JP2001197728A - スイッチング・レギュレータ回路 - Google Patents

スイッチング・レギュレータ回路

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JP2001197728A
JP2001197728A JP2000051460A JP2000051460A JP2001197728A JP 2001197728 A JP2001197728 A JP 2001197728A JP 2000051460 A JP2000051460 A JP 2000051460A JP 2000051460 A JP2000051460 A JP 2000051460A JP 2001197728 A JP2001197728 A JP 2001197728A
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switching regulator
capacitor
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稔 須藤
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率で、コイルの逆流電流による電源への
充電がないSWレギュレータ回路を得ること。 【解決手段】 電源とコイルの間にSW素子とコンデンサ
を設け、そのSW素子をコイルの電流に応じてON/OFF制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、高効率のスイッ
チング・レギュレータ回路(以下SWレギュレータ回路と
記載する)を簡単な回路で実現することが可能な、SW
レギュレータ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の昇圧型のSWレギュレータ回路と
しては、図8の回路図に示されるようなSWレギュレー
タ回路が知られていた。即ち、電源10とコイル11を
接続し、前記コイルの他端にはスイッチ素子(以下SW
素子と記載する)13とダイオード12が接続され、前
記ダイオード12の他端がSWレギュレータ回路の出力
端子となり、前記出力端子には容量14と負荷15が接
続され、Voutというある一定の電圧になるようにSWレ
ギュレータ制御回路20がSW素子13のON時間やOFF時
間を制御する。図8の場合、ダイオード12に電流が流
れる事によって、損失が発生する。この損失を軽減する
ために、図9に示すように、ダイオード12に並列に接
続されたSW素子16を追加し、SW素子13とSW素子16
を図10に示すように相補的に動作させる、同期整流方
式のSWレギュレータが知られている。これによって、一
般的に同期整流方式ではSWレギュレータの変換効率を5
%程度上げる事が可能になった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この同期整流
方式のSWレギュレータでは、コイル11の電流が電流
連続モード以外(コイル電流が0まで下がる電流非連続
モード)では、ダイオード12に並列に接続されたSW素
子16を介してコイル電流が逆流し、逆に電源10を充
電してしまうという事態が発生する。
【0004】そこで、この発明の目的は従来のこのよう
な課題を解決するために、コイルと電源の間にSW素子を
追加し、かつコイルとGND間に大容量のコンデンサを付
加し、前記コイルと電源間のSW素子をON/OFFすること
で、コイルの逆流電流によって電源に充電されるのを遮
断し、逆流電流分は大容量のコンデンサに充電する事に
した。
【0005】このような回路構成にしたことで、高効率
でかつコイルの逆流電流によって電源を充電することの
ないSWレギュレータ回路を実現できた。
【0006】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。
【0007】
【実施例1】図1は本発明の第1の実施例1を示すSW
レギュレータの回路図である。電源10、コイル11、
ダイオード12、出力コンデンサ14、負荷15、相補
的にON/OFFさせるSW素子13と16は従来と同様であ
る。本発明のSWレギュレータ回路は電源10とコイル1
1の間にSW素子31を挿入し、前記SW素子31と前記コ
イル11の接続点にコンデンサ32を付加した。SWレギ
ュレータ制御回路30は、前記3つのSW素子13、1
6、31のON/OFFを制御する。前記コンデンサ32の容
量値は、例えば0.1F以上の大きな容量を有する電気2重
層コンデンサ等を使用する。
【0008】出力端の電圧Voutを一定に保つために、SW
素子13をON/OFF制御し、SW素子13と相補的にSW素子
16をON/OFF制御することも従来と同じである。実施例
1では、SW素子13とSW素子31を同期してON/OFFさせ
る。この様子を図2に示す。
【0009】SW素子13とSW素子31が同期してON/OFF
するため、SW素子13、31がONする時は、従来の回路
と同様にコイル11にエネルギーが蓄積させると同時
に、コンデンサ32は電源10の電圧Vinに充電され
る。
【0010】次に、SW素子13とSW素子31がOFFする
時は、コイル11のエネルギーが、SW素子16を介して
放出される。SW素子16は、ダイオードとは異なり整流
作用がないため、電流はコイル11からVout側へも、逆
にVout側からコイル11側へも流れることが可能であ
る。
【0011】図3に、SW素子13、SW素子16のON/OFF
とコイル11の電流ILの関係を示す。
【0012】図3ではコイル電流ILは、コイル11から
Vout側に流れる電流を+としている。
【0013】SW素子13と31がONしている時は、コイ
ル11の電流ILは、SW素子31のON抵抗が非常に小さく
無視できる場合は、コイル11のインダクタンス値を
L、電源10の電圧をVinとすれば、時間t1とともに、 IL=Vin/L×t1+IL(t1=0) で上昇する。ここで、時間t1は、SW素子13がONして
からの時間を示し、IL(t1=0)は時間t1=0でのコイ
ル11の電流を示す。
【0014】SW素子13と31がOFFしている時は、コ
イル11の電流ILは、コンデンサ32の容量値が十分大
きく、その電圧がVinからほとんど変化しないとすれ
ば、コイル11のインダクタンス値をL、時間t2ととも
に、 IL=IL(t2=0)−(Vout-Vin)/L×t2 で減少する。ここで、時間tは、SW素子13がOFFして
からの時間を示し、IL(t2=0)は時間t2=0でのコイル
11の電流を示す。
【0015】SW素子13のON時間は、電源電圧Vinや、
出力電圧Voutや、負荷15の条件によって変化する。従
って、コイル11の電流は、条件によっては、図3に示
すように0以下に下がる場合がある。すなわち、コイル
電流がVout側からコイル側に流れる(逆流する)場合が
ある。しかし、図1の回路では、その逆流電流のうち、
SW素子13がOFFしているときは、コンデンサ32に充
電されるため、電源10への充電を抑えることが可能で
ある。図1の回路では、逆流電流のうち、約半分は、コ
ンデンサ32へ充電されるため、結果として電源10へ
の逆流電流を約半分に抑えることが可能である。
【0016】
【実施例2】図4は本発明の第2の実施例を示すSWレ
ギュレータの制御回路図である。実施例1との相違点
は、電流検出回路41が、付加されている点と、SWレギ
ュレータ制御回路40が、電流検出回路41の出力に応
じて、SW素子31を制御する点である。前述のように、
コイル11の電流ILは、電源電圧Vinや出力電圧Vout
や、負荷15の条件によって異なる。
【0017】図5に、図3とは異なる条件でのSW素子1
3、SW素子16のON/OFFとコイル11の電流ILの関係を
示す。
【0018】図5でも、図3と同様にコイル電流ILは、
コイル11からVout側に流れる電流を+(正)としてい
る。図5の状態では、コイル電流ILは、常に+(正)で
あり、コイル11からVout側に流れている。この状態で
は、SW素子13とSW素子16を相補的にON/OFFさせても
コイル電流が逆流することはない。図4の回路ではコイ
ルの電流を電流検出回路41で検出し、コイル電流が+
(正)のある値以上のときは、SW素子31はONのままに
する。コイルの電流が正のある値未満に下がったときに
は、逆に、SW素子31をOFFさせる。この様子を図6に
示す。
【0019】電流検出の方法としては、一般的に図4に
示すように、抵抗素子を用いて、その抵抗素子の両端の
電圧をモニターすることで容易に行なうことができる。
【0020】この場合、コイルの逆流電流が電源10を
充電することはない。
【0021】図4の実施例の場合、電源投入時は、SW素
子31を強制的にONさせて、容量32を充電するための
スタート・アップ回路を付加する必要がある。このスタ
ート・アップ回路は、例えば、電源投入時、容量32の
電圧と電源10の電圧がある程度等しい値になるまで
(容量32が、電源10によって充電させるまで)は、
SW素子31をONし続けて、その間は、SW素子13と16
はOFFしていれば良い。
【0022】実施例1及び実施例2において、SW素子3
1とコイル11の接続点に接続しているコンデンサ32
は、SW31がOFFしているときには、電源と同じ役割を
担う。従って、SW素子31がOFFしているときにコンデ
ンサ32の端子電圧は電源10の電圧Vinとほぼ等しい
電圧を保つ必要がある。
【0023】仮に、SW素子31がOFFしている期間を、
5μS(100kHzの周波数の50% DUTYサイクル)とし、コ
イル11から出力端へ流す平均電流を100mAとした場
合、コンデンサ32の容量を0.0001Fとすると、
その間のコンデンサ32の電圧変化ΔVcは、 ΔVc=0.1×5E-6/0.0001=5E−3[V] である。すなわち、この間コンデンサ32の電圧の変化
はほとんどないことが判る。0.0001Fという大き
な容量としては、たとえば、電気2重層コンデンサのよ
うなものがある。
【0024】また、実施例1及び実施例2では、SWレギ
ュレータ回路として昇圧型について述べたが、降圧型に
ついても、同様に実現することができる。その例を図7
に示す。図7は実施例1に相当する降圧型のSWレギュレ
ータ回路である。同様に反転型SWレギュレータについて
も、本発明が適用できることは明白である。
【0025】
【発明の効果】本発明のSWレギュレータ回路は、高効
率でかつ、コイルの逆流電流によって電源を充電するこ
とのないSWレギュレータ回路を実現できるという効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1のスイッチング・レギュレー
タ回路の説明図である。
【図2】本発明の実施例1のスイッチング・レギュレー
タ回路の第1の動作説明図である。
【図3】本発明の実施例1のスイッチング・レギュレー
タ回路の第2の動作説明図である。
【図4】本発明の第2の実施例のスイッチング・レギュ
レータ回路の説明図である。
【図5】本発明の実施例2のスイッチング・レギュレー
タ回路の第1の動作説明図である。
【図6】本発明の実施例2のスイッチング・レギュレー
タ回路の第2の動作説明図である。
【図7】本発明の実施例1の降圧型スイッチング・レギ
ュレータ回路の説明図である。
【図8】従来のスイッチング・レギュレータ回路の説明
図である。
【図9】従来の同期整流方式のスイッチング・レギュレ
ータ回路の説明図である。
【図10】従来の同期整流方式のスイッチング・レギュ
レータ回路の動作説明図である。
【符号の説明】
10 電源 1 コイル 2 ダイオード 13、16,31 SW素子 32 大容量コンデンサ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年3月13日(2000.3.1
3)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0007
【補正方法】変更
【補正内容】
【0007】
【実施例1】図1は本発明の第1の実施例を示すSWレ
ギュレータの回路図である。電源10、コイル11、ダ
イオード12、出力コンデンサ14、負荷15、相対的
にON/OFFさせるSW素子13と16は従来と同様である。
本発明のSWレギュレータ回路は電源10とコイル11の
間にSW素子31を挿入し、前記SW素子31と前記コイル
11の接続点にコンデンサ32を付加した。SWレギュレ
ータ制御回路30は、前記3つのSW素子13、16、3
1のON/OFFを制御する。前記コンデンサ32の容量値
は、例えば0.0001F以上の大きな容量を有する電気2重
層コンデンサ等を使用する。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スイッチング・レギュレータのコイルの
    電流を制御する第一のスイッチ素子と転流用ダイオード
    に並列に接続された第二のスイッチ素子を交互にON/OFF
    させる同期整流方式のスイッチング・レギュレータ回路
    において、 前記スイッチング・レギュレータ回路の入力にコンデン
    サを付加し、バッテリー等の電源と、前記コンデンサの
    間に第三のスイッチ素子を挿入し、前記第三のスイッチ
    素子を、前記第一のスイッチ素子をONさせるときにON
    し、OFFさせるときにOFFさせることを特徴とするスイッ
    チング・レギュレータ回路。
  2. 【請求項2】 スイッチング・レギュレータのコイルの
    電流を制御する第一のスイッチ素子と転流用ダイオード
    に並列に接続された第二のスイッチ素子を交互にON/OFF
    させ、コイルの電流を検出する手段を有する同期整流方
    式のスイッチング・レギュレータ回路において、 前記スイッチング・レギュレータ回路の入力にコンデン
    サを付加し、バッテリー等の電源と、前記コンデンサの
    間に第三のスイッチ素子を挿入し、前記コイルの電流
    が、ある電流値以下に低下した場合は、前記第三のスイ
    ッチ素子をOFFさせ、前記コイルの電流が、ある電流値
    以上の場合は、前記第三のスイッチ素子をONし続けるけ
    ることを特徴とするスイッチング・レギュレータ回路。
  3. 【請求項3】 スイッチング・レギュレータ回路の入力
    に付加されたコンデンサの容量値が0.0001F以上
    であることを特徴とする、請求項1、2記載のスイッチ
    ング・レギュレータ回路。
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