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» 2017年11月13日 11時00分 公開

DC-DCコンバーター活用講座(8) 電力安定化(8):DC-DCコンバーターの効率と2種類のPWM制御モード (2/3)

[Steve Roberts(RECOM),EDN Japan]

PWMレギュレーション技術 ―― 電圧制御と電流制御

 PWMには2つの基本的なタイプがあります。両者の違いは、帰還の方法と使用する制御変数にあります。1つの制御方法が電圧制御(電圧モード)で、この場合、デューティサイクルδは実際の電圧と基準電圧の差に比例します。電流制御(電流モード)におけるデューティサイクルδは、基準電圧からの偏差と、非絶縁トポロジーのパワースイッチに流れる電流、または絶縁コンバーターの1次側電流に対応する電圧に比例します。

 定電圧レギュレーターは負荷電圧の変化にだけ反応し、それに応じてデューティサイクルを調整します。これは、負荷電流または入力電圧を直接測定するわけではないので、負荷電流または入力電圧の変化による影響が負荷電圧に出るのを待たなければなりません。この遅延はスイッチングレギュレーターの制御特性に影響するので、安定するまでにはいくつかのクロック周期を必要とします。したがって、オーバーシュートが発生したり出力電圧が不安定になったりするのを防ぐために、制御ループを補正する必要があります。

図1:電圧モードPWMコントローラーのブロック図 出典:RECOM(クリックで拡大)

 標準的な電圧モードPWMコントローラーを図1に示します。この回路において、A1はエラーアンプ、A2はPWMコンパレーター、A3はパワースイッチ制御用のインタフェースとして使用するオプションの出力ドライバーです。ランプジェネレーターは周期的ランプ電圧VOSCを生成します。この電圧は、クロックサイクル開始時のゼロから終了時の最大デューティサイクルに対応する値まで、直線的に増加します。エラーアンプA1は、温度補正された高精度の電圧レファレンスと、DC-DCコンバーター出力電圧の分圧値VFB= VOUTR2/(R1+R2)の差を測定します。

 エラーアンプA1の出力電圧VFは、レファレンス電圧VREFと出力電圧の分圧値VFBの差に比例します。各クロックサイクル開始時にVFBがVREFよりも低い場合は、エラーアンプの出力電圧がハイになります。出力電圧が上昇すると、VFは上昇中のVOSC電圧と交差するまで減少します。交差時点でA2はローになり、サイクルが終了するまでその状態が保たれます。したがって、DC-DCコンバーターの出力電圧とデューティサイクルは反比例の関係にあります。制御ループが負帰還の場合は安定状態です。

 電圧モードPWMコントローラーは、オーバーシュートした後に過大な修正を行うことで再度アンダーシュートし、出力電圧が常に目標レベルの上下を往復する可能性があります。したがって、この「ハンチング」動作(乱調)を停止させるために、多くの場合は帰還応答を意図的に遅らせます。欠点は、これによってコンバーターの応答が遅れ、負荷電圧や入力電圧が突然変化することです。

 ステップ応答(過渡応答)に対する応答時間を短縮するためにPWM制御の迅速な応答が求められる場合は、代わりに電流制御(電流モード制御)を使用してこの欠点を補うことができます。

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