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JP4403359B2 - Switching regulator - Google Patents

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JP4403359B2
JP4403359B2 JP2003033928A JP2003033928A JP4403359B2 JP 4403359 B2 JP4403359 B2 JP 4403359B2 JP 2003033928 A JP2003033928 A JP 2003033928A JP 2003033928 A JP2003033928 A JP 2003033928A JP 4403359 B2 JP4403359 B2 JP 4403359B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、負荷への出力電圧をモニタすることにより、負荷に一定の電力を供給するスイッチングレギュレータに関し、特に、小型電子機器の電源装置として利用して好適なスイッチングレギュレータに関する。
【0002】
【従来の技術】
同期式の降圧型スイッチングレギュレータは、半導体スイッチなどのオン、オフにより直流電圧電源を高速にオンオフすることによってパルス化し、そのパルス幅に応じて出力電圧をコントロールするものである。このようなスイッチングレギュレータは、パルス幅を狭くすれば電圧は低く、広くすれば高くなる変換を行うものであり、変換効率がよく電源を小型化でき、小型電子機器の電源装置などに使用することが多い。
【0003】
図12に、従来のスイッチングレギュレータの一例を示す。一般的な同期式スイッチングレギュレータの基本的構成は、電源入力が供給される電圧入力端子Vinと接地された基準電位端子との間に直列に接続された一対のスイッチング素子SWP,SWN、これらスイッチング素子SWPのソースとSWNのドレインとを接続する出力ノードn1と負荷を接続した出力端子13との間に配置されたインダクタ素子L、及び出力電圧Voutを決定する出力コンデンサCoからなり、ドライブ回路10によりスイッチング素子SWP,SWNをオンオフ制御することにより電源入力の電圧を変換し、出力コンデンサCoに出力する。この出力電圧Voutの大きさは比較器11にフィードバックされ、さらに発振器12で発生する三角波信号と比較されることにより、スイッチング素子SWP,SWNのオンオフ周期を制御している。このとき、出力ノードn1を介してインダクタ素子Lに流れるインダクタ電流i自体は、時間に対しほぼ線形に増減して一定電流とはならないが、出力端子13に接続した負荷に流れる電流の大きさは、このインダクタ電流iの平均値として設定できる。
【0004】
図13は、図12のスイッチングレギュレータの寄生容量を含む解析モデルを示す図である。
ここに示すように、スイッチングレギュレータでは、寄生容量Cpが実際には無視できないインピーダンス成分として、インダクタ素子Lの電源入力側に存在し、この部分にスイッチング素子SWP,SWNのスイッチングによる急激な電流変化が起きることで、入出力側に高周波の電源電圧の変動が生じる。スイッチング素子SWP,SWNは、それぞれNチャネル及びPチャネルのMOSFETなどのスイッチングトランジスタによって構成できる。その場合、図13に示すD1,D2はそれぞれのスイッチングトランジスタの寄生ダイオードである。また、一般にスイッチングレギュレータ全体の寄生容量を一つにまとめて、出力ノードn1における寄生インピーダンス成分Cpとして示すことができる。
【0005】
ここでは、インダクタ素子Lに流れるインダクタ電流iについては、出力端子13方向に流れる電流(矢印によって示す)を正値とし、その反対方向に流れる電流を負値と考える。
【0006】
スイッチング素子SWP,SWNを駆動するPドライバ1及びNドライバ2は、図12に示すドライブ回路10に相当する。ここで、スイッチング素子SWP,SWNが同時にオンして、電圧入力端子Vinと接地(基準電位)との間に貫通電流が流れないよう、Pドライバ1及びNドライバ2のオン信号の間には、スイッチング素子SWP,SWNを両者ともにオフ状態とするデッドタイム(Dead Time)が設けられている。したがって、図13に示すスイッチングレギュレータの動作は、スイッチング素子SWP,SWNのオンオフの組合せに応じて、つぎに説明する3つのモードM1、モードM2、モードM3に区分して考察することができる。
【0007】
図14は、 図12のスイッチングレギュレータのボトム電流が正値である場合における出力ノードの電圧波形を示す図、図15は、図12のスイッチングレギュレータのボトム電流が負値になる場合における出力ノードの電圧波形を示す図である。
【0008】
モードM3(SWPオン、SWNオフ)では、スイッチングレギュレータの出力ノードn1における電位(出力ノード電圧Vn)は、電圧入力端子Vinの電位に等しい。タイミングt0でスイッチング素子SWPがオンからオフに切り替わり、モードM2(SWPオフ、SWNオフ)のデッドタイム状態となると、出力ノード電圧Vnは急速に低減して負側にオーバシュートする。つぎに、タイミングt1でスイッチング素子SWNがオンすることで、出力ノード電圧Vnは零に近づくが、インダクタ電流iが常に正であって、ボトム電流が正値である場合には、再びタイミングt2でモードM2のデッドタイム状態となるとき、寄生インダクタ成分Cpからインダクタ素子Lに大きな放電電流が流れる。このため、図14に示すように、出力ノード電圧Vnが負側にオーバシュートしてリップルが生じて、これが過渡的な電源ノイズとなる。ボトム電流が負値になる場合には、図15に示すように、スイッチング素子SWNがオフするタイミングt2までに出力ノード電圧Vnは正になる。このため、モードM1(SWPオフ、SWNオン)からモードM2に切り替わるタイミングt2では、出力ノード電圧Vnの電圧波形にリップルが抑制される。
【0009】
以下、これらの電圧波形に生じるリップルについて、さらに詳しく考察する。図16は、モードM1の動作を説明するスイッチングレギュレータの等価回路を示す図である。
【0010】
モードM1では、スイッチング素子SWPがオフ、スイッチング素子SWNがオンであり、その等価回路は図16のようになる。ここで、スイッチング素子SWNをFETで構成した場合には、その非飽和領域でのドレイン電流Idとゲートソース間電圧Vgsとの関係は、以下の式(1)により表すことができる。
【0011】
【数1】
Id=2K{Vgs−Vt−(Vds/2)}Vds …(1)
この式(1)をドレインソース間電圧Vdsについて解くことにより、次の式(2)のようにVdsを求めることができる。ここで、Vtはスレッシュホールド電圧、Kは定数である。
【0012】
【数2】
Vds=(Vgs−Vt)−{(Vgs−Vt)2−(Id/K)}1/2
…(2)
すなわち、ドレインソース間電圧Vdsに比例する出力ノード電圧Vnは、スイッチング素子SWNに流れるドレイン電流Idの関数となる。
【0013】
さて、モードM2においてスイッチング素子SWP,SWNは、ともにオフの状態であって、その等価回路は図17に示すようになる。インダクタ電流iは、スイッチング素子SWP,SWNの各寄生ダイオ一ドD1,D2でクランプされないかぎり、寄生容量Cpとインダクタ素子Lの大きさに応じて、線形に変化する。図17には、等価回路に対応するインダクタ電流iの状態方程式を示している。このモードM2において、インダクタ電流iが線形に変化することにより、その最低値であるボトム電流の大きさを、この状態方程式から決定できる。
【0014】
モードM3では、スイッチング素子SWPがオンし、スイッチング素子SWNがオフ状態を維持することで、出力ノードn1は電圧入力端子Vinに直結された状態となり、その等価回路は図18のようになる。
【0015】
図19は、ボトム電流が正値である場合における寄生容量の充放電電流等を示す波形図である。ここでは、特にスイッチング素子SWNがオンのモードM1から、スイッチング素子SWPがオンのモードM3に切り替わるとき、インダクタ電流iは常に正である場合の、寄生容量Cpの充放電電流ipの変化について詳述する。
【0016】
モードM2では、インダクタ電流iがipとしてVnを下げる方向で容量Cpを充電している。この図17中の状態方程式に則った動作は、出力ノード電圧Vnが寄生ダイオードD2でクランプされた時点で終了し、Vnはクランプ電圧に固定される。インダクタ電流iが増加に転ずるのは、スイッチング素子SWPがオンしてからであり、この時点のスイッチング素子SWPに関するdi/dtは非常に大きいものとなり、寄生インダクタンス等と作用してノイズの原因となる。すなわち、実際のスイッチングレギュレータでは無視できない大きさの寄生容量Cpが入力電源側に存在するから、この部分にスイッチングによる急激な電流変化が起きることで、高周波の電源電圧変動が入出力側で生じる。このようなスイッチングレギュレータを用いた降圧タイプの電源装置には、従来からNchトランジスタに流れる電流値を検知して、その電流がゼロ若しくはほとんどゼロの時点でNchトランジスタをオフすることにより、高調波抑制を図るようにしたものがある。このような技術の一例は、下記の特許文献1に記載がある。
【0017】
この特許文献1に記載されているスイッチングレギュレータは、入出力回路の間をトランスなどで絶縁するタイプであるラインオペレート(line operating)型であって、いわゆる零電圧スイッチング(ZCS:Zero Current Switching)を実現したものであり、上述したチョッパ(chopper)型のものとは若干異なるものである。
【0018】
図20は、ボトム電流が負値になる場合における寄生容量の充放電電流等を示す波形図である。この場合、インダクタ電流iがipとしてVnを上げる方向に容量Cpを充電するため、VnがD2でクランプされることなく上昇できるため、Vinに近づくことができる。また、この動きは線形微分方程式に則ったもので、図19のt=t3でスイッチング素子SWPがオンした瞬間のような急峻なものではない。
【0019】
この図では、図15に示したものと同様、スイッチング素子SWNがオンの状態(モードM1)からデッドタイム状態(モードM2)を経てスイッチング素子SWPがオンの状態(モードM3)へと切り替わるとき、上述のようにVnがVinに近いものになっているため、スイッチング素子SWPに関するdi/dtは図19のものよりは小さくなる。ただし、モードM2での線形動作は、出力ノード電圧Vnが寄生ダイオードD1でクランプされた時点で終了することから、図20(a)および(b)から明らかなように、インダクタ電流iが負値となったとき、そのボトム電流の絶対値がある程度大きい場合には、クランプ電圧はスイッチング素子SWPの入力電圧Vinより寄生ダイオードD1のドロップ電圧分だけ高くなるために、この電圧分によるオーバシュートが発生する。
【0020】
【特許文献1】
特開平10−215566号公報
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようにスイッチング素子SWPがオンする直前のVnとVinの差が大きいほど、スイッチング素子SWPがオンした時のスイッチング素子SWPに関する変化率di/dtが大きいものになる。そのため、出力半導体スイッチに流れる急激な電流変化が原因となって入出力の電源電圧が変動し、スイッチング動作に伴うノイズが発生しやすいという問題があった。
【0022】
また、スイッチング素子SWPのスイッチング時のエネルギーロスを低減させるためにはゼロ電流スイッチングが望ましいが、負荷によってインダクタ電流iの値は大きく変動するため、インダクタ素子Lからの還流電流によるゼロ電流スイッチングは、限られた条件で偶然に起きるに過ぎず、狭い負荷条件でしか成り立たなかった。
【0023】
この発明の目的は、インダクタによる還流電流を広い負荷条件の範囲にわたって利用して、出力半導体スイッチに流れる電流変化を小さくしたスイッチングレギュレータを提供することにある。
【0024】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、負荷への出力電圧をモニタすることにより、前記負荷に一定の電力を供給するスイッチングレギュレータが提供される。このスイッチングレギュレータは、電圧入力端子と基準電位端子との間に直列に接続された一対のスイッチング素子と、前記一対のスイッチング素子を互いに接続する出力ノードと前記負荷との間に配置されたインダクタ素子と、前記スイッチング素子のオンオフ周期を制御するための三角波信号を発生する信号発生手段と、前記基準電位端子側のスイッチング素子に流れるボトム電流が負値になるタイミングを検出するタイミング検出手段と、前記ボトム電流が負値となるタイミングで前記三角波信号の周波数を前記ボトム電流の大きさに応じて変更する周波数変更手段とから構成される。
【0025】
この発明のスイッチングレギュレータでは、スイッチング周波数を負荷電流に応じて変化させて、インダクタに流れるボトム電流を負値の小さな電流値まで変更することにより、出力ノードにおける寄生容量を共振的に穏やかに充電して、スイッチングノイズを減少させるようにしている。また、ボトム電流の絶対値の大きさを制御して、出力ノード電圧のオーバシュートを防ぐことができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、この発明に係るスイッチングレギュレータを示す全体回路図である。
【0027】
このスイッチングレギュレータは、図12の従来回路と同じ同期式降圧型スイッチング電源回路を構成するものであって、その基本的な構成としては、電源入力が供給される電圧入力端子Vinと接地された基準電位端子との間に直列に接続された一対のスイッチング素子SWP,SWN、負荷が接続される出力端子13とスイッチング素子SWPのソース及びスイッチング素子SWNのドレインを接続する出力ノードn1との間に配置されたインダクタ素子L、出力端子13の出力電圧Voutを決定する出力コンデンサCo、スイッチング素子SWP,SWNをオンオフ制御するドライブ回路としてPドライバ1及びNドライバ2、PWMコンパレータ等の制御回路3などを備えているが、この発明のスイッチングレギュレータでは、さらにスイッチング素子SWP,SWNのオンオフ周期を制御するための三角波信号の周波数を決定する発振周期決定回路4、及び基準電位端子(接地)側のスイッチング素子SWNに流れる電流の電流値が負になるタイミングを検出するボトム電流検出回路5を備えている。
【0028】
図2は、スイッチングレギュレータの動作を説明する信号波形図である。
図1の制御回路3においては、出力電圧Voutを抵抗などで分割した電圧信号が帰還され、この電圧信号と基準電圧Vrefとの差信号Verrをエラーアンプにより検出している。図2(a)に示す三角波信号Voscをエラーアンプの出力Verrと比較して、差信号Verrが三角波信号Voscより大きい時(Tonの期間)にスイッチング素子SWPをオンする。この場合、周知のように出力電圧Voutは、電圧入力端子Vinの電圧(Vi)との間で、次式のように規定できる。
【0029】
【数3】
Vout=Ton/(Ton+Toff)Vin …(3)
ここで、Ton/(Ton+Toff)は時比率である。
【0030】
図2(b)は、出力ノードn1における電圧(出力ノード電圧)Vnの変化を示している。電圧入力端子Vin側のスイッチング素子SWPがオフ(Toffの期間)であれば、出力ノード電圧Vnはほぼ基準電位端子の接地電位に等しいが、スイッチング素子SWPがオン(Tonの期間)になると出力ノード電圧Vnが立ち上がる。一方、同図(c)に示すように、インダクタ素子Lに流れる電流iの平均値iaveが負荷への出力電流ioに等しくなるところで、この回路動作が均衡する。
【0031】
通常のスイッチングレギュレータでPWM制御を行っていれば、これらの条件は自動的に満たされるものであって、三角波信号の周期を長くすればボトム電流の大きさを小さくできる。もっとも、ボトム電流が小さくなるとき、インダクタ電流iの最大値も大きくなることによって平均値iaveを一定に保つことができる。すなわち、ボトム電流検出回路5においてボトム電流の大きさを検出し、それが正電流である場合には発振周期決定回路4により三角波信号Voscの周期を長くする方向にフィードバックをかけて、ボトム電流を小さくさせる。逆に、負電流である場合は、発振周期決定回路4から三角波信号Voscの周期を短くするようにして、ボトム電流を大きくさせる方向にフィードバックをかければよい。なお、ボトム電流が十分に小さい負電流であると判断された場合には、三角波信号Voscの周期を変更せずに、検出された小さな負電流を維持する。これにより、モードM2からモードM3に変化する直前のVnとVinの差が小さなものになり、またゼロ電流スイッチングの状態にもなっているため、スイッチング素子SWPのスイッチング時のノイズを抑えることができる。
【0032】
つぎに、図1に示すスイッチングレギュレータを構成する場合に、上述したボトム電流検出回路5と発振周期決定回路4の具体的な回路構成について説明する。
【0033】
図3は、図1のスイッチングレギュレータを構成するボトム電流検出回路と発振周期決定回路の構成を示す回路図である。
図3において、PWMコンパレータ31は、その出力信号S0をそれぞれ所定時間だけ遅延する10段のインバータINV1〜INV10と接続され、また最終段のインバータINV10の出力信号S10で駆動されるドライブ回路10が接続されている。ここで、S0はVerr>VoscのときにL(Tonに相当)、Verr<VoscのときにH(Toffに相当)となる信号である。ノア回路NOR1は、4段目のインバータINV4の出力信号S4と7段目のインバータINV7の出力信号S7を入力とするものである。
【0034】
また、ボトム電流検出回路5は、2つの入力端子51,52、ボトム電流の正負判定を行うコンパレータCMP1を備えている。コンパレータCMP1には、入力端子52からの出力ノード電圧Vnと接地電位が入力され、その出力信号としてボトム電流の正負判定出力P/M(Plus or Minus)信号が排他的論理和回路EOR1の一方の入力端子に供給されている。この排他的論理和回路EOR1の他方の入力端子は、2段目のインバータINV2と接続され、その出力信号S2が供給されている。
【0035】
このボトム電流検出回路5において、切換回路53、排他的論理和回路EOR1、スイッチSW1、インバータINV11、コンデンサC10、スイッチSW2、インバータINV12、コンデンサC11、オペアンプOPA1、及び基準電源V10は、一種のスイッチドキャパシタ回路を構成している。排他的論理和回路EOR1は切換回路53と接続され、出力信号S12が切換回路53のセレクト端子sに供給されている。切換回路53の出力端子は、スイッチSW1を介してコンデンサC10の正極と接続されている。このスイッチSW1は、10段のインバータINV1〜INV10の最終段の出力信号S10と、それをインバータINV11で反転した信号によりオンオフ制御される。また、コンデンサC10の負極は、オペアンプOPA1の−入力端子と接続されている。オペアンプOPA1は、その−入力端子と出力端子との間に、スイッチSW2とコンデンサC11の並列回路が接続されている。このスイッチSW2は、PWMコンパレータ31の出力信号S0と、それをインバータINV12で反転した信号によりオンオフ制御される。また、オペアンプOPA1の+入力端子は、基準電源V10と接続されている。
【0036】
また、このボトム電流検出回路5において、スイッチSW3、インバータINV13、コンデンサC12、抵抗R1、及びコンパレータCMP2は、出力ノード電圧Vnの絶対値を時間に変換する回路を構成している。オペアンプOPA1は、出力端子がスイッチSW3を介してコンデンサC12、抵抗R1、及びコンパレータCMP2の+入力端子と接続されている。このスイッチSW3は、ノア回路NOR1の出力信号S11と、それをインバータINV13で反転した信号によりオンオフ制御される。また、コンパレータCMP2の−入力端子は、基準電源V10と接続されている。
【0037】
発振周期決定回路4は、ボトム電流の検出結果に基づいて、三角波発生回路の周期を変更する回路である。この発振周期決定回路4は、インバータINV14、ナンド回路NAND1、トランジスタN21、定電流源i1、トランジスタP20、ナンド回路NAND2、トランジスタP21、定電流源i2、トランジスタN20、及びコンデンサC13から構成され、出力端子41を備えている。
【0038】
つぎに、図3に示すボトム電流検出回路と発振周期決定回路の動作について説明する。
コンパレータCMP1から出力されるボトム電流の正負判定出力信号P/Mは、ボトム電流が図20に示すような負値となっているときには、その値がHとなる。その場合には、発振周期決定回路4により三角波信号Voscの周期を短くするか、若しくはそのままにする方向にフィードバック信号を生成する必要がある。また、正負判定出力信号P/MがLの場合は、図19に示すようにボトム電流は正値であるから、三角波信号Voscの周期を長くする方向にフィードバックする必要がある。
【0039】
図3のPWMコンパレータ31には、10段のインバータINV1〜INV10が遅延素子として接続され、その出力信号S0を所定時間だけ遅延した制御信号を出力している。これらインバータINV1〜INV10は制御信号を構成する偶奇さえ合えば、図3に示す段数は適宜に変更した構成としてもよい。ここでは、上述のようにモードM1からモードM3の過程で、スイッチング素子SWNオンからSWPオンヘと切り替わるタイミングが問題であることから、制御回路3からNドライバ2に対してスイッチング素子SWNをオンからオフヘと切り替えるためのドライブ信号がHからLに変化する時点、及びそのドライブ信号を基点として、以後の回路動作を説明する。
【0040】
インバータINV1〜INV10の各段の出力信号S1〜S10は、出力信号S0が少しずつ遅れて伝達され、最終段の出力信号S10がドライブ回路10に供給されている。ボトム電流検出回路5の入力端子51,52は、それぞれ切換回路53、コンパレータCMP1に接続され、そこに出力ノード電圧Vnが入力する。
【0041】
切換回路53、排他的論理和回路EOR1、スイッチSW1、インバータINV11、コンデンサC10、スイッチSW2、インバータINV12、コンデンサC11、オペアンプOPA1、及び基準電源V10により構成したスイッチドキャパシタ回路は、オペアンプOPA1から出力ノード電圧Vnの絶対値に比例した信号(正確には、基準電源V10がバイアスとして足されたもの。)が出力信号S13として出力される。この回路部分の動作は、正負判定出力信号P/M(以下、P/M信号という。)がH、あるいはLのいずれであるかによって、すなわち出力ノード電圧Vnの正負により異なる。具体的には、排他的論理和回路EOR1によりP/M信号とインバータINV2の出力との排他的論理和をとることにより、切換回路53の動作をボトム電流の正負で変更している。
【0042】
オペアンプOPA1の出力信号S13の電位が安定した後、ノア回路NOR1により規定されるタイミングでスイッチSW3が短時間だけオンする。このオン期間にコンデンサC12を出力信号S13の電位まで充電する。スイッチSW3がオフすると、コンデンサC12と抵抗R1による時定数回路でコンデンサC12の電荷が放電されていく。コンパレータCMP2の出力信号S15は、コンデンサC12が充電された状態から放電を開始して、その電位が基準電源V10に等しくなるまでの期間TだけHとなる。
【0043】
ここで、上述したオペアンプOPA1では、出力ノード電圧Vnの絶対値の関数として出力信号S13を決定しているから、コンパレータCMP2の出力信号S15がHとなる期間Tも、同様に出力ノード電圧Vnの関数となる。ただし、実際にはスイッチSW3のオン期間を無視することで、期間Tは下記の式によって演算できる。
【0044】
【数4】
T=(C12*R1)*ln(1+(|Vn|/V10)) …(4)
発振周期決定回路4では、P/M信号によりナンド回路NAND1,NAND2を制御して、トランジスタN20、若しくはトランジスタP20のどちらかを出力ノード電圧Vnに略比例した期間Tだけオンさせて、コンデンサC13の充放電を行っており、このコンデンサC13の充放電に応じて出力端子41の電位V3を上下させている。いま、P/M信号がH、すなわちボトム電流が負値になる場合には、トランジスタP20がオンしてコンデンサC13を(i1*T)だけ充電することで、出力端子41の電位V3が上がる。また、P/M信号がL、すなわちボトム電流が正値である場合、トランジスタN20がオンしてコンデンサC13から(i2*T)だけ放電が行われるため、出力端子41の電位V3が下がる。
【0045】
図4は、図3のボトム電流検出回路を構成する切換回路の一例を示す回路図である。
この切換回路53は、2つのスイッチSW11,SW12と、インバータINV16と、入力端子53a,53bと、セレクト端子53cと、出力信号OUTを出力する出力端子53dを備えている。そして、セレクト端子53cに入力するセレクト信号s(=S12)がHの時、入力端子53aに入力されるアナログ信号“1”を出力端子53dから出力し、セレクト信号s(S12)がLの時には、入力端子53bに入力されるアナログ信号“0”を出力端子53dから出力する。
【0046】
図5は、図1のスイッチングレギュレータを構成する三角波信号発生回路の構成を示す回路図である。
この三角波信号発生回路32は、発振周期決定回路4の出力端子41と接続され、そこから出力される電圧信号V3が入力端子32aに入力され、この電圧信号V3に応じた所定の三角波信号Voscを発生させる回路である。入力端子32aがトランジスタN22のゲートと接続されているため、トランジスタN22に流れるドレイン電流i3は発振周期決定回路4の電圧信号V3に依存する。すなわち、電圧信号V3が大きくなればドレイン電流i3も大きくなり、電圧信号V3が小さくなればドレイン電流i3も小さくなる。
【0047】
トランジスタP22,P23はカレントミラー回路であり、トランジスタP23に流れるドレイン電流i4は、電流i3にトランジスタP22とP23のトランジスタサイズの比((P23のW/P23のL)/(P22のW/P22のL))を乗じたものになっている。トランジスタP22とP23では、そのチャネル幅W、チャネル長Lなどトランジスタサイズ以外のパラメータについては、同じであるとしている。同様に、トランジスタN23に流れる電流i5は、電流i3にトランジスタN22とN23のトランジスタサイズの比を乗じたものになっている。これらの電流i4とi5でコンデンサC20を充放電することにより発生する三角波信号Voscは、その傾きが電流i4に比例し、コンデンサC20の容量値(=C20)に反比例する大きさ(=i4/C20)で上限値Vhoscまで上昇し、その後、電流i5に比例し、コンデンサC20の容量値(=C20)に反比例する大きさ(=−i5/C20)の傾きで下限値Vloscまで下降する。
【0048】
コンパレータCMP3とCMP4、及びノア回路NOR2とNOR3は、出力端子32dの三角波信号Voscを入力とするフリップフロップ回路を構成する。そして、このフリップフロップ回路の出力によりトランジスタP23とN24を交互にオンさせて、ドレイン電流i4による充電期間とドレイン電流i5による放電期間とを切り替える。フリップフロップ回路では、三角波信号Voscの出力電圧レベルが上限値Vhosc、若しくは下限値Vloscに達すると反転して、所定の周期の三角波信号Voscを発生することができる。
【0049】
つぎに、三角波信号Voscの周期とボトム電流の大きさとの関係について説明する。ボトム電流が負値になる場合、ボトム電流の絶対値の大きさに応じて発振周期決定回路4から出力される電圧信号V3が上昇する。この電圧信号V3が上昇すると、ドレイン電流i3が増加し、それによりドレイン電流i4,i5が増加するから、コンデンサC20の充放電時間が短くなる。したがって、三角波信号Voscの周期が短くなる。
【0050】
逆に、ボトム電流が正値である場合には、その絶対値の大きさに応じて発振周期決定回路4から出力される電圧信号V3は下降する。電圧信号V3が下降すると、ドレイン電流i3が減少し、それによりドレイン電流i4,i5が減少するから、コンデンサC20の充放電時間が長くなる。したがって、三角波信号Voscの周期は長くなる。
【0051】
このようにして、ボトム電流に応じて三角波信号Voscの周期を制御することができる。なお、発振周期決定回路4の電圧信号V3を決定するコンデンサC13を充放電する電流源i1,i2の大きさに関し、電流源i2を電流源i1より(少しだけ)大きくしておけば、全体動作としては電圧信号V3を小さくして三角波信号Voscの周期をより長くする方向に強く働くので、ボトム電流がゼロ近傍となった時の動作点が、負電流側で均衡するようになる。
【0052】
図6は、図3のボトム電流検出回路の動作を説明する信号波形図である。また、図7は、ボトム電流が負値である場合におけるボトム電流判定動作を説明するタイミングチャート、図8は、ボトム電流が正値になる場合におけるボトム電流判定動作を説明するタイミングチャートである。
【0053】
図6(a)は、PWMコンパレータ31の出力信号S0であり、タイミングt10でHからLに変化する。同図(b)は、2段目のインバータINV2の出力信号S2であり、タイミングt10に遅れてタイミングt11でHからLに変化する。同図(c)は、4段目のインバータINV4の出力信号S4であり、さらにタイミングt11に遅れてタイミングt12でHからLに変化する。同図(d)は、7段目のインバータINV7の出力信号S7であり、さらにタイミングt12に遅れてタイミングt13でLからHに変化する。同図(e)は、10段目のインバータINV10の出力信号S10であり、タイミングt1でHに立ち上がり、タイミングt2でHからLに変化する。同図(f)は、ノア回路NOR1の出力信号S11であり、タイミングt12からタイミングt13までの間、Hとなる。
【0054】
図7(a)には、図6(f)に示すノア回路NOR1の出力信号S11を拡大して示してある。ここでは図示していないが、ボトム電流は負値であって、スイッチング素子SWPがオンする直前の出力ノード電圧Vnは正であるから、P/M信号はHの状態を維持している。
【0055】
図7(b)は、排他的論理和回路EOR1の出力信号S12が、タイミングt11でHからLに立ち下がる様子を示している。同図(c)は、コンデンサC10の正極側の電荷Q1が変化する様子を示している。このコンデンサC10の正極は、スイッチSW1をオンする期間は切換回路53と接続され、かつ排他的論理和回路EOR1の出力信号S12によりタイミングt11で接地側に切替えて接続される。したがって、コンデンサC10の正極に蓄積されていた電荷+Qは、タイミングt11になると、スイッチSW1と切換回路53を介して放電される。同図(d)は、コンデンサC10の負極側の電荷Q2が変化する様子を示している。この電荷Q2はタイミングt11になると、正極側の電荷Q1とは反対に、それまでの−Qの状態から電荷が0になるまで充電される。
【0056】
図7(e)は、コンデンサC11の負極側の電荷Q3が変化する様子を示している。この電荷Q3(=−Q)は、タイミングt11でコンデンサC10の負極側の電荷Q2(=−Q)が移動してきたものである。同図(f)は、コンデンサC11の正極側の電荷Q4が変化する様子を示している。コンデンサC11と並列に接続されたスイッチSW2がタイミングt10でオフするために、この電荷Q4は負極側に−Qが生じるタイミングt11で+Qとなる。
【0057】
図7(g)は、オペアンプOPA1の出力信号S13についての電位変化を示している。出力信号S13の電位は、基準電源V10の電位(=V10)から、タイミングt11でさらに出力ノード電圧Vnの大きさに比例した電圧(=|Vn|×C10/C11)だけ上昇している。同図(h)は、コンパレータCMP2の+側端子への入力信号S14についての電位変化を示している。タイミングt12で、ノア回路NOR1の出力信号S11がHとなって、スイッチSW3がオンするから、コンデンサC12に電荷が蓄積され、入力信号S14はオペアンプOPA1の出力信号S13と等しい電位まで上昇する。しかし、その後のタイミングt13でノア回路NOR1の出力信号S11が再びLに立ち下がって、スイッチSW3がオフすることにより、コンデンサC12に蓄積された電荷が放電を開始する。
【0058】
図7(i)は、コンパレータCMP2の出力信号S15である。この出力信号S15は、入力信号S14と同じタイミングt12でHとなり、入力信号S14が基準電源V10の電位(=V10)以下になるタイミングt14でLに変化する。したがって、発振周期決定回路4では上述した式(4)で決まるオン期間Tだけ、ナンド回路NAND1,NAND2を制御して、出力側のトランジスタP20に定電流源i1から電流を流し、コンデンサC13を充電する。これにより、ボトム電流が負(P/M信号=H)のときは、出力端子41の電位V3が(T×i1)に比例して上昇する。
【0059】
図7では、スイッチングレギュレータを構成するボトム電流検出回路と発振周期決定回路の各部信号波形により、ボトム電流が負値である場合のボトム電流検出信号について説明したが、つぎに説明する図8では、ボトム電流が正値となる場合のボトム電流判定動作を説明する。
【0060】
図8(a)には、図6(f)に示すノア回路NOR1の出力信号S11を拡大して示してある。ここでボトム電流が正値となる場合には、出力ノード電圧Vnが負になってP/M信号はLとなる。
【0061】
図8(b)では、P/M信号がLになるので、排他的論理和回路EOR1の出力信号S12がタイミングt11でLからHに立ち上がる。同図(c)は、コンデンサC10の正極側の電荷Q1が変化する様子を示している。このコンデンサC10の正極は、スイッチSW1をオンする期間は切換回路53と接続され、かつ排他的論理和回路EOR1の出力信号S12によりタイミングt11で入力端子51側に切り替えて接続される。したがって、タイミングt11では図7の場合とは反対に、スイッチSW1と切換回路53を介して、コンデンサC10の正極には負の電荷−Qが流れ込む。同図(d)は、コンデンサC10の負極側の電荷Q2が変化する様子を示している。この電荷Q2は、それまでの接地電位から正極側の電荷−Q1と反対に+Qまで充電される。
【0062】
図8(e)(f)は、コンデンサC11の正、負極側の電荷Q4,Q3が変化する様子を示している。ここでは、図7(e)(f)の場合と同じで、コンデンサC11は、これと並列に接続されたスイッチSW2がタイミングt10でオフするために、その負極側に−Qが生じるタイミングt11で、その正極側の電荷Q4が+Qに変わる。
【0063】
したがって、これらのタイミングチャートに示すように、ボトム電流が正値、あるいは負値のいずれの値をとる場合でも、オペアンプOPA1の出力信号S13として、その電圧値は正電圧の信号が出力される。したがって、コンパレータCMP2の出力信号S15は、入力信号S14と同じタイミングt12でHとなり、入力信号S14が基準電源V10の電位(=V10)以下になるタイミングt14でLに変化する。
【0064】
図9は、ボトム電流の絶対値が小さい場合の出力ノードの電圧波形を示す図である。また、図10は、ボトム電流の絶対値がさらに小さい場合の出力ノードの電圧波形を示す図である。
【0065】
ここで、図9のボトム電流ib1の絶対値は、図20に示すインダクタ電流iのボトム電流ibと比較して、さらに小さい。この場合、モードM2の終了するタイミングt3での出力ノード電圧Vnが電圧入力端子Vinの電源電圧とほぼ等しい。したがって、スイッチング素子SWPがオンになる時のノイズを、最小の大きさに抑えることができる。図10に示すように、さらにボトム電流ib1の絶対値が小さくなると、モードM2の動作中にインダクタ電流iが正値に反転するため、出力ノード電圧Vnが振動を開始する。
【0066】
上述したスイッチングレギュレータでは、di/dtが負から正に変わる時点の動作を線形回路により実現させていて、スイッチング素子SWPがオンする直前のVnがVinと略等しくなっているため、図9若しくは図10のように低ノイズでのスイッチング動作が実現できる。
【0067】
ここでは、従来のスイッチングレギュレータのように、電流が正(出力容量Coを充電する方向)の時にオフすると、一旦は寄生容量Cpとインダクタ素子Lの線形回路による動作を開始しても、すぐにNchトランジスタの寄生ダイオードでクランプされて、インダクタ電流の方向を反転するまでには到らない。また、スイッチング素子SWNに流れる電流が小さな負電流の時に、それをオフに切り替えるようにしているので、出力ノード電圧Vnのオーバシュートを除去できて、ノイズを一層低減できる。さらに、インダクタ電流iの絶対値がほぼゼロの時にスイッチング素子SWNのオフ動作とスイッチング素子SWPのオン動作を行っているので、ゼロ電流スイッチングも実現できている。
【0068】
(第2の実施の形態)
図11は、図3の発振周期決定回路をディジタル回路として構成したものを示す回路図である。
【0069】
図11では、オペアンプOPA1の出力信号S13を受けて、出力端子49の電圧信号V3を決定するまでの発振周期決定回路4を、ディジタル回路を用いて構成したものである。ボトム電流検出回路5の構成は、第1の実施の形態の構成と基本的には同じであるが、オペアンプOPA1の+入力端子を接地している点で異なっている。
【0070】
コントロール回路42は、ノア回路NOR1の出力信号S11で起動され、発振周期決定回路4のタイミング制御を行う。ADコンバータ43は、コントロール回路42からの制御信号をlNSTポートで受けて、アナログ信号として入力される出力信号S13をAD変換し、変換されたディジタル信号を出力ポートOUTから出力する。プロセッサユニット44は特殊な演算処理回路であって、P/M信号の状態に応じて、2つの入力データPOP1に対して以下の演算式を実行して出力データP2を求めている。
【0071】
P/M=Hのとき、
【0072】
【数5】
P2=P1+P0−α1 …(5)
P/M=Lのとき、
【0073】
【数6】
P2=P1−P0 …(6)
とする。ただし、α1は小さな正定数である。
【0074】
レジスタ回路45は、プロセッサユニット44の出力データP2を格納しておくものであって、その出力データはバイナリデコーダ46及びプロセッサユニット44の入力ポートP1に入力されている。ボトム電流が負値である時、プロセッサユニット44はレジスタ回路45のデータが+P0まで三角波信号の発振周期を短くし、つぎに小さなα1(>0)だけ発振周期を長くするような演算を実行する。すなわち、プロセッサユニット44では、出力データP2を出力ノード電圧Vnに応じた割合(+P0)で増加したあと、少しだけ減少(−α1)して出力することになる。
【0075】
したがって、ボトム電流が小さな負電流であるときには、正電流にはならないように制御できる。また、ボトム電流が正電流である場合は、その大きさに比例する割合でレジスタ回路45のデータを減じる。レジスタ回路45の出力データは、バイナリデコーダ46によりバイナリコードに変換され、バイナリデータに応じたスイッチ48が選択されて、複数の定電流源47a,47b,47c…のいずれかがトランジスタN25に接続される。これにより、電流i6がレジスタ回路45の出力データの大小に応じた大きさでトランジスタN25に流れる。トランジスタN25のゲートとドレインは短絡されており、出力端子49に接続される。この場合、三角波信号発生回路32ではトランジスタN22,N23が、トランジスタN25に対するカレントミラー回路になる。
【0076】
このようにディジタル回路によって構成された発振周期決定回路4により、第1の実施の形態のものと同様に、ボトム電流の値による三角波信号の発振周期を制御することができ、かつ小さな負電流の均衡点に設定することができる。
【0077】
また、発振周期決定回路4とボトム電流検出回路5を含むスイッチング制御回路によって、ボトム電流を検出し、小さな負電流に保つようスイッチング周波数を変化させることができる。すなわち、di/dtが負から正への切替えを、スイッチング素子SWP,SWNではなく、寄生容量Cpとインダクタ素子Lで構成される線形回路により行わせるようにしたので、di/dtが滑らかに変化して、スイッチング素子SWPがオンする直前のVnがVinと略等しくなるため、従来のスイッチングレギュレータで発生するようなスイッチング時のノイズを低減することができる。
【0078】
なお、上述した実施の形態では、ボトム電流を半導体スイッチのオン抵抗により上昇した出力ノードn1の電圧Vnから直接推定しているが、ボトム電流検出回路の別の例として、電源若しくは出力に直列に挿入された微小抵抗の電圧値により負荷電流を検出することも可能である。この負荷電流とインダクタ値から、特定のスイッチング周波数におけるボトム電流値を推定することができる。
【0079】
また、上述したボトム電流検出回路5や発振周期決定回路4は、いずれもスイッチングレギュレータを構成するための一回路例として示したものであって、ボトム電流を小さく保つようにスイッチング周波数を変化させる方式であるならば、別の構成による検出回路や制御回路であってもよい。
【0080】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明のスイッチングレギュレータによれば、以下の効果を実現できる。
【0081】
第1に、半導体スイッチ(SWN)がオフするときに、過渡的に流れる電流を、小さなボトム電流とするために、基本的にゼロ電流スイッチングとなり、スイッチング素子SWNに関する電流変化(di/dt)を小さくでき、スイッチングに起因する入出力電圧の変動を抑えることができる。
【0082】
第2に、半導体スイッチ(SWP)がオンするとき、過渡的に流れる電流も非常に小さく抑えられる。なぜなら、出力ノード電圧が入力電源電圧に近い値でオンさせる、いわゆるゼロ電圧スイッチング状態にでき、かつインダクタ電流値がほとんどゼロであるからである。したがって、スイッチング素子SWPに関する電流変化(di/dt)を小さくでき、スイッチングに起因する入出力電圧の変動を抑えることができる。
【0083】
第3に、インダクタのボトム電流と出力ノードの寄生容量による共振的な充電によりVnがVin近くまで変化するから、従来のスイッチングレギュレータで発生している高周波成分が含まれない。このため高速なスイッチング動作に伴う余分な放射、伝導ノイズが発生しない利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係るスイッチングレギュレータを示す全体回路図である。
【図2】スイッチングレギュレータの動作を説明する信号波形図である。
【図3】図1のスイッチングレギュレータを構成するボトム電流検出回路と発振周期決定回路の構成を示す回路図である。
【図4】図3のボトム電流検出回路を構成する切換回路の一例を示す回路図である。
【図5】図1のスイッチングレギュレータを構成する三角波発生回路の構成を示す回路図である。
【図6】図3のボトム電流検出回路における判定動作に用いる制御信号を説明する信号波形図である。
【図7】ボトム電流が負値である場合におけるボトム電流判定動作を説明するタイミングチャートである。
【図8】ボトム電流が正値になる場合におけるボトム電流判定動作を説明するタイミングチャートである。
【図9】ボトム電流の負値の絶対値が小さい場合における出力ノードの電圧波形を示す図である。
【図10】ボトム電流の負値の絶対値がさらに小さい場合における出力ノードの電圧波形を示す図である。
【図11】図3の発振周期決定回路をディジタル回路として構成したものを示す回路図である。
【図12】従来のスイッチングレギュレータの一例を示す回路図である。
【図13】図12のスイッチングレギュレータの寄生容量を含む解析モデルを示す図である。
【図14】図12のスイッチングレギュレータのボトム電流が正値である場合における出力ノードの電圧波形を示す図である。
【図15】図12のスイッチングレギュレータのボトム電流が負値になる場合における出力ノードの電圧波形を示す図である。
【図16】モードM1における回路動作を説明するためのスイッチングレギュレータの等価回路を示す図である。
【図17】モードM2における回路動作を説明するためのスイッチングレギュレータの等価回路を示す図である。
【図18】モードM3における回路動作を説明するためのスイッチングレギュレータの等価回路を示す図である。
【図19】ボトム電流が正値である場合における寄生容量の充放電電流等を示す波形図である。
【図20】ボトム電流が負値になる場合における寄生容量の充放電電流等を示す波形図である。
【符号の説明】
1 Pドライバ
2 Nドライバ
3 PWMコンパレータ等の制御回路
4 発振周期決定回路
5 ボトム電流検出回路
10 ドライブ回路
13 出力端子
31 PWMコンパレータ
32 三角波信号発生回路
41 出力端子
42 コントロール回路
43 ADコンバータ
44 プロセッサユニット
45 レジスタ回路
46 バイナリデコーダ
47a,47b,47c 定電流源
48 スイッチ
51,52 入力端子
53 切換回路
SWP,SWN スイッチング素子
EOR1 排他的論理和回路
SW1〜SW3,SW11〜SW12 スイッチ
C10〜C13 コンデンサ
OPA1 オペアンプ
NOR1 ノア回路
NAND1,NAND2 ナンド回路
N20〜N25,P20〜P24 トランジスタ
i1,i2 定電流源
Vin 電圧入力端子
n1 出力ノード
L インダクタ素子
Co 出力コンデンサ
Vout 出力電圧
i インダクタ電流
Cp 寄生容量
Vn 出力ノード電圧
Vosc 三角波信号
INV1〜INV16 インバータ
CMP1〜CMP4 コンパレータ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching regulator that supplies constant power to a load by monitoring an output voltage to the load, and more particularly to a switching regulator that is suitable for use as a power supply device for a small electronic device.
[0002]
[Prior art]
The synchronous step-down switching regulator is configured to pulse by turning on / off a DC voltage power supply at high speed by turning on / off a semiconductor switch or the like, and control an output voltage according to the pulse width. Such a switching regulator performs conversion with a low voltage when the pulse width is narrowed, and a high voltage when the pulse width is widened. The conversion efficiency is good, the power supply can be downsized, and used for power supply devices of small electronic devices. There are many.
[0003]
FIG. 12 shows an example of a conventional switching regulator. A basic configuration of a general synchronous switching regulator includes a pair of switching elements SWP and SWN connected in series between a voltage input terminal Vin supplied with a power supply input and a grounded reference potential terminal, and these switching elements. The drive circuit 10 includes an inductor element L disposed between an output node n1 that connects the source of SWP and a drain of SWN and an output terminal 13 that connects a load, and an output capacitor Co that determines an output voltage Vout. By switching on and off the switching elements SWP and SWN, the voltage of the power supply input is converted and output to the output capacitor Co. The magnitude of the output voltage Vout is fed back to the comparator 11 and further compared with a triangular wave signal generated by the oscillator 12, thereby controlling the on / off cycle of the switching elements SWP and SWN. At this time, the inductor current i itself flowing through the inductor element L via the output node n1 increases or decreases almost linearly with respect to time and does not become a constant current, but the magnitude of the current flowing through the load connected to the output terminal 13 is , And can be set as an average value of the inductor current i.
[0004]
FIG. 13 is a diagram illustrating an analysis model including parasitic capacitance of the switching regulator of FIG.
As shown here, in the switching regulator, the parasitic capacitance Cp is present on the power input side of the inductor element L as an impedance component that cannot actually be ignored, and a sudden current change due to switching of the switching elements SWP and SWN occurs in this portion. As a result, the high-frequency power supply voltage fluctuates on the input / output side. The switching elements SWP and SWN can be configured by switching transistors such as N-channel and P-channel MOSFETs, respectively. In that case, D1 and D2 shown in FIG. 13 are parasitic diodes of the respective switching transistors. In general, the parasitic capacitance of the entire switching regulator can be integrated into one and represented as a parasitic impedance component Cp at the output node n1.
[0005]
Here, regarding the inductor current i flowing through the inductor element L, a current flowing in the direction of the output terminal 13 (indicated by an arrow) is considered as a positive value, and a current flowing in the opposite direction is considered as a negative value.
[0006]
The P driver 1 and the N driver 2 that drive the switching elements SWP and SWN correspond to the drive circuit 10 shown in FIG. Here, in order to prevent the through current from flowing between the voltage input terminal Vin and the ground (reference potential) when the switching elements SWP and SWN are simultaneously turned on, between the ON signals of the P driver 1 and the N driver 2, A dead time for turning off both the switching elements SWP and SWN is provided. Therefore, the operation of the switching regulator shown in FIG. 13 can be considered by classifying it into three modes M1, M2 and M3 described below according to the combination of ON / OFF of the switching elements SWP and SWN.
[0007]
14 is a diagram showing a voltage waveform of the output node when the bottom current of the switching regulator of FIG. 12 is a positive value, and FIG. 15 is a diagram of the output node when the bottom current of the switching regulator of FIG. 12 is a negative value. It is a figure which shows a voltage waveform.
[0008]
In mode M3 (SWP on, SWN off), the potential at the output node n1 of the switching regulator (output node voltage Vn) is equal to the potential of the voltage input terminal Vin. When the switching element SWP is switched from on to off at timing t0 and enters a dead time state of mode M2 (SWP off, SWN off), the output node voltage Vn rapidly decreases and overshoots to the negative side. Next, when the switching element SWN is turned on at the timing t1, the output node voltage Vn approaches zero, but when the inductor current i is always positive and the bottom current is a positive value, again at the timing t2. When the dead time state of the mode M2 is entered, a large discharge current flows from the parasitic inductor component Cp to the inductor element L. For this reason, as shown in FIG. 14, the output node voltage Vn overshoots to the negative side and a ripple is generated, which becomes transient power supply noise. When the bottom current has a negative value, the output node voltage Vn becomes positive by the timing t2 when the switching element SWN is turned off, as shown in FIG. For this reason, the ripple is suppressed in the voltage waveform of the output node voltage Vn at the timing t2 when the mode M1 (SWP off, SWN on) is switched to the mode M2.
[0009]
Hereinafter, the ripple generated in these voltage waveforms will be considered in more detail. FIG. 16 is a diagram showing an equivalent circuit of the switching regulator for explaining the operation of the mode M1.
[0010]
In mode M1, switching element SWP is off and switching element SWN is on, and an equivalent circuit thereof is as shown in FIG. Here, when the switching element SWN is formed of an FET, the relationship between the drain current Id and the gate-source voltage Vgs in the non-saturation region can be expressed by the following equation (1).
[0011]
[Expression 1]
Id = 2K {Vgs−Vt− (Vds / 2)} Vds (1)
By solving this equation (1) for the drain-source voltage Vds, Vds can be obtained as in the following equation (2). Here, Vt is a threshold voltage, and K is a constant.
[0012]
[Expression 2]
Vds = (Vgs−Vt) − {(Vgs−Vt)2-(Id / K)}1/2
... (2)
That is, the output node voltage Vn proportional to the drain-source voltage Vds is a function of the drain current Id flowing through the switching element SWN.
[0013]
Now, in mode M2, the switching elements SWP and SWN are both in an off state, and an equivalent circuit thereof is as shown in FIG. The inductor current i varies linearly according to the parasitic capacitance Cp and the size of the inductor element L unless clamped by the parasitic diodes D1 and D2 of the switching elements SWP and SWN. FIG. 17 shows a state equation of the inductor current i corresponding to the equivalent circuit. In this mode M2, when the inductor current i changes linearly, the magnitude of the bottom current, which is the lowest value, can be determined from this state equation.
[0014]
In mode M3, the switching element SWP is turned on and the switching element SWN is kept off, so that the output node n1 is directly connected to the voltage input terminal Vin, and an equivalent circuit thereof is as shown in FIG.
[0015]
FIG. 19 is a waveform diagram showing the charge / discharge current and the like of the parasitic capacitance when the bottom current is a positive value. Here, in particular, when the switching element SWN is switched on from the mode M1 to the switching element SWP is switched on to the mode M3, the change in the charging / discharging current ip of the parasitic capacitance Cp when the inductor current i is always positive is described in detail. To do.
[0016]
In mode M2, the capacitor Cp is charged in such a direction that the inductor current i is ip and Vn is lowered. The operation according to the state equation in FIG. 17 ends when the output node voltage Vn is clamped by the parasitic diode D2, and Vn is fixed to the clamp voltage. The inductor current i starts to increase after the switching element SWP is turned on. The di / dt related to the switching element SWP at this time becomes very large, and acts on the parasitic inductance and causes noise. . That is, since a parasitic capacitance Cp having a magnitude that cannot be ignored in an actual switching regulator exists on the input power supply side, a sudden current change due to switching occurs in this portion, and thus a high-frequency power supply voltage fluctuation occurs on the input / output side. In a step-down type power supply device using such a switching regulator, the current value flowing in the Nch transistor is conventionally detected, and the Nch transistor is turned off when the current is zero or almost zero, thereby suppressing harmonics. There is something that is intended to. An example of such a technique is described in Patent Document 1 below.
[0017]
The switching regulator described in Patent Document 1 is a line operating type in which an input / output circuit is insulated by a transformer or the like, and performs so-called zero voltage switching (ZCS). This is realized and is slightly different from the above-mentioned chopper type.
[0018]
FIG. 20 is a waveform diagram showing the charge / discharge current and the like of the parasitic capacitance when the bottom current has a negative value. In this case, since the capacitor Cp is charged in the direction in which the inductor current i becomes ip and Vn is increased, Vn can be increased without being clamped by D2, so that it can approach Vin. Further, this movement is in accordance with a linear differential equation, and is not as steep as the moment when the switching element SWP is turned on at t = t3 in FIG.
[0019]
  In this figure, when the switching element SWN is switched from the ON state (mode M1) to the ON state (mode M3) through the dead time state (mode M2), as shown in FIG. As described above, since Vn is close to Vin, di / dt related to the switching element SWP is smaller than that in FIG. However, since the linear operation in the mode M2 ends when the output node voltage Vn is clamped by the parasitic diode D1,As is clear from FIGS. 20A and 20B, when the inductor current i becomes a negative value,Bottom currentvalueWhen the absolute value of is somewhat large, the clamp voltage is higher than the input voltage Vin of the switching element SWP by the drop voltage of the parasitic diode D1.To becomeOvershoot due to this voltage occurs.
[0020]
[Patent Document 1]
JP-A-10-215566
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the greater the difference between Vn and Vin immediately before the switching element SWP is turned on, the greater the change rate di / dt related to the switching element SWP when the switching element SWP is turned on. Therefore, there is a problem that the input / output power supply voltage fluctuates due to a sudden change in the current flowing through the output semiconductor switch, and noise associated with the switching operation tends to occur.
[0022]
Also, zero current switching is desirable to reduce the energy loss during switching of the switching element SWP, but the value of the inductor current i varies greatly depending on the load. Therefore, the zero current switching due to the return current from the inductor element L is It only happened by chance under limited conditions, and was only possible under narrow load conditions.
[0023]
An object of the present invention is to provide a switching regulator that uses a return current from an inductor over a wide range of load conditions to reduce a change in current flowing through an output semiconductor switch.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, there is provided a switching regulator that supplies constant power to the load by monitoring an output voltage to the load. The switching regulator includes a pair of switching elements connected in series between a voltage input terminal and a reference potential terminal, and an inductor element disposed between an output node connecting the pair of switching elements to each other and the load. And a signal generating means for generating a triangular wave signal for controlling an on / off period of the switching element, and a current flowing through the switching element on the reference potential terminal sidebottomTiming detection means for detecting the timing when the current becomes negativeAnd a frequency changing means for changing the frequency of the triangular wave signal according to the magnitude of the bottom current at a timing when the bottom current becomes a negative value.It consists of.
[0025]
  In the switching regulator of the present invention, the bottom frequency flowing in the inductor is changed to a current value with a small negative value by changing the switching frequency according to the load current.Change toAs a result, the parasitic capacitance at the output node is resonantly and gently charged to reduce the switching noise. Also, the absolute value of the bottom current can be controlled to prevent output node voltage overshoot.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is an overall circuit diagram showing a switching regulator according to the present invention.
[0027]
This switching regulator constitutes the same synchronous step-down switching power supply circuit as that of the conventional circuit of FIG. 12, and its basic structure is that a voltage input terminal Vin to which a power supply input is supplied and a reference grounded to the ground. A pair of switching elements SWP and SWN connected in series between the potential terminal and an output terminal 13 to which a load is connected and an output node n1 connecting the source of the switching element SWP and the drain of the switching element SWN. Inductor element L, output capacitor Co for determining output voltage Vout of output terminal 13, drive circuit for controlling on / off of switching elements SWP and SWN, P driver 1 and N driver 2, control circuit 3 such as a PWM comparator, and the like are provided. However, in the switching regulator of the present invention, The oscillation period determining circuit 4 that determines the frequency of the triangular wave signal for controlling the on / off period of the switching elements SWP and SWN, and the timing at which the current value of the current flowing through the switching element SWN on the reference potential terminal (ground) side becomes negative. A bottom current detection circuit 5 is provided.
[0028]
FIG. 2 is a signal waveform diagram illustrating the operation of the switching regulator.
In the control circuit 3 of FIG. 1, a voltage signal obtained by dividing the output voltage Vout by a resistor or the like is fed back, and a difference signal Verr between the voltage signal and the reference voltage Vref is detected by an error amplifier. The triangular wave signal Vosc shown in FIG. 2A is compared with the output Verr of the error amplifier, and the switching element SWP is turned on when the difference signal Verr is larger than the triangular wave signal Vosc (Ton period). In this case, as is well known, the output voltage Vout can be defined between the voltage (Vi) of the voltage input terminal Vin as follows:
[0029]
[Equation 3]
Vout = Ton / (Ton + Toff) Vin (3)
Here, Ton / (Ton + Toff) is a duty ratio.
[0030]
FIG. 2B shows a change in voltage (output node voltage) Vn at the output node n1. If the switching element SWP on the voltage input terminal Vin side is off (Toff period), the output node voltage Vn is approximately equal to the ground potential of the reference potential terminal, but if the switching element SWP is on (Ton period), the output node The voltage Vn rises. On the other hand, as shown in FIG. 4C, this circuit operation is balanced when the average value iave of the current i flowing through the inductor element L becomes equal to the output current io to the load.
[0031]
If PWM control is performed by an ordinary switching regulator, these conditions are automatically satisfied, and the bottom current can be reduced by increasing the period of the triangular wave signal. However, when the bottom current decreases, the maximum value of the inductor current i also increases, whereby the average value iave can be kept constant. That is, the bottom current detection circuit 5 detects the magnitude of the bottom current, and when it is a positive current, the oscillation period determination circuit 4 feeds back the direction of increasing the period of the triangular wave signal Vosc, Make it smaller. On the other hand, if the current is negative, the oscillation period determining circuit 4 should shorten the period of the triangular wave signal Vosc and feed back in the direction of increasing the bottom current. If it is determined that the bottom current is a sufficiently small negative current, the detected small negative current is maintained without changing the period of the triangular wave signal Vosc. As a result, the difference between Vn and Vin immediately before the change from mode M2 to mode M3 is small, and the current is also in a zero current switching state, so that noise during switching of the switching element SWP can be suppressed. .
[0032]
Next, specific circuit configurations of the bottom current detection circuit 5 and the oscillation period determination circuit 4 described above when the switching regulator shown in FIG. 1 is configured will be described.
[0033]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a bottom current detection circuit and an oscillation cycle determination circuit that constitute the switching regulator of FIG.
In FIG. 3, the PWM comparator 31 is connected to 10 stages of inverters INV1 to INV10 that delay the output signal S0 by a predetermined time, and also connected to the drive circuit 10 driven by the output signal S10 of the final stage inverter INV10. Has been. Here, S0 is a signal that becomes L (corresponding to Ton) when Verr> Vosc, and H (corresponding to Toff) when Verr <Vosc. The NOR circuit NOR1 receives the output signal S4 of the fourth-stage inverter INV4 and the output signal S7 of the seventh-stage inverter INV7.
[0034]
The bottom current detection circuit 5 includes two input terminals 51 and 52 and a comparator CMP1 that determines whether the bottom current is positive or negative. The comparator CMP1 receives the output node voltage Vn from the input terminal 52 and the ground potential, and a bottom current positive / negative determination output P / M (Plus or Minus) signal is output as one output signal of the exclusive OR circuit EOR1. It is supplied to the input terminal. The other input terminal of the exclusive OR circuit EOR1 is connected to the second-stage inverter INV2, and its output signal S2 is supplied.
[0035]
In this bottom current detection circuit 5, the switching circuit 53, the exclusive OR circuit EOR1, the switch SW1, the inverter INV11, the capacitor C10, the switch SW2, the inverter INV12, the capacitor C11, the operational amplifier OPA1, and the reference power source V10 are a kind of switched A capacitor circuit is configured. The exclusive OR circuit EOR1 is connected to the switching circuit 53, and the output signal S12 is supplied to the select terminal s of the switching circuit 53. The output terminal of the switching circuit 53 is connected to the positive electrode of the capacitor C10 via the switch SW1. This switch SW1 is ON / OFF controlled by the output signal S10 of the final stage of the 10-stage inverters INV1 to INV10 and a signal obtained by inverting it with the inverter INV11. The negative electrode of the capacitor C10 is connected to the negative input terminal of the operational amplifier OPA1. In the operational amplifier OPA1, a parallel circuit of a switch SW2 and a capacitor C11 is connected between the negative input terminal and the output terminal. The switch SW2 is ON / OFF controlled by the output signal S0 of the PWM comparator 31 and a signal obtained by inverting it with the inverter INV12. The + input terminal of the operational amplifier OPA1 is connected to the reference power supply V10.
[0036]
In the bottom current detection circuit 5, the switch SW3, the inverter INV13, the capacitor C12, the resistor R1, and the comparator CMP2 constitute a circuit that converts the absolute value of the output node voltage Vn into time. The operational amplifier OPA1 has an output terminal connected to the capacitor C12, the resistor R1, and the + input terminal of the comparator CMP2 via the switch SW3. The switch SW3 is ON / OFF controlled by the output signal S11 of the NOR circuit NOR1 and a signal obtained by inverting it with the inverter INV13. The negative input terminal of the comparator CMP2 is connected to the reference power source V10.
[0037]
The oscillation period determination circuit 4 is a circuit that changes the period of the triangular wave generation circuit based on the detection result of the bottom current. The oscillation cycle determination circuit 4 includes an inverter INV14, a NAND circuit NAND1, a transistor N21, a constant current source i1, a transistor P20, a NAND circuit NAND2, a transistor P21, a constant current source i2, a transistor N20, and a capacitor C13, and an output terminal. 41 is provided.
[0038]
Next, operations of the bottom current detection circuit and the oscillation cycle determination circuit shown in FIG. 3 will be described.
The bottom current positive / negative judgment output signal P / M output from the comparator CMP1 is H when the bottom current is a negative value as shown in FIG. In that case, it is necessary to shorten the period of the triangular wave signal Vosc by the oscillation period determining circuit 4 or to generate a feedback signal in a direction to leave it as it is. Further, when the positive / negative determination output signal P / M is L, the bottom current is a positive value as shown in FIG. 19, and therefore it is necessary to feed back in a direction to increase the period of the triangular wave signal Vosc.
[0039]
The PWM comparator 31 shown in FIG. 3 is connected to 10 stages of inverters INV1 to INV10 as delay elements, and outputs a control signal obtained by delaying the output signal S0 by a predetermined time. These inverters INV1 to INV10 may have a configuration in which the number of stages shown in FIG. Here, as described above, the timing at which the switching element SWN is switched from ON to SWP on is a problem in the process from the mode M1 to the mode M3. Therefore, the switching circuit SWN is switched from ON to OFF from the control circuit 3 to the N driver 2. The following circuit operation will be described with reference to the time when the drive signal for switching to H changes from H to L and the drive signal as a base point.
[0040]
The output signals S1 to S10 of each stage of the inverters INV1 to INV10 are transmitted with a little delay in the output signal S0, and the final stage output signal S10 is supplied to the drive circuit 10. The input terminals 51 and 52 of the bottom current detection circuit 5 are connected to the switching circuit 53 and the comparator CMP1, respectively, and the output node voltage Vn is input thereto.
[0041]
The switched capacitor circuit including the switching circuit 53, the exclusive OR circuit EOR1, the switch SW1, the inverter INV11, the capacitor C10, the switch SW2, the inverter INV12, the capacitor C11, the operational amplifier OPA1, and the reference power supply V10 is output from the operational amplifier OPA1. A signal proportional to the absolute value of the voltage Vn (more precisely, the reference power supply V10 added as a bias) is output as the output signal S13. The operation of this circuit portion differs depending on whether the positive / negative judgment output signal P / M (hereinafter referred to as P / M signal) is H or L, that is, depending on whether the output node voltage Vn is positive or negative. Specifically, the exclusive OR circuit EOR1 takes the exclusive OR of the P / M signal and the output of the inverter INV2, thereby changing the operation of the switching circuit 53 depending on whether the bottom current is positive or negative.
[0042]
After the potential of the output signal S13 of the operational amplifier OPA1 is stabilized, the switch SW3 is turned on for a short time at a timing defined by the NOR circuit NOR1. During this ON period, the capacitor C12 is charged to the potential of the output signal S13. When the switch SW3 is turned off, the charge of the capacitor C12 is discharged by a time constant circuit including the capacitor C12 and the resistor R1. The output signal S15 of the comparator CMP2 becomes H only during the period T from when the capacitor C12 is charged to when the discharge is started until the potential becomes equal to the reference power source V10.
[0043]
Here, since the operational amplifier OPA1 determines the output signal S13 as a function of the absolute value of the output node voltage Vn, the output node voltage Vn is also changed during the period T in which the output signal S15 of the comparator CMP2 is H. It becomes a function. However, in practice, the period T can be calculated by the following equation by ignoring the ON period of the switch SW3.
[0044]
[Expression 4]
T = (C12 * R1) * ln (1+ (| Vn | / V10)) (4)
In the oscillation cycle determination circuit 4, the NAND circuits NAND1 and NAND2 are controlled by the P / M signal, and either the transistor N20 or the transistor P20 is turned on for a period T substantially proportional to the output node voltage Vn, and the capacitor C13 Charging / discharging is performed, and the potential V3 of the output terminal 41 is raised and lowered according to charging / discharging of the capacitor C13. Now, when the P / M signal is H, that is, when the bottom current has a negative value, the transistor P20 is turned on and the capacitor C13 is charged by (i1 * T), thereby raising the potential V3 of the output terminal 41. Further, when the P / M signal is L, that is, when the bottom current is a positive value, the transistor N20 is turned on and the capacitor C13 is discharged only (i2 * T), so the potential V3 of the output terminal 41 is lowered.
[0045]
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the switching circuit constituting the bottom current detection circuit of FIG.
The switching circuit 53 includes two switches SW11 and SW12, an inverter INV16, input terminals 53a and 53b, a select terminal 53c, and an output terminal 53d that outputs an output signal OUT. When the select signal s (= S12) input to the select terminal 53c is H, the analog signal “1” input to the input terminal 53a is output from the output terminal 53d, and when the select signal s (S12) is L. The analog signal “0” input to the input terminal 53b is output from the output terminal 53d.
[0046]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a triangular wave signal generation circuit constituting the switching regulator of FIG.
The triangular wave signal generating circuit 32 is connected to the output terminal 41 of the oscillation period determining circuit 4, and a voltage signal V3 output therefrom is input to the input terminal 32a, and a predetermined triangular wave signal Vosc corresponding to the voltage signal V3 is supplied. This is a circuit to be generated. Since the input terminal 32a is connected to the gate of the transistor N22, the drain current i3 flowing through the transistor N22 depends on the voltage signal V3 of the oscillation period determining circuit 4. That is, if the voltage signal V3 increases, the drain current i3 also increases. If the voltage signal V3 decreases, the drain current i3 also decreases.
[0047]
The transistors P22 and P23 are current mirror circuits, and the drain current i4 flowing through the transistor P23 is the ratio of the transistor size of the transistors P22 and P23 to the current i3 ((W of P23 / L of P23) / (W / P22 of P22). L)). In the transistors P22 and P23, parameters other than the transistor size such as the channel width W and the channel length L are the same. Similarly, the current i5 flowing through the transistor N23 is obtained by multiplying the current i3 by the ratio of the transistor sizes of the transistors N22 and N23. The triangular wave signal Vosc generated by charging / discharging the capacitor C20 with these currents i4 and i5 has a magnitude (= i4 / C20) whose slope is proportional to the current i4 and inversely proportional to the capacitance value (= C20) of the capacitor C20. ) To the upper limit value Vhosc, and then decreases to the lower limit value Vlosc with a gradient (= −i5 / C20) proportional to the current i5 and inversely proportional to the capacitance value of the capacitor C20 (= C20).
[0048]
The comparators CMP3 and CMP4 and the NOR circuits NOR2 and NOR3 constitute a flip-flop circuit that receives the triangular wave signal Vosc of the output terminal 32d. Then, the transistors P23 and N24 are alternately turned on by the output of the flip-flop circuit, and the charging period by the drain current i4 and the discharging period by the drain current i5 are switched. In the flip-flop circuit, when the output voltage level of the triangular wave signal Vosc reaches the upper limit value Vhosc or the lower limit value Vlosc, it can be inverted to generate the triangular wave signal Vosc having a predetermined period.
[0049]
Next, the relationship between the period of the triangular wave signal Vosc and the magnitude of the bottom current will be described. When the bottom current has a negative value, the voltage signal V3 output from the oscillation period determination circuit 4 increases according to the magnitude of the absolute value of the bottom current. When the voltage signal V3 rises, the drain current i3 increases, thereby increasing the drain currents i4 and i5, so the charge / discharge time of the capacitor C20 is shortened. Therefore, the period of the triangular wave signal Vosc is shortened.
[0050]
On the other hand, when the bottom current is a positive value, the voltage signal V3 output from the oscillation period determination circuit 4 falls according to the magnitude of the absolute value. When the voltage signal V3 falls, the drain current i3 decreases, thereby decreasing the drain currents i4 and i5, and the charge / discharge time of the capacitor C20 becomes longer. Therefore, the period of the triangular wave signal Vosc becomes long.
[0051]
In this way, the period of the triangular wave signal Vosc can be controlled according to the bottom current. In addition, regarding the magnitude of the current sources i1 and i2 for charging and discharging the capacitor C13 that determines the voltage signal V3 of the oscillation period determining circuit 4, if the current source i2 is made larger (slightly) than the current source i1, the overall operation As a result, the voltage signal V3 is reduced and the period of the triangular wave signal Vosc is increased, so that the operating point when the bottom current is close to zero is balanced on the negative current side.
[0052]
FIG. 6 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the bottom current detection circuit of FIG. FIG. 7 is a timing chart for explaining the bottom current determination operation when the bottom current has a negative value, and FIG. 8 is a timing chart for explaining the bottom current determination operation when the bottom current becomes a positive value.
[0053]
FIG. 6A shows the output signal S0 of the PWM comparator 31, which changes from H to L at timing t10. FIG. 4B shows the output signal S2 of the second-stage inverter INV2, which changes from H to L at timing t11 after the timing t10. FIG. 5C shows the output signal S4 of the fourth-stage inverter INV4, which changes from H to L at timing t12 later than timing t11. FIG. 6D shows the output signal S7 of the seventh-stage inverter INV7, which changes from L to H at timing t13 later than timing t12. FIG. 5E shows the output signal S10 of the tenth stage inverter INV10, which rises to H at timing t1 and changes from H to L at timing t2. FIG. 5F shows the output signal S11 of the NOR circuit NOR1, which is H from timing t12 to timing t13.
[0054]
FIG. 7A shows an enlarged output signal S11 of the NOR circuit NOR1 shown in FIG. Although not shown here, the bottom current has a negative value, and the output node voltage Vn immediately before the switching element SWP is turned on is positive. Therefore, the P / M signal maintains the H state.
[0055]
FIG. 7B shows how the output signal S12 of the exclusive OR circuit EOR1 falls from H to L at timing t11. FIG. 5C shows how the charge Q1 on the positive electrode side of the capacitor C10 changes. The positive electrode of the capacitor C10 is connected to the switching circuit 53 while the switch SW1 is turned on, and is switched to the ground side at the timing t11 by the output signal S12 of the exclusive OR circuit EOR1. Therefore, the charge + Q accumulated in the positive electrode of the capacitor C10 is discharged via the switch SW1 and the switching circuit 53 at the timing t11. FIG. 4D shows how the charge Q2 on the negative electrode side of the capacitor C10 changes. At the timing t11, the charge Q2 is charged until the charge becomes zero from the previous -Q state, contrary to the charge Q1 on the positive electrode side.
[0056]
FIG. 7E shows how the charge Q3 on the negative electrode side of the capacitor C11 changes. This charge Q3 (= −Q) is the charge Q2 (= −Q) on the negative electrode side of the capacitor C10 moved at the timing t11. FIG. 5F shows how the charge Q4 on the positive electrode side of the capacitor C11 changes. Since the switch SW2 connected in parallel with the capacitor C11 is turned off at the timing t10, the charge Q4 becomes + Q at the timing t11 at which −Q is generated on the negative electrode side.
[0057]
FIG. 7G shows a potential change with respect to the output signal S13 of the operational amplifier OPA1. The potential of the output signal S13 rises from the potential of the reference power supply V10 (= V10) by a voltage (= | Vn | × C10 / C11) proportional to the magnitude of the output node voltage Vn at timing t11. FIG. 11H shows the potential change for the input signal S14 to the + side terminal of the comparator CMP2. At timing t12, the output signal S11 of the NOR circuit NOR1 becomes H and the switch SW3 is turned on, so that charge is accumulated in the capacitor C12 and the input signal S14 rises to a potential equal to the output signal S13 of the operational amplifier OPA1. However, at the subsequent timing t13, the output signal S11 of the NOR circuit NOR1 falls to L again, and the switch SW3 is turned off, whereby the charge accumulated in the capacitor C12 starts discharging.
[0058]
FIG. 7 (i) shows the output signal S15 of the comparator CMP2. The output signal S15 becomes H at the same timing t12 as the input signal S14, and changes to L at the timing t14 when the input signal S14 becomes equal to or lower than the potential of the reference power supply V10 (= V10). Therefore, the oscillation period determining circuit 4 controls the NAND circuits NAND1 and NAND2 only during the ON period T determined by the above-described equation (4), and allows the current to flow from the constant current source i1 to the output-side transistor P20 to charge the capacitor C13. To do. Thereby, when the bottom current is negative (P / M signal = H), the potential V3 of the output terminal 41 rises in proportion to (T × i1).
[0059]
In FIG. 7, the bottom current detection signal in the case where the bottom current is a negative value has been described by the signal waveforms of the respective parts of the bottom current detection circuit and the oscillation cycle determination circuit constituting the switching regulator. In FIG. The bottom current determination operation when the bottom current becomes a positive value will be described.
[0060]
FIG. 8A shows an enlarged output signal S11 of the NOR circuit NOR1 shown in FIG. Here, when the bottom current becomes a positive value, the output node voltage Vn becomes negative and the P / M signal becomes L.
[0061]
In FIG. 8B, since the P / M signal becomes L, the output signal S12 of the exclusive OR circuit EOR1 rises from L to H at timing t11. FIG. 5C shows how the charge Q1 on the positive electrode side of the capacitor C10 changes. The positive electrode of the capacitor C10 is connected to the switching circuit 53 while the switch SW1 is turned on, and is switched to the input terminal 51 side at the timing t11 by the output signal S12 of the exclusive OR circuit EOR1. Therefore, at timing t11, contrary to the case of FIG. 7, negative charge −Q flows into the positive electrode of the capacitor C10 via the switch SW1 and the switching circuit 53. FIG. 4D shows how the charge Q2 on the negative electrode side of the capacitor C10 changes. The charge Q2 is charged from the ground potential until then to + Q, opposite to the positive charge −Q1.
[0062]
FIGS. 8E and 8F show how the charges Q4 and Q3 on the positive and negative sides of the capacitor C11 change. Here, as in the case of FIGS. 7E and 7F, since the switch SW2 connected in parallel with the capacitor C11 is turned off at the timing t10, the capacitor C11 is turned off at the timing t11 at which −Q is generated on the negative electrode side. The charge Q4 on the positive electrode side changes to + Q.
[0063]
Therefore, as shown in these timing charts, even when the bottom current takes a positive value or a negative value, a signal having a positive voltage value is output as the output signal S13 of the operational amplifier OPA1. Therefore, the output signal S15 of the comparator CMP2 becomes H at the same timing t12 as the input signal S14, and changes to L at the timing t14 when the input signal S14 becomes equal to or lower than the potential (= V10) of the reference power supply V10.
[0064]
FIG. 9 is a diagram illustrating a voltage waveform at the output node when the absolute value of the bottom current is small. FIG. 10 is a diagram illustrating a voltage waveform at the output node when the absolute value of the bottom current is further smaller.
[0065]
Here, the absolute value of the bottom current ib1 in FIG. 9 is smaller than the bottom current ib of the inductor current i shown in FIG. In this case, the output node voltage Vn at the timing t3 when the mode M2 ends is substantially equal to the power supply voltage of the voltage input terminal Vin. Therefore, noise when the switching element SWP is turned on can be suppressed to a minimum magnitude. As shown in FIG. 10, when the absolute value of the bottom current ib1 is further reduced, the inductor current i is inverted to a positive value during the operation of the mode M2, so that the output node voltage Vn starts to oscillate.
[0066]
In the switching regulator described above, the operation when di / dt changes from negative to positive is realized by a linear circuit, and Vn immediately before the switching element SWP is turned on is substantially equal to Vin. As shown in FIG. 10, a switching operation with low noise can be realized.
[0067]
Here, as in the conventional switching regulator, when the current is positive (in the direction of charging the output capacitance Co), even if the operation by the linear circuit of the parasitic capacitance Cp and the inductor element L is started once, immediately. It is not reached until it is clamped by the parasitic diode of the Nch transistor and the direction of the inductor current is reversed. In addition, when the current flowing through the switching element SWN is a small negative current, it is switched off, so that the overshoot of the output node voltage Vn can be removed and the noise can be further reduced. Furthermore, since the switching element SWN is turned off and the switching element SWP is turned on when the absolute value of the inductor current i is substantially zero, zero current switching can also be realized.
[0068]
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a circuit diagram showing the oscillation cycle determination circuit of FIG. 3 configured as a digital circuit.
[0069]
In FIG. 11, the oscillation cycle determination circuit 4 from receiving the output signal S13 of the operational amplifier OPA1 to determining the voltage signal V3 of the output terminal 49 is configured using a digital circuit. The configuration of the bottom current detection circuit 5 is basically the same as the configuration of the first embodiment, but differs in that the + input terminal of the operational amplifier OPA1 is grounded.
[0070]
The control circuit 42 is activated by the output signal S11 of the NOR circuit NOR1, and controls the timing of the oscillation cycle determination circuit 4. The AD converter 43 receives the control signal from the control circuit 42 at the lNST port, AD converts the output signal S13 input as an analog signal, and outputs the converted digital signal from the output port OUT. The processor unit 44 is a special arithmetic processing circuit, and obtains output data P2 by executing the following arithmetic expression on the two input data POP1 according to the state of the P / M signal.
[0071]
When P / M = H
[0072]
[Equation 5]
P2 = P1 + P0−α1 (5)
When P / M = L
[0073]
[Formula 6]
P2 = P1-P0 (6)
And However, α1 is a small positive constant.
[0074]
The register circuit 45 stores the output data P2 of the processor unit 44, and the output data is input to the binary decoder 46 and the input port P1 of the processor unit 44. When the bottom current is a negative value, the processor unit 44 executes an operation that shortens the oscillation period of the triangular wave signal until the data in the register circuit 45 is + P0, and then lengthens the oscillation period by a small α1 (> 0). . That is, the processor unit 44 increases the output data P2 at a rate (+ P0) corresponding to the output node voltage Vn, and then outputs it with a slight decrease (−α1).
[0075]
Therefore, when the bottom current is a small negative current, it can be controlled not to be a positive current. When the bottom current is a positive current, the data in the register circuit 45 is reduced at a rate proportional to the magnitude of the bottom current. The output data of the register circuit 45 is converted into a binary code by the binary decoder 46, the switch 48 corresponding to the binary data is selected, and one of the plurality of constant current sources 47a, 47b, 47c,... Is connected to the transistor N25. The As a result, the current i6 flows through the transistor N25 with a magnitude corresponding to the magnitude of the output data of the register circuit 45. The gate and drain of the transistor N25 are short-circuited and connected to the output terminal 49. In this case, in the triangular wave signal generation circuit 32, the transistors N22 and N23 are current mirror circuits for the transistor N25.
[0076]
In this way, the oscillation cycle determination circuit 4 constituted by a digital circuit can control the oscillation cycle of the triangular wave signal based on the value of the bottom current, as in the first embodiment, and has a small negative current. An equilibrium point can be set.
[0077]
In addition, the switching control circuit including the oscillation cycle determination circuit 4 and the bottom current detection circuit 5 can detect the bottom current and change the switching frequency so as to maintain a small negative current. That is, since di / dt is switched from negative to positive not by the switching elements SWP and SWN but by a linear circuit composed of the parasitic capacitance Cp and the inductor element L, di / dt changes smoothly. Then, since Vn immediately before the switching element SWP is turned on becomes approximately equal to Vin, it is possible to reduce noise at the time of switching that occurs in a conventional switching regulator.
[0078]
In the above-described embodiment, the bottom current is directly estimated from the voltage Vn of the output node n1 increased by the on-resistance of the semiconductor switch. However, as another example of the bottom current detection circuit, it is serially connected to the power supply or the output. It is also possible to detect the load current from the voltage value of the inserted minute resistor. From this load current and inductor value, the bottom current value at a specific switching frequency can be estimated.
[0079]
The bottom current detection circuit 5 and the oscillation cycle determination circuit 4 described above are shown as one circuit example for configuring a switching regulator, and the switching frequency is changed so as to keep the bottom current small. If so, a detection circuit or a control circuit having another configuration may be used.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, according to the switching regulator of the present invention, the following effects can be realized.
[0081]
First, when the semiconductor switch (SWN) is turned off, the current that flows transiently is set to a small bottom current, so that it is basically zero current switching, and the current change (di / dt) related to the switching element SWN is changed. Thus, the fluctuation of the input / output voltage due to switching can be suppressed.
[0082]
Second, when the semiconductor switch (SWP) is turned on, the current that flows transiently is also kept very small. This is because a so-called zero voltage switching state in which the output node voltage is turned on at a value close to the input power supply voltage can be achieved, and the inductor current value is almost zero. Therefore, the current change (di / dt) related to the switching element SWP can be reduced, and fluctuations in the input / output voltage due to switching can be suppressed.
[0083]
Thirdly, since Vn changes to near Vin due to resonant charging due to the bottom current of the inductor and the parasitic capacitance of the output node, high-frequency components generated in the conventional switching regulator are not included. For this reason, there is an advantage that extra radiation and conduction noise associated with high-speed switching operation do not occur.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall circuit diagram showing a switching regulator according to the present invention.
FIG. 2 is a signal waveform diagram illustrating the operation of a switching regulator.
3 is a circuit diagram showing a configuration of a bottom current detection circuit and an oscillation cycle determination circuit constituting the switching regulator of FIG. 1; FIG.
4 is a circuit diagram showing an example of a switching circuit constituting the bottom current detection circuit of FIG. 3;
5 is a circuit diagram showing a configuration of a triangular wave generating circuit constituting the switching regulator of FIG. 1. FIG.
6 is a signal waveform diagram illustrating a control signal used for a determination operation in the bottom current detection circuit of FIG.
FIG. 7 is a timing chart illustrating a bottom current determination operation when the bottom current is a negative value.
FIG. 8 is a timing chart illustrating a bottom current determination operation when the bottom current is a positive value.
FIG. 9 is a diagram showing a voltage waveform at the output node when the absolute value of the negative value of the bottom current is small.
FIG. 10 is a diagram illustrating a voltage waveform of the output node when the absolute value of the negative value of the bottom current is further smaller.
11 is a circuit diagram showing the oscillation cycle determination circuit of FIG. 3 configured as a digital circuit.
FIG. 12 is a circuit diagram showing an example of a conventional switching regulator.
13 is a diagram showing an analysis model including parasitic capacitance of the switching regulator of FIG.
14 is a diagram showing a voltage waveform at the output node when the bottom current of the switching regulator of FIG. 12 is a positive value.
15 is a diagram showing a voltage waveform at the output node when the bottom current of the switching regulator of FIG. 12 becomes a negative value.
FIG. 16 is a diagram showing an equivalent circuit of a switching regulator for explaining a circuit operation in mode M1.
FIG. 17 is a diagram showing an equivalent circuit of a switching regulator for explaining a circuit operation in mode M2.
FIG. 18 is a diagram showing an equivalent circuit of a switching regulator for explaining a circuit operation in mode M3.
FIG. 19 is a waveform diagram showing a charge / discharge current and the like of parasitic capacitance when the bottom current is a positive value.
FIG. 20 is a waveform diagram showing charge / discharge current and the like of parasitic capacitance when the bottom current becomes a negative value.
[Explanation of symbols]
1 P driver
2 N driver
3 Control circuits such as PWM comparators
4 Oscillation cycle determination circuit
5 Bottom current detection circuit
10 Drive circuit
13 Output terminal
31 PWM comparator
32 Triangular wave signal generation circuit
41 Output terminal
42 Control circuit
43 AD Converter
44 processor units
45 register circuit
46 Binary decoder
47a, 47b, 47c constant current source
48 switches
51,52 input terminals
53 switching circuit
SWP, SWN Switching element
EOR1 Exclusive OR circuit
SW1-SW3, SW11-SW12 switch
C10 to C13 capacitors
OPA1 operational amplifier
NOR1 NOR circuit
NAND1, NAND2 NAND circuit
N20 to N25, P20 to P24 Transistor
i1, i2 constant current source
Vin voltage input terminal
n1 output node
L Inductor element
Co output capacitor
Vout output voltage
i Inductor current
Cp parasitic capacitance
Vn Output node voltage
Vosc triangular wave signal
INV1 to INV16 inverter
CMP1-CMP4 comparator

Claims (7)

負荷への出力電圧をモニタすることにより、前記負荷に一定の電力を供給するスイッチングレギュレータにおいて、
電圧入力端子と基準電位端子との間で直列に接続された一対のスイッチング素子と、
前記一対のスイッチング素子を互いに接続する出力ノードと前記負荷との間に配置されたインダクタ素子と、
前記スイッチング素子のオンオフ周期を制御するための三角波信号を発生する信号発生手段と、
前記基準電位端子側のスイッチング素子に流れるボトム電流が負値になるタイミングを検出するタイミング検出手段と、
前記ボトム電流が負値となるタイミングで前記三角波信号の周波数を前記ボトム電流の大きさに応じて変更する周波数変更手段と、
を備えたことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
In a switching regulator that supplies constant power to the load by monitoring the output voltage to the load,
A pair of switching elements connected in series between the voltage input terminal and the reference potential terminal;
An inductor element disposed between an output node connecting the pair of switching elements to each other and the load;
Signal generating means for generating a triangular wave signal for controlling the on / off period of the switching element;
Timing detection means for detecting a timing at which a bottom current flowing in the switching element on the reference potential terminal side becomes a negative value;
Frequency changing means for changing the frequency of the triangular wave signal at a timing when the bottom current becomes a negative value according to the magnitude of the bottom current;
A switching regulator comprising:
前記周波数変更手段では、前記ボトム電流が所定の負値となったタイミングで前記三角波信号の周期を維持することを特徴とする請求項1記載のスイッチングレギュレータ。2. The switching regulator according to claim 1, wherein the frequency changing means maintains the period of the triangular wave signal at a timing when the bottom current becomes a predetermined negative value . 前記周波数変更手段は、前記出力ノードから前記基準電位端子側に接続された前記スイッチング素子に流れる前記ボトム電流負値とるように、前記三角波信号の周波数を決定する発振周期決定回路であることを特徴とする請求項1記載のスイッチングレギュレータ。Said frequency changing means, the bottom current flowing from the output node connected to said switching element to the reference potential terminal side to the negative values and to so that is the oscillation period determining circuit for determining the frequency of the triangular wave signal The switching regulator according to claim 1. 前記タイミング検出手段は、前記ボトム電流の最小値が所定の負値に低下したタイミングを前記出力ノードにおける電位に基づいて検出することを特徴とする請求項1記載のスイッチングレギュレータ。Said timing detecting means, switching regulator of claim 1, wherein the minimum value of the bottom current detect based on the potential in the previous SL output node the timing was reduced to a predetermined negative value. 前記タイミング検出手段は、前記一対のスイッチング素子と前記出力ノードとの間に接続された微小抵抗に流れる電流値および前記インダクタンス素子のインダクタンス値に基づいて前記スイッチング素子における特定のスイッチング周波数での前記ボトム電流の大きさ推定することを特徴とする請求項1記載のスイッチングレギュレータ。The timing detection means includes the bottom at a specific switching frequency in the switching element based on a current value flowing through a minute resistor connected between the pair of switching elements and the output node and an inductance value of the inductance element. The switching regulator according to claim 1 , wherein the magnitude of the current is estimated . 前記電圧入力端子に供給された電力を降圧して、前記負荷に一定の電力を供給することを特徴とする請求項1記載のスイッチングレギュレータ。  2. The switching regulator according to claim 1, wherein the power supplied to the voltage input terminal is stepped down to supply a constant power to the load. 前記スイッチング素子は、Nチャネル及びPチャネルのスイッチングトランジスタによって構成したことを特徴とする請求項1記載のスイッチングレギュレータ。  The switching regulator according to claim 1, wherein the switching element includes an N-channel and a P-channel switching transistor.
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