JP2008172868A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ及びその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成かつリップル除去能力，応答性，安定性のいずれにも優れたＤＣ−ＤＣコンバータ及びその設計方法を提供する。
【解決手段】スイッチング素子１１，還流ダイオード１２，第１のフィルタ１３，誤差増幅器１５，ＰＷＭ制御部１６，駆動回路１７でのフィードバック制御によって得られた直流出力を平滑化する第２のフィルタ１４を設ける。これと共に、第１のフィルタ１３を構成するコンデンサＣ１として、交差周波数にて必要な位相余裕を確保できる程度に等価直列抵抗（ＥＳＲ）が大きいものを選択し、第２のフィルタ１４を構成するコンデンサＣ２として、必要なリップル除去能力が得られる程度にＥＳＲの小さいものを選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力電圧が目標値となるようにスイッチング素子をフィードバック制御するＤＣ−ＤＣコンバータ及びその設計方法に関する。

従来より、直流入力を電圧の異なる直流出力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの一つとして、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号によりスイッチング素子を駆動することによって直流入力の波形を断続的な波形に変換し、そのスイッチング素子の出力を平滑回路（ローパスフィルタ）を用いて平滑化することによって直流出力を得ると共に、その直流出力の電圧値が予め設定された目標値と一致するように、ＰＷＭ信号のデューティ比をフィードバック制御する、いわゆるチョッパ型のスイッチングレギュレータが知られている。

ところで、このようなＤＣ−ＤＣコンバータでは、直流出力のリップルを可能な限り除去すること、及び、フィードバック制御における発振を防止するために、交差周波数（ループゲインが０ｄＢとなる周波数）での位相余裕（位相遅れ角と１８０°との差分）をできるだけ確保することが必要となる。

そして、リップルを除去するためには、平滑回路を構成するコンデンサとして、できるだけ等価直列抵抗（ＥＳＲ）の小さいもの（例えば、機能性高分子コンデンサ、セラミックコンデンサなど）を使用することが望ましいことが知られている。これは、ノイズ成分（電流）がコンデンサを通過する際に、ＥＳＲで発生する電圧がノイズとなるためである。

また、位相余裕を確保する一般的な手法としては、位相遅れ角が１８０°を超える前に、ループゲインが０ｄＢより小さくなるよう高周波領域のループゲインを低下させる、いわゆる遅れ位相補償法や、ループゲインはそのままにして位相を進める、いわゆる進み位相補償法などが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
「制御を知る」第６頁〜第８頁［online］［平成１８年１２月１５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.asahi-net.or.jp/~bz9s-wtb/doc/power/NO1/tip1c3b.pdf＞

しかし、ＥＳＲの小さなコンデンサを用いて平滑回路を構成した場合、リップルの除去能力は向上するが、図２に示すように、位相回りが早くなるため、位相余裕を確保することが困難になり、フィードバック制御の安定性を低下させてしまうという問題があった。

なお、図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータの特性を示すボード線図であり、実線で示した位相特性が高ＥＳＲのコンデンサを用いた場合、点線で示した位相特性が低ＥＳＲのコンデンサを用いた場合である。

また、位相余裕を確保するために上述の位相補償法を用いた場合、ゲインを落としたり位相を進めたりするための特別な回路を付加しなければならず、構成が複雑化するという問題があった。

また、遅れ位相補償法では、フィードバック情報の高周波成分がカットされることにもなるため、電源変動に対する応答性が低下するという問題があり、一方、進み位相補償法では、ループゲインを変えずに位相だけを進めるような回路設計が非常に難しいという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、簡易な構成かつリップル除去能力，応答性，安定性のいずれにも優れたＤＣ−ＤＣコンバータ及びその設計方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた第一発明のＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング回路が、直流入力の波形を断続的な波形に変換し、そのスイッチング回路の出力を、第１のフィルタが平滑化し、更に、その第１のフィルタの出力を第２のフィルタが平滑化する。このとき、制御回路は、第１のフィルタの出力に基づき、該出力が予め設定された目標電圧となるように、スイッチング回路をフィードバック制御する。

なお、第１及び第２のフィルタは、いずれもコンデンサを用いたローパスフィルタにより構成されており、しかも、第１のフィルタを構成するコンデンサとしては、その等価直列抵抗が、当該装置のループゲインがゼロとなる周波数での位相余裕を３０°以上とするのに必要な大きさを有するものが用いられ、且つ、第２のフィルタが第１のフィルタより高いリップルの除去能力が得られるように、第２のフィルタを構成するコンデンサとしては、その等価直列抵抗が、第１のフィルタを構成するコンデンサより小さいものが用いられている。

つまり、フィードバック制御に関係のある第１のフィルタを、等価直列抵抗の大きいコンデンサを用いて構成することにより、リップルの除去能力を犠牲にする代わりに、位相余裕の確保、更にはより高域側の周波数成分のフィードバックを可能にして、応答性と安定性を向上させ、また、フィードバック制御に関係のない、（即ち、位相余裕を確保する必要のない）第２のフィルタを、等価直列抵抗の小さいコンデンサを用いて構成することで、リップルの除去能力を向上させているのである。

このように、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータによれば、フィードバックループの外に第２のフィルタを設けると共に、第１及び第２のフィルタを構成するコンデンサを、等価直列抵抗に着目して適宜選択するという非常に簡易な構成により、リップル除去能力，応答性，安定性をいずれも向上させることができる。

なお、位相余裕を３０°以上とすることは、フィードバック制御系において一般的に行われていることであり、位相余裕は、より好ましくは６０°以上とすることが望ましい。
ところで、第１のフィルタ構成するコンデンサとしては、例えば、アルミ電解コンデンサが好適であり、また、第２のフィルタを構成するコンデンサとしては、例えば、機能性高分子コンデンサ又はセラミックコンデンサが好適である。

次に、第二発明は、直流入力の波形を断続的な波形に変換するスイッチング回路、スイッチング回路の出力を平滑化する第１のフィルタ、第１のフィルタの出力に基づき、該出力が予め設定された目標電圧となるように、スイッチング回路をフィードバック制御する制御回路からなるスイッチングレギュレータと、第１のフィルタの出力を平滑化する第２のフィルタとを備えたＤＣ−ＤＣコンバータの設計方法であって、第１のフィルタを、等価直列抵抗が、当該装置のループゲインがゼロとなる周波数での位相余裕を３０°以上とするのに必要な大きさを有するコンデンサを用いて設計すると共に、第２のフィルタが第１のフィルタより高いリップルの除去能力が得られるように、第２のフィルタを、第１のフィルタを構成するコンデンサより等価直列抵抗が小さいコンデンサを用いて設計することを特徴とする。

このようなＤＣ−ＤＣコンバータの設計方法を用いれば、第一発明のＤＣ−ＤＣコンバータを得ることができる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用されたＤＣ−ＤＣコンバータ１の全体構成図である。
図１に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、直流入力Ｖｉの通電経路を導通，遮断することにより、直流入力Ｖｉの波形を断続的な波形に変換するスイッチング素子（本実施形態ではＭＯＳＦＥＴ）１１と、コイルＬ１，コンデンサＣ１により構成されたローパスフィルタからなり、スイッチング素子１１の出力を平滑化する第１のフィルタ１３と、スイッチング素子１１のオフ時に、第１のフィルタ１３にフライホイール電流を流すための還流ダイオード１２と、コイルＬ２，コンデンサＣ２により構成されたローパスフィルタからなり、第１のフィルタ１３の出力を平滑化して直流出力Ｖｏを生成する第２のフィルタ１４とを備えている。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、予め設定された目標電圧に対する第１のフィルタ１３の出力電圧の誤差に比例した誤差信号を生成する誤差増幅器１５と、誤差増幅器１５が生成する誤差信号に基づき、誤差信号の積分値に応じたデューティ比を有するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成するＰＷＭ制御部１６と、ＰＷＭ制御部１６にて生成されたＰＷＭ信号に従って、スイッチング素子１１をスイッチング駆動する駆動回路１７とを備えている。

なお、第２のフィルタ１４以外の部分は、直流入力Ｖｉを降圧して目標電圧に等しい直流出力を生成する周知のチョッパ型かつ降圧型のスイッチングレギュレータを構成している。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、このスイッチングレギュレータの出力に第２のフィルタ１４を接続した構成を有している。

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１では、第１のフィルタ１３を構成するコンデンサＣ１として、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が大きいアルミ電解コンデンサ（ＥＳＲ：数Ω程度）が用いられ、また、第２のフィルタ１４を構成するコンデンサＣ２として、ＥＳＲの小さい機能性高分子コンデンサ又はセラミックコンデンサ（ＥＳＲ：数十ｍΩ程度）が用いられている。

但し、回路設計の際に、コンデンサＣ１は、交差周波数（本実施形態では３ＫＨｚ）での位相余裕が３０°（より好ましくは６０°）以上得られる程度にＥＳＲが大きいものが選択され、また、コンデンサＣ２は、必要なリップル除去能力が得られる程度にＥＳＲの小さいものが選択される。

このように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ１では、フィードバック制御に関係のある第１のフィルタ１３が、高ＥＳＲのコンデンサＣ１を用いて構成されているため、第１のフィルタ１３でのリップルの除去能力は低下するものの、遅れ位相補償法のように高域側の周波数ゲインを犠牲にしたり、進み位相補償法のように設計の難しい複雑な回路を付加したりすることなく、交差周波数での位相余裕を確保することができる。

しかも、フィードバック制御に関係のない第２のフィルタが、低ＥＳＲのコンデンサＣ２を用いて構成されているため、第１のフィルタ１３にて犠牲にされたリップルの除去能力を補うことができる。

従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ１によれば、フィードバックループの外に第２のフィルタ１４を設けると共に、第１及び第２のフィルタ１３，１４を構成するコンデンサＣ１，Ｃ２を、ＥＳＲに着目して適宜選択するという非常に簡易な構成であるにも関わらず、リップル除去能力，応答性，安定性をいずれも向上させることができる。
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明をチョッパ型かつ降圧型のスイッチングレギュレータからなるＤＣ−ＤＣコンバータ１に適用した例を示したが、ローパスフィルタの出力に基づいてフィードバック制御をするＤＣ−ＤＣコンバータであれば、どのようなタイプのものに適用してもよい。

ＤＣ−ＤＣコンバータの全体構成図。 等価直列抵抗（ＥＳＲ）の影響を示すボード線図。

符号の説明

１…ＤＣ−ＤＣコンバータ １１…スイッチング素子 １２…還流ダイオード １３…第１のフィルタ １４…第２のフィルタ １５…誤差増幅器 １６…ＰＷＭ制御部 １７…駆動回路 Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ Ｌ１，Ｌ２…コイル

Claims (4)

1. 直流入力の波形を断続的な波形に変換するスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路の出力を平滑化する第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタの出力に基づき、該出力が予め設定された目標電圧となるように、前記スイッチング回路をフィードバック制御する制御回路と、
   を備えたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
   前記第１のフィルタの出力を平滑化する第２のフィルタを設けると共に、
   前記第１及び第２のフィルタを、いずれもコンデンサを用いたローパスフィルタにより構成し、
   前記第１のフィルタを構成するコンデンサとして、等価直列抵抗が、当該装置のループゲインがゼロとなる周波数での位相余裕を３０°以上とするのに必要な大きさを有するものを用い、且つ、前記第２のフィルタが前記第１のフィルタより高いリップルの除去能力が得られるように、前記第２のフィルタを構成するコンデンサとして、等価直列抵抗が、前記第１のフィルタを構成するコンデンサより小さいものを用いることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 前記第１のフィルタを構成するコンデンサとして、アルミ電解コンデンサを用いることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 前記第２のフィルタを構成するコンデンサとして、機能性高分子コンデンサ又はセラミックコンデンサを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
4. 直流入力の波形を断続的な波形に変換するスイッチング回路、前記スイッチング回路の出力を平滑化する第１のフィルタ、前記第１のフィルタの出力に基づき、該出力が予め設定された目標電圧となるように、前記スイッチング回路をフィードバック制御する制御回路からなるスイッチングレギュレータと、
   前記第１のフィルタの出力を平滑化する第２のフィルタと、
   を備えたＤＣ−ＤＣコンバータの設計方法であって、
   前記第１のフィルタを、等価直列抵抗が、当該装置のループゲインがゼロとなる周波数での位相余裕を３０°以上とするのに必要な大きさを有するコンデンサを用いて設計すると共に、
   前記第２のフィルタが前記第１のフィルタより高いリップルの除去能力が得られるように、前記第２のフィルタを、前記第１のフィルタを構成するコンデンサより等価直列抵抗が小さいコンデンサを用いて設計することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの設計方法。

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