JP2009153265A - スイッチングレギュレータおよびその制御回路、制御方法 - Google Patents

スイッチングレギュレータおよびその制御回路、制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】入力電圧と出力電圧の目標値の大小関係によらず、出力電圧を安定化する。
【解決手段】パルス変調器20は、出力端子204の出力電圧Voutが所定の基準電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号Spwmを生成する。ドライバ回路10は、パルス信号Spwmにもとづいて、第1トランジスタM1から第4トランジスタM4のゲートに駆動信号S1〜S4を供給する。ドライバ回路10は、パルス信号Spwmが第1レベルのとき、第1トランジスタM1、第4トランジスタM4をオン、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3をオフする。パルス信号Spwmが第2レベルのとき、第1トランジスタM1、第4トランジスタM4をオフ、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3をオンする。
【選択図】図1

Description

本発明は、昇降圧型スイッチングレギュレータに関し、特にその制御技術に関する。
近年の携帯電話端末、PDA(Personal Digital Assistant)、ノート型パーソナルコンピュータをはじめとするさまざまな電子機器に、リチウムイオン電池などの2次電池が搭載される。リチウムイオン電池は充電状態に応じて3〜4V程度の電池電圧を生成するが、電子機器には1.5V以下の電源電圧で動作するマイクロプロセッサや、5V程度で動作する発光ダイオードなどのデバイスが搭載される。こうしたデバイスに適切な電源電圧を与えるために、電池電圧を昇圧もしくは降圧するスイッチングレギュレータが利用される。
スイッチングレギュレータは、昇圧型と降圧型の2つが存在する。また、昇圧型と降圧型が切りかえ可能な昇降圧(ハイブリッド)型も存在する。
特開2004−32875号公報 特開2002−252971号公報 特開2001−188518号公報
従来の昇降圧型スイッチングレギュレータは、昇圧動作時と降圧動作時とで、トランジスタのスイッチング動作の制御シーケンスを切りかえる必要がある。このために、昇圧用と降圧用の2つの制御回路が必要であった。
また、スイッチングレギュレータの入力電圧が、出力電圧の目標値を跨いで変化すると、昇圧動作から降圧動作、あるいは降圧動作から昇圧動作へと制御シーケンスを切りかえる必要があるため、回路動作が不安定になるという問題があった。
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力電圧と出力電圧の目標値の大小関係によらず、出力電圧を安定化可能なスイッチングレギュレータの提供にある。
本発明のある態様は、入力端子に印加された入力電圧を目標値に安定化して出力端子から出力する昇降圧型スイッチングレギュレータに関する。このスイッチングレギュレータは、入力端子と固定電圧端子の間に直列に設けられた第1トランジスタと第2トランジスタと、第1トランジスタと第2トランジスタの接続点と、出力端子の間に直列に設けられたインダクタおよび第3トランジスタと、インダクタおよび第3トランジスタの接続点と固定電圧端子の間に設けられた第4トランジスタと、出力端子と固定電圧端子の間に設けられた出力キャパシタと、出力端子の出力電圧が所定の基準電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成するパルス変調器と、パルス変調信号にもとづいて、第1から第4トランジスタの制御端子に駆動信号を供給するドライバ回路と、を備える。ドライバ回路は、パルス変調信号が第1レベルのとき、第1トランジスタ、第4トランジスタをオン、第2トランジスタ、第3トランジスタをオフし、パルス変調信号が第1レベルと相補的な第2レベルのとき、第1トランジスタ、第4トランジスタをオフ、第2トランジスタ、第3トランジスタをオンする。
この態様によると、入力電圧と出力電圧の目標値の大小関係によって、制御シーケンスを変化させることなく出力電圧を安定化できる。
ある態様のスイッチングレギュレータは、軽負荷状態を検出する軽負荷検出回路をさらに備えてもよい。ドライバ回路は、パルス変調信号が第2レベルのとき軽負荷状態を検出すると、第1から第4トランジスタをオフしてもよい。
ある態様のスイッチングレギュレータは、軽負荷状態を検出する軽負荷検出回路をさらに備えてもよい。ドライバ回路は、パルス変調信号が第2レベルのとき軽負荷状態を検出すると、第2トランジスタのみをオンしてもよい。
ある態様のスイッチングレギュレータは、軽負荷状態を検出する軽負荷検出回路をさらに備えてもよい。ドライバ回路は、パルス変調信号が第2レベルのとき軽負荷状態を検出すると、第3トランジスタのみをオンしてもよい。
軽負荷検出回路は、インダクタに流れる電流が、出力端子側から流れ込む状態を軽負荷状態として検出してもよい。
ある態様のスイッチングレギュレータは、第3トランジスタに代えて、カソードが出力端子側となる向きに配置されたダイオードを備えてもよい。
本発明の別の態様は、制御回路である。この制御回路は、上述のスイッチングレギュレータの第1から第4トランジスタのオン、オフを制御する制御回路であって、パルス変調器およびドライバ回路を含んで一体集積化される。
本発明のさらに別の態様は、入力端子に印加された入力電圧を目標値に安定化して出力端子から出力する昇降圧型スイッチングレギュレータの制御方法に関する。スイッチングレギュレータは、入力端子と固定電圧端子の間に直列に設けられた第1トランジスタと第2トランジスタと、第1トランジスタと第2トランジスタの接続点と、出力端子の間に直列に設けられたインダクタおよび第3トランジスタと、インダクタおよび第3トランジスタの接続点と固定電圧端子の間に設けられた第4トランジスタと、出力端子と固定電圧端子の間に設けられた出力キャパシタと、を含む。当該制御方法は、出力端子の出力電圧が所定の基準電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成するステップと、パルス変調信号が第1レベルのとき、第1トランジスタ、第4トランジスタをオン、第2トランジスタ、第3トランジスタをオフし、パルス変調信号が第1レベルと相補的な第2レベルのとき、第1トランジスタ、第4トランジスタをオフ、第2トランジスタ、第3トランジスタをオンするステップを交互に繰り返すステップと、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、入力電圧と出力電圧の目標値の大小関係によらず、出力電圧を安定化可能なスイッチングレギュレータを提供できる。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Aが部材Bに接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図1は、実施の形態に係るスイッチングレギュレータ200の構成を示す回路図である。スイッチングレギュレータ200は、入力端子202に印加された入力電圧Vinを目標値に安定化して出力端子204から出力する。
スイッチングレギュレータ200は、第1トランジスタM1、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3、第4トランジスタM4、ドライバ回路10、パルス変調器20、出力キャパシタC1、インダクタL1を備える。
第1トランジスタM1および第2トランジスタM2は、入力端子202と固定電圧端子(接地端子)の間に直列に接続される。第1トランジスタM1はPチャンネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、第2トランジスタM2はNチャンネルMOSFETであり、それぞれの制御端子(ゲート)に入力される駆動信号S1、S2に応じてオン、オフが切りかえられる。
インダクタL1および第3トランジスタM3は、第1トランジスタM1と第2トランジスタM2の接続点(スイッチング端子)N1と、出力端子204の間に直列に設けられる。第3トランジスタM3は、PチャンネルMOSFETであり、そのゲートには駆動信号S3が入力される。
第4トランジスタM4は、インダクタL1および第3トランジスタM3の接続点N2と固定電圧端子(接地端子)の間に設けられる。出力キャパシタC1は、出力端子204と固定電圧端子(接地端子)の間に設けられる。第4トランジスタM4はNチャンネルMOSFETであり、そのゲートには駆動信号S4が入力される。
パルス変調器20は、出力端子204の出力電圧Voutに応じた帰還電圧が所定の基準電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成する。たとえばパルス変調器20は、出力電圧Voutを抵抗した帰還電圧Vfbと、基準電圧Vrefとの誤差を増幅する誤差増幅器と、三角波形もしくはのこぎり波形(ランプ波形)の周期電圧を生成するオシレータと、誤差増幅器から出力される誤差電圧Verrを周期電圧と比較してパルス幅変調信号(PWM信号)を生成するPWMコンパレータと、を含んでもよい。なお、パルス変調器20の構成はこのような電圧モードのPWM方式に限定されず、ピークカレントモードやパルス周波数変調方式をはじめとする公知の制御技術を利用可能である。
ドライバ回路10は、PWM信号Spwmにもとづいて第1トランジスタM1から第4トランジスタM4のゲートに駆動信号S1〜S4を供給する。
パルス信号Spwmは、出力電圧Voutと目標値の誤差に応じてハイレベルとローレベルの時間比率(デューティ比)が変化する。
ドライバ回路10は、パルス信号Spwmがハイレベルとローレベルの何れか一方(第1レベル)のとき、第1トランジスタM1、第4トランジスタM4をオン、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3をオフする(第1状態φ1)。
パルス信号Spwmが、第1レベルと相補的な第2レベルのとき、ドライバ回路10は、第1トランジスタM1、第4トランジスタM4をオフ、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3をオンする(第2状態φ2)。
つまり第1トランジスタM1と第4トランジスタM4が第1スイッチペアを、第2トランジスタM2と第3トランジスタM3が第2スイッチペアを構成し、パルス信号Spwmのデューティ比に応じて、第1スイッチペアと第2スイッチペアが交互にオンする。
第1状態φ1において、駆動信号S1をローレベル、駆動信号S4をハイレベルとすることにより、第1トランジスタM1、第4トランジスタM4がオンする。反対に、第2状態φ2では、駆動信号S1をハイレベル、駆動信号S4をローレベルとすることにより、第1トランジスタM1、第4トランジスタM4がオフする。つまり、駆動信号S4は、駆動信号S1の反転信号(S4=#S1)である。#は論理反転を示す。
同様に、第1状態φ1では、駆動信号S2をローレベル、駆動信号S3をハイレベルとすることにより、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3がオフする。反対に、第2状態φ2では、駆動信号S2をハイレベル、駆動信号S3をローレベルとすることにより、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3がオンとなる。つまり、駆動信号S3は、駆動信号S2の反転信号(S3=#S2)である。
通常の負荷状態においてスイッチングレギュレータ200は、第1状態φ1と第2状態φ2を交互に繰り返し、出力電圧Voutを基準電圧Vrefに応じた目標値に安定化させる。
上記構成に加えて、スイッチングレギュレータ200は軽負荷検出回路30をさらに備える。
出力端子204から負荷(不図示)に流れ出る負荷電流Ioがある程度大きい場合、インダクタL1にはスイッチング端子N1から出力端子204に向かう方向にコイル電流ILが流れる。ところが、負荷電流Ioが小さくなると(軽負荷状態)、インダクタL1に流れるコイル電流ILの向きが反転し、出力端子204からスイッチング端子N1に向かって流れることになる。このときのコイル電流ILは第2トランジスタM2を介して接地端子に捨てられるため、消費電力の観点から望ましくない。
そこで軽負荷検出回路30は、インダクタL1に流れるコイル電流ILが、出力端子204側から流れ込む状態を軽負荷状態として検出する。軽負荷検出回路30は、スイッチング端子N1の電位(スイッチング電圧ともいう)Vswを監視し、第2トランジスタM2がオン状態において、スイッチング電圧Vswが0V付近に設定されるしきい値電圧より高くなると、軽負荷状態と判定する。軽負荷検出回路30は軽負荷状態を検出すると軽負荷検出信号S10を所定レベル(以下、ハイレベルとする)に設定し、ドライバ回路10に出力する。
あるいは、インダクタL1と直列に検出抵抗を設け、検出抵抗の電圧降下を監視することにより、軽負荷状態を検出してもよい。なお軽負荷状態の検出方法はこれらに限定されず、さまざまな公知技術を利用することができる。
ドライバ回路10は、パルス信号Spwmが第2レベルのとき、つまり第2スイッチペア(第2トランジスタM2および第3トランジスタM3)がオンの状態において、軽負荷状態が検出されると、第1トランジスタM1〜第4トランジスタM4をすべてオフする(第3状態φ3)。
第1トランジスタM1〜第4トランジスタM4がオフすると、出力キャパシタC1に蓄えられた電荷が、第3トランジスタM3、インダクタL1、第2トランジスタM2を介して接地に流れる経路が遮断されるため、消費電力を低減できる。
制御回路100は、ドライバ回路10、パルス変調器20、軽負荷検出回路30を含んでひとつの半導体基板上に一体集積化された機能ICである。制御回路100には、第1トランジスタM1〜第4トランジスタM4が内蔵されてもよい。
以上がスイッチングレギュレータ200の構成である。続いてスイッチングレギュレータ200の動作を説明する。図2は、図1のスイッチングレギュレータ200の動作を示すタイムチャートである。図2のタイムチャートは、時刻t0〜t1の間が通常の負荷状態(連続モード)を、時刻t1以降が軽負荷時の動作を示す。
時刻t0〜t1の間、コイル電流ILは全期間にわたって正の値をとり、つまりコイル電流ILはインダクタL1をスイッチング端子N1から出力端子204に向かう向きに流れている。コイル電流ILの平均電流が、負荷電流Ioに相当する。
通常の負荷状態では、軽負荷検出回路30から出力される軽負荷検出信号S10はローレベルであり、ドライバ回路10はパルス信号Spwmのレベルに応じて第1状態φ1と第2状態φ2を交互に繰り返す。
時刻t1に負荷電流Ioが減少する。パルス信号Spwmがハイレベルのとき、第1状態φ1となり、第1トランジスタM1、第4トランジスタM4がオンする。第1状態φ1において、コイル電流ILは増大する。パルス信号Spwmがローレベルとなると第2状態φ2となり、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3がオンする。第2状態φ2ではコイル電流ILは減少する。コイル電流ILが0より小さくなるタイミングで、つまりコイル電流ILの向きが反転し、出力端子204からスイッチング端子N1に向かって流れるはじめるタイミングで、軽負荷検出回路30によって軽負荷検出信号S10がハイレベルにセットされる。ドライバ回路10は軽負荷検出信号S10がハイレベルとなると、第2トランジスタM2、第3トランジスタM3を強制的にオフに切りかえる(第3状態φ3)。軽負荷状態では第1状態φ1〜第3状態φ3が繰り返される。
以上がスイッチングレギュレータ200の動作である。実施の形態に係るスイッチングレギュレータ200は、入力電圧Vinが出力電圧Voutの目標値よりも高いとき、降圧動作を行い、入力電圧Vinが出力電圧Voutの目標値よりも低いときは昇圧動作を行うことができる。昇圧動作時と降圧動作時における第1トランジスタM1〜第4トランジスタM4の制御シーケンスが同じであるため、入力電圧Vinが変動しても、制御シーケンスが不連続とならないため、回路動作は安定である。
また、スイッチングレギュレータ200は入力電圧Vinや出力電圧Voutの目標値に応じて制御シーケンスを切りかえる必要がないため、制御回路100の構成を簡素化でき、回路面積を削減できるというメリットがある。
上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、変形例を説明する。
軽負荷状態が検出される第3状態φ3では、第1トランジスタM1〜第4トランジスタM4を以下の状態としてもよい。
変形例1.
ドライバ回路10は、パルス信号Spwmが第2レベルのときに軽負荷状態を検出すると、第2トランジスタM2のみをオンし、第1トランジスタM1、第3トランジスタM3、第4トランジスタM4をオフする。この場合でも、第3トランジスタM3がオフしているため、出力キャパシタC1から第3トランジスタM3、インダクタL1、第2トランジスタM2を経て接地端子に至る経路が遮断することができる。
変形例2.
ドライバ回路10は、パルス信号Spwmが第2レベルのときに軽負荷状態を検出すると、第3トランジスタM3のみをオンし、第1トランジスタM1、第2トランジスタM2、第4トランジスタM4をオフする。この場合でも、第2トランジスタM2がオフしているため、出力キャパシタC1から第3トランジスタM3、インダクタL1、第2トランジスタM2を経て接地端子に至る経路が遮断することができる。
また、実施の形態では軽負荷検出回路30を設けた回路について説明したが、負荷電流Ioが常に大きい場合や、軽負荷時の消費電力を問題としない場合には、軽負荷検出回路30を設けず、第3状態φ3をスイッチングのシーケンスから除外してもよい。
スイッチングレギュレータ200の回路トポロジーは図1のそれに限定されない。ある変形例においては、第3トランジスタM3に代えて、カソードが出力端子204側となる向きに配置された整流用のダイオードを設けてもよい。
実施の形態では、制御回路100がひとつのLSIに一体集積化される場合について説明したが、これには限定されず、一部の構成要素がLSIの外部にディスクリート素子あるいはチップ部品として設けられ、あるいは複数のLSIにより構成されてもよい。
また、本実施の形態において、ハイレベル、ローレベルの論理値の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。
実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
実施の形態に係るスイッチングレギュレータの構成を示す回路図である。 図1のスイッチングレギュレータの動作を示すタイムチャートである。
符号の説明
100…制御回路、200…スイッチングレギュレータ、202…入力端子、204…出力端子、10…ドライバ回路、20…パルス変調器、30…軽負荷検出回路、M1…第1トランジスタ、M2…第2トランジスタ、M3…第3トランジスタ、M4…第4トランジスタ、L1…インダクタ、C1…出力キャパシタ。

Claims (13)

  1. 入力端子に印加された入力電圧を目標値に安定化して出力端子から出力する昇降圧型スイッチングレギュレータであって、
    前記入力端子と固定電圧端子の間に直列に設けられた第1トランジスタと第2トランジスタと、
    前記第1トランジスタと第2トランジスタの接続点と、前記出力端子の間に直列に設けられたインダクタおよび第3トランジスタと、
    前記インダクタおよび前記第3トランジスタの接続点と固定電圧端子の間に設けられた第4トランジスタと、
    前記出力端子と固定電圧端子の間に設けられた出力キャパシタと、
    前記出力端子の出力電圧が所定の基準電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成するパルス変調器と、
    前記パルス変調信号にもとづいて、前記第1から第4トランジスタの制御端子に駆動信号を供給するドライバ回路と、
    を備え、
    前記ドライバ回路は、
    前記パルス変調信号が第1レベルのとき、前記第1トランジスタ、前記第4トランジスタをオン、前記第2トランジスタ、前記第3トランジスタをオフし、
    前記パルス変調信号が前記第1レベルと相補的な第2レベルのとき、前記第1トランジスタ、前記第4トランジスタをオフ、前記第2トランジスタ、前記第3トランジスタをオンすることを特徴とするスイッチングレギュレータ。
  2. 軽負荷状態を検出する軽負荷検出回路をさらに備え、
    前記ドライバ回路は、前記パルス変調信号が前記第2レベルのとき前記軽負荷状態を検出すると、前記第1から第4トランジスタをオフすることを特徴とする請求項1に記載のスイッチングレギュレータ。
  3. 軽負荷状態を検出する軽負荷検出回路をさらに備え、
    前記ドライバ回路は、前記パルス変調信号が前記第2レベルのとき前記軽負荷状態を検出すると、前記第2トランジスタのみをオンすることを特徴とする請求項1に記載のスイッチングレギュレータ。
  4. 軽負荷状態を検出する軽負荷検出回路をさらに備え、
    前記ドライバ回路は、前記パルス変調信号が前記第2レベルのとき前記軽負荷状態を検出すると、前記第3トランジスタのみをオンすることを特徴とする請求項1に記載のスイッチングレギュレータ。
  5. 前記軽負荷検出回路は、前記インダクタに流れる電流が、前記出力端子側から流れ込む状態を軽負荷状態として検出することを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載のスイッチングレギュレータ。
  6. 前記第3トランジスタに代えて、カソードが前記出力端子側となる向きに配置されたダイオードを備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のスイッチングレギュレータ。
  7. 請求項1から4のいずれかに記載のスイッチングレギュレータの前記第1から第4トランジスタのオン、オフを制御する制御回路であって、
    前記パルス変調器および前記ドライバ回路を含んで一体集積化されることを特徴とする制御回路。
  8. 入力端子に印加された入力電圧を目標値に安定化して出力端子から出力する昇降圧型スイッチングレギュレータの制御方法であって、
    前記スイッチングレギュレータは、
    前記入力端子と固定電圧端子の間に直列に設けられた第1トランジスタと第2トランジスタと、
    前記第1トランジスタと第2トランジスタの接続点と、前記出力端子の間に直列に設けられたインダクタおよび第3トランジスタと、
    前記インダクタおよび前記第3トランジスタの接続点と固定電圧端子の間に設けられた第4トランジスタと、
    前記出力端子と固定電圧端子の間に設けられた出力キャパシタと、
    を含み、当該制御方法は、
    出力端子の出力電圧が所定の基準電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成するステップと、
    前記パルス変調信号が第1レベルのとき、前記第1トランジスタ、前記第4トランジスタをオン、前記第2トランジスタ、前記第3トランジスタをオフする状態と、前記パルス変調信号が前記第1レベルと相補的な第2レベルのとき、前記第1トランジスタ、前記第4トランジスタをオフ、前記第2トランジスタ、前記第3トランジスタをオンする状態と、を交互に繰り返すステップと、
    を備えることを特徴とする制御方法。
  9. 軽負荷状態を検出するステップと、
    前記パルス変調信号が前記第2レベルのとき前記軽負荷状態を検出すると、前記第1から第4トランジスタをオフするステップと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の制御方法。
  10. 軽負荷状態を検出するステップと、
    前記パルス変調信号が前記第2レベルのとき前記軽負荷状態を検出すると、前記第2トランジスタのみをオンするステップと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の制御方法。
  11. 軽負荷状態を検出するステップと、
    前記パルス変調信号が前記第2レベルのとき前記軽負荷状態を検出すると、前記第3トランジスタのみをオンするステップと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の制御方法。
  12. 前記軽負荷状態を検出するステップは、前記インダクタに流れる電流が、前記出力端子側から流れ込む状態を軽負荷状態と判定することを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載の制御方法。
  13. 前記スイッチングレギュレータは、前記第3トランジスタに代えて、カソードが前記出力端子側となる向きに配置されたダイオードを備えることを特徴とする請求項8から10のいずれかに記載の制御方法。
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