ヒステリシス制御 dc-dc simo電源 のシミュレーション結果...2012/12/18 ·...
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GunmaUniversity Takai
LaboratoryAnalogCircuit
◯長島辰徳、小堀康功、堺昂浩、田中駿祐(群馬大学)小田口貴広、山口哲二、中西功、上田公大(AKMテクノロジー)
松田順一(AKMパワーデバイス)高井伸和、小林春夫(群馬大学)
ヒステリシス制御 DC-DC SIMO電源のシミュレーション結果
2012/12/182012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
Outline
2
研究背景・目的
ヒステリシス制御降圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源
まとめ
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
Outline
3
研究背景・目的
ヒステリシス制御降圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源
まとめ
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
研究背景
4
電源回路とは
入力電圧を所望の出力電圧に変換する回路
電源回路10V
3V5V
電源回路に求められる性能
携帯機器の普及
電力不足携帯機器の小型化
環境問題
小型・安価・高効率・高性能
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
研究目的
5
Vin出力1
出力2
Vin出力1
出力2
基本的な多出力電源回路
単一インダクタ多出力電源回路(SIMO)
多出力電源回路
単一インダクタ多出力電源回路(SIMO)
回路占有率の高いインダクタを削減
電源回路に求められる性能
小型・安価・高効率・高性能
SIMO(Single Inductor Multi Output)
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
研究アプローチ
6
単一インダクタ多出力電源回路
ヒステリシス制御 ・応答速度が速い
・簡単な回路構成で実現できる
特徴
電源回路に求められる性能
小型・安価・高効率・高性能
ヒステリシス制御を用いて
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
Outline
7
研究背景・目的
ヒステリシス制御降圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源
まとめ
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
2012年12月19日水曜日
Vi = 9V
Vr = 5V
V o
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御単出力降圧型電源(従来)
8
S
D
+− +
−
100k
1k
10μ
10470μ
(5V設定)
出力電圧が基準電圧よりも. . . 低下 → スイッチをON 上昇 → スイッチをOFF
エラーアンプにより基準電圧との誤差を増幅
コンパレータによる電圧比較
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果(定常状態)
9
赤:出力電圧(5V設定)
青:インダクタ電流
Vp-p:2.5mV
設定通りの出力動作
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
負荷応答特性
10
負荷変動に対する高速応答性
Vp-p:7mV
赤:出力電圧(5V設定)
負荷電流 0.5A → 1.0A
(1.0ms~1.25ms)
2012年12月19日水曜日
∆V1
Vi = 9V
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御降圧形SIDO電源(提案)
11 11
D
+−
D
+−
+−
S0
S2
SEL
∆V2
100k
100k
1k
1k
470μ
470μ
12
8
0.5μ
SIDO(Single Inductor Dual Output)
(6V設定)
(4V設定)
Vo1
Vr1 = 6V
Vr2 = 4V
Vo2
基準電圧との誤差を比較
エネルギーを供給
SEL信号を作成
誤差の大きい方に
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果
12
緑:出力電圧 Vo1(6V設定)赤:出力電圧 Vo2(4V設定)
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果
13
Vp-p:4.5mV
Vp-p:4.5mV
緑:出力電圧 Vo1(6V設定)赤:出力電圧 Vo2(4V設定)
低出力電圧リプルを実現
設定通りの出力動作
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
負荷応答特性
14
Vp-p:4.5mV
Vp-p:3.5mV
出力電圧 Vo1に負荷変動
緑:出力電圧 Vo1
赤:出力電圧 Vo2
出力電圧Vo2への影響が少なく
クロスレギュレーションが良好
負荷電流 0.5A → 1.0A
(1.0ms~1.25ms)
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
Outline
15
研究背景・目的
ヒステリシス制御降圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源
まとめ
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
2012年12月19日水曜日
Vi = 3V
V r = 5V
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御単出力昇圧形電源(従来)
16
S
D
+− +
−
470μ 10
100k
1k
0.5μ V o(5V設定)
インダクタへのチャージ期間が必須
単出力電源においてもクロックによる制御が必要
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果(定常状態)
17
赤:出力電圧(5V設定)
青:インダクタ電流Vp-p:5mV
設定通りの出力動作
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
負荷応答特性
18
Vp-p:6mV
負荷電流 0.5A → 1.0A
(1.0ms~1.25ms)
負荷変動に対する高速応答性
2012年12月19日水曜日
S0
S2
Vi = 3V
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御昇圧形SIDO電源(提案)
19
D
+−
D
+−
+−
SEL
∆V1
∆V2
100k
100k
1k
1k
470μ
470μ
10
8
1μ (5V設定)
(4V設定)
Vo1
Vr1 = 5V
Vr2 = 4V
Vo2
SIDO(Single Inductor Dual Output)
基準電圧との誤差を比較
エネルギーを供給
SEL信号を作成
誤差の大きい方に
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果
20
緑:出力電圧 Vo1(5V設定)赤:出力電圧 Vo2(4V設定)
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果
21
Vp-p:6mV
緑:出力電圧 Vo1(5V設定)赤:出力電圧 Vo2(4V設定)
Vp-p:6mV
低出力電圧リプルを実現
設定通りの出力動作
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
負荷応答特性
22
Vp-p:6mV
Vp-p:4mV
緑:出力電圧 Vo1
赤:出力電圧 Vo2
出力電圧 Vo1に負荷変動
出力電圧Vo2への影響が少なく
クロスレギュレーションが良好
負荷電流 0.5A → 1.0A
(1.0ms~1.25ms)
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
Outline
23
研究背景・目的
ヒステリシス制御降圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源
まとめ
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
2012年12月19日水曜日
S1
Vr2 = 4V
Vi = 5V
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源(提案)
2420
D
+−
D
+−
S0
S2
SEL
∆V1
∆V2
昇圧電源
降圧電源
100k
100k
1k
1k
470μ
470μ
12
8
0.5μ (6V設定)
(4V設定)
Vo1
Vr1 = 6V+−
Vo2
SIDO(Single Inductor Dual Output)
基準電圧との誤差を比較
エネルギーを供給
SEL信号を作成
誤差の大きい方に
2012年12月19日水曜日
S1
Vr2 = 4V
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源(提案)
2520
D
+−
D
+−
S0
S2
SEL
∆V1
∆V2
昇圧電源
降圧電源
100k
100k
1k
1k
470μ
470μ
12
8
0.5μ (6V設定)
(4V設定)
Vo1
Vr1 = 6V+−
Vo2
SIDO(Single Inductor Dual Output)
昇圧と降圧の切り替え
スイッチS2を制御
SEL信号によって
Vi = 5V
2012年12月19日水曜日
S1
Vr2 = 4V
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源(提案)
2620
D
+−
D
+−
S0
S2
SEL
∆V1
∆V2
昇圧電源
降圧電源
100k
100k
1k
1k
470μ
470μ
12
8
0.5μ (6V設定)
(4V設定)
Vo1
Vr1 = 6V+−
Vo2
SIDO(Single Inductor Dual Output)
昇圧動作
スイッチS0
→ ON
スイッチS1
→ ONとOFF
スイッチS2
→ OFF
Vi = 5V
2012年12月19日水曜日
S1
Vr2 = 4V
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源(提案)
2720
D
+−
D
+−
S0
S2
SEL
∆V1
∆V2
昇圧電源
降圧電源
100k
100k
1k
1k
470μ
470μ
12
8
0.5μ (6V設定)
(4V設定)
Vo1
Vr1 = 6V+−
Vo2
SIDO(Single Inductor Dual Output)
降圧動作
スイッチS0
→ ONとOFF
スイッチS1
→ OFF
スイッチS2
→ ON
Vi = 5V
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果
28
緑:出力電圧 Vo1(6V設定)赤:出力電圧 Vo2(4V設定)
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果
29
Vp-p:3mV
Vp-p:2.5mV
緑:出力電圧 Vo1(6V設定)赤:出力電圧 Vo2(4V設定)
低出力電圧リプルを実現
設定通りの出力動作
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
負荷応答特性
30
Vp-p:7mV
Vp-p:5mV
緑:出力電圧 Vo1
赤:出力電圧 Vo2
出力電圧 Vo1に負荷変動
出力電圧Vo2への影響が少なく
クロスレギュレーションが良好
負荷電流 0.5A → 1.0A
(1.0ms~1.25ms)
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
Outline
31
研究背景・目的
ヒステリシス制御降圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源
まとめ
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
2012年12月19日水曜日
CK
S0
D0
D1
D2
D3
D4
Vo2
Vo3
Vo4
Vo1
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源(提案)
32
L
Vi
設定電圧に最も足りない出力にエネルギーを供給
降圧電源 1
降圧電源 2
降圧電源 3
降圧電源 4
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB 33
Vi = 9V
2911
D
S0
S2
470μ
470μ
12
10
0.5μ (6V設定)
470μ
470μ
8
6
を制御
を制御
を制御
を制御
S1
S2
S3
S4
S3
S4
S1
(5V設定)Vo2
(4V設定)
(3V設定)Vo4
Vr2 = 5V
Vr4 = 3V
Vo3
Vr3 = 4V
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源(提案)
Vo1
Vr1 = 6V
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果(定常状態)
34
緑:出力電圧 Vo3
(4V設定)
赤:出力電圧 Vo4
(3V設定)
青:出力電圧 Vo2
(5V設定)
緑:出力電圧 Vo1
(6V設定)
設定通りの出力動作
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB 35
緑:出力電圧 Vo3
(4V設定)
赤:出力電圧 Vo4
(3V設定)
青:出力電圧 Vo2
(5V設定)
緑:出力電圧 Vo1
(6V設定)
設定通りの出力動作
シミュレーション結果(定常状態)
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
シミュレーション結果(出力電圧リプル)
36
緑:出力電圧 Vo1 青:出力電圧 Vo2
緑:出力電圧 Vo3 赤:出力電圧 Vo4
Vp-p:2mV Vp-p:3mV
Vp-p:3mV Vp-p:2mV
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB 37
緑:出力電圧 Vo1 青:出力電圧 Vo2
緑:出力電圧 Vo3 赤:出力電圧 Vo4
Vp-p:2mV Vp-p:3mV
Vp-p:3mV Vp-p:2mV
低出力電圧リプルを実現
シミュレーション結果(出力電圧リプル)
2012年12月19日水曜日
負荷応答特性
出力電圧 Vo1に負荷変動
他出力電圧への影響が少なく
クロスレギュレーションが良好
負荷電流 0.5A → 1.0A
(1.0ms~1.25ms)
緑:出力電圧 Vo1
青:出力電圧 Vo2
緑:出力電圧 Vo3
赤:出力電圧 Vo4
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
Outline
39
研究背景・目的
ヒステリシス制御降圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧形SIDO電源
ヒステリシス制御昇圧+降圧形SIDO電源
まとめ
ヒステリシス制御降圧形4出力SIMO電源
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
・単出力電源の基本構成と動作結果
・2出力SIDO電源の構成と動作結果
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
まとめ
40
ヒステリシス制御を用いた
・降圧形SIDO電源
・降圧形4出力SIMO電源
基本動作を確認・昇圧形SIDO電源
・昇圧+降圧形SIDO電源
実現の可能性を確認
低出力電圧リプル
高速応答
クロスレギュレーションが良好
簡単な制御回路
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ご清聴ありがとうございました
41
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB 42
補足2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御の特徴
43
ヒステリシス制御のメリット
ヒステリシス制御のデメリット
・負荷急変によって出力電圧が急激に変化した場合、パルス信号のオン幅が瞬時に応答する。
つまり、応答速度が速い。
・コンパレータのみで制御系を構成できるため、本質的には系は安定。
なので、補償回路がいらない。
・入出力条件によって、スイッチング周波数が変動。
・コンパレータを使用するため、本質的にジッタが多い。
・出力のリプル電圧を利用してコンパレータを駆動するため、等価直列抵抗(ESR)が比較的
大きい出力コンデンサが必要。
・固定パルスで動作しないため、マルチフェーズに向かない。
2012年12月19日水曜日
Vi = 3V
V r = 5V
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB
ヒステリシス制御単出力昇圧形電源(従来)
44
S
D
+− +
−
470μ 10
100k
1k
0.5μ V o(5V設定)
タイミングチャート
CK
CK
S
Ts
SEL
SEL
ONOFF
Vo
t
ON OFF
Vr
CtrlCtrl
2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB 45
議事録2012年12月19日水曜日
GUNMA UNIVERSITY TAKAI-LAB 46
・ヒステリシス制御以外の制御方法とヒステリシス制御の弱点は?
・どのような用途に使う予定は?
・他の制御との比較は?出力電圧リプルとか...
・背景に高効率とあるが、効率については求めてないのか?
・素子の決めかたは?性能で求めると思うけど...
・クロスレギュレーション特性の改善のために何か工夫をしているのか?
・周波数的に負荷変動した場合どうなるのか?
・回路素子が安いのでどれだけ複雑にしてもいいという発表があったけど、安価はどうなのか?
議事録(集積回路研究会 in 東工)
2012年12月19日水曜日
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