JP2012029415A - Dc-dc converter and switching control circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電圧を変換するスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータおよびそのスイッチング制御回路に関し、負荷に流れる電流の大きさに応じてスイッチング周波数およびパルス幅を変化させて駆動を行なうDC−DCコンバータに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a switching regulator type DC-DC converter for converting a DC voltage and a switching control circuit thereof, and performs DC-DC driving by changing a switching frequency and a pulse width according to the magnitude of a current flowing through a load. The present invention relates to an effective technology applied to a converter.
直流入力電圧を変換して異なる電位の直流電圧を出力する回路としてスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータがある。かかるDC−DCコンバータには、電池などの直流電源から供給される直流電圧をインダクタ(コイル)に印加して電流を流しコイルにエネルギーを蓄積させる駆動用スイッチング素子と、該駆動用スイッチング素子がオフされているエネルギー放出期間にコイルの電流を整流する整流素子と、上記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御する制御回路を備えたDC−DCコンバータがある。 There is a switching regulator type DC-DC converter as a circuit for converting a DC input voltage and outputting DC voltages of different potentials. In such a DC-DC converter, a driving switching element that applies a DC voltage supplied from a DC power source such as a battery to an inductor (coil) to flow current and accumulate energy in the coil, and the driving switching element is turned off. There is a DC-DC converter provided with a rectifying element that rectifies the current of the coil during the energy release period and a control circuit that controls on and off of the driving switching element.
従来、上記スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいては、出力電圧の大きさを誤差アンプで検出してPWM(パルス幅変調)コンパレータまたはPFM(パルス周波数変調)コンパレータにフィードバックして、出力電圧が下がるとスイッチング素子のオン時間を長くし、出力電圧が上がるとスイッチング素子のオン時間を短くする制御が行われている。 Conventionally, in the switching regulator type DC-DC converter, the magnitude of the output voltage is detected by an error amplifier and fed back to a PWM (pulse width modulation) comparator or PFM (pulse frequency modulation) comparator. When the output voltage decreases, the on-time of the switching element is lengthened, and when the output voltage increases, the on-time of the switching element is shortened.
PWM制御では、駆動パルスの周期(周波数)を一定にして出力電圧に応じてパルス幅を変化させる。そのため、負荷が軽くなるとパルス幅は狭くなる。ただし、負荷が非常に軽くなった場合には、最小パルス幅のパルスで駆動しても出力電流が多すぎる場合が生じることがある。
そこで、図5に示すように、PWMコンパレータ22とPFMコンパレータ24の両方を設け、通常はPWM制御を行い、負荷に流れる電流が少なくなった場合すなわち軽負荷時にはパルス幅が一定の固定パルスで駆動し周期を負荷に応じて変化させるPFM制御へ移行するようにしたDC−DCコンバータもある。このようなDC−DCコンバータに関する発明としては、例えば特許文献1に記載されているものがある。
また、PWM制御は、トランスを用いた絶縁型のスイッチング電源装置においても行われており、このような電源装置に関する発明としては、例えば特許文献2に記載されているものがある。
In PWM control, the period (frequency) of the drive pulse is made constant and the pulse width is changed according to the output voltage. Therefore, the pulse width becomes narrower as the load becomes lighter. However, when the load becomes very light, there may be a case where there is too much output current even when driving with a pulse having the minimum pulse width.
Therefore, as shown in FIG. 5, both the
The PWM control is also performed in an insulating switching power supply device using a transformer. As an invention related to such a power supply device, there is one described in Patent Document 2, for example.
図5に示されているようなPWM制御とPFM制御を切り替えてスイッチング素子の駆動を行うDC−DCコンバータにおける軽負荷時のPFM制御モードでは、図6に示すように、誤差アンプ21の出力が参照電圧Vref2を超えるとPFMコンパレータ24の出力がロウレベルに変化する(図6(B)タイミングt1)。そして、インバータの出力がハイレベルに変化してANDゲートG1を開き、パルス幅固定のパルスを生成するパルス生成回路31からのパルスを、セレクタ29を介してスイッチング素子SW1,SW2に供給してオン、オフ駆動するようにしている。
In the PFM control mode at the time of light load in the DC-DC converter that switches the PWM control and the PFM control as shown in FIG. 5 to drive the switching element, as shown in FIG. When the reference voltage Vref2 is exceeded, the output of the
図5のPWM/PFM切替え方式のDC−DCコンバータにあっては、軽負荷時にはスイッチング周波数が低下しスイッチング損失が減少するため、PWM制御のみのDC−DCコンバータに比べて軽負荷時の電力効率を向上させることができるという利点がある。 In the PWM / PFM switching type DC-DC converter of FIG. 5, the switching frequency is reduced and the switching loss is reduced at light load, so that the power efficiency at light load is lower than that of the DC-DC converter only with PWM control. There is an advantage that can be improved.
しかしながら、図5のようなDC−DCコンバータは、軽負荷時のPFM制御モードにおいて、負荷が一定であったとしても、図6の(A)のように誤差アンプ21の出力が変化し、Vref2よりも低い期間T1では図6の(E)のようにスイッチング素子SW1のゲート入力電圧がハイレベルとなるため、SW1が比較的長い間オフ状態となる。そして、このSW1のオフの期間が毎回異なるため、出力電圧のリップル(変動幅)がばらつくとともに、リップルも大きなものになってしまうという不具合がある。
また、重負荷時にはPWM制御で動作するが、PWM制御は周期が固定であるため、PWM制御モードにおいてはデューティが大きくなるほどリップルが大きくなるという課題がある。しかも、PWMとPFMのモード切替えを行う従来のDC−DCコンバータにあっては、モードの切替えの遅延により誤動作や特性悪化が起き易いという課題がある。
However, in the DC-DC converter as shown in FIG. 5, even if the load is constant in the light load PFM control mode, the output of the
Although the PWM control operates in heavy load, the PWM control has a fixed period. Therefore, in the PWM control mode, there is a problem that the ripple increases as the duty increases. Moreover, the conventional DC-DC converter that switches the mode between PWM and PFM has a problem that malfunction and characteristic deterioration are likely to occur due to a delay in switching the mode.
さらに、図6のパルス生成回路31により生成されるパルスは、一般にパルス幅が固定でデューティは最大で50%、つまりオン時間とオフ時間が同一となるように設計されるので、入力電圧範囲がデューティに制限される、つまり入力電圧があるレベル以下になるとそれ以上パルスのデューティが大きくならないため、コイルに流す電流が不足して所望の出力電圧が得られなくなるとともに、もっと電流を流そうとしてスイッチング回数が増加して電力効率が低下するという課題があることが分かった。
Furthermore, the pulse generated by the
本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、軽負荷時および重負荷時の電力効率を向上させるとともに重負荷時の出力のリップルを小さくすることができる制御技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、従来に比べてより低い入力電圧範囲まで所望の出力電圧が得られる制御技術を提供することにある。
The present invention has been made paying attention to the above-described problems. The object of the present invention is to improve the power efficiency at the time of light load and heavy load and improve the power efficiency in a switching regulator type DC-DC converter. It is an object of the present invention to provide a control technique capable of reducing output ripple during load.
Another object of the present invention is to provide a control technique for obtaining a desired output voltage in a switching regulator type DC-DC converter in a lower input voltage range as compared with the prior art.
本発明は、上記目的を達成するため、
電圧変換用のインダクタに電流を流す駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号を生成し出力するスイッチング制御回路であって、
フィードバック電圧に応じた電圧を出力する誤差増幅回路と、
前記駆動用スイッチング素子に流れる電流を検出し該電流に比例した電流を出力する第1電流検出回路と、
前記駆動用スイッチング素子と直列に接続される整流素子に流れる電流を検出し該電流に比例した電流を出力する第2電流検出回路と、
前記第1電流検出回路および第2電流検出回路より出力された電流と定電流源の電流とを合成した電流によって充電される容量素子および該容量素子の充電電荷を放電可能な放電手段を有し前記合成した電流の大きさに応じた傾きを有する波形信号を生成する波形生成回路と、
前記誤差増幅回路の出力と前記波形生成回路の出力とを入力とする第1の電圧比較回路と、
前記波形生成回路の出力と所定の電圧とを比較する第2の電圧比較回路と、
前記第1の電圧比較回路の出力および前記第2の電圧比較回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号を生成する駆動制御回路と、を備えるようにした。
In order to achieve the above object, the present invention
A switching control circuit that generates and outputs an off / on drive signal of a driving switching element that causes a current to flow through an inductor for voltage conversion,
An error amplification circuit that outputs a voltage corresponding to the feedback voltage;
A first current detection circuit for detecting a current flowing through the driving switching element and outputting a current proportional to the current;
A second current detection circuit for detecting a current flowing through a rectifying element connected in series with the driving switching element and outputting a current proportional to the current;
A capacitive element that is charged by a current obtained by synthesizing a current output from the first current detection circuit and the second current detection circuit and a current of a constant current source; and a discharging unit that can discharge the charge of the capacitive element. A waveform generation circuit for generating a waveform signal having a slope according to the magnitude of the combined current;
A first voltage comparison circuit that receives the output of the error amplification circuit and the output of the waveform generation circuit;
A second voltage comparison circuit for comparing the output of the waveform generation circuit with a predetermined voltage;
And a drive control circuit for generating an on / off drive signal for the drive switching element based on the output of the first voltage comparison circuit and the output of the second voltage comparison circuit.
上記のような手段によれば、上記波形生成回路により生成される波形信号の周期が、駆動用スイッチング素子に流れる電流および整流素子に流れる電流に応じて変化されるため、駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号の周波数が出力電流に応じて変化されるとともに、第1の電圧比較回路が誤差増幅回路の出力と前記波形生成回路の出力とを比較し、駆動制御回路が該第1の電圧比較回路の出力に基づいて駆動用スイッチング素子のオンもしくはオフタイミングを決定するので、出力電圧に応じて駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号のパルス幅が変化する。そのため出力電流が小さい場合にはスイッチング周波数が低下して電力効率の低下を回避できるとともに、入力電圧が低下した場合には駆動用スイッチング素子のオン時間が長くされるので、入力電圧がかなり低下しても所望の出力電圧が得られるようになる。また、重負荷時にはスイッチング周波数が高くなることで、DC−DCコンバータの出力のリップルを小さくすることができる。 According to the above means, since the cycle of the waveform signal generated by the waveform generation circuit is changed according to the current flowing through the driving switching element and the current flowing through the rectifying element, the driving switching element is turned off. The frequency of the ON drive signal is changed according to the output current, the first voltage comparison circuit compares the output of the error amplification circuit and the output of the waveform generation circuit, and the drive control circuit outputs the first voltage. Since the ON / OFF timing of the driving switching element is determined based on the output of the comparison circuit, the pulse width of the driving switching element OFF / ON driving signal changes according to the output voltage. Therefore, when the output current is small, the switching frequency can be reduced to avoid a reduction in power efficiency, and when the input voltage is reduced, the on-time of the driving switching element is lengthened, so that the input voltage is considerably reduced. However, a desired output voltage can be obtained. In addition, when the load is heavy, the output frequency of the DC-DC converter can be reduced by increasing the switching frequency.
ここで、望ましくは、前記駆動制御回路は、前記第1の電圧比較回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオフタイミングを決定し、前記第2の電圧比較回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオンタイミングを決定するように構成する。これにより、出力電圧および出力電流に応じてスイッチング周波数および駆動信号のパルス幅を可変制御できる制御ループを容易に構築することができる。 Preferably, the drive control circuit determines an off timing of the drive switching element based on an output of the first voltage comparison circuit, and the drive control circuit determines the drive based on an output of the second voltage comparison circuit. The on-timing of the switching element is determined. As a result, a control loop capable of variably controlling the switching frequency and the pulse width of the drive signal according to the output voltage and the output current can be easily constructed.
また、望ましくは、前記駆動制御回路は、前記第1の電圧比較回路の出力がリセット端子またはセット端子に入力され、前記第2の電圧比較回路の出力がセット端子またはリセット端子に入力されたフリップフロップ回路により構成する。これにより、駆動用スイッチング素子のオンタイミングとオフタイミングを決定できる回路を、簡単な回路で実現することができ、設計が容易になる。 Preferably, the drive control circuit includes a flip-flop in which an output of the first voltage comparison circuit is input to a reset terminal or a set terminal, and an output of the second voltage comparison circuit is input to a set terminal or a reset terminal. It is configured by a circuit. As a result, a circuit capable of determining the on-timing and off-timing of the driving switching element can be realized with a simple circuit, and the design becomes easy.
さらに、望ましくは、前記波形生成回路の放電手段は電界効果トランジスタにより構成され、該トランジスタは、前記第2の電圧比較回路の出力によってオン、オフ制御され前記容量素子の充電電荷を放電可能に構成する。これにより、トランジスタ1つと容量素子1つとで波形生成回路を構成することができ、回路設計が容易になるとともに、占有面積を低減しIC化する場合にはチップサイズを小さくすることができる。 Further preferably, the discharge means of the waveform generating circuit is configured by a field effect transistor, and the transistor is controlled to be turned on and off by the output of the second voltage comparison circuit so that the charge of the capacitive element can be discharged. To do. As a result, a waveform generation circuit can be configured with one transistor and one capacitor, which facilitates circuit design and reduces the chip size when the occupied area is reduced to form an IC.
また、望ましくは、前記駆動用スイッチング素子と整流素子はそれぞれ電界効果トランジスタであり、前記第1電流検出回路は前記駆動用スイッチング素子のソース電圧およびドレイン電圧を入力とする第1電圧−電流変換回路により構成され、前記第2電流検出回路は前記整流素子のソース電圧およびドレイン電圧を入力とする第2電圧−電流変換回路により構成され、前記第1電圧−電流変換回路および第2電圧−電流変換回路にはそれぞれ対応するトランジスタがオンしているときのソース電圧およびドレイン電圧が入力され電圧差に応じた電流を出力するように構成する。これにより、出力電流に比例した電流を正確に生成してスイッチング制御の精度を向上させることができる。
ここで、前記第1電圧−電流変換回路および第2電圧−電流変換回路は電圧入力−電流出力型の差動アンプにより構成することができる。これによって、公知の回路を利用して電圧−電流変換回路を実現できるようになるため、回路設計が容易に行えるようになる。
Preferably, each of the driving switching element and the rectifying element is a field effect transistor, and the first current detection circuit receives a source voltage and a drain voltage of the driving switching element as a first voltage-current conversion circuit. The second current detection circuit is constituted by a second voltage-current conversion circuit that receives the source voltage and drain voltage of the rectifying element, and the first voltage-current conversion circuit and the second voltage-current conversion. The circuit is configured such that a source voltage and a drain voltage when the corresponding transistor is turned on are input and a current corresponding to the voltage difference is output. Thereby, the current proportional to the output current can be accurately generated, and the accuracy of the switching control can be improved.
Here, the first voltage-current conversion circuit and the second voltage-current conversion circuit can be configured by a voltage input-current output type differential amplifier. As a result, a voltage-current conversion circuit can be realized using a known circuit, so that circuit design can be easily performed.
さらに、望ましくは、前記前記第1電圧−電流変換回路および第2電圧−電流変換回路の電流を、前記波形生成回路に流し込んだり遮断したりするスイッチ手段を設ける。これにより、例えば通常は定電流源の電流を使用して固定周波数の波形信号を生成することでPWM制御を行い、軽負荷時あるいは重負荷時には電圧−電流変換回路からの出力電流を加算もしくは減算して波形信号を生成することで周波数およびパルス幅の可変制御を行うことが可能となり、軽負荷時および重負荷時のいずれの状態における効率も向上させることができる。 Further preferably, there is provided switch means for flowing or blocking the currents of the first voltage-current conversion circuit and the second voltage-current conversion circuit into the waveform generation circuit. Thus, for example, PWM control is normally performed by generating a fixed frequency waveform signal using the current of a constant current source, and the output current from the voltage-current conversion circuit is added or subtracted at light load or heavy load Thus, by generating the waveform signal, it is possible to perform variable control of the frequency and the pulse width, and the efficiency in both the light load state and the heavy load state can be improved.
さらに、上記のように構成されたスイッチング制御回路と、電圧変換用のインダクタと、該インダクタに電流を流す駆動用スイッチング素子と、該駆動用スイッチング素子がオフされている期間にコイルの電流を整流する整流素子と、出力端子に接続された平滑用コンデンサとを備え、出力端子の電圧を分圧した電圧がフィードバック電圧として誤差増幅回路に入力されるDC−DCコンバータを構成する。これにより、出力のリップルの小さなDC−DCコンバータを実現することができる。 Furthermore, the switching control circuit configured as described above, an inductor for voltage conversion, a driving switching element for passing a current through the inductor, and rectifying the coil current during a period in which the driving switching element is off. And a smoothing capacitor connected to the output terminal, and a voltage obtained by dividing the voltage at the output terminal is input as a feedback voltage to the error amplifier circuit. Thereby, a DC-DC converter with small output ripple can be realized.
本発明に従うと、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、軽負荷時および重負荷時の電力効率を向上させるとともに重負荷時の出力のリップルを小さくすることができる。また、従来に比べてより低い入力電圧範囲まで所望の出力電圧が得られるという効果がある。 According to the present invention, in a switching regulator type DC-DC converter, it is possible to improve power efficiency at light load and heavy load and reduce output ripple at heavy load. In addition, there is an effect that a desired output voltage can be obtained up to a lower input voltage range than in the prior art.
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明を適用したスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータの一実施形態を示す。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an embodiment of a switching regulator type DC-DC converter to which the present invention is applied.
この実施形態のDC−DCコンバータは、インダクタとしてのコイルL1、直流入力電圧Vinが印加される電圧入力端子INと上記コイルL1の一方の端子との間に接続されコイルL1に電流を流すPチャネルMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)からなるスイッチング素子としての駆動用トランジスタSW1、電圧入力端子INと接地点との間にSW1と直列に接続されたNチャネルMOSFETからなる整流用トランジスタSW2、これらのトランジスタSW1,SW2をオン、オフ制御するスイッチング制御回路20、上記コイルL1の他方の端子と接地点との間に接続された平滑用コンデンサC1を備える。
The DC-DC converter of this embodiment includes a coil L1 serving as an inductor, a voltage input terminal IN to which a DC input voltage Vin is applied, and one terminal of the coil L1, and a P channel for passing a current through the coil L1. A driving transistor SW1 as a switching element composed of a MOSFET (insulated gate field effect transistor), a rectifying transistor SW2 composed of an N-channel MOSFET connected in series with SW1 between the voltage input terminal IN and the ground point, A switching
特に限定されるものではないが、DC−DCコンバータを構成する素子のうち、コイルL1および平滑用コンデンサC1以外の素子は半導体チップ上に形成され、スイッチング制御回路20およびトランジスタSW1,SW2は半導体集積回路(電源駆動用IC)として構成され、コイルL1およびコンデンサC1はこのICに設けられている外部端子に外付け素子として接続されるようになっている。
Although not particularly limited, among the elements constituting the DC-DC converter, elements other than the coil L1 and the smoothing capacitor C1 are formed on a semiconductor chip, and the switching
この実施形態のDC−DCコンバータにおいては、トランジスタSW1とSW2を相補的にオン、オフさせるような駆動信号がスイッチング制御回路20により生成されるようになっており、定常状態では、駆動用トランジスタSW1がオンされるとコイルL1に直流入力電圧Vinが印加されて出力端子へ向かう電流が流されて平滑用コンデンサC1が充電され、駆動用トランジスタSW1がオフされると代わって整流用トランジスタSW2がオンされ、このオンされたトランジスタSW2を通してコイルL1に電流が流される。そして、SW1の制御端子(ゲート端子)に入力される駆動信号のパルス幅および周波数が出力に応じて制御されることで、直流入力電圧Vinを降圧した直流出力電圧Voutが発生される。
In the DC-DC converter of this embodiment, the switching
この実施形態のスイッチング制御回路20は、出力のフィードバック端子FBと接地点との間に直列に接続され抵抗比で出力電圧Voutを分圧するブリーダ抵抗R1,R2と、このブリーダ抵抗R1,R2で分圧された電圧と参照電圧Vref1とを比較して電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ21と、該誤差アンプ21の出力が反転入力端子に入力される第1コンパレータ22と、該コンパレータ22の非反転入力端子に入力される鋸歯状の波形信号RAMPを生成する波形生成回路23を有する。
The switching
また、スイッチング制御回路20は、波形生成回路23の出力が非反転入力端子に入力され反転入力端子に参照電圧Vref2が入力される第2コンパレータ24と、該第2コンパレータ24の出力がセット端子に入力され前記第1コンパレータ22の出力がリセット端子に入力されたRSフリップフロップ25とを有し、該フリップフロップ25の出力QNによって上記トランジスタSW1,SW2をオン、オフ駆動するように構成されている。従って、フリップフロップ25は駆動制御回路として機能する。通常は、フリップフロップ25の後段にドライバが設けられるが、図1ではフリップフロップ25の出力段がドライバとして構成されている。
The switching
さらに、この実施形態のスイッチング制御回路20には、Pチャネル側のスイッチ電流を検出するための電流検出用アンプ26aと、Nチャネル側のスイッチ電流を検出するための電流検出用アンプ26bと、駆動用トランジスタSW1のソース電圧を電流検出用アンプ26aの反転入力端子に伝えるスイッチMOSトランジスタQ1と、整流用トランジスタSW2のドレイン電圧を電流検出用アンプ26bの非反転入力端子に伝えるスイッチMOSトランジスタQ2と、駆動用トランジスタSW1のソース電圧またはドレイン電圧を電流検出用アンプ26aの非反転入力端子に伝えるセレクタ27(切替えスイッチ)とが設けられている。電流検出用アンプ26a,26bは、例えばgmアンプ(電圧入力−電流出力型の差動アンプ)などで構成され、電圧−電流変換回路として機能する。
Further, the switching
スイッチMOSトランジスタQ2のゲート端子には整流用トランジスタSW2のゲート端子に印加される電圧と同じフリップフロップ25の出力QNが印加され、整流用トランジスタSW2がオンされてドレイン電流が流れることによって生じる電圧差を電流検出用アンプ26bによって検出する。つまり、電流検出用アンプ26bは整流用トランジスタSW2のオン時に流れるドレイン電流に比例した電流を出力する。
The voltage difference generated when the output QN of the flip-
一方、スイッチMOSトランジスタQ1のゲート端子には接地電位が印加されて常時オン状態にされるとともに、そのドレイン端子が電流検出用アンプ26aの反転入力端子に接続されていて、常時駆動用トランジスタSW1のソース電圧を電流検出用アンプ26aの反転入力端子に印加する。また、セレクタ27はフリップフロップ25の出力QNによって切り替えられて、駆動用トランジスタSW1がオンされている間はSW1のドレイン電圧を電流検出用アンプ26aの非反転入力端子に伝え、SW1がオフされている間はSW1のソース電圧を電流検出用アンプ26aの非反転入力端子に伝える。
すなわち、電流検出用アンプ26aは、駆動用トランジスタSW1がオンされてドレイン電流が流れることによって生じる電圧差を検出し、SW1のオン時に流れるドレイン電流に比例した電流を出力する。また、SW1がオフされている間は、セレクタ27によって電流検出用アンプ26aの2つの入力端子に同一の電圧が供給されて、電流検出用アンプ26aの出力電流はゼロとなる。
On the other hand, a ground potential is applied to the gate terminal of the switch MOS transistor Q1 so that it is always turned on, and its drain terminal is connected to the inverting input terminal of the
That is, the
スイッチMOSトランジスタQ1のゲート端子には駆動用トランジスタSW1と同様にフリップフロップ25の出力QNを印加し、Q1のドレイン電圧を電流検出用アンプ26aの反転入力端子に印加するように構成しても良いが、PチャネルMOSはNチャネルMOSに比べて動作速度が遅いので、スイッチMOSトランジスタQs1のゲート端子に接地電位を印加して常時オン状態にさせておいて、駆動用トランジスタSW1がオンされるときにそのソース電圧とドレイン電圧を電流検出用アンプ26aへ入力することで、遅れを生じることなくSW1のオン時に流れるドレイン電流に比例した電流を電流検出用アンプ26aより出力させることができる。
ちなみに、SW1,SW2に流れる電流は負荷電流ILに比例するので、電流検出用アンプ26a,26bの出力電流は負荷電流ILに比例することとなる。なお、駆動用トランジスタSW1と整流用トランジスタSW2にそれぞれカレントミラー接続されたMOSトランジスタを設けて、SW1とSW2に流れる電流に比例した電流を流して、その電流を電流検出用アンプ26a,26bで検出するように構成しても良い。
Similarly to the drive transistor SW1, the output QN of the flip-
Incidentally, since the currents flowing through SW1 and SW2 are proportional to the load current IL, the output currents of the
波形生成回路23は、電源電圧端子と接地点との間に直列に接続された定電流源CS1および容量C2と、該容量C2と並列に接続されたディスチャージ用のNチャネルMOSトランジスタQ3とにより構成されている。そして、このトランジスタQ3のゲート端子に上記第2コンパレータ24の出力端子が接続され、Q3は第2コンパレータ24の出力によってオン、オフ制御される。
また、容量C2とトランジスタQ3との接続ノードN2に上記電流検出用アンプ26a,26bの出力端子が接続されており、容量C2は定電流源CS1の電流に電流検出用アンプ26a,26bの出力電流を加算(もしくは減算)した電流で充電されるように構成されている。そして、上記第1コンパレータ22および第2コンパレータ24の非反転入力端子に、接続ノードN2の電位が入力されている。
The
The output terminal of the
これにより、波形生成回路23は、トランジスタQ3が第2コンパレータ24の出力によってオフ状態にされると容量C2が充電されてノードN2の電位V2が上昇し、ノードN2の電位V2が参照電圧Vref2に達すると第2コンパレータ24の出力がハイレベルに変化してトランジスタQ3がオンされる。その結果、容量C2の電荷が放電されてノードN2の電位V2が急峻に立ち下がり、V2は図2(B)のように鋸歯状に変化する波形となる。
この鋸波が第1コンパレータ22および第2コンパレータ24の非反転入力端子に供給されている。ノードN2の電位V2の上昇時の波形の傾きは、定電流源CS1の電流に電流検出用アンプ26a,26bの出力電流を加算もしくは減算した合成電流に比例しており、合成電流が大きいほど傾きは急峻で、合成電流が小さいほど傾きは緩やかになる。
As a result, when the transistor Q3 is turned off by the output of the
This sawtooth wave is supplied to the non-inverting input terminals of the
次に、上記スイッチング制御回路20の動作を、図2のタイミングチャートを用いて説明する。なお、図2(B)において、Verrorで示されているのは、誤差アンプ21の出力電圧であり、この電圧Verrorと上記ノードN2の電位V2が第1コンパレータ22に入力されている。
Next, the operation of the switching
図2(A)に示す期間T1,T3のように、負荷電流ILが小さいときは図2(B)のようにノードN2の電位V2が徐々に上昇し、V2が誤差アンプ21の出力電圧Verrorを超えると、図2(C)のように第1コンパレータ22の出力がロウレベルからハイレベルに変化して、RSフリップフロップ25がリセットされ、図2(E)のようにゲート駆動信号GP1がロウレベルからハイレベルに変化する(タイミングt1)。
When the load current IL is small as in the periods T1 and T3 shown in FIG. 2A, the potential V2 of the node N2 gradually increases as shown in FIG. 2B, and V2 is the output voltage Verror of the
その後、ノードN2の電位V2がさらに上昇して第2コンパレータ24の判別レベルである参照電圧Vref2に達すると、図2(D)のように第2コンパレータ24の出力がハイレベルに変化して、RSフリップフロップ25がセットされ、図2(E)のようにゲート駆動信号GP1がハイレベルからロウレベルに変化する(タイミングt2)。また、このとき同時にトランジスタQ3がオンされ、容量C2を放電することによりノードN2の電位V2が急峻に立ち下がる。
すると、第1コンパレータ22の出力がハイレベルからロウレベルに変化する。また、第2コンパレータ24の出力もロウレベルに変化するため、図2(D)のように短いパルス状の波形となる。上記動作を繰り返すことにより、駆動用トランジスタSW1がオンとオフを繰り返すスイッチング動作される。また、整流用トランジスタSW2は駆動信号GP1によって、SW1と相補的にオン、オフ駆動される。
Thereafter, when the potential V2 of the node N2 further rises and reaches the reference voltage Vref2 that is the discrimination level of the
Then, the output of the
図2(A)に示す期間T2のように、負荷電流ILが大きいときは回路の動作自体は上記ILが小さいときと同じであるが、電流検出用アンプ26a,26bの出力電流が多くなるため、ノードN2の電位V2の傾きが大きくなる。その結果、駆動用トランジスタSW1のゲート駆動信号GP1のパルス幅が狭くなるが、同時に周期も短くなり、かかるパルスで駆動用トランジスタSW1がオン、オフ駆動される。
As in the period T2 shown in FIG. 2A, when the load current IL is large, the circuit operation itself is the same as when the IL is small, but the output currents of the
また、負荷が変動して出力電圧Voutが変化すると、それに応じて誤差アンプ21の出力Verrorが変化することで、ゲート駆動信号GP1のパルス幅が変化される。具体的には、例えば図2(A)に示す期間T1,T3のように、負荷が小さく誤差アンプ21のVerrorが低い期間では、図2(C)のように第1コンパレータ22の出力のパルス幅が広くSW1のオフ期間が長くなるとともに周期が長くなる。一方、図2(A)に示す期間T2のように、負荷が大きく誤差アンプ21のVerrorが高い期間では、第1コンパレータ22の出力のパルス幅が狭くなって、ゲート駆動信号GP1のロウレベルの期間すなわち駆動用トランジスタSW1のオン期間が長くなるとともに周期が短くなる。
Further, when the load fluctuates and the output voltage Vout changes, the output Verror of the
上記のように、本実施形態のDC−DCコンバータにおいては、負荷の変動に応じて駆動信号のパルスの周期およびパルス幅の両方の制御が行なわれることとなる。そのため、例えば入力電圧が下がった場合にも、デューティが制限されるようなことがなく、負荷電流が小さい場合にはスイッチング周波数が下がることにより、スイッチング回数が減少し貫通電流による効率の低下が回避されるようになる。また、負荷が増加するとスイッチング周波数が高くなり周期が短くなるため、リップル(出力電圧の変動)が小さくなるという利点もある。 As described above, in the DC-DC converter according to this embodiment, both the pulse period and pulse width of the drive signal are controlled in accordance with the load variation. For this reason, for example, when the input voltage drops, the duty is not limited, and when the load current is small, the switching frequency is lowered, thereby reducing the number of switchings and avoiding the decrease in efficiency due to the through current. Will come to be. Further, when the load is increased, the switching frequency is increased and the period is shortened, so that there is an advantage that ripple (variation in output voltage) is reduced.
(変形例1)
次に、上記実施形態のスイッチング制御回路およびDC−DCコンバータの変形例を、図3を用いて説明する。
図3に示す変形例は、図1の実施形態における電流検出用アンプ26a,26bの出力端子と波形生成回路23との間に、オン/オフ・スイッチSW3を設けたものである。この変形例においては、スイッチSW3をオン状態にすると、電流検出用アンプ26a,26bの出力電流が波形生成回路23に供給され、スイッチング制御回路20は図1の実施形態の制御回路と全く同じ動作をし、駆動用トランジスタSW1は、周波数およびパルス幅が出力に応じて変化する可変パルスで駆動される(第1モード)。
(Modification 1)
Next, a modification of the switching control circuit and the DC-DC converter of the above embodiment will be described with reference to FIG.
In the modification shown in FIG. 3, an on / off switch SW3 is provided between the output terminals of the
一方、スイッチSW3をオフ状態にすると、電流検出用アンプ26a,26bの出力電流が波形生成回路23に供給されなくなり、波形生成回路23は定電流源CS1の電流のみで動作し、固定デューティのパルスを生成する。これにより、図6に示されているPWM/PFM切替え方式のDC−DCコンバータにおけるPWM制御モードと同様な動作をし、駆動用トランジスタSW1は周波数が固定でパルス幅が出力電圧に応じて変化するPWMパルスで駆動される(第2モード)。
On the other hand, when the switch SW3 is turned off, the output currents of the
なお、スイッチSW3を制御する信号は、外部のCPUなどの制御回路から供給するように構成することができる。従って、この変形例では、例えばシステム全体を制御するCPUが、負荷の状態に応じて制御信号を変化させてスイッチSW3をオンさせ、電流検出用アンプ26a,26bの出力電流を使用しないモード(第2モード)から電流検出用アンプ26a,26bの出力電流を使用するモード(第1モード)に切り替えることで、スイッチング周波数およびパルス幅が負荷に応じて変化するように動作させることができる。
The signal for controlling the switch SW3 can be configured to be supplied from a control circuit such as an external CPU. Therefore, in this modification, for example, the CPU that controls the entire system changes the control signal according to the state of the load to turn on the switch SW3 and does not use the output current of the
また、スイッチSW3の制御信号を外部から入力させる代わりに、入力電圧Vinが所定のレベル以下あるいは以上になったか否かを検出する入力電圧検出回路を設け、入力電圧Vinが所定のレベル以上または以下の場合は波形生成回路23への電流検出用アンプ26a,26bの出力電流の供給を遮断し、入力電圧Vinが所定のレベル以下または以上になった場合には電流検出用アンプ26a,26bの出力電流を波形生成回路23へ供給させるように構成しても良い。
Further, instead of inputting the control signal of the switch SW3 from the outside, an input voltage detection circuit is provided for detecting whether or not the input voltage Vin is equal to or lower than a predetermined level, and the input voltage Vin is equal to or higher than a predetermined level. In this case, the supply of the output currents of the
(変形例2)
図4には、上記実施形態のスイッチング制御回路の第2の変形例が示されている。
図4に示す第2変形例は、図1の実施形態におけるスイッチ素子として機能するMOSトランジスタQ1,Q2の代わりに、駆動用トランジスタSW1および整流用トランジスタSW2に対してそれぞれカレントミラー接続されたMOSトランジスタQ1’,Q2’と、これらのトランジスタQ1’,Q2’とそれぞれ直列に接続された電流検出用の抵抗Rs1,Rs2とを設け、抵抗Rs1,Rs2の両端子電圧をそれぞれ電流検出用アンプ26a,26bに入力し電圧差に応じた電流を出力させるように構成したものである。
(Modification 2)
FIG. 4 shows a second modification of the switching control circuit of the above embodiment.
The second modification shown in FIG. 4 is a MOS transistor that is current-mirror connected to the driving transistor SW1 and the rectifying transistor SW2, respectively, instead of the MOS transistors Q1 and Q2 functioning as switch elements in the embodiment of FIG. Q1 ′ and Q2 ′ and current detection resistors Rs1 and Rs2 connected in series with these transistors Q1 ′ and Q2 ′ are provided, and both terminal voltages of the resistors Rs1 and Rs2 are respectively set as
なお、MOSトランジスタQ1’はPチャネル型、Q2’はNチャネル型であり、各々サイズが駆動用トランジスタSW1、整流用トランジスタSW2の数10分の1あるいは数100分の1の大きさとされる。ただし、SW1とQ1’のサイズ比、SW2とQ2’のサイズ比は同一である。この第2変形例のスイッチング制御回路においても、図1の実施形態のスイッチング制御回路とほぼ同様に、駆動用トランジスタSW1と整流用トランジスタSW2に流れる電流値に比例した電流値を検出することで、波形生成回路23によって負荷電流の大きさに応じた傾きを有する鋸歯状の波形信号RAMPを生成してコンパレータ22,24に供給し、パルス幅および周波数が負荷電流の大きさに応じて変化する駆動パルスを生成して駆動用トランジスタSW1をスイッチング駆動することができる。
Note that the MOS transistor Q1 'is a P-channel type, and Q2' is an N-channel type, and each size is one-tenth or hundredth of the size of the driving transistor SW1 and the rectifying transistor SW2. However, the size ratio between SW1 and Q1 'and the size ratio between SW2 and Q2' are the same. In the switching control circuit of the second modification example, a current value proportional to the current value flowing through the driving transistor SW1 and the rectifying transistor SW2 is detected in substantially the same manner as the switching control circuit of the embodiment of FIG. A sawtooth-shaped waveform signal RAMP having a slope corresponding to the magnitude of the load current is generated by the
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、スイッチング素子SW1,SW2としてオンチップの素子を使用するとしたが、制御用ICと別個に形成された外付け素子を使用するようにしても良い。また、前記実施形態では、駆動用トランジスタSW1と直列に整流用トランジスタSW2を接続してSW1と相補的にオン、オフさせる同期整流型のDC−DCコンバータを示したが、整流用トランジスタSW2の代わりにダイオードを使用したダイオード整流型のDC−DCコンバータに適用することも可能である。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, on-chip elements are used as the switching elements SW1 and SW2, but external elements formed separately from the control IC may be used. In the above embodiment, the synchronous rectification type DC-DC converter is shown in which the rectification transistor SW2 is connected in series with the drive transistor SW1 and turned on and off complementarily with the SW1, but instead of the rectification transistor SW2 It is also possible to apply to a diode rectification type DC-DC converter using a diode.
さらに、前記実施形態では、フリップフロップ25としてセット端子とリセット端子を有するRSフリップフロップを使用しているが、他の形式のフリップフロップであってもよい。また、フリップフロップ25の出力によってスイッチトランジスタSW1とSW2をオン・オフしているが、フリップフロップ25の後段に、SW1とSW2が同時にオン状態になって貫通電流が流れないように、いわゆるデッドタイムを有するゲート駆動信号を生成する駆動信号生成回路を設けても良い。
Furthermore, in the embodiment, an RS flip-flop having a set terminal and a reset terminal is used as the flip-
また、以上の説明では、本発明を降圧型のDC−DCコンバータに適用した例を説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、昇圧型のDC−DCコンバータや負電圧を発生する反転型のDC−DCコンバータにも適用することができる。 In the above description, the present invention is applied to a step-down DC-DC converter. However, the present invention is not limited thereto, and a step-up DC-DC converter or a negative voltage is generated. The present invention can also be applied to an inverting DC-DC converter.
20 スイッチング制御回路
21 誤差アンプ
22 第1コンパレータ
23 波形生成回路
24 第2コンパレータ
25 フリップフロップ(駆動制御回路)
26a,26b 電流検出用アンプ
27 セレクタ(切替えスイッチ)
L1 コイル(インダクタ)
C1 平滑容量
SW1 コイル駆動用トランジスタ(駆動用スイッチング素子)
SW2 同期整流用トランジスタ(整流用スイッチング素子)
CS1 定電流源
20
26a, 26b
L1 coil (inductor)
C1 Smoothing capacitor SW1 Coil driving transistor (driving switching element)
SW2 Synchronous rectifier transistor (rectifier switching element)
CS1 constant current source
Claims (8)
フィードバック電圧に応じた電圧を出力する誤差増幅回路と、
前記駆動用スイッチング素子に流れる電流を検出し該電流に比例した電流を出力する第1電流検出回路と、
前記駆動用スイッチング素子と直列に接続された整流素子に流れる電流を検出し該電流に比例した電流を出力する第2電流検出回路と、
前記第1電流検出回路および第2電流検出回路より出力された電流と定電流源の電流とを合成した電流によって充電される容量素子および該容量素子の充電電荷を放電可能な放電手段を有し前記合成した電流の大きさに応じた傾きを有する波形信号を生成する波形生成回路と、
前記誤差増幅回路の出力と前記波形生成回路の出力とを入力とする第1の電圧比較回路と、
前記波形生成回路の出力と所定の電圧とを比較する第2の電圧比較回路と、
前記第1の電圧比較回路の出力および前記第2の電圧比較回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号を生成する駆動制御回路と、
を備えることを特徴とするスイッチング制御回路。 A switching control circuit that generates and outputs an off / on drive signal of a driving switching element that causes a current to flow through an inductor for voltage conversion,
An error amplification circuit that outputs a voltage corresponding to the feedback voltage;
A first current detection circuit for detecting a current flowing through the driving switching element and outputting a current proportional to the current;
A second current detection circuit for detecting a current flowing in a rectifying element connected in series with the driving switching element and outputting a current proportional to the current;
A capacitive element that is charged by a current obtained by synthesizing a current output from the first current detection circuit and the second current detection circuit and a current of a constant current source; and a discharging unit that can discharge the charge of the capacitive element. A waveform generation circuit for generating a waveform signal having a slope according to the magnitude of the combined current;
A first voltage comparison circuit that receives the output of the error amplification circuit and the output of the waveform generation circuit;
A second voltage comparison circuit for comparing the output of the waveform generation circuit with a predetermined voltage;
A drive control circuit for generating an off / on drive signal for the drive switching element based on an output of the first voltage comparison circuit and an output of the second voltage comparison circuit;
A switching control circuit comprising:
前記第1電流検出回路は前記駆動用スイッチング素子のソース電圧およびドレイン電圧を入力とする第1電圧−電流変換回路により構成され、
前記第2電流検出回路は前記整流素子のソース電圧およびドレイン電圧を入力とする第2電圧−電流変換回路により構成され、
前記第1電圧−電流変換回路および第2電圧−電流変換回路にはそれぞれ対応するトランジスタがオンしているときのソース電圧およびドレイン電圧が入力され電圧差に応じた電流を出力するように構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のスイッチング制御回路。 Each of the driving switching element and the rectifying element is a field effect transistor,
The first current detection circuit is constituted by a first voltage-current conversion circuit that receives a source voltage and a drain voltage of the driving switching element,
The second current detection circuit is constituted by a second voltage-current conversion circuit that receives a source voltage and a drain voltage of the rectifier element as inputs.
The first voltage-current conversion circuit and the second voltage-current conversion circuit are each configured to input a source voltage and a drain voltage when the corresponding transistor is turned on and output a current corresponding to the voltage difference. The switching control circuit according to claim 1, wherein the switching control circuit is provided.
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