V - 群馬大学

電子情報通信学会
第22回回路とシステム（軽井沢）ワークショップ
疑似連続モードを用いた
単一インダクタ正負2出力
DC-DCコンバータの検討
群馬大学大学院電気電子工学専攻
SANTHOS ARIO WIBOWO ○津志田健吾
森偉文樹美和俊介小林春夫
旭化成東光パワーデバイス株式会社
小田口貴宏高山茂樹鈴木聡深井功松田順一
2
Outline
1.
2.
3.
4.
研究背景と目的
DC-DCコンバータの原理
単一インダクタ2出力DC-DCコンバータの考察
単一インダクタ正負２出力DC-DCコンバータ
の提案回路
5. シミュレーションによる動作確認
6. まとめ
Gunma University
Kobayashi LAB
3
Outline
1.
2.
3.
4.
研究背景と目的
DC-DCコンバータの原理
単一インダクタ2出力DC-DCコンバータの考察
単一インダクタ正負２出力DC-DCコンバータ
の提案回路
5. シミュレーションによる動作確認
6. まとめ
Gunma University
Kobayashi LAB
4
研究背景と目的
 正電圧と負電圧が提供可能な電源の要求:
 有機ELディスプレイ、 LCD、CCDバイアス電圧、
PDA、ポケットPC
 低コスト化への要求
・単一インダクタ(低コスト)
・昇圧型(正)+昇降圧型(負)
・正負2出力DC-DCコンバータの提案
Gunma University
Kobayashi LAB
5
単一インダクタDC-DCコンバータ
各回路の駆動にそれぞれ独立した電源を必要
従来の多出力DC-DCコンバータ
Vin
単一インダクタ多出力DC-DCコンバータ
DC/DC
Vout1
DC/DC
Vout1
Vin
Vout2
DC/DC
Vout2
サイズ、コスト大
近年産業界で強い関心
チップ面積縮小、低コスト化
日本での研究発表例なし（欧米、アジア諸国から発表）
Gunma University
Kobayashi LAB
6
Outline
1.
2.
3.
4.
研究背景と目的
DC-DCコンバータの原理
単一インダクタ2出力DC-DCコンバータの考察
単一インダクタ正負２出力DC-DCコンバータ
の提案回路
5. シミュレーションによる動作確認
6. まとめ
Gunma University
Kobayashi LAB
降圧型DC-DCコンバータの原理
IL
VS
S
LPF
L
スイッチをクロックによりon/off
Vo
LPFでVSを平滑化
充電
D
C
Vi
7
R
コイルにエネルギーを充放電
Vi
VS
S
Vi
V0
off
on
L
ON OFF ON OFF ON OFF ON
0
Vo
VSの電圧波形(Duty=0.5のとき)
放電
D
IL C
R
LPF
※T=TON+TOFF
TON
VO 
 Vi
T
Gunma University
Kobayashi LAB
昇圧型DC-DCコンバータの原理
L
D
VS
スイッチをクロックによりon/off
Vo
LPFでSがOFFの
VSを平滑化
充電
Vi
S
IL
C
8
R
コイルにエネルギーを充放電
V0
L
Vi
off
on
VS
D
OFF ON OFF ON OFF ON OFF
0
Vo
VSの電圧波形(Duty=0.5のとき)
放電
Vi
S
IL
C
R
LPF
※T=TON+TOFF
T
VO 
 Vi
TOFF
Gunma University
Kobayashi LAB
昇降圧型DC-DCコンバータの原理
IL
充電
スイッチをクロックによりon/off
Vo
D
LPFでSがOFFの
VSを平滑化
S
L
Vi
C
9
R
コイルにエネルギーを充放電
Vi
0
off
on
D IL
VO
Vo
VSの電圧波形(Duty=0.5のとき)
S
Vi
L
放電 C
LPF
OFF ON OFF ON OFF ON OFF
R
TON
VO  
 Vi
TOFF
Gunma University
Kobayashi LAB
10
Outline
1.
2.
3.
4.
研究背景と目的
DC-DCコンバータの原理
単一インダクタ2出力DC-DCコンバータの考察
単一インダクタ正負２出力DC-DCコンバータ
の提案回路
5. シミュレーションによる動作確認
6. まとめ
Gunma University
Kobayashi LAB
単一インダクタ2出力(降圧)の原理
降圧型を2出力する場合
Vdd
Sw3
Vout1
Sw1
buck
L
Sw2
ＩL
ｔ
Sw4
Vout2
buck
Vout1
Vout2
インダクタ電流波形
コイルを時分割して2つの出力を得る
Gunma University
Kobayashi LAB
11
クロスレギュレーションによる
他方の電源への影響
12
 クロスレギュレーション
多出力電源において、ある負荷が変動した
際の他の出力電圧変動
他方への影響への対策：
クロスレギュレーションを抑制する制御回路
⇒コストの観点から×
電流のモードを変えることでクロスレギュレーションを低減
Gunma University
Kobayashi LAB
13
連続モードとクロスレギュレーション
 連続モード
インダクタに流れる電流がいかなる時刻においても
零にならない動作モード
電流リップル小
Vout1
負荷変動
IL
Vout2
電圧変動
t
Vout1
Vout2
クロスレギュレーション×
Gunma University
Kobayashi LAB
14
不連続モードとクロスレギュレーション
 不連続モード
インダクタに流れる電流が零になる期間が存在する
動作モード
電流リップル大
Vout1
負荷変動
IL
Vout2
電圧安定
t
Vout1
Vout2
クロスレギュレーション○
Gunma University
Kobayashi LAB
15
疑似連続モード
連続モード（CCM）
不連続モード（DCM）
疑似連続モード（PCCM）
0
単一出力での各モードにおけるインダクタ電流の波形
疑似連続モードで動作する降圧型コンバータ：
• 連続モードに比べて、応答が速い
• 不連続モードに比べて、電流リップルが小さい
(A Pseudo-CCM buck Converter with Freewheel Switching Control, Zongqi Hu and Dongseng Ma, University of Arizona)
Gunma University
Kobayashi LAB
16
擬似連続モードとクロスレギュレーション
 擬似連続モード
フリーホイールスイッチングを用いることでインダ
クタ電流を保持
電流リップル小
Freewheel
Switch
IL
Vout1
負荷変動
Vout2
電圧安定
t
Vout1
Vout2
クロスレギュレーション○
Gunma University
Kobayashi LAB
単一インダクタ2出力電源における
連続モード、不連続モード、疑似連続モードの比較
連続モード：一方の負荷が変化すると
他方の出力電圧へ影響大
（クロスレギュレーション务）
大電流がとれる
不連続モード：一方の負荷が変化しても
他方の出力電圧への影響小
（クロスレギュレーション良）
大電流がとれない
擬似連続モード：一方の負荷が変化しても
他方の出力電圧への影響小
（クロスレギュレーション良）
大電流がとれる
Gunma University
Kobayashi LAB
17
18
Outline
1.
2.
3.
4.
研究背景と目的
DC-DCコンバータの原理
単一インダクタ2出力DC-DCコンバータの考察
単一インダクタ正負２出力DC-DCコンバータ
の提案回路
5. シミュレーションによる動作確認
6. まとめ
Gunma University
Kobayashi LAB
疑似連続モードを用いた
正負2出力DC-DCコンバータ
19
Freewheel Switch
S5
S1
Vi
L
S4
S3
Vout1
（正電圧）
S2
Vout2
（負電圧）
昇圧型と昇降圧型コンバータの組合せ ＋＆－出力を提供
低コスト、チップ面積縮小
単一コイル2出力提供
クロスレギュレーション
疑似連続モード
良好
Gunma University
Kobayashi LAB
正電圧発生動作（昇圧動作T1）
20
Inductor current waveform
IL
 T1: S1,S2 ⇒ ON
L
dI L
 VL  Vi
dt
V
IL  IB  i t
L
( I P1  I B )
 IB 
t
T1
V (I  I )
 i  P1 B
L
T1
IL
IB
Stage1 Stage2
S1
Vi
L
S4
Vout2
S3
S2
Vout1
ON
S3
OFF
OFF
Gunma University
OFF
OFF
OFF
OFF
OFF
ON
ON
S4
S5
Stage5
OFF ON
ON
S2
Stage6
Stage4
Stage3
S5
S1
Buckboost
Boost
ON OFF
ON
OFF
ON
Kobayashi LAB
s
正電圧発生動作（昇圧動作T2）
Inductor current waveform
 T2: S1,S3 ⇒ ON
L
dI L
 VL  Vi  Vout1
dt
V V
IL
I L  I P1  i out1 t
L
(I  I )
 I P1  P1 B t
T2
V  V (I  I )
 out1 i  P1 B
L
T2
IL
Vout1
S1
Vi
L
S4
Vout2
Buckboost
Boost
IB
Stage1 Stage2
Stage6
Stage4
Stage3
Stage5
S1
S5
S3
S2
21
OFFON
ON
S2
ON
S3
OFF
OFF
OF
F
ON
OFF
Vout1
S4
S5
OFF
ON
OFF
OFF
Gunma University
ON OFF
ON
OFF O
N
Kobayashi LAB
s
フリーホイール動作（動作T3,T6）
22
Inductor current waveform
IL
 T3,T6: S5 ⇒ ON
フリーホールスイッチング
（Free Wheel Switching）
Buckboost
Boost
IB
Stage1 Stage2
Stage3
インダクタ電流はIBにて一定
S5
S1
Vi
L
S4
S3
S2
Vout1
S1
ON
S3
OFF
Stage5
OFF ON
ON
S2
Stage6
Stage4
OFF
OF
F
ON
OFF
OFF
ON
Vout2
OFF
S4
S5
OFF
Gunma University
ON OFF
ON
OFF
ON
Kobayashi LAB
s
負電圧発生動作（昇降圧動作T4）
23
Inductor current waveform
IL
 T4: S1,S2 ⇒ ON
L
dI L
 VL  Vi
dt
V
IL  IB  i t
L
(I P2  I B )
 IB 
t
T4
V (I  I )
 i  P2 B
L
T4
IL
IB
Stage1 Stage2
S1
Vi
L
S4
Vout2
S3
S2
ON
S3
OFF
Stage5
OFF ON
ON
S2
Stage6
Stage4
Stage3
S5
S1
Buckboost
Boost
OFF
OF
F
ON
OFF
Vout1
OFF
S4
S5
OFF
ON
OFF
Gunma University
ON OFF
ON
OFF
ON
Kobayashi LAB
s
負電圧発生動作（昇降圧動作T5）
24
Inductor current waveform
IL
 T5: S2,S4 ⇒ ON
L
dI L
 VL  Vout 2
dt
V
I L  I P 2  out 2 t
L
(I I )
 I P1  P 2 B t
T5

IL
Vi
L
S4
Stage1 Stage2
S3
S2
Vout1
ON
S3
OFF
Stage5
OFF ON
ON
S2
Stage6
Stage4
Stage3
S1
S5
S1
IB
Vout2
マイナス
 Vout 2 ( I P 2  I B )

L
T5
Buckboost
Boost
OFF
OF
F
ON
OFF
OFF
ON
Vout2
OFF
S4
S5
OFF
Gunma University
ON OFF
ON
OFF
ON
Kobayashi LAB
s
25
出力電圧の導出
 正電圧出力（昇圧型）～ T1&T2 ～
Vi  D1 Vout1  D2  Vi  D2

L
L
( D1  D2 )
Vout1 
Vi
D2
 負電圧出力（昇降圧型）～ T4&T5 ～
Vi  D4  Vout 2  D5

L
L
D4
Vout 2   Vi
D5
Vout1 と Vout2がそれぞれ独立 ⇒ クロスレギュレーション良
Gunma University
Kobayashi LAB
26
スイッチオン抵抗を考慮した出力電圧の導出
 正電圧出力（昇圧型）～ T1&T2 ～
Vi  ( Ron1  Ron2 ) I L D1  Vout1  ( Ron1  Ron3 ) I L  Vi D2
 ( Ron1  Ron2 ) D1  ( Ron1  Ron3 ) D2 I L  ( D1  D2 )Vi
V 
out1
D2
 負電圧出力（昇降圧型）～ T4&T5 ～
Vi  ( Ron1  Ron2 ) I L D4   Vout2  ( Ron2  Ron5 ) I L D5
D4 Vi  ( Ron1  Ron2 ) D4  ( Ron2  Ron5 ) D5 I L
V 
out 2
D5
Gunma University
Kobayashi LAB
27
Outline
1.
2.
3.
4.
研究背景と目的
DC-DCコンバータの原理
単一インダクタ2出力DC-DCコンバータの考察
単一インダクタ正負２出力DC-DCコンバータ
の提案回路
5. シミュレーションによる動作確認
6. まとめ
Gunma University
Kobayashi LAB
シミュレーション結果（正電圧）
 ( Ron1  Ron2 ) D1  ( Ron1  Ron3 ) D2 I L  ( D1  D2 )Vi
 15
D2
Vout1=15[V]
v
Vout1 
28
理論解析と一致
※SIMetrixによる解析
T
Dn  n
Ts
T1
460ns
Fsw
500kHz
T2
200ns
Vi
5V
T3
340ns
L
100uH
T4
680ns
Cout1,2
100uF
T5
200ns
Ron1～5
4mΩ
T6
120ns
Gunma University
Kobayashi LAB
シミュレーション結果（負電圧）
D4 Vi  ( Ron1  Ron2 ) D4  ( Ron2  Ron5 ) D5 I L
 15
D5
理論解析と一致
v
Vout 2  
29
Vout2=-15[V]
※SIMetrixによる解析
T
Dn  n
Ts
T1
460ns
Fsw
500kHz
T2
200ns
Vi
5V
T3
340ns
L
100uH
T4
680ns
Cout1,2
100uF
T5
200ns
Ron1～5
4mΩ
T6
120ns
Gunma University
Kobayashi LAB
30
シミュレーション結果（インダクタ電流）
IP2
IP1
IL[A]
疑似連続モードの
動作を確認
Free Wheel
Switching
IB
昇圧
昇降圧昇圧
昇降圧
SIMetrixによる解析
インダクタ電流波形
Gunma University
Kobayashi LAB
31
Outline
1.
2.
3.
4.
研究背景と目的
DC-DCコンバータの原理
単一インダクタ2出力DC-DCコンバータの考察
単一インダクタ正負２出力DC-DCコンバータ
の提案回路
5. シミュレーションによる動作確認
6. まとめ
Gunma University
Kobayashi LAB
32
まとめ
 疑似連続モードを用いた単一インダクタ
正負2出力DC-DCコンバータの提案：
 ＋と－出力電圧を提供.
 クロスレギュレーション良（各出力：独立）
 不連続モードの場合に比べて、低電流リップル.
 スイッチオン抵抗を含めた解析による
出力電圧式の導出
 シミュレーションによる動作確認
Gunma University
Kobayashi LAB
33
まとめ
今後の課題
 制御部を含めた全体回路の完成
 スイッチ数増加による効率低下に対する
対策
 突入電流による電圧変動に対する
安定出力の対策
Gunma University
Kobayashi LAB

Download Report