KR20060108669A

KR20060108669A - Ｄｃ/ｄｃ 컨버터

Info

Publication number: KR20060108669A
Application number: KR1020067009017A
Authority: KR
Inventors: 키요타카 우메모토; 코 다케무라
Original assignee: 로무 가부시키가이샤
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-10-18
Also published as: JPWO2005046036A1; US7612545B2; TW200516834A; CN1879285A; WO2005046036A1; US20080019160A1; CN1879285B; TWI350636B

Abstract

세라믹 콘덴서를 평활화 콘덴서로 이용할 수 있는 DC/DC/ 컨버터를 제공한다. 이 DC/DC 컨버터(1)는 스위칭 소자(14)를 개폐함으로써 입력 전원(Vcc)으로부터 부하(3)가 접속된 출력 단자 OUT으로 코일(16)을 통해 전력을 공급하고, 출력 단자 OUT의 전압을 조정한다. 그리고, 코일 전류 I_L을 검출하는 코일 전류 검출 저항(17)과, 코일 전류 검출 저항(17)의 부하측에 접속되고 출력 단자 OUT의 전압을 평활화하는 평활화 콘덴서(18)와, 코일 전류 검출 저항(17)의 코일측 전압을 검출하여 코일 전류 I_L의 기준 전류값을 제어하는 기준 전류값 제어 회로(8)와, 기준 클록 CLK를 생성하는 클록 생성기(10)와, 기준 클록 CLK에 동기해서 스위칭 소자(14)를 닫고 코일 전류 I_L이 기준 전류값을 넘으면 스위칭 소자(14)를 여는 피드백 회로(9)를 구비하여 구성된다.

Description

ＤＣ/ＤＣ 컨버터{DC/DC CONVERTER}

본 발명은 입력하는 전원 전압을 소정의 DC 전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터, 특히, 전류 모드 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.

DC/DC 컨버터에는, 전원을 입력하는 단자와 부하에 접속되어 소정의 DC 전압을 출력하는 단자 사이에 스위칭 소자를 설치하고, 이 스위칭 소자를 개폐함으로써 소정의 DC 전압을 유지하는 타입의 것이 존재한다. 이것은 소형이고 고효율을 달성할 수 있으므로 널리 사용되고 있다. 그리고, 그 스위칭 소자의 개폐 제어에는, 스위칭 소자에 접속되는 코일에 흐르는 전류를 검출하고, 피드백을 거는 방식(예를 들면, 특허문헌1, 특허문헌2 및 일본 특원2003-111242호)이 있다. 이 방식을 채용한 것을 전류 모드 DC/DC 컨버터라고 부르고 있다.

전류 모드 DC/DC 컨버터의 회로예를 도 5에 나타낸다. 이 DC/DC 컨버터(101)는 상기 구성요소에 대응하는 스위칭 소자(114)와 코일(116)을 마련하고, 스위칭 소자(114)를 개폐함으로써, 입력 전원(Vcc)으로부터 코일(116)을 통해서 부하(103)가 접속되는 출력 단자 OUT에 소정 DC 전압을 유지하도록 전력을 공급하고 있다.

DC/DC 컨버터(101)는 상기 스위칭 소자(114)와 코일(116) 외에, 스위칭 소자(114)에 직렬 접속되어 그것과 교대로 개폐 동작을 실시하는 스위칭 소자(115), 코일(116)에 흐르는 전류를 검출하는 코일 전류 검출 저항(117), 코일 전류 검출 저항(117)의 부하측에 접속되어 출력 단자 OUT의 전압을 평활화하는 평활화 콘덴서(118), 코일 전류 검출 저항(117)의 부하측의 전압을 검출하여 코일(116)에 흐르는 최대 전류인 기준 전류값를 제어하는 기준 전류값 제어 회로(108), 기준 클록 CLK를 발생하는 클록 생성기(110), 기준 클록 CLK에 동기하여 상기 개폐 동작, 즉 코일(116)에 흐르는 전류가 상기 기준 전류값를 넘을 때까지는 스위칭 소자(114)를 닫고(스위칭 소자(115)를 엶) 코일(116)에 흐르는 전류가 상기 기준 전류값를 넘으면 스위칭 소자(114)를 열어서(스위칭 소자(115)를 닫음) 신호를 출력하는 피드백 회로(109) 및 피드백 회로(109)와 스위칭 소자(114, 115) 사이에 설치된 버퍼(111, 112)로 구성된다.

특허문헌 1 : 일본 특개평11-75367호 공보

특허문헌 2 : 일본 특개2003-319643호 공보

이 DC/DC 컨버터(101)에 이용되는 평활화 콘덴서(118)의 경우, 일반적으로 출력 전압의 리플(요동)을 억제하기 위해서 또는 출력 전류의 변동에 의한 과도 응답을 양호하게 하기 위해서 용량치가 큰 전해 콘덴서가 채용되고 있다.

그러나, 전해 콘덴서는 극성을 가지기 때문에, 과대 노이즈나 역접속 불량에 의해 반대 방향으로 전압이 걸리면 파괴되는 경우가 있으며, 내부 구조적으로 발연이나 발화의 위험성이 있다. 또, 도 7에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 콘덴서는 규정 용량 C 외에 리드선이나 내부 구조에 기인하는 ESR(등가 직렬 저항)이 존재하 지만, 전해 콘덴서는 ESR의 값(R_ESR)이 크기 때문에 오히려 리플 전압을 크게 한다.

여기서, 극성을 가지지 않고, 게다가 발연이나 발화의 위험성이 없으며, ESR의 값(R_ESR)이 작은 세라믹 콘덴서의 채용이 고려된다. 그러나, 도 5에 나타낸 회로에 있어서 전해 콘덴서를 세라믹 콘덴서로 치환한 경우, 이하에 설명하는 언더슈트나 오버슈트가 생기는 문제가 있다.

즉, 일반적으로, 부하의 변동에 따라 출력 전류의 급격한 변동이 일어난 경우, DC/DC 컨버터(101)가 피드백에 의해 응답할 때까지, 언더슈트나 오버슈트가 발생한다. DC/DC 컨버터(101)에 용량치가 큰 전해 콘덴서가 이용되고 있는 경우는, 그 축적된 전하에 의해 이러한 언더슈트나 오버슈트는 문제가 되지 않는 정도로 억제되지만, 세라믹 콘덴서는 용량치가 작기 때문에, 언더슈트나 오버슈트를 충분히는 억제하지 못하여 과도 응답이 나빠지는 문제가 있었다. 이 현상을 나타내는 것이 도 6a 및 도 6b이다. DC/DC 컨버터(101)는, 도 6a의 DC 특성도에 나타낸 바와 같이, 출력 전류 I_O가 증가 또는 감소하여도 출력 전압 V_O를 설정 전압 V_ref로 유지하려고 한다. 그리고, 세라믹 콘덴서를 이용한 경우, 도 6b의 과도 특성에 나타난 바와 같이, 출력 전류의 급격한 변동이 일어나는 경우에는 큰 언더슈트나 오버슈트를 발생하고 이를 억제할 수 없는 것이다.

또한, 세라믹 콘덴서의 ESR의 값 (R_ESR)이 작기 때문에, DC/DC 컨버터(101)가 발진하기 쉬워진다고 하는 문제도 있다. DC/DC 컨버터(101)는 부하(103)와 평활화 콘덴서(118)에 의해, 도 8에 도시된 특성 곡선 A 및 특성 곡선 B와 같이, 1 폴(Pole)·1제로(Zero)의 주파수 특성을 가진다. 이 폴의 주파수(f_P)와 제로의 주파수(f_Z)는 이하의 식으로 얻어진다.

f_P = 1/(2π·R_O·C_OUT) … (1)

f_Z = 1/(2π·R_ESR·C_OUT) … (2)

여기서, R은 부하의 저항값, C는 평활화 콘덴서(118)의 용량값, R_ESR은 평활화 콘덴서(118)의 ESR 값이다. 또한, 도 8은 횡축이 대수 스케일이고, 특성 곡선 A와 특성 곡선 B의 f_P를 일치시켜 나타낸 것이다.

f_P와 F_Z는 그 주파수 차이가 클수록, 위상(Phase) 회전의 최대각이 크다. 예를 들어, 도 8에 있어서, 특성 곡선 B의 f_P와 f_Z의 주파수 차이는 특성 곡선 A보다도 크기 때문에, 위상 회전의 최대각이 크다. 그리고, 위상 회전의 최대각이 크면 DC/DC 컨버터(101)를 구성하는 회로(예컨대, 기준 전류값 제어 회로(108), 피드백 회로(109) 등)에 있어서의 소자의 지연 등에 의한 위상 회전이 더욱 더해져서, 용이하게 발진을 일으킨다. 반대로, 주파수 차이가 작으면, 위상은 그다지 회전하지 않아서 발진하기 어려워진다.

상기 (1) 및 (2)식에서, R_O = 0.5Ω으로 하고, 평활화 콘덴서(118)가 전해 콘덴서인 경우의 구체적인 값(C = 330μF, R = 20mΩ)을 적용시키면, f_P = 965Hz, f_Z= 24.1KHz가 된다. 따라서, f_Z는 f_P의 25배로 된다. 이 f_Z와 f_P의 차이에서, 발진 은 실제 일어나기 어렵다. 한편, 평활화 콘덴서(118)가 세라믹 콘덴서인 경우의 구체적인 값(C_OUT = 100μF, R_ESR = 5mΩ)을 적용시키면, f_P = 3.18KHz, f_Z = 318KHz가 된다. 따라서, f_Z는 f_P의 100배로 되고, 그 주파수 차이가 커서 발진이 일어나기 쉬워진다. 또한, C_OUT = 100μF은 세라믹 콘덴서의 최대급 용량치이다.

본 발명은, 상술한 점들을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 ESR 값(R_ESR)이나 용량이 작은 평활화 콘덴서를 채용하여도, 부하 변동 시의 과도 응답이 악화되지 않고, 발진 현상의 발생도 억제되는 DC/DC 컨버터를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1에 관한 DC/DC 컨버터는, 스위칭 소자를 개폐함으로써, 입력 전원으로부터 부하가 접속되는 출력 단자에 코일을 통해 전력을 공급하여 출력 단자의 전압을 조정하는 DC/DC 컨버터에 있어서, 코일과 출력 단자 사이에 위치하여 코일 전류를 검출하는 소자; 코일 전류를 검출하는 소자의 부하측에 접속되어 출력 단자의 전압을 평활화하는 평활화 콘덴서; 코일 전류를 검출하는 소자의 코일측 전압을 검출하여 코일에 흐르는 전류의 기준 전류값를 제어하는 기준 전류값 제어 회로; 및 클록 생성기의 기준 클록에 동기해서 스위칭 소자를 닫고, 코일에 흐르는 전류가 기준 전류값를 넘으면 스위칭 소자를 여는 피드백 회로를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 관한 DC/DC 컨버터는, 청구항 1에 기재된 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 코일 전류를 검출하는 소자는 코일 전류 검출 저항인 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 관한 DC/DC 컨버터는, 청구항 1 또는 2에 기재된 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 평활화 콘덴서는 세라믹 콘덴서인 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 관한 DC/DC 컨버터는, 청구항 1 또는 2에 기재된 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 평활화 콘덴서는 등가 직렬 저항의 저항값이 전해 콘덴서보다 작은 것인 것을 특징으로 한다.

청구항 5에 관한 DC/DC 컨버터는, 청구항 1 또는 2에 기재된 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 코일 전류를 검출하는 소자는 상기 평활화 콘덴서의 등가 직렬 저항보다 저항값이 큰 것을 특징으로 한다.

청구항 6에 관한 DC/DC 컨버터는, 청구항 1 또는 2에 기재된 DC/DC 컨버터에 있어서, 상기 코일 전류를 검출하는 소자 및 상기 평활화 콘덴서에 의해 주파수 특성 중 제로의 주파수를 설정하는 것을 특징으로 한다.

청구항 7에 관한 DC/DC 컨버터는, 스위칭 소자를 개폐함으로써, 입력 전원으로부터 부하가 접속되는 출력 단자에 코일을 통해 전력을 공급하고, 스위칭 소자에 피드백을 걸어 출력 단자의 전압을 조정하는 DC/DC 컨버터에 있어서, 코일과 출력 단자 사이에 위치하여 코일에 흐르는 전류를 검출하는 코일 전류 검출 소자; 및 코일 전류 검출 소자의 부하측에 접속되어 출력 단자의 전압을 평활화하는 평활화 콘덴서를 구비하고, 코일 전류 검출 소자 및 평활화 콘덴서에 의해 주파수 특성 중 제로의 주파수를 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 DC/DC 컨버터는, 기준 전류값 제어 회로가 코일 전류를 검출하는 소자의 코일측 전압을 검출하여 코일에 흐르는 전류의 기준 전류값를 제어하도록 하므로, 용량이나 ESR의 값(R_ESR)이 작은 평활화 콘덴서를 채용하여도 부하 변동 시의 과도 응답이 악화되는 일이 없으며, 발진 현상의 발생도 억제된다. 또, 평활화 콘덴서에 세라믹 콘덴서를 채용함으로써, 극성으로 인한 파괴가 일어나지 않고, 발연이나 발화의 위험성이 없어지며, 작은 ESR의 값(R_ESR)에 의해 출력 전압의 리플을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 DC/DC 컨버터의 회로도.

도 2는 상기 DC/DC 컨버터의 오프셋 전압 생성 회로의 회로도.

도 3은 상기 DC/DC 컨버터의 동작 파형도.

도 4는 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전류와 출력 단자 전압의 특성을 나타내는 도면으로서, 도 4a는 DC 특성도이고 도 4b는 과도 특성도.

도 5는 배경 기술의 DC/DC 컨버터의 회로도.

도 6은 배경 기술의 DC/DC 컨버터의 출력 전류와 출력 단자 전압의 특성을 나타내는 도면으로서, 도 6a는 DC 특성도이고 도 6b는 과도 특성도.

도 7은 콘덴서의 내부 회로도.

도 8은 DC/DC 컨버터의 주파수 특성도.

<부호의 설명>

1 DC/DC 컨버터

3 부하

8 기준 전류값 제어 회로

9 피드백 회로

10 클록 생성기

14 스위칭 소자

16 코일

17 코일 전류 검출 저항

18 평활화 콘덴서

V_CC 입력 전원

OUT 출력 단자

I_L 코일에 흐르는 전류(코일 전류)

CLK 기준 클록

이하, 본 발명의 최선의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 DC/DC 컨버터의 회로도이다.

이 DC/DC 컨버터(1)는 N형 MOS 트랜지스터의 스위칭 소자(14)를 개폐함으로써, 입력 전원(V_CC)으로부터 부하(3)가 접속되는 출력 단자 OUT에 코일(16)을 통하여 전력을 공급해서 출력 단자 OUT을 소정의 DC 전압으로 유지하도록 조정한다. 그리고, 코일(16)과 출력 단자 OUT 간에 위치하여 코일 전류(코일(16)에 흐르는 전 류) I_L을 검출하는 소자의 코일 전류 검출 저항(17)과, 코일 전류 검출 저항(17)의 부하측에 접속되어 출력 단자 OUT의 전압을 평활화하는 평활화 콘덴서(18)와, 코일 전류 검출 저항(17)의 코일측(접속점 b)의 전압을 검출하여 코일 전류 I_L의 기준 전류값 I_Lref를 제어하는 기준 전류값 제어 회로(8)와, 클록 생성기(10)의 기준 클록 CLK에 동기해서 스위칭 소자(14)를 닫고(온으로 하고) 코일 전류 I_L이 기준 전류값 I_Lref를 넘으면 스위칭 소자(14)를 여는(오프로 한다) 피드백 회로(9)를 구비하여 이루어진다. 여기서 평활화 콘덴서(18)는, 극성을 가지지 않고 발연이나 발화의 위험성이 없어 신뢰성이 높은 세라믹 콘덴서가 이용되고 있다. 참고로, 도 1에서는, 평활화 콘덴서(18)의 동작의 이해를 쉽도록 하기 위해, 그 ESR(등가 직렬 저항)도 표기하고 있다.

이제, DC/DC 컨버터(1)를 자세하게 설명한다. 스위칭 소자(14)는, 일단이 입력 전원(V_CC)에 접속되고 타단이 코일(16)에 접속된다. 그 스위칭 소자(14)와 코일(16)과의 접속점(접속점 a)에는, 타단이 접지 전위에 접속된 제 2 N형 MOS 트랜지스터 스위칭 소자(15)가 접속되어 있다. 즉, 스위칭 소자(14) 및 제 2 스위칭 소자(15)는 하이측 및 로우측의 스위칭 소자로 되어 있다. 이 제 2 스위칭 소자(15)는, 스위칭 소자(14)와 역위상으로 개폐 제어된다. 한편, 제 2 스위칭 소자(15)는 다이오드에 의한 치환도 가능하지만, 그 경우에 비해, 온인 경우에 코일(16)의 일단을 거의 접지 전위로 유지하므로 전력 효율을 향상시킬 수 있다.

코일 전류 검출 저항(17)은 코일(16)의 타단(접속점 b)에 접속되어 코일 전류 I_L에 비례하는 검출 전압을 양단에 생성한다. 여기서 중요한 것은, 코일 전류 검출 저항(17)의 코일측(접속점 b)에는, 직렬 접속된 2개의 저항으로 이루어진 전압 검출기(21)가 접속되어 있는 것이다. 이 전압 검출기(21)의 타단은, 접지 전위에 접속되어 있다. 이러한 저항은, 코일 전류 I_L에 비해 무시할 수 있을 정도의 전류 밖에 흐르지 않도록 큰 저항값으로 되어 있다. 그리고, 2개 저항의 접속점은 오차 증폭기(22)의 반전 입력 단자에 접속되고, 그 전압은 비반전 입력 단자에 입력되는 기준 전원(23)으로부터의 기준 전압과 비교되어 반전 증폭하여 출력된다. 이 전압 검출기(21)와 오차 증폭기(22)가 기준 전류값 제어 회로(8)를 구성하고, 오차 증폭기(22)의 출력은 후술하는 바와 같이 코일 전류 I_L의 기준 전류값 I_Lref를 제어한다.

피드백 회로(9)는, 오차 증폭기(22)의 출력 전압에 따라 오프셋 전압을 생성하는 오프셋 전압 생성기(25)와, 이 오프셋 전압을 코일 전류 검출 저항(17)으로부터의 검출 전압과 비교하는 비교기(26)와, 기준 클록 CLK 및 비교기(26)의 출력에 의해 버퍼(11, 12)를 통하여 스위칭 소자(14) 및 제 2 스위칭 소자(15)의 개폐를 제어하는 논리 회로(27)로 구성된다. 참고로, 이 오프셋 전압은 후술하는 바와 같이 코일 전류 I_L의 기준 전류값 I_Lref에 대응한다.

오프셋 전압 생성 회로(25)는 그 제어 입력 단자에 오차 증폭기(22)의 출력이 입력되고, 2개의 신호 입력 단자에 코일 전류 검출 저항(17)의 양단의 전압 신호가 입력된다. 그리고, 제어 입력 단자의 전압에 따른 오프셋 전압이 신호 입력 단자의 낮은 전압 신호에 상대적으로 부가되어 2개의 출력 단자로부터 출력되고, 비교기(26)의 양 입력 단자에 입력된다. 비교기(26)는 코일 전류 검출 저항(17)으로부터의 검출 전압이 오프셋 전압보다 높으면 하이 레벨을, 낮으면 로우 레벨을 출력한다. 논리 회로(27)는 플립플롭 회로로 구성된다. 그리고, 그 리셋 입력 단자 R에는 비교기(26)의 출력이, 세트 입력 단자 S에는 클록 생성기(10)로부터의 기준 클록 CLK가 각각 입력되고, 비반전 출력 단자 Q는 출력 버퍼(11)를 통해 스위칭 소자(14)에, 반전 출력 단자 QB는 출력 버퍼(12)를 통해 스위칭 소자(15)에 각각 입력된다.

다음으로, 오프셋 전압 생성 회로(25)의 구체적인 회로예를 도 2에 나타낸다. 제어 입력 단자 ADJ에 오차 증폭기(22)의 출력이, 신호 입력 단자 IN-에 코일 전류 검출 저항(17)의 부하측의 일단이, 신호 입력 단자 IN+에 코일 전류 검출 저항(17)의 코일측의 일단이 각각 접속되고, 출력 단자 OUT-와 OUT+는 비교기(26)의 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자에 각각 접속된다. 제어 입력 단자 ADJ에 대응하는 전류 I₁이 저항값 R₁의 저항(31)에 흐르고, 이 전류 I₁은 커런트 미러 회로(Current Mirror Circuit)로 전달되며, 저항(32)의 양단에 직렬 접속되는 PNP형 트랜지스터(34)와 NPN형 트랜지스터(35)에 흐른다. 여기서, 저항(32) 및 후술하는 저항(33)은 저항값 R₂로 되어 있다.

저항(32)과 PNP형 트랜지스터(34)의 접속점은, PNP형 트랜지스터(34)와 병렬적으로 전류 I₂를 흘리는 정전류원(36)이 접속되고, 또 출력 단자 OUT-에 접속되어 있다. 저항(32)과 NPN형 트랜지스터(35)의 접속점에는, NPN형 트랜지스터(35)와 병렬로 설치된 PNP형 트랜지스터(38)의 이미터가 접속되어 있다. 또, 저항(33)의 양단은, 전류 I₂를 흘리는 정전류원(37)과 PNP형 트랜지스터(39)의 이미터가 각각 접속되어 있다. 저항(33)과 정전류원(37)의 접속점은 출력 단자 OUT+에 접속되어 있다. 또한, PNP형 트랜지스터(38)의 베이스에는 입력 단자 IN-의 전압이, PNP형 트랜지스터(39)의 베이스에는 입력 단자 IN+의 전압이 입력된다.

입력 단자 IN-의 전압을 VIN-로 하면, 출력 단자 OUT-는 (VIN-)+(Vf)+(I₁ + I₂)×R₂의 전압으로 된다. 또, 입력 단자 IN+의 전압을 VIN+로 하면, 출력 단자 OUT+는 (VIN+)+(Vf)+I₂×R₂의 전압으로 된다. 여기서, Vf는 트랜지스터의 순 바이어스 전압이다. 따라서, 출력 단자 OUT-와 출력 단자 OUT+의 전압차는 (VIN-)-(VIN+)+I₁×R₂로 되고, I₁×R₂는 제어 입력 단자 ADJ의 전압의 R₂/R₁ 배에 일치하므로, 이 전압이 오프셋 전압으로서 입력 단자 IN-의 전압에 상대적으로 부가되어 출력 단자 OUT-로부터 출력되는 것이다.

이상과 같은 구성으로 하면, 오프셋 전압 생성 회로(25)에 있어서 정도(精度)가 좋은 오프셋 전압을 생성할 수 있지만, 다른 구성으로 하는 것도 가능함은 물론이다.

다음으로, DC/DC 컨버터(1)의 동작을 도 3에 기초하여 설명한다. DC/DC 컨버터(1)에 있어서, 클록 생성기(10)로부터의 기준 클록 CLK의 상승 에지에 의해, 논 리 회로(27)는 세트되고, 비반전 출력 단자 Q로부터는 하이 레벨, 반전 출력 단자 QB로부터는 로우 레벨의 전압이 출력된다. 이로써, 스위칭 소자(14)가 온(제 2 스위칭 소자(15)는 오프)으로 되어, 스위칭 소자(14)와 코일(16)의 접속점 a의 전압 Va는 Vcc 레벨로 되고, 코일 전류 I_L은 직선적으로 증가해 간다. 이 코일 전류 I_L은 코일 전류 검출 저항(17)에 흐르고, 이에 비례하는 검출 전압이 오프셋 전압 생성 회로(25)가 생성하는 오프셋 전압을 넘을 때까지 계속 증가한다. 오프셋 전압을 넘으면, 즉 코일 전류 I_L이 기준 전류값 I_Lref를 넘으면, 비교기(26)가 하이 레벨을 출력하고, 논리 회로(9)는 리셋되며, 비반전 출력 단자 Q에서는 로우 레벨, 반전 출력 단자 QB에서는 하이 레벨의 전압이 출력된다. 그 결과, 스위칭 소자(14)는 오프로 되고 제 2 스위칭 소자(15)는 온으로 되어, 코일 전류 I_L은 직선적으로 감소한다. 이상의 동작이 DC/DC 컨버터(1)에 있어서 반복된다.

코일 전류 I_L의 기준 전류값 I_Lref는 오프셋 전압 생성 회로(25)를 통해서 전압 검출기(21)와 오차 증폭기(22)로 이루어진 기준 전류값 제어 회로(8)에 의해 제어된다. 즉, DC/DC 컨버터(1)에 있어서, 코일 전류 검출 저항(17)의 코일측(접속점 b)의 전압이 조금 내리면, 그 전압의 차이는 전압 검출기(21)를 통하고, 오차 증폭기(22)에 의해 반전 증폭되어 오프셋 전압 생성 회로(25)의 제어 입력 단자에 입력된다. 그러면, 오프셋 전압 생성 회로(25)의 오프셋 전압은 상승하기 때문에, 기준 전류값 I_Lref는 증가한다. 반대로, 코일 전류 검출 저항(17)의 코일측(접속점 b)의 전압이 조금 상승하면, 기준 전류값 I_Lref는 감소한다. 이와 같이 하여, 기준 전류값 I_Lref가 제어되고, 코일 전류 검출 저항(17)의 코일측(접속점 b)의 전압이 일정하게 되도록, 피드백 회로(9)가 동작하는 것이다.

다음으로, 출력 단자 OUT에 있어서의 출력전압 V_O의 리플 ΔV_O에 대해 설명한다. 코일 전류 I_L은 상술한 바와 같이 직선적인 증가와 감소를 반복하기 때문에, 일정한 변동폭, 즉 리플 ΔI_L을 가진다. 코일 전류 I_L은 코일 전류 검출 저항(17)을 통하여, 출력 단자 OUT으로부터 부하(3)로 흘러나오는 일정한 출력 전류 I_O와 평활화 콘덴서(18)의 충방전 전류 I_C로 나누어진다. 여기서, 코일 전류 I_L의 리플 ΔI_L은 평활화 콘덴서(18)의 충방전 전류 I_C의 리플 ΔI_C로 된다. 따라서, 출력 전압 V_O의 리플 ΔV_O는,

ΔV_O = ΔI_C×R_ESR = ΔI_L×R_ESR … (4)

로 된다. 여기서, R_ESR은 평활화 콘덴서(18)의 ESR 값이다.

평활화 콘덴서(18)는 전술한 바와 같이 세라믹 콘덴서이며 R_ESR은 작은데, 예를 들면 5mΩ이다. 전해 콘덴서의 R_ESR은 큰데, 예를 들면 20mΩ이다. 따라서, 이들 값을 (4)식에 적용시키면, 세라믹 콘덴서의 경우는 전해 콘덴서의 경우에 비해 리플 전압 ΔV_O를 1/4로 줄일 수 있음을 알 수 있다.

다음으로, DC/DC 컨버터(1)에 있어서의 부하의 변동에 의한 과도 응답에 대해 설명한다. 전술한 바와 같이, 기준 전류값 제어 회로(8)와 피드백 회로(9)에 의해 코일 전류 검출 저항(17)의 코일(16)측(접속점 b) 전압이 소정의 일정 전압 V_ref로 유지된다. 따라서, 출력 전류 I_O가 증가한 경우, 출력 단자 OUT의 전압 V_O는 이하의 식에 나타낸 바와 같이 조금 내려간다. 즉,

V_O = V_ref - I_O×R_S … (5)

로 된다. 따라서, 출력 전류 I_O에 대한 출력 전압 V_O의 DC 특성은 도 4a에 나타낸 바와 같이 된다. 참고로, 이 DC/DC 컨버터(1)에 있어서, 유저에게 보증되는 최대 출력 전류 I_OMAX에서의 출력 전압 V_O의 저하폭은 당연히 사양으로 결정되는 변동 허용 범위 내에 없으면 안 된다.

이 과도 특성을 도 4b에 나타낸다. 이 도면에서 나타내는 바와 같이, 출력 전류 I_O의 증가에 따라서 출력 전압 V_O도 조금 저하시키는 것으로, 전술한 도 6b에 나타낸 것 같은 언더슈트나 오버슈트를 억제할 수 있다. 즉, 부하(3)에 따라 출력 전류 I_O의 급격한 변동이 일어났을 경우, 용량치가 작은 세라믹 콘덴서를 이용한 DC/DC 컨버터(1)는, 원래 출력 전압 V_O도 과도적인 변동이 일어나기 쉽지만, 그 과도적인 변동을 DC 특성에 따른 변동으로 하는 것으로, DC/DC 컨버터(1)의 피드백 회로가 응답할 수 있을 때까지의 언더슈트나 오버슈트를 억제할 수 있는 것이다. 나아가, 다른 이점으로서 출력 전류 I_O의 증가에 대한 출력 전압 V_O의 저하는 소비 전력을 줄일 수도 있다.

다음으로, DC/DC 컨버터(1)의 발진 문제에 대해 설명한다. 상기한 바대로, DC/DC 컨버터(1)는 전압 검출기(21)를 코일 전류 검출 저항(17)의 코일측(접속점 b)에 접속하고 있으므로, 이 전압이 기준 전류값 제어 회로(8)와 피드백 회로(9)에 의해 소정의 일정 전압으로 유지된다. 이로써, 상기 (2)식에서, R_ESR에 코일 전류 검출 저항(17)의 저항값 R_S를 더한 저항값(R_ESR + R_S)이 R_ESR로 치환된다. 즉, DC/DC 컨버터(1)는 1폴, 1제로의 주파수 특성을 가지며, 이 폴의 주파수 (f_P)와 제로의 주파수 (f_Z)는 이하의 식으로 얻어진다.

f_P = 1/(2π·R_O·C_OUT) … (6)

f_Z = 1/(2π·(R_ESR + R_S)·C_OUT) … (7)

여기서, R_O는 부하의 저항값, C_OUT은 평활화 콘덴서(18)의 용량치, R_ESR은 평활화 콘덴서(18)의 ESR 값, R_S는 코일 전류 검출 저항(17)의 저항값이다. 이와 같이, 코일 전류 검출 저항(17)과 평활화 콘덴서(18)에 의해 주파수 특성에 있어서의 제로 주파수 (f_Z)가 설정되어 있다.

(7)식에 따르면, (2)식의 경우에 비해 f_Z는 작아지고, 따라서 f_P와 f_Z의 주파 수 차이가 작아 위상의 회전이 억제되어 발진하기 어려워진다. 구체적으로, R_S = 15mΩ으로 하고 세라믹 콘덴서인 경우의 전술한 값(R_O = 0.5Ω, C_OUT = 100μF, R_ESR = 5mΩ)을 (6),(7)식에 적용시키면, f_P = 3.18KHz, f_Z = 79.6KHz로 되어 f_Z는 f_P의 약 25배가 된다. 따라서, R_ESR이 작은 세라믹 콘덴서를 이용해도, 이 DC/DC 컨버터(1)의 구성으로 함으로써, f_Z와 f_P의 주파수 차이는 상기 도 5의 구성에서의 전해 콘덴서를 이용한 경우와 동등하게 되는 것이다.

덧붙이자면, 본 발명은 DC/DC 컨버터에 세라믹 콘덴서를 이용하기 위해서 행해진 것이지만, 다른 콘덴서의 경우에도 이러한 구성으로 함으로써 부하 변동 시의 과도 응답의 악화 방지나 발진 현상의 발생 억제 등의 효과를 얻을 수 있다.

Claims

스위칭 소자를 개폐함으로써, 입력 전원으로부터 부하가 접속되는 출력 단자에 코일을 통해 전력을 공급하여 출력 단자의 전압을 조정하는 DC/DC 컨버터에 있어서,

코일과 출력 단자 사이에 위치하여 코일 전류를 검출하는 소자;

코일 전류를 검출하는 소자의 부하측에 접속되어 출력 단자의 전압을 평활화하는 평활화 콘덴서;

코일 전류를 검출하는 소자의 코일측 전압을 검출하여 코일에 흐르는 전류의 기준 전류값를 제어하는 기준 전류값 제어 회로; 및

클록 생성기의 기준 클록에 동기해서 스위칭 소자를 닫고, 코일에 흐르는 전류가 기준 전류값를 넘으면 스위칭 소자를 여는 피드백 회로를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 코일 전류를 검출하는 소자는 코일 전류 검출 저항인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 평활화 콘덴서는 세라믹 콘덴서인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 평활화 콘덴서는 등가 직렬 저항의 저항값이 전해 콘덴서보다 작은 것인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 코일 전류를 검출하는 소자는 상기 평활화 콘덴서의 등가 직렬 저항보다 저항값이 큰 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 코일 전류를 검출하는 소자 및 상기 평활화 콘덴서에 의해 주파수 특성 중 제로의 주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
스위칭 소자를 개폐함으로써, 입력 전원으로부터 부하가 접속되는 출력 단자에 코일을 통해 전력을 공급하고, 스위칭 소자에 피드백을 걸어 출력 단자의 전압을 조정하는 DC/DC 컨버터에 있어서,

코일과 출력 단자 사이에 위치하여 코일에 흐르는 전류를 검출하는 코일 전류 검출 소자; 및

코일 전류 검출 소자의 부하측에 접속되어 출력 단자의 전압을 평활화하는 평활화 콘덴서를 구비하고,

코일 전류 검출 소자 및 평활화 콘덴서에 의해 주파수 특성 중 제로의 주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.