JP2010246190A - DC-DC converter and control unit thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】
出力スイッチングトランジスタのリーク電流などによる出力電圧の上昇を効果的に抑制するDC-DCコンバータを提供する。
【解決手段】
入力電圧が供給される入力端子とグランドとの間に直列に接続される第1及び第2のスイッチと,第1及び第2のスイッチの接続ノードと出力端子との間に設けられるインダクタと,出力端子に接続される平滑コンデンサとを有するDC-DCコンバータにおいて,出力電圧が基準電圧まで低下した時に第1のスイッチをオンした後第2のスイッチをオンにするバースト制御を行うスイッチング制御回路と,バースト制御を監視し,所定の期間にわたりバースト制御が行われないときに出力端子から擬似負荷電流を流す擬似負荷電流生成回路とを有する。
【選択図】図2【Task】
Provided is a DC-DC converter that effectively suppresses an increase in output voltage due to a leakage current of an output switching transistor.
[Solution]
First and second switches connected in series between an input terminal to which an input voltage is supplied and the ground; an inductor provided between a connection node of the first and second switches and an output terminal; In a DC-DC converter having a smoothing capacitor connected to an output terminal, a switching control circuit for performing burst control to turn on the second switch after turning on the first switch when the output voltage drops to the reference voltage; , And a pseudo load current generating circuit for monitoring the burst control and flowing a pseudo load current from the output terminal when the burst control is not performed for a predetermined period.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は,入力直流電圧から異なる電圧の出力直流電圧を生成するDC-DCコンバータ及びそのコントロールユニットに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter that generates an output DC voltage of a different voltage from an input DC voltage, and a control unit thereof.
定電圧回路は,直流電源を入力し必要とする電圧値に変換して出力する電源生成回路である。近年の省電力化の要請から定電圧回路の中でも電力効率の良いDC-DCコンバータの需要が増加している。 The constant voltage circuit is a power generation circuit that inputs a DC power supply, converts it to a required voltage value, and outputs it. Due to the recent demand for power saving, demand for DC-DC converters with good power efficiency among constant voltage circuits is increasing.
また電子デバイスの動作温度範囲拡大の要請も高まってきており、広い温度範囲で安定した出力電圧であることが求められている。 In addition, there is an increasing demand for expanding the operating temperature range of electronic devices, and a stable output voltage is required over a wide temperature range.
定電圧回路には,入力直流電圧に接続されたトランジスタを出力電圧レベルに応じて間欠的にスイッチングし,インダクタとコンデンサからなる平滑フィルタを介して出力電圧を負荷回路に供給するスイッチングレギュレータや,入力直流電圧に接続されたトランジスタの電流を出力電圧のレベルに応じてアナログ的に制御し,出力電圧を生成するリニアレギュレータなどがある。また,整流回路を設けて交流電源から所定の電圧の出力直流電源を生成するAC-DCコンバータも提案されている。 The constant voltage circuit includes a switching regulator that intermittently switches the transistor connected to the input DC voltage according to the output voltage level, and supplies the output voltage to the load circuit via a smoothing filter consisting of an inductor and a capacitor. There is a linear regulator that generates an output voltage by controlling the current of a transistor connected to a DC voltage in an analog manner according to the level of the output voltage. In addition, an AC-DC converter that has a rectifier circuit and generates an output DC power source having a predetermined voltage from an AC power source has also been proposed.
上記の回路は,例えば,特許文献1(スイッチングレギュレータ),特許文献2(リニアレギュレータ),特許文献3(AC-DCコンバータ)などに記載されている。 The above circuits are described in, for example, Patent Document 1 (switching regulator), Patent Document 2 (linear regulator), Patent Document 3 (AC-DC converter), and the like.
図1は,従来のリニアレギュレータの回路図である。このリニアレギュレータは,入力電圧Vinが供給される入力端子と出力電圧Voが出力される出力端子OUTとの間に設けられたPMOSトランジスタM1と,出力端子OUTとグランドVssとの間に設けられたフィードバック抵抗R1,R2と,フィードバック抵抗R1,R2の接続ノードn10と基準電圧Vrefとを比較してそれらの差分に対応する電圧を出力ノードn12に生成する誤差増幅器A14とを有する。誤差増幅器A14は,カレントミラー回路を構成する一対のPMOSトランジスタM5,M6と,差動回路を構成する一対のNMOSトランジスタM3,M4と,電流源NMOSトランジスタM2からなる。そして,出力端子OUTは負荷回路10に接続され,出力電圧Voが負荷回路10に供給される。
FIG. 1 is a circuit diagram of a conventional linear regulator. This linear regulator is provided between a PMOS transistor M1 provided between an input terminal to which an input voltage Vin is supplied and an output terminal OUT from which an output voltage Vo is output, and between the output terminal OUT and the ground Vss. The feedback resistor R1, R2 and the error amplifier A14 that compares the connection node n10 of the feedback resistor R1, R2 with the reference voltage Vref and generates a voltage corresponding to the difference between them at the output node n12. The error amplifier A14 includes a pair of PMOS transistors M5 and M6 constituting a current mirror circuit, a pair of NMOS transistors M3 and M4 constituting a differential circuit, and a current source NMOS transistor M2. The output terminal OUT is connected to the
動作を簡単に説明すると,負荷回路10による負荷電流Ioが増加すると出力電圧Voが低下する。これにより接続ノードn10の電位が低下しトランジスタM3がよりオンになり出力ノードn12の電位がより低下する。その結果,PMOSトランジスタM1のゲート電圧が低下してそれを流れる電流Ixが増加し,出力電圧Voを上昇させる。負荷電流Ioの低下により出力電圧Voが上昇した場合は,上記と逆の動作により出力電圧Voを低下させる。このように,出力パワートランジスタM1の電流Ixをリニアに制御することで出力電圧Voを一定(Vo=((R1+R2)/R2)*Vref)に保つ。
Briefly explaining the operation, the output voltage Vo decreases as the load current Io by the
負荷回路10が軽負荷状態になると負荷電流Ioが低下し,電流Ixが負荷電流Io以上になると供給過剰になり,出力電圧Voが上昇しようとするが,それに伴って,トランジスタM1のゲート電位が上昇し,トランジスタM1はほぼ非導通状態に制御され,出力電圧が一定に保たれる。しかし,トランジスタM1はオフ状態であっても一定のリーク電流が発生する。特に,温度が上昇するとこのリーク電流も上昇する。
When the
トランジスタM1がオフ状態において,このリーク電流が軽負荷状態の負荷電流Ioとフィードバック抵抗への電流Iaの合計値を越えると供給過剰になり,出力電圧を一定に保つことができなくなって出力電圧Voが上昇して負荷回路10を破壊するなどの障害が発生する。これに対処するために,図1の回路では,出力端子OUTとグランドVssとの間に,NMOSトランジスタM7と定電流源A12とを設け,さらに,入力電圧Vinと誤差増幅器A14の出力n12を比較してNMOSトランジスタM7のゲートを制御するコンパレータA10を設けている。
When the transistor M1 is in the off state, if this leakage current exceeds the sum of the load current Io in the light load state and the current Ia to the feedback resistor, the supply will be excessive and the output voltage cannot be kept constant. And the failure such as destruction of the
かかる回路によれば,出力トランジスタM1のリーク電流がIo+Iaより大きくなり出力電圧Voが上昇すると,ノードn12の電位が入力電圧Vin程度まで上昇し,コンパレータA10の出力がHレベルになり,トランジスタM7をオンにする。その結果,出力端子OUTから電流源A12の電流が流れ,出力トランジスタM1のリーク電流を吸収する。これにより,出力電圧Voの過剰な上昇を抑制することができる。 According to such a circuit, when the leakage current of the output transistor M1 becomes larger than Io + Ia and the output voltage Vo rises, the potential of the node n12 rises to about the input voltage Vin, the output of the comparator A10 becomes H level, and the transistor Turn on M7. As a result, current from the current source A12 flows from the output terminal OUT, and the leakage current of the output transistor M1 is absorbed. As a result, an excessive increase in the output voltage Vo can be suppressed.
図1のリニアレギュレータでは,出力トランジスタM1のリーク電流を,電流源A12の一定電流を出力端子OUTから流すことで吸収し,出力電圧Voの過剰な上昇を防止している。一定電流であるが為に,出力トランジスタM1の特性ばらつきを考慮して,電流源A12の電流量をマージンを含めて大きめに設計する必要があり,消費電力の浪費を招く場合がある。また,高温時にリーク電流が増大し出力電圧Voが上昇してトランジスタM7がオンになった瞬間に,比較的大きな定電流が出力端子OUTから流れるので,出力電圧Voの急激な変動が生じる。さらに,出力電圧Voの仕様変更が入り,これに対応するためにフィードバック抵抗R1,R2の抵抗値を変更すると,電流Iaも変わってしまい,電流源A12の電流量も変更する必要があり,設計変更が入る。また出力電流能力の仕様変更時においても出力トランジスタM1のサイズ変更が入り,リーク電流が変わる為,これに伴って電流源A12の電流量を変更する必要が生じる。 In the linear regulator of FIG. 1, the leakage current of the output transistor M1 is absorbed by flowing a constant current of the current source A12 from the output terminal OUT, thereby preventing an excessive increase in the output voltage Vo. Since the current is constant, it is necessary to design the current amount of the current source A12 to be large including a margin in consideration of the characteristic variation of the output transistor M1, which may lead to waste of power consumption. Further, since a relatively large constant current flows from the output terminal OUT at the moment when the leakage current increases at a high temperature and the output voltage Vo rises and the transistor M7 is turned on, the output voltage Vo changes rapidly. In addition, when the specifications of the output voltage Vo are changed and the resistance values of the feedback resistors R1 and R2 are changed to cope with this, the current Ia also changes, and the current amount of the current source A12 must also be changed. Changes are entered. Further, since the size of the output transistor M1 is changed even when the specification of the output current capability is changed and the leakage current is changed, the current amount of the current source A12 needs to be changed accordingly.
さらに,図1の回路は,リニアレギュレータに適用されるものであり,スイッチングレギュレータにおいても出力スイッチングトランジスタのリーク電流による出力電圧の上昇を防止することが求められる。 Further, the circuit of FIG. 1 is applied to a linear regulator, and a switching regulator is also required to prevent an increase in output voltage due to a leakage current of an output switching transistor.
そこで,本発明の目的は,出力スイッチングトランジスタのリーク電流などによる出力電圧の上昇を効果的に抑制するDC-DCコンバータを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a DC-DC converter that effectively suppresses an increase in output voltage due to a leakage current of an output switching transistor.
本実施の形態の第1の側面は,入力電圧が供給される入力端子と,出力電圧が出力され負荷回路に接続される出力端子とを有するDC-DCコンバータにおいて,
前記入力端子とグランドとの間に直列に接続される第1及び第2のスイッチと,
前記第1及び第2のスイッチの接続ノードと前記出力端子との間に設けられるインダクタと,
前記出力端子に接続される平滑コンデンサと,
前記出力電圧が基準電圧まで低下した時に前記第1のスイッチをオンした後前記第2のスイッチをオンにするバースト制御を行うスイッチング制御回路と,
前記バースト制御を監視し,所定の期間にわたり前記バースト制御が行われないときに前記出力端子から擬似負荷電流を流す擬似負荷電流生成回路とを有する。
A first aspect of the present embodiment is a DC-DC converter having an input terminal to which an input voltage is supplied and an output terminal to which an output voltage is output and connected to a load circuit.
First and second switches connected in series between the input terminal and ground;
An inductor provided between a connection node of the first and second switches and the output terminal;
A smoothing capacitor connected to the output terminal;
A switching control circuit for performing burst control for turning on the second switch after turning on the first switch when the output voltage drops to a reference voltage;
A pseudo load current generation circuit that monitors the burst control and causes a pseudo load current to flow from the output terminal when the burst control is not performed for a predetermined period.
第1の側面によれば,何らかの原因で出力電圧が上昇したときに擬似負荷電流が流れるので,その上昇を抑制することができる。 According to the first aspect, since the pseudo load current flows when the output voltage increases for some reason, the increase can be suppressed.
図2は,本実施の形態におけるDC-DCコンバータの構成図である。このDC-DCコンバータは,入力電圧Vinが印加される入力電圧端子INと,グランドVssとの間に,直列に接続される第1のスイッチM11及び第2のスイッチM12と,第1及び第2のスイッチの接続点LXと出力電圧Voutが出力される出力端子OUTとの間に設けられるインダクタLoutと,出力端子OUTとグランドVssとの間に設けられる平滑化キャパシタCoとを有する。出力端子OUTには出力電圧Voが供給される負荷回路10が接続され,出力端子OUTから負荷回路10にその負荷の大きさに応じた負荷電流Ioが供給される。入力電圧VINは所定電圧の直流電圧であり,出力電圧Voutは入力電圧VINより低い直流電圧である。
FIG. 2 is a configuration diagram of the DC-DC converter in the present embodiment. The DC-DC converter includes a first switch M11 and a second switch M12 connected in series between an input voltage terminal IN to which an input voltage Vin is applied and a ground Vss, and first and second switches. And an inductor Lout provided between the switch connection point LX and the output terminal OUT from which the output voltage Vout is output, and a smoothing capacitor Co provided between the output terminal OUT and the ground Vss. A
さらに,DC-DCコンバータは,出力端子OUTに接続されたフィードバック抵抗R11,R12と,それらの接続点のフィードバック電圧Vfbと第1の基準電圧Vref1との差電圧を検出する誤差増幅器A1と,誤差増幅器A1の出力Verと第2の基準電圧Vref2とを比較するコンパレータA2と,誤差増幅器A1の出力VerとコンパレータA2の出力VBとに基づいて,第1,第2のスイッチM11,M12のオン・オフを制御するスイッチング制御回路20とを有する。
Further, the DC-DC converter includes feedback resistors R11 and R12 connected to the output terminal OUT, an error amplifier A1 for detecting a difference voltage between the feedback voltage Vfb at the connection point and the first reference voltage Vref1, and an error. Based on the comparator A2 that compares the output Ver of the amplifier A1 and the second reference voltage Vref2, and the output Ver of the error amplifier A1 and the output VB of the comparator A2, the first and second switches M11 and M12 are turned on / off. And a switching
第1のスイッチM11は,PチャネルMOSトランジスタで構成されるハイサイドの出力トランジスタであり,スイッチング制御回路20が生成するゲートドライブ信号Vghにより導通と非導通の制御がされる。第2のスイッチM12は,NチャネルMOSトランジスタで構成されるロウサイドの出力トランジスタであり,スイッチング制御回路20が生成するゲートドライブ信号Vglにより導通と非導通の制御がされる。
The first switch M11 is a high-side output transistor composed of a P-channel MOS transistor, and conduction and non-conduction are controlled by the gate drive signal Vgh generated by the
誤差増幅器A1の出力Verは基準電圧Vref1との差電圧に対応する。そして,スイッチング制御回路20は,負荷回路10が通常の負荷状態の時は,一定の周期で第1,第2のスイッチM11,M12を交互にオン,オフ制御するとともに,負荷電流Ioの大きさ(出力電圧Vo,Vfbまたは誤差電圧Verの電位)に応じて,第1のスイッチM11をオンにするデューティ比を可変制御するパルス幅変調制御(PWM制御)を行う。
The output Ver of the error amplifier A1 corresponds to the difference voltage from the reference voltage Vref1. Then, when the
さらに,スイッチング制御回路20は,負荷回路10が軽負荷状態の時は,負荷電流Ioの大きさ(または出力電圧Vo,Vfbまたは誤差電圧Verの電位)に応じた周波数で,第1,第2のスイッチM11,M12をオン・オフ,オフ・オンとバースト制御するパルス周波数変調制御(PFM制御)を行う。具体的には,コンパレータA2の出力VBに基づいて,第1,第2のスイッチM11,M12をバースト制御する。なお,図2において,負荷状態の検出回路については省略している。
Furthermore, when the
さらに,本DC-DCコンバータは,軽負荷時において,温度上昇などで第1のスイッチM11のリーク電流ILEAKが増加してILEAK>Ia+Ioになった時に,出力電圧Voが過度に高い電圧に上昇することを抑制するために,擬似負荷電流生成回路22を有する。この擬似負荷電流生成回路22は,バーストパルス検出回路23と,電流制御回路24とを有し,リーク電流の増加により,出力電圧Voが上昇したときに出力端子OUTから適切な量の擬似負荷電流Ibを流す。
Furthermore, this DC-DC converter has an excessively high output voltage Vo when the leakage current ILEAK of the first switch M11 increases due to a temperature rise or the like and ILEAK> Ia + Io at light load. In order to suppress the increase, a pseudo load
図3は,電流制御回路24の一例である。電流制御回路24は,NMOSトランジスタからなる複数の電流源M20,M21と,その電流源トランジスタを制御する制御部26とを有する。電流源M20,M21は2個に限られず,それより多い個数だけ設けられることが好ましい。なお、実施の形態は、電流制御回路と24に限定されず、後述する擬似電流生成回路の動作を実現する構成を電流制御回路として適用可能である。
FIG. 3 is an example of the
次に,DC-DCコンバータによるPWM制御について説明する。 Next, PWM control using a DC-DC converter is described.
図4は,DC-DCコンバータのPWM制御における動作波形図である。図4中,周期T1の前半期間tonで,ゲートドライブ信号VghがLレベルになり第1のスイッチM11が導通し,ハイサイド出力電流IoutHが流れる。その時,ゲートドライブ信号VglはLレベルであり第2のスイッチM12は非導通になる。前半期間tonでは,第1のスイッチM1が導通すると接続点LXの電圧VLXは入力電圧Vin近くまで上昇し,ハイサイド出力電流IoutHがインダクタLoutの抵抗に打ち勝って徐々に増加し,それに伴って接続点電圧VLXは徐々に低下する。ハイサイド出力電流IoutHは,インダクタ電流ILXと同じであり,前半期間tonの間上昇し,インダクタLoutは電磁エネルギーを蓄積する。また,それに応答して,出力電圧Voとフィードバック電圧Vfbも上昇する。 FIG. 4 is an operation waveform diagram in PWM control of the DC-DC converter. In FIG. 4, in the first half period ton of the cycle T1, the gate drive signal Vgh becomes L level, the first switch M11 becomes conductive, and the high side output current IoutH flows. At that time, the gate drive signal Vgl is at L level, and the second switch M12 becomes non-conductive. In the first half period ton, when the first switch M1 is turned on, the voltage VLX at the connection point LX rises to near the input voltage Vin, and the high-side output current IoutH overcomes the resistance of the inductor Lout and gradually increases. The point voltage VLX gradually decreases. The high-side output current IoutH is the same as the inductor current ILX, increases during the first half period ton, and the inductor Lout stores electromagnetic energy. In response to this, the output voltage Vo and the feedback voltage Vfb also rise.
次に,周期T1の後半期間toffで,ゲートドライブ信号VghがHレベルになり第1のスイッチM11が非導通になり,ゲートドライブ信号VglがHレベルになり第2のスイッチM12が導通する。第2のスイッチM12が導通すると,インダクタLoutは蓄積した電磁エネルギーによる回生動作によりインダクタ電流ILXを流し続けるため,第2のスイッチM12には,グランドVssから接続点LXに向かってロウサイド出力電流IoutLが流れる。そのため,接続点電圧VLXは,図示されるとおり,一旦負電位になる。そして,インダクタLoutが回生動作で電磁エネルギーを放出し,インダクタ電流ILXは徐々に低下し,それに伴って接続点電圧VLXは負電圧から0V=Vssに向かって上昇する。また,インダクタ電流ILXの低下に伴い,出力電圧Voとフィードバック電圧Vfbも下降する。 Next, in the second half period toff of the cycle T1, the gate drive signal Vgh becomes H level, the first switch M11 becomes non-conductive, the gate drive signal Vgl becomes H level, and the second switch M12 becomes conductive. When the second switch M12 is turned on, the inductor Lout keeps flowing the inductor current ILX due to the regenerative operation by the accumulated electromagnetic energy. Flowing. Therefore, the connection point voltage VLX once becomes a negative potential as shown in the figure. Then, the inductor Lout releases electromagnetic energy by the regenerative operation, the inductor current ILX gradually decreases, and accordingly, the connection point voltage VLX increases from a negative voltage toward 0 V = Vss. As the inductor current ILX decreases, the output voltage Vo and the feedback voltage Vfb also decrease.
上記の通り,周期T1の前半期間tonで第1のスイッチM11が導通して入力電圧Vinから出力端子OUTに電荷を供給し,出力電圧Voが上昇しフィードバック電圧Vfbも上昇する。一方,後半期間toffで第2のスイッチM12が導通してインダクタLOUTの回生動作で出力端子OUTに電荷を供給し,出力電圧Voは下降しフィードバック電圧Vfbも下降する。 As described above, in the first half period ton of the cycle T1, the first switch M11 is turned on to supply charges from the input voltage Vin to the output terminal OUT, the output voltage Vo rises, and the feedback voltage Vfb also rises. On the other hand, in the second half period toff, the second switch M12 conducts and charges are supplied to the output terminal OUT by the regenerative operation of the inductor LOUT, so that the output voltage Vo decreases and the feedback voltage Vfb also decreases.
スイッチング制御回路20は,誤差増幅器A1の出力である誤差電圧Verを入力とし,間接的に出力電圧Voに対応するフィードバック電圧Vfbの電位に基づき,周期T1の前半期間tonのデューティ比を可変制御するPWM制御を行う。このPWM制御において,スイッチング制御回路20は,負荷回路10の負荷電流Ioが増加した場合,フィードバック電圧Vfbは相対的に低下するので,第1のスイッチM11がオンする期間tonを長くし,インダクタLoutに供給する電荷量(エネルギー)を増加させる。また,逆に負荷電流Ioが低下した場合,フィードバック電圧Vfbは相対的に増加するので,第1のスイッチM11がオンする期間tonを短くして,インダクタLoutに供給する電荷量(エネルギー)を減らす。このPWM制御により,出力電圧Voは仕様通りの電位に保たれる。また,インダクタLoutを流れる電流ILXは,常時接続点から出力端子OUTに向かう正の電流になる。
The switching
次に,DC-DCコンバータによるPFM制御について説明する。 Next, PFM control using a DC-DC converter is described.
図4に破線で示したとおり,負荷回路10がスリープ状態などの軽負荷状態になると,出力電圧Voまたはフィードバック電圧Vfbは第1のスイッチM11のオンによりより高い電位に上昇する。そのため,周期T1で第1,第2のスイッチM11,M12がオン,オフするPWM制御ではなく,負荷の大きさに応じた周波数でオン,オフするPFM制御が行われる。
As indicated by a broken line in FIG. 4, when the
図5は,本実施の形態におけるDC-DCコンバータのPFM制御と擬似負荷電流生成回路の動作を示す図である。図5の水平方向は時間軸tであり,接続点LXの電圧VLXと,出力電圧Vo(フィードバック電圧Vfbに対応)と,パルス検出信号Vpと,リセット信号Vrstと,擬似負荷電流Ibとが示されている。また,時間t5より前は第1のスイッチM11のリーク電流ILEAKが小さい(ILEAK<Ia+Io)状態であり,時間t5より後は第1のスイッチM11のリーク電流ILEAKが大きい(ILEAK>Ia+Io)状態である。 FIG. 5 is a diagram illustrating the PFM control of the DC-DC converter and the operation of the pseudo load current generation circuit in the present embodiment. The horizontal direction of FIG. 5 is the time axis t, and shows the voltage VLX at the connection point LX, the output voltage Vo (corresponding to the feedback voltage Vfb), the pulse detection signal Vp, the reset signal Vrst, and the pseudo load current Ib. Has been. Further, the leakage current ILEAK of the first switch M11 is small (ILEAK <Ia + Io) before time t5, and the leakage current ILEAK of the first switch M11 is large (ILEAK> Ia + after time t5). Io) state.
PFM制御における基本動作は以下の通りである。スイッチング制御回路20は,第1のスイッチM11のハイサイド電流IoutHの大きさなどを監視することで軽負荷状態を検出して,PFM制御モードに入る。図2において,出力電圧Voはフィードバック抵抗R11,R12により抵抗分割されフィードバック電圧Vfbとして誤差増幅器A1に入力される。出力電圧Voが低下すると誤差増幅器A1の出力Verは上昇し,出力Verが第2の基準電圧Vref2以上になると,コンパレータA2の出力VBがHレベルになる。この出力VB=Hに応答して,スイッチング制御回路20は,出力トランジスタM11,M12を交互にオンさせるゲートドライブ信号Vgh,Vglを出力し,出力トランジスタM11をオンM12をオフさせた後,出力トランジスタM11をオフM12をオンさせるバースト制御を行う。これにより,時間t1では出力トランジスタM11がオンしたことにより出力電圧Voが上昇する。また,時間t1の前後で,接続点電圧VLXは,出力トランジスタM11のオンにより正のパルスになり,出力トランジスタM12のオンにより負のパルスになっている。この接続点電圧VLXの正のパルスと負のパルスがバーストパルスである。
The basic operation in PFM control is as follows. The switching
バースト制御により出力電圧Voが上昇した結果,誤差増幅器A1の出力Verは低下し,出力Verが第2の基準電圧Vref2より低くなると,コンパレータA2は出力VBをLレベルにする。これに応答して,スイッチング制御回路20はバースト制御を停止し,出力トランジスタM11,M12が共にオフになる休止状態になる。休止状態では,平滑コンデンサCoに蓄えられた電荷が負荷電流Ioとフィードバック電流Iaとにより消費され,出力電圧Voが低下する。出力電圧Voがある閾値電圧Vth以下になると,コンパレータA2の出力VBがHレベルになり,スイッチング制御回路20は,再びバースト制御を実行する。
As a result of the increase in the output voltage Vo due to the burst control, the output Ver of the error amplifier A1 decreases, and when the output Ver becomes lower than the second reference voltage Vref2, the comparator A2 sets the output VB to the L level. In response to this, the switching
以上の通り,軽負荷時のPFM制御ではスイッチング制御回路20は,上記のバースト制御と休止状態とを繰り返す。そして,負荷電流Io+Iaが大きいほど休止状態での出力電圧Voの低下速度が速くなるので,バースト制御は,その負荷電流Io+Iaに応じた周波数で繰り返される。つまり,負荷電流が大きいほどバースト制御の周波数は高く,負荷電流が小さいほどバースト制御の周波数は低くなる。
As described above, in the PFM control at light load, the switching
次に,高温などの原因で第1のスイッチである出力電圧M11のオフリーク電流ILEAKが上昇した場合の動作について説明する。擬似負荷電流生成回路22のバーストパルス検出回路23は,スイッチング制御回路20からのモード信号MODEがPFM制御モードであることを示すときは,第1,第2のスイッチM11,M12の接続点LXのバーストパルスを監視する。バーストパルス検出回路23は,図5の時間t1,t3でバーストパルスを検出し,パルス検出信号VpをHレベルにする。また,バーストパルス検出回路23には,一定周期T10でリセット信号Vrstを入力し,パルス検出信号VpがHレベルの場合はLレベルにリセットする(時間t2,t4)。このリセット動作は,リセット信号Vrstの立ち上がりから所定の遅延時間を要する。
Next, the operation when the off-leakage current ILEAK of the output voltage M11 as the first switch rises due to a high temperature or the like will be described. When the mode signal MODE from the switching
ここで,時間t5以降のように出力トランジスタM11のオフリーク電流ILEAKが上昇し,ILEAK>Io+Iaになると,休止状態に入っていても供給過剰状態となり,出力電圧Voが上昇する(図中A)。そして,時間t6において,リセット信号Vrstと同じタイミングを有する第2のリセット信号Vrst1に応答して,電流制御回路24内の制御部26がパルス検出信号VpがHレベルになっていないことを検出し,ゲート制御信号G20をHレベルにして電流源トランジスタM20をオンにし,擬似負荷電流IbをI1にする。つまり,時間t4でパルス検出信号VpはLレベルにリセットされているが,周期T10後の時間t6ではパルス検出信号VpがLレベルのままであるので,周期T10の間にバースト制御は発生していないことが検出される。そして,時間t6で擬似負荷電流Ibは電流源M20の電流I1になる。
Here, the off-leakage current ILEAK of the output transistor M11 rises after time t5, and if ILEAK> Io + Ia, the supply voltage becomes excessive and the output voltage Vo rises even if the quiescent state is entered (A in the figure). ). At time t6, in response to the second reset signal Vrst1 having the same timing as the reset signal Vrst, the
さらに,次の周期T10後の時間t7までに出力電圧Voが十分に低下できず,電流制御回路24内の制御部26が,リセット信号Vrst2に応答してバースト制御が発生してないことをパルス検出信号VpのLレベルで検出すると(図中B),さらに,ゲート制御信号G21をHレベルにして電流源トランジスタM21をオンにし,擬似負荷電流Ibを更にI1だけ増加する。その結果,Ib=2*I1となる。この擬似負荷電流Ibの増加により,出力電圧Voは閾値レベルVthまで低下し,これによりコンパレータA2の出力VB=Hとなり,これに応答して,スイッチング制御回路20がバースト制御を行う。このバーストパルスがバーストパルス検出回路23により検出され,パルス検出信号VpがHレベルになる。
Further, the output voltage Vo cannot be sufficiently reduced by time t7 after the next cycle T10, and the
バーストの瞬間出力は上昇するが,負荷Ib=2*I1を出力から流している為,休止状態に入ると出力電圧は徐々に低下する。次の周期T10後の時間t9で電流制御回路24内の制御部26がパルス検出信号VpのHレベルを検出し,ゲート制御信号G21をLレベルにして電流源トランジスタM21をオフにする。その結果,擬似負荷電流Ibは電流I1だけ減少し,出力電圧Voは再び上昇する。ILEAK>Ia+Ioの状態においてはt6〜t9までの制御が自動で繰り返され,出力電圧Voはほぼ一定に保たれる。
Although the burst burst output rises, the load Ib = 2 * I1 flows from the output, so the output voltage gradually decreases when entering the resting state. At time t9 after the next cycle T10, the
以上のように,本実施の形態の擬似負荷電流生成回路22は,PFM制御モードの間,出力電圧Voの上昇の程度に応じて擬似負荷電流Ibの電流量を可変制御し,最適な電流値に自動設定する。したがって,出力トランジスタM11のオフリーク特性にカスタマイズされた擬似負荷電流Ibが生成されて,消費電流の浪費を回避することができる。
As described above, during the PFM control mode, the pseudo load
バーストパルスを監視するリセット信号Vrstの周期T10と,擬似負荷電流Ibやその最小単位電流I1は,出力トランジスタM11のオフリーク電流の大きさや,出力電圧Voの上昇を何mV以内に抑えたいかという規格から決められる。 Standards for the period T10 of the reset signal Vrst that monitors the burst pulse, the pseudo load current Ib, and its minimum unit current I1 are the magnitude of the off-leakage current of the output transistor M11 and how much the output voltage Vo should be suppressed within mV It is decided from.
[変形例]
変形例では,バーストパルスの発生を監視する周期T10が,最大可聴周波数(20kHz)に対応する周期以下に設定される。上記の軽負荷状態でのPFM制御によれば,出力電圧Voの低下速度に応じた周波数でバーストパルスが発生する。したがって,負荷が非常に少なくなると出力電圧Voの低下速度が低くなりバーストパルス発生周波数も低くなる。このバースト周波数が人間の可聴周波数の最大値である約20kHz以下になると,バースト時のリップルが音声ノイズとなり,システムのノイズとして問題になる可能性がある。
[Modification]
In the modification, the period T10 for monitoring the generation of burst pulses is set to be equal to or less than the period corresponding to the maximum audible frequency (20 kHz). According to the PFM control in the light load state described above, a burst pulse is generated at a frequency corresponding to the decreasing speed of the output voltage Vo. Therefore, when the load is very low, the rate of decrease of the output voltage Vo is reduced and the burst pulse generation frequency is also reduced. When this burst frequency is about 20 kHz or less, which is the maximum value of human audible frequency, the ripple at the time of burst becomes voice noise, which may cause a problem as system noise.
そこで,変形例では,バーストパルスを監視する周期T10を,1/20kHz=50μsec以下に設定する。これにより,可聴周波数の最大値である20kHzより高い周波数で擬似負荷電流Ibが発生して出力電圧Voを低下させるので,強制的にバースト制御が行われ,バースト周波数を20kHz以上にすることができる。その結果,バースト時の音声ノイズの周波数が高くなり,人間の耳に聞こえなくすることができる。 Therefore, in the modification, the cycle T10 for monitoring the burst pulse is set to 1/20 kHz = 50 μsec or less. As a result, the pseudo load current Ib is generated at a frequency higher than the maximum audible frequency of 20 kHz and the output voltage Vo is lowered, so that the burst control is forcibly performed and the burst frequency can be set to 20 kHz or higher. . As a result, the frequency of voice noise at the time of bursting becomes high and can be made inaudible to human ears.
さらに,本実施の形態の擬似負荷電流生成回路22をPFM制御モード時に限らず動作させることもできる。例えば,負荷回路10が重負荷状態から軽負荷状態に切り替わった時に,フィードバック回路を介してPWM制御からPFM制御へ移行し出力トランジスタを休止状態に入れ,出力電圧Voの上昇を抑えようとする。この休止状態の間,擬似負荷電流生成回路23がバーストパルスを検出することができずに擬似負荷電流Ibを生成するので,出力電圧Voを一次的に低下させることができ,出力電圧Voの上昇を軽減することができる。
Furthermore, the pseudo load
以上の実施の形態をまとめると,次の付記のとおりである。 The above embodiment is summarized as follows.
(付記1)
入力電圧が供給される入力端子と,出力電圧が出力され負荷回路に接続される出力端子とを有するDC-DCコンバータにおいて,
前記入力端子と基準電源との間に直列に接続される第1及び第2のスイッチと,
前記第1及び第2のスイッチの接続ノードと前記出力端子との間に設けられるインダクタと,
前記出力端子に接続される平滑コンデンサと,
前記出力電圧が基準電圧まで低下した時に前記第1のスイッチをオンした後前記第2のスイッチをオンにするバースト制御を行うスイッチング制御回路と,
前記バースト制御を監視し,所定の期間にわたり前記バースト制御が行われないときに前記出力端子から擬似負荷電流を流す擬似負荷電流生成回路とを有するDC-DCコンバータ。
(Appendix 1)
In a DC-DC converter having an input terminal to which an input voltage is supplied and an output terminal to which an output voltage is output and connected to a load circuit,
First and second switches connected in series between the input terminal and a reference power source;
An inductor provided between a connection node of the first and second switches and the output terminal;
A smoothing capacitor connected to the output terminal;
A switching control circuit for performing burst control for turning on the second switch after turning on the first switch when the output voltage drops to a reference voltage;
A DC-DC converter having a pseudo load current generation circuit that monitors the burst control and causes a pseudo load current to flow from the output terminal when the burst control is not performed for a predetermined period.
(付記2)
付記1において,
前記擬似負荷電流生成回路は,前記バースト制御を所定の周期の監視タイミングで監視し,当該監視タイミングの間に前記バースト制御が発生しないときに前記出力端子から擬似負荷電流を流すDC-DCコンバータ。
(Appendix 2)
In Appendix 1,
The pseudo load current generation circuit is a DC-DC converter that monitors the burst control at a monitoring timing of a predetermined cycle and causes a pseudo load current to flow from the output terminal when the burst control does not occur during the monitoring timing.
(付記3)
付記2において,
前記擬似負荷電流生成回路は,前記監視タイミングの間に前記バースト制御が発生しないことを検出するたびに,前記擬似負荷電流を増加させ,前記監視タイミングの間に前記バースト制御が発生したことを検出するたびに,前記擬似負荷電流を減少させるDC-DCコンバータ。
(Appendix 3)
In Appendix 2,
The pseudo load current generation circuit increases the pseudo load current every time it detects that the burst control does not occur during the monitoring timing, and detects that the burst control occurs during the monitoring timing. A DC-DC converter that reduces the pseudo load current each time.
(付記4)
付記1乃至3のいずれかにおいて,
前記擬似負荷電流生成回路は,前記第1及び第2のスイッチの接続ノードの前記バースト制御によるバーストパルスを監視して,前記バースト制御の発生を検出するDC-DCコンバータ。
(Appendix 4)
In any one of appendices 1 to 3,
The pseudo load current generation circuit is a DC-DC converter that monitors the burst pulse by the burst control at the connection node of the first and second switches and detects the occurrence of the burst control.
(付記5)
付記1において,
前記スイッチング制御回路は,前記負荷回路の負荷が第1の負荷状態の場合に,前記第1,第2のスイッチのオン・オフ制御をパルス幅変調により行い,前記負荷回路の負荷が前記第1の負荷状態より軽い第2の負荷状態の場合に,前記第1,第2のスイッチのオン・オフ制御をパルス周波数変調により行い,
前記擬似負荷電流生成回路は,前記パルス周波数変調で制御されている間,前記擬似負荷電流を流すことを特徴とするDC-DCコンバータ。
(Appendix 5)
In Appendix 1,
The switching control circuit performs on / off control of the first and second switches by pulse width modulation when the load of the load circuit is in the first load state, and the load of the load circuit is the first load. In the case of the second load state lighter than the load state, the on / off control of the first and second switches is performed by pulse frequency modulation,
The DC-DC converter, wherein the pseudo load current generation circuit allows the pseudo load current to flow while being controlled by the pulse frequency modulation.
(付記6)
付記2において,
前記所定の周期が,最大可聴周波数に対応する周期以下であることを特徴とするDC-DCコンバータ。
(Appendix 6)
In Appendix 2,
The DC-DC converter characterized in that the predetermined period is equal to or less than a period corresponding to the maximum audible frequency.
(付記7)
入力電圧が供給される入力端子と,出力電圧が出力され負荷回路に接続される出力端子と,前記入力端子とグランドとの間に直列に接続される第1及び第2のスイッチと,前記第1及び第2のスイッチの接続ノードと前記出力端子との間に設けられるインダクタと,前記出力端子に接続される平滑コンデンサとを有するDC-DCコンバータのコントロールユニットにおいて,
前記出力電圧が基準電圧まで低下した時に前記第1のスイッチをオンした後前記第2のスイッチをオンにするバースト制御を行うスイッチング制御回路と,
前記バースト制御を監視し,所定の期間にわたり前記バースト制御が行われないときに前記出力端子から擬似負荷電流を流す擬似負荷電流生成回路とを有するDC-DCコンバータのコントロールユニット。
(Appendix 7)
An input terminal to which an input voltage is supplied; an output terminal to which an output voltage is output and connected to a load circuit; first and second switches connected in series between the input terminal and ground; In a control unit of a DC-DC converter having an inductor provided between a connection node of first and second switches and the output terminal, and a smoothing capacitor connected to the output terminal,
A switching control circuit for performing burst control for turning on the second switch after turning on the first switch when the output voltage drops to a reference voltage;
A control unit for a DC-DC converter, comprising: a pseudo load current generation circuit that monitors the burst control and causes a pseudo load current to flow from the output terminal when the burst control is not performed for a predetermined period.
(付記8)
付記7において,
前記擬似負荷電流生成回路は,前記バースト制御を所定の周期の監視タイミングで監視し,当該監視タイミングの間に前記バースト制御が発生しないときに前記出力端子から擬似負荷電流を流すDC-DCコンバータのコントロールユニット。
(Appendix 8)
In Appendix 7,
The pseudo load current generation circuit monitors the burst control at a monitoring timing of a predetermined cycle, and when the burst control does not occur during the monitoring timing, the pseudo load current generating circuit control unit.
(付記9)
付記8において,
前記擬似負荷電流生成回路は,前記監視タイミングの間に前記バースト制御が発生しないことを検出するたびに,前記擬似負荷電流を増加させ,前記監視タイミングの間に前記バースト制御が発生したことを検出するたびに,前記擬似負荷電流を減少させるDC-DCコンバータのコントロールユニット。
(Appendix 9)
In
The pseudo load current generation circuit increases the pseudo load current each time it detects that the burst control does not occur during the monitoring timing, and detects that the burst control occurs during the monitoring timing. A control unit for a DC-DC converter that reduces the pseudo load current each time.
Vin:入力電圧 IN:入力端子
Vo:出力電圧 OUT:出力端子
M11,M12:第1,第2のスイッチ LX:接続端子
Lout:インダクタ Co:平滑化コンデンサ
10:負荷回路 Io:負荷電流
20:スイッチング制御回路 22:擬似負荷電流生成回路
Ib:擬似負荷電流 Vss:グランド,基準電源
Vin: Input voltage IN: Input terminal
Vo: Output voltage OUT: Output terminal
M11, M12: 1st and 2nd switch LX: Connection terminal
Lout: inductor Co: smoothing capacitor 10: load circuit Io: load current 20: switching control circuit 22: pseudo load current generation circuit
Ib: pseudo load current Vss: ground, reference power supply
Claims (6)
前記入力端子とグランドとの間に直列に接続される第1及び第2のスイッチと,
前記第1及び第2のスイッチの接続ノードと前記出力端子との間に設けられるインダクタと,
前記出力端子に接続される平滑コンデンサと,
前記出力電圧が基準電圧まで低下した時に前記第1のスイッチをオンした後前記第2のスイッチをオンにするバースト制御を行うスイッチング制御回路と,
前記バースト制御を監視し,所定の期間にわたり前記バースト制御が行われないときに前記出力端子から擬似負荷電流を流す擬似負荷電流生成回路とを有するDC-DCコンバータ。 In a DC-DC converter having an input terminal to which an input voltage is supplied and an output terminal to which an output voltage is output and connected to a load circuit,
First and second switches connected in series between the input terminal and ground;
An inductor provided between a connection node of the first and second switches and the output terminal;
A smoothing capacitor connected to the output terminal;
A switching control circuit for performing burst control for turning on the second switch after turning on the first switch when the output voltage drops to a reference voltage;
A DC-DC converter having a pseudo load current generation circuit that monitors the burst control and causes a pseudo load current to flow from the output terminal when the burst control is not performed for a predetermined period.
前記擬似負荷電流生成回路は,前記バースト制御を所定の周期の監視タイミングで監視し,当該監視タイミングの間に前記バースト制御が発生しないときに前記出力端子から擬似負荷電流を流すDC-DCコンバータ。 In claim 1,
The pseudo load current generation circuit is a DC-DC converter that monitors the burst control at a monitoring timing of a predetermined cycle and causes a pseudo load current to flow from the output terminal when the burst control does not occur during the monitoring timing.
前記擬似負荷電流生成回路は,前記監視タイミングの間に前記バースト制御が発生しないことを検出するたびに,前記擬似負荷電流を増加させ,前記監視タイミングの間に前記バースト制御が発生したことを検出するたびに,前記擬似負荷電流を減少させるDC-DCコンバータ。 In claim 2,
The pseudo load current generation circuit increases the pseudo load current every time it detects that the burst control does not occur during the monitoring timing, and detects that the burst control occurs during the monitoring timing. A DC-DC converter that reduces the pseudo load current each time.
前記スイッチング制御回路は,前記負荷回路の負荷が第1の負荷状態の場合に,前記第1,第2のスイッチのオン・オフ制御をパルス幅変調により行い,前記負荷回路の負荷が前記第1の負荷状態より軽い第2の負荷状態の場合に,前記第1,第2のスイッチのオン・オフ制御をパルス周波数変調により行い,
前記擬似負荷電流生成回路は,前記パルス周波数変調で制御されている間,前記擬似負荷電流を流すことを特徴とするDC-DCコンバータ。 In claim 1,
The switching control circuit performs on / off control of the first and second switches by pulse width modulation when the load of the load circuit is in the first load state, and the load of the load circuit is the first load. In the case of the second load state lighter than the load state, the on / off control of the first and second switches is performed by pulse frequency modulation,
The DC-DC converter, wherein the pseudo load current generation circuit allows the pseudo load current to flow while being controlled by the pulse frequency modulation.
前記所定の周期が,最大可聴周波数に対応する周期以下であることを特徴とするDC-DCコンバータ。 In claim 2,
The DC-DC converter characterized in that the predetermined period is equal to or less than a period corresponding to the maximum audible frequency.
前記出力電圧が基準電圧まで低下した時に前記第1のスイッチをオンした後前記第2のスイッチをオンにするバースト制御を行うスイッチング制御回路と,
前記バースト制御を監視し,所定の期間にわたり前記バースト制御が行われないときに前記出力端子から擬似負荷電流を流す擬似負荷電流生成回路とを有するDC-DCコンバータのコントロールユニット。 An input terminal to which an input voltage is supplied; an output terminal to which an output voltage is output and connected to a load circuit; first and second switches connected in series between the input terminal and ground; In a control unit of a DC-DC converter having an inductor provided between a connection node of first and second switches and the output terminal, and a smoothing capacitor connected to the output terminal,
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---|---|---|---|---|
JP2012129645A (en) * | 2010-12-13 | 2012-07-05 | Rohm Co Ltd | Comparator, control circuit for switching regulator using the same, switching regulator, and electronic apparatus |
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2009
- 2009-04-01 JP JP2009089312A patent/JP2010246190A/en active Pending
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