(57)【要約】【課題】本発明は、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路を提供する。【解決手段】直流-直流変換器回路は、スイッチと制御ユニットを含む直流-直流変換器、及び電流推定回路を有し、電流推定回路は、直流-直流変換器のスイッチの電流を検出し且つ電流値を電圧信号に変換する電流検出ユニット、電流検出ユニットに接続され且つ電圧信号を受けた後にデジタルサンプル信号を生成する信号サンプルユニット、及び信号サンプルユニットに接続され且つ直流-直流変換器のインダクタ電流の推定値を計算する電流推定ユニットを含み、インダクタ電流の推定値は、デジタルサンプル信号、電流検出ユニットのスケール因子、スイッチを制御するスイッチ駆動信号のデューティ比、直流-直流変換器の入力電圧と出力電圧などのパラメータに基づいて、計算により得られる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流推定回路を有する直流-直流変換器回路であって、
スイッチ及び制御ユニットを含む直流-直流変換器；及び
電流推定回路を含み、
前記電流推定回路は、
前記直流-直流変換器の前記スイッチの電流を検出し、前記電流を電圧信号に変換する電流検出ユニット；
前記電流検出ユニットに接続され、前記電圧信号を受信した後にデジタルサンプル信号を生成する信号サンプルユニット；
前記信号サンプルユニットに接続され、前記直流-直流変換器のインダクタ電流の推定値を計算する電流推定ユニットを含み、
前記インダクタ電流の推定値は、前記デジタルサンプル信号、前記電流検出ユニットのスケール因子、前記スイッチを制御するスイッチ駆動信号のデューティ比、及び前記直流-直流変換器の入力電圧と出力電圧に基づいて、計算により得られる、直流-直流変換器回路。
【請求項２】
請求項1に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記電流検出ユニットは、変流器及び変圧器抵抗を含み、
前記変流器の一次巻線は、前記直流-直流変換器の前記スイッチに接続され、
前記変圧器抵抗は、前記変流器の二次巻線にカップリングされ、
前記電流検出ユニットのスケール因子は、前記変圧器抵抗の抵抗値と前記電流電圧器の巻き数との比の逆数である、直流-直流変換器回路。
【請求項３】
請求項2に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記信号サンプルユニットは、前記スイッチの導通時間の中間点における電圧の電圧信号をサンプルして、生成するデジタルサンプル信号とする、直流-直流変換器回路。
【請求項４】
請求項3に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記スイッチ駆動信号は、制御信号及び三角波信号からなり、前記スイッチ駆動信号のデューティ比は、前記制御信号と前記三角波信号との振幅の比である、直流-直流変換器回路。
【請求項５】
請求項4に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記直流-直流変換器は、降圧型直流-直流変換器であり、前記直流-直流変換器の連続導通モード及び不連続導通モードでのインダクタ電流の推定値IL,avgの計算公式は、
IL,avg＝Vcsh（N/Rs）D(Vi/Vo)
であり、
ここで、Vcshは、デジタルサンプル信号であり、Dは、前記スイッチ駆動信号のデューティ比であり、Nは、前記変流器の巻き数比の逆数であり、Rsは、前記変圧器抵抗の抵抗値であり、Viは、前記直流-直流変換器の入力電圧であり、Voは、前記直流-直流変換器の出力電圧である、直流-直流変換器回路。
【請求項６】
請求項4に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記直流-直流変換器は、昇圧型直流-直流変換器であり、前記直流-直流変換器の連続導通モード及び不連続導通モードでのインダクタ電流の推定値IL,avgの計算公式は、
IL,avg＝Vcsh(N/Rs)D(Vo/(Vo-Vi))
であり、
ここで、Vcshは、デジタルサンプル信号であり、Dは、前記スイッチ駆動信号のデューティ比であり、Nは、前記変流器の巻き数比の逆数であり、Rsは、前記変圧器抵抗の抵抗値であり、Viは、前記直流-直流変換器の入力電圧であり、Voは、前記直流-直流変換器の出力電圧である、直流-直流変換器回路。
【請求項７】
請求項4に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記直流-直流変換器係は、昇降圧型直流-直流変換器であり、前記直流-直流変換器の連続導通モード及び不連続導通モードでのインダクタ電流の推定値IL,avgの計算公式は、
IL,avg＝Vcsh(N/Rs)D((Vo+Vi)/Vo)
であり、
ここで、Vcshは、デジタルサンプル信号であり、Dは、前記スイッチ駆動信号のデューティ比であり、Nは、前記変流器の巻き数比の逆数であり、Rsは、前記変圧器抵抗の抵抗値であり、Viは、前記直流-直流変換器の入力電圧であり、Voは、前記直流-直流変換器の出力電圧である、直流-直流変換器回路。
【請求項８】
請求項4に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記電流推定ユニットは、前記デジタルサンプル信号及び前記電流検出ユニットのスケール因子に基づいて、前記直流-直流変換器の連続導通モードでのインダクタ電流の推定値を計算する、直流-直流変換器回路。
【請求項９】
請求項4に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記電流推定ユニット及び前記直流-直流変換器の制御ユニットに電気的に接続されるローパスフィルタ；
前記電流推定ユニット及び前記制御ユニットに電気的に接続される電流制御器；及び
前記電流制御器に電気的に接続される電圧制御器をさらに含む、直流-直流変換器回路。
【請求項１０】
請求項9に記載の直流-直流変換器回路であって、
前記制御ユニットは、
前記電圧信号を受信してパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調ユニット；及び
前記パルス幅変調信号に基づいて前記スイッチ駆動信号を出力する駆動ユニットを含む、直流-直流変換器回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路制御技術に関し、特に、直流-直流変換器のインダクタ電流を推定するための、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル切替型直流-直流変換器が平均電流モード制御又は多並列接続分流モード制御を行うときに、しばしば、インダクタ電流を検出（sensing）する必要がある。電流検出信号は、ホール素子、或いは、図1に示すような電流検出用直列接続抵抗及び増幅・ローパスフィルタ回路を使用することにより得ることができる。しかし、ホール素子は、周波数帯域幅が制限されるという問題が存在し、そのため、電流検出用抵抗に大電流を流す必要があり、電力損失の問題を引き起こすことがある。また、図2に示すような変流器(current  transformer，CT)を使用すれば、周波数帯域幅への制限、検出用抵抗に大電流を流すなどの問題があまり無いが、変流器は、磁気飽和の問題があり、パルス形式のスイッチング電流の検出にのみ用いられる。デジタル制御及び切替周波数と同期のサンプル方法を採用することで、変換器のスイッチの導通時間の中間点でサンプルしてインダクタ電流の平均値を得ることができるが、このような方法の制限は、連続導通モードでのみ精確であるが、不連続導通モードでインダクタ電流の平均値がスイッチの導通時間の中間点でサンプルした電流値から外れるため、低負荷時に誤差が大きくなることにある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術の欠点を解決するために、本発明は、直流-直流変換器のインダクタ電流を推定するための、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路を提供する。本発明は、複数種のデジタル切替型直流-直流変換器に適用することができ、且つ連続導通モード及び不連続導通モードで全て作動することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路であり、それは、直流-直流変換器及び電流推定回路を含み、前記直流-直流変換器は、スイッチ及び制御ユニット含み、前記電流推定回路は、前記直流-直流変換器の前記スイッチの電流を検出し、前記電流を電圧信号に変換する電流検出ユニット；前記電流検出ユニットに接続され、前記電圧信号を受けた後にデジタルサンプル信号を生成する信号サンプルユニット；及び、前記信号サンプルユニットに接続され、前記直流-直流変換器のインダクタ電流の推定値を計算する電流推定ユニットを含み、前記インダクタ電流の推定値は、前記デジタルサンプル信号、前記電流検出ユニットのスケール因子、前記スイッチを制御するスイッチ駆動信号のデューティ比、前記直流-直流変換器の入力電圧と出力電圧などのパラメータに基づいて計算により得られる。
【０００５】
本発明の一実施例では、前記直流-直流変換器は、降圧型直流-直流変換器(buck  converter)、昇圧型直流-直流変換器(boost  converter)、又は、昇降圧型直流-直流変換器(boost-buck  converter)である。
【０００６】
本発明の一実施例では、前記電流検出ユニットは、変流器(current  transformer，CT)及び変圧器抵抗を含み、前記変流器の一次巻線は、前記直流-直流変換器の前記スイッチに接続され、前記変圧器抵抗は、前記変流器の二次巻線にカップリングされ、そのうち、前記電流検出ユニットのスケール因子は、前記変圧器抵抗の抵抗値と前記電流電圧器の巻き数との比の逆数である。
【０００７】
本発明の一実施例では、前記信号サンプルユニットは、前記スイッチの導通時間の中間点における電圧の電圧信号をサンプルして、出力するデジタルサンプル信号とする。
【０００８】
本発明の一実施例では、前記直流-直流変換器は、降圧型直流-直流変換器、昇圧型直流-直流変換器、又は、昇降圧型直流-直流変換器である。
【０００９】
本発明の一実施例では、前記電流推定ユニットは、前記デジタルサンプル信号及び前記電流検出ユニットのスケール因子に基づいて、前記直流-直流変換器の連続導通モードでのインダクタ電流の推定値を計算する。
【００１０】
本発明の一実施例では、前記スイッチ駆動信号は、制御信号Vcon及び三角波信号Vtmからなり、前記スイッチ駆動信号のデューティ比は、前記制御信号と前記三角波信号との振幅の比である。
【００１１】
本発明の一実施例では、前記電流推定回路を有する直流-直流変換器回路は、さらに、前記電流推定ユニット及び前記直流-直流変換器の制御ユニットに電気的に接続され、前記電圧信号を前記制御信号にフィルタリングするローパスフィルタ；前記電流推定ユニット及び前記制御ユニットに電気的に接続され、前記直流-直流変換器のインダクタ電流の推定値と電流信号との間の差に基づいて、前記電圧信号を生成する電流制御器；及び、前記電流制御器に電気的に接続され、命令用電圧信号と前記直流-直流変換器の出力信号との間の差に基づいて、前記電流信号を生成する電圧制御器を含む。
【００１２】
本発明の一実施例では、前記制御ユニットは、前記電圧制御信号を受信してパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調ユニット；及び、前記パルス幅変調信号に基づいて前記スイッチ駆動信号を出力する駆動ユニットを含む。
【００１３】
以上の概要及び以下の詳細な説明及び図面は、すべて、本発明が所定の目的を達成するために採用する方法、手段、及び機能をさらに説明するためのものである。また、本発明の他の目的及び利点については、後続の説明及び図面において詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来技術における直流-直流変換器の構成図である。
【図２】従来技術における直流-直流変換器の構成図である。
【図３】本発明によるデジタル制御直流-直流変換器のPWM方式の波形図である。
【図４】本発明によるデジタル制御直流-直流変換器の平均電流推定の実現例を示す図である。
【図５】本発明の電流推定原理が昇圧型直流-直流変換器に適用される回路例を示す図である。
【図６】本発明の電流推定原理が昇降圧型直流-直流変換器に適用される回路例を示す図である。
【図７】本発明によるデジタル制御降圧型変換器の平均電流制御構造の実施例を示す図である。
【図８】本発明の、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路の第一実施例の構成図である。
【図９】本発明の、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路の第二実施例の構成図である。
【図１０】本発明の、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路の第三実施例の構成図である。
【図１１】本発明の、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路の第四実施例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明を実施するための好適な形態を詳細に説明する。なお、このような実施形態は、例示に過ぎず、本発明を限定するものでない。
【００１６】
本発明は、デジタル制御直流-直流変換器について、平均電流の推定方法を提案している。図2に示す降圧型変換器を例とし、コストを削減し、電流検出損失を低減すると共に、検出信号の高周波数帯域幅を保つために、電流検出回路は、変流器(current  transformer，CT)を採用し、その検出比率は、1/Nであり、変流器の二次側は、整流ダイオード及び抵抗Rsにより、検出された電流信号を電圧信号Vcsに変換し、最後にデジタル制御アナログ/デジタル(Analog  to  Digital，A/D)変換器によりサンプル・ホールド(Sample  and  Hold，S/H)されることにより、デジタル信号Vcshを取得する。
【００１７】
デジタルサンプル信号Vcshにより平均インダクタ電流を得るために、本発明によるデジタル制御直流-直流変換器のPWM方式の波形図では、図3に示すように、制御電圧vconと、上がり及び下がりの三角波Vtとが比較され、電流信号サンプル時間は、三角波信号上がりの始点であり、この点でスイッチ導通時間の中間点にあることを確保することができ、連続導通モード(continuous  conduction  mode，CCM)でこの点においてサンプルした実際の電流値ILSは、インダクタ電流の平均値IL,avgに等しい。ILSとVcshの関係は、次の式１に示す通りである。
【００１８】
Vcsh＝RsILs/N    (1)
しかし、図3に示すように、不連続導通モード(discontinuous  conduction  mode，DCM)で、ILSは、インダクタ電流の平均値IL,avgよりも高い。不連続導通モードで精確な平均電流値を得るために、次の式２に示すように、インダクタ電流がスイッチオフしてからゼロまで下がる時間Δを把握しなければ、１周期の三角形インダクタ電流の面積を用いて平均値を求めることができない。
【００１９】
IL,avg＝(ILs(ton+Δ))/Ts    (2)
ボルト秒平衡(voltage-second  balance)原理によれば、時間Δは、安定状態でインダクタ電圧の１切替周期における平均値がゼロになる方法で求めることができる。降圧型変換器について言えば、図3に示すように、面積A＝面積Bを用いて、次の式３を得ることができる。
【００２０】
(Vi-Vo)ton+(-Vo)Δ＝0    (3)
式３から次の式４のように時間Δを求めることができる。
【００２１】
Δ＝（(Vi-Vo)/Vo）ton    (4)
また、スイッチの導通時間は、次の式５の通りである。
【００２２】
ton＝vcon/Vtm    (5)
ここで、Vtmは、三角波Vtの振幅である。式４及び式５を式２に代入すると、次の式６を得ることができる。
【００２３】
IL,avg＝ILs(ton/Ts)(Vi/Vo)＝ILs(vcon/Vtm)(Vi/Vo)    (6)
式６は、不連続導通モードでPWMの制御電圧及び入力と出力電圧を用いて正確なインダクタ電流の平均値を得ることを示している。また、式６は、不連続導通モードのみならず、連続導通モードにも適用することができる。その理由は、次の通りである。まず、降圧型変換器について言えば、次の式7がある。
【００２４】
vcon/Vtm＝D＝Vo/Vi    (7)
そして、式７を式６に代入して同様にIL,avg＝ILsを得ることができる。よって、式６は、全てのワーキングモードに適用することができる。式６に基づく、本発明によるデジタル制御直流-直流変換器の平均電流推定の実現例は、図4に示すように、式６を用いて、さらに式１の検出比率を用いて、最終推定のインダクタ電流の平均値IL,avgを得ることができる。なお、上述した、スイッチの電流がスイッチのデューティ（duty）周期の中心点で同期してサンプルされること、及び、安定状態でインダクタ電圧の１切替周期における平均値がゼロであることを利用する思想は、他の形式の変換器に流用してインダクタ電流の平均値を推定することもできる。図5は、本発明の電流推定原理が昇圧型直流-直流変換器に適用される回路例を示す図であり、図6は、昇降圧型直流-直流変換器に用いられる回路例を示す図である。
【００２５】
上述にように提案されている平均電流の推定方法は、推定のみに限定される。実際に平均電流モード制御に用いられる場合、PWM制御電圧(vcon)も平均電流計算に用いられるため、電流回路内で無限ゲイン回路が形成され、これにより、電流回路の振盪を来すことがある。このような問題を解決するために、本発明によるデジタル制御降圧型変換器の平均電流制御構造の実施例では、図7に示すように、上述の無限ゲイン回路内にローパスフィルタ11を増設してこの回路のゲインを低減する。図7中の回路Crに示すように、平均電流制御構造は、出力電圧Voをフィードバックし、且つ入力電圧Viを検出し、電圧の検出比率が例えばKvであり、両者は、A/Dを経てデジタル信号Vofb及びVibに変換され、また、Vibと電圧命令Vocとの誤差が電圧制御器12により調整されることにより、電流命令ILcを得ることができる。一方、スイッチの電流がCT及びRsを通過した後にVcsになり、Vcsは、A/Dを経由してデジタル信号Vcshになり、Vcshは、検出された入力電圧及び出力電圧、並びに、PWM制御電圧vconがローパスフィルタ11を通過した後に得られた信号vconfと、前述の平均電流の推定公式を用いて推定電流ILfbを取得し、そして、ILfbとILcとの誤差が電流制御器13により調整されることで、PWM  10の制御電圧vconを取得することができ、vconは、さらに、PWM  10を経由して最終的にスイッチをトリガーする信号になり、前記駆動回路14の動作を制御する。同様の設計を用いることにより、図7に示す平均電流制御方法は、図5及図6に示すような升圧型及び昇降圧型変換器に適用することもできる。
【００２６】
図8は、本発明の、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路の第一実施例の構成図である。この図に示すように、第一実施例では、直流-直流変換器(本実施例では、降圧変換器である)を有し、それは、スイッチSW、ダイオードD、インダクタL、出力端コンデンサC(出力負荷Rに並列接続される)を含み、該第一実施例では、さらに、電流推定回路20を有し、それは、前記インダクタLの電流IL(例えば、平均電流)を推定するために用いられ、前記電流推定回路20は、電流検出ユニット21、信号サンプルユニット22、及び電流推定ユニット23を含み、前記電流検出ユニット21は、前記スイッチSWの電流を検出し、そして、該電流を電圧信号Vcsに変換し、前記信号サンプルユニット22は、電圧信号Vcsを受けてデジタルサンプル信号Vcshを生成し、前記電流推定ユニット23は、前記直流-直流変換器のインダクタLの電流の推定値を算出し、前記インダクタLの電流の推定値は、前記デジタルサンプル信号Vcsh、前記電流検出ユニット21のスケール因子、前記スイッチSWを制御するスイッチ駆動信号SDRのデューティ比、前記直流-直流変換器の入力電圧Viと出力電圧Voなどのパラメータに基づいて計算により得られる。
【００２７】
さらに図9を参照する。図9は、本発明の、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路の第二実施例の構成図である。該実施例では、直流-直流変換器は、降圧型直流-直流変換器であり、第一実施例中の素子以外に、前記電流検出ユニット21は、変流器211及び変圧器抵抗212を含み、前記変流器211の一次巻線は、前記スイッチSW(例えば、トランジスタQ)に接続され、二次巻線は、前記変圧器抵抗212に電気的に接続され、前記変流器211は、巻き数比1/Nを有し、前記変圧器抵抗の抵抗値は、RSであり、前記電流検出ユニット21は、さらに、前記変圧器抵抗212に接続される変圧器ダイオード213を含んでも良い。該実施例では、前記電流検出ユニットは、前記スイッチSWに流れる電流を検出し、そして、該電流を前記電圧信号Vcsに変換するために用いられる。前記電流推定ユニット23は、さらに、中央処理装置(CPU)、マイクロ制御器、デジタル信号処理器、システムチップ、FPGA(field  programmable  gate  array)、ASIC(application-specific  integrated  circuit)などを、前記直流-直流変換器のインダクタ電流IL(又は、インダクタ平均電流IL,avg)の信号SLEを生成するために含んでも良く、その計算方法及び原理は、前述の内容を参照することができる。本実施例では、前記直流-直流変換器の連続導通モード及び不連続導通モードでのインダクタ電流の推定値IL,avgを計算する。その計算公式は、次の式８に示す通りである。
【００２８】
IL,avg＝Vcsh(N/Rs)D(Vi/Vo)    (8)
ここで、Dは、前記スイッチ駆動信号SDRのデューティ比であり、即ち、(制御信号Vcon/三角波信号Vtm)である。
【００２９】
図10は、本発明の、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路の第三実施例の構成図である。該実施例では、直流-直流変換器は、昇圧型直流-直流変換器であり、前記電流推定ユニット23は、前記デジタルサンプル信号Vcsh、前記電流検出ユニット21のスケール因子、前記スイッチSWを制御するスイッチ制御信号SDRのデューティ比、前記直流-直流変換器の出力電圧Voと(出力電圧Vo-入力電圧Vi)との比などのこれらのパラメータの乗積に基づいて、前記直流-直流変換器の連続導通モード及び不連続導通モードでのインダクタ電流の推定値を計算する。その計算公式は、次の通りである。
【００３０】
IL,avg＝Vcsh(N/Rs)D(Vo/(Vo-Vi))    (9)
ここで、Dの定義は、式７に示す通りであり、前記スイッチ駆動信号SDRのデューティ比である。
【００３１】
図11は、本発明の、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路の第四実施例の構成図である。該実施例では、直流-直流変換器は、昇降圧型直流-直流変換器であり、前記電流推定ユニット23は、前記デジタルサンプル信号、前記電流検出ユニット21のスケール因子、前記スイッチSWを制御するスイッチ制御信号SDRのデューティ比、前記直流-直流変換器の入力電圧と出力電圧などのこれらのパラメータに基づいて、前記直流-直流変換器の連続導通モード及び不連続導通モードでのインダクタ電流の推定値IL,avgを計算する。その計算公式は、次の式１０に示す通りである。
【００３２】
IL,avg＝Vcsh(N/Rs)D((Vo+Vi)/Vo)    (10)
これにより、本発明は、電流推定回路を有する直流-直流変換器回路を提供し、それは、直流-直流変換器のインダクタ電流を推定するためのものである。本発明は、複数種のデジタル切替型直流-直流変換器に適用することができ、且つ連続導通モード及び不連続導通モードで全て作動することができる。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３４】
11  ローパスフィルタ
12  電圧制御器
13  電流制御器
14  駆動回路
21  電流検出ユニット
22  電流検出ユニット
23  電流推定ユニット
SW  スイッチ
D  ダイオード
L  インダクタ
C  出力端コンデンサ
R  出力負荷
Q  トランジスタ
211  変流器
212  変圧器抵抗
213  変圧器ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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