JP5386801B2 - スイッチングレギュレータ及びその動作制御方法 - Google Patents
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Description
また、このような電圧制御方式のスイッチングレギュレータの周波数特性を改善するために、出力電圧と出力電流を帰還する電流制御方式が用いられてきた(例えば、特許文献1参照。)。更に、同様の手法としては、出力電圧帰還から近似微分器を用いて安定性を向上させるPID制御方式があった。
このように、電流制御方式は、応答特性が良いというメリットがある反面、電圧制御方式に対してのデメリットも多い。PID制御方式は、微分器を用いるためノイズに弱い。このようなことから、電圧制御方式のスイッチングレギュレータが多いというのが現状である。
入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチング素子と、
該スイッチング素子のスイッチングによって前記電源電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチング素子がオフして該インダクタへの充電が停止すると、該インダクタの放電を行う整流素子と、
前記出力電圧に比例した比例電圧と所定の基準電圧との電圧差に応じた誤差電圧を生成し、該誤差電圧に応じたデューティサイクルのパルス信号を生成して前記スイッチング素子の制御電極に出力し前記スイッチング素子のスイッチング制御を行う制御回路部と、
を備え、
前記制御回路部は、前記パルス信号のデューティサイクルに基づいてフィードバック電圧を生成し、該生成したフィードバック電圧と前記誤差電圧との電圧差に応じたデューティサイクルの前記パルス信号を生成し、該電圧差を前記パルス信号のデューティサイクルに応じて可変するフィードバック制御を行うものである。
前記出力電圧に比例した比例電圧と所定の基準電圧との電圧差に応じた誤差電圧を生成して出力する誤差電圧生成回路部と、
前記誤差電圧に応じたデューティサイクルのパルス信号を生成して前記スイッチング素子の制御電極に出力し該スイッチング素子のスイッチング制御を行うパルス変調回路部と、
前記パルス信号のデューティサイクルに応じたフィードバック電圧を生成して出力するフィードバック回路部と、
を備え、
前記パルス変調回路部は、前記誤差電圧と前記フィードバック電圧との電圧比較を行い、該比較結果に応じたデューティサイクルの前記パルス信号を生成するようにした。
前記パルス信号に応じてスイッチングを行う第1スイッチと、
前記パルス信号に応じて該第1スイッチと相反するスイッチングを行う第2スイッチと、
コンデンサと、
前記第1スイッチのスイッチングに応じて所定の定電流を該コンデンサに供給して充電を行う定電流源と、
前記第2スイッチのスイッチングに応じて前記コンデンサを放電する際に所定の時定数を形成する抵抗と、
を備えるようにした。
前記パルス信号に応じてスイッチングを行う第1スイッチと、
前記パルス信号に応じて該第1スイッチと相反するスイッチングを行う第2スイッチと、
コンデンサと、
前記第1スイッチのスイッチングに応じて所定の定電流を該コンデンサに供給して充電を行う定電流源と、
前記第2スイッチのスイッチングに応じて前記コンデンサを放電する際に所定の時定数を形成する抵抗と、
前記スロープ電圧を生成して、前記コンデンサの充放電端の充電時における電圧に、該生成したスロープ電圧を加算して前記フィードバック電圧を生成するスロープ電圧生成回路と、
を備えるようにした。
前記パルス信号に応じてスイッチングを行う第1スイッチと、
前記パルス信号に応じて該第1スイッチと相反するスイッチングを行う第2スイッチと、
抵抗と
前記第1スイッチのスイッチングに応じて、該抵抗を介して電流が供給されて充電されるコンデンサと、
前記第2スイッチのスイッチングに応じて、該コンデンサの放電を行う定電流源と、
前記スロープ電圧を生成して、前記コンデンサの充放電端の充電時における電圧に、該生成したスロープ電圧を加算して前記フィードバック電圧を生成するスロープ電圧生成回路と、
を備えるようにしてもよい。
前記出力電圧を分圧して前記比例電圧を生成し出力する出力電圧検出回路と、
前記基準電圧を生成して出力する基準電圧発生回路と、
前記比例電圧と前記基準電圧との電圧差を増幅して前記誤差電圧を生成し出力する誤差増幅回路と、
を備えるようにした。
前記誤差電圧と前記フィードバック電圧との電圧比較を行い、該電圧比較結果を示す2値の信号を生成して出力する電圧比較回路と、
一方の入力端に所定のクロック信号が入力されると共に他方の入力端に該電圧比較回路の出力信号が入力され、該出力信号と前記クロック信号の各信号レベルに応じた前記パルス信号を生成し出力するRSフリップフロップ回路と、
を備えるようにした。
該スイッチング素子のスイッチングによって、入力端子に入力された入力電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチング素子がオフして該インダクタへの充電が停止すると、該インダクタの放電を行う整流素子と、
を備え、
出力端子から出力される出力電圧に比例した比例電圧と所定の基準電圧との電圧差に応じた誤差電圧を生成し、該誤差電圧に応じたデューティサイクルのパルス信号を生成して前記スイッチング素子の制御電極に出力し該スイッチング素子のスイッチング制御を行い、前記入力端子に入力された入力電圧を所定の定電圧に変換して前記出力電圧として出力するスイッチングレギュレータの動作制御方法において、
前記パルス信号のデューティサイクルに基づいてフィードバック電圧を生成し、
該生成したフィードバック電圧と前記誤差電圧との電圧差に応じたデューティサイクルの前記パルス信号を生成し、
該電圧差を前記パルス信号のデューティサイクルに応じて可変するフィードバック制御を行うようにした。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態におけるスイッチングレギュレータの回路例を示した図である。
図1のスイッチングレギュレータ1は、入力端子INに入力された入力電圧Vinを所定の定電圧に降圧して出力電圧Voutとして出力端子OUTから出力する降圧型のスイッチングレギュレータをなしている。
スイッチングレギュレータ1は、入力端子INからの電流の出力制御を行うPMOSトランジスタからなるスイッチングトランジスタM1と、NMOSトランジスタからなる同期整流用トランジスタM2と、インダクタL1と、平滑用のコンデンサC1と、出力電圧Voutを分圧して分圧電圧Vfbを生成し出力する出力電圧検出用の抵抗R1,R2と、位相補償用の抵抗R3及びコンデンサC2,C3とを備えている。
このように、分圧電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも大きい場合は、誤差電圧Veを低下させることで出力電圧Voutを低下させ、分圧電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも小さい場合には、誤差電圧Veを上昇させることで出力電圧Voutを上昇させるようにして、出力電圧Voutをレギュレーションしている。
図2において、フィードバック回路4は、PMOSトランジスタM11、NMOSトランジスタM12、定電流源11、コンデンサC11及び抵抗R11で構成されている。なお、PMOSトランジスタM11は第1スイッチを、NMOSトランジスタM12は第2スイッチをそれぞれなす。
図4において、期間TA0では、出力端子OUTに接続された負荷が一定であるため、フィードバック電圧Vdfbのピーク値Vp及び誤差電圧Veはそれぞれ定常点で一定になっている。
期間TA1では、前記負荷が増加し、インダクタ電流iLが出力電流ioutになるまでは出力電圧Voutは低下し、誤差電圧Veは上昇する。
期間TA3では、出力電流ioutが減少し、インダクタ電流iLが出力電流ioutになるまでは出力電圧Voutが上昇し、誤差電圧Veは低下する。
期間TA4では、インダクタ電流iLが出力電流ioutに到達したため、出力電圧Voutの上昇が止まる。この後、誤差電圧Veが、フィードバック電圧Vdfbに従って出力電圧Voutを定常状態に戻そうとする。
図5から分かるように、ΔDutyは微分周波数特性を示している。これは、PID制御における微分動作と同様の特性を示しているが、PID制御方式が出力電圧Voの変化ΔVoに対する誤差電圧Veの変化ΔVeにおいて微分特性を有していることに対して、図1のスイッチングレギュレータ1では、誤差電圧Veの変化ΔVeに対するスイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルの変化ΔDutyに微分特性を持っている点で大きく異なる。フィードバック回路4ではロジック信号を元に微分特性を作り出しているため、スイッチングレギュレータ1は、耐ノイズ性においてPID制御方式よりも格段に優れている。
これに対して図1のスイッチングレギュレータ1では、フィードバック回路4を図2で示したような簡単な回路で実現することができ、耐ノイズ性もフィードバック回路4の入力信号がロジック信号であるため問題はない。フィードバック回路4において、入力ノイズの影響を考慮しなくてもよいことから、回路定数によって高域周波数まで微分特性を持続させることができる。
図6から分かるように、従来の電圧制御方式のスイッチングレギュレータでは、共振特性によって急激な位相変動とゲインピークがあるが、図1のスイッチングレギュレータ1では、ゲインが抑えられ、また位相変動も緩やかである。
図9から分かるように、図1のスイッチングレギュレータ1の場合は、高域周波数までゲインが伸びており、かつ位相余裕も確保されていることが分かる。これに対して、従来の電圧制御方式のスイッチングレギュレータでは、ゲインが伸びていないにも関わらず、すでに位相余裕がなく、安定性を求めるのであれば、更にゲインを下げて応答性能を低下させる必要がある。
図10における図1との相違点は、図1のスイッチングトランジスタM1をNMOSトランジスタにし、図1の同期整流用トランジスタM2をPMOSトランジスタにして、スイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2及びインダクタL1の接続を変えたことと、スイッチングトランジスタM1及び同期整流用トランジスタM2の各ゲートには、RSフリップフロップ回路7の非反転出力端Qから出力されたスイッチシグナル信号Sqが入力されるようにしたことである。
また、図1及び図10では、同期整流型のスイッチングレギュレータを例にして示したが、本発明は、非同期整流型のスイッチングレギュレータにも適用することができ、この場合、図1及び図10の同期整流用トランジスタM2を整流ダイオードに置き換えればよい。図1の場合、該整流ダイオードのアノードは接地電圧に接続され、カソードはスイッチングトランジスタM1のドレインに接続される。また、図10の場合は、整流ダイオードのアノードは接続部Lxに接続され、カソードは出力端子OUTに接続される。
前記第1の実施の形態におけるフィードバック回路4において、スイッチシグナル信号Sqbに応じてフィードバック電圧Vdfbにスロープ電圧を加算するようにしてもよく、このようにしたものを本発明の第2の実施の形態とする。
図11は、本発明の第2の実施の形態におけるスイッチングレギュレータの回路例を示した図である。なお、図11では、図1と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略する共に図1との相違点のみ説明する。
図11における図1との相違点は、図1のフィードバック回路4にスロープ加算回路を追加したことにあり、これに伴って、図1のフィードバック回路4をフィードバック回路4aに、図1のスイッチングレギュレータ1をスイッチングレギュレータ1aにした。
スイッチングレギュレータ1aは、スイッチングトランジスタM1と、同期整流用トランジスタM2と、インダクタL1と、平滑用のコンデンサC1と、抵抗R1,R2と、位相補償用の抵抗R3及びコンデンサC2,C3と、基準電圧発生回路2と、誤差増幅回路3と、スイッチングトランジスタM1のゲートに入力されるパルス信号のデューティサイクルに応じたフィードバック電圧Vdfb1を生成して出力するフィードバック回路4aと、誤差増幅回路3からの誤差電圧Veとフィードバック電圧Vdfb1との電圧比較を行い、誤差電圧Veに応じたパルス幅を有するPWM制御を行うためのPWMパルス信号Spwmを生成して出力するPWMコンパレータ5と、発振回路6と、RSフリップフロップ回路7とを備えている。
図12は、フィードバック回路4aの回路例を示した図であり、図13は、図12のフィードバック回路4aの動作例を示したタイミングチャートである。なお、図12では、図2と同じもの又は同様のものは同じ符号で示し、ここではその説明を省略すると共に図2との相違点のみ説明する。
図12において、フィードバック回路4aは、PMOSトランジスタM11,M13、NMOSトランジスタM12,M14、定電流源11,12、演算増幅回路13、コンデンサC11,C12及び抵抗R11で構成されている。なお、定電流源12、演算増幅回路13、PMOSトランジスタM13、NMOSトランジスタM14及びコンデンサC12はスロープ電圧生成回路をなす。
図13において、フィードバック電圧Vdfbのダウンスロープは、本来であれば抵抗と容量との自由放電による関数になるが、説明を簡単にするために、直線で近似している。実線がフィードバック電圧Vdfbを示し、破線がフィードバック電圧Vdfbにダウンスロープの1/2の傾斜を持つスロープ電圧を加算したフィードバック電圧Vdfb1の波形を示している。
図14では、アップスロープを抵抗と容量で、ダウンスロープを定電流源と容量で作っているため、図12の場合とは逆にフィードバック電圧Vdfbのダウンスロープが一定の傾斜を有している。したがって、スロープ電圧の加算量は常に一定で良いため、前記のようなスロープ電圧の調整を行う必要がない。
また、前記説明では、同期整流型のスイッチングレギュレータを例にして示したが、本発明は、非同期整流型のスイッチングレギュレータにも適用することができ、この場合、前記第1の実施の形態と同様に、同期整流用トランジスタM2を整流ダイオードに置き換えればよい。
2 基準電圧発生回路
3 誤差増幅回路
4,4a フィードバック回路
5 PWMコンパレータ
6 発振回路
7 RSフリップフロップ回路
M1 スイッチングトランジスタ
M2 同期整流用トランジスタ
L1 インダクタ
C1〜C3 コンデンサ
R1〜R3 抵抗
Claims (14)
- 入力端子に入力された電源電圧を、所定の定電圧に変換して出力電圧として出力端子から出力するスイッチングレギュレータにおいて、
入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチング素子と、
該スイッチング素子のスイッチングによって前記電源電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチング素子がオフして該インダクタへの充電が停止すると、該インダクタの放電を行う整流素子と、
前記出力電圧に比例した比例電圧と所定の基準電圧との電圧差に応じた誤差電圧を生成し、該誤差電圧に応じたデューティサイクルのパルス信号を生成して前記スイッチング素子の制御電極に出力し前記スイッチング素子のスイッチング制御を行う制御回路部と、
を備え、
前記制御回路部は、前記パルス信号のデューティサイクルに基づいてフィードバック電圧を生成し、該生成したフィードバック電圧と前記誤差電圧との電圧差に応じたデューティサイクルの前記パルス信号を生成し、該電圧差を前記パルス信号のデューティサイクルに応じて可変するフィードバック制御を行うことを特徴とするスイッチングレギュレータ。 - 前記制御回路部は、前記誤差電圧と前記フィードバック電圧との電圧比較を行い、該比較結果に応じたデューティサイクルの前記パルス信号を生成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。
- 前記制御回路部は、
前記出力電圧に比例した比例電圧と所定の基準電圧との電圧差に応じた誤差電圧を生成して出力する誤差電圧生成回路部と、
前記誤差電圧に応じたデューティサイクルのパルス信号を生成して前記スイッチング素子の制御電極に出力し該スイッチング素子のスイッチング制御を行うパルス変調回路部と、
前記パルス信号のデューティサイクルに応じたフィードバック電圧を生成して出力するフィードバック回路部と、
を備え、
前記パルス変調回路部は、前記誤差電圧と前記フィードバック電圧との電圧比較を行い、該比較結果に応じたデューティサイクルの前記パルス信号を生成することを特徴とする請求項2記載のスイッチングレギュレータ。 - 前記フィードバック回路部は、前記パルス信号を積分して前記フィードバック電圧を生成することを特徴とする請求項3記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記フィードバック回路部は、
前記パルス信号に応じてスイッチングを行う第1スイッチと、
前記パルス信号に応じて該第1スイッチと相反するスイッチングを行う第2スイッチと、
コンデンサと、
前記第1スイッチのスイッチングに応じて所定の定電流を該コンデンサに供給して充電を行う定電流源と、
前記第2スイッチのスイッチングに応じて前記コンデンサを放電する際に所定の時定数を形成する抵抗と、
を備えることを特徴とする請求項4記載のスイッチングレギュレータ。 - 前記フィードバック回路部は、前記パルス信号を積分し、該積分して得られたリプルを有する信号に、前記パルス信号のデューティサイクルに応じた電圧傾斜を有するスロープ電圧を加算して前記フィードバック電圧を生成することを特徴とする請求項3記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記フィードバック回路部は、
前記パルス信号に応じてスイッチングを行う第1スイッチと、
前記パルス信号に応じて該第1スイッチと相反するスイッチングを行う第2スイッチと、
コンデンサと、
前記第1スイッチのスイッチングに応じて所定の定電流を該コンデンサに供給して充電を行う定電流源と、
前記第2スイッチのスイッチングに応じて前記コンデンサを放電する際に所定の時定数を形成する抵抗と、
前記スロープ電圧を生成して、前記コンデンサの充放電端の充電時における電圧に、該生成したスロープ電圧を加算して前記フィードバック電圧を生成するスロープ電圧生成回路と、
を備えることを特徴とする請求項6記載のスイッチングレギュレータ。 - 前記フィードバック回路部は、
前記パルス信号に応じてスイッチングを行う第1スイッチと、
前記パルス信号に応じて該第1スイッチと相反するスイッチングを行う第2スイッチと、
抵抗と
前記第1スイッチのスイッチングに応じて、該抵抗を介して電流が供給されて充電されるコンデンサと、
前記第2スイッチのスイッチングに応じて、該コンデンサの放電を行う定電流源と、
前記スロープ電圧を生成して、前記コンデンサの充放電端の充電時における電圧に、該生成したスロープ電圧を加算して前記フィードバック電圧を生成するスロープ電圧生成回路と、
を備えることを特徴とする請求項6記載のスイッチングレギュレータ。 - 前記誤差電圧生成回路部は、
前記出力電圧を分圧して前記比例電圧を生成し出力する出力電圧検出回路と、
前記基準電圧を生成して出力する基準電圧発生回路と、
前記比例電圧と前記基準電圧との電圧差を増幅して前記誤差電圧を生成し出力する誤差増幅回路と、
を備えることを特徴とする請求項3、4、5、6、7又は8記載のスイッチングレギュレータ。 - 前記パルス変調回路部は、
前記誤差電圧と前記フィードバック電圧との電圧比較を行い、該電圧比較結果を示す2値の信号を生成して出力する電圧比較回路と、
一方の入力端に所定のクロック信号が入力されると共に他方の入力端に該電圧比較回路の出力信号が入力され、該出力信号と前記クロック信号の各信号レベルに応じた前記パルス信号を生成し出力するRSフリップフロップ回路と、
を備えることを特徴とする請求項3、4、5、6、7、8又は9記載のスイッチングレギュレータ。 - 入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチング素子と、
該スイッチング素子のスイッチングによって、入力端子に入力された入力電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチング素子がオフして該インダクタへの充電が停止すると、該インダクタの放電を行う整流素子と、
を備え、
出力端子から出力される出力電圧に比例した比例電圧と所定の基準電圧との電圧差に応じた誤差電圧を生成し、該誤差電圧に応じたデューティサイクルのパルス信号を生成して前記スイッチング素子の制御電極に出力し該スイッチング素子のスイッチング制御を行い、前記入力端子に入力された入力電圧を所定の定電圧に変換して前記出力電圧として出力するスイッチングレギュレータの動作制御方法において、
前記パルス信号のデューティサイクルに基づいてフィードバック電圧を生成し、
該生成したフィードバック電圧と前記誤差電圧との電圧差に応じたデューティサイクルの前記パルス信号を生成し、
該電圧差を前記パルス信号のデューティサイクルに応じて可変するフィードバック制御を行うことを特徴とするスイッチングレギュレータの動作制御方法。 - 前記誤差電圧と前記フィードバック電圧との電圧比較を行い、該比較結果に応じたデューティサイクルの前記パルス信号を生成することを特徴とする請求項11記載のスイッチングレギュレータの動作制御方法。
- 前記パルス信号を積分して前記フィードバック電圧を生成することを特徴とする請求項11又は12記載のスイッチングレギュレータの動作制御方法。
- 前記パルス信号を積分し、該積分して得られたリプルを有する信号に、前記パルス信号のデューティサイクルに応じた電圧傾斜を有するスロープ電圧を加算して前記フィードバック電圧を生成することを特徴とする請求項11又は12記載のスイッチングレギュレータの動作制御方法。
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