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パワーエレクトロニクス工学論 10. 各種シングル インダクタデュアル アウトプット (SIDO) 電源 10-1 降圧形 昇圧形 SIDO 電源 10-2 リプル制御 SIDO 電源 10-3 ZVS-PWM 制御 SIDO 電源 10-4 ソフトスイッチングSIDO 電源 SIDO: Single Inductor Dual Output 10-1

10.1 降圧形 昇圧形 SIDO 電源 (1) SIDO 電源の概要 電源構成 : * 小型軽量化 : 集積化困難な部品の削減 * 対象部品 : トランス インダクタ 電解コンデンサ 目的 特徴 : * 一つのコイルで 複数の電圧を出力 メリット : パワー インダクタの削減 小型軽量化 デメリット : 効率の低下 複雑な制御回路 SIMO 電源の種類 : * 大電力 SIDO 電源 : 降圧形ー Exclusive 制御 * 小電力 SIDO 電源 : 降圧 昇圧形ーシリアル Exclusive 制御 * 小電力 SIMO 電源 : 降圧形ー Exclusive 制御 (4 出力 ) SISO: Single Inductor Single Output SIDO: Single Inductor Dual Output SIMO: Single Inductor Multiple Output 10-2

(2)Exclusive 制御 SIDO 電源 1) Exclusive 制御方式 回路構成 ( 降圧形 SIDO 電源 ) *2 つの SISO 電源を並列合成 メイン SW L Di の一式を削除 * サブ電源入力部に サブ SW を挿入 * 追加コンパレータによる 周期毎の制御対象の選択 :SEL 信号 基本動作 : 周期毎に誤差比較 * 増幅誤差電圧を比較し 誤差の一番大きいサブ電源を選択 (Exclusive 制御 ) * サブ SW のいづれかを選択 ON により エネルギーの切換え供給 SEL Exclusive 制御降圧形 SIDO 電源案 タイミング チャート 10-3

課題 (V1>V2 とする ) *MOS による SW では ボディーダイオード BD があり 逆電圧時に導通する サブ電源 2 を制御時に サブ SW1 の BD が導通 :NG * 電源 1 の制御時は サブ SW2=OFF で問題無し 対策 :V1>V2 に設定すると * サブ SW1 ダイオードに変動 * サブ電源の選択は サブ SW2 の制御のみで実現可能 * 電源 1 の制御 : サブ SW=OFF 電源 2 の制御 : サブ SW=ON P-MOS SEL N-MOS Exclusive 制御降圧形 SIDO 電源 10-4

2) 降圧形 SIDO 電源 シミュレーション結果 * 回路条件 : Vi=9.0V, V1=6.0V, V2=4.0V, I1=2.1/1.0A, I2=2.2/1.2A, F=200 khz * 出力電圧リプル : Vo=20 mvpp リプル波形は 互いに逆位相 * 過渡応答特性 : オーバー / アンダー シュート V=±25 mv @ Io=1.0A クロス レギュレーション : 相手の電流変化に対する自己電圧変化 セルフ レギュレーション ; 自分の電流変化に対する自己電圧変化 降圧形 SIDO シミュレーション結果 10-5

実装波形 * 回路条件 : Vi=9.0V, V1=6.0V, V2=4.0V, I1=2.1/1.0A, I2=2.2/1.2A, F=200 khz * 出力電圧リプル : Vo=20 mvpp * 過渡応答特性 : オーバー シュート V<±10 mv @ I2=±1.0 A シミュレーション結果 ( 定常リプル ) シミュレーション結果 ( 過渡応答 )

3) 昇圧形 SIDO 電源 構成 動作 : 基本は降圧形と同様 S1 と直列に Di 必要 S1 のボディ Di により 逆電流 回路条件 : *Vi=3.0V, V1=6.0V, V2=4.0V, I1=I2=0.2/1.2/2.2 A L=5uH, C=470uF, Fck=500kHz * 選択 SW1 の ON/OFF により エネルギーを切換え供給 *V1>V2 に設定 SW1=ON 時 サブ電源の Di=OFF 昇圧形 SIDO 電源 昇圧形 SIDO シミュレーション結果 10-7

10.2 リプル制御 SIDO 電源 (1) 降圧形リプル制御 SISO 電源 ( 別名 : ヒステリシス制御電源 ) 回路構成 ( 降圧形 SISO 電源 ) * 出力電圧 Vo と基準電圧 Vr を直接比較 コンパレータ出力でメイン SW を制御 * 通常 コンパレータに わずかなヒステリシス ( シュミット トリガ ) を施す * 制御周波数は ヒステリシス レベルと周期遅延に依存 1MHz 以上の高速制御 S0 Vi D L C V o Io R Toff Io ON/OFF - + Comparator Vref Ton Ton 降圧形リプル制御 SISO 電源 タイミング チャート 10-8

シミュレーション結果 * 条件 :Vi=9.0V, Vo=5.0V,Io=1.0/0.5 A, L=10uH, Co=470uF コンパレータ出力でメイン SW を制御 * 結果 : 定常リプル : Vo=2.5mVpp 制御周波数 ; Fop 1MHz 過渡応答 : オーバーシュート = ±6 mv @ Io=±0.5 A frequency 降圧形リプル制御 SISO シミュレーション結果 10-9

(2) 降圧形リプル制御 SIDO 電源 回路構成 * 基本的に Exclusive 制御方式 オペアンプによる誤差増幅電圧 Vo を発生 Vo の比較で SEL 発生 * メイン SW の制御方式 :2 つのコンパレータ出力 ON1/ON2 の OR 出力で制御 誤差の大きい電源が ON パルス幅も広い S0 L converter 1 OP V1 COM1 ON1 S2 COM0 OP V2 COM2 ON2 ON/OFF converter 2 SEL 降圧形リプル制御 SIDO 電源 10-10

シミュレーション結果 ( 降圧形 SIDO 電源 ) * 条件 :Vi=9.0V, Vo1=6.0V, Vo2=4.0V, Io1=1.0/0.5A, Io2=0.5A L=0.5 uh, Co=470 uf コンパレータ出力でメイン SW を制御 * 結果 : 定常リプル : Vo<10 mvpp 過渡応答 : オーバーシュート 0mV @ Io1=±0.5 A V1 10mVpp 1.0A 0.5A V2 降圧形リプル制御 SIDO 電源のシミュレーション結果 10-11

(3) 昇圧形リプル制御 SIDO 電源 回路構成 : 基本部分は降圧形と同様 * メイン SW の制御方式 : 起動特性の補償回路が必要 シミュレーション結果 * 条件 :Vi=3.0V, V1=5.0V, V2=4.0V, Io=1.0/0.5 A * 定常リプル : Vo < 10 mvpp @ Io=1.0/0.5A 過渡応答 : オーバーシュート <±5 mv @ Io=±0.5 A L V1 V1 Vi - S0 S2 ON SEL - - V2 V2 10 mvpp 0.5 A 1.0 A 0.5 A 昇圧形リプル制御 SIDO 電源 昇圧形シミュレーション結果 10-12

10.3 ZVS-PWM 制御 SIDO 電源 (1) 降圧形 ZVS-PWM 制御 SISO 電源 [ 再掲 :9 章にて説明済み ] 回路構成 ( 降圧形 SISO 電源 ): 条件 Vi<2Vo * 還流ダイオードに並列に共振コンデンサ *Vi=Vc で SWをON ZVS (Zero Voltage Switching ) * 共振時 I L は両方向に流れる (Cr の充電が必要 ) 降圧形 ZVS-PWM 制御 SISO 電源 タイミング チャート 10-13

シミュレーション結果 (9 章の再掲 ) 条件 : Vi=10V,Vout=6.0V Io=0.6A/1.2A, L=10uH, Cr=10nF, C=1000uF Vo [V] 結果 : 定常リプル過渡応答 8mVpp <2mVpp @Io=0.6A <±15mV @Io=0.6/1.2A +15mV Vout -15mV 2mVpp Io=0.6A Io=1.2A 出力リプル 過渡応答特性 Io=0.6A [ms] 10-14

(2) 降圧形 ZVS-PWM 制御 SIDO 電源 回路構成 ( サフ SWの構成 ) * ハイ側電源にDi ロー側電源にMOS SW を挿入 ハイ側電源は共振不可 対策 共振電流は 全てロー側電源よりボディ ダイオードを介して供給 * 条件 : V1>V2 に設定 Vc コイル電流双方向 共振部分 ZVS-PWM 制御 SIDO 電源 タイミング チャート 10-15

Vo [V] Vo [V] シミュレーション結果 ( 降圧形 SIDO 電源 ) 条件 :Vi=10V V1=6V, V2=5V, Io=0.55A/1.1A, L=10uH, Cr=10nF, C=1000uF 結果 : 定常リプル : <4mVpp @Io=0.55A シュート : <±25mV @Io=0.55/1.1A 動作周波数 : 91.4kHz @ Io=0.55A 53.1kHz @ Io=1.2A Self Regulation 4mVpp Cross Regulation 6V V1 18mVpp Self Regulation 5V V2 I1 I2 I1 Cross Regulation I2 Io=0.55/1.1A [ms] ZVS-PWM SIDO 過渡応答特性 [ms] 10-16

10.4 ソフトスイッチング SIDO 電源 (1) 電圧共振型 SISO 電源 [ 再掲 :9 章にて説明済み ] 半波型降圧 SISO 電源 * メインSWと直列にLr 並列にCr を接続 * 共振電圧 Vrは 正側に高電圧に共振 *Vr=Vi 時に SW=ON PWM Vi Lr Vr SW V D I L Vo SAW Ir Cr I L Io Vr Vi GND 半波型共振 SISO 電源 タイミング チャート 10-17

全波型降圧 SISO 電源 * メインSWと直列にLr 並列にCr を接続 * 共振電圧 Vrは 正側に高電圧に共振後 負側にも同程度に共振 * 負電位から Vr = V D に戻った時点で SW=ON PWM Vi Lr Vr SW V D I L Vo SAW Ir Cr I L Io Vr Vi GND 全波型共振 SISO 電源 タイミング チャート 10-18

IL / A V PWM / V SEL / V (2) 電圧共振型 SIDO 電源 ( 降圧型 ) (A) 回路構成 :ZVS-PWM 制御電源と同様の構成 サブ電源 1の入力部に ダイオードを挿入 サブ電源 2の入力部に MOSスイッチを挿入 (B) 動作 : Vr=V D のタイミングで SEL SAW 信号を発生 Power Stage OP amp1 SEL 4 3 2 1 0 PWM 5 4 OP amp2 3 2 1 Vr 1.4 1.2 1 0.8 0 Y1 60 40 20 Vr I L V D 0.6 0.4 0-20 4.5 4.505 4.51 4.515 4.52 電圧共振型降圧 SIDO 電源 time/msecs シミュレーション波形 5uSecs/div 10-19

VO2 / V VO2 / V Vo1 / V Vo1 / V (C) シミュレーション結果 ( 出力電圧リプル ) * 定常出力電圧リプル : Vo<5mVpp (<0.2%) @ Io=0.75A * クロス / セルフ レギュレーション ( オーバー / アンダー シュート ) V ±12mV ( 0.25%) @ Io=0.25A V1=5V 5.03 V1=5V 5.02 5.01 Self-Regulation ±12 mv 1 ms V1=5V 5.03 5.02 5.01 1 ms ±9 mv±9 mv Cross-Regulation 5 5 4.99 4.99 4.98 4.97 4.03 4.02 4.01 I1=0.50A 0.75A 0.50A V2=4V ±10 mv 4.98 4.97 4.03 V2=4V 4.02 4.01 I1=0.50A 0.75A 0.50A ±9 mv 4 4 3.99 3.99 3.98 3.97 4 5 6 7 8 9 time/msecs I2=0.25A 0.50A 0.25A 半波型共振電圧リプル 1mSecs/div 3.98 3.97 time/msecs I2=0.25A 0.50A 0.25A [ms] 5 6 7 8 9 全波型共振電圧リプル 1mSecs/div 10-20