JP2005160254A - スイッチングレギュレータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 入力電圧Vddをスイッチングする第1のスイッチングトランジスタM1と、該第1のスイッチングトランジスタM1と比較して、制御電極と入出力端子間に寄生する寄生容量が小さく、かつ、オン時の入出力間のインピーダンスが大きい第2のスイッチングトランジスタM3とを備え、外部からの切り換え信号Scに応じて、通常動作モード又は軽負荷動作モードに動作モードを切り換えるように構成され、通常動作モード時には、第1及び第2の各スイッチングトランジスタM1,M2が共にスイッチングし、軽負荷動作モード時には、第2のスイッチングトランジスタのみがスイッチングするようにした。
【選択図】 図1
Description
図6のスイッチング電源回路101は、スイッチング部102、出力部103及び制御部104から構成されている。スイッチング部102は、NPN型のトランジスタからなる通常動作用スイッチング素子102aと、NPN型トランジスタからなる軽負荷用スイッチング素子102bとが入出力間であるコレクタ‐エミッタ間で並列に接続された構成をなしている。
切り換え回路104eの入力端はPWMコンパレータ104cの出力端に接続され、2系統の出力端のうち一方は通常動作用スイッチング素子102aのベースに、他方は軽負荷用スイッチング素子102bのベースにそれぞれ接続されている。負荷電流検出回路104fは出力部103内のコイル103bと平滑コンデンサ103cとの間に接続され、負荷電流の検出結果を出力する出力端が切り換え回路104eのもう一つの入力端Aに接続されている。
一方、負荷106が待機状態等になって軽負荷動作に移行すると負荷電流が減少するため、負荷電流検出回路104fは負荷電流が軽負荷動作時のものであることを示す信号を出力する。すると、切り換え回路104eは2系統の出力線のうち軽負荷用スイッチング素子102bに接続されている方の出力線を選択し、PWMコンパレータ104cから出力されたパルスのデューティで軽負荷用スイッチング素子102bにベース電流を供給する。
このように、軽負荷動作時にスイッチング時間の短い素子を使うことで、スイッチングする過渡期における損失を少なくすることができる。なお、図4の通常動作用スイッチング素子102a及び軽負荷用スイッチング素子102bにMOSFETを用いた例も開示されている。
制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし、前記入力電圧の出力制御を行う第1のスイッチング素子と、
該第1のスイッチング素子よりも、制御電極と入力電極との間及び制御電極と出力電極との間にそれぞれ寄生する各寄生容量が小さく、かつオン時の入力電極と出力電極との間のインピーダンスが大きい、制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし前記入力電圧の出力制御を行う第2のスイッチング素子と、
前記第1及び第2の各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、負荷が消費する電流が通常動作モード時よりも小さくなる軽負荷動作モード時に、前記第1のスイッチング素子をオフさせて、第2のスイッチング素子のみをスイッチングさせて前記負荷に所定の電圧を供給するものである。
前記制御回路部は、該同期整流用スイッチング素子に対して、前記通常動作モード時に第1のスイッチング素子と相反するスイッチング動作を行わせ、前記軽負荷動作モード時には前記第1のスイッチング素子及び同期整流用スイッチング素子をそれぞれオフさせて同期整流用スイッチング素子の寄生ダイオードがフライホイールダイオードをなすようにした。
前記第1のスイッチング素子及び同期整流用スイッチング素子に対してそれぞれPWM制御を行うPWM制御回路部と、
前記第2のスイッチングトランジスタに対してPFM制御を行うPFM制御回路部と、
前記PWM制御回路部及び該PFM制御回路部からの各制御信号に対して前記第2のスイッチング素子の制御電極への出力制御を行う切換回路部と、
を備え、
前記切換回路部は、軽負荷動作モード時には、前記PFM制御回路部からの制御信号を第2のスイッチング素子の制御電極へ出力し、通常動作モード時には、前記PWM制御回路部からの制御信号を第2のスイッチング素子の制御電極へ出力するようにした。
前記第1のスイッチング素子及び同期整流用スイッチング素子に対してそれぞれPWM制御を行うPWM制御回路部と、
前記第2のスイッチングトランジスタに対してPFM制御を行うPFM制御回路部と、
前記PWM制御回路部からの制御信号の前記第2のスイッチング素子の制御電極への出力制御を行う切換回路部と、
を備え、
前記PFM制御回路部は、軽負荷動作モード時に作動すると共に通常動作モード時には動作を停止し、前記切換回路部は、通常動作モード時のみ、前記PWM制御回路部からの制御信号を第2のスイッチング素子の制御電極へ出力するようにしてもよい。
更に、軽負荷動作モード時には、第2のスイッチング素子のスイッチング周波数を低下させると共に、第1のスイッチング素子及び同期整流用スイッチング素子の各スイッチングを停止することで、寄生容量の充放電による損失を更に改善することができる。
更に、通常動作モード時には第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を並列に接続して用いているため、第1のスイッチング素子が占めるチップ面積は従来よりも小さくすることができ、チップ面積の増加を減少させることができる。特に近年、待機時の消費電流が増え、第2のスイッチング素子が占めるチップ面積が大きくなっているため、該効果は大きなものがある。
このように、軽負荷動作モード時の消費電力を従来に比べて極めて小さくすることができる。
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構成例を示した図である。
図1において、スイッチングレギュレータ1は、入力端子であるVdd端子に入力された入力電圧Vddの出力制御を行うPMOSトランジスタからなる第1の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、エネルギー変換用のインダクタL及びコンデンサCと、出力端子OUTから出力される電圧Voutを分圧して分圧電圧Vd1を生成し出力する出力電圧検出用の抵抗R1,R2とを備えている。
図2において、PFM制御回路5は、所定の基準電圧VREFMを生成して出力する基準電圧発生回路31と、基準電圧VREFMと三角波信号TWとの電圧比較を行う電圧比較回路PFMCMPと、OR回路32と、PFMドライブ回路33とで構成されている。電圧比較回路PFMCMPの非反転入力端には三角波信号TWが入力され、電圧比較回路PFMCMPの反転入力端には基準電圧VREFMが入力されている。電圧比較回路PFMCMPの出力端はOR回路32の一方の入力端に接続され、OR回路32の他方の入力端には誤差増幅回路3からの出力信号Errが入力されている。OR回路32の出力信号は、PFMドライブ回路33に入力され、PFMドライブ回路33には、更に切り換え信号Scが入力され、PFMドライブ回路33からパルス信号Spfが出力される。
図4において、PFM制御回路5から出力されたパルス信号Spfは、第2のスイッチングトランジスタM3のゲートに入力され、ドライブ回路12から出力された制御信号PDは、スイッチSW1を介して第2のスイッチングトランジスタM3のゲートに入力される。
図5において、PFM制御回路5の出力回路部は、入力電圧Vddと接地電圧との間に、PMOSトランジスタM4及びM5、並びにNMOSトランジスタM6及びM7が直列に接続されている。PMOSトランジスタM4のゲートには、切り換え信号ScがインバータINV1で信号レベルが反転されて入力され、NMOSトランジスタM7のゲートには、切り換え信号Scが入力されている。なお、PMOSトランジスタM5及びNMOSトランジスタM6によってパルス信号Spfが出力されるが、PMOSトランジスタM5及びNMOSトランジスタM6の各ゲートに接続される回路は省略している。また、ドライブ回路12の出力回路部は、入力電圧Vddと接地電圧との間に直列に接続されたPMOSトランジスタM8及びNMOSトランジスタM9で構成されている。
スイッチングトランジスタの寄生容量を小さくするには、スイッチングトランジスタのサイズを小さくすればよく、該寄生容量はスイッチングトランジスタのサイズに比例して小さくなる。負荷21に流れる待機時の電流は、通常数μAから数100μAと、通常動作モード時と比較して2桁から5桁小さくなっている。スイッチングトランジスタのサイズも負荷電流と同じ比率で小さくできるため、寄生容量も2桁から5桁小さくすることができる。
また、軽負荷動作モード時に、第2のスイッチングトランジスタM3のインピーダンスが大きいため、負荷21が短絡する等の故障を起こしても負荷21に大電流が流れないため、通常動作モード時に使用していた過電流保護回路6の動作を停止させて、過電流保護回路6で消費されていた電流を節約することができる。
2,31 基準電圧発生回路
3 誤差増幅回路
4 PWM制御回路
5 PFM制御回路
6 過電流保護回路
11 PWM回路
12 ドライブ回路
20 直流電源
21 負荷
32 OR回路
33 PFMドライブ回路
M1 第1のスイッチングトランジスタ
M2 同期整流用トランジスタ
M3 第2のスイッチングトランジスタ
OSC 発振回路
SW1 スイッチ
L インダクタ
C コンデンサ
C1〜C6 寄生容量
D1〜D3 寄生ダイオード
PFMCMP 電圧比較回路
Claims (11)
- 入力された直流電圧を所定の電圧に変換して負荷に供給するスイッチングレギュレータにおいて、
制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし、前記入力電圧の出力制御を行う第1のスイッチング素子と、
該第1のスイッチング素子よりも、制御電極と入力電極との間及び制御電極と出力電極との間にそれぞれ寄生する各寄生容量が小さく、かつオン時の入力電極と出力電極との間のインピーダンスが大きい、制御電極に入力された制御信号に応じてスイッチングし前記入力電圧の出力制御を行う第2のスイッチング素子と、
前記第1及び第2の各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、負荷が消費する電流が通常動作モード時よりも小さくなる軽負荷動作モード時に、前記第1のスイッチング素子をオフさせて、第2のスイッチング素子のみをスイッチングさせて前記負荷に所定の電圧を供給する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、通常動作モード時は、第1及び第2の各スイッチング素子を共にスイッチングさせ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。
- 入力電極と出力電極との間に寄生ダイオードを有し、前記第1のスイッチング素子と直列に接続された同期整流用スイッチング素子を備え、
前記制御回路部は、該同期整流用スイッチング素子に対して、前記通常動作モード時に第1のスイッチング素子と相反するスイッチング動作を行わせ、前記軽負荷動作モード時には前記第1のスイッチング素子及び同期整流用スイッチング素子をそれぞれオフさせて同期整流用スイッチング素子の寄生ダイオードがフライホイールダイオードをなすことを特徴とする請求項1又は2記載のスイッチングレギュレータ。 - 前記制御回路部は、
前記第1のスイッチング素子及び同期整流用スイッチング素子に対してそれぞれPWM制御を行うPWM制御回路部と、
前記第2のスイッチングトランジスタに対してPFM制御を行うPFM制御回路部と、
前記PWM制御回路部及び該PFM制御回路部からの各制御信号に対して前記第2のスイッチング素子の制御電極への出力制御を行う切換回路部と、
を備え、
前記切換回路部は、軽負荷動作モード時には、前記PFM制御回路部からの制御信号を第2のスイッチング素子の制御電極へ出力し、通常動作モード時には、前記PWM制御回路部からの制御信号を第2のスイッチング素子の制御電極へ出力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PFM制御回路部は、軽負荷動作モード時に作動し、通常動作モード時には動作を停止す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。
- 前記制御回路部は、
前記第1のスイッチング素子及び同期整流用スイッチング素子に対してそれぞれPWM制御を行うPWM制御回路部と、
前記第2のスイッチングトランジスタに対してPFM制御を行うPFM制御回路部と、
前記PWM制御回路部からの制御信号の前記第2のスイッチング素子の制御電極への出力制御を行う切換回路部と、
を備え、
前記PFM制御回路部は、軽負荷動作モード時に作動すると共に通常動作モード時には動作を停止し、前記切換回路部は、通常動作モード時のみ、前記PWM制御回路部からの制御信号を第2のスイッチング素子の制御電極へ出力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PWM制御回路部は、通常動作モード時に作動し、軽負荷動作モード時には動作を停止することを特徴とする請求項4、5又は6記載のスイッチングレギュレータ。
- 所定の周波数のパルス信号を生成して出力する発振回路部を備え、前記PFM制御回路部は、PWM制御時に該発振回路部から出力されるパルス信号のパルス列から前記負荷に出力した出力電圧に応じて、任意のパルスを除去して前記第2のスイッチング素子の制御電極に出力することを特徴とする請求項4、5、6又は7記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記第1及び第2の各スイッチング素子から供給される電流をモニタし、該電流が所定値を超えると前記制御回路部に対して第1のスイッチング素子をオフさせる過電流保護回路部を備え、該過電流保護回路部は、前記軽負荷動作モード時には動作を停止することを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記第1及び第2の各スイッチング素子並びに前記制御回路部は、1つのICに集積されることを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7又は8記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記第1及び第2の各スイッチング素子、前記制御回路部並びに過電流保護回路部は、1つのICに集積されることを特徴とする請求項9記載のスイッチングレギュレータ。
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