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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

スイッチングレギュレータ及びその動作制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、広い入出力電圧範囲で安定動作可能なスイッチングレギュレータ及びその動作制御方法に関するものである。
基本となるスイッチングレギュレータの制御方法は出力電圧を帰還させるのみである電圧制御方式であった。
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。
電圧制御方式のスイッチングレギュレータは、インダクタ電流を制御しており、該インダクタ電流を出力平滑コンデンサに充電することにより、所定の定電圧である出力電圧を生成している。このようなスイッチングレギュレータでは、出力電圧を帰還させて出力電流を発生させ該出力電圧を制御しているため、スイッチングレギュレータ本来の特性として二次の共振周波数特性を有している。該共振周波数特性は、制御ループの安定性を劣化させ、スイッチングレギュレータの構成を困難なものにしており、安定性を保つために制御ループのゲインを下げる必要があり、過渡応答特性が低下するという問題があった。
また、出力電圧帰還型である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。出力電流を帰還させて出力電流を制御しているため、スイッチングレギュレータは一次の周波数特性を有することになり、制御が簡単になる。したがって、制御ループのゲインを上げることができるため、スイッチングレギュレータの過渡応答特性をよくすることができる。
特開2006−33958号公報
しかし、電流制御方式では、電流を電圧に変換して帰還するため、電流センス抵抗が必要であった。電流センス抵抗の抵抗値が大きいとスイッチングレギュレータの効率が悪化するため、電流センス抵抗に数十mΩレベルの抵抗を使用する必要があるが、このような抵抗は高価であった。また、電流センス抵抗によるセンス電圧が微小電圧になるため、ノイズの影響を受けやすいという問題があった。更に、このような電流センス抵抗を使用しない方法として、ドライバトランジスタのオン抵抗を使用する方式(ドライバトランジスタのドレイン電圧を使用する方式)が採用されていた。この方式は、抵抗を使用しないため、コストや効率の面では電流センス抵抗を使用する場合よりも有利であった。
しかし、ドライバトランジスタはスイッチングするため、ドライバトランジスタがオンしたときのドレイン電圧を検出するタイミング調整が難しかった。またドライバトランジスタのスイッチングサージの発生によりドライバトランジスタがオンした直後の電圧を検出することができず、該検出タイミングに遅延が発生するという問題があった。また、電流センス抵抗を使用する方法と同様に、微小電圧を扱うため、非常にノイズの影響を受けやすいという問題があった。更に、前記電流制御方式のスイッチングレギュレータでは、PWM制御のオンデューティサイクルが50%を超えると低調波発振が発生し、該低調波発振を除去するためにはスロープ補償回路が必要であり、このようなスロープ補償回路は構成が複雑で調整が非常に困難であった。
また、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制御方式では、理論的には出力電圧の微分値、即ち出力電流とインダクタ電流の差分を帰還させていることに近いことから、電流制御方式に近い周波数特性を有することができる。ただし、PID制御方式のスイッチングレギュレータでは、出力電圧は平滑容量によるESRやスイッチングレギュレータの出力ノードによるサージ電圧によって、大きな高周波ノイズが重畳する。微分器を用いるという構成上、このような高周波ノイズが誤動作の原因になることは明らかである。
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。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、制御の安定性が高く、かつ周波数特性を改善させることができるスイッチングレギュレータ及びその動作制御方法を得ることを目的とする。
この発明に係るスイッチングレギュレータは、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ものである。
具体的には、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ようにした。
この場合、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ようにした。
また、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ようにした。
具体的には、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、
を備えるようにした。
また、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ようにしてもよい。
この場合、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、
を備えるようにした。
また、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、
を備えるようにしてもよい。
また、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、
を備えるようにした。
また、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、
を備えるようにした。
また、この発明に係るスイッチングレギュレータの動作制御方法は、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ようにした。

具体的には、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。
また、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ようにした。
また、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ようにしてもよい。
本発明のスイッチングレギュレータ及びその動作制御方法によれば、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、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。このことから、出力電圧の変動に対する誤差電圧の変動の遅れを補償することができ、制御の安定性を向上させることができると共に周波数特性の改善を図ることができる。
また、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ようにしたことから、パルス信号のデューティサイクルが50%以上になってもフィードバック電圧を生成する動作を安定させることができる。
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
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。
更に、スイッチングレギュレータ1は、所定の基準電圧Vrefを生成して出力する基準電圧発生回路2と、前記分圧電圧Vfbと該基準電圧Vrefとの電圧比較を行い、該電圧差を増幅して誤差電圧Veを生成し出力する誤差増幅回路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Vdfbを生成して出力するフィードバック回路4とを備えている。また、スイッチングレギュレータ1は、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Vdfb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、所定のクロック信号CLKを生成して出力する発振回路6と、RSフリップフロップ回路7とを備えている。
なお、スイッチングトランジスタM1はスイッチング素子を、同期整流用トランジスタM2は整流素子をそれぞれなし、基準電圧発生回路2、誤差増幅回路3、フィードバック回路4、PWMコンパレータ5、発振回路6、RSフリップフロップ回路7、抵抗R1〜R3及びコンデンサC2,C3は制御回路部をなす。また、基準電圧発生回路2、誤差増幅回路3、抵抗R1〜R3及びコンデンサC2,C3は誤差電圧生成回路部を、PWMコンパレータ5、発振回路6及びRSフリップフロップ回路7はパルス変調回路部を、フィードバック回路4はフィードバック回路部をそれぞれなす。また、抵抗R1,R2は出力電圧検出回路を、PWMコンパレータ5は電圧比較回路をそれぞれなす。
入力電圧Vinと同期整流用トランジスタM2のドレインとの間にはスイッチングトランジスタM1が接続され、同期整流用トランジスタM2のソースは接地電圧に接続されている。スイッチングトランジスタM1のドレインと同期整流用トランジスタM2との接続部をLxとすると、接続部Lxと出力端子OUTとの間にインダクタL1が接続され、出力端子OUTと接地電圧との間に抵抗R1と抵抗R2との直列回路及びコンデンサC1が並列に接続されている。また、抵抗R1には、位相補償用のコンデンサC2が並列に接続されている。抵抗R1と抵抗R2との接続部の電圧である分圧電圧Vfbは誤差増幅回路3の反転入力端に入力され、誤差増幅回路3の非反転入力端には基準電圧Vrefが入力されている。誤差増幅回路3の出力端と接地電圧との間には、抵抗R3及びコンデンサC3の直列回路が接続されており、該直列回路は位相補償回路をなす。
また、PWMコンパレータ5の反転入力端には、誤差増幅回路3からの誤差電圧Veが入力され、PWMコンパレータ5の非反転入力端にはフィードバック電圧Vdfbが入力されている。RSフリップフロップ回路7のセット入力端Sには発振回路6からのクロック信号CLKが入力され、RSフリップフロップ回路7のリセット入力端RにはPWMコンパレータ5からのPWMパルス信号Spwmが入力されている。RSフリップフロップ回路7の反転出力端QBから出力されたパルス信号であるスイッチシグナル信号Sqbは、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の各ゲート並びにフィードバック回路4にそれぞれ入力される。
このような構成において、誤差増幅回路3は、分圧電圧Vfbと基準電圧Vrefとの電圧差を増幅して生成した誤差電圧VeをPWMコンパレータ5の反転入力端に出力する。PWMコンパレータ5は、誤差電圧Veとフィードバック回路4からのフィードバック電圧Vdfbとの電圧比較を行い、フィードバック電圧Vdfbが誤差電圧Ve以下である場合は、PWMコンパレータ5はローレベルのPWMパルス信号Spwmを出力する。RSフリップフロップ回路7は、セット入力端Sにクロック信号CLKのパルスが入力されるとその立ち上がりエッジにより非反転出力端Qからハイレベルの信号を、反転出力端QBからはローレベルの信号をそれぞれ出力する。また、RSフリップフロップ回路7は、リセット入力端RにPWMコンパレータ5からのPWMパルス信号Spwmが入力されると、PWMパルス信号Spwmの立ち上がりエッジにより非反転出力端Qをローレベルに、反転出力端QBをハイレベルにする。RSフリップフロップ回路7はリセット優先であり、クロック信号CLKのパルスが入力されたときに、PWMパルス信号Spwmがハイレベルであれば、非反転出力端Qはローレベルに、反転出力端QBはハイレベルに保持する。
RSフリップフロップ回路7からローレベルのスイッチシグナル信号Sqbが出力されると、スイッチングトランジスタM1がオンして導通状態になると共に同期整流用トランジスタM2がオフして遮断状態になり、インダクタL1、平滑用コンデンサC1及び出力端子OUTに接続された負荷(図示せず)に電力が供給される。また、RSフリップフロップ回路7からハイレベルのスイッチシグナル信号Sqbが出力されると、スイッチングトランジスタM1がオフして遮断状態になると共に同期整流用トランジスタM2がオンして導通状態になり、インダクタL1及び平滑用コンデンサC1に蓄えられたエネルギーが出力端子OUTに接続された負荷に供給される。
また、フィードバック電圧Vdfbが誤差電圧Veを超えている場合は、PWMコンパレータ5はハイレベルのPWMパルス信号Spwmを出力し、RSフリップフロップ回路7をリセットして、RSフリップフロップ回路7からはクロック信号CLKに関係なくハイレベルのスイッチシグナル信号Sqbが出力される。このため、スイッチングトランジスタM1はオフして遮断状態になると共に同期整流用トランジスタM2はオンして導通状態になる。
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。
ここで、図2は、図1のフィードバック回路4の回路例を示した図であり、図3は、図2のフィードバック回路4の動作例を示したタイミングチャートである。図3のVLxは接続部Lxの電圧を示している。
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。
入力電圧VinとPMOSトランジスタM11のソースとの間には定電流源11が接続され、PMOSトランジスタM11のソースには定電流源11から所定の定電流が供給されている。PMOSトランジスタM11のドレインと接地電圧との間には、NMOSトランジスタM12と抵抗R11の直列回路及びコンデンサC11が並列に接続されている。PMOSトランジスタM11及びNMOSトランジスタM12の各ゲートは接続され、該接続部にはRSフリップフロップ回路7からのスイッチシグナル信号Sqbが入力され、PMOSトランジスタM11、NMOSトランジスタM12及びコンデンサC11の接続部からフィードバック電圧Vdfbが出力される。
図3から分かるように、スイッチシグナル信号Sqbがローレベルになると、PMOSトランジスタM11がオンすると共にNMOSトランジスタM12がオフし、コンデンサC11はPMOSトランジスタM11を介して入力される定電流源11からの定電流によって充電され、フィードバック電圧Vdfbは一定の傾斜で上昇し、これをアップスロープと呼ぶ。スイッチシグナル信号Sqbがハイレベルになると、PMOSトランジスタM11がオフすると共にNMOSトランジスタM12がオンし、コンデンサC11に充電された電荷はNMOSトランジスタM12及び抵抗R11を介して接地電圧に放電され、フィードバック電圧Vdfbは、コンデンサC11と抵抗R11の時定数で低下し、これをダウンスロープと呼ぶ。
図3において、期間T0及びT1では、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルが一定であるため、フィードバック電圧Vdfbのピーク値Vp(実際に、PWMコンパレータ5で比較される電圧である)は一定の電圧を保っている。期間T2では、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルが大きくなるため、コンデンサC11への充電時間が長くなり、フィードバック電圧Vdfbのピーク値Vpが増加する。期間T3では、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルが更に大きくなるため、フィードバック電圧Vdfbは期間T2よりも大きな傾斜で増加する。期間T4では、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルが小さくなるため、フィードバック電圧Vdfbの増加量が減少する。
期間T5では、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルが期間T0及びT1と同じになっているが、フィードバック電圧Vdfbが上昇しているため、コンデンサC11の放電量が大きくなり、フィードバック電圧Vdfbのピーク値Vpが減少する。同様に、期間T6及びT7では、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルが一定であるが、フィードバック電圧Vdfbが定常点よりも大きいため、フィードバック電圧Vdfbは、該定常点に戻るまで減少し続ける。期間T8及びT9では、フィードバック電圧Vdfbが定常点に戻っているため、フィードバック電圧Vdfbは、期間T0及びT1の場合と同じ変化を示すようになる。
次に、図4は、出力端子OUTに接続された負荷が変動したときの図1の各電圧及び各電流の波形例を示した図であり、ioutは出力端子OUTから出力される出力電流を、iLはインダクタL1を流れるインダクタ電流をそれぞれ示している。図4を用いて、図1で示したスイッチングレギュレータ1の動作について説明する。
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TA2では、インダクタ電流iLが出力電流ioutになったため、出力電圧Voutの低下が止まる。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。また、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルは、出力電流ioutが増加した分の損失を補うために、期間TA0よりも若干大きくなっているため、フィードバック電圧Vdfbは、期間TA0のときよりも大きい電圧で安定しようとする。ある一定の時間が経過すると、出力電圧Voutが安定しているため、フィードバック電圧Vdfbのピーク値Vp及び誤差電圧Veはそれぞれの定常点に収束する。
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。
次に、図5は、誤差電圧Veの変化ΔVeから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までの伝達関数の周波数特性ΔDuty/ΔVeの例を示した図であり、実線はゲインを、破線は位相をそれぞれ示している。
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。
PID制御方式では、出力電圧のサージに対して微分動作を行わないように、高域のゲインを低下させる必要があり、実際問題として、スイッチングレギュレータの周波数特性を高域周波数で改善することができず、また、微分回路自体の位相設計も困難であった。更に、微分回路を作るためには高速の誤差増幅回路が必要であるため、回路点数や消費電流も大きくなり、スイッチングレギュレータにおいて微分回路を使用することは実用的でなかった。
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は、図1のスイッチングレギュレータ1における、誤差電圧Veの変化ΔVeに対する出力電圧Voutの変化ΔVoutの周波数特性例を示した図であり、実線はゲインを、破線は位相を、1点鎖線は従来の電圧制御方式のスイッチングレギュレータにおけるΔVoutのゲインを、2点鎖線は従来の電圧制御方式のスイッチングレギュレータにおけるΔVoutの位相をそれぞれ示している。なお、図6において、従来の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は、図1のスイッチングレギュレータ1と同じ発振周波数、インダクタ、平滑コンデンサを用いた場合を示している。
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7は、図1のスイッチングレギュレータ1における、分圧電圧Vfbの変化ΔVfbに対する誤差電圧Veの変化ΔVeの周波数特性例を示した図であり、図8は、図1のスイッチングレギュレータ1における、出力電圧Voutの変化ΔVoutに対する分圧電圧Vfbの変化ΔVfbの周波数特性例を示した図である。なお、図7及び図8では、実線がゲインを、破線が位相をそれぞれ示している。
図7及び図8の周波数特性と図6の周波数特性を重ねることで、図9で示すようなスイッチングレギュレータ1のフィードバック系全体の周波数特性を得ることができる。なお、図9では、実線はスイッチングレギュレータ1の場合のゲインを、破線はスイッチングレギュレータ1の場合の位相を、1点鎖線は従来の電圧制御方式のスイッチングレギュレータの場合におけるゲインを、2点鎖線は従来の電圧制御方式のスイッチングレギュレータの場合における位相をそれぞれ示している。
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。
なお、図1では降圧型のスイッチングレギュレータを例にして示したが、これは一例であり、本発明は、これに限定するものではなく昇圧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は図10のようになる。
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。
入力端子INと接地電圧との間には、インダクタL1とスイッチングトランジスタM1が直列に接続され、インダクタL1とスイッチングトランジスタM1との接続部である接続部Lxと出力端子OUTとの間に同期整流用トランジスタM2が接続されている。これ以外は図1と同じであり、各部の動作についても図1と同様であるのでその説明を省略する。
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。
このように、本第1の実施の形態におけるスイッチングレギュレータは、スイッチングトランジスタM1のゲートに入力されるスイッチシグナル信号のデューティサイクルに応じて、誤差電圧Veとフィードバック電圧Vdfbとの電圧差を変えるようにしたことから、出力電圧Voutの変動に対する誤差電圧Veの変動の遅れを補償することができ、制御の安定性を向上させることができると共に周波数特性の改善を図ることができる。
第2の実施の形態.
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。
図1のスイッチングレギュレータ1a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11のスイッチングレギュレータ1aの動作は、図1のフィードバック電圧Vdfbを、フィードバック電圧Vdfbにスロープ電圧を加算したフィードバック電圧Vdfb1にする以外は図1と同じであるのでその説明を省略する。
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における図2との相違点は、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を追加したことにある。
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。
入力電圧VinとPMOSトランジスタM13のソースとの間には定電流源12が接続され、PMOSトランジスタM13のソースには定電流源12から所定の定電流が供給されている。PMOSトランジスタM13のドレインと演算増幅回路13の出力端との間には、NMOSトランジスタM14とコンデンサC12が並列に接続されている。演算増幅回路13において、出力端は反転入力端に接続され、非反転入力端にはフィードバック電圧Vdfbが入力されている。PMOSトランジスタM13及びNMOSトランジスタM14の各ゲートは接続され、該接続部にはスイッチシグナル信号Sqbが入力され、PMOSトランジスタM13、NMOSトランジスタM14及びコンデンサC12の接続部からフィードバック電圧Vdfb1が出力される。
図2のフィードバック回路4では、定常点においてスイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルが50%を超えると、三角波をなすフィードバック電圧Vdfbのデューティサイクル変動に対するゲインが1を超えるため、動作が不安定になる。これは、電流制御方式のスイッチングレギュレータにおいてスロープ加算回路が必要であることと同様である。したがって、動作を安定化させるためには、ダウンスロープの1/2以上の傾きを持つスロープ電圧をアップスロープに加算する必要がある。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、フィードバック電圧Vdfbのアップスロープにスロープ電圧を加算する回路を形成している。
演算増幅回路13によって、フィードバック電圧Vdfbをバーチャルショートし、コンデンサC12と定電流源12によってスロープ電圧を加算し、フィードバック電圧Vdfb1を生成している。スイッチシグナル信号Sqbがローレベルのときにスロープ電圧が加算され、スイッチシグナル信号Sqbがハイレベルのときには、フィードバック電圧Vdfb1はフィードバック電圧Vdfbに等しくなる。
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。
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。
フィードバック電圧Vdfb1において、アップスロープは、定電流源と容量によって一定の傾斜を有しているが、ダウンスロープは、抵抗と容量によって生成され、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルによって決まるフィードバック電圧Vdfbの定常点によって変動する。したがって、フィードバック電圧Vdfb1のダウンスロープは一定ではない。このことから、スイッチシグナル信号Sqbのデューティサイクルよって変わるダウンスロープの傾斜に合わせて、スロープ電圧の加算量を変動させるか、又はダウンスロープの傾斜が最も大きくなる状態に合わせてスロープ電圧の加算量を決定する必要がある。このことは、電流制御方式のスイッチングレギュレータにおけるスロープ補償回路においても同様である。
ここで、図12のフィードバック回路4aのように、変動するダウンスロープの傾斜に合わせてスロープ電圧の加算量を変動させるためには、更に制御回路が必要となる。また、ダウンスロープの傾斜が最も大きくなる状態に合わせてスロープ電圧の加算量を決定する場合には、フィードバック回路4aの微分特性が不必要に減少してしまう。そこで、このような問題に対応したフィードバック回路4aの回路例を図14に示す。
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。
なお、図11では降圧型のスイッチングレギュレータを例にして示したが、前記第1の実施の形態と同様、昇圧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10のフィードバック回路4をフィードバック回路4aに、図10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にすればよい。これ以外は図10と同様であるのでその説明を省略する。
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。
このように、本第2の実施の形態におけるスイッチングレギュレータは、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たことから、前記第1の実施の形態と同様の効果を得ることができると共に、フィードバック回路の動作を更に安定させることができ、制御の安定性を更に向上させることができる。
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のフィードバック回路4の回路例を示した図である。 図2のフィードバック回路4の動作例を示したタイミングチャートである。 出力端子OUTに接続された負荷が変動したときの図1の各電圧及び各電流の波形例を示した図である。 誤差電圧Veの変化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の周波数特性例を示した図である。 誤差電圧Veの変化に対する出力電圧Voutの変化の周波数特性例を示した図である。 分圧電圧Vfbの変化に対する誤差電圧Veの変化の周波数特性例を示した図である。 出力電圧Voutの変化に対する分圧電圧Vfbの変化の周波数特性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のフィードバック系全体の周波数特性例を示した図である。 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他の回路例を示した図である。 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。 図11のフィードバック回路4aの回路例を示した図である。 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。 図11のフィードバック回路4aの他の回路例を示した図である。
符号の説明
1,1a スイッチングレギュレータ
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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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