JP2009278713A - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷条件に応じて、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御を切り換えて制御するスイッチングレギュレータにおいて、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御に対して最適な逆流防止機能を提供する。
【解決手段】 出力端子ＯＵＴから出力される出力電圧が所定の定電圧になるように、スイッチングトランジスタ１１及び同期整流用トランジスタ１２に対してＰＷＭ制御回路２又はＰＦＭ制御回路３のいずれかを用いた制御を行う。接続ノードＬｘの電位をＬＸ伝監視回路６で検出することにより、逆電流を検出する。逆電流を検出した場合には、同期整流用トランジスタ１２がオンされるべき期間に同期整流用トランジスタ１２をオフする。そして、ＬＸ伝監視回路６は、ノードＬｘの電位を所定電位と比較するコンパレータ６１、６２を含み、コンパレータ６１、６２の所定電位はＰＷＭ制御とＰＦＭ制御とに対応してそれぞれ設定されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、スイッチングレギュレータに関し、同期整流型のスイッチングレギュレータの変換効率の向上、さらには逆流を検出して同期制御用トランジスタを制御する逆流防止機能を有する同期整流型スイッチングレギュレータに関するものである。

近年、環境問題に対する配慮から、電子機器の省電力化が求められている。特に電池駆動による電子機器においてその傾向が顕著である。一般に、省電力化を図るには、電子機器で消費する電力を削減することと、電源回路自体の効率を向上させ無駄な電力消費を抑えることが重要である。

小型の電子機器に使用される高効率の電源回路としては、インダクタを用いた非絶縁型のスイッチングレギュレータが広く用いられている。

スイッチングレギュレータの制御方法として、一定周波数のクロックパルスのデューティサイクルを変化させて出力電圧を一定に制御するＰＷＭ（pulse width modulation）制御、パルス幅が一定でクロックの周期を変化させて出力電圧を一定に制御するＰＦＭ（pulse frequency modulation）制御が知られている。なお、ＰＦＭ制御には、周波数を無段階に変化させる方式と、ＰＷＭ制御で使用する周波数のクロックを間引いて擬似的に周波数を変化させる方式とがある。

ＰＷＭ制御は、軽負荷でも一定周期でスイチングトランジスタのオン／オフ制御を行うため、負荷へ出力する電流が小さい軽負荷での効率は悪化する。これに対して、ＰＦＭ制御は、接続された負荷に応じてスイッチングトランジスタをスイッチングさせる信号の周波数が変動するため、機器に対してノイズやリップルの影響が大きいが、軽負荷に対してはＰＷＭ制御よりも効率がよい。

このようなことから、従来は、負荷条件に応じて、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御を切り換えて制御することにより、軽負荷から重負荷まで電源効率を高めるようにしていた。この種の装置としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。

特許文献１に記載された装置は、ＰＭＷ制御回路とＰＦＭ制御回路とを備え、通常動作モードと軽負荷モードを外部からの切替信号によって、両回路を選択的に動作させるものである。

一方、同期整流型スイッチングレギュレータにあっては、負荷が比較的重い時は無駄な電力損失の割合が小さくすむが、負荷が軽くなると無駄な電力損失の割合が大きくなるという問題がある。これは、負荷が重い間はインダクタ（コイル）には、常に正の電流が流れるが、負荷が軽くなるとインダクタに流れる電流の向きが逆転し同期整流用スイッチング素子を通してグランド（ＧＮＤ）へ向かって流れる負の電流（逆流）が発生するようになり、これが損失となるためである。そこで、このような逆流による損失を減らすために、相補的にオンオフするスイッチング素子間のノードの電位をコンパレータで検出することにより、逆方向の電流が流れるような軽負荷状態にあることを検出してグランド（ＧＮＤ）側の同期整流用のスイッチング素子をオフにすることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００５−１６０２５４号公報 特開２００２−２８１７４３号公報

上記した電流の流れる方向を検出するコンパレータにおいては、製造のばらつきによって入力オフセットがばらつくことが多い。この入力オフセットのばらつきにより、重負荷の場合、グランド側の同期整流用のスイッチング素子が所定したタイミングより早くオフすると、能力不足となる。一方、軽負荷の場合、グランド（ＧＮＤ）側の同期整流用のスイッチング素子が所定したタイミングより遅くオフすると、逆流電流が多くなるという問題があった。

この発明は、上述した従来の問題を解決するためになされたものにして、負荷条件に応じて、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御を切り換えて制御するスイッチングレギュレータにおいて、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御に対して最適な逆流防止機能を提供することを目的とする。

この発明は、電圧入力端子と基準電位端子との間に直列に接続された第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を相補的にオン、オフ制御して、前記第１及び第２の接続ノードに接続されるインダクタンス端子に電流を流して前記電圧入力端子に印加されている電圧を所定の電圧に変換した電圧を出力端子から出力するスイッチングレギュレータであって、前記出力端子から出力される出力電圧が前記所定の定電圧になるように、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子に対してＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御のいずれかを行う制御回路部と、前記接続ノードの電位を検出して、当該ノードから基準電位へ向かう逆電流を検出する逆流検出回路と、前記逆流検出回路が逆電流を検出した場合には、前記第２のスイッチング素子がオンされるべき期間に当該第２のスイッチング素子をオンさせないように制御するスイッチング制御回路と、を備え、前記逆流検出回路は、前記接続ノードの電位を所定電位と比較するコンパレータを含み、前記コンパレータの所定電位はＰＷＭ制御とＰＦＭ制御とに対応してそれぞれ設定されていることを特徴とする。

また、前記第１のスイッチ素子がＰＭＯＳトランジスタ、第２のスイッチ素子がＮＭＯＳトランジスタで構成され、前記第２のスイッチ素子と並列にダイオード接続されたＰＭＯＳトランジスタを設けルように構成すればよい。

また、前記逆流検出回路は、所定電位をＰＷＭ制御用の第１の電位とした第１のコンパレータと、所定電位を前記第１の電位より低いＰＦＷ制御用の第２の電位とした第２のコンパレータを備え、前記第１のコンパレータはＰＷＭ制御の際に動作し、前記第２のコンパレータはＰＦＭ制御の際に動作するように構成できる。

また、前記逆流検出回路は、コンパレータの所定電位をＰＷＭ制御用の第１の電位と前記第１の電位より低いＰＦＷ制御用の第２の電位とを切替るスイッチ手段を備え、前記スイッチ手段は、ＰＷＭ制御の際に、前記第１の電位を選択し、ＰＦＭ制御の際に前記第２の電位を選択するように切替制御するように構成できる。

さらに、負荷の大きさを検出する負荷検出部を備え、前記負荷検出部は、前記負荷の大きさを前記ＰＷＭ制御と前記ＰＦＭ制御の動作を切替るための基準値と比較し、この比較結果に応じて通常動作モードの時には前記ＰＷＭ制御を選択し、軽負荷動作モードの時には記ＰＦＭ制御を選択するように切替動作を行うように構成することができる。

また、外部から供給される負荷の軽重を示す制御信号を受ける端子を備え、前記制御信号が軽負荷動作モードを示している時に前記ＰＦＭ制御動作を行い、前記制御信号が通常動作モードを示している時に前記ＰＷＭ制御動作を行うように構成できる。

また、軽負荷動作モード時には前記ＰＦＭ制御動作を行う回路を動作させ、前記ＰＷＭ制御動作を行う回路の動作を停止させるとともに、通常動作モード時には前記ＰＷＭ制御動作を行う回路を動作させ、前記ＰＦＭ制御動作を行う回路の動作を停止させるように構成すればよい。

この発明は、負荷条件に応じて、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御を切り換えて制御するスイッチングレギュレータにおいて、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御に対して最適な逆流防止機能を提供することができ、出力不足や効率の低下を防止することができる。

この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。

図１は、この発明の第１の実施形態におけるスイッチングレギュレータの構成例を示すブロック図である。

図１において、スイッチングレギュレータ１は、入力電圧として、入力端子ＩＮに入力された入力電圧ＶＤＤを所定の定電圧に変換し、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力端子ＯＵＴから負荷１０に出力するインダクタ（コイル）を使用した同期整流型スイッチングレギュレータである。

スイッチングレギュレータ１は、入力電圧ＶＤＤの出力制御を行うためのスイッチング動作を行うためのＰＭＯＳトランジスタからなるスイッチングトランジスタ１１と、ＮＭＯＳトランジスタからなる同期整流用トランジスタ１２とを備えている。

更に、スイッチングレギュレータ１は、ＰＷＭ制御回路２、ＰＦＭ制御回路３、ドライブ回路４、出力電圧の検出並びにＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号を作成する切替制御回路５、スイッチングトランジスタ１１と同期整流用トランジスタ１２との接続ノードＬｘの電位を検出して逆方向の電流検出するＬｘ電位監視回路６、同期整流用トランジスタ１２と並列に設けられたＰＭＯＳトランジスタからなる効率改善用トランジスタ７、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１を備えている。

入力端子ＩＮと接地電圧ＧＮＤとの間には、スイッチングトランジスタ１１と同期整流用トランジスタ１２が直列に接続されている。スイッチングトランジスタ１１と同期整流用トランジスタ１２との接続ノードＬｘと出力端子ＯＵＴとの間には、インダクタＬ１が接続され、出力端子ＯＵＴと接地電圧ＧＮＤとの間にはコンデンサＣ１が接続されている。

インダクタＬ１と接続ノードＬｘとの間には、同期整流用トランジスタ１２と並列にダイオード接続されたＰＭＯＳトランジスタからなる効率改善用トランジスタ７が設けられている。このトランジスタ７のゲートとソースはＬｘに接続され、ドレインは接地電圧ＧＮＤに接続されている。

このトランジスタ７は、ＰＦＭ制御時、Ｌｘの電位が接地電圧ＧＮＤより小さくなった際、同期整流用トランジスタ１２をオフした場合に、トランジスタ７の弱反転領域でドライブする。このため、同期整流用トランジスタ１２のボディダイオードと比較して効率改善が図れる。

Ｌｘ電位監視回路６は、同期整流用トランジスタ１２がオンの時に接続ノードＬｘの電位を監視することにより、接続ノードＬｘよりグランド（ＧＮＤ）へ向かう電流（以下、逆電流という。）を検出する。

同期整流用トランジスタ１２がオン状態の場合、インダクタＬ１の電流が出力端子ＯＵＴ側に流れているときには、同期整流用トランジスタ１２のオン抵抗によって接続ノードＬｘの電位は接地電圧ＧＮＤよりも低くなる。一方、インダクタＬ１の電流が接続ノードＬｘの電位は接地電圧ＧＮＤよりも高くなる。すなわち、同期整流用トランジスタ１２のオン状態のとき、インダクタＬ１に流れる電流の向きは、接続ノードＬｘの電位により検知することができる。

Ｌｘ電位監視回路６は、接続ノードＬｘの電位によって、逆電流を検出し、逆電流が接続ノードＬｘ側に流れてＧＮＤに流れこむことを、同期整流用トランジスタ１２をオフすることによって防止するものである。

この発明によるＬｘ電位監視回路６は、接続ノードＬｘの電位をコンパレータにより比較することにより、逆電流を検出するように構成しているが、ＰＷＭ制御を行っている場合、ＰＦＭ制御を行っている場合で、基準電位をそれぞれ対応する電位に設定している。すなわち、この発明は、負荷条件に応じて、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御を切り換えて制御するように構成し、ＰＷＭ制御の場合には、コンパレータのオフセットを考慮し能力不足とならないように、コンパレータの基準電位を設定し、ＰＦＭ制御の場合には、コンパレータのオフセットを考慮して逆電流が確実に発生しないように基準電位を設定する。

図１に示す第１の実施形態においては、ＰＷＭ制御／ＰＦＭ制御毎に検出するための基準電位が異なる２つのコンパレータ６１、６２を備える。コンパレータ６１は、ＰＷＭ制御の際のＬｘ電位監視用のコンパレータで、反転入力端（−）に接続ノードＬｘ電位が与えられ、非反転入力端（＋）に接地電圧ＧＮＤが与えられ、接続ノードＬｘの電位と接地電圧ＧＮＤとの電圧比較を行い、電圧比較結果を示す信号をドライブ回路４のナンド回路４１に出力する。

コンパレータ６１は、ＰＷＭ制御の際に出力不足にならないようにオフセットが設定されている。このオフセットに対応して、非反転入力端（＋）に与える基準電圧が設定している。この実施形態においては、接地電圧ＧＮＤが与えられる。

また、コンパレータ６１は、切替制御回路５からＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられ、ＰＷＭ制御が選択されている時にコンパレータ６１が駆動する。また、ナンド回路４１にも切替制御回路５からＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられ、ＰＷＭ制御が選択されている時にコンパレータ６１の出力が次段のナンド回路４３に与えられる。

一方、コンパレータ６２は、ＰＦＭ制御の際の接続ノードＬｘ電位監視用のコンパレータで、反転入力端（−）にＬｘ電位が与えられ、非反転入力端（＋）に接地電圧ＧＮＤより低い所定の電圧（ＤＶ）が与えられる。この電圧ＤＶとして、例えば、−０．１Ｖが与えられ、接続ノードＬｘの電位と所定電位ＤＶとの電圧比較を行い、電圧比較結果を示す信号をドライブ回路４のナンド回路４２に出力する。

コンパレータ６２は、ＰＦＭ制御の際に逆流防止阻止することを目的としてオフセットが設定されている。このオフセットに対応して、非反転入力端（＋）に与える基準電圧が設定している。この実施形態においては、接地電圧ＧＮＤより低い所定の電圧（ＤＶ）である−０．１Ｖの電位が与えられる。

また、コンパレータ６２は、切替制御回路５からＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられ、ＰＦＭ制御が選択されている時にコンパレータ６２が駆動する。そして、ナンド回路４２にも切替制御回路５からＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられ、ＰＦＭ制御が選択されている時にコンパレータ６１の出力が次段のナンド回路４３に与えられる。

ナンド回路４３の出力はインバータ４４を介してオア回路４５の一方の入力に与えられる。そして、このオア回路４５の他方の入力には、ＰＷＭ制御回路２又はＰＦＭ制御回路３からの制御信号が与えられる。このオア回路４５の出力が同期整流用トランジスタ１２のゲートに与えられる。なお、ナンド回路４１、４２、４３、インバータ４４及びオア回路４５が、逆流防止の際の同期整流用トランジスタ１２のスイッチング制御回路を構成する。

同期整流用トランジスタ１２は、スイッチングトランジスタ１１がオンの時にオフし、オフの時にオンなるように、ＰＷＭ制御回路２又はＰＦＭ制御回路３からの制御信号により制御されるとともに、同期整流用トランジスタ１２がオンの時に、コンパレータ６１又はコンパレータ６２により、接続ノードＬｘの電位が非反転入力端（＋）の電位より大きくなることを検出すると、即ち、逆流の発生を検出すると、コンパレータ６１又はコンパレータ６２の出力により同期整流用トランジスタ１２をオフする。

スイッチングレギュレータ１は、出力電圧ＶＯＵＴを出力検出及びＰＷＭ／ＰＦＭ切替制御回路５に与える。この制御回路５は、出力電圧ＶＯＵＴを基準電圧で比較し、この比較出力でＰＷＭ制御回路２又はＰＦＭ制御回路３を動作させて、出力端子ＯＵＴに出力する出力電圧ＶＯＵＴを所定値になるようにスイッチングトランジスタ１１を制御する。そして、出力検出及びＰＷＭ／ＰＦＭ切替制御回路５は、出力電圧ＶＯＵＴに基づいて負荷を検出し、ＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号を生成する。ＰＷＭ制御回路２又はＰＦＭ制御回路３は、ＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号によりその動作を制御される。ＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号により、ＰＷＭ制御回路２又はＰＦＭ制御回路３のどちらか一方の制御信号がスイッチングトランジスタ１１及び同期整流用トランジスタ１２に与えられる。

ＰＷＭ制御回路２又はＰＦＭ制御回路３の制御信号をＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号に応じてスイッチングトランジスタ１１及び同期整流用トランジスタ１２に与るため、ドライブ回路４には、ナンド回路４６、４７、４８によりＰＷＭ制御回路２又はＰＦＭ制御回路３をＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号により切替てスイッチングトランジスタ１１及び同期整流用トランジスタ１２に与えている。即ち、ＰＷＭ制御回路２の制御信号はナンド回路４６の一方の入力に与えられる。このナンド回路４６にも切替制御回路５からＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられる。ナンド回路４６の出力は次段のナンド回路４８の一方の入力に与えられる。ＰＦＭ制御回路３の制御信号はナンド回路４７の一方の入力に与えられる。このナンド回路４７にも切替制御回路５からＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられる。ナンド回路４７の出力は次段のナンド回路４８の一方の入力に与えられる。ナンド回路４８からの出力はインバータ４９を介してスイッチングトランジスタ１１のゲートに与えられるとともに、オア回路４５に与えられる。オア回路４５から同期整流用トランジスタ１２のゲートに制御信号が与えられる。

この図１に示す実施形態においては、負荷１０の大きさを出力検出及びＰＷＭ／ＰＦＭ切替制御回路５で検出し、負荷１０が所定以上の場合には、効率を重視し、ＰＷＭ制御を行い、負荷１０が所定より小さい軽負荷の場合にはＰＦＭ制御に切替、負荷が重い場合と負荷が軽い場合の効率を同時に向上させている。そして、逆流の発生を検出するために、接続ノードＬｘの電位を測定するために、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御にそれぞれに対応した基準電圧で駆動するコンパレータ６１、６２を備え、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御に最適なコンパレータのオフセットによる逆流検出を行うことができる。更に、ＰＦＭ制御時、接続Ｌｘの電位が接地電位より小さくて、同期整流用トランジスタ１２をオフした際には、ＰＭＯＳトランジスタ７により、このトランジスタ７の弱反転領域でドライブし、同期整流用トランジスタ１２のボディダイオードと比較して効率を改善するように動作する。

次に、図１に示す第１の実施形態の具体例を図２ないし図４を参照して説明する。図２は、この発明の第１の実施形態の具体例を示すブロック図である。

スイッチングレギュレータ１は、図２に示すように、ＰＷＭ制御回路２と、ＰＦＭ制御回路３と、ドライブ回路４と、ＰＭＯＳのスイッチングトランジスタ１１と、ＮＭＯＳトランジスタ１２と、Ｌｘ電位監視回路６、コイルＬ１と、コンデンサＣ１とを備えている。

ＰＦＭ制御回路３は、切替信号生成回路５１からの切替信号によってその動作が制御されるようになっている。また、ＰＦＭ制御回路３は、その動作時に、検出電圧ＶＦＢの大きさ従って所定のクロックの周波数が変調されたＰＦＭ信号を生成し、この生成されたＰＦＭ信号をドライブ回路４に出力するようになっている。

ここで、そのＰＦＭ信号は、基準クロックＣＬＫを、検出電圧ＶＦＢの大きさによって間引くことにより生成するようにしている。

ＰＷＭ制御回路２は、図２に示すように、誤差増幅器２１と、発振器（ＯＳＣ）２３と、ＰＷＭコンパレータ２２と、スイッチ２４とを備えている。

誤差増幅器２１は、出力電圧ＶＯＵＴを検出した検出電圧ＶＦＢを基準電圧発生回路２０から与えられる基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、その差に応じた誤差信号Ｅｒｒを生成して出力するようになっている。

このため、誤差増幅器２１は、その非反転入力端子（＋）に基準電圧Ｖｒｅｆが供給され、その反転入力端子（−）に出力電圧ＶＯＵＴを抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧した検出電圧ＶＦＢが供給されるようになっている。誤差増幅器２１の出力端子は、ＰＷＭコンパレータ２３の反転入力端子（−）に接続されている。

発振器２３は、所定の周波数の三角波（ランプ波）を生成し、この生成される三角波はＰＷＭコンパレータ２２非反転入力端子（＋）に供給されるようになっている。

ＰＷＭコンパレータ２２は、誤差増幅器２１からの誤差信号Ｅｒｒと発振器２３からの三角波によって、その誤差信号の大小に応じてパルス幅が変調されたＰＷＭ信号を生成し、これをスイッチ２４を介してドライブ回路４のナンド回路４６に出力するようになっている。

スイッチ２４は、切替信号生成回路５１からの切替信号によってオンオフ制御されるようになっている。

ドライブ回路４は、ＰＦＭ制御回路３からのＰＦＭ信号またはＰＷＭ制御回路２からのＰＷＭ信号に基づき、ＰＭＯＳのスイッチングトランジスタ１１、ＮＭＯＳの同期整流用トランジスタ１２をそれぞれオンオフ動作させるオンオフ信号を生成するようになっている。

スイッチングトランジスタ１１と同期整流用トランジスタ１２とは、ドライブ回路４からのオンオフ信号に応じて一方がオンのときには他方がオフとなり、入力電圧ＶＤＤと接地電圧ＧＮＤをオンオフ制御するようになっている。

コイルＬ１とコンデンサＣ１とは、オンオフ制御される入力電圧ＶＤＤ、接地電圧ＧＮＤを平滑化するようになっている。

図１に示す出力検出及びＰＷＭ／ＰＦＭ切替制御回路５は、スイッチングレギュレータ１の負荷１０の大きさを検出し、その検出負荷が基準値よりも小さな場合（軽負荷時）にはＰＦＭ制御回路３を動作させ、その検出負荷が基準値よりも大きな場合（通常動作：重負荷時）にはＰＷＭ制御回路２を動作させるようになっている。

このために、出力検出及びＰＷＭ／ＰＦＭ切替制御回路５は、誤差増幅器２１と、発振器２３と、ＰＷＭコンパレータ２２と、切替信号生成回路５１とを備えている。従って、出力検出及びＰＷＭ／ＰＦＭ切替制御回路５とＰＷＭ制御回路２は、誤差増幅器２１、発振器２３、およびＰＷＭコンパレータ２２を共通にして構成されている。

切替信号生成回路５１は、ＰＷＭコンパレータ２２からのＰＷＭ信号のパルス幅を基準クロックＣＬＫのパルス幅（基準値）と比較し、この比較結果に応じてＰＦＭ制御回路３とＰＷＭ制御回路２との動作を切替るＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号を生成するようになっている。

ＰＦＭ制御回路３の内部構成例を図３及び図４を参照して説明する。図３は、ＰＦＭ制御回路３の内部構成例を示す回路図、図４は、図３の各部の波形を示したタイミングチャートである。

図３において、ＰＦＭ制御回路３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３０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３１と、オア回路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３１の非反転入力端子（＋）には三角波信号ＴＷが入力され、電圧比較回路３１の反転入力端子（−）には基準電圧ＶｒｅｆＭが入力されている。電圧比較回路３１の出力はオア回路３２の一方に与えられ、オア回路３２の他方には誤差増幅回路２１からの出力信号Ｅｒｒが与えられている。オア回路３２の出力信号Ｓ０はＰＦＭドライブ回路３３に与えられる。ＰＦＭドライブ回路３３には、さらにＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられ、ＰＦＭドライブ回路３３からパルス信号Ｓｐｆが出力される。

図４に示すように、基準電圧ＶｒｅｆＭは三角波信号ＴＷの三角波パルスの上限と下限の中間の電位に設定されている。このため、電圧比較回路３１の出力信号Ｓ０は矩形のパルス列となる。軽負荷動作モード時には、誤差増幅回路２１は、ＰＷＭ制御回路２のループから外れているため、リニアな動作は行わず比較回路として機能するため、図４で示すように、ハイレベルとローレベルの２値信号を出力する。この２値信号によって、オア回路３２のゲートが制御され、図４のパルス信号Ｓｐｆから分かるように、電圧比較回路３１の出力パルスを選択的に取り出すことができる。

オア回路３２によって選択的に取り出されたパルスは、ＰＦＭドライブ回路３３から出力され、ドライブ回路４に出力される。ＰＦＭドライブ回路３３にはＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられており、軽負荷動作モード時以外には、すなわちＰＷＭ制御動作の場合には、動作を停止すると共に、消費電流をカットまたは最小になるように制御する。

上記したスイッチングレギュレータ１において、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１を除く各回路を１つのＩＣに集積するようにしてもよい。

スイッチングトランジスタ１１と同期整流用トランジスタ１２の各ゲートはＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替に応じてＰＦＭ制御又はＰＷＭ制御のいずれか一方を選択し、選択した制御方法にしたがってスイッチングトランジスタ１１、１２のゲートに制御信号をそれぞれ出力する。

このような構成において、スイッチングレギュレータ１の動作モードとしては、連続モードと不連続モードとがある。

連続モードは、出力端子ＯＵＴから負荷１０に出力される負荷電流が大きく、スイッチングトランジスタ１１がオンしているときにインダクタＬ１に大きな電流が流れ、インダクタＬ１に蓄えられるエネルギーが大きいことから、スイッチングトランジスタ１１がオフしている間は、インダクタＬ１から負荷１０に電流を供給し続けることができる。

連続モード時では、スイッチングトランジスタ１１のゲートに与える制御信号と同期整流用トランジスタ１２に与える制御信号は同相の信号であることから、スイッチングトランジスタ１１がオンしている場合は、同期整流用トランジスタ１２はオフしており、スイッチングトランジスタ１１がオフしている場合は、同期整流用トランジスタ１２はオンしている。スイッチングトランジスタ１１がオンしているときは、接続ノードＬｘの電圧はハイレベルとなり、スイッチングトランジスタ１１がオフするとインダクタＬ１の逆起電力によって接続ノードＬｘの電圧は負電圧まで低下する。しかし、同期整流用トランジスタ１２がオンするため、接続ノードＬｘの電圧は、接地電圧ＧＮＤを少し下回った電圧でクランプされる。このような状態では、次にスイッチングトランジスタ１１がオンするまで、インダクタＬ１に蓄えられたエネルギーが接地電圧ＧＮＤからインダクタＬ１を介して出力端子ＯＵＴに供給され、インダクタＬ１からの電流が連続的に流れる。

次に、不連続モード時の動作について説明する。

負荷電流が小さくなるとインダクタＬ１に流れる電流も小さくなるため、インダクタＬ１に蓄えられるエネルギーも少なくなる。このため、スイッチングトランジスタ１１がオフしてから次にオンする前に、インダクタＬ１に蓄えられたエネルギーをすべて放出してしまう。このようなことから、出力端子ＯＵＴに接続されているコンデンサＣ１の電荷がインダクタＬ１と同期整流用トランジスタ１２を介して接地電圧ＧＮＤに放電される状態が発生するため、極端に効率が低下してしまう。

このような状態になると、接続ノードＬｘの電位は正電圧になるため、コンパレータ６１またはコンパレータ６２の出力信号の信号レベルが反転してローレベルになる。この信号がナンド回路４１または４２からナンド回路４３、インバータ４４及びオア回路４５を経て同期整流用トランジスタ１２のゲートに与えられる制御信号をローレベルにして同期整流用トランジスタ１２をオフさせて、逆電流による効率の低下を防止する。

上記したように、切替信号生成回路５１は、ＰＷＭコンパレータ２２からのＰＷＭ信号のパルス幅を基準クロックＣＬＫのパルス幅（基準値）と比較し、この比較結果に応じてＰＦＭ制御回路３とＰＷＭ制御回路２との動作を切替るＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号を生成するようになっている。スイッチングレギュレータ１の使用する用途等により、通常動作と軽負荷動作を切替るための基準値を決めれば良い。そして、負荷１０に応じて、切替信号生成回路５１からのＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号により、通常動作の場合には、ＰＷＭ制御回路２による制御を行い、軽負荷動作の場合にはＰＦＭ制御回路３による動作を行う。そして、ＰＷＭ制御回路２による制御の場合には、Ｌｘ電位監視回路６は、ＰＷＭ制御の際に出力不足にならないように、非反転入力端（＋）に接地電圧ＧＮＤが与えられたコンパレータ６１を用いて、逆電流による効率の低下を防止するように動作する。

また、ＰＦＭ制御回路３による制御の場合には、Ｌｘ電位監視回路６は、ＰＦＭ制御の際に、非反転入力端（＋）に接地電圧ＧＮＤより低い電圧である−０．１Ｖが与えられたコンパレータ６２を用いて、逆電流による効率の低下を防止するように動作する。

次に、この発明の第２の実施形態につき図５を参照して説明する。図５は、この発明の第２の実施形態を示すブロック図である。なお、図１に示す第１の実施形態と同じ構成については同符号を付し、説明の重複を避けるためにここでは、その説明を割愛する。

図１に示す実施形態においては、Ｌｘ電位監視回路６として２つのコンパレータ６１、６２を備えて構成しているのに対し、この第２の実施形態におけるＬｘ電位監視回路６ａは、１つのコンパレータ６０でＰＷＭ／ＰＦＭ制御のモードごとに比較する非反転入力を切替るように構成している。このため、コンパレータ６０の非反転入力にスイッチ６３を介して、ＰＷＭ制御の際の電位であるＧＮＤの電位と、ＰＦＭ制御の際の電位である−０．１Ｖの電位を切替るように構成されている。スイッチ６３には、ＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられ、ＰＷＭ制御の際には、ＧＮＤの電位を選択し、ＰＦＭ制御の際には、−０．１Ｖの電位を選択するように構成している。

上記した図２に示す第１の実施形態においては、ＰＷＭコンパレータ２２からのＰＷＭ信号のパルス幅を基準クロックＣＬＫのパルス幅（基準値）と比較し、この比較結果に応じてＰＦＭ制御回路３とＰＷＭ制御回路２との動作を切替るＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号を生成するように構成しているが、負荷１０に流れる電流を測定して、この電流値が所定の電流値以下になったときに軽負荷モードに切替るように切替信号を生成するように構成することもできる。

上記した第１及び第２の実施形態においては、負荷１０に応じてＰＷＭ制御とＰＦＭ制御とを自動的に切替るように構成しているが、外部から制御信号を与えることによりＰＷＭ／ＰＦＭ制御を切替るように構成できる。外部から通常の動作モードと通常の動作モードよりも消費電流を小さくして作動する軽負荷モードを選択する為の信号を与えることにより、ＰＷＭ／ＰＦＭ制御を切替る。

図６及び図７に外部からの切替信号により、ＰＷＭ／ＰＦＭ制御を切替るように構成したこの発明の第３の実施形態を示す。図６は、この発明の第２の実施形態を示すブロック図、図７は、この発明の第２の実施形態の具体例を示すブロック図である。なお、図１及び図２に示す第１の実施形態と同じ構成については同符号を付し、説明の重複を避けるためにここでは、その説明を割愛する。

図１及び図２においては、負荷１０に応じてＰＷＭ制御とＰＦＭ制御とを自動的に切替るように構成するため、負荷検出を行うための回路を設けているが、この第３の実施形態においては、外部からＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられるので、負荷検出を行うための回路は必要としない。外部から与えられるＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号がＰＷＭ制御回路２、ドライブ回路４のナンド回路４１、４６、コンパレータ６１に与えられる。

また、ＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号がインバータ５５を介してＰＦＭ制御回路３、ドライブ回路４のナンド回路４２、４７、コンパレータ６２に与えられる。

誤差増幅器２１は、出力電圧ＶＯＵＴを検出した検出電圧ＶＦＢを基準電圧発生回路２０から与えられる基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、その差に応じた誤差信号Ｅｒｒを生成して出力する。このため、誤差増幅器２１は、その＋入力端子に基準電圧Ｖｒｅｆが供給され、その−入力端子に出力電圧ＶＯＵＴを抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧した検出電圧ＶＦＢが供給されるようになっている。この誤差信号が、ＰＷＭ制御回路２、ＰＦＭ制御回路３に与えられる。そして、外部から与えられるＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号により、ＰＷＭ制御回路２またはＰＦＭ制御回路３のどちらか一方により制御動作が行われる。その他の構成並びに動作については、図１及び図２と同様である。

次に、この発明の第４の実施形態につき図８を参照して説明する。図８は、この発明の第４の実施形態を示すブロック図である。なお、第１の実施形態ないし第３の実施形態と同じ構成については同符号を付し、説明の重複を避けるためにここでは、その説明を割愛する。

図６に示す実施形態においては、Ｌｘ電位監視回路６として２つのコンパレータ６１、６２を備えて構成しているのに対し、この第４の実施形態におけるＬｘ電位監視回路６ａは、１つのコンパレータ６０でＰＷＭ／ＰＦＭ制御のモードごとに比較する非反転入力を切替るように構成している。このため、コンパレータ６０の非反転入力にスイッチ６３を介して、ＰＷＭ制御の際の電位であるＧＮＤの電位と、ＰＦＭ制御の際の電位である−０．１Ｖの電位を切替るように構成されている。スイッチ６３には、ＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号が与えられ、ＰＷＭ制御の際には、ＧＮＤの電位を選択し、ＰＦＭ制御の際には、−０．１Ｖの電位を選択するように構成している。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の第１の実施形態におけるスイッチングレギュレータの構成例を示すブロック図である。 この発明の第１の実施形態におけるスイッチングレギュレータの具体的な構成例を示すブロック図である。 ＰＦＭ制御回路の内部構成例を示す回路図である。 図３の各部の波形を示したタイミングチャートである。 この発明の第２の実施形態を示すブロック図である。 この発明の第３の実施形態におけるスイッチングレギュレータの構成例を示すブロック図である。 この発明の第３の実施形態におけるスイッチングレギュレータの具体的な構成例を示すブロック図である。 この発明の第４の実施形態におけるスイッチングレギュレータの構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１ スイッチングレギュレータ、２ ＰＷＭ制御回路、３ ＰＦＭ制御回路、４ ドライブ回路、５ 出力電圧検出並びにＰＷＭ／ＰＦＭ制御切替信号を作成する切替制御回路、６ Ｌｘ電位監視回路、７ 効率改善用トランジスタ、１１ スイッチングトランジスタ、１２ 同期整流用トランジスタ、Ｌ１ インダクタ、Ｃ１ コンデンサ。

Claims (7)

1. 電圧入力端子と基準電位端子との間に直列に接続された第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を相補的にオン、オフ制御して、前記第１及び第２の接続ノードに接続されるインダクタンス端子に電流を流して前記電圧入力端子に印加されている電圧を所定の電圧に変換した電圧を出力端子から出力するスイッチングレギュレータであって、
   前記出力端子から出力される出力電圧が前記所定の定電圧になるように、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子に対してＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御のいずれかを行う制御回路部と、前記接続ノードの電位を検出して、当該ノードから基準電位へ向かう逆電流を検出する逆流検出回路と、前記逆流検出回路が逆電流を検出した場合には、前記第２のスイッチング素子がオンされるべき期間に当該第２のスイッチング素子をオンさせないように制御するスイッチング制御回路と、を備え、
   前記逆流検出回路は、前記接続ノードの電位を所定電位と比較するコンパレータを含み、前記コンパレータの所定電位はＰＷＭ制御とＰＦＭ制御とに対応してそれぞれ設定されていることを特徴とするスイッチングレギュレータ。
2. 前記第１のスイッチ素子がＰＭＯＳトランジスタ、第２のスイッチ素子がＮＭＯＳトランジスタで構成され、前記第２のスイッチ素子と並列にダイオード接続されたＰＭＯＳトランジスタを設けた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. 前記逆流検出回路は、所定電位をＰＷＭ制御用の第１の電位とした第１のコンパレータと、所定電位を前記第１の電位より低いＰＦＷ制御用の第２の電位とした第２のコンパレータを備え、前記第１のコンパレータはＰＷＭ制御の際に動作し、前記第２のコンパレータはＰＦＭ制御の際に動作することを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチングレギュレータ。
4. 前記逆流検出回路は、コンパレータの所定電位をＰＷＭ制御用の第１の電位と前記第１の電位より低いＰＦＷ制御用の第２の電位とを切替るスイッチ手段を備え、前記スイッチ手段は、ＰＷＭ制御の際に、前記第１の電位を選択し、ＰＦＭ制御の際に前記第２の電位を選択するように切替制御することを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチングレギュレータ。
5. 負荷の大きさを検出する負荷検出部を備え、前記負荷検出部は、前記負荷の大きさを前記ＰＷＭ制御と前記ＰＦＭ制御の動作を切替るための基準値と比較し、この比較結果に応じて通常動作モードの時には前記ＰＷＭ制御を選択し、軽負荷動作モードの時には記ＰＦＭ制御を選択するように切替動作を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスイッチングレギュレータ。
6. 外部から供給される負荷の軽重を示す制御信号を受ける端子を備え、前記制御信号が軽負荷動作モードを示している時に前記ＰＦＭ制御動作を行い、前記制御信号が通常動作モードを示している時に前記ＰＷＭ制御動作を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスイッチングレギュレータ。
7. 軽負荷動作モード時には前記ＰＦＭ制御動作を行う回路を動作させ、前記ＰＷＭ制御動作を行う回路の動作を停止させるとともに、通常動作モード時には前記ＰＷＭ制御動作を行う回路を動作させ、前記ＰＦＭ制御動作を行う回路の動作を停止させることを特徴とする請求項５又は６に記載のスイッチングレギュレータ。

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