistors R1 and R2. About a voltage detection circuit part, it is the same as the structure of the conventional DC-DC converter (FIG. 6). Therefore, in the following, the duty ratio control circuit unit will be described in detail, and the other components will be denoted by the same reference numerals as those used in the DC-DC converter shown in FIG. 6, and detailed description thereof will be omitted.
誤差増幅器11には、出力電圧検出回路部からの電圧(検出電圧)Vfと基準電圧回路E1から出力される予め定めた基準電圧Vref1が入力される。基準電圧回路E1が出力する基準電圧Vref1は、出力端子P0から出力される出力電圧Voutが予め定めた設定電圧を出力している時に、出力電圧検出回路部から出力される検出電圧Vfの値と一致する電圧値に設定されている。
The
誤差増幅器11は、検出電圧Vfと基準電圧Vref1とを比較し、その両電圧Vf,Vref1の差電圧を増幅した制御電圧としての誤差出力信号Vfbをコンパレータ12に出力する。この誤差増幅器11では、検出電圧Vfが基準電圧Vref1に一致する値になる(すなわち、出力電圧Voutが予め定めた設定電圧になる)ように誤差出力信号Vfbを出力する。そして、誤差増幅器11は、検出電圧Vfが基準電圧Vref1より大きくなればなるほど、基準値より小さな値になっていく誤差出力信号Vfbを出力する。反対に、誤差増幅器11は、検出電圧Vfが基準電圧Vref1より小さくなればなるほど、基準値より大きな値になっていく誤差出力信号Vfbを出力する。
The
三角波発振回路13は、一定の電圧値の範囲を予め定めた周期Tで振幅する三角波の発振信号としての三角波信号Vosc1と、この三角波信号Vosc1に同期して矩形波として生成された第1のパルス信号Vosc2とを出力する。
The triangular
図2は、三角波発振回路13の一例を示す回路図である。この三角波発振回路13は、電源電圧Vddと接地間に、定電流源IB1、スイッチ素子S1,S2、及び定電流源IB2の直列回路と、スイッチ素子S1,S2の接続点と接地間に設けた充放電用のコンデンサC2と、スイッチ素子S1,S2を制御するヒステリシスコンパレータ21とを備えている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the triangular
ここで、スイッチ素子S1,S2を交互にオンオフするとき、コンデンサC2が充電動作と放電動作を繰り返すことによって、スイッチ素子S1,S2の接続点では、上限電圧Voscpと下限電圧Voscmの間を振動する三角波信号Vosc1が生成される。また、三角波信号Vosc1はヒステリシスコンパレータ21の負入力端子に帰還され、ヒステリシスコンパレータ21では、三角波信号Vosc1が2つの正入力端子に印加される上限電圧Voscpと下限電圧Voscmとの間でそれぞれ比較され、矩形波としての第1のパルス信号Vosc2が出力される。
Here, when the switch elements S1 and S2 are alternately turned on and off, the capacitor C2 oscillates between the upper limit voltage Voscp and the lower limit voltage Voscm at the connection point of the switch elements S1 and S2 by repeating the charging operation and the discharging operation. A triangular wave signal Vosc1 is generated. The triangular wave signal Vosc1 is fed back to the negative input terminal of the
図1に戻って、コンパレータ12には、三角波発振回路13の三角波信号Vosc1と、誤差増幅器11の誤差出力信号Vfbが入力され、ここで誤差出力信号Vfbの大きさと三角波信号Vosc1の値とが比較される。三角波信号Vosc1が誤差出力信号Vfbより小さい時にはHレベル、三角波信号Vosc1が誤差出力信号Vfbより大きい時にはLレベルとなるPWM信号Vpwm1を出力する。また、遅延回路14は、三角波発振回路13から第1のパルス信号Vosc2が入力され、所定の遅延時間tdだけ遅れた第2のパルス信号Vdを生成している。なお、遅延回路14としては例えば直列に接続された何段かのインバータや、さらにその途中にCR時定数回路を挿入したものなどが適用できるが、これらに限定するものではない。
Returning to FIG. 1, the triangular wave signal Vosc1 of the triangular
論理回路15は、コンパレータ12、三角波発振回路13、および遅延回路14と接続され、それぞれPWM信号Vpwm1、第1のパルス信号Vosc2、および第2のパルス信号Vdが入力されている。この論理回路15では、第1のパルス信号Vosc2がハイからロウに切り替わったときに、PWM信号Vpwm1を強制オフするとともに、第2のパルス信号VdによりPWM信号Vpwm1の強制オフを解除するように動作する。
The
図3は、論理回路15の一例を示す回路図である。ここでは、PWM信号Vpwm1と第1のパルス信号Vosc2との論理積演算を行う第1のAND回路31と、PWM信号Vpwm1と第2のパルス信号Vdの反転信号との論理積演算を行う第2のAND回路32と、第1のAND回路31の出力信号VAと第2のAND回路32の出力信号VBとの論理和演算を行うOR回路33とから、論理回路15が構成されている。
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of the
論理回路15の出力信号Vpwmは出力バッファ16を介してDC−DCコンバータ回路部のスイッチング素子としての出力トランジスタM1のゲートに出力される。そして、出力トランジスタM1は、出力信号VpwmがHレベルの時にオンし、出力信号VpwmがLレベルの時にオフされる。すなわち、出力トランジスタM1が出力信号Vpwmに基づいてデューティ制御されることによって、DC−DCコンバータ回路部では、直流入力電圧Vinに基づいて出力電圧Voutが予め定めた設定電圧となるように昇圧制御する。
The output signal Vpwm of the
つぎに、上述のように構成したDC−DCコンバータの作用について説明する。図4は、図1のコンバータにおける制御回路部の各電圧信号波形を示す波形図である。
コンパレータ12は、誤差出力信号Vfbと三角波信号Vosc1とを比較する。コンパレータ12での比較結果は、PWM信号Vpwm1として論理回路15に出力される。このとき、第1のパルス信号Vosc2は、三角波信号Vosc1のピークに同期してオンオフする矩形波として生成される。また、第2のパルス信号Vdも三角波信号Vosc1に同期し、かつ第1のパルス信号Vosc2から時間tdだけ遅れてオンオフする矩形波として生成される。
Next, the operation of the DC-DC converter configured as described above will be described. FIG. 4 is a waveform diagram showing each voltage signal waveform of the control circuit section in the converter of FIG.
The
図4(a)には、オン時比率がまだ制限値に到達しない、オン時比率が50%の場合の信号波形を示している。この場合、第1のパルス信号Vosc2がハイからロウに切り替わったとき、および第2のパルス信号Vdがハイからロウに切り替わったとき、PWM信号Vpwm1がロウであるため、論理回路15の出力信号Vpwmはコンパレータ12の出力であるPWM信号Vpwm1と等しくなる。
FIG. 4A shows a signal waveform when the on-time ratio has not yet reached the limit value and the on-time ratio is 50%. In this case, when the first pulse signal Vosc2 is switched from high to low and when the second pulse signal Vd is switched from high to low, the PWM signal Vpwm1 is low, so that the output signal Vpwm of the
図4(b)に示すように、オン時比率が制限値に到達した場合、PWM信号Vpwm1が常にハイとなって、論理回路15の出力信号Vpwmには第2のパルス信号Vdの遅延時間tdに相当するオフ期間(Toff)が強制される。
As shown in FIG. 4B, when the on-time ratio reaches the limit value, the PWM signal Vpwm1 is always high, and the output signal Vpwm of the
図5は、図3の論理回路15における入出力信号波形の一例を示す波形図である。同図(a)はオン時比率が制限されていないとき、同図(b)はオン時比率が制限されているときのものであって、第1のパルス信号Vosc2、第2のパルス信号Vd、およびPWM信号Vpwm1が第1、第2のAND回路31,32に入力されている。そして、同図(a)のようにオン時比率が制限されていないときには、論理回路15の出力信号Vpwmは、PWM信号Vpwm1と同じ波形でOR回路33から出力される。しかし、同図(b)のようにオン時比率が制限されているときには、第1のパルス信号Vosc2がハイからロウに切り替わると、第1のAND回路31の出力信号VAを強制的にロウ信号にして出力し、つぎに第2のパルス信号Vdがハイからロウに切り替わったとき、第2のAND回路32の出力信号VBをハイ信号にする。こうしてOR回路33から出力される出力信号Vpwmには、第1のパルス信号Vosc2によりラッチされ、第2のパルス信号Vdによりラッチが解除されることによって、遅延回路14で設定された遅延時間tdに等しいオフ期間が強制されるようになる。
FIG. 5 is a waveform diagram showing an example of input / output signal waveforms in the
また、狭幅パルスが論理回路15の最終段で初めて生成されるため、狭幅パルスの精度を保つことが容易になる。
ここでは、最大デューティ比設定電圧やデューティ比設定用のパルス信号を用いることなく、遅延回路14により設定した遅延時間tdだけでオン時比率の最大値を制限しているために、高精度でオン時比率を制限することができる。
In addition, since the narrow pulse is generated for the first time in the final stage of the
Here, since the maximum value of the on-time ratio is limited only by the delay time td set by the
なお、以上の各パルス信号Vosc2,Vdのハイレベルおよびロウレベルについては、それらの論理の整合がとれる限りでは、それぞれ反転信号を用いることとしても差し支えない。 In addition, as for the high level and low level of each of the above pulse signals Vosc2 and Vd, inversion signals may be used as long as their logics can be matched.
また、上述した実施形態では、コンパレータ12は誤差出力信号Vfbと三角波信号Vosc1とを比較してPWM信号Vpwm1を出力するものとしたが、三角波信号Vosc1に代えて鋸歯状波の信号やサイン(あるいはコサイン)波の信号など、一定の振幅値で一定の周期の発振信号などに適宜変更して実施することができる。
In the above-described embodiment, the
また、上述した実施形態では、時比率制御回路を昇圧型のDC−DCコンバータに用いる場合を説明したが、降圧型のDC−DCコンバータまたは昇降圧型のDC−DCコンバータについて適用することもできる。 In the above-described embodiment, the case where the duty ratio control circuit is used in the step-up DC-DC converter has been described. However, the present invention can also be applied to a step-down DC-DC converter or a step-up / step-down DC-DC converter.
さらに、上述した実施形態では、時比率制御回路をDC−DCコンバータに用いるだけではなく、例えばモータを駆動する駆動制御装置であって、スイッチング素子をデューティ制御することによってモータに印加する電圧を制御して回転速度を制御する速度制御装置などにも適用できる。 Furthermore, in the above-described embodiment, not only the duty ratio control circuit is used in the DC-DC converter, but also a drive control device that drives the motor, for example, and the voltage applied to the motor is controlled by duty-controlling the switching element. Thus, the present invention can be applied to a speed control device that controls the rotation speed.
11 誤差増幅器
12 コンパレータ
13 三角波発振回路
14 遅延回路
15 論理回路
16 出力バッファ
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記三角波信号に同期して生成した第1のパルス信号、および該第1のパルス信号に対して所定の遅延時間をもって生成した第2のパルス信号に基づいて、前記オン時比率の最大値を制限するようにしたことを特徴とするPWM信号の時比率設定方法。 In the PWM signal time ratio setting method, when the error output signal is compared with a triangular wave signal having a predetermined period to generate a PWM signal, the maximum value of the on-time ratio at which the PWM signal changes is set.
The maximum value of the on-time ratio is limited based on a first pulse signal generated in synchronization with the triangular wave signal and a second pulse signal generated with a predetermined delay time with respect to the first pulse signal. A method for setting a duty ratio of a PWM signal, characterized in that:
前記誤差出力信号を所定周期の三角波信号と比較してPWM信号を生成するコンパレータと、
前記所定周期の三角波信号、および前記三角波信号に同期する第1のパルス信号を生成する三角波発振回路と、
第1のパルス信号に対して所定の遅延時間を有する第2のパルス信号を生成する遅延回路と、
前記第1のパルス信号により前記PWM信号を強制オフするとともに、前記第2のパルス信号により前記PWM信号の強制オフを解除する論理回路と
を備えたことを特徴とする時比率制御回路。 An error amplifier for generating an error output signal;
A comparator that compares the error output signal with a triangular wave signal of a predetermined period to generate a PWM signal;
A triangular wave oscillation circuit for generating a triangular wave signal of the predetermined period and a first pulse signal synchronized with the triangular wave signal;
A delay circuit for generating a second pulse signal having a predetermined delay time with respect to the first pulse signal;
A time ratio control circuit comprising: a logic circuit for forcibly turning off the PWM signal by the first pulse signal and releasing the forced off of the PWM signal by the second pulse signal.
前記出力電圧の電圧値を検出する出力電圧検出回路部と、
前記検出回路部からの検出電圧に基づいて誤差出力信号を生成する誤差増幅器と、
前記誤差出力信号を所定周期の三角波信号と比較して、前記スイッチング素子をデューティ比制御するためのPWM信号を生成するコンパレータと、
前記所定周期の三角波信号、および前記三角波信号に同期する第1のパルス信号を生成する三角波発振回路と、
第1のパルス信号に対して所定の遅延時間を有する第2のパルス信号を生成する遅延回路と、
前記第1のパルス信号により前記PWM信号を強制オフするとともに、前記第2のパルス信号により前記PWM信号の強制オフを解除する論理回路と
を備えたことを特徴とするDC−DCコンバータ。 A DC-DC converter circuit unit that includes a switching element and converts the input voltage into an output voltage having a voltage value different from the input voltage by controlling the duty ratio of the switching element;
An output voltage detection circuit unit for detecting a voltage value of the output voltage;
An error amplifier that generates an error output signal based on a detection voltage from the detection circuit unit;
A comparator that generates a PWM signal for controlling the duty ratio of the switching element by comparing the error output signal with a triangular wave signal having a predetermined period;
A triangular wave oscillation circuit for generating a triangular wave signal of the predetermined period and a first pulse signal synchronized with the triangular wave signal;
A delay circuit for generating a second pulse signal having a predetermined delay time with respect to the first pulse signal;
A DC-DC converter comprising: a logic circuit for forcibly turning off the PWM signal by the first pulse signal and releasing the forced off of the PWM signal by the second pulse signal.
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