JPH0295165A - Dc/dc converter - Google Patents

Dc/dc converter

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Publication number
JPH0295165A
JPH0295165A JP24341988A JP24341988A JPH0295165A JP H0295165 A JPH0295165 A JP H0295165A JP 24341988 A JP24341988 A JP 24341988A JP 24341988 A JP24341988 A JP 24341988A JP H0295165 A JPH0295165 A JP H0295165A
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JP
Japan
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voltage
switches
capacitor
switch
input
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Pending
Application number
JP24341988A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hisatsugu Ishizu
石津 久嗣
Katsuhiko Naka
仲 勝彦
Yuko Oshino
押野 有功
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0295165A publication Critical patent/JPH0295165A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To always operate the switching mode of a switch in a similar mode, and to simplify a switching control by so constructing to turn on all the switches if an input voltage is of a predetermined value or less. CONSTITUTION:In a switched capacitor type DC/DC converter, capacitors C1, C2, and a plurality of switches 1, 2, 3, 5, 6, 7 are associated, and the duty ratio of the switching operations of the switches 1, 2, 3, 5, 6, 7 is altered to control the charging voltage of a smoothing capacitor C3. The series connection state of the capacitors C1, C2 is switched by the switching operations of the plurality of switches 1, 2, 3, 5, 6, 7, the discharged capacitors C1, C2 are charged by a DC power source 10, the charged capacitors C1, C2 are discharged, and the capacitor C3 is charged. If the voltage of the power source 10 is high, the duty ratio of the switching operations is controlled in a range in which all the switches are not simultaneously turned ON, while if the voltage of the power source 10 is of a predetermined value or less, all the switches are simultaneously turned ON. Thus, if the voltage of the power source 10 is reduced, the voltage of the power source 10 can be applied directly to a load.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は直流電源で充電される直列接続の整数個のコン
デンサを、複数個のスイッチでその接続を切り換え、切
り換える都度コンデンサの充、放電を行わせて直流出力
電圧を得るスイソチトキャバシタ形のDC−DCコンバ
ータに関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention uses a plurality of switches to switch the connection of an integral number of series-connected capacitors that are charged by a DC power source, and charge and discharge the capacitors each time they are switched. The present invention relates to a Swiss capacitor type DC-DC converter that obtains a DC output voltage.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

最近はDC−DCコンバータとしてスイッチングレギュ
レータが、小型軽量であり、しかも高効率であることを
特長として広く用いられており、今後も可搬形装置への
需要が益々増大するものと思われる。しかし、現在主と
して用いられているスイッチングレギュレータは、スイ
ッチングトランジスタ、整流器、ダイオード、変圧器、
チョークコイル等の回路部品から構成されていて、磁性
部品が存在することからIC(集積)化が困難であり、
小型化に限界があるという問題がある。
Recently, switching regulators have been widely used as DC-DC converters due to their small size, light weight, and high efficiency, and it is expected that the demand for portable devices will continue to increase in the future. However, the switching regulators currently mainly used include switching transistors, rectifiers, diodes, transformers,
It is composed of circuit parts such as choke coils, and it is difficult to integrate it into an IC (integration) due to the presence of magnetic parts.
There is a problem that there is a limit to miniaturization.

このような問題に対し、特開昭58−58863号公報
にはスイッチトキャパシタ変成器が提案されている。こ
のスインチトキャパシタ変成器は複数のスイッチングト
ランジスタと整数個のコンデンサとにより構成しており
、IC(集積)化を容易にし、また出力電圧のリップル
含有率を低下させている。
To solve this problem, a switched capacitor transformer has been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 58-58863. This pinched capacitor transformer is composed of a plurality of switching transistors and an integral number of capacitors, which facilitates IC (integration) and reduces the ripple content of the output voltage.

しかも出力電圧の昇、降圧及び極性変換を容易にする等
の工夫がなされている。
In addition, efforts have been made to facilitate raising and lowering the output voltage and converting the polarity.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

ところで前述したスイソチトキャパシタ変成器は、変成
比が原理的に整数比となり、例えば入力電圧12■、出
力電圧5Vに設計すると、変成比は2:1となる。それ
故、原理的には出力電圧5■に対して入力電圧はIOV
以上を必要とする。そして過大な入力電圧に対してはス
イッチングのデユーティ比で制御できる。しかし、スイ
ッチングトランジスタのオン抵抗による電圧降下が生じ
るために、実際には許容最低入力電圧をIOV以上にす
る必要がある。また、その電圧降下は、スイッチングト
ランジスタのオン抵抗と、そのスイッチングトランジス
タに流れる負荷電流との積で定まるから、負荷電流が大
きくなるにともなって、入力電圧の下限値を高くする必
要がある。即ち、DCDCコンバータの使用条件を考え
ると、入力電圧の変動に対応できるように通常の定格入
力に対して許容入力電圧範囲を広くすることが望まれる
が、この変成器では入力電圧範囲が限定されるという問
題がある。
By the way, the above-mentioned swiss titanium capacitor transformer has a transformation ratio that is an integer ratio in principle. For example, if the input voltage is designed to be 12V and the output voltage is 5V, the transformation ratio will be 2:1. Therefore, in principle, the input voltage is IOV for the output voltage 5■
or more is required. Excessive input voltage can be controlled by switching duty ratio. However, since a voltage drop occurs due to the on-resistance of the switching transistor, it is actually necessary to make the minimum allowable input voltage higher than IOV. Further, since the voltage drop is determined by the product of the on-resistance of the switching transistor and the load current flowing through the switching transistor, it is necessary to increase the lower limit value of the input voltage as the load current increases. In other words, considering the usage conditions of a DC/DC converter, it is desirable to widen the allowable input voltage range compared to the normal rated input in order to cope with input voltage fluctuations, but this transformer has a limited input voltage range. There is a problem that

それ故、本願発明者は、直流電源と平滑コンデンサとを
直結するブースタ用スイッチを設けて、入力電圧がIO
V以下になった場合には、そのブースタ用スイッチのみ
をスイッチング動作させて、平滑コンデンサの電圧の低
下を防止することを提案している。
Therefore, the inventor provided a booster switch that directly connects the DC power supply and the smoothing capacitor, so that the input voltage is
It is proposed that when the voltage falls below V, only the booster switch is operated to prevent the voltage of the smoothing capacitor from decreasing.

しかし、そのような構成にすると、ブースタ用スイッチ
を付加することにより回路が複雑になる。
However, with such a configuration, the addition of the booster switch complicates the circuit.

また入力電圧が所定値にある場合の複数のスイッチのス
イッチングモードと、ブースタ用スイッチのスイッチン
グモードとが異なって、複雑なスイッチング制御を行う
必要があるという問題がある。
Another problem is that the switching modes of the plurality of switches when the input voltage is at a predetermined value are different from the switching modes of the booster switch, requiring complicated switching control.

更に直流電源の電圧が低下すると電力伝送効率が低下す
るという問題がある。
Furthermore, there is a problem in that power transmission efficiency decreases when the voltage of the DC power source decreases.

本発明は斯かる問題に鑑み、複雑なスイッチング制御を
行わずに広い許容入力電圧範囲が得られ、また電力伝送
効率が低下しないDC−DCコンバータを提供すること
を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of these problems, it is an object of the present invention to provide a DC-DC converter that can obtain a wide allowable input voltage range without performing complicated switching control and that does not reduce power transmission efficiency.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

第1発明は、DC電源に接続される直列接続の整数個の
コンデンサと、該コンデンサの直列順序を切換える複数
のスイッチと、前記コンデンサにより充電され負荷が接
続される平滑コンデンサとを備え、前記スイッチをスイ
ッチング動作させて前記直列順序を切換える都度、放電
状態のコンデンサを充電し、充電状態のコンデンサを放
電させて前記平滑コンデンサを充電せしめるスイッチト
キャパシタ形のDC−DCコンバータにおいて、前記コ
ンデンサ夫々の一端に前記複数のスイッチのうちの2個
のスイッチが接続され、他端に前記複数のスイッチのう
ちの1個のスイッチ及びダイオードの各一端が接続され
ていて、該スイッチ及びダイオードの各他端が前記平滑
コンデンサの一端及び他端と各接続されており、すべて
のスイッチのスイッチング動作のデユーティ比を変更し
て前記平滑コンデンサの充電電圧を制御し、前記DC電
源の電圧が所定値以下にある場合番よ、すべてのスイッ
チを導通すべく構成してあることを特徴とする。
A first invention includes an integral number of series-connected capacitors connected to a DC power source, a plurality of switches for switching the series order of the capacitors, and a smoothing capacitor charged by the capacitor and connected to a load, and the switch In a switched capacitor type DC-DC converter, which charges a capacitor in a discharged state and discharges a capacitor in a charged state to charge the smoothing capacitor each time the series order is changed by switching the capacitor, one end of each of the capacitors is connected. Two switches among the plurality of switches are connected, one end of one switch and one end of a diode among the plurality of switches are connected to the other end, and each other end of the switch and the diode is connected to the other end of the switch and the diode. The charging voltage of the smoothing capacitor is controlled by changing the duty ratio of the switching operation of all the switches, and when the voltage of the DC power supply is below a predetermined value, It is characterized in that all the switches are configured to be conductive.

第2発明は、前記DC電源からスイッチに至る回路途中
にインダクタンスが介装され、DC電源にコンデンサを
並列接続すべく構成してあることを特徴とする。
A second invention is characterized in that an inductance is interposed in the circuit from the DC power source to the switch, and a capacitor is connected in parallel to the DC power source.

〔作用〕[Effect]

第1発明では、複数のスイッチのスイッチング動作によ
りコンデンサの直列接続状態が切換わる。
In the first invention, the series connection state of the capacitors is changed by the switching operation of the plurality of switches.

コンデンサの直列接続状態が切換わる都度、放電してい
るコンデンサがDC電源で充電され、充電しているコン
デンサが放電して平滑コンデンサが充電される。平滑コ
ンデンサの充電電圧を負荷へ与える。DC電源の電圧が
高い場合はすべてのスイッチが同時にオンしない範囲で
スイッチング動作のデユーティ比を制御する。DC電源
の電圧が所定値以下の場合はすべてのスイッチを同時に
オンさせる。
Each time the series connection state of the capacitors is switched, the discharging capacitor is charged by the DC power supply, the charging capacitor is discharged, and the smoothing capacitor is charged. Apply the charging voltage of the smoothing capacitor to the load. When the voltage of the DC power supply is high, the duty ratio of the switching operation is controlled to the extent that all switches are not turned on at the same time. If the voltage of the DC power supply is below a predetermined value, all switches are turned on at the same time.

これによりDC電源の電圧が低下すると、DC電源の電
圧を負荷へ直接与え得る。
As a result, when the voltage of the DC power supply decreases, the voltage of the DC power supply can be applied directly to the load.

第2発明では、複数のスイッチのスイッチング動作によ
りコンデンサの接続状態が切換わる。コンデンサの接続
状態が切換わる都度、放電しているコンデンサがDC電
源で充電され、充電しているコンデンサが放電して平滑
コンデンサが充電される。平滑コンデンサの充電電圧を
負荷へ与える。
In the second invention, the connection state of the capacitor is changed by the switching operation of the plurality of switches. Each time the connection state of the capacitor is switched, the discharging capacitor is charged by the DC power supply, the charging capacitor is discharged, and the smoothing capacitor is charged. Apply the charging voltage of the smoothing capacitor to the load.

DC電源の電圧が高い場合はすべてのスイッチが同時に
オンしない範囲でスイッチング動作のデユーティ比を制
御する。DC電源の電圧が所定値以下の場合はすべての
スイッチを同時にオンさせる。インダクタンスはスイッ
チの入力電圧を低下させる。
When the voltage of the DC power supply is high, the duty ratio of the switching operation is controlled to the extent that all switches are not turned on at the same time. If the voltage of the DC power supply is below a predetermined value, all switches are turned on at the same time. Inductance reduces the input voltage of the switch.

これにより、DC電源の電圧が低下すると、DC電源の
電圧を負荷へ直接与え得、またスイッチのスイッチング
損失が低下する。
Thereby, when the voltage of the DC power supply decreases, the voltage of the DC power supply can be applied directly to the load, and the switching losses of the switch are reduced.

〔実施例〕〔Example〕

以下本発明をその実施例を示す図面によって詳述する。 The present invention will be described in detail below with reference to drawings showing embodiments thereof.

第1図は本発明に係るDC−DCコンバータの回路図で
ある。電圧入力端子jl+  t2間には例えばバッテ
リからなる入力電源たるDC(直流)電源10が接続さ
れている。−側型圧入力端子1.は半導体スイッチから
なるスイッチ1,2の直列回路を介して一側電圧出力端
子tooと接続されており、他側電圧入力端子t2は他
側電圧出力端子t2゜と直接接続されている。前記スイ
ッチ2にはコンデンサC1とダイオード4との直列回路
が並列接続されており、コンデンサCI とダイオード
4との接続中間点は半導体スイッチからなるスイッチ3
を介して他側入力端子t2と接続されている。他側電圧
入力端子t2は半導体スイッチからなるスイッチ7とダ
イオード8との直列回路を介して前記−制電圧出力端子
t、。と接続されており、ダイオード8にはコンデンサ
C2と半導体スイッチからなるスイッチ6との直列回路
が並列接続されている。そしてスイッチ6とコンデンサ
C2との接続中間点は、半導体スイッチからなるスイッ
チ5を介して前記−側型圧入力端子1.と接続されてい
る。また−制電圧出力端子t、。と他側電圧出力端子t
2゜との間に平滑コンデンサC3が接続されており、更
にこの両電圧出力端子t1゜、t2゜間には出力側イン
ダクタンスL0と負荷11との直列回路を介装させてお
り、負荷11に出力側コンデンサC0が並列接続されて
いる。
FIG. 1 is a circuit diagram of a DC-DC converter according to the present invention. A DC (direct current) power source 10, which is an input power source made of, for example, a battery, is connected between the voltage input terminals jl+t2. − side press-fit terminal 1. is connected to one side voltage output terminal too through a series circuit of switches 1 and 2 made up of semiconductor switches, and the other side voltage input terminal t2 is directly connected to the other side voltage output terminal t2°. A series circuit of a capacitor C1 and a diode 4 is connected in parallel to the switch 2, and a switch 3 made of a semiconductor switch is connected at the midpoint between the capacitor CI and the diode 4.
It is connected to the other side input terminal t2 via. The other side voltage input terminal t2 is connected to the -control voltage output terminal t through a series circuit of a switch 7 made of a semiconductor switch and a diode 8. A series circuit of a capacitor C2 and a switch 6 made of a semiconductor switch is connected in parallel to the diode 8. The connection intermediate point between the switch 6 and the capacitor C2 is connected to the negative side pressure input terminal 1 through the switch 5 which is a semiconductor switch. is connected to. Also - a control voltage output terminal t,. and the other side voltage output terminal t
A smoothing capacitor C3 is connected between the two voltage output terminals t1° and t2°, and a series circuit of the output inductance L0 and the load 11 is interposed between the two voltage output terminals t1° and t2°. Output side capacitor C0 is connected in parallel.

前記スイッチ1,5には例えばPチャネルMO3PET
を使用しており、スイッチ2,3.6.7には例えばN
チャネルMO3−FETを使用している。
For example, the switches 1 and 5 are P-channel MO3PET.
For example, N is used for switches 2, 3, 6, and 7.
Channel MO3-FET is used.

スイッチ1,6.7にはそれをスイッチングさせるため
のクロック信号φ8を、スイッチ2,35にはそれをス
イッチングさせるクロック信号φ5を夫々図示しないク
ロック信号発生部から与える。
The switches 1 and 6.7 are supplied with a clock signal φ8 for switching them, and the switches 2 and 35 are supplied with a clock signal φ5 for switching them from a clock signal generating section (not shown).

このクロック信号φ3.φ、は第2図に示すように、互
いに位相が180 ’ずれたものとなっている。
This clock signal φ3. As shown in FIG. 2, the phases φ and φ are 180' out of phase with each other.

またクロック信号φ3.φ、の時間幅は、入力電圧v8
が所定値以上にあると両クロック信号φ3゜φ、が同時
に出力されない範囲で出力電圧V。に応じて変化するよ
うになっている。
Also, the clock signal φ3. The time width of φ is the input voltage v8
When is above a predetermined value, the output voltage V is within the range in which both clock signals φ3゜φ are not output simultaneously. It is designed to change depending on the

更に、入力電圧■1が低下し所定値以下に達した場合に
は、両クロック信号φ1.φ、が一時的に同時にオンす
るようになっている。そして、スイッチ1,2,3,5
.6.7の夫々のスイッチングのデユーティ比を制御す
ることにより出力電圧を定電圧になし得るようになって
いる。
Furthermore, when the input voltage ■1 decreases and reaches a predetermined value or less, both clock signals φ1. φ, are temporarily turned on at the same time. And switch 1, 2, 3, 5
.. By controlling the duty ratio of each switching of 6.7, the output voltage can be made constant.

次にこのように構成したDC−DCコンバータの動作を
第1図乃至第7図により説明する。
Next, the operation of the DC-DC converter configured as described above will be explained with reference to FIGS. 1 to 7.

[IC−ncコンバータの仕様が入力電圧V、が12V
、出力電圧V。が5■であり、いま、要求される入力電
圧の許容範囲を7〜16Vとする。入力電圧■1がスイ
ッチ1,2,3,5.6.7の電圧降下分を無視してI
OV以上であると、スイッチ1,23.5,6.7に与
えるクロック信号φ1.φ。
[The specifications of the IC-nc converter are input voltage V and 12V.
, output voltage V. is 5■, and the required input voltage tolerance range is now 7 to 16V. The input voltage ■1 is I, ignoring the voltage drops of switches 1, 2, 3, 5, 6, and 7.
OV or more, the clock signal φ1. φ.

の時間幅を変化させるPWM (パルス幅変調)制御を
することにより、5■の出力電圧V0が安定して得られ
るようになっている。即ち、入力電圧V。
By performing PWM (Pulse Width Modulation) control that changes the time width of , an output voltage V0 of 5cm can be stably obtained. That is, the input voltage V.

がIOV以上である場合には、スイッチ1,67と、ス
イッチ2,3.5とが交互にスイッチング動作する。そ
してコンデンサC2が既に電位差5Vで充電されており
、コンデンサC1が放電を完了しているとして、スイッ
チ1.6.7がオン状態、スイッチ2.3.5がオフ状
態になると第3図に示す等何回路となる。そしてコンデ
ンサCへの入力電流■、はスイッチ1のオン抵抗R1、
コンデンサC1、ダイオード4、スイッチ6のオン抵抗
R4及びスイッチ7のオン抵抗R1を通って流れる。ま
たコンデンサC2の放電電流は、スイッチ6のオン抵抗
Rh、平滑コンデンサc3及びスイッチ7のオン抵抗R
7を通って流れる。それによりコンデンサC4は電位差
V、−V0 (=115=7V)で充電される一方、コ
ンデンサc2からは放電によって平滑コンデンサc3及
び負荷11ヘエネルギーが供給される。
is greater than or equal to IOV, switches 1 and 67 and switches 2 and 3.5 alternately perform switching operations. Assuming that capacitor C2 has already been charged with a potential difference of 5V and capacitor C1 has completed discharging, switch 1.6.7 is in the on state and switch 2.3.5 is in the off state, as shown in FIG. etc. How many circuits are there? And the input current to the capacitor C is the on-resistance R1 of the switch 1,
The current flows through the capacitor C1, the diode 4, the on-resistance R4 of the switch 6, and the on-resistance R1 of the switch 7. Further, the discharge current of the capacitor C2 is determined by the on-resistance Rh of the switch 6, the on-resistance R of the smoothing capacitor c3, and the on-resistance R of the switch 7.
It flows through 7. As a result, capacitor C4 is charged with a potential difference V, -V0 (=115=7V), while energy is supplied from capacitor c2 to smoothing capacitor c3 and load 11 by discharging.

次にスイッチI、6.7がオフ状態、スイッチ2.3.
5がオン状態になると第4図に示す等何回路となる。そ
してコンデンサc2の入力電流I。
Next, switch I, 6.7 is in the off state, switch 2.3.
When 5 is turned on, a circuit such as that shown in FIG. 4 is formed. and the input current I of capacitor c2.

はスイッチ5のオン抵抗R5、コンデンサc2、ダイオ
ード8、スイッチ2のオン抵抗R2、コンデンサC1及
びスイッチ3のオン抵抗R3を通って流れる。またコン
デンサc1の放電電流はスイッチ2のオン抵抗R2、平
滑コンデンサC2及びスイッチ3のオン抵抗R8を通っ
て流れる。それにより、コンデンサC2は前記同様に充
電される一方、コンデンサCIからは放電によって平滑
コンデンサC3及び負荷11ヘエネルギーを供給する。
flows through the on-resistance R5 of the switch 5, the capacitor c2, the diode 8, the on-resistance R2 of the switch 2, the capacitor C1, and the on-resistance R3 of the switch 3. Further, the discharge current of the capacitor c1 flows through the on-resistance R2 of the switch 2, the smoothing capacitor C2, and the on-resistance R8 of the switch 3. As a result, capacitor C2 is charged in the same manner as described above, while capacitor CI supplies energy to smoothing capacitor C3 and load 11 by discharging.

なお、スイッチ1,2,3,5,6.7がともにオフ状
態になると第5図に示す等何回路となり、平滑コンデン
サC3のみから負荷11ヘエネルギーを供給する。この
ようなスイッチ動作が第2図に示すクロック信号φ8.
φ、の周波数で繰り返されることにより、第3図、第5
図、第4図の等何回路の順序で負荷11ヘエネルギーが
継続して供給される。
Incidentally, when the switches 1, 2, 3, 5, and 6.7 are all turned off, the circuit becomes as shown in FIG. 5, and energy is supplied to the load 11 only from the smoothing capacitor C3. Such a switch operation generates the clock signal φ8. shown in FIG.
By repeating at the frequency of φ, Figs. 3 and 5
Energy is continuously supplied to the load 11 in the order of the circuits shown in FIGS.

ここで、平滑コンデンサC3はコンデンサCI+02か
ら供給されるエネルギーがクロック信号の周波数あるい
はスイッチのスイッチング動作による高周波で生じる電
圧変動を平滑化する。そして出力電圧V0はスイッチ1
,2,3,5,6.7のオン時間が一定であると、負荷
11の変動に応じて変化する。
Here, the smoothing capacitor C3 smoothes voltage fluctuations caused by the energy supplied from the capacitor CI+02 at high frequencies due to the frequency of the clock signal or the switching operation of the switch. And the output voltage V0 is switch 1
, 2, 3, 5, and 6.7 are constant, they change according to fluctuations in the load 11.

そこで、出力電圧■。を安定化するために第2図に破線
で示すようにクロック信号φ3.φ、の時間幅T。Nを
変化させて、そのデユーティ比T。N/T(TON・・
・オン状態の時間、T・・・周期)を出力電圧v0に応
じて制御するPWM制御を行っている。つまり、高負荷
時には破線で示す如くデユーティ比を大きく、低負荷時
には実線で示す如く小さくして、コンデンサC+ 、C
zの充電電圧が制御されて出力電圧V、が一定に保持さ
れる。
Therefore, the output voltage ■. In order to stabilize the clock signal φ3. as shown by the broken line in FIG. The time width T of φ. By changing N, its duty ratio T. N/T (TON...
- PWM control is performed to control the on-state time (T...period) according to the output voltage v0. In other words, when the load is high, the duty ratio is increased as shown by the broken line, and when the load is low, the duty ratio is decreased as shown by the solid line, and the capacitors C+ and C
The charging voltage of z is controlled and the output voltage V is held constant.

このように、このDC−DCコンバータはPIIM制御
により制御される電圧分は別にして、入力電圧V。
In this way, this DC-DC converter has an input voltage of V, apart from the voltage controlled by PIIM control.

をコンデンサC,,C,で分圧して出力電圧V。is divided by capacitors C,,C, to output voltage V.

を得ているから、入出力比が2:1となっている。Therefore, the input/output ratio is 2:1.

さて、入力電圧v8が例えば9vになった場合は、前述
したように出力電圧V。が低下して5Vを保持できなく
なるが、出力電圧V。が所定値以下になった場合には第
7図に示すようにクロック信号φ4.φ、の時間幅T。
Now, when the input voltage v8 becomes, for example, 9V, the output voltage V as mentioned above. The output voltage V decreases and cannot be maintained at 5V. is below a predetermined value, the clock signal φ4. The time width T of φ.

Nがともに広くなるように制御されて、そのクロック信
号φ□、φ、により、スイッチ1,2,3,5,6.7
が一時的に同時にオンするようにスイッチング動作する
Switches 1, 2, 3, 5, 6.7 are controlled so that both N are wide, and the clock signals φ
Switching is performed so that both are temporarily turned on at the same time.

そしてスイッチ1,2.3,5.6.7が同時にオン状
態になると第6図に示す等何回路となる。
When switches 1, 2.3, 5.6.7 are turned on at the same time, the circuit shown in FIG. 6 is formed.

それによりDC電源10からスイッチ1のオン抵抗R1
、コンデンサC1及びスイッチ3のオン抵抗R3を通っ
てコンデンサC1に充電電流が流れ、またスイッチ50
オン抵抗Rs、コンデンサC2及びスイッチ7のオン抵
抗R1を通ってコンデンサc2に充電電流が流れる。更
にDC電源10はスイ・7チ12のオン抵抗R+、Rz
を介して平滑コンデンサC3及び負荷11と接続される
ことになり、DC電源10からコンデンサC,,C2の
充電電流と負荷11への電流との和の入力電流■、が流
れる。
As a result, from the DC power supply 10 to the on-resistance R1 of the switch 1
, a charging current flows to the capacitor C1 through the capacitor C1 and the on-resistance R3 of the switch 3, and the charging current flows to the capacitor C1 through the on-resistance R3 of the switch 50.
A charging current flows through the on-resistance Rs, the capacitor C2, and the on-resistance R1 of the switch 7 to the capacitor c2. Furthermore, the DC power supply 10 has on-resistances R+ and Rz of the switch/7 switch 12.
It is connected to the smoothing capacitor C3 and the load 11 via the DC power supply 10, and an input current (2), which is the sum of the charging current of the capacitors C, C2 and the current to the load 11, flows from the DC power supply 10.

そして第7図に示す期間S−、Sb 、Sc、Saにお
いては夫々の期間の等価回路は第6図、第3図、第6図
、第4図となる。それ故、期間Sllにおける第6図の
等価回路では、DC電源10から負荷11及び平滑コン
デンサC3へ電流が流れて、出力電圧v0が5Vの状態
となる。即ちコンデンサC1゜C2の正側電圧VC++
  ■Cmは、Vc+−Vcz      −(11 =■。+R2・ (Vi−V。)/ (R+ +R2)
・・・(2)= (R6・V4 +Rs  ・Vo )
/ (Rs +Rh )>V。
In the periods S-, Sb, Sc, and Sa shown in FIG. 7, the equivalent circuits of the respective periods are shown in FIGS. 6, 3, 6, and 4. Therefore, in the equivalent circuit of FIG. 6 during the period Sll, current flows from the DC power supply 10 to the load 11 and the smoothing capacitor C3, and the output voltage v0 becomes 5V. In other words, the positive side voltage VC++ of capacitor C1゜C2
■Cm is Vc+-Vcz-(11=■.+R2・(Vi-V.)/(R++R2)
...(2) = (R6・V4 +Rs・Vo)
/ (Rs +Rh)>V.

=5      ・・・(3) となる。ところでスイッチ1,5に用いているPチャネ
ル半導体スイッチのオン抵抗は、スイッチ2.3.6.
7に用いているNチャネル半導体スイッチのオン抵抗に
比べて大きい。
=5...(3) By the way, the on-resistance of the P-channel semiconductor switch used for switches 1 and 5 is as follows for switches 2.3.6.
This is larger than the on-resistance of the N-channel semiconductor switch used in No. 7.

そのため第3図の等価回路におけるコンデンサC8の正
側電圧■、はスイッチ1のオン抵抗を無視すると Vs −Vc+ + VC2> 2 VO=10> V
i  ・・・(41となる。したがって、正側電圧V、
がDC電源10の電圧より高り、DC電源10から入力
電流1.は流れない。またダイオード4によりコンデン
サC1C2からDC電源10側へ電流が阻止される。即
ち、コンデンサC2が負荷11側へ放電することによっ
てコンデンサC,,C,の直列回路の端子電圧■。
Therefore, the positive side voltage of capacitor C8 in the equivalent circuit of FIG.
i...(41) Therefore, the positive side voltage V,
is higher than the voltage of the DC power supply 10, and the input current from the DC power supply 10 is 1. does not flow. Furthermore, the diode 4 blocks current from flowing from the capacitor C1C2 to the DC power supply 10 side. That is, as the capacitor C2 discharges to the load 11 side, the terminal voltage of the series circuit of the capacitors C, , C, and so on increases.

が低下して入力電圧V、より低下するまでDC電源10
から電流が流れない。このように、入力電圧V。
DC power supply 10 until the input voltage V decreases and the input voltage V decreases.
No current flows from. Thus, the input voltage V.

がIOV以上の場合は前述したように第2図に示すクロ
ック信号φ、、φ、及び第3図に示す等価回路により電
流が供給され、入力電圧V、が所定値以下に低下してい
る場合には第2図及び第3図に示す状態ではDC電源1
0側からは電流が遮断された状態となる。
If is greater than IOV, as described above, current is supplied by the clock signals φ, φ shown in FIG. 2 and the equivalent circuit shown in FIG. In the state shown in Figures 2 and 3, the DC power supply 1
From the 0 side, the current is cut off.

第7図はクロック信号φ3.φ、と、スイッチ入力側電
圧VX、入力電流I8、出力電圧v0の関係を示すタイ
ミングチャートである。この図がら明らかなようにクロ
ック信号φ3.φ、が同時に出力されている期間S、及
びScは入力電流■。
FIG. 7 shows the clock signal φ3. 3 is a timing chart showing the relationship between φ, switch input side voltage VX, input current I8, and output voltage v0. As is clear from this figure, the clock signal φ3. The period S and Sc during which φ and φ are simultaneously output is the input current ■.

が流れ、それにより、コンデンサC+、Cxが充電され
るとともに負荷11にDC電源10の電圧が直接に加わ
って出力電圧■。が上昇する。
flows, and as a result, the capacitors C+ and Cx are charged, and the voltage of the DC power supply 10 is directly applied to the load 11, resulting in an output voltage ■. rises.

そしてクロック信号φ3.φ5の前縁及び後縁の時点で
入力電圧V、及び出力電圧V。にスパイクノイズが生じ
るが、出力側インダクタンスL0と、出力側コンデンサ
C8とによる平滑回路により吸収されて、負荷11には
リップル及びスパイクノイズが少ない直流電圧が供給さ
れる。
and clock signal φ3. Input voltage V and output voltage V at the leading and trailing edges of φ5. Although spike noise occurs, it is absorbed by the smoothing circuit including the output inductance L0 and the output capacitor C8, and the load 11 is supplied with a DC voltage with less ripple and spike noise.

これにより許容入力電圧範囲を拡大することができる。This makes it possible to expand the allowable input voltage range.

また入力電圧■、が所定値以上又は所定値以下のいずれ
の場合にも、クロック信号φ3φあの時間幅を変更する
スイッチングモードで出力電圧■。の安定化を図るから
、クロック信号φ3゜φゎの制御動作が共通して簡単に
なる。更に入力電圧Viが低下したときにスイッチング
動作させる別個のブースタ用スイッチを設ける必要もな
く、スイッチの数が増加しない。
In addition, when the input voltage (■) is greater than or equal to a predetermined value or less than a predetermined value, the output voltage (■) is set in a switching mode that changes the time width of the clock signal φ3φ. Since the stabilization of the clock signal φ3゜φゎ is achieved, the control operation of the clock signal φ3゜φゎ becomes common and simple. Furthermore, there is no need to provide a separate booster switch for switching when the input voltage Vi decreases, and the number of switches does not increase.

第8図は第2発明に係るDC−DCコンバータの回路図
である。電圧入力端子1..12間に入力端コンデンサ
C8を介装しており、電圧入力端子1゜とスイッチ1及
び5との間に入力側インダクタンスし、を介装させてい
る。そして、その他の回路構成は第1図に示した回路と
同様となっている。
FIG. 8 is a circuit diagram of a DC-DC converter according to the second invention. Voltage input terminal 1. .. An input end capacitor C8 is interposed between the voltage input terminal 1 and the switches 1 and 5, and an input inductance is interposed between the voltage input terminal 1 and the switches 1 and 5. The other circuit configuration is the same as the circuit shown in FIG.

そしてこのDC−DCコンバータは、第1図に示したD
C−DCコンバータのスイッチのスイッチング動作と同
様のスイッチング動作する。
This DC-DC converter is the D
The switching operation is similar to that of a switch in a C-DC converter.

しかし乍ら、スイッチ1,6.7または2,3゜5がオ
ンして入力電流■、が流れた場合には、入力側インダク
タンスの出力側、即ちスイッチ1及び5の入力側電圧v
gが低下する。そのため同一入力端子に対しては第9図
に示している期間S3゜Scの時間が長くなっている。
However, when switches 1, 6.7 or 2, 3.5 are turned on and input current 2 flows, the output side of the input inductance, that is, the input side voltage v of switches 1 and 5.
g decreases. Therefore, the period S3°Sc shown in FIG. 9 is longer for the same input terminal.

そして期間Sb。And period Sb.

S、から期間Sc、S、に変化する時点にDC電源10
から入力電流■、が急に流れようとするが、入力電流I
、により入力側インダクタンスL1に逆電圧VX、が発
生し、スイッチ1.5の入力側電圧v7!は、 VZ=V□−■18   ・・・(5)となる。このよ
うにスイッチの入力側電圧Vlが低下した場合にはスイ
ッチにおける電圧降下が城少しスイッチング損失が減少
することになる。
When the DC power supply 10 changes from S, to period Sc,S,
The input current ■, suddenly tries to flow from , but the input current I
, a reverse voltage VX is generated on the input side inductance L1, and the input side voltage v7 of the switch 1.5! is VZ=V□−■18 (5). When the input voltage Vl of the switch is reduced in this way, the voltage drop at the switch is suppressed and the switching loss is reduced.

ここで、入力電圧■1を12V、出力電圧V。を5Vと
すると電力伝送効率eは、 e = 5 / (12/2) xloo =83.3
%  ・・・(6)となり、入力電圧が所定値以上にあ
る場合は高い電力伝送効率が得られる。
Here, the input voltage (1) is 12V, and the output voltage is V. When is 5V, the power transmission efficiency e is: e = 5 / (12/2) xloo = 83.3
% (6), and when the input voltage is above a predetermined value, high power transmission efficiency can be obtained.

ところで、入力電圧■、が10V以下に低下した場合に
は、第6図に示す等価回路によりDC電源10から負荷
11ヘエネルギーが供給されるが、これはシリーズレギ
ュレータとしての回路であるから、例えば入力電圧V、
を9V、出力電圧V。を5vとすると電力伝送効率eは
、 e =5/9 X100 =55.6%   ・・・(
7)となり、入力電圧■、がIOV以下になった場合に
は電力伝送効率が低下する。
By the way, when the input voltage (2) drops below 10V, energy is supplied from the DC power supply 10 to the load 11 by the equivalent circuit shown in FIG. 6, but since this is a series regulator circuit, for example, input voltage V,
9V, output voltage V. When is 5V, the power transmission efficiency e is: e = 5/9 X100 = 55.6%...(
7), and when the input voltage {circle around (2)} becomes less than IOV, the power transmission efficiency decreases.

つまり、電力伝送効率eは、 e=V。/Vi X100   ・・・(8)で表し得
るから、入力側インダクタンスL1を設けたことにより
スイッチ入力側電圧vlを低下させ得て、常に高い電力
伝送効率が得られる。
In other words, the power transfer efficiency e is: e=V. /Vi

第9図はこのDC−DCコンバータにおけるクロック信
号φ1.φ、とスイッチ入力側電圧■βと、充電電流I
、との関係を示すタイミングチャートである。クロック
信号φ3またはφ、が与えられてスイッチ1.6.7ま
たは2.3.5がオンすると入力電流I、が流れて、入
力側インダクタンスL1の出力側、即ちスイッチ1.5
の入力側電圧VZが低下する。一方、入力電流I、は入
力側コンデンサC8により平滑されて第7図に示すピー
ク値より低い滑らかな波形となる。このように第2発明
によれば、第1発明と同様に許容入力電圧範囲を拡大す
ることができるとともに、スイッチのスイッチング損失
を低減して、常に高い電力伝送効率を得ることができる
FIG. 9 shows the clock signal φ1. in this DC-DC converter. φ, switch input voltage ■β, and charging current I
, is a timing chart showing the relationship between . When the clock signal φ3 or φ is applied and the switch 1.6.7 or 2.3.5 is turned on, the input current I flows to the output side of the input inductance L1, that is, the switch 1.5.
The input side voltage VZ decreases. On the other hand, the input current I is smoothed by the input capacitor C8 and has a smooth waveform lower than the peak value shown in FIG. As described above, according to the second invention, as in the first invention, it is possible to expand the allowable input voltage range, reduce the switching loss of the switch, and always obtain high power transmission efficiency.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上詳述したように、第1.第2発明によれば、入力電
圧が所定値以上又は以下のいずれの場合にもスイッチの
スイッチングモードを同様のモードで行え、スイッチン
グ制御が簡単になる。また入力電圧の低下による出力電
圧の低下を、ブースタ用スイッチ等の別個のスイッチを
設けずに、許容入力電圧範囲を拡大できる。
As detailed above, 1. According to the second invention, the switching mode of the switch can be performed in the same mode regardless of whether the input voltage is above or below a predetermined value, and switching control becomes simple. Furthermore, the allowable input voltage range can be expanded to prevent a decrease in output voltage due to a decrease in input voltage without providing a separate switch such as a booster switch.

また第2発明では、DC電源の電圧が所定値以下になっ
た場合に電力伝送効率が低下するのを防ぎ得る等の効果
を奏し、高倍転性、高効率のDC−DCコンバータを提
供できる。
Further, the second invention has effects such as being able to prevent the power transmission efficiency from decreasing when the voltage of the DC power supply becomes lower than a predetermined value, and can provide a high multiplier and high efficiency DC-DC converter.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は第1発明に係るDC−DCコンバータの回路図
、第2図はクロック信号の波形図、第3図、第4図、第
5図及び第6図はその[lC−DCコンバータの動作に
対応する等価回路図、第7図はクロック信号、スイッチ
入力側電圧、入力電流、出力電圧のタイミングチャート
、第8図は第2発明に係るDC−DCコンバータの回路
図、第9図はそのDCDCコンバークのクロック信号、
スイッチ入力側電圧、入力電流のタイミングチャートで
ある。 1 2.3,5,6.7・・・スイッチ4.8・・・ダ
イオード 10・・・DC電源 11・・・負荷C+、
Cw・・・コンデンサ C3・・・平滑コンデンサL、
・・・入力側インダクタンス C8・・・入力側コンデンサ Lo・・・出力側インダ
クタンス C0・・・出力側コンデンサ 特 許 出願人
FIG. 1 is a circuit diagram of the DC-DC converter according to the first invention, FIG. 2 is a waveform diagram of a clock signal, and FIGS. An equivalent circuit diagram corresponding to the operation, FIG. 7 is a timing chart of the clock signal, switch input side voltage, input current, and output voltage, FIG. 8 is a circuit diagram of the DC-DC converter according to the second invention, and FIG. 9 is The clock signal of the DCDC converter,
It is a timing chart of switch input side voltage and input current. 1 2.3, 5, 6.7...Switch 4.8...Diode 10...DC power supply 11...Load C+,
Cw...Capacitor C3...Smoothing capacitor L,
...Input side inductance C8...Input side capacitor Lo...Output side inductance C0...Output side capacitor Patent Applicant

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、DC電源に接続される直列接続の整数個のコンデン
サと、該コンデンサの直列順序を切換える複数のスイッ
チと、前記コンデンサにより充電され負荷が接続される
平滑コンデンサとを備え、前記スイッチをスイッチング
動作させて前記直列順序を切換える都度、放電状態のコ
ンデンサを充電し、充電状態のコンデンサを放電させて
前記平滑コンデンサを充電せしめるスイッチトキャパシ
タ形のDC−DCコンバータにおいて、 前記コンデンサ夫々の一端に前記複数のスイッチのうち
の2個のスイッチが接続され、他端に前記複数のスイッ
チのうちの1個のスイッチ及びダイオードの各一端が接
続されていて、該スイッチ及びダイオードの各他端が前
記平滑コンデンサの一端及び他端と各接続されており、
すべてのスイッチのスイッチング動作のデューティ比を
変更して前記平滑コンデンサの充電電圧を制御し、前記
DC電源の電圧が所定値以下にある場合は、すべてのス
イッチを導通すべく構成してあることを特徴とするDC
−DCコンバータ。 2、前記DC電源からスイッチに至る回路途中にインダ
クタンスが介装され、DC電源にコンデンサを並列接続
すべく構成してあることを特徴とする請求項1記載のD
C−DCコンバータ。
[Claims] 1. A device comprising: an integral number of series-connected capacitors connected to a DC power supply; a plurality of switches for switching the series order of the capacitors; and a smoothing capacitor charged by the capacitors and connected to a load. , a switched capacitor type DC-DC converter that charges a capacitor in a discharged state and discharges a capacitor in a charged state to charge the smoothing capacitor each time the series order is changed by switching the switch, each of the capacitors Two switches of the plurality of switches are connected to one end, one end of one of the switches and one end of a diode are connected to the other end, and each other of the switch and the diode is connected to the other end. the ends are respectively connected to one end and the other end of the smoothing capacitor,
The charging voltage of the smoothing capacitor is controlled by changing the duty ratio of the switching operation of all the switches, and when the voltage of the DC power supply is below a predetermined value, all the switches are configured to conduct. Featured DC
-DC converter. 2. D according to claim 1, characterized in that an inductance is interposed in the circuit from the DC power source to the switch, and a capacitor is connected in parallel to the DC power source.
C-DC converter.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003528560A (en) * 2000-03-22 2003-09-24 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ イリノイ Dynamically controlled and uniquely regulated charge pump power converter
JP2007305407A (en) * 2006-05-11 2007-11-22 Nec Saitama Ltd Engaging structure of u-shaped metal fitting, and electronic apparatus

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