JP2009100497A - Ｄｃ−ｄｃコンバータにおけるソフトスタート方法および該方法を使用するｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】制御回路の起動時間に依らずに滑らかなDC-DCコンバータのソフトスタートを開始可能なDC-DCコンバータにおけるソフトスタート方法および該方法を使用するDC-DCコンバータを提供する。
【解決手段】イネーブル信号200がHレベルで制御回路150が起動し、制御回路150の電圧−Duty比変換器154からスイッチングパルス155が出力されると、これによりRSラッチ202の出力203がＬレベルとなり、ソフトスタート信号Vss(164)の上昇が始まる。ソフトスタート回路160に抵抗Rss(165)を追加して、ソフトスタート信号Vss(164)の初期値をRss(165)×Iss(162)に設定しているため、ソフトスタート信号Vss(164)が初期値に固定された状態で、電圧−Duty比変換器154の変換範囲まで誤差増幅器152の出力Vea(153)が確実に上昇する。
【選択図】図１

Description

本発明は、DC-DCコンバータにおけるソフトスタート方法を改善し、該ソフトスタート方法を使用してソフトスタートを実行するDC-DCコンバータに関する。

DC-DCコンバータでは、しばしば、ソフトスタート(時間とともに目標値が緩やかに上昇する信号を用いて、出力電流の異常な増加を防ぎながら、出力電圧を目標値付近まで立ち上げる)機能を採用し、起動時に突入電流が流れることを防止するようにしている。

図２は、従来のソフトスタート機能を組み込んだDC-DCコンバータの構成例を示す図である。図２に示すDC-DCコンバータは、DC-DCコンバータの典型例である降圧コンバータについて説明するものである。図２において降圧コンバータは、制御回路50の電圧−Duty比変換器54からH(ハイ)レベル信号を出力してドライバ(Driver)110を駆動するとドライバ(Driver)110がＬ（ロー）レベル信号を出力し、ＰチャネルMOSFETからなるスイッチング素子Mp(121)がオンし、入力電圧VIN(120)からインダクタンスL(122)にインダクタンス電流を供給することでインダクタンスL(122)にエネルギーを蓄積する。そして、スイッチング素子Mp(121)をオフするとインダクタンスL(122)に蓄積されたエネルギーを負荷40に放出することにより降圧コンバータを実現する。ダイオードD(123)は、スイッチング素子Mp(121)がオフの期間、インダクタンスL(122)から負荷40に流れる電流経路を提供し、またコンデンサC(124)は出力電圧を平滑する平滑コンデンサとして機能する。

次に図２のDC-DCコンバータにおけるソフトスタート機能を説明する。イネーブル(Enable)信号100は制御回路50に入力されるとともに、インバータ111を介してソフトスタート回路60に入力されている。イネーブル(Enable)信号100をH(ハイ)レベルにすると、制御回路50が起動するとともに、ソフトスタート回路60の出力であるソフトスタート信号Vss(64)の上昇が始まる（制御回路50起動前のイネーブル(Enable)信号100はＬ(ロー)レベルである。）。ソフトスタート回路60は、一端が接地電位（もしくは単に接地）に接続される（接地される）とともに他端が電流源62に接続されて電流源62からのIss電流を受けるコンデンサCss(63)と、インバータ111により反転されたイネーブル(Enable)信号100をゲートに受け、ドレインが電流源62に接続され、ソースが接地されるＮチャネルMOSFETからなるスイッチMss(61)とで構成されており、コンデンサCss(63)の電流源62およびスイッチMss(61)のドレインに接続する部位からソフトスタート信号Vss(64)を出力している。

制御回路50は、誤差増幅器52と、誤差増幅器52の出力Vea(53)に接続される電圧−Duty比変換器54とから構成されており、電圧−Duty比変換器54は、誤差増幅器52の出力Vea(53)を、出力Vea(53)に応じたDuty比でスイッチング素子Mp(121)をオン／オフ制御する信号に変換してスイッチングパルス55を出力する。

誤差増幅器52は、非反転入力端子への入力である基準電圧Vref(51)およびソフトスタート信号Vss(64)のうち低い方の信号と、反転入力端子への入力である出力電圧Vout(125)の抵抗分割電圧Vfb(127)との差を増幅した誤差信号Vea(53)を出力する。出力電圧Vout(125)の抵抗分割電圧Vfb(127)は、抵抗Rd1(126)と抵抗Rd2(128)とを直列接続して接地に接続する際の抵抗Rd1(126)と抵抗Rd2(128)とを結ぶ中間点より得られる。

誤差増幅器52の非反転入力端子への入力（のうち低い方）と反転入力端子への入力が実質的に等しくなると、誤差増幅器52の出力である誤差信号Vea(53)は小さな値となる。出
力電圧が目標電圧となっている状態、すなわち誤差増幅器52の非反転入力端子への入力（のうち低い方）と反転入力端子への入力が実質的に等しい状態ではスイッチング素子Mp(121)がオンしないようにするため、電圧−Duty比変換器54の入力範囲の下限はゼロより大きいもの（例えば１Ｖ）になっている。

特許文献１に開示されるDC-DCコンバータでは、三角波比較方式のPWMを実現するよう制御回路を構成し、ソフトスタートを確実に実行するために三角波発振器からの出力を待って、ソフトスタート信号の上昇を開始するようにしている。しかしながら、三角波発振器が動作してから、誤差増幅器の出力が電圧−Duty比変換器の出力範囲に至って制御を開始するまでにも時間が掛かるため、不十分な手法である。また、三角波発振器を用いない制御回路の場合に関する記述もない。
特開平１１−７５３６５号公報

図２に示した制御回路50は、制御回路50を構成する上記要素回路が立ち上がり、誤差増幅器52の出力Vea(53)が電圧−Duty比変換器54の変換範囲に至るまでには時間が掛かるため、スイッチング制御が始まる時には、ソフトスタート信号Vss(64)がある程度上昇した状態となっており、DC-DCコンバータの出力電圧Vout(125)がこれに対応する状態に追いつくまでの間に突入電流が流れてしまう（特に、短時間での起動が要求される用途で、ソフトスタート信号Vss(64)の立ち上がりが速い場合に顕著になる）。

また特許文献１に開示されるDC-DCコンバータは、三角波発振器が動作してから、誤差増幅器の出力が電圧−Duty比変換器の出力範囲に至って制御を開始するまでにも時間が掛かるため、滑らかなソフトスタートを開始するには十分ではないという課題があった。また、三角波発振器を用いない制御回路の場合に関する記述もない。

そこで本発明は、制御回路の起動時間に依らずに滑らかなDC-DCコンバータのソフトスタートを開始可能なDC-DCコンバータにおけるソフトスタート方法および該方法を使用するDC-DCコンバータを提供することを目的とする。

本発明のDC-DCコンバータにおけるソフトスタート方法は、出力電圧を制御回路に帰還して所定のデューティ比のパルスを出力段スイッチに供給するDC-DCコンバータにおけるソフトスタート方法でおいて、制御回路を起動する過程と、前記制御回路から出力段スイッチをスイッチングするパルスが出力されたことを検出する過程と、前記パルスが検出されたことに基づいてソフトスタート信号の上昇を開始させる過程と、を含むことを特徴とする。

また本発明のDC-DCコンバータにおけるソフトスタート方法を使用するDC-DCコンバータは、出力電圧を制御回路に帰還して所定のデューティ比のパルスを出力段スイッチに供給するDC-DCコンバータにおいて、前記制御回路に起動信号が印加された後に前記制御回路から前記パルスが出力されたことを検出するパルス検出手段と、該パルス検出手段の出力に基づいてソフトスタート信号の上昇を開始させるソフトスタート手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、制御回路の起動時間に依らずに滑らかなDC-DCコンバータのソフトスタートを開始することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るソフトスタート機能を組み込んだDC-DCコンバータの構成を示す図である。図１に示すDC-DCコンバータは、図２に示した従来と同様に、DC-DCコンバータの典型例である降圧コンバータについて説明するものである。図１において降圧コンバータは、制御回路150の電圧−Duty比変換器154からH(ハイ)レベル信号を出力してドライバ(Driver)110を駆動するとドライバ(Driver)110がＬ（ロー）レベル信号を出力し、ＰチャネルMOSFETからなるスイッチング素子Mp(121)がオンし、入力電圧VIN(120)からインダクタンスL(122)にインダクタンス電流を供給することでインダクタンスL(122)にエネルギーを蓄積する。そして、スイッチング素子Mp(121)をオフするとインダクタンスL(122)に蓄積されたエネルギーを負荷140に放出することにより降圧コンバータを実現する。ダイオードD(123)は、スイッチング素子Mp(121)がオフの期間、インダクタンスL(122)から負荷140に流れる電流経路を提供し、またコンデンサC(124)は出力電圧を平滑する平滑コンデンサとして機能する。

次に図１のDC-DCコンバータにおけるソフトスタート機能を説明する。図２に示す従来回路と比較すると、ソフトスタート回路160の入力にRSラッチ202が追加されており、イネーブル(Enable)信号200をH(ハイ)レベルにすると、制御回路150が起動するとともに、RSラッチ202のセット入力ＳがＬ(ロー)レベルになって、RSラッチ202へのセット入力が解除される。なお、制御回路150起動前のイネーブル(Enable)信号100はＬ(ロー)レベルであり、このときにRSラッチ202のセット入力ＳがH(ハイ)レベルとなってRSラッチ202をセットし、RSラッチ202のＱ出力203がH(ハイ)レベルとなっている。制御回路150の電圧−Duty比変換器154からスイッチングパルス155が出力されると、これによりRSラッチ202がリセットされてそのＱ出力203がＬ（ロー）レベルとなり、ソフトスタート回路160の出力であるソフトスタート信号Vss(164)の上昇が始まる。ソフトスタート回路160は、一端が接地されるとともに他端が電流源162に接続されて電流源162からのIss電流を受けるコンデンサCss(163)と、抵抗Rss(165)と、RSラッチ202の出力203をゲートに受け、抵抗Rss(165)を介してドレインが電流源162に接続され、ソースが接地される、ＮチャネルMOSFETからなるスイッチMss(161)とで構成されており、コンデンサCss(163)の電流源162および抵抗Rss(165)に接続する部位からソフトスタート信号Vss(164)を出力している。

制御回路150は、誤差増幅器152と、誤差増幅器152の出力Vea(153)に接続される電圧−Duty比変換器154とから構成されており、電圧−Duty比変換器154は誤差増幅器152の出力Vea(153)を、出力Vea(153)に応じたDuty比でスイッチング素子Mp(121)をオン／オフ制御する信号に変換してスイッチングパルス155を出力する。

誤差増幅器152は、非反転入力端子への入力である基準電圧Vref(151)およびソフトスタート信号Vss(164)のうち低い方の信号と、反転入力端子への入力である出力電圧Vout(125)の抵抗分割電圧Vfb(131)との差を増幅した誤差信号Vea(153)を出力する。出力電圧Vout(125)の抵抗分割電圧Vfb(131)は、抵抗Rd1(126)と抵抗Rd2(128)とを直列接続して接地に接続する際の抵抗Rd1(126)と抵抗Rd2(128)とを結ぶ中間点より得られる。なお、図示しないが、通常は誤差増幅器152の出力端子と反転入力端子の間に抵抗とコンデンサからなる位相補償回路（一種の積分回路）が接続される。

また、電圧−Duty比変換器154の入力範囲の下限は、図２の電圧−Duty比変換器54と同様にゼロより大きいもの（例えば１Ｖ）になっている。
本発明の実施形態に係る構成では、ソフトスタート信号Vss(164)が初期値(後述する)に固定された状態で、誤差増幅器152の出力である誤差信号Vea(153)が電圧−Duty比変換器154の入力範囲の下限まで確実に上昇するようにしている。すなわち、ソフトスタート回路160に抵抗Rss(165)を設けて、ソフトスタート信号Vss(164)の初期値をRss(165)×Iss(162
)に設定し、誤差増幅器152の非反転入力端子への入力が非ゼロの正値となるようにしている。一方、誤差信号Vea(153)が電圧−Duty比変換器154の入力範囲の下限に達するまではＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作が開始しないので、起動直後のDC-DCコンバータ出力電圧はゼロであり、従い誤差増幅器152の反転入力端子への入力もゼロである。誤差増幅器152は非反転入力端子への入力と反転入力端子への入力とのゼロでない差を増幅していって、その出力である誤差信号Vea(153)を上昇させていく。なお、ソフトスタート信号Vss(164)の初期値は、誤差増幅器152の入力オフセット電圧に影響されない範囲で小さな値に設定することが望ましい。

また本発明の実施形態に係る構成では、スイッチMd(130)を追加して、スイッチング素子へのスイッチング制御が始まるまでの間、制御回路150への帰還電圧Vfb(131)を０V(接地電位)にすることにより、DC-DCコンバータの出力電圧Vout(125)が０V付近まで下がらない場合（例えば、DC-DCコンバータを一度動作させた後に停止させ、その後に再起動するときなど）でも確実に起動させることが可能になる。

以上の構成により、制御回路の起動時間に依らずにDC-DCコンバータのソフトスタートを滑らかに開始することができ、DC-DCコンバータの出力電圧Vout(125)がソフトスタート信号に追いつくまでの間に突入電流が流れてしまう状況になることを防ぐことができる。

以上説明したように本発明が提示するソフトスタート機能の中枢概念は、出力段スイッチをスイッチングするパルスの検出を契機に、ソフトスタート信号の上昇を開始させることにあり、この技術的思想を含む場合には、いかなるソフトスタート信号の生成方法、ソフトスタート機能の実現方法、DC-DCコンバータの制御方法を採ろうとも、本発明思想の範疇に属するものである。

本発明の実施形態に係るソフトスタート機能を組み込んだDC-DCコンバータの構成例を示す図である。 従来のソフトスタート機能を組み込んだDC-DCコンバータの構成例を示す図である。

符号の説明

110 ドライバ(Driver)
120 入力電源(VIN)
121 スイッチング素子(Mp)
122 インダクタンス(L)
123 ダイオード(D)
124 コンデンサ(C)
125 出力電圧(Vout)
126 出力分割抵抗
128 出力分割抵抗
130 スイッチ(Md)
131 抵抗分割電圧/制御回路への帰還電圧
150 制御回路
151 基準電圧(Vref)
152 誤差増幅器
153 誤差増幅器出力(Vea)
154 電圧−Duty比変換器
160 ソフトスタート回路
161 スイッチ(Mss)
162 電流源(Iss)
163 コンデンサ(Css)
164 ソフトスタート信号(Vss)
165 抵抗(Rss)
200 イネーブル(Enable)信号
201 インバータ
202 RSラッチ

Claims (7)

1. 出力電圧を制御回路に帰還して所定のデューティ比のパルスを出力段スイッチに供給するDC-DCコンバータにおけるソフトスタート方法において、
   制御回路を起動する過程と、
   前記制御回路から出力段スイッチをスイッチングするパルスが出力されたことを検出する過程と、
   前記パルスが検出されたことに基づいてソフトスタート信号の上昇を開始させる過程と、
   を含むことを特徴とするDC-DCコンバータにおけるソフトスタート方法。
2. 出力電圧を制御回路に帰還して所定のデューティ比のパルスを出力段スイッチに供給するDC-DCコンバータにおいて、
   前記制御回路に起動信号が印加された後に前記制御回路から前記パルスが出力されたことを検出するパルス検出手段と、
   該パルス検出手段の出力に基づいてソフトスタート信号の上昇を開始させるソフトスタート手段を備えることを特徴とするDC-DCコンバータ。
3. 前記パルス検出手段は、ＲＳラッチであることを特徴とする請求項２記載のDC-DCコンバータ。
4. 前記ソフトスタート手段は、ソフトスタート信号の初期値が接地電位と異なる値に設定される初期値設定手段を備えていることを特徴とする請求項２記載のDC-DCコンバータ。
5. 前記初期値は、前記制御回路を構成する構成要素の入力オフセット電圧に影響されない範囲の最小値に設定されていることを特徴とする請求項４記載のDC-DCコンバータ
6. 前記スイッチング素子へのスイッチング制御が始まるまでの間、前記帰還信号を接地電位に短絡するスイッチを備えることを特徴とする請求項２記載のDC-DCコンバータ。
7. 前記スイッチは、前記パルス検出手段の出力により制御されることを特徴とする請求項６記載のDC-DCコンバータ。

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