降圧形dc-dcコンバータにおける 出力インピーダン …...2017/03/03 ·...
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第７回電気学会東京支部栃木・群馬支所合同研究発表会
降圧形DC-DCコンバータにおける出力インピーダンスを用いたループゲイン測定法の研究
群馬大学大学院理工学府
理工学専攻電子情報・数理領域
小林研究室 博士後期課程3年 築地伸和
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アウトライン
• 研究背景・目的
• 提案方法によるループゲイン測定原理
• シミュレーション結果
• 実機評価結果
• まとめ
2
アウトライン
• 研究背景・目的
• 提案方法によるループゲイン測定原理
• シミュレーション結果
• 実機評価結果
• まとめ
3
研究背景
• 電源回路とは？
– 各負荷に必要な電圧に変換・安定供給するための回路
– 電子機器の動作に電源回路は必須
4
♫ ~
DC/DC
DC/DC
DC/DC
Display
Audio
CPU
電源回路 アプリケーション
AC/DC
電源回路の安定性評価
• 電源回路は負帰還制御⇒安定性評価が重要
• 安定性の評価指標
–位相余裕・利得余裕
5
A
β
Log f
Log f
利得余裕
位相余裕
Gain
|Aβ
| dB
Phase
∠A
β
+
-
Loop Gain T = Aβ
𝒗𝒓𝒆𝒇 𝒗𝒐0dB
180deg
代表的なループゲイン測定法
• 電圧注入法
6
A
β
𝒗𝒐
𝒗𝒈
𝒗𝒐′
|𝑻| =𝒗𝒐
𝒗𝒐′= 𝑨𝜷
+
-Loop Gain T
電圧注入法の問題点
帰還回路に信号源の注入が必要
–帰還回路が集積化されている ⇒測定不可
–帰還回路が集積化されていない⇒基板要改造
7
😢
DC-DC converter
load
Error Amp
Ri
(50~100ohm)
FRA (Frequency Response Analyzer)
本研究で提案する測定方法
• 出力インピーダンスによるループゲイン測定法
• 帰還回路への信号源注入は不要
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loa
d
Error Amp
DC-DC converter
Ri Rs
CH1
CH2
OSC
FRA (Frequency Response Analyzer)
出力側のみ用いて測定可能
アウトライン
• 研究背景・目的
• 提案方法によるループゲイン測定原理
• シミュレーション結果
• 実機評価結果
• まとめ
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開ループ降圧DC-DCコンバータ回路図
10
Converter power stage
Load
Transistor
gate driver
Power
input
開ループ伝達関数ブロック図
11
Converter power stage
Duty cycle
variation
Output Voltage
variation
Load current
variation
ac line
variation
∆𝑽𝒐 = 𝑮𝒗𝒅∆𝑫 + 𝑮𝒗𝒊∆𝑽𝒊𝒏 − 𝒁𝒐∆𝑰𝒐
𝒁𝒐 ≡ − ∆𝑽𝒐
∆𝑰𝒐 ∆𝑫=𝟎,∆𝑽𝒊𝒏=𝟎
開ループ出力インピーダンス
閉ループ降圧DC-DCコンバータ回路図
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Sensor
gain
Pulse-width
modulator
Compensator
Reference
input
Converter power stage
Error
signal
Load
Transistor
gate driver
Power
input
閉ループ伝達関数ブロック図
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Error
signal
Sensor gain
Pulse-width
modulatorCompensator
Converter power stage
Reference
input
Duty cycle
variation
Output Voltage
variation
Load current
variation
ac line
variation
Loop gain
∆𝑽𝒐 =𝟏
𝑯
𝑻
𝟏 + 𝑻∆𝑽𝒓𝒆𝒇 +
𝑮𝒗𝒊
𝟏 + 𝑻∆𝑽𝒊𝒏 −
𝒁𝒐
𝟏 + 𝑻∆𝑰𝒐
𝒁𝒐𝒄 ≡ − ∆𝑽𝒐
∆𝑰𝒐 ∆𝑽𝒓𝒆𝒇=𝟎,∆𝑽𝒊𝒏=𝟎
=𝒁𝒐
𝟏 + 𝑻閉ループ
出力インピーダンス
出力インピーダンスによるループゲインの定義
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𝒁𝒐𝒄(𝒔) =𝒁𝒐(𝒔)
𝟏 + 𝑻(𝒔)𝑻 𝒔 =
𝒁𝒐 𝒔 − 𝒁𝒐𝒄 𝒔
𝒁𝒐𝒄 𝒔
𝐚𝐫𝐠 𝑻 = 𝐚𝐫𝐠 𝒁𝒐 − 𝒁𝒐𝒄 − 𝐚𝐫𝐠 𝒁𝒐𝒄
𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠𝟏𝟎 |𝑻| = 𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠𝟏𝟎
𝒁𝒐 − 𝒁𝒐𝒄
𝒁𝒐𝒄利得計算式
位相計算式
アウトライン
• 研究背景・目的
• 提案方法によるループゲイン測定原理
• シミュレーション結果
• 実機評価結果
• まとめ
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従来方法を用いたシミュレーション回路
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Vin
L
Co RL
Error AmpComparator
Saw-Tooth
Generator Vref
VoVsw
R1
R2
AC 1V
Vo
Vo'
D1
Q1
Parameter
Vin 12V
Vo 5V
RL 5Ω
L 120uH
Co 1.2mF x 2
(ESR=40mΩ)
Loop Gain 𝑻 =𝑽𝒐
𝑽𝒐′従来方法
提案方法を用いたシミュレーション回路
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Vin L
Co RL
Error AmpComparator
Saw-Tooth
Generator Vref
VoVsw
D1 Io
R1
R2Vc
SW=On: Zo meas.
SW=Off: Zoc meas.
Q1
Parameter
Vin 12V
Vo 5V
RL 5Ω
L 120uH
Co 1.2mF x 2
(ESR=40mΩ)
Loop Gain 𝑻 =𝒁𝒐−𝒁𝒐𝒄
𝒁𝒐𝒄提案方法
𝒁𝒙 = −∆𝑽𝒐
∆𝑰𝒐
AC負荷
シミュレーション結果
-90
-60
-30
0
30
60
90
10 100 1000 10000 100000
Ph
ase
[d
eg]
Frequency [Hz]
arg(Zo)
arg(Zoc)
0.00001
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10 100 1000 10000 100000
Imp
eda
nce
[o
hm
]
Frequency [Hz]
|Zo|
|Zoc|
-40
-20
0
20
40
60
80
100
10 100 1000 10000 100000
Gain
[d
B]
Frequency [Hz]
Conventional
Proposed
0
30
60
90
120
150
180
10 100 1000 10000 100000
Ph
ase
[d
eg]
Frequency [Hz]
Conventional
Proposed
𝟏
𝟏 + 𝑻
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アウトライン
• 研究背景・目的
• 提案方法によるループゲイン測定原理
• シミュレーション結果
• 実機評価結果
• まとめ
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実機検証
• IC:BD9329A (Rohm社評価基板を使用)
– パワーMOSFET内蔵・同期整流形降圧DC/DC電源
– スイッチング周波数: 380kHz
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実機評価基板
Parameter
Vin 12V
Vo 3.3V
RL 3Ω
L 10uH
Co 10uF x 2
Ri 1Ω
Rs 1kΩ
𝑹𝑳
𝑹𝒊 𝑹𝑺
FRACH1 CH2 OSC
𝒁𝒙 =𝑽𝒄𝒉1
𝑽𝒄𝒉𝟐∙ 𝑹𝒊
実機検証結果
0.001
0.01
0.1
1
10
100 1000 10000 100000 1000000
Imp
eda
nce
[o
hm
]
Frequency [Hz]
|Zo|
|Zoc|
-90
-60
-30
0
30
60
90
100 1000 10000 100000 1000000
Ph
ase
[d
eg]
Frequency [Hz]
arg(Zo)
arg(Zoc)
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100 1000 10000 100000 1000000
Ga
in [
dB
]
Frequency [Hz]
Conventional
Proposed
-180
-120
-60
0
60
120
180
100 1000 10000 100000 1000000
Ph
ase
[d
eg]
Frequency [Hz]
Conventional
Proposed
位相余裕= 90deg
0 dB
𝟏
𝟏 + 𝑻 Fbw=20kHz
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アウトライン
• 研究背景・目的
• 提案方法によるループゲイン測定原理
• シミュレーション結果
• 実機評価結果
• まとめ
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まとめ
• 出力インピーダンスを用いたループゲイン測定方法を提案
–従来：信号源を帰還回路内に要挿入
–提案：信号源を帰還回路内に挿入不要
• 提案方法の測定原理を導出
• シミュレーション結果
• 実機測定結果
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従来方法の結果と一致
質疑応答
• Q1.実機評価の結果で高周波側の結果があっていないようですが、なぜですか？
• A1.スイッチング周波数の半分（ナイキスト周波数）
までは一致しています。ナイキスト周波数を超えた周波数では測定値にあいません。
• Q2.実機評価の結果で低周波側の波形が乱れているのはなぜですか？
• A2.低周波側はループゲインが高いため、出力インピーダンスが数mΩと小さくなり、測定時のS/N比が
悪くなります。したがって、波形が乱れてしまいますが、位相余裕の評価上は問題となりません。
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