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JP7184168B2 - switching power supply - Google Patents

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JP7184168B2
JP7184168B2 JP2021511710A JP2021511710A JP7184168B2 JP 7184168 B2 JP7184168 B2 JP 7184168B2 JP 2021511710 A JP2021511710 A JP 2021511710A JP 2021511710 A JP2021511710 A JP 2021511710A JP 7184168 B2 JP7184168 B2 JP 7184168B2
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output
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Sanken Electric Co Ltd
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Sanken Electric Co Ltd
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

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Description

本発明は、非絶縁型の降圧チョッパ回路等に適用され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 applied to a non-isolated step-down chopper circuit or the like.

入力電圧より低い安定した電圧を生成する方法として、非絶縁型の降圧チョッパ回路が広く使用されている。特に、通信インフラなどには、POL(Point of Load)モジュール電源が多く用いられている。 A non-isolated step-down chopper circuit is widely used as a method of generating a stable voltage lower than the input voltage. In particular, POL (Point of Load) module power supplies are often used in communication infrastructure and the like.

このモジュール電源は、制御回路とPower MOSFETと、インダクタが単一基盤上に搭載されている。ユーザーはモジュールの出力端子とGND間に出力コンデンサを追加し、出力コンデンサ値を調整する。これによって、スイッチング動作に伴う出力リップル電圧が抑制でき、出力負荷電流の急激な変動が発生した際の出力電圧の変動が規格範囲に入るように調整することができる。 This module power supply has a control circuit, a Power MOSFET, and an inductor mounted on a single board. The user adds an output capacitor between the output terminal of the module and GND, and adjusts the output capacitor value. As a result, the output ripple voltage associated with the switching operation can be suppressed, and the fluctuation of the output voltage when the output load current fluctuates rapidly can be adjusted to fall within the standard range.

一般には出力コンデンサ値を大きく調整するほど、出力リップル電圧と負荷急変時の出力電圧変動は少なくなる。しかし、制御回路は、想定される範囲内で安定動作できるようにデジタルフィルタの制御定数が設定されている。このため、例えば、出力コンデンサを想定以上に大きくした際には、フィードバック制御の制御帯域(クロスオーバー周波数)が低下して応答特性が退化する。このため、負荷急変時の出力電圧変動を期待通りに抑制できないばかりか、最悪は、位相余裕度が不足して、動作が不安定になってしまう問題があった。 In general, the larger the output capacitor value is adjusted, the smaller the output ripple voltage and the output voltage fluctuation when the load suddenly changes. However, the control constant of the digital filter is set so that the control circuit can operate stably within an assumed range. Therefore, for example, when the output capacitor is made larger than expected, the control band (crossover frequency) of the feedback control is lowered and the response characteristic is degraded. For this reason, there is a problem that the output voltage fluctuation at the time of sudden load change cannot be suppressed as expected, and in the worst case, the phase margin is insufficient, resulting in unstable operation.

これに対して、特許文献1に記載されたスイッチング電源装置は、電源起動後に出力電圧が上昇を開始し所定値に達した後のフィルタ特性分析期間中に発生した出力電圧の変動から制御対象のフィルタ特性を抽出する。その装置は、抽出されたフィルタ特性を予め設定してある複数のモデル周波数特性と比較することでフィルタ特性を分析する。その後、その装置は、モデル周波数特性に対応したデジタルフィルタの制御定数(制御応答特性)を自動選択することで広い動作範囲を確保できる。 On the other hand, in the switching power supply device described in Patent Document 1, after the output voltage starts to rise after the power supply is started and reaches a predetermined value, the fluctuation of the output voltage generated during the filter characteristic analysis period is used as the control target. Extract filter characteristics. The device analyzes the filter characteristics by comparing the extracted filter characteristics with a plurality of preset model frequency characteristics. After that, the device can ensure a wide operating range by automatically selecting the control constant (control response characteristic) of the digital filter corresponding to the model frequency characteristic.

特許第5925724号公報Japanese Patent No. 5925724

しかしながら、特許文献1のモデル周波数特性は、出力電圧が電源立ち上がり後の設定電圧に達したところで最適化されている。このため、フィルタ特性分析期間は、必ず出力電圧が設定電圧に達した以降のタイミングに設ける必要がある。このため、電源起動直後の出力電圧が低い状態ではフィルタ特性を分析できず、フィルタ定数設定が完了していない。このため、出力電圧が設定電圧に達するまでの立ち上がり期間はフィードバック制御が不安定になる。 However, the model frequency characteristic of Patent Document 1 is optimized when the output voltage reaches the set voltage after the power is turned on. Therefore, the filter characteristic analysis period must be set at a timing after the output voltage reaches the set voltage. Therefore, when the output voltage is low immediately after the power is turned on, the filter characteristics cannot be analyzed, and the filter constant setting is not completed. Therefore, the feedback control becomes unstable during the rising period until the output voltage reaches the set voltage.

このように、特許文献1のスイッチング電源装置は、電源起動後に出力電圧が上昇を開始し設定電圧に達した後のフィルタ特性分析期間中に発生した出力電圧の変動から制御対象のフィルタ特性を抽出して最適なデジタルフィルタの制御定数を設定する。このため、出力電圧が設定電圧に達するまでの立ち上がり期間中には制御定数の設定が完了しておらず不安定動作に陥る。 As described above, the switching power supply device of Patent Document 1 extracts the filter characteristics of the controlled object from the fluctuations in the output voltage that occur during the filter characteristic analysis period after the output voltage starts to rise after the power is turned on and reaches the set voltage. to set the optimal digital filter control constant. For this reason, during the rising period until the output voltage reaches the set voltage, setting of the control constant is not completed, resulting in unstable operation.

本発明の課題は、出力電圧が設定電圧に達するまでの立ち上がり期間中に不安定動作に陥るのを防止できるスイッチング電源装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a switching power supply device capable of preventing unstable operation during the rising period until the output voltage reaches a set voltage.

前記課題を解決するために、本発明のスイッチング電源装置は、スイッチング素子をオ
ンオフすることで電源から供給される第1の直流電圧をインダクタと出力コンデンサを介
して第2の直流電圧に変換して出力負荷へ出力電圧を供給するスイッチング電源装置であ
って、前記出力電圧を検出し、検出された前記出力電圧を所定のビット数のデジタル値に
変換する電圧検出部と、目標値と前記電圧検出部の出力との誤差に基づき所定の演算を行
うデジタルフィルタと、フィルタ特性分析期間に所定のデューティーで前記スイッチング
素子を駆動し、前記フィルタ特性分析期間終了後に前記デジタルフィルタの演算結果に基
づいたデューティーで前記スイッチング素子を制御する駆動部と、前記インダクタに流
れる電流を検出し検出された電流を電流検出信号として出力する電流検出部と、前記電流
検出部の電流検出信号に基づき、前記フィルタ分析期間に前記インダクタに流れる突入電
流の発生期間から前記インダクタと前記出力コンデンサで構成されるフィルタ特性を分析
するフィルタ特性分析部と、複数のフィルタ特性に対応した複数のフィルタ定数を格納し
た複数のデジタルフィルタ定数テーブルを有し、前記フィルタ特性分析期間終了後に前記
フィルタ特性に応じて前記複数のデジタルフィルタ定数テーブルの中から適したフィルタ
定数を選択し前記デジタルフィルタに供給する定数格納部と、前記電源の入力電圧を検出
する入力電圧検出部と、を備え、前記駆動部は、前記フィルタ特性分析期間に前記入力電
圧検出部からの電圧信号に応じて変化するデューティーで前記スイッチング素子を駆動す
ることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a switching power supply device of the present invention converts a first DC voltage supplied from a power supply into a second DC voltage via an inductor and an output capacitor by turning on and off a switching element. A switching power supply device that supplies an output voltage to an output load, comprising: a voltage detection unit that detects the output voltage and converts the detected output voltage into a digital value of a predetermined number of bits; a target value and the voltage detection a digital filter that performs a predetermined calculation based on an error from the output of the unit; a duty that drives the switching element with a predetermined duty during the filter characteristic analysis period and a duty based on the calculation result of the digital filter after the filter characteristic analysis period ends; a drive unit for controlling the switching element, a current detection unit for detecting the current flowing through the inductor and outputting the detected current as a current detection signal, and the filter based on the current detection signal of the current detection unit a filter characteristic analysis unit that analyzes the characteristics of a filter composed of the inductor and the output capacitor from the occurrence period of the inrush current flowing through the inductor during the analysis period; a constant storage unit having a digital filter constant table, selecting a suitable filter constant from the plurality of digital filter constant tables according to the filter characteristic after the filter characteristic analysis period ends, and supplying the filter constant to the digital filter; an input voltage detection unit that detects an input voltage of a power supply, wherein the drive unit drives the switching element with a duty that varies according to the voltage signal from the input voltage detection unit during the filter characteristic analysis period. characterized by

また、本発明のスイッチング電源装置は、スイッチング素子をオンオフすることで電源
から供給される第1の直流電圧をインダクタと出力コンデンサを介して第2の直流電圧に
変換して出力負荷へ出力電圧を供給するスイッチング電源装置であって、前記出力電圧を
検出し、検出された前記出力電圧を所定のビット数のデジタル値に変換する電圧検出部と
、目標値と前記電圧検出部の出力との誤差に基づき所定の演算を行うデジタルフィルタと
、フィルタ特性分析期間に所定のデューティーで前記スイッチング素子を駆動し、前記フ
ィルタ特性分析期間終了後に前記デジタルフィルタの演算結果に基づいたデューティーで
記スイッチング素子を制御する駆動部と、前記インダクタに流れる電流を検出し検出
された電流を電流検出信号として出力する電流検出部と、前記電流検出部の電流検出信号
に基づき、前記フィルタ分析期間に前記インダクタに流れる突入電流の発生期間から前記
インダクタと前記出力コンデンサで構成されるフィルタ特性を分析するフィルタ特性分析
部と前記フィルタ特性分析期間終了後に前記フィルタ特性に応じてフィルタ定数の算出を
行い前記デジタルフィルタに供給するフィルタ定数演算部と、前記電源の入力電圧を検出
する入力電圧検出部と、を備え、前記駆動部は、前記フィルタ特性分析期間に前記入力電
圧検出部からの電圧信号に応じて変化するデューティーで前記スイッチング素子を駆動
することを特徴とする。
Further, the switching power supply device of the present invention converts the first DC voltage supplied from the power supply to the second DC voltage via the inductor and the output capacitor by turning on and off the switching element, and outputs the output voltage to the output load. A switching power supply device for supplying power, comprising: a voltage detection unit that detects the output voltage and converts the detected output voltage into a digital value of a predetermined number of bits; and an error between a target value and the output of the voltage detection unit. and a digital filter for performing a predetermined calculation based on the above, driving the switching element with a predetermined duty during the filter characteristic analysis period, and driving the switching element with a duty based on the calculation result of the digital filter after the filter characteristic analysis period. a drive unit that controls the switching element; a current detection unit that detects the current flowing through the inductor and outputs the detected current as a current detection signal; and the filter analysis period based on the current detection signal of the current detection unit. a filter characteristic analysis unit that analyzes a filter characteristic composed of the inductor and the output capacitor from a period during which an inrush current flowing through the inductor is generated; and after the filter characteristic analysis period ends, a filter constant is calculated according to the filter characteristic. and an input voltage detection unit that detects the input voltage of the power supply. The switching element is driven with a duty that changes accordingly.

本発明によれば、フィルタ特性分析部は、電源起動直後で出力電圧が上昇を開始する以前のフィルタ特性分析期間に流れる突入電流発生期間から出力コンデンサとインダクタで決まる制御対象のフィルタ特性を一度に抽出する。定数格納部は、予め設定され格納されている複数のデジタルフィルタ定数テーブルの中から最適なものを選択しデジタルフィルタに適用する。 According to the present invention, the filter characteristics analysis unit obtains the filter characteristics of the controlled object determined by the output capacitor and the inductor at once from the inrush current generation period that flows during the filter characteristics analysis period before the output voltage starts to rise immediately after the power is turned on. Extract. The constant storage unit selects an optimum one from among a plurality of preset and stored digital filter constant tables and applies it to the digital filter.

このため、手作業での出力コンデンサとインダクタを考慮した設定が不要となる。その後、ソフトスタート動作させることで、出力電圧を設定電圧までゆっくりと上昇させる。 This eliminates the need to manually set the output capacitor and inductor. After that, a soft start operation is performed to slowly increase the output voltage to the set voltage.

出力電圧が設定電圧まで上昇する以前にフィルタ定数設定が完了するために、ソフトスタート期間中のフィードバック制御を安定化することができる。このため、出力電圧の立ち上がり期間中に不安定動作に陥るのを防止できる。 Since the filter constant setting is completed before the output voltage rises to the set voltage, the feedback control during the soft start period can be stabilized. As a result, it is possible to prevent unstable operation during the rising period of the output voltage.

図1は実施例1のスイッチング電源装置の回路構成図である。FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a switching power supply device according to a first embodiment. 図2は一般的な電圧モードDC/DCコンバータの周波数特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing frequency characteristics of a general voltage mode DC/DC converter. 図3は図2に示す周波数特性を要素毎に分解したデジタルフィルタとコンバータの周波数特性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing frequency characteristics of a digital filter and a converter obtained by decomposing the frequency characteristics shown in FIG. 2 for each element. 図4は出力コンデンサが小さい値で十分な位相余裕度を確保できる場合の周波数特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics when a sufficient phase margin can be ensured with a small output capacitor value. 図5は出力コンデンサが大きい値で位相余裕度が不足した場合の周波数特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing frequency characteristics when the value of the output capacitor is large and the phase margin is insufficient. 図6は実施例1のスイッチング電源装置の動作を説明するための各部のタイミングチャートである。FIG. 6 is a timing chart of each part for explaining the operation of the switching power supply device of the first embodiment. 図7は出力コンデンサが大きい値で共振周波数が零点周波数に対して低い場合にクロスオーバー周波数と位相余裕度が低下したときの周波数特性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing frequency characteristics when the crossover frequency and the phase margin decrease when the value of the output capacitor is large and the resonance frequency is low with respect to the zero point frequency. 図8は出力コンデンサが大きい値で共振周波数が低くなるに伴って零点周波数を低い周波数にシフトさせると共に利得を低下させたときの周波数特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing frequency characteristics when the zero-point frequency is shifted to a lower frequency and the gain is lowered as the resonant frequency is lowered with a large value of the output capacitor. 図9は実施例2のスイッチング電源装置の回路構成図である。FIG. 9 is a circuit configuration diagram of a switching power supply device according to a second embodiment. 図10は実施例3のスイッチング電源装置の回路構成図である。FIG. 10 is a circuit configuration diagram of a switching power supply device according to the third embodiment. 図11は実施例1のスイッチング電源装置で入力電圧が高い場合の出力電圧とインダクタ電流の立ち上がり波形を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing rising waveforms of the output voltage and the inductor current when the input voltage is high in the switching power supply device of the first embodiment. 図12は実施例3のスイッチング電源装置で入力電圧が高い場合の出力電圧とインダクタ電流の立ち上がり波形を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing rising waveforms of the output voltage and the inductor current when the input voltage is high in the switching power supply device of the third embodiment.

以下、本発明のスイッチング電源装置の実施例を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the switching power supply device of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施例1)
図1は実施例1のスイッチング電源装置の回路構成図である。図1に示す実施例1のスイッチング電源装置は、電圧検出部1、目標値生成部2、減算器3、デジタルフィルタ4、駆動部5、電流検出部6、フィルタ特性分析部7、定数格納部8、ハイサイドMOSFET101、ローサイドMOSFET102、インダクタ103、出力コンデンサ104、出力負荷105を備える。ハイサイドMOSFET101、ローサイドMOSFET102は、本発明のスイッチング素子に対応する。
(Example 1)
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a switching power supply device according to a first embodiment. The switching power supply device of the first embodiment shown in FIG. 8, a high-side MOSFET 101, a low-side MOSFET 102, an inductor 103, an output capacitor 104, and an output load 105; A high-side MOSFET 101 and a low-side MOSFET 102 correspond to switching elements of the present invention.

スイッチング電源装置は、ハイサイドMOSFET101とローサイドMOSFET102とを交互にオンオフすることで電源Viから供給される第1の直流電圧をインダクタ103と出力コンデンサ104を介して第2の直流電圧に変換して出力負荷105へ出力電圧Voを供給する。 The switching power supply alternately turns on and off the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 to convert the first DC voltage supplied from the power supply Vi into the second DC voltage via the inductor 103 and the output capacitor 104 and output the voltage. It supplies the output voltage Vo to the load 105 .

電源Viの正極にはNチャネルのハイサイドMOSFET101のドレインが接続され、ハイサイドMOSFET101のソースとNチャネルのローサイドMOSFET102のドレインとはインダクタLの一端に接続されている。ローサイドMOSFET102のソースは接地されている。 The drain of the N-channel high-side MOSFET 101 is connected to the positive electrode of the power source Vi, and the source of the high-side MOSFET 101 and the drain of the N-channel low-side MOSFET 102 are connected to one end of the inductor L. The source of low-side MOSFET 102 is grounded.

インダクタLの他端には出力コンデンサ104の一端と負荷105の一端が接続されている。出力コンデンサ104の他端と出力負荷105の他端は接地されている。 The other end of the inductor L is connected to one end of the output capacitor 104 and one end of the load 105 . The other end of the output capacitor 104 and the other end of the output load 105 are grounded.

駆動部5は、ハイサイドMOSFET101と、ローサイドMOSFET102を交互にスイッチ動作させることで、SW端子(ハイサイドMOSFET101とローサイドMOSFET102の接続点)に矩形波電圧を発生させる。インダクタ103と出力コンデンサ104で構成される出力フィルタは、矩形波電圧を平滑することによって、負荷105に安定した直流電圧からなる出力電圧Voを供給する。 The driving unit 5 alternately switches the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 to generate a rectangular wave voltage at the SW terminal (connection point between the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102). An output filter composed of an inductor 103 and an output capacitor 104 smoothes the square wave voltage to supply a load 105 with an output voltage Vo consisting of a stable DC voltage.

電圧検出部1は、出力コンデンサ104の一端に接続され、出力電圧Voを検出し、検出された出力電圧Voを所定のビット数のデジタル電圧値に変換し、変換されたデジタル電圧値を減算器3に出力する。 The voltage detection unit 1 is connected to one end of the output capacitor 104, detects the output voltage Vo, converts the detected output voltage Vo into a digital voltage value of a predetermined number of bits, and converts the converted digital voltage value into a subtractor. Output to 3.

目標値生成部2は、出力電圧Voの目標値を発生し、目標値を所定のビット数のデジタル値に変換し、変換されたデジタル値を減算器3に出力する。なお、後述するフィルタ特性分析期間の終了時点から所定の期間は、目標値を第1目標値から第2目標値までゆっくりと変化させて、出力電圧Voを第1出力電圧から第2出力電圧までゆっくりと立ち上げる。これにより、オーバーシュートと電源ViからハイサイドMOSFET101及びインダクタ103を経由して出力コンデンサ104に流れる過度な突入電流を抑制する。 The target value generator 2 generates a target value of the output voltage Vo, converts the target value into a digital value of a predetermined number of bits, and outputs the converted digital value to the subtractor 3 . In a predetermined period from the end of the filter characteristic analysis period described later, the target value is slowly changed from the first target value to the second target value, and the output voltage Vo is changed from the first output voltage to the second output voltage. Bring up slowly. This suppresses overshoot and excessive rush current flowing from the power supply Vi to the output capacitor 104 via the high-side MOSFET 101 and the inductor 103 .

減算器3は、電圧検出部1からのデジタル電圧値と、目標値生成部2で生成した目標値との誤差を演算して、得られた誤差をデジタルフィルタ4に出力する。 The subtractor 3 calculates the error between the digital voltage value from the voltage detector 1 and the target value generated by the target value generator 2 and outputs the obtained error to the digital filter 4 .

デジタルフィルタ4は、フィルタ特性分析期間Trには所定の分析信号を出力し、フィルタ特性分析期間Tr終了以降は、減算器3からの誤差に対して、主にPID(比例・積分・微分)演算を行い、演算結果を駆動部5に出力する。 The digital filter 4 outputs a predetermined analysis signal during the filter characteristic analysis period Tr. and outputs the calculation result to the drive unit 5 .

駆動部5は、デジタルフィルタ4からの演算結果に基づいてハイサイドMOSFET101とローサイドMOSFET102を交互にオンオフ駆動させる。ハイサイドMOSFET101とローサイドMOSFET102のオンオフのデューティー比は、デジタルフィルタ4の演算結果に応じて制御される。 The driving unit 5 alternately turns on and off the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 based on the calculation result from the digital filter 4 . The on/off duty ratios of the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 are controlled according to the calculation result of the digital filter 4 .

駆動部5は、フィルタ特性分析期間に所定のデューティーでハイサイドMOSFET101とローサイドMOSFET102を駆動し、フィルタ特性分析期間終了後にデジタルフィルタ4の演算結果に基づいたデューティーでハイサイドMOSFET101とローサイドMOSFET102を制御する。 The drive unit 5 drives the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 with a predetermined duty during the filter characteristic analysis period, and controls the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 with a duty based on the calculation result of the digital filter 4 after the filter characteristic analysis period. .

電流検出部6は、インダクタ103に流れる電流値を検出し、検出された電流値を所定のビット数のデジタル電圧値である電流検出信号に変換して電流検出信号をフィルタ特性分析部7に出力する。 Current detection unit 6 detects the value of current flowing through inductor 103 , converts the detected current value into a current detection signal that is a digital voltage value of a predetermined number of bits, and outputs the current detection signal to filter characteristic analysis unit 7 . do.

フィルタ特性分析部7は、電流検出部6からの電流検出信号に基づき、フィルタ特性分析期間Trにインダクタ103に流れる突入電流の発生期間から制御対象のインダクタ103と出力コンデンサ104とにより決定されるフィルタ特性(LC共振周波数f)を分析し、分析されたフィルタ特性を定数格納部8に出力する。Based on the current detection signal from the current detection unit 6, the filter characteristic analysis unit 7 determines a filter determined by the inductor 103 to be controlled and the output capacitor 104 from the occurrence period of the inrush current flowing through the inductor 103 during the filter characteristic analysis period Tr. The characteristics (LC resonance frequency f 0 ) are analyzed, and the analyzed filter characteristics are output to the constant storage unit 8 .

定数格納部8は、フィルタ特性分析期間終了後にフィルタ特性分析部7で分析されたフィルタ特性分析結果(LC共振周波数f)に応じて、定数格納部8に予め設定され格納されている複数のデジタルフィルタ定数テーブルの中から最適なものを選択し選択されたデジタルフィルタ定数をデジタルフィルタ4に供給する。The constant storage unit 8 stores a plurality of values preset and stored in the constant storage unit 8 according to the filter characteristic analysis result (LC resonance frequency f 0 ) analyzed by the filter characteristic analysis unit 7 after the end of the filter characteristic analysis period. An optimum one is selected from the digital filter constant table and the selected digital filter constant is supplied to the digital filter 4. - 特許庁

次に、フィードバック制御について説明する。デジタルフィルタ4が出力電圧Voと目標値VREFの誤差を入力して所定の演算を行う。駆動部5がハイサイドMOSFET101と、ローサイドMOSFET102のデューティー比を制御する。これによって、出力電圧Voと比較値VREFの誤差が小さくなるようにフィードバック制御が行われる。 Next, feedback control will be described. The digital filter 4 inputs the error between the output voltage Vo and the target value VREF and performs a predetermined calculation. A drive unit 5 controls the duty ratios of the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 . As a result, feedback control is performed so that the error between the output voltage Vo and the comparison value VREF is reduced.

フィードバックループの安定性を判別する方法としてボーデ線図が広く用いられている。図2は、一般的な電圧モードDC/DCコンバータのボーデ線図のイメージである。周波数が高くなるほど利得と位相が変化し、やがて、利得が1倍(0dB)となる。この時の周波数をクロスオーバー周波数fcという。 A Bode diagram is widely used as a method of determining the stability of a feedback loop. FIG. 2 is an image of a Bode diagram of a typical voltage-mode DC/DC converter. As the frequency becomes higher, the gain and phase change, and eventually the gain becomes 1 (0 dB). The frequency at this time is called a crossover frequency fc.

クロスオーバー周波数fcにおける位相が、発振限界(-180deg)に対して、十分に余裕があればフィードバック制御は安定と判断できる。この余裕を位相余裕PMといい、高い程、安定性が向上する。一般的には60deg程度の位相余裕が安定性と応答性を両立できる最良値とされている。利得と位相は周波数の変化に対して変極点を持ち、周波数が低い領域Iでは、周波数の上昇に伴い、利得は-20dB/decで低下する。 If the phase at the crossover frequency fc has a sufficient margin with respect to the oscillation limit (-180 deg), it can be determined that the feedback control is stable. This margin is called a phase margin PM, and the higher the margin, the better the stability. Generally, a phase margin of about 60 degrees is considered to be the best value for achieving both stability and responsiveness. The gain and phase have an inflection point with respect to frequency change, and in the low frequency region I, the gain decreases at -20 dB/dec as the frequency increases.

周波数fzは第1零点であり、利得を+20dB/decで上昇させ、位相を+90deg進める。このため、領域IIでは利得の変化はなくなり、位相は最大で0degまで進む。Frequency fz 1 is the first zero, increasing the gain by +20 dB/dec and advancing the phase by +90 degrees. Therefore, there is no change in gain in region II, and the phase advances up to 0 deg.

周波数fは、インダクタ103と出力コンデンサ104で決まるLC共振周波数であり、式(1)で与えられる。周波数の上昇に伴い、利得を-40dB/decで低下させ、位相を-180deg遅らせる。このため、領域IIIでは利得が-40dB/decで変化し、位相は最大で-180degまで遅れる。A frequency f0 is an LC resonance frequency determined by the inductor 103 and the output capacitor 104, and is given by equation (1). As the frequency rises, the gain is lowered by -40dB/dec and the phase is delayed by -180deg. Therefore, in region III, the gain changes at −40 dB/dec, and the phase is delayed up to −180 deg.

=1/(2・π・√(L・C))・・・(1)
周波数fzは第2零点であり、第1零点fzと同様に、利得を+20dB/decで上昇させ、位相を+90deg進める。このため、領域IVでは利得が-20dB/decで変化し、領域IIIで最大で-180degまで遅れた位相を戻す。これによって、クロスオーバー周波数fcにおいて、位相余裕度を確保することができる。
f 0 =1/(2·π·√(L·C)) (1)
Frequency fz 2 is the second zero and, like the first zero fz 1 , raises the gain by +20 dB/dec and advances the phase by +90 degrees. Therefore, the gain changes at −20 dB/dec in region IV, and the phase is delayed up to −180 degrees in region III. Thereby, the phase margin can be ensured at the crossover frequency fc.

図3は、図2の周波数特性を要素毎に分解した図である。デジタルフィルタ特性は、図1のデジタルフィルタ4で決定される特性であり、コンバータ特性は、デジタルフィルタ4以外で決定する特性である。デジタルフィルタ4は、周波数に応じて利得を-20dB/decで低下する積分特性に加えて、二つの零点fzとfzを追加し、適切に配置することによって、コンバータ特性のLC共振周波数fにおける利得低下の傾斜を緩くする。FIG. 3 is a diagram in which the frequency characteristics of FIG. 2 are decomposed for each element. A digital filter characteristic is a characteristic determined by the digital filter 4 in FIG. 1, and a converter characteristic is a characteristic determined by something other than the digital filter 4. The digital filter 4 has an integration characteristic that lowers the gain by -20 dB/dec depending on the frequency. In addition, two zero points fz 1 and fz 2 are added and arranged appropriately to obtain the LC resonance frequency f of the converter characteristic. Soften the slope of the gain drop at zero .

また、デジタルフィルタ4は、最大で-180deg遅れる位相を戻すために、二つの零点fzとfzを生成する。この零点fzとfzを適切に配置することによって、位相余裕度PMを十分に確保することができる。一般的には、第1零点fzは、共振周波数fよりも低く設定し、第2零点fzは、LC共振周波数fからクロスオーバー周波数fcの間に配置するのが望ましい。Also, the digital filter 4 generates two zero points fz 1 and fz 2 to return a phase that is delayed by -180 degrees at maximum. By properly arranging the zero points fz1 and fz2 , a sufficient phase margin PM can be ensured. In general, it is desirable to set the first zero point fz1 lower than the resonance frequency f0 and the second zero point fz2 between the LC resonance frequency f0 and the crossover frequency fc.

しかし、モジュール電源のユーザーの多くは、モジュール電源の出力端子とGND間にコンデンサを追加し、コンデンサ値を調整する。これによって、スイッチング動作に伴う出力リップル電圧を抑制し、出力負荷電流の急激な変動が発生した際の出力電圧の変動が規格範囲に入るように調整する。このため、(1)式で与えられたLC共振周波数fが変化し、クロスオーバー周波数fcが低くなる方向にシフトすることで負荷応答性能が悪化してしまい、出力コンデンサ値を増やしても十分な出力電圧変動の抑制効果を得ることができない。最悪は、フィードバック動作が不安定になる場合がある。これについて、図4を参照しながら詳しく説明する。However, many users of module power supplies add a capacitor between the output terminal of the module power supply and GND and adjust the capacitor value. This suppresses the output ripple voltage associated with the switching operation, and adjusts the fluctuation of the output voltage when a rapid fluctuation of the output load current occurs so that it falls within the standard range. As a result, the LC resonance frequency f0 given by equation (1) changes, and the crossover frequency fc shifts downward, degrading the load response performance. Therefore, it is not possible to obtain an effective output voltage fluctuation suppression effect. In the worst case, the feedback operation may become unstable. This will be described in detail with reference to FIG.

例えば、図4に示したように、出力コンデンサ104が小さな値で十分な位相余裕度PMを確保できるように第1零点fzと第2零点fzを最適化した条件を考える。このフィルタ条件を維持したまま、出力コンデンサ104のみを大きくすると、図5に示したように、LC共振周波数はfよりも低いf’に移動する。このために、第1零点fzと共振点f’の位置関係が逆転してしまい、特に、領域IIにおいて-60dB/decとなり、非常に傾斜が急峻となる。For example, as shown in FIG. 4, consider a condition in which the first zero point fz 1 and the second zero point fz 2 are optimized so that a sufficient phase margin PM can be secured with a small value of the output capacitor 104 . If only the output capacitor 104 is increased while maintaining this filter condition, the LC resonance frequency moves to f 0 ′ , which is lower than f 0 , as shown in FIG. For this reason, the positional relationship between the first zero point fz 1 and the resonance point f 0 ′ is reversed, and in particular, in the region II, it becomes −60 dB/dec and the slope becomes very steep.

この結果、クロスオーバー周波数fc’が低くなるため、負荷応答性能が悪化する。さらに、第2零点fzによる位相進み効果が十分に得られない。このため、位相余裕度PM’が不足して不安定動作に陥る。この問題を解決するには、インダクタ103と出力コンデンサ104で決まるLC共振周波数f’を求め、この結果に基づき第1零点fzと第2零点fzを最適化する必要がある。As a result, the crossover frequency fc' becomes low, degrading the load response performance. Furthermore, a sufficient phase advance effect cannot be obtained by the second zero point fz2 . As a result, the phase margin PM' becomes insufficient, resulting in unstable operation. To solve this problem, it is necessary to obtain the LC resonance frequency f 0 ′ determined by the inductor 103 and the output capacitor 104 and optimize the first zero point fz 1 and the second zero point fz 2 based on this result.

そこで、本発明は、電源Viの投入直後のフィルタ特性分析期間に、インダクタ103に流れる突入電流を積極的に発生させ、突入電流の発生期間から出力コンデンサとインダクタで決まるLC共振周波数fを推測し、零点fzとfzを最適設定する。このために、手作業での出力コンデンサとインダクタを考慮した設定が不要となる。この様子について図6を参照しながら詳細に説明する。Therefore, according to the present invention, the inrush current flowing through the inductor 103 is actively generated during the filter characteristic analysis period immediately after the power supply Vi is turned on, and the LC resonance frequency f0 determined by the output capacitor and the inductor is estimated from the period during which the inrush current is generated. and optimally set the zeros fz1 and fz2 . This eliminates the need to manually set the output capacitor and inductor. This state will be described in detail with reference to FIG.

入力電圧Viを投入後、領域Iのフィルタ特性分析期間Trに、デジタルフィルタ4が所定の分析信号を駆動部5に出力することによって、ハイサイドMOSFET101とローサイドMOSFET102を所定のデューティーでオンオフさせる。 After the input voltage Vi is applied, the digital filter 4 outputs a predetermined analysis signal to the driving unit 5 during the filter characteristic analysis period Tr of region I, thereby turning the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 on and off at a predetermined duty.

所定のデューティーは、定常動作期間Tc(領域IV)のデューティーに対して十分に低い。これによって、出力コンデンサ104を充電し出力電圧Voが入力電圧Viと所定のデューティーで決定される第1出力電圧Vo1に達するまでの期間に、インダクタ103に突入電流を積極的に発生させる。尚、第1出力電圧Vo1は、以下の式で与えられる。Dはデューティーを表す。 The predetermined duty is sufficiently low with respect to the duty of steady operation period Tc (region IV). As a result, a rush current is actively generated in the inductor 103 during the period until the output capacitor 104 is charged and the output voltage Vo reaches the first output voltage Vo1 determined by the input voltage Vi and a predetermined duty. Note that the first output voltage Vo1 is given by the following equation. D represents duty.

Vo1=Vi・D・・・(2)
このインダクタ103に発生する突入電流の包絡線ELPは、インダクタ103と出力コンデンサ104で決まるLC自由振動の半波と概ね相似している。
Vo1=Vi.D (2)
The envelope ELP of the rush current generated in the inductor 103 is roughly similar to the half wave of the LC free oscillation determined by the inductor 103 and the output capacitor 104 .

そこで、フィルタ特性分析部7は、フィルタ特性分析期間の開始から包絡線ELPの頂点近傍に達するまでの時間Trを計測することによって、インダクタ103と出力コンデンサ104で決まる共振周波数fを算出する。フィルタ特性分析期間の開始から包絡線ELPの頂点近傍に達するまでの期間TrとLC共振周波数fの関係は、式(3)で与えられる。Therefore, the filter characteristic analysis unit 7 calculates the resonance frequency f0 determined by the inductor 103 and the output capacitor 104 by measuring the time Tr from the start of the filter characteristic analysis period until reaching the vicinity of the apex of the envelope ELP. The relationship between the period Tr from the start of the filter characteristic analysis period until reaching the vicinity of the apex of the envelope ELP and the LC resonance frequency f0 is given by equation (3).

≒1/(4・Tr)・・・(3)
図6の定数設定期間Ts(領域II)では、フィルタ特性分析部7は、求めた共振周波数f値に応じて、定数格納部8に予め設定され格納されている複数のデジタルフィルタ定数テーブルの中から最適なものを選択し、デジタルフィルタ4に適用する。具体的には、表1に示した様に、フィルタ特性分析部7は、LC共振周波数f値が低くなるほど、第1零点fzと第2零点fzが低くなるようなデジタルフィルタ設定テーブルを選択する。
f 0 ≈1/(4·Tr) (3)
In the constant setting period Ts (area II) in FIG. 6, the filter characteristic analysis unit 7 performs a plurality of digital filter constant tables preset and stored in the constant storage unit 8 according to the obtained resonance frequency f0 value. The optimum one is selected from among them and applied to the digital filter 4. - 特許庁Specifically, as shown in Table 1, the filter characteristic analysis unit 7 uses a digital filter setting table such that the lower the LC resonance frequency f0 value, the lower the first zero point fz1 and the second zero point fz2 . to select.

Figure 0007184168000001
Figure 0007184168000001

これによって、図7に示したように、零点調整前では、第1零点fzと共振点fの位置関係が逆転する。特に、領域IIにおいて-60dB/decと非常に傾斜が急峻となるために、クロスオーバー周波数fcが低くなり負荷応答性能が低下する。さらに、第2零点fzよる位相進み効果が得られず位相余裕度PMが不足している。As a result, as shown in FIG. 7, the positional relationship between the first zero point fz1 and the resonance point f0 is reversed before the zero point adjustment. In particular, since the slope is extremely steep at -60 dB/dec in region II, the crossover frequency fc is lowered and the load response performance is degraded. Furthermore, the phase margin PM is insufficient because the phase lead effect by the second zero point fz2 is not obtained.

これに対し零点調整後は、図8に示したようにLC共振周波数fに応じて第1零点fz’と第2零点fz’を低下させる。これによって、位相余裕度PM’を十分に確保しつつ、クロスオーバー周波数fc’を高くすることで、負荷応答性能と安定性の高い電源を構成できる。On the other hand, after the zero point adjustment, the first zero point fz 1 ′ and the second zero point fz 2 ′ are lowered according to the LC resonance frequency f 0 as shown in FIG. Thus, by increasing the crossover frequency fc' while ensuring a sufficient phase margin PM', a power supply with high load response performance and stability can be configured.

図6のソフトスタートTss(領域III)では、目標値生成部2が目標値を第1目標値から第2目標値までゆっくりと上昇させることで、出力電圧Voのソフトスタート動作を実現し、オーバーシュートを防止する。その後、出力電圧Voが第2目標値で決まる設定電圧に達すると、領域IVに移行して定常動作を開始する。 In the soft start Tss (region III) of FIG. 6, the target value generation unit 2 slowly increases the target value from the first target value to the second target value, thereby realizing a soft start operation of the output voltage Vo and over Prevent shoots. After that, when the output voltage Vo reaches the set voltage determined by the second target value, it shifts to region IV and starts steady operation.

尚、従来技術では、ソフトスタート動作期間終了後にフィルタ特性の設定を行うために、ソフトスタート動作期間中にフィードバック動作が不安定になる問題があった。 In the prior art, since the filter characteristics are set after the soft start operation period ends, there is a problem that the feedback operation becomes unstable during the soft start operation period.

これに対して、本発明では、出力電圧Voがソフトスタート動作を開始する以前にデジタルフィルタ4の設定が完了しているために、同様の問題が発生しない利点がある。 In contrast, in the present invention, setting of the digital filter 4 is completed before the soft start operation of the output voltage Vo starts, so there is an advantage that similar problems do not occur.

尚、表1ではLC共振周波数fに応じて零点を調整することで負荷応答性能と安定性を両立した電源を構成しているのに対して、LC共振周波数f値に応じて利得を調整することでも同様の効果を得ることができる。さらに、LC共振周波数fに応じて零点と利得の両方を調整することでも同様の効果を得ることができる。In Table 1, the zero point is adjusted according to the LC resonance frequency f0 to configure a power supply that achieves both load response performance and stability. A similar effect can be obtained by adjusting. Furthermore, the same effect can be obtained by adjusting both the zero point and the gain according to the LC resonance frequency f0 .

また、インダクタ103に流れる電流検出は、シャント抵抗を用いて直接検出する方法でも、インダクタ103のDCR(直流抵抗)を利用して間接的に検出する方法でも、ホール素子を用いて非接触で検出する方法でも良い。 In addition, the current flowing through the inductor 103 can be detected directly using a shunt resistor or indirectly using the DCR (direct current resistance) of the inductor 103, using a Hall element. Any method is fine.

このように、実施例1のスイッチング電源装置によれば、フィルタ特性分析部は、電源起動直後で出力電圧が上昇を開始する以前のフィルタ特性分析期間に流れる突入電流発生期間から出力コンデンサ104とインダクタ103で決まる制御対象のフィルタ特性を一度に抽出する。定数格納部8は、予め設定され格納されている複数のデジタルフィルタ定数テーブルの中から最適なものを選択しデジタルフィルタ4に適用する。 As described above, according to the switching power supply device of the first embodiment, the filter characteristic analysis unit detects the output capacitor 104 and the inductor from the inrush current occurrence period before the output voltage starts to rise immediately after the power is turned on. The filter characteristics of the controlled object determined by 103 are extracted at once. The constant storage unit 8 selects the optimum one from among a plurality of preset and stored digital filter constant tables and applies it to the digital filter 4 .

このため、手作業での出力コンデンサ104とインダクタ103を考慮した設定が不要となる。その後、ソフトスタート動作させることで、出力電圧を設定電圧までゆっくりと上昇させる。 Therefore, manual setting considering the output capacitor 104 and the inductor 103 becomes unnecessary. After that, a soft start operation is performed to slowly increase the output voltage to the set voltage.

出力電圧が設定電圧まで上昇する以前にフィルタ定数設定が完了するために、ソフトスタート期間中のフィードバック制御を安定化することができる。このため、出力電圧の立ち上がり期間中に不安定動作に陥るのを防止できる。 Since the filter constant setting is completed before the output voltage rises to the set voltage, the feedback control during the soft start period can be stabilized. As a result, it is possible to prevent unstable operation during the rising period of the output voltage.

(実施例2)
図9は、実施例2のスイッチング電源装置の構成図である。実施例2は、実施例1に対して、定数格納部8の代わりに定数演算部9を備えている。実施例2のその他の構成は実施例1の同一構成であるので、定数演算部9のみを説明する。
(Example 2)
FIG. 9 is a configuration diagram of a switching power supply device according to a second embodiment. The second embodiment has a constant calculator 9 instead of the constant storage 8 in contrast to the first embodiment. Other configurations of the second embodiment are the same as those of the first embodiment, so only the constant calculator 9 will be described.

定数演算部9は、フィルタ特性分析部7からのフィルタ特性分析結果(LC共振周波数f値)と、目標クロスオーバー周波数fcaと、目標位相余裕PMaと、その他の設定に必要な情報とに基づいて、条件を満たすフィルタ定数を演算し、演算されたフィルタ定数をデジタルフィルタ4に適用する。定数演算部9での演算方法の一例を説明する。Based on the filter characteristic analysis result (LC resonance frequency f0 value) from the filter characteristic analysis unit 7, the target crossover frequency fca, the target phase margin PMa, and other information necessary for setting Then, the filter constant that satisfies the conditions is calculated, and the calculated filter constant is applied to the digital filter 4 . An example of the calculation method in the constant calculator 9 will be described.

最適化後のフィルタ特性が、fz<<f<fz<<fcaを満たすものと仮定すると、第2零点fzは、目標クロスオーバー周波数をfca、目標位相余裕をPMaとすると式(4)で概算できる。
fz≒-fca・tan(PMa+90deg)-fz・・・(4)
また、fzは、fz<<fzが前提条件であるため式(5)とする。
Assuming that the filter characteristic after optimization satisfies fz 1 <<f 0 <fz 2 <<fca, the second zero point fz 2 is expressed by the formula ( 4).
fz 2 ≈−fca·tan (PMa+90deg)−fz 1 (4)
In addition, since fz 1 <<fz 2 is a precondition, fz 1 is represented by formula (5).

fz≒fz/10・・・(5)
以上に示した式(4)、(5)から、第1零点fz、第2零点fzを算出して、デジタルフィルタ4に適用することで、高い負荷応答性能と十分な安定性を持つ良好なフィードバック制御を実現することができる。
fz1≈fz2 / 10 (5)
By calculating the first zero point fz 1 and the second zero point fz 2 from the equations (4) and (5) shown above and applying them to the digital filter 4, high load response performance and sufficient stability Good feedback control can be realized.

実施例1では、フィルタ特性分析部7で演算したLC共振周波数fに応じて、定数格納部8が、格納されているフィルタ定数テーブルの中から最適な定数を選択する。このため、許容できるLC共振周波数fのばらつき範囲がある程度限定されてしまう。In the first embodiment, the constant storage unit 8 selects an optimum constant from the stored filter constant table according to the LC resonance frequency f 0 calculated by the filter characteristic analysis unit 7 . Therefore, the allowable variation range of the LC resonance frequency f0 is limited to some extent.

これに対して、実施例2では、定数演算部9が、制御定数を演算で求めるために、LC共振周波数fがより広い範囲でばらついても良好なフィードバック制御を実現できる。On the other hand, in the second embodiment, since the constant calculator 9 calculates the control constant, good feedback control can be realized even if the LC resonance frequency f0 varies in a wider range.

また、インダクタ103に流れる電流の検出は、シャント抵抗を用いて直接検出する方法でも、インダクタ103のDCR(直流抵抗)を利用して間接的に検出する方法でも、ホール素子を用いて非接触で検出する方法でも良い。 The current flowing through the inductor 103 can be detected either directly using a shunt resistor or indirectly using a DCR (direct current resistance) of the inductor 103 without contact using a Hall element. A detection method may be used.

このように実施例2のスイッチング電源装置によれば、フィルタ特性分析部7は、電源を起動した直後で且つ出力電圧が上昇を開始する以前のフィルタ特性分析期間に流れる突入電流発生期間から出力コンデンサ104とインダクタ103で決まる制御対象のフィルタ特性を一度に抽出する。定数演算部9が、フィルタ特性に応じた最適な定数を演算し演算されたフィルタ定数をデジタルフィルタ4に適用する。 As described above, according to the switching power supply device of the second embodiment, the filter characteristic analysis unit 7 detects the output capacitor from the inrush current generation period that flows in the filter characteristic analysis period immediately after the power supply is started and before the output voltage starts to rise. The filter characteristics of the controlled object determined by 104 and inductor 103 are extracted at once. A constant calculator 9 calculates an optimum constant corresponding to the filter characteristic and applies the calculated filter constant to the digital filter 4 .

このため、手作業での出力コンデンサ104とインダクタ103を考慮した設定が不要となる。その後、ソフトスタート動作させることで、出力電圧を設定電圧までゆっくりと上昇させる。 Therefore, manual setting considering the output capacitor 104 and the inductor 103 becomes unnecessary. After that, a soft start operation is performed to slowly increase the output voltage to the set voltage.

出力電圧が設定電圧まで上昇する以前にフィルタ定数設定が完了するために、ソフトスタート期間中のフィードバック制御を安定化することができる。このため、出力電圧の立ち上がり期間中に不安定動作に陥るのを防止できる。 Since the filter constant setting is completed before the output voltage rises to the set voltage, the feedback control during the soft start period can be stabilized. As a result, it is possible to prevent unstable operation during the rising period of the output voltage.

(実施例3)
図10は実施例3のスイッチング電源装置の構成図である。実施例3のスイッチング電源装置は、実施例2のスイッチング電源装置に対して、入力電圧検出部10が追加となっている。また、デジタルフィルタ4がデジタルフィルタ4bに変更されている。図10に示すその他の構成は、図1に示す構成と同一であるため、相違する構成のみを説明する。
(Example 3)
FIG. 10 is a configuration diagram of a switching power supply device according to the third embodiment. The switching power supply device of the third embodiment has an input voltage detection unit 10 added to the switching power supply device of the second embodiment. Also, the digital filter 4 is changed to a digital filter 4b. Since other configurations shown in FIG. 10 are the same as those shown in FIG. 1, only different configurations will be described.

入力電圧検出部10は、入力電圧Viを検出し、検出された入力電圧Viをデジタル値としてデジタルフィルタ4bに出力する。デジタルフィルタ4bは、フィルタ特性分析期間Trに入力電圧検出部10で検出された入力電圧Viの値に応じて変化する分析信号を駆動部5に対して出力する。駆動部5は、デジタルフィルタ4bからの分析信号に基づき、ハイサイドMOSFET101とローサイドMOSFET102を入力電圧Viに応じたデューティーで、具体的には、入力電圧Viが高いほど狭くなるデューティーでオンオフさせる。 The input voltage detection unit 10 detects the input voltage Vi and outputs the detected input voltage Vi to the digital filter 4b as a digital value. The digital filter 4b outputs an analysis signal to the drive unit 5 that varies according to the value of the input voltage Vi detected by the input voltage detection unit 10 during the filter characteristic analysis period Tr. Based on the analysis signal from the digital filter 4b, the drive unit 5 turns on and off the high-side MOSFET 101 and the low-side MOSFET 102 with a duty corresponding to the input voltage Vi, specifically, with a duty that narrows as the input voltage Vi increases.

図11は、図1に示した実施例1における、入力電圧Viが高いときに発生する第1出力電圧Voが高いことを示す。これに対して、図12は、図10に示した実施例2における、入力電圧Viが高いときの第1出力電圧Vo1が低いことを示す。第1出力電圧Vo1が低いため、負荷となるFPGAやCPUの誤動作を防止できる。 FIG. 11 shows that the first output voltage Vo generated when the input voltage Vi is high in the first embodiment shown in FIG. 1 is high. In contrast, FIG. 12 shows that the first output voltage Vo1 is low when the input voltage Vi is high in the second embodiment shown in FIG. Since the first output voltage Vo1 is low, it is possible to prevent malfunction of the FPGA and CPU, which are loads.

このように実施例3のスイッチング電源装置によれば、入力電圧Viに応じてフィルタ特性分析期間中のデューティーを制御することで、図12に示すように、フィルタ特性分析期間に発生する第1出力電圧(オフセット電圧)が高くなりすぎるのを防止でき、滑らかなソフトスタート特性を実現できる。 As described above, according to the switching power supply device of the third embodiment, by controlling the duty during the filter characteristic analysis period according to the input voltage Vi, as shown in FIG. 12, the first output generated during the filter characteristic analysis period It is possible to prevent the voltage (offset voltage) from becoming too high, and realize smooth soft-start characteristics.

尚、インダクタ103に流れる電流の検出は、シャント抵抗を用いて直接検出する方法でも、インダクタ103のDCR(直流抵抗)を利用して間接的に検出する方法でも、ホール素子を用いて非接触で検出する方法でも良い。 The current flowing through the inductor 103 can be detected directly using a shunt resistor or indirectly using a DCR (direct current resistance) of the inductor 103, using a Hall element without contact. A detection method may be used.

本発明は、非絶縁型の降圧チョッパ回路等に適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to a non-isolated step-down chopper circuit and the like.

1 電圧検出部
2 目標値生成部
3 減算器
4 デジタルフィルタ
5 駆動部
6 電流検出部
7 フィルタ特性分析部
8 定数格納部
9 定数演算部
10 入力電圧検出部
101 ハイサイドMOSFET
102 ローサイドMOSFET
103 インダクタ
104 出力コンデンサ
105 出力負荷
Vi 電源
1 voltage detection unit 2 target value generation unit 3 subtractor 4 digital filter 5 drive unit 6 current detection unit 7 filter characteristic analysis unit 8 constant storage unit 9 constant operation unit 10 input voltage detection unit 101 high side MOSFET
102 Low side MOSFET
103 inductor 104 output capacitor 105 output load Vi power supply

Claims (4)

スイッチング素子をオンオフすることで電源から供給される第1の直流電圧をインダク
タと出力コンデンサを介して第2の直流電圧に変換して出力負荷へ出力電圧を供給するス
イッチング電源装置であって 、
前記出力電圧を検出し、検出された前記出力電圧を所定のビット数のデジタル値に変換
する電圧検出部と、目標値と前記電圧検出部の出力との誤差に基づき所定の演算を行うデ
ジタルフィルタと、フィルタ特性分析期間に所定のデューティーで前記スイッチング素子
を駆動し、前記フィルタ特性分析期間終了後に前記デジタルフィルタの演算結果に基づい
たデューティーで前記スイッチング素子を制御する駆動部と、前記インダクタに流れる電
流を検出し検出された電流を電流検出信号として出力する電流検出部と、
前記電流検出部の電流検出信号に基づき、前記フィルタ分析期間に前記インダクタに流
れる突入電流の発生期間から前記インダクタと前記出力コンデンサで構成されるフィルタ
特性を分析するフィルタ特性分析部と、複数のフィルタ特性に対応した複数のフィルタ定
数を格納した複数のデジタルフィルタ定数テーブルを有し、前記フィルタ特性分析期間終
了後に前記フィルタ特性に応じて前記複数のデジタルフィルタ定数テーブルの中から適し
たフィルタ定数を選択し前記デジタルフィルタに供給する定数格納部と、
前記電源の入力電圧を検出する入力電圧検出部と、を備え、
前記駆動部は、前記フィルタ特性分析期間に前記入力電圧検出部からの電圧信号に応じ
て変化するデューティーで前記スイッチング素子を駆動することを特徴とするスイッチ
ング電源装置。
A switching power supply for supplying an output voltage to an output load by converting a first DC voltage supplied from a power supply to a second DC voltage via an inductor and an output capacitor by turning on and off a switching element,
A voltage detection unit that detects the output voltage and converts the detected output voltage into a digital value of a predetermined number of bits, and a digital filter that performs a predetermined calculation based on an error between a target value and the output of the voltage detection unit. a driving unit that drives the switching element with a predetermined duty during the filter characteristic analysis period, and controls the switching element with a duty based on the calculation result of the digital filter after the filter characteristic analysis period ends; and the inductor a current detection unit that detects a current flowing through and outputs the detected current as a current detection signal;
a filter characteristic analysis unit that analyzes the characteristics of a filter composed of the inductor and the output capacitor from a period during which a rush current flowing through the inductor occurs during the filter analysis period based on a current detection signal from the current detection unit; and a plurality of filters. It has a plurality of digital filter constant tables storing a plurality of filter constants corresponding to characteristics, and selects a suitable filter constant from among the plurality of digital filter constant tables according to the filter characteristics after the filter characteristic analysis period ends. and a constant storage unit for supplying to the digital filter;
an input voltage detection unit that detects the input voltage of the power supply,
The switching power supply device, wherein the drive section drives the switching element with a duty that varies according to the voltage signal from the input voltage detection section during the filter characteristic analysis period.
前記フィルタ特性分析部は、前記突入電流の発生期間に基づいて前記インダクタと前記
出力コンデンサとの共振周波数を求めて、前記共振周波数に応じて前記フィルタ定数を選
択することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
The filter characteristic analysis unit analyzes the inductor and the
2. The switching power supply according to claim 1, wherein a resonance frequency with an output capacitor is obtained, and said filter constant is selected according to said resonance frequency.
スイッチング素子をオンオフすることで電源から供給される第1の直流電圧をインダク
タと出力コンデンサを介して第2の直流電圧に変換して出力負荷へ出力電圧を供給するス
イッチング電源装置であって、
前記出力電圧を検出し、検出された前記出力電圧を所定のビット数のデジタル値に変換
する電圧検出部と、
目標値と前記電圧検出部の出力との誤差に基づき所定の演算を行うデジタルフィルタと

フィルタ特性分析期間に所定のデューティーで前記スイッチング素子を駆動し、前記フ
ィルタ特性分析期間終了後に前記デジタルフィルタの演算結果に基づいたデューティーで
記スイッチング素子を制御する駆動部と、
前記インダクタに流れる電流を検出し検出された電流を電流検出信号として出力する電流検出部と、
前記電流検出部の電流検出信号に基づき、前記フィルタ分析期間に前記インダクタに流
れる突入電流の発生期間から前記インダクタと前記出力コンデンサで構成されるフィルタ
特性を分析するフィルタ特性分析部と、
前記フィルタ特性分析期間終了後に前記フィルタ特性に応じてフィルタ定数の算出を行
い前記デジタルフィルタに供給するフィルタ定数演算部と、
前記電源の入力電圧を検出する入力電圧検出部と、を備え、
前記駆動部は、前記フィルタ特性分析期間に前記入力電圧検出部からの電圧信号に応じ
て変化するデューティーで前記スイッチング素子を駆動することを特徴とするスイッチ
ング電源装置。
A switching power supply that turns on and off a switching element to convert a first DC voltage supplied from a power supply into a second DC voltage via an inductor and an output capacitor and supplies an output voltage to an output load,
a voltage detection unit that detects the output voltage and converts the detected output voltage into a digital value of a predetermined number of bits;
a digital filter that performs a predetermined calculation based on the error between the target value and the output of the voltage detection unit;
a driving unit that drives the switching element with a predetermined duty during the filter characteristic analysis period, and controls the switching element with a duty based on the calculation result of the digital filter after the filter characteristic analysis period ends;
a current detection unit that detects a current flowing through the inductor and outputs the detected current as a current detection signal;
a filter characteristic analysis unit that analyzes the characteristics of a filter composed of the inductor and the output capacitor from a period during which an inrush current flowing through the inductor occurs during the filter analysis period, based on a current detection signal from the current detection unit;
a filter constant calculation unit that calculates a filter constant according to the filter characteristic after the filter characteristic analysis period ends and supplies the filter constant to the digital filter;
an input voltage detection unit that detects the input voltage of the power supply,
The switching power supply device, wherein the drive section drives the switching element with a duty that varies according to the voltage signal from the input voltage detection section during the filter characteristic analysis period.
前記フィルタ特性分析部は、前記突入電流の発生期間に基づいて前記インダクタと前記
出力コンデンサとの共振周波数を求めて、前記共振周波数に応じて前記フィルタ定数を選
択することを特徴とする請求項3に記載のスイッチング電源装置。
The filter characteristic analysis unit analyzes the inductor and the
4. The switching power supply according to claim 3, wherein a resonance frequency with an output capacitor is obtained, and the filter constant is selected according to the resonance frequency.
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