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 ·...

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



2012年12月19日水曜日


Outline

3





まとめ








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



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



SIMO（Single Inductor Multi Output）



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



ヒステリシス制御を用いて



Outline

7





まとめ







Vi = 9V

Vr = 5V

V o


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



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



負荷応答特性

10

負荷変動に対する高速応答性

Vp-p：7mV


負荷電流　0.5A → 1.0A

（1.0ms～1.25ms）


∆V1

Vi = 9V


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



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）




13

Vp-p：4.5mV

Vp-p：4.5mV


低出力電圧リプルを実現




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）



Outline

15





まとめ







Vi = 3V

V r = 5V


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




17


青：インダクタ電流Vp-p：5mV




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


S0

S2

Vi = 3V


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




SEL信号を作成





20





21

Vp-p：6mV


Vp-p：6mV





負荷応答特性

22

Vp-p：6mV

Vp-p：4mV






負荷電流　0.5A → 1.0A

（1.0ms～1.25ms）



Outline

23





まとめ







S1

Vr2 = 4V

Vi = 5V


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




SEL信号を作成



S1

Vr2 = 4V



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


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


S1

Vr2 = 4V



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


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


S1

Vr2 = 4V



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


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




28





29

Vp-p：3mV

Vp-p：2.5mV






負荷応答特性

30

Vp-p：7mV

Vp-p：5mV






負荷電流　0.5A → 1.0A

（1.0ms～1.25ms）



Outline

31





まとめ







CK

S0

D0

D1

D2

D3

D4

Vo2

Vo3

Vo4

Vo1


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


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




34


　　　（4V設定）


　　　（3V設定）

青：出力電圧 Vo2

　　　（5V設定）


　　　（6V設定）





　　　（4V設定）


　　　（3V設定）


　　　（5V設定）


　　　（6V設定）





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




緑：出力電圧 Vo1 青：出力電圧 Vo2

緑：出力電圧 Vo3 赤：出力電圧 Vo4




シミュレーション結果（出力電圧リプル）


負荷応答特性


他出力電圧への影響が少なく


負荷電流　0.5A → 1.0A

（1.0ms～1.25ms）







Outline

39





まとめ








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


簡単な制御回路



ご清聴ありがとうございました

41



補足2012年12月19日水曜日


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。


Vi = 3V

V r = 5V


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



議事録2012年12月19日水曜日


・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）


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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