JP2007202376A - Dc−dcコンバータ及びdc−dcコンバータの制御回路 - Google Patents

Dc−dcコンバータ及びdc−dcコンバータの制御回路 Download PDF

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Abstract

【課題】出力トランジスタにおける貫通電流を防止し得るDC−DCコンバータを提供すること。
【解決手段】第1の電圧Viが供給される第1トランジスタT1に第2トランジスタT2が接続されている。第2トランジスタT2には、該トランジスタT2の両端子における電位差によりチョークコイルL1に流れる電流を検出して該トランジスタT2をオンオフ制御する信号S51を生成するコンパレータ1が接続され、該第2トランジスタT2とコンパレータ1により理想ダイオードIDが構成される。制御回路2は、パルス信号S52に基づいて、第1トランジスタT1をオンオフ制御するとともに出力電圧Vo一定に維持するよう信号S53を生成する。貫通防止パルス発生回路3は、パルス信号S52に基づいて、第1トランジスタT1をオンするタイミングの前後において第2トランジスタT2を所定期間オフするようパルス信号S54を生成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、DC−DCコンバータ及びDC−DCコンバータの制御回路に関するものである。
従来、パーソナルコンピュータ等の電子機器には、電源としてDC−DCコンバータが用いられている。電子機器では消費電力の低減が求められているため、DC−DCコンバータにおいても消費電力の低減が求められている。
従来、スイッチング方式のDC−DCコンバータは、出力用のMOSトランジスタをオンして入力側から出力側にエネルギを供給し、同トランジスタをオフしてインダクタに蓄積したエネルギを放出する。このとき、整流ダイオードの順方向電圧降下によりインダクタに蓄積したエネルギの一部が失われる。
このため、整流ダイオードを第2のMOSトランジスタに置き換えるとともに、該MOSトランジスタのソース及びドレインが接続されたコンパレータを備えたDC−DCコンバータが提案されている(例えば、特許文献1〜5、非特許文献1〜3、参照)。コンパレータは、MOSトランジスタの両端子間の電圧降下によりインダクタに流れる電流を検出して第2のMOSトランジスタをオンオフ制御する。インダクタを介して負荷からグランドに向かって電流が流れると、コンパレータの出力信号により第2のMOSトランジスタがオフする。従って、低負荷時における効率低下を防ぐことができる。
米国特許第4349776号明細書 実開平04−101286号公報 特開平06−303766号公報 米国特許第5912552号明細書 特開平10−225105号公報 Leo Francis Cassy,"CIRCUIT DESIGN FOR 1-10 MHZ DC-DC CONVERSION",Massachusetts Institute of Technology 1989,January 1989 「PFM/PWM同期整流降圧レギュレータ」、FIND、富士通株式会社、2003年、第21巻、第5号、p.45−47 「1チャネルPFM/PWM同期整流降圧DC/DCコンバータIC」、FIND、富士通株式会社、2004年、第22巻、第6号、p.28−31
ところが、コンパレータは、出力側のMOSトランジスタがオンして第2のMOSトランジスタの両端に生じる電圧差に基づいて第2のMOSトランジスタを制御する信号を生成する。この信号が遅延すると、出力側のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタとが同時にオンするため、大きな貫通電流が流れてしまい、消費電力が増大するという問題があった。
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、出力トランジスタにおける貫通電流を防止し得るDC−DCコンバータ及びDC−DCコンバータの制御回路を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明によれば、第1トランジスタに接続された第2トランジスタと、第2トランジスタの両端子における電位差により第2トランジスタに流れる電流を検出して該第2トランジスタをオンオフ制御する信号を生成するコンパレータは理想ダイオードIDを構成する。理想ダイオードIDは、半導体ダイオードのような順方向電圧降下が無く、逆方向に無限大のインピーダンスを持つものであり、理想的な整流特性が得られる。このため、電圧降下が少なくなって低出力電圧時における効率低下を防ぐ。そして、貫通防止パルス発生回路により第1トランジスタがオンする前後に第2トランジスタをオフすることで、貫通電流を防止する。
請求項2に記載の発明によれば、所定周期のクロック信号により前記第1トランジスタをオンし、そのクロック信号に同期して前記第2トランジスタをオフするためのパルス信号を生成することで、第1トランジスタがオンする前後に確実に第2トランジスタをオフする。
請求項3に記載の発明によれば、クロック信号により第1トランジスタをオン制御するための信号が生成される。
請求項4に記載の発明によれば、クロック信号により生成した第1のパルス幅を有する第1パルス信号に基づき第1トランジスタを第1のパルス幅に相当する期間オフし、クロック信号により生成され第1のパルス幅より広い第2のパルス幅を有する第2パルス信号に基づき第2トランジスタを第2のパルス幅に相当する期間オフすることで、第1トランジスタがオンするタイミングの前後に第2トランジスタがオフするため、貫通電流が流れない。
請求項5に記載の発明によれば、コンパレータが動作制御信号に応答して動作を停止することで、消費電力が低減される。
請求項6に記載の発明によれば、コンパレータは、動作制御信号に応答して、発振器の停止時に前記第2トランジスタをオフするよう信号を生成することで、第1トランジスタをオンオフ動作させないとき消費電力が低減される。
請求項7に記載の発明によれば、クロック信号を生成する発振器を備え、該発振器を動作制御信号により動作又は停止することで、第1トランジスタを必要に応じてオフすることができる。
請求項8に記載の発明によれば、第1のモード時に発振器を連続的に動作させ、第2のモード時に出力電圧に基づいて発振器を間欠的に動作するよう動作制御信号を生成する動作停止回路を備えたことで、間欠動作することで、消費電力が低減される。
請求項9に記載の発明によれば、第1トランジスタに接続された第2トランジスタと、第2トランジスタの両端子における電位差により前記第2トランジスタに流れる電流を検出して該第2トランジスタをオンオフ制御する信号を生成するコンパレータは理想ダイオードIDを構成する。貫通防止パルス発生回路により第1トランジスタがオンする前後に第2トランジスタをオフすることで、貫通電流を防止する。
請求項10に記載の発明によれば、所定周期のクロック信号により前記第1トランジスタをオンし、そのクロック信号に同期して前記第2トランジスタをオフするためのパルス信号を生成することで、第1トランジスタがオンする前後に確実に第2トランジスタをオフする。
本発明によれば、出力トランジスタにおける貫通電流を防止し得るDC−DCコンバータを提供することができる。
以下、本発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図1は、本発明の原理説明図である。即ち、DC−DCコンバータは、第1の電圧Viが供給される第1トランジスタT1に第2トランジスタT2が接続され、第1トランジスタT1と第2トランジスタT2の間の接続点にはチョークコイルL1が接続されている。第2トランジスタT2には、該トランジスタT2の両端子における電位差によりチョークコイルL1に流れる電流を検出して該トランジスタT2をオンオフ制御する信号S51を生成するコンパレータ1が接続され、該第2トランジスタT2とコンパレータ1により理想ダイオードIDが構成される。制御回路2は、パルス信号S52に基づいて、第1トランジスタをオンオフ制御し第1の電圧Viを電圧変換した出力電圧Voを、チョークコイルL1を介して出力するとともに該出力電圧Voを一定に維持するよう第1トランジスタT1のオン時間又はオフ時間を制御する信号S53を生成する。貫通防止パルス発生回路3は、パルス信号S52に基づいて、第1トランジスタT1をオンするタイミングの前後において第2トランジスタT2を所定期間オフするようパルス信号S54を生成する。理想ダイオードIDは、半導体ダイオードのような順方向電圧降下が無く、逆方向に無限大のインピーダンスを持つものであり、理想的な整流特性が得られる。
図1に示すDC−DCコンバータの動作を説明する。第1トランジスタT1がオン、第2トランジスタT2がオフの状態において、制御回路2の制御により第1トランジスタT1がオフに切り替わると、チョークコイルL1に蓄積されたエネルギが放出され、第2トランジスタT2のボディーダイオードを介してグランドから出力端子に向かって電流が流れる。すると、コンパレータ1はHレベルの信号S51を出力し、その信号S51により第2トランジスタT2はオン状態となる。第2トランジスタT2において生じる電圧降下はダイオードの順方向電圧降下に比べて小さく、効率が改善される。
次に、第1トランジスタT1がオフ、第2トランジスタT2がオンの状態において、制御回路2の制御により第1トランジスタT1がオンに切り替わる場合、その切り替わりのタイミングに合わせて貫通防止パルス発生回路3がワンショットパルス信号S54を発生し、第2トランジスタT2をオフする。このワンショットパルス信号S54により、第1トランジスタT1がオンになった瞬間に第1トランジスタT1と第2トランジスタT2を介してグランドに貫通電流が流れることを防止することができる。第1トランジスタT1がオン状態となると、出力ノードN1の電位が上昇し、コンパレータ1の出力がLレベルとなるため、ワンショットパルス信号S54のパルス期間が終了しても第2トランジスタT2はオフ状態を維持する。
このように、図1に示すDC−DCコンバータにおいて、第2トランジスタT2とコンパレータ1とにより構成される理想ダイオードIDにより整流素子による電圧降下を抑えることができる。更に、貫通防止パルス発生回路3により生成したワンショットパルス信号S54により第1トランジスタT1がオンするタイミングに応じて第2トランジスタT2をオフすることで、貫通電流を防止することができる。
以下、より詳細な実施形態を説明する。
(第一実施形態)
以下、本発明を具体化した第一実施形態を図面に従って説明する。
図2に示すように、DC−DCコンバータ10は、第1の電圧としての入力電圧Viを降圧変換して出力電圧Voを生成する。
このDC−DCコンバータ10は電流制御型DC−DCコンバータであり、制御回路11と、チョークコイルL1と、平滑用コンデンサC1とを備えている。DC−DCコンバータ10はカレントモード動作により出力電圧Voを安定化させるように構成されている。カレントモード動作は、基準電圧と出力電圧Voとの差を誤差増幅器により増幅し、その増幅電圧とチョークコイルL1に流れる電流に比例する電圧とを電流比較器により比較し、チョークコイルL1のピーク電流を制御して出力電圧Voを安定化させる。
制御回路11の出力端子にはチョークコイルL1の第1端子が接続され、該チョークコイルL1の第2端子は負荷としての半導体集積回路装置(図示略)に接続されている。制御回路11は、チョークコイルL1を介して負荷に出力電圧Voを供給する。チョークコイルL1の第2端子には平滑用コンデンサC1が接続され、該コンデンサC1は出力電圧Voを平滑化する。出力電圧Voは帰還信号FBとして制御回路11に入力される。
帰還信号FBは、制御回路11の誤差増幅器21の反転入力端子に入力され、誤差増幅器21の非反転入力端子には基準電源e1の基準電圧Vr1が入力される。誤差増幅器21は、帰還信号FBの電圧、即ち出力電圧Voと基準電圧Vr1との差電圧を持つ信号S1を電流比較器22に出力する。
電流比較器22は、誤差増幅器21の出力信号S1と、電流検出回路32の出力信号S8とが入力される。電流比較器22は、信号S1,S8を比較した結果に応じてHレベル又はLレベルの信号S2をフリップフロップ回路(FF回路)23に出力する。
FF回路23はRS−フリップフロップ回路であり、セット端子Sに信号S2が入力され、リセット端子Rに発振器(OSC)24により生成された所定周期を持つクロック信号CKが入力される。発振器24には、動作制御信号CT2が入力される。発振器24は、動作制御信号CT2に基づいて作動・停止する。作動した発振器24は、所定周波数のクロック信号CKを生成する。FF回路23は、セット端子Sに入力されるHレベルの信号S2に応答して信号S3をセット、つまりHレベルの信号S3を出力端子Qからオア回路25に出力し、リセット端子Rに入力されるHレベルのクロック信号CKに応答して信号S3をリセット、つまりLレベルの信号S3を出力する。オア回路25には、信号S3と動作制御信号CT2とが入力される。オア回路25は、両信号S3,CT2を論理和演算した結果の信号S4をドライバ回路26に出力する。
ドライバ回路26には、オア回路25の出力信号S4と、後述する貫通防止パルス発生回路27の第1パルス信号S5とが入力される。ドライバ回路26は、オア回路25の出力信号S4と貫通防止パルス発生回路27の第1パルス信号S5とを論理和演算した結果による第1制御信号DHを出力する。
貫通防止パルス発生回路27は、第1ワンショット回路28と、第2ワンショット回路29とを備えている。第1ワンショット回路28と第2ワンショット回路29には、発振器24から出力されるクロック信号CKが入力される。第1ワンショット回路28と第2ワンショット回路29は、クロック信号CKの立ち上がりエッジに応答して所定パルス幅の第1パルス信号S5と第2パルス信号S6とをそれぞれ出力する。第1パルス信号S5と第2パルス信号S6のパルス幅は、それぞれ制御回路11における信号遅延時間に応じて設定されている。更に、第2パルス信号S6のパルス幅は、第1パルス信号S5のパルス幅よりも大きく設定されている。
第1制御信号DHは、第1スイッチング素子としての出力用のMOSトランジスタT1に供給される。第1MOSトランジスタT1は、本実施形態ではPチャネルMOSトランジスタであり、ゲート(制御端子)に第1制御信号DHが供給され、ソースに入力電圧Viが供給され、ドレインがチョークコイルL1に接続されている。第1MOSトランジスタT1は、Lレベルの第1制御信号DHに応答してオンし、Hレベルの第1制御信号DHに応答してオフする。
第1MOSトランジスタT1とチョークコイルL1との間の出力ノードN1は、第2スイッチング素子としての第2MOSトランジスタT2に接続されている。第2MOSトランジスタT2は、本実施形態ではNチャネルMOSトランジスタであり、ドレインが第1MOSトランジスタT1に接続され、ソースが第2の電圧としてのグランドに接続され、ゲートは信号合成回路としてのアンド回路30に接続されている。また、第2MOSトランジスタT2の両端子はコンパレータ31に接続されている。コンパレータ31の反転入力端子は第2MOSトランジスタT2のドレインに接続され、コンパレータ31の非反転入力端子は第2MOSトランジスタT2のソースに接続されている。コンパレータ31は、第2MOSトランジスタT2のソースとドレインの電位に基づいて、チョークコイルL1に流れる電流を検出し、該検出結果に応じてHレベル又はLレベルの信号S7を出力する。この信号S7は、アンド回路30に入力される。アンド回路30には、第2パルス信号S6が入力される。アンド回路30は、第2パルス信号S6の反転レベルと信号S7とを論理積演算した結果を持つ第2制御信号DLを生成する。この第2制御信号DLが、第2MOSトランジスタT2のゲート(制御端子)に供給され、第2MOSトランジスタT2はHレベルの第2制御信号DLに応答してオンし、Lレベルの第2制御信号DLに応答してオフする。
上記のように接続された第2MOSトランジスタT2とアンド回路30とコンパレータ31は、理想ダイオードIDを構成する。理想ダイオードIDは図5(a)に示す電圧電流特性を持つ。図5(b)には半導体ダイオードの電圧電流特性を示す。理想ダイオードIDは、順方向において順方向電圧VFがゼロで電流が流れ、逆方向に無限大のインピーダンスを持ち電流が流れないものであり、理想的な整流特性が得られる。従って、理想ダイオードIDは、順方向電圧降下がないため、第1MOSトランジスタT1がオフしたときに、チョークコイルL1に蓄積したエネルギの損失が低減され、低出力電圧時における効率低下が防止される。
上記出力ノードN1は電流検出回路32に接続され、該電流検出回路32は、出力ノードN1の電位に基づいてチョークコイルL1に流れる電流を検出し、該電流と比例する電圧を持つ信号S8を出力する。
発振器24等に入力される動作制御信号CT2はオア回路34から供給され、該オア回路34には、外部制御信号CTLが入力されるバッファ回路35の出力信号CT1が供給される。外部制御信号CTLは、DC−DCコンバータ10全体を動作させるか、停止させるかを制御するための信号、所謂パワーダウン信号である。また、バッファ回路35の出力信号CT1は誤動作防止回路36に入力される。誤動作防止回路36は、電源電圧である入力電圧Viの瞬間的な低下による誤動作を防止するために設けられている。誤動作防止回路36は、入力電圧Viの電圧低下を検出し、電圧低下時に出力ノードN1を所定レベル(例えばLレベル)又はハイインピーダンスとするよう信号S10を生成する。オア回路34は、信号CT1の反転レベルと信号S10とを論理和演算してパワーダウン信号である動作制御信号CT2を生成する。
上記のように構成されたDC−DCコンバータ10の作用を説明する。
出力用の第1MOSトランジスタT1は、Lレベルの第1制御信号DHに応答してオンし、Hレベルの第1制御信号DHに応答してオフする。この第1制御信号DHの立ち下がりは、クロック信号CKの立ち上がりより第1のパルス幅に相当する時間だけ遅延している。従って、第1MOSトランジスタT1は、クロック信号CKの立ち上がりより第1のパルス幅に相当する時間だけ遅れてオンする。つまり、制御回路11は、発振器24から出力されるクロック信号CKに基づき、所定周期で第1MOSトランジスタT1をオンし、出力電圧Voに対応する時間経過後に第1MOSトランジスタT1をオフする。
第1MOSトランジスタT1がオンされると、チョークコイルL1に流れる電流が増大し電流検出回路32の出力電圧が上昇する。そして、電流検出回路32の出力電圧が誤差増幅器21の出力電圧より高くなると、FF回路23のセット端子SにHレベルの信号S2が出力されてそのFF回路23の出力信号S3がHレベルとなるため、出力用の第1MOSトランジスタT1がオフされ、チョークコイルL1に蓄えられたエネルギが放出される。
上記のような出力用の第1MOSトランジスタT1のオン・オフ動作時に、出力電圧Voが低くなると、誤差増幅器21の出力電圧が高くなり、電流比較器22の出力信号S2がHレベルとなるまでの時間が長くなるため、出力用の第1MOSトランジスタT1のオン時間が長くなる。また、出力電圧Voが高くなると、誤差増幅器21の出力電圧が低くなり、電流比較器22の出力信号がHレベルとなるまでの時間が短くなるため、第1MOSトランジスタT1のオン時間が短くなる。このような動作により、第1MOSトランジスタT1は発振器24の出力信号周波数に基づいて所定周期でオンされ、第1MOSトランジスタT1がオフされるタイミングは、出力電流ILに基づいて決定される。そして、出力電圧Voの高低に基づいてそのタイミングが変化して、出力電圧Voが一定に維持される。
図3,図4に示すように、第1ワンショット回路28は、クロック信号CKの立ち上がりエッジに応答して第1のパルス幅を持つ第1パルス信号S5を出力し、第2ワンショット回路29は、クロック信号CKの立ち上がりエッジに応答して第2のパルス幅を持つ第2パルス信号S6を出力する。尚、図3は、連続モード時の動作波形図であり、図4は不連続モード時の動作波形図である。
FF回路23は、クロック信号CKの立ち上がりエッジに応答してLレベルの信号S3を出力し、出力電圧Voに対応する信号S2(図示略)によりHレベルの信号S3を出力する。オア回路25は、Lレベルの動作制御信号CT2により、信号S3と同じレベルの信号S4を出力する。従って、信号S3(S4)のLレベルパルス幅及びHレベルパルス幅は、出力電圧Voに応じて変化する。
ドライバ回路26は、第1パルス信号S5と信号S4とを論理和演算して第1制御信号DHを生成する。信号S4つまり信号S3はクロック信号CKの立ち上がりによりLレベルとなり、第1パルス信号S5はパルス信号S5の立ち上がりから第1のパルス幅だけHレベルとなる。従って、第1制御信号DHは、信号S3に比べて立ち下がりが第1のパルス幅だけ遅れる。即ち、第1ワンショット回路28とドライバ回路26は、FF回路23の出力信号S3の立ち下がりを第1のパルス幅に相当する時間だけ遅延する。
一方、第2ワンショット回路29は、クロック信号CKの立ち上がりエッジに応答して第2のパルス幅を持つHレベルの第2パルス信号S6を出力する。従って、アンド回路30は、第2パルス信号S6がHレベルである期間、Lレベルの制御信号DLを出力し、第2MOSトランジスタT2はこの制御信号DLに応答してオフする。つまり、第2MOSトランジスタT2は、クロック信号CKの立ち上がりから第2のパルス幅に相当する時間だけ経過するまでの間はオフしている。従って、クロック信号CKの立ち上がりから第1のパルス幅に相当する時間経過するまでは、第1MOSトランジスタT1と第2MOSトランジスタT2が共にオフしている。そして、第2のパルス幅は、第1のパルス幅よりも長い。従って、第1MOSトランジスタT1がオンした後もLレベルの制御信号DLにより第2MOSトランジスタT2はオフしている。
第1MOSトランジスタT1がオンすると、入力電圧Viにより出力ノードN1が上昇するため、コンパレータ31は第1MOSトランジスタT1がオンしている間Lレベルの信号S7を出力する。従って、第2ワンショット回路29から出力される第2パルス信号S6がLレベルとなった後も、コンパレータ31の出力信号S7により、第2MOSトランジスタT2はオフしている。
図6は本実施形態の回路をシミュレーションして得られた波形図であり、図7(a)は貫通防止パルス発生回路27を備えていない回路をシミュレーションして得られた波形図、図7(b)は図7(a)の拡大図である。
第1MOSトランジスタT1がオンした時、貫通防止パルス発生回路27を備えていない従来例の回路では、図7(a)に示すように、貫通電流によって第1MOSトランジスタT1に極めて大きな電流Ihが流れる。この電流Ihは、図7(b)に示すように、遅延によって第2MOSトランジスタT2のゲートに供給される制御信号DLにがLレベルとなって第2MOSトランジスタT2がオフするまで流れ続ける。そして、この貫通電流により、出力ノードN1の電圧変化が遅れてしまう。一方、図6に示すように、本実施形態では、第2パルス信号S6によって、第1MOSトランジスタT1がオンするタイミングの前後の期間において第2MOSトランジスタT2がオフするため、貫通電流が流れないため第1MOSトランジスタT1に大きな電流が流れない。
例えば、入力電圧Viを5.0V、出力電圧Voを1.2V、動作周波数を2.0MHz、負荷に供給する電流を600mAとする。貫通電流が流れる時間を10nS、貫通電流の電流量を4.2Aとすると、貫通電流による損失は420mWとなる。貫通電流が流れるときのDC−DCコンバータ全体の変換効率を50%とする。
スイッチングレギュレータの効率η1は、入力電力に対する出力電力の比、つまり、
η1=出力電力/入力電力
と表される。出力電力は、出力電圧Voと出力電流ILの積であり、入力電力は、入力電圧Viと入力電流Iiの積であるから、上記式は、
η1=(Vo×IL)/(Vi×Ii)
と表される。スイッチングレギュレータ全体の損失LAは、出力電力に対する入力電力の差であるから、
(Vi×Ii)=(Vo×IL)+LA
と表される。従って、スイッチングレギュレータの効率η1は、
η1=(Vo×IL)/(Vo×IL+LA)
となる。
従って、DC−DCコンバータ全体の損失LAは、上記の値から、
0.5=(1.2V×600mA)/(1.2V×600mA+LA)
LA=720mW
となる。
貫通電流による損失が無い場合のDC−DCコンバータ全体の損失は、
720mW−420mW=300mW
となる。この場合の変換効率は、
(1.2V×600mA)/(1.2V×600mA+300mW)=70.6%
となる。
従って、貫通電流を防止することにより、DC−DCコンバータの変換効率は、50%から70.6%に改善される。
第1MOSトランジスタT1がオフすると、チョークコイルL1に蓄積されたエネルギにより出力ノードN1は負電圧となるため、コンパレータ31はHレベルの信号S7を出力する。この時、信号S6はLレベルであるため、アンド回路30はHレベルの制御信号DLを出力し、第2MOSトランジスタT2がオンする。コンパレータ31から出力されるHレベルの信号S7は、信号遅延により、第1MOSトランジスタT1がオフしてから遅延する。即ち、第2MOSトランジスタT2は、第1MOSトランジスタT1がオフしてから信号遅延による時間経過後にオンする、つまり第1MOSトランジスタT1と第2MOSトランジスタT2が共にオフしている状態の後、第2MOSトランジスタT2がオンする。
上記のようにオンオフする第2MOSトランジスタT2は、理想ダイオードIDとして動作するため、半導体ダイオードに比べて電圧降下が少なく、チョークコイルL1に蓄積したエネルギの損失が低減され、変換効率が改善される。そして、第1MOSトランジスタT1のオンオフ時に第2MOSトランジスタT2がオフしているため、両MOSトランジスタT1,T2が同時にオンすることがなく、両MOSトランジスタT1,T2に流れる貫通電流を防止することができる。
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)発振器24のクロック信号CKに基づいてパルス信号を生成する貫通防止パルス発生回路27を備え、第1MOSトランジスタT1をオンするタイミングの前後の期間において第2MOSトランジスタT2をオフするようにした。この結果、第1MOSトランジスタT1と第2MOSトランジスタT2が同時にオンすることがなくなり、貫通電流を防止することができる。
(2)コンパレータ31は、第2MOSトランジスタT2の両端子の電位差によりチョークコイルL1に流れる電流を検出し、該検出結果に応じて第2MOSトランジスタT2をオフするよう信号S7を出力する。第2MOSトランジスタT2とコンパレータ31は理想ダイオードIDを構成し、ダイオードに比べて電圧降下が少なく、チョークコイルL1に蓄積したエネルギの損失が低減され、変換効率が改善される。
(第二実施形態)
以下、本発明を具体化した第二実施形態を図面に従って説明する。
尚、本実施形態において、第一実施形態と同じ構成部材については同じ符号を付し、説明の一部を省略する。
図8に示すように、本実施形態のDC−DCコンバータ40は、制御回路41と、モード選択回路42と、低ドロップアウトレギュレータ(以下、LDO)43とを備えている。制御回路41は、PFM制御又はPWM制御により入力電圧Viを電圧変換した出力電圧Voを出力する。LDO43は低負荷時に変換効率のよいシリーズレギュレータ又はリニアレギュレータであり、入力電圧Viを電圧変換した出力電圧Voを生成する。モード選択回路42は、モード信号MODEにより、LDO/PFM/PWMの各モードを選択して制御回路41とLDO43とを制御する制御信号を生成する。モード選択回路42は、2つのコンパレータ51a,51bとモード制御回路52とを備えている。コンパレータ51a,51bはそれぞれの反転入力端子に接続された基準電源e11,e12の基準電圧が異なる値に設定されており、モード信号MODEの電圧に応じたレベルの信号を出力する、いわゆるウインドコンパレータを構成している。モード制御回路52は、2つのコンパレータ51a,51bの出力信号に基づいて、各モードに対応する制御信号S11,S12,S13を出力する。
LDO43は、制御信号S11に応答して動作し、出力電圧Voを出力する。制御回路41は、制御信号S12に応答してPWM動作する。このPWM動作は、第一実施形態の制御回路11の動作と同じである。また、制御回路41は、制御信号S13に応答してPFM動作する。PFM動作において、制御回路41は、出力用の第1MOSトランジスタT1をオンオフするスイッチングを間欠的に行う。これにより、低負荷時における変換効率をPWM動作よりも向上する。
詳述すると、制御回路41は、動作停止回路61を備えている。動作停止回路61は、コンパレータ62と、スイッチ63と基準電源e21,e22を備えている。コンパレータ62の反転入力端子には誤差増幅器21の出力信号S1が入力され、コンパレータ62の非反転入力端子はスイッチ63の共通端子に接続されている。スイッチ63の第1端子は第1基準電源e21に接続され、スイッチ63の第2端子は第2基準電源e22に接続されている。第1基準電源e21の電圧は第2基準電源e22の電圧より高く設定されている。スイッチ63は、PWMモードを示す制御信号S12に応答してコンパレータ62に第2基準電源e22の電圧を供給し、PFMモードを示す制御信号S13に応答してコンパレータ62に第1基準電源e21の電圧を供給する。これにより、コンパレータ62は、PWMモード時に常時Lレベルの信号S15を出力し、PFMモード時に誤差増幅器21の出力信号S1、即ち出力電圧Voに応じてLレベル又はHレベルの信号S15を出力する。この信号はオア回路34aに入力され、オア回路34aは、この信号S15と、信号CT1,S10とに基づいて、動作制御信号CT2を生成する。外部制御信号CTLがHレベル、信号S15がLレベル、信号S10がLレベルの時、発振器24は発振動作し、クロック信号CKを出力する。一方、外部制御信号CTLがHレベル、制御信号S15がHレベル、信号S10がLレベルの時、発振器24は停止する。従って、図9及び図10に示すように、PFMモード時に発振器24が間欠的に動作することで、スイッチングを間欠的に行う。これにより、低負荷時における変換効率の低下を防ぐ。
オア回路34aの動作制御信号CT2は、第2MOSトランジスタT2の両端子、つまりソース及びドレインが接続されたコンパレータ31aに供給される。コンパレータ31aは、Hレベルの動作制御信号CT2によりLレベルの信号S7を出力し、動作を停止する。このため、消費電力が少なくなる。
コンパレータ31aは、DC−DCコンバータ40のシャットダウン時に、動作制御信号CT2に基づいてLレベルの信号S7を出力する。また、PFM動作時に、帰還信号FBの電圧、つまり出力電圧Voと基準電圧Vr1との差により信号S1の電位が決定され、信号S1の電位と基準電源e21の電圧とによりHレベルの信号S15が出力される。このため、動作制御信号CT2がHレベルとなり、コンパレータ31aはLレベルの信号S7を出力する。このため、第2MOSトランジスタT2がオフされる。
また、制御回路41は、誤差増幅器21と電流比較器22との間に接続された電圧制限回路64を備えている。電圧制限回路64は、コンパレータ65とトランジスタT11と基準電源e23とを備えている。コンパレータ65は、基準電源e23の電圧よりも信号S1の電圧が高くなるとトランジスタT11をオンして信号S1を基準電源e23の電圧にクランプする。
以上記述したように、本実施形態によれば、第一実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。
(1)チョークコイルL1に流れる電流により第2MOSトランジスタT2を制御するコンパレータ31aに、発振器24の動作を制御する動作制御信号CT2を供給した。コンパレータ31aは、発振器24が停止するときに動作を停止し、Lレベルの信号S7を出力する。従って、コンパレータ31aの動作停止により消費電力を低減し、Lレベルの信号S7により第2MOSトランジスタT2がオフするため低負荷時における効率低下を防ぐことができる。
(2)モード選択回路42は、モード信号MODEにより、LDO/PFM/PWMの各モードを選択して制御回路41とLDO43とを制御することにより、負荷に応じて動作モードを切り替えることで、PWM制御のみを行うDC−DCコンバータに比べて、低負荷時における変換効率を向上することができる。
(第三実施形態)
以下、本発明を具体化した第三実施形態を図面に従って説明する。
尚、本実施形態において、第一,第二実施形態と同じ構成部材については同じ符号を付し、説明の一部を省略する。
図11に示すDC−DCコンバータ70は昇圧DC−DCコンバータであり、制御回路71は、出力電圧Voを出力する第1MOSトランジスタT1に信号合成回路としてのオア回路72とコンパレータ73とを備え、第1MOSトランジスタT1とオア回路72とコンパレータ73とにより理想ダイオードIDが構成されている。コンパレータ73の非反転入力端子は第1MOSトランジスタT1のソースに接続され、コンパレータ73の反転入力端子は第1MOSトランジスタT1のドレインに接続されている。コンパレータ73の出力端子はオア回路72の入力端子に接続され、そのオア回路72には第2パルス信号S6が入力され、オア回路72の出力端子は第1MOSトランジスタT1のゲートに接続されている。そして、ドライバ回路26の出力端子は第2MOSトランジスタT2のゲートに接続されている。
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)第一、第二実施形態と同様に、第1MOSトランジスタT1とコンパレータ73とオア回路72とにより理想ダイオードIDが構成され、電圧降下が少なく、チョークコイルL1に蓄積したエネルギの損失を低減し、変換効率を改善することができる。
(2)第2MOSトランジスタT2のオン時に第1MOSトランジスタT1がオフしているため、両MOSトランジスタT1,T2が同時にオンすることがなく、両MOSトランジスタT1,T2に流れる貫通電流を防止することができる。
尚、上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記第一実施形態において、第二実施形態と同様に、モードにより動作を切り替える回路部分を追加した構成としてもよい。
・上記第三実施形態において、第一実施形態と同様に、モードにより動作を切り替える回路部分を省略した構成としてもよい。
・上記第三実施形態において、図12に示すように、第二実施形態と同様に、動作制御信号CT2が入力されるコンパレータ73aを備え、第2MOSトランジスタT2をオンオフしないときにコンパレータ73aの動作を停止して消費電流を低減する構成としてもよい。
・上記実施形態では、第2トランジスタT2がオフした後にトランジスタT1をオンするために第1ワンショット回路28を用いたが、その他の構成により上記の順番で各トランジスタT1,T2を制御するようにしてもよい。例えば、第2トランジスタT2のゲートに供給する第2制御信号DLに基づいて第1トランジスタT1に供給する第1制御信号DHを生成するようにしてもよい。即ち、図13に示すように、DC−DCコンバータ10aのドライバ回路26は、第2MOSトランジスタT2のオンオフを制御する第2制御信号DLと信号S4とを論理和演算して第1制御信号DHを生成する。従って、このDC−DCコンバータ10aの貫通防止パルス発生回路27aは、第2ワンショット回路29のみを備える。上記の構成によると、第1制御信号DHは、第2制御信号DLがLレベルになった後にLレベルとなるため、第2トランジスタT2がオフした後に第1トランジスタT1がオンする。つまり、第1トランジスタT1がオンする前に第2トランジスタT2がオフしている。このように構成されたDC−DCコンバータ10aにおいては、第1ワンショット回路28が省略されることで、第1トランジスタT1と第2トランジスタT2がともにオフする期間を短くすることができ、全体の面積増大が抑えられ、貫通電流を防止することができる。
また、図14に示すように、DC−DCコンバータ10bは、図13に示すDC−DCコンバータ10aのドライバ回路26に替えて遅延回路80を備えている。遅延回路80には信号S4が接続され、遅延回路80の出力端子は第1トランジスタT1のゲートに接続されている。第1MOSトランジスタT1は、クロック信号CKの立ち上がりより遅延回路80に相当する時間だけ遅れてオンする。また、第2パルス信号S6のパルス幅は、遅延回路80の遅延時間よりも大きい第2のパルス幅を持つよう設定されている。この第2ワンショット回路29は、クロック信号CKの立ち上がりエッジに応答してHレベルの第2パルス信号S6を出力し、アンド回路30は、第2パルス信号S6がHレベルである期間、Lレベルの制御信号DLを出力する。第2MOSトランジスタT2はこの制御信号DLに応答してオフする。このように構成されたDC−DCコンバータ10bにおいても、第1ワンショット回路28が省略されることで全体の面積増大が抑えられ、貫通電流を防止することができる。
また、図15に示すように、DC−DCコンバータ10cは、第1ワンショット回路28に替えて、FF回路23とオア回路25の少なくとも何れか一方の遅延を用いてもよい。つまり、第1MOSトランジスタT1は、クロック信号CKの立ち上がりよりFF回路23とオア回路25の少なくとも何れか一方の遅延に相当する時間だけ遅れてオンする。第2パルス信号S6のパルス幅は、FF回路23とオア回路25の少なくとも何れか一方の遅延よりも大きい第2のパルス幅を持つよう設定されている。この第2ワンショット回路29は、クロック信号CKの立ち上がりエッジに応答してHレベルの第2パルス信号S6を出力し、アンド回路30は、第2パルス信号S6がHレベルである期間、Lレベルの制御信号DLを出力する。第2MOSトランジスタT2はこの制御信号DLに応答してオフする。このように構成されたDC−DCコンバータ10cは、第一実施形態に比べてドライバ回路26と第1ワンショット回路28が省略されることで全体の面積増大が抑えられ、貫通電流を防止することができる。
・上記各実施形態の理想ダイオードIDを構成するコンパレータにオフセットを持たせるようにしてもよい。この場合のオフセットは、出力信号のレベルを変更する入力信号の電位に幅を持たせることである。例えば、図16に示すように、DC−DCコンバータ10dは、第2トランジスタT2とコンパレータ31と間に定電圧源e31,e32が接続されている。定電圧源e31,e32は、第2トランジスタT2のドレイン電圧,ソース電圧にオフセット電圧を加えた電圧をコンパレータ31の入力端子に供給する。コンパレータ31は、2つの入力端子電圧の大小に応じたレベルの信号を出力する。これを、2つの入力端子のうちのいずれか一方の電圧にオフセット電圧を加えた電圧と、いずれか他方の電圧との大小関係に応じて出力信号のレベルを変更する、つまり、図16において、定電圧源e31,e32の何れか一方のみを追加した構成に変更しても良い。
また、オフセット電圧を変更可能な構成としてもよい。例えば、図17に示すDC−DCコンバータ10eは、第2トランジスタT2とコンパレータ31との間に定電圧源e31と可変電源e33とが接続されている。可変電源e33は、パワーダウン信号である動作制御信号CT2に応答してオフセット電圧を変更する。
また、図18に示すDC−DCコンバータ10fは、図17のDC−DCコンバータ10eに対して、遅延回路81とアンド回路82とFF回路83が追加されている。遅延回路81には動作制御信号CT2が入力され、遅延回路81の出力信号S21はアンド回路82に入力される。そのアンド回路82には、コンパレータ31の出力信号S7が入力される。アンド回路82は、信号S7の反転レベルと信号S21とを論理積演算した結果を持つ信号S22を出力する。従って、アンド回路82は、コンパレータ31から出力されるLレベルの信号S7とHレベルの動作制御信号CT2とに基づいてHレベルの信号S22を出力する。FF回路83のセット端子には動作制御信号CT2が入力され、リセット端子には信号S22が入力される。FF回路83は、動作制御信号CT2の反転レベルに基づいて、Lレベルの動作制御信号CT2に応答してHレベルの信号S23を出力し、Hレベルの信号S22に応答してLレベルの信号S23を出力する。この信号S23により、可変電源e33は、オフセット電圧を変更する。この構成によれば、動作制御信号CT2がLレベル、つまりパワーダウン時にオフセット電圧を第1レベルに設定する。そして、パワーダウンから通常動作に復帰してから遅延回路81の設定時間経過後に、コンパレータ31の出力信号S7がLレベル、つまり第2トランジスタT2がオフするタイミングでオフセット電圧を第2レベルに設定する。従って、パワーダウンから通常動作に復帰して各回路素子の動作が安定した後にオフセット電圧を第2レベルに設定することができる。
・上記各実施形態では、貫通防止パルス信号として第2ワンショット回路29の第2パルス信号S6により理想ダイオードIDを制御するようにしたが、貫通防止パルス信号のパルス幅を制御するようにしてもよい。例えば、図19に示すDC−DCコンバータ10gは貫通防止パルス発生回路27bを備え、該貫通防止パルス発生回路27bは、第1ワンショット回路28とRS−フリップフロップ回路(以下、単にFF回路)85とから構成されている。FF回路85のセット端子Sにはクロック信号CKが入力され、リセット端子Rにはコンパレータ31の出力信号S7が入力される。FF回路85は、反転出力端子XQからクロック信号CKと信号S7に基づいて貫通防止パルス信号として第2パルス信号S6aを出力する。
詳しくは、FF回路85は、Hレベルのクロック信号CKに応答してLレベルの第2パルス信号S6aを出力し、Lレベルの信号S7に応答してHレベルの第2パルス信号S6aを出力する。
このように構成されたDC−DCコンバータ10gは、図20に示すように、Lレベルの第1制御信号DHにより第1トランジスタT1がオンしてコンパレータ31の出力信号S7がLレベルに切り替わると、FF回路85の出力信号S6aがHレベルとなる。つまり、コンパレータ31の出力信号S7により第2トランジスタT2を制御するようになると、貫通防止パルス信号による第2トランジスタT2の制御を終了させる。この構成によると、第1トランジスタT1が短時間でオフした場合における損失を低減することができる。例えば軽負荷時に第一実施形態の第2パルス信号S6により第2トランジスタT2の制御が終了する前に第1トランジスタT1がオフし、第2トランジスタT2をオンするようにコンパレータ31が出力信号S7を出力しても、第2パルス信号S6により第2トランジスタT2のオフが維持されるため、ボディーダイオードによる損失が発生する。これに対し、上記したように、コンパレータ31は出力信号S7により第2パルス信号S6aを終了させる、つまり第2パルス信号S6aをHレベルとすることで、コンパレータ31の出力信号S7により第2トランジスタT2を制御することができるようになる。
・上記各実施形態における理想ダイオードIDの構成を適宜変更してもよい。例えば、図21に示すように、DC−DCコンバータ10hを構成する。このDC−DCコンバータ10hの理想ダイオードIDは、第1コンパレータ31と第2コンパレータ86とを備えている。第2コンパレータ86は図21においてNチャネルMOSトランジスタにより構成され、第1端子(例えばソース)は第1トランジスタT1と第2トランジスタT2の間のノードN1に接続され、第2端子(例えばドレイン)は定電流源87に接続され、制御端子(ゲート)には電圧源e35が接続されている。電圧源e35は、第2コンパレータ86を構成するトランジスタの閾値電圧よりもわずかに低い電圧、詳しくは第1コンパレータ31の検出レベルよりもわずかに低い電圧を、第2コンパレータ86を構成するトランジスタのゲートに供給する。第2コンパレータ86と定電流源87との間のノードはRS−フリップフロップ回路(以下、単にFF回路)88のセット端子Sに接続されている。第1コンパレータ31の出力端子はFF回路88のリセット端子Rに接続され、FF回路88の非反転出力端子Qから信号S7が出力される。
第1コンパレータ31は、第2トランジスタT2の両端子における電位差によりチョークコイルL1に流れる電流を検出してその第2トランジスタT2をオンオフ制御する信号S31を生成する。第2コンパレータ86は、第1トランジスタT1と第2トランジスタT2の間のノードN1における電位により第1トランジスタT1のオフを検出して第2トランジスタT2をオンオフ制御する信号S32を生成する。即ち、第2トランジスタT2は、チョークコイルL1に流れる電流を正確に検出するコンパレータ31と、出力ノードN1の電位変化に高速応答するコンパレータ86とによりオンオフ制御される。このように構成された理想ダイオードIDにおいて、第1コンパレータ31は、チョークコイルL1に流れる電流を正確に検出して効率の低下を防止し、第2コンパレータ86は、第1トランジスタT1のオフを高速に検出し、第2トランジスタT2のボディーダイオードでの損失を低減することができる。
・上記各実施形態に対して、図22に示すDC−DCコンバータ10iのように、スナバ回路91を備えてもよい。スナバ回路91はチョークコイルL1と並列に接続され、このスナバ回路91はRS−フリップフロップ回路(以下、単にFF回路)92の非反転出力端子Qから出力される制御信号によりオンオフされる。FF回路92のセット端子Sにはコンパレータ31の出力信号S7が入力され、リセット端子Rには第2パルス信号S6が入力される。FF回路92は、Lレベルの信号S7に応答してHレベルの制御信号を出力し、Hレベルの第2パルス信号S6に応答してLレベルの制御信号を出力する。このような構成において、軽負荷時の不連続モード(DCM)で第1トランジスタT1と第2トランジスタT2がともにオフした時にスナバ回路91をオンすることで共振を抑える、つまりリンギング対策を実施することができる。
・上記実施形態のコンパレータ31a,73aは、動作を停止して消費電流を低減するようにしたが、例えば、図23に示すDC−DCコンバータ10jのコンパレータ31bのように、出力レベルを維持する程度に動作するようにしてもよい。このコンパレータ31bは、図24に示すように、高電位電源Vddに接続された第1カレントミラー101と第2カレントミラー102を有している。第1カレントミラー101は3つのトランジスタT21,T22,T23により構成され、第2カレントミラー102は3つのトランジスタT24,T25,T26により構成されている。第1トランジスタT21のドレインは第1定電流源103に接続され、第4トランジスタT24はNチャネルMOSトランジスタT27を介して第2定電流源104に接続されている。第2カレントミラー102を構成するトランジスタT24,T25,T26のゲートは第7トランジスタT27のドレインに接続されている。第2トランジスタT22及び第5トランジスタT25のドレインは差動増幅部105に接続されている。第3トランジスタT23及び第6トランジスタT26のドレインは出力トランジスタT28に接続されている。また、第2カレントミラー102を構成するトランジスタT24,T25,T26のソース−ゲート間にはPチャネルMOSトランジスタT29が接続されている。第7トランジスタT27と第9トランジスタT29のゲートには動作制御信号CT2が入力されるインバータ106の出力信号が供給される。
上記の構成において、動作制御信号CT2がLレベルの場合、第7トランジスタT27がオンして第2カレントミラー102を第2定電流源104に接続し、第9トランジスタT29がオフする。これにより、差動増幅部105と出力トランジスタT28には第1定電流源103と第2定電流源104による電流が流れる。
動作制御信号CT2がHレベルの場合、第7トランジスタT27がオフして第2カレントミラー102を第2定電流源104から切り離し、第9トランジスタT29がオンして第2カレントミラー102を構成するトランジスタT24,T25,T26のソース−ゲート間を短絡する。これにより、差動増幅部105と出力トランジスタT28には第1定電流源103による電流が流れる。
動作制御信号CT2は、パワーダウン動作時にはHレベルであり、通常動作時にはLレベルである。従って、パワーダウン動作時には通常動作時の1/2(2分の1)の電流が流れる。このため、コンパレータ31bは、パワーダウン時に電流量を通常動作時の1/2として低消費電流とし、差動増幅部105及び出力トランジスタT28に電流を流すことにより出力レベルを維持する。この構成により、パワーダウン動作から通常動作に移行する際のレスポンスを、コンパレータを停止する場合に比べて向上することができる。尚、図24では、第2カレントミラー102と第2定電流源104とを接離して電流量を可変するようにしたが、切替により行なうようにしてもよい。
・上記第二実施形態では、外部制御信号CTL,誤動作防止回路36に基づいて生成したパワーダウン信号である動作制御信号CT2をコンパレータ31aに供給するようにしたが、例えば、図25に示すDC−DCコンバータ40bのように、コンパレータ31aの出力信号S7に基づいてコンパレータ31aに供給するようにしてもよい。詳述すると、DC−DCコンバータ40bは、図18に示すDC−DCコンバータ10fと同様に、遅延回路81とアンド回路82とRS−フリップフロップ回路(以下、単にFF回路)83とを備え、FF回路83の出力信号によりコンパレータ31aを制御するようにしてもよい。このDC−DCコンバータ40bは、コンパレータ31aの出力信号S7がLレベルのときにFF回路83の出力信号を固定する。この構成によると、第2トランジスタT2がオンしているときにHレベルの動作制御信号CT2が入力された場合、電流量を検出するコンパレータ31aの出力信号S7により第2トランジスタT2をオフすることで、チョークコイルL1のエネルギ損失を低減することができる。
・上記各実施形態では、電流制御型のDC−DCコンバータに具体化したが、電圧制御型のDC−DCコンバータに具体化してもよい。例えば、図26に示すDC−DCコンバータ110は電圧制御降圧型のDC−DCコンバータであり、制御回路111、第1トランジスタT1、チョークコイルL1、平滑用コンデンサC1、理想ダイオードIDを備えている。理想ダイオードIDは、第1トランジスタT1と直列に接続された第2トランジスタT2と、その第2トランジスタT2の両端子がそれぞれ入力端子に接続され、第2トランジスタT2のゲートに出力端子が接続されたコンパレータ31とから構成されている。
制御回路111は、抵抗R121,R122、誤差増幅器(エラーアンプ)121、PWM比較器122、発振器123を備えている。抵抗R121,R122は、出力電圧Voを分圧した分圧電圧Vfを生成し、誤差増幅器121は分圧電圧Vfと基準電圧Vrとの差電圧を増幅した電位を持つ誤差信号Seを出力する。基準電圧Vrは、出力電圧Voが規格値に達したとき、抵抗R121,R122による分圧電圧Vfと一致するように設定されている。
PWM比較器122には誤差信号Seと発振器123により生成された三角波信号Srが入力される。発振器123は、一定周波数の三角波信号Srを生成する。PWM比較器122は、誤差信号Seと三角波信号Srとを比較し、誤差信号Seの電圧が三角波信号Srの電圧よりも高い場合にはHレベルの第1制御信号DHを出力し、誤差信号Seの電圧が三角波信号Srの電圧よりも低い場合にはLレベルの第1制御信号DHを出力する。図27に示すように、三角波信号Srは所定の周波数にて三角形状の波形を持つ。誤差信号Seの電位は出力電圧Voを分圧した分圧電圧Vfと基準電圧Vrの差に対応する。従って、第1制御信号DHは、出力電圧Voと基準電圧Vrの差電圧に応じたパルス幅を持つ。
上記構成のDC−DCコンバータ110に対して、貫通防止パルス発生回路を備えたDC−DCコンバータの一例を図28に示す。このDC−DCコンバータ110aの制御回路111aは、図26に示す制御回路111の部材に加え、貫通防止パルス発生回路130を備える。貫通防止パルス発生回路130は、第2PWM比較器131と定電圧源e131とから構成される。定電圧源e131は、図29に示すように、誤差増幅器121から出力される第1誤差信号Se1に設定電圧を重畳した第2誤差信号Se2を生成する。第2PWM比較器131には三角波信号Srと第2誤差信号Se2とが入力される。第2PWM比較器131は、第2誤差信号Se2と三角波信号Srとを比較し、比較結果に応じて貫通防止パルスとしてのパルス信号S131を生成する。例えば、第2誤差信号Se2の電圧が三角波信号Srの電圧よりも高い場合にはHレベルのパルス信号S131を出力し、第2誤差信号Se2の電圧が三角波信号Srの電圧よりも低い場合にはLレベルのパルス信号S131を出力する。この信号S131により、第1トランジスタT1がオンするときに第2トランジスタT2をオフすることで、貫通電流を防止する。
尚、図28に示すDC−DCコンバータ110aは、第1誤差信号Se1に設定電圧を重畳して生成した第2誤差信号Se2により生成したパルス信号S131により第1トランジスタT1と第2トランジスタT2がオンオフするタイミングをずらすようにしたが、構成を適宜変更しても良い。例えば、図30に示すDC−DCコンバータ110bの制御回路111bに含まれる貫通防止パルス発生回路130bは、発振器123により生成された第1三角波信号Sr1をオフセットし、図31に示すように、タイミングが異なる第1制御信号DHとパルス信号S131とを生成する。
また、貫通防止パルス発生回路の構成を適宜変更しても良い。例えば、図32に示すDC−DCコンバータ110cは制御回路111cを備え、その制御回路111cの貫通防止パルス発生回路130cは、定電圧源e131、第2PWM比較器131、オア回路132、RS−フリップフロップ回路(以下、単にFF回路)133を備えている。オア回路132は第2PWM比較器の出力信号である貫通防止パルス信号S131とコンパレータ31の出力信号S7の反転レベルとを論理和演算した結果を持つ信号S132を出力する。FF回路133のセット端子Sにはオア回路132の出力信号S132が入力され、FF回路133のリセット端子Rにはコンパレータ31の出力信号S7が入力される。そして、FF回路133は、反転出力端子XQから第2制御信号DLを出力する。同様に、図33に示すDC−DCコンバータ110dのように、貫通防止パルス発生回路130dを備えて制御回路111dを構成しても良い。
更に、図34に示すDC−DCコンバータ140a、図35に示すDC−DCコンバータ140bのように、電圧制御昇圧型のDC−DCコンバータに具体化してもよい。
・以上説明したDC−DCコンバータやDC−DCコンバータの制御回路は、1チップの半導体で構成することや、プリント基板等のモジュールで構成すること、また、電源装置として、あるいは電子機器装置に組み込まれて使用されるものであることは言うまでもない。
上記各実施の形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
(付記1)
第1の電圧が供給される第1トランジスタと、
前記第1トランジスタに接続された第2トランジスタと、
前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとの間の接続点に接続されたチョークコイルと、
前記第2トランジスタの両端子における電位差により前記第2トランジスタに流れる電流を検出して該第2トランジスタをオンオフ制御する信号を生成するコンパレータと、
前記第1の電圧を電圧変換した出力電圧一定に維持するよう前記第1トランジスタのオン時間又はオフ時間を制御する制御回路と、
前記第1トランジスタをオンするタイミングの前後において前記第2トランジスタを所定期間オフするようパルス信号を生成する貫通防止パルス発生回路と、
を備えたことを特徴とするDC−DCコンバータ。(1)
(付記2)
前記制御回路は、所定周期のクロック信号により前記第1トランジスタをオンし、
前記貫通防止パルス発生回路は、前記クロック信号に同期して前記第2トランジスタをオフするためのパルス信号を生成する、
ことを特徴とする付記1記載のDC−DCコンバータ。(2)
(付記3)
前記制御回路は、前記クロック信号が入力され前記第1トランジスタをオン制御するための信号を生成するフリップフロップ回路を備えた、ことを特徴とする付記2記載のDC−DCコンバータ。(3)
(付記4)
前記貫通防止パルス発生回路は、前記クロック信号により第1のパルス幅を有する第1パルス信号を生成する第1ワンショット回路と、前記クロック信号により前記第1のパルス幅より広い第2のパルス幅を有する第2パルス信号を生成する第2ワンショット回路と、を備え、
前記第1パルス信号に基づいて前記第1トランジスタを前記第1のパルス幅に相当する期間オフし、前記第2パルス信号に基づいて前記第2トランジスタを前記第2のパルス幅に相当する期間オフする、
ことを特徴とする付記2又は3記載のDC−DCコンバータ。(4)
(付記5)
前記コンパレータは、動作制御信号に応答して動作を停止することを特徴とする付記1〜4のうちの何れか一項に記載のDC−DCコンバータ。(5)
(付記6)
前記コンパレータは、前記動作制御信号に応答して停止する際に前記第2トランジスタをオフするよう信号を生成する、ことを特徴とする付記5記載のDC−DCコンバータ。(6)
(付記7)
前記制御回路は、前記クロック信号を生成する発振器を備え、該発振器は動作制御信号に応答して動作又は停止する、ことを特徴とする付記2〜6のうちの何れか一項に記載のDC−DCコンバータ。(7)
(付記8)
第1のモード時に前記発振器を連続的に動作させ、第2のモード時に前記出力電圧に基づいて前記発振器を間欠的に動作するよう前記動作制御信号を生成する動作停止回路を備えたことを特徴とする付記7記載のDC−DCコンバータ。(8)
(付記9)
第1の電圧が供給される第1トランジスタと、前記第1トランジスタに接続された第2トランジスタと、前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとの間の接続点に接続されたチョークコイルと、前記第2トランジスタの両端子における電位差により前記第2トランジスタに流れる電流を検出して該第2トランジスタをオンオフ制御する信号を生成するコンパレータと、を有するDC−DCコンバータに備えられ、前記第1の電圧を電圧変換した出力電圧一定に維持するよう前記第1トランジスタのオン時間又はオフ時間を制御するDC−DCコンバータの制御回路において、
前記第1トランジスタをオンするタイミングの前後において前記第2トランジスタを所定期間オフするようパルス信号を生成する貫通防止パルス発生回路を備えたことを特徴とするDC−DCコンバータの制御回路。(9)
(付記10)
所定周期のクロック信号により前記第1トランジスタをオンし、
前記貫通防止パルス発生回路は、前記クロック信号に同期して前記第2トランジスタをオフするためのパルス信号を生成する、
ことを特徴とする付記9記載のDC−DCコンバータの制御回路。(10)
(付記11)
前記クロック信号が入力され前記第1トランジスタをオン制御するための信号を生成するフリップフロップ回路を備えた、ことを特徴とする付記9記載のDC−DCコンバータの制御回路。
(付記12)
前記貫通防止パルス発生回路は、前記クロック信号により第1のパルス幅を有する第1パルス信号を生成する第1ワンショット回路と、前記クロック信号により前記第1のパルス幅より広い第2のパルス幅を有する第2パルス信号を生成する第2ワンショット回路と、を備え、
前記第1パルス信号に基づいて前記第1トランジスタを前記第1のパルス幅に相当する期間オフし、前記第2パルス信号に基づいて前記第2トランジスタを前記第2のパルス幅に相当する期間オフする、
ことを特徴とする付記10又は11記載のDC−DCコンバータの制御回路。
(付記13)
前記コンパレータは、動作制御信号に応答して動作を停止することを特徴とする付記9〜12のうちの何れか一項に記載のDC−DCコンバータの制御回路。
(付記14)
前記コンパレータは、前記動作制御信号に応答して停止する際に前記第2トランジスタをオフするよう信号を生成する、ことを特徴とする付記13記載のDC−DCコンバータ。
(付記15)
前記クロック信号を生成する発振器を備え、該発振器は動作制御信号に応答して動作又は停止する、ことを特徴とする付記10〜14のうちの何れか一項に記載のDC−DCコンバータの制御回路。
(付記16)
第1のモード時に前記発振器を連続的に動作させ、第2のモード時に前記出力電圧に基づいて前記発振器を間欠的に動作するよう前記動作制御信号を生成する動作停止回路を備えたことを特徴とする付記15記載のDC−DCコンバータの制御回路。
DC−DCコンバータの基本構成図である。 第一実施形態のDC−DCコンバータの回路図である。 第一実施形態のDC−DCコンバータの動作波形図である。 第一実施形態のDC−DCコンバータの動作波形図である。 (a)は理想ダイオードの電圧電流特性図、(b)は半導体ダイオードの電圧電流特性図である。 第一実施形態のDC−DCコンバータの動作波形図である。 (a)(b)は従来例の動作波形図である。 第二実施形態のDC−DCコンバータの回路図である。 第二実施形態のDC−DCコンバータの動作波形図である。 第二実施形態のDC−DCコンバータの動作波形図である。 第三実施形態のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの動作波形図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 コンパレータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの動作波形図。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの動作波形図。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの動作波形図。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。 別のDC−DCコンバータの回路図である。
符号の説明
1 コンパレータ
2 制御回路
3 貫通防止パルス発生回路
11 制御回路
26 貫通防止パルス発生回路
30 信号合成回路
31 コンパレータ
ID 理想ダイオード
L1 チョークコイル
T1 第1MOSトランジスタ(第1トランジスタ)
T2 第2MOSトランジスタ(第2トランジスタ)
S5 第1パルス信号
S6 第2パルス信号
S7 信号

Claims (10)

  1. 第1の電圧が供給される第1トランジスタと、
    前記第1トランジスタに接続された第2トランジスタと、
    前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとの間の接続点に接続されたチョークコイルと、
    前記第2トランジスタの両端子における電位差により前記第2トランジスタに流れる電流を検出して該第2トランジスタをオンオフ制御する信号を生成するコンパレータと、
    前記第1の電圧を電圧変換した出力電圧一定に維持するよう前記第1トランジスタのオン時間又はオフ時間を制御する制御回路と、
    前記第1トランジスタをオンするタイミングの前後において前記第2トランジスタを所定期間オフするようパルス信号を生成する貫通防止パルス発生回路と、
    を備えたことを特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. 前記制御回路は、所定周期のクロック信号により前記第1トランジスタをオンし、
    前記貫通防止パルス発生回路は、前記クロック信号に同期して前記第2トランジスタをオフするための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DC−DCコンバータ。
  3. 前記制御回路は、前記クロック信号が入力され前記第1トランジスタをオン制御するための信号を生成するフリップフロップ回路を備えた、ことを特徴とする請求項2記載のDC−DCコンバータ。
  4. 前記貫通防止パルス発生回路は、前記クロック信号により第1のパルス幅を有する第1パルス信号を生成する第1ワンショット回路と、前記クロック信号により前記第1のパルス幅より広い第2のパルス幅を有する第2パルス信号を生成する第2ワンショット回路と、を備え、
    前記第1パルス信号に基づいて前記第1トランジスタを前記第1のパルス幅に相当する期間オフし、前記第2パルス信号に基づいて前記第2トランジスタを前記第2のパルス幅に相当する期間オフする、
    ことを特徴とする請求項2又は3記載のDC−DCコンバータ。
  5. 前記コンパレータは、動作制御信号に応答して動作を停止することを特徴とする請求項1〜4のうちの何れか一項に記載のDC−DCコンバータ。
  6. 前記コンパレータは、前記動作制御信号に応答して停止する際に前記第2トランジスタをオフするよう信号を生成する、ことを特徴とする請求項5記載のDC−DCコンバータ。
  7. 前記制御回路は、前記クロック信号を生成する発振器を備え、該発振器は動作制御信号に応答して動作又は停止する、ことを特徴とする請求項2〜6のうちの何れか一項に記載のDC−DCコンバータ。
  8. 第1のモード時に前記発振器を連続的に動作させ、第2のモード時に前記出力電圧に基づいて前記発振器を間欠的に動作するよう前記動作制御信号を生成する動作停止回路を備えたことを特徴とする請求項7記載のDC−DCコンバータ。
  9. 第1の電圧が供給される第1トランジスタと、前記第1トランジスタに接続された第2トランジスタと、前記第1トランジスタと前記第2トランジスタとの間の接続点に接続されたチョークコイルと、前記第2トランジスタの両端子における電位差により前記第2トランジスタに流れる電流を検出して該第2トランジスタをオンオフ制御する信号を生成するコンパレータと、を有するDC−DCコンバータに備えられ、前記第1の電圧を電圧変換した出力電圧一定に維持するよう前記第1トランジスタのオン時間又はオフ時間を制御するDC−DCコンバータの制御回路において、
    前記第1トランジスタをオンするタイミングの前後において前記第2トランジスタを所定期間オフするようパルス信号を生成する貫通防止パルス発生回路を備えたことを特徴とするDC−DCコンバータの制御回路。
  10. 所定周期のクロック信号により前記第1トランジスタをオンし、
    前記貫通防止パルス発生回路は、前記クロック信号に同期して前記第2トランジスタをオフするためのパルス信号を生成する、
    ことを特徴とする請求項9記載のDC−DCコンバータの制御回路。
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