JP2009148155A - 出力電圧精度を高めた内部リプル発生型の固定オン時間利用電圧調整器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】集積回路(IC)の形に構成したバックスイッチング型電圧調整器は入力電圧を受けて、一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを用いてスイッチ出力ノードにスイッチング出力電圧を生ずる。このバックスイッチング型電圧調整器は、饋還電圧を基準電圧を比較して出力端子に出力電圧を生ずる増幅器と、上記スイッチ出力ノードと上記増幅器の出力端子との間に直列接続で挿入した第1のキャパシタおよび第1の抵抗器と、DC出力電圧ノード・増幅器出力端子間に接続した第2のキャパシタとを含む。上記第1のキャパシタおよび第1の抵抗器は、上記一定オン時間・可変オフ時間饋還制御スキームで用いるために上記増幅器の出力端子に注入されるリプル電圧を発生する。このリプル電圧の大きさは上記第2のキャパシタの容量値の関数になる。
【選択図】図1
Description
で与えられる。ここでConstTonは一定オン時間を表し、Contr.Toffはオフ時間を表す。上記一定オン時間が次式、すなわち
ConstTon ≒ 1/Vin (式2)
で与えられるとすると、スイッチ出力電圧の周波数はVINの関数としてほぼ一定になる。用途によっては、スイッチ出力電圧の一定周波数が望ましい。
図1のバック電圧調整器において、DC出力電圧VOUTはほぼ一定の大きさで電圧リプルのほとんどない電圧である。リプル注入回路120からのリプル電圧信号を負饋還電圧VFBノード124で注入する。このリプル注入回路が構成する制御ループは利得が小さいので精度は限られる。動作の際には、リプル電圧信号の平均DC電圧(中間値)は比較器基準電圧VREFに等しくなければならない。しかし、饋還電圧VFBにリプル電圧を注入すると、リプル信号の平均DC電圧は、ハイ側のスイッチのオンへの切換えの遅れなど種々の要因により、基準電圧VREFからずれる。その結果、出力電圧VOUTがDCオフセット電圧成分を含むことになり、それがバック電圧調整器の動作精度に影響を及ぼす。
で与えられる。
で与えられる。
用途によっては、バックスイッチング型電圧調整器システム40は不連続伝導モード(DCM)での動作に適用できよう。DCMではロウ側スイッチM2は逆方向への電流伝導は許容されない。電流が逆方向になる場合は、ロウ側スイッチM2をオフに切り換えて、出力キャパシタで負荷電流を電圧VXが基準電圧VREF2以下に低下するまで供給し、その時点でハイ側スイッチM1を再びオンに切り換えるようにする。
上述のバック電圧調整器では、一定オン時間制御・可変オフ時間制御スキームをハイ側スイッチおよびロウ側スイッチのスイッチング動作制御に適用している。より詳細に述べると、上述の式(2)で与えられる一定オン時間は入力電圧VINの関数である。バック電圧調整器の動作周波数は、オフ時間が最小オフ時間から増加するように調整されるに伴ってデューティサイクルが変動する一方で、安定している。この動作状態では、饋還電圧VFBが一定オン時間の終わりに基準電圧VREF以下になっても、ハイ側スイッチはオフに切り換わり、ロウ側スイッチは、オン側スイッチが再びオンに切り換わる前の最小オフ時間にわたりオンに切り換わる。上記最小オフ時間は、制御回路のセットアップ時間、特に誤差比較器のセットアップに必要な時間を十分に確保するために必要となる。場合によっては、ハイ側スイッチを饋還電圧が基準電圧に到達するまでオン状態に保つほうが望ましい場合もある。
Dmax=ton/(ton+toff,min)
に制限される。
100,400,500 バックスイッチング型電圧調整器
102,104,106,108,110,112;
402,404,406,408,410,412;
502,504,506,508,510,512 端子
114,414,514 出力電圧VOUTノード
116,416,516 負荷
120,420,520 リプル注入回路
126,426,526 誤差比較回路
128 オンタイマー
130 オフタイマー
132 論理回路
134 駆動回路
432,532 制御回路
M1,M2 トランジスタパワースイッチ
136,436,536 基準電圧VREF発生回路
206 一定オン時間にわたりスイッチM1をオンにする
208 最小オフ時間にわたりスイッチM1をオフにする
Claims (23)
- 集積回路の形に構成されて入力電圧を受け、スイッチング出力電圧をスイッチ出力ノードに生ずるように一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを用いて第1のスイッチおよび第2のスイッチを制御するバックスイッチング型電圧調整器であって、前記スイッチ出力ノードを前記集積回路に外付けしたLCフィルタ回路に接続して出力ノードにほぼ一定の大きさの調整ずみの電圧、すなわち饋還電圧ノードに饋還電圧を生ずる前記バックスイッチング型電圧調整器の内部の分圧器に帰還される調整ずみの電圧を生ずるようにしたバックスイッチング型電圧調整器において、
前記饋還電圧を受けるように接続を施した第1の入力端子と、第1の基準電圧を受けるように接続を施した第2の入力端子と、前記饋還電圧と前記第1の基準電圧との間の差を表す第1の出力電圧を生ずる出力端子とを有する高出力インピーダンス増幅器と、
第2の基準電圧を受けるように接続を施した第1の入力端子と、前記増幅器の前記第1の出力電圧を受けるように接続を施した第2の入力端子と、前記バックスイッチング型電圧調整器の一定オン時間・可変オフ時間制御ループを制御する出力電圧を生ずる誤差比較器と、
前記集積回路の内部に形成され、前記スイッチ出力ノードと前記増幅器の前記出力端子との間に直列接続で挿入した第1のキャパシタおよび第1の抵抗器と、
前記出力ノードと前記増幅器の前記出力端子との間に接続した第2のキャパシタと
を含み、前記第1のキャパシタおよび前記第1の抵抗器が前記スイッチング出力電圧に関連し前記第2のキャパシタの容量値の関数である大きさを有するリプル電圧信号を発生し、そのリプル電圧信号を、前記一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループで用いるように前記増幅器の前記出力端子に供給する
バックスイッチング型電圧調整器。 - 前記増幅器が相互コンダクタンスの値の小さい演算相互コンダクタンス増幅器を含む請求項1記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記増幅器が高いDC利得とAC利得1とを備える請求項2記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記増幅器を前記集積回路の中に形成した請求項1記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記増幅器を前記集積回路の外部に形成した請求項1記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記第2のキャパシタを前記集積回路の外部に形成した請求項1記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記第2のキャパシタを前記集積回路の中に形成した請求項1記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記LCフィルタ回路が第1のインダクタおよび出力キャパシタを含み、前記第2のキャパシタが前記出力キャパシタの等価直列抵抗(ESR)に関連した容量値を有する請求項6記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記第2のキャパシタが、前記出力キャパシタのESR値が大きいとき大きい容量値を有し、前記出力キャパシタのESR値が小さいか零であるとき小さい容量値を有する請求項8記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記第2のキャパシタが大きい容量値約2.2nFおよび小さい容量値約220pFを有する請求項9記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記リプル電圧信号の大きさが、前記第2のキャパシタの容量値が大きいとき小さく、小さいとき大きい請求項9記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記LCフィルタ回路が第1のインダクタおよび出力キャパシタを含み、前記第2のキャパシタが前記出力キャパシタの等価直列抵抗(ESR)の範囲に関連した容量値を有する請求項7記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 前記リプル電圧信号が前記スイッチング出力電圧の分圧出力電圧である請求項1記載のバックスイッチング型電圧調整器。
- 入力電圧を受け、スイッチング出力電圧をスイッチ出力ノードに生ずるように一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを用いて第1のスイッチおよび第2のスイッチを制御するバックスイッチング型電圧調整器であって、前記スイッチ出力ノードをLCフィルタ回路に接続して出力ノードにほぼ一定の大きさの調整ずみの電圧、すなわち饋還電圧ノードに饋還電圧を生ずる前記バックスイッチング型電圧調整器の内部の分圧器に帰還される調整ずみの電圧を生ずるようにしたバックスイッチング型電圧調整器における方法において、
前記饋還電圧を高出力インピーダンス増幅器の第1の入力端子に供給する過程と、
第1の基準電圧を前記増幅器の第2の入力端子に供給する過程と、
前記増幅器の出力端子に前記饋還電圧と前記第1の基準電圧との間の差を表す第1の出力電圧を発生する過程と、
前記スイッチング出力電圧からリプル電圧信号を生ずる過程と、
前記リプル電圧信号を、前記増幅器の前記出力端子に、一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループで用いるように注入する過程と、
前記注入されたリプル電圧信号を含む前記増幅器の前記第1の出力信号を比較器の第1の入力端子に供給する過程と、
前記比較器の第2の入力端子に第2の基準電圧を供給する過程と、
前記増幅器の前記出力端子における前記リプル電圧信号の大きさを容量性分圧器を用いて調節する過程と
を含む方法。 - 前記饋還電圧を高出力インピーダンス増幅器の第1の入力端子に供給する過程が、前記饋還電圧を相互コンダクタンス値の小さい演算相互コンダクタンス増幅器の第1の入力端子に供給することを含み、
前記第1の基準電圧を前記増幅器の第2の入力端子に供給する過程が、前記第1の基準電圧を相互コンダクタンス値の小さい演算相互コンダクタンス増幅器の第2の入力端子に供給することを含む
請求項14記載の方法。 - 前記増幅器が高いDC利得とAC利得1とを備える請求項15記載の方法。
- 前記増幅器の前記スイッチ出力ノードと前記出力端子との間に、第1のキャパシタおよび第1の抵抗器、すなわち前記スイッチング出力電圧から前記リプル電圧を発生してそのリプル電圧信号を前記増幅器の前記出力端子に注入する第1のキャパシタおよび第1の抵抗器を直列接続の形で挿入する過程をさらに含む
請求項14記載の方法。 - 前記リプル電圧信号が前記スイッチング出力電圧の分圧出力である請求項17記載の方法。
- 前記饋還電圧ノードにおいてリプル電圧信号の大きさを容量性分圧器により調節する過程が:
前記出力電圧ノードと前記増幅器の前記出力端子との間に第2のキャパシタ、すなわちその容量値が前記リプル電圧信号の大きさを決める第2のキャパシタを設ける過程
をさらに含む請求項17記載の方法。 - 前記LCフィルタ回路が第1のインダクタおよび出力キャパシタを含み、前記第2のキャパシタが前記出力キャパシタの等価直列抵抗(ESR)値に関連した容量値を有する請求項19記載の方法。
- 前記第2のキャパシタを設ける過程が、前記出力キャパシタのESR値が大きい場合に容量値の大きい第2のキャパシタを提供することと、前記出力キャパシタのESR値が小さいか零の場合に容量値の小さい第2のキャパシタを提供することとを含む請求項20記載の方法。
- 前記第2のキャパシタが約2.2nFの大きい容量値と、約220pFの小さい容量値とを備える請求項21記載の方法。
- 前記リプル電圧信号の大きさが前記第2のキャパシタの容量値が大きいときは小さく、小さいときは大きい請求項19記載の方法。
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