JP2009284709A - スイッチング電源装置および携帯機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源電圧Vccに接続され、オン/オフ動作を行うスイッチング素子QP,QNと、制御回路2(8,9)と、コイルLと、コイルLとともに整流動作を行うコンデンサCoと、発振器信号SETを制御回路2に出力する発振器13と、コイル電流ILを電圧に変換した電流検出電圧SENSEと、出力電圧VOUTに応じた電圧と基準電圧VREFとの差に応じたフィードバック電圧FBとを比較する第一のコンパレータ7と、電源電圧Vccよりも低く、電流検出電圧SENSEよりも高い値のディープしきい値電圧DeepThと、フィードバック電圧FBとを比較する第二のコンパレータ6とを備え、全負荷領域で高効率を実現するために、カレントモードPWM制御に加え、無負荷若しくは軽負荷時、DSLLM制御を導入している。
【選択図】図1
Description
(回路構成)
本発明の第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100の構成は、図1に示すように、単一チャネルのスイッチングレギュレータ10と、スイッチング端子SWに接続されるコイルLと、コイルLに接続されるコンデンサCoおよび負荷16とを備える。スイッチングレギュレータ10に接続される負荷16としては、例えば、携帯電話、スマートフォン、PDA、ポータブル・メディア・プレーヤー、デジタルカメラ、無線LANなどのモバイル機器などを適用することができる。
第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100は、カレントモードPWM制御方式により高速過渡応答を実現している。重負荷状態ではPWMモードでスイッチング動作し、負荷が軽い時は効率を向上させるようにDSLLM制御を行っている。
第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100は、同期整流制御によって、従来のDC/DCコンバータ集積回路(IC:Integrated Circuits)よりも、外付け整流素子分の消費電力を減らすことができる。また、素子構造上のpn貫通防止機能によって、動作時の貫通電流を抑えることにより、スイッチング電源装置全体の消費電力を低減することができる。
第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100に適用されるカレントモードPWM制御を説明するための模式的回路構成は、図1に示すように表される。
SLLM制御によれば、重負荷のPWMから軽負荷に入る、または軽負荷から重負荷に入る時に、通常のPWM制御ループで動作させたままスイッチングパルスをオフさせるため、軽負荷と重負荷の切換などによる電圧降下や過渡応答特性を劣化させることなく、リニアに動作させることができる。
第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100に適用されるカレントモードPWM制御のSLLM制御とDSLLM制御を説明するためのタイミングチャートは、図5に示すように表される。
第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100の重負荷時の動作を説明するカレントモードPWM制御のタイミングチャートは、図2に示すように表される。
軽負荷時若しくは無負荷時の動作を説明するタイミングチャート図であって、カレントモードPWM制御のSLLM制御とDSLLM制御を説明するためのタイミングチャートは、図3に示すように表される。
第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100において、回路電流削減ブロック90を説明するための模式的回路構成は、図4に示すように表される。第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100においては、第二のコンパレータ6から出力されるハイレベルのOFF信号によって、回路電流削減ブロック90を構成する第一のコンパレータ7、OSC13、及び電流検出/保護およびドライバ回路9において動作を一時的に停止させて回路電流値を削減することができるため、軽負荷若しくは無負荷時においても、効率の低下を抑制することができる。
第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置100の効率ηと出力電流IOUTとの関係を示す特性であって、DSLLM制御、SLLM制御およびPWM制御の場合の効率特性の比較図は、図8に示すように表される。。
本発明の第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置120は、図9に示すように、単一チャネルのスイッチングレギュレータ10aおよび10bを2個並列に配置した2チャンネル構成を備える。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置120において、各チャンネルは、PWM動作時にはそれぞれ180°位相のずれたSET信号に同期した周波数で動作している。チャンネル1とチャンネル2のPWM動作に180°の位相のずれを持たせることによって、両チャンネルのpMOSFETが同時にターン・オンすることを防止している。このことにより入力リップル電流や、サージ電流などを抑えることができる。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置120において、出力電流IOUTと効率ηとの関係は、図10に示すように表される。図10において、点線はカレントモードPWM制御のみの場合の出力電流IOUTと効率ηとの関係を示し、実線Aは、カレントモードDSLLM制御を採用した場合、実線Bは、同期整流方式を採用した場合を示す。実線AのカレントモードDSLLM制と実線Bの同期整流方式を組み合わせることによって、出力電流IOUTの幅広い範囲にわたって、効率η(%)を改善可能であることがわかる。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置は、以下の特長を有する。
(h)シャットダウン機能を内蔵している。(Icc=0μA(Typ))
(i)ウェハレベルチップサイズパッケージ(WL−CSP)を採用し、例えば、わずか約1.1mm×2.5mm程度で構成される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の特性データは、図11に示すように表される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、周囲温度Ta=25℃における絶対最大定格データは、図12に示すように表される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、周囲温度Ta=−30〜+85℃における動作条件は、図13に示すように表される。ただし、出力電圧VOUT=1.8Vに関しては、VccMin.=2.7Vとする。また、許容損失PDを越えないことが条件である。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の試作例1の電気的特性は、図14に示すように表される。特に指定のない限り、周囲温度Ta=25℃、電源電圧Vcc=3.3V、イネーブル電圧VEN1=VEN2=Vccである。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の端子番号と端子名の関係は、図16に示すように表される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、出力電流IOUT=0mA、周囲温度Ta=25℃のとき、出力電圧VOUTと電源電圧Vccとの関係は、図17に示すように表される。電源電圧Vccの値が、例えば、約2.3〜4.5V程度の範囲において、出力電圧VOUT1/VOUT2の値は、例えば、約1.2V/1.8V程度が得られている。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、アプリケーション実装例を示す模式的回路構成は、図39に示すように表される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、シャットダウン動作、ソフトスタート動作よびUVLO動作を説明するタイミングチャートは、図40に示すように表される。図40には、電源電圧Vcc、イネーブル電圧VEN1=VEN2、および出力電圧VOUT1およびVOUT2の各動作タイミング波形が示されている。
EN端子は各チャンネル毎についており、それぞれ独立したEN端子制御が可能である。各チャンネルともEN端子をロー(<0.3V)で全回路がオフし、スタンバイモード(ISTB=0μATyp.)となり、ハイ(>0.95V)で動作モードとなる。
EN電源投入時、ソフトスタート機能が働き、起動時の電流に制限をかけながら緩やかに出力電圧VOUTが立ち上がる。このため、出力電圧のオーバーシュートや突入電流を防ぐことができる。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の出力電圧VOUTを確保できる電源電圧Vccが供給されているかを検出する。また、出力のチャタリングを防止するために検出電圧に、例えば、約50mV(Typ.)程度のヒステリシス幅を設けている。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、タイマーラッチ式ショート保護動作を説明するタイミングチャートは、図41に示すように表される。図41には、イネーブル電圧VEN1=VEN2、出力電圧VOUT1およびVOUT2、およびコイル電流IL1およびIL2の各動作タイミング波形が示されている。さらに、図41中には、出力電圧VOUT1およびVOUT2にそれぞれに対応する出力短絡検出電圧Vscp1およびVscp2の各レベルが表示されている。また、コイル電流IL1およびIL2にそれぞれに対応する過電流検出値IL1limitおよびIL2limitの各レベルも表示されている。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の効率ηは次式のように表すことができる。すなわち、
η={VOUT×IOUT/(Vin×Iin)}×100(%)=(POUT/Pin)×100(%)={POUT/(POUT+PDα)}×100(%) …(1)
第2の実施の形態にスイッチング電源装置の損失PDαの要因としては、下記のようなものを列挙することができる。これらを軽減することで効率を向上させることができる。
(b)ゲート充放電損失:PD(Gate)
(c)スイッチング損失:PD(SW)
(d)コンデンサの等価直列抵抗(ESR)損失:PD(ESR)
(e)スイッチング電源装置の動作電流損失:PD(IC)
PD(I2 R)=IOUT2 ×(RCOIL×RON) …(2)
で表される。ここで、RCOIL(Ω)はコイルLの直流(DC)抵抗、RON(Ω)はMOSFETのオン抵抗、IOUT(A)は出力電流をそれぞれ表す。
で表される。ここで、Cgs(F)はMOSFETのゲート容量、f(Hz)はスイッチング周波数、V(V)はMOSFETのゲート駆動電圧をそれぞれ表す。
で表される。ここで、CRSS(F)はMOSFETの逆伝達容量、IDRIVE(A)はゲートのピーク電流をそれぞれ表す。
で表される。ここで、IRMS(A)はコンデンサのリップル電流、ESR(Ω)は等価直列抵抗をそれぞれ表す。
で表される。ここで、Icc(A)は回路電流を表す。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の許容損失PDと周囲温度Taとの関係は、図42に示すように表される。
RON=D×Ronp+(1−D)Ronn …(7)
で表される。ここで、Dは、オンデューティ(=VOUT/Vcc)である。Ronpは、pMOSFETのオン抵抗、Ronnは、nMOSFETのオン抵抗を表す。
―外付けコイルLの選定―
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の外付けコイルの選定について、図43(a)に示す出力リップル電流ΔILの模式的波形、および図43(b)に示す回路構成を用いて説明する。
ΔIL=(Vcc−VOUT)×VOUT/(L×Vcc×f)(A) …(8)で表される。
ΔIL=0.3×IOUTmax.(A) …(9)
であるとすると、外付けコイルLの値は、
L=(Vcc−VOUT)×VOUT/(ΔIL×Vcc×f)(H) …(10)
で表される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の外付け出力コンデンサCoの選定について、図44に示す回路構成を用いて説明する。
外付け出力コンデンサCoの定格電圧値は、出力電圧VOUTに対し充分なマージンをもって選定する。等価直列抵抗ESRの値は小さい方が、出力リップル電圧ΔVOUTを小さくすることができる。
Co≦Tss×(Ilimit-IOUT)/VOUT …(12)
ここで、Ilimitは、過電流検出値であり、例えば、0.6A(Typ.)程度の値を有する。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の外付け入力コンデンサCinの選定について、図45に示す回路構成を用いて説明する。
IRMS=IOUT×{VOUT(Vcc−VOUT)}1/2 /Vcc(A) …(13)
ワースト条件となるIRMS(max.)は、Vcc=2×VOUTの時、IRMS=IOUT/2で与えられる。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、外付け部品の概略回路構成は、図46に示すように表される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、基板レイアウト時の外付け部品の概略回路構成は、図47に示すように表される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置100に適用可能な外付け部品として、図47に示すアプリケーションでの推奨部品リスト例は、図48に示すように表される。
第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、イネーブル端子ENから見た入力等価回路構成は、図49に示すように表される。
上記のように、本発明は第1乃至第2の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
4,4a,4b…電圧検出比較器(エラーアンプ,Gmアンプ)
5a,5b…ソフトスタート回路
6,6a,6b…電流検出比較器(第二のコンパレータ)
7,7a,7b…電流検出比較器(第一のコンパレータ)
8,8a,8b…フリップフロップ(FF)
9,9a,9b…電流検出/保護およびドライバ回路
10,10a,10b…レギュレータ
11a…出力短絡検出回路(SCP1)
11b…出力短絡検出回路(SCP2)
12…基準電圧発生器(VREF)
13…発振器(OSC)
14…出力短絡/サーマルシャットダウン検出信号発生部(SCP/TSD)
15…低入力電圧時誤動作防止回路(UVLO)
16…負荷(Load)
80…機能ブロック回路
90…回路電流削減ブロック
100…スイッチング電源装置
120…2チャンネルスイッチング電源装置
QP,QPa,QPb…pチャネルMOSFET
QN,QNa,QNb…nチャネルMOSFET
VOUT,VOUT1,VOUT2…出力電圧
Vcc…入力電圧
R1,R2,R3…抵抗
C3…キャパシタ
Claims (13)
- 電源電圧に接続され、オン/オフ動作を行うスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のオン/オフ制御を行う制御回路と、
前記スイッチング素子によって流れる電流量が制御されるコイルと、
前記コイルに接続され、前記コイルとともに整流動作を行うコンデンサと、
一定周期毎に前記スイッチング素子をオンと制御するための発振器信号を前記制御回路に出力する発振器と、
前記コイルを流れる検出電流を電圧に変換した電流検出電圧と、前記コンデンサと前記コイルとの接続ノードより出力される出力電圧に応じた電圧と基準電圧との差に応じたフィードバック電圧とを比較する第一のコンパレータと、
前記電源電圧よりも低く前記電流検出電圧よりも高い電圧値に設定されたしきい値電圧と、前記フィードバック電圧とを比較する第二のコンパレータと
を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記第二のコンパレータにおいて、前記しきい値電圧の値が前記フィードバック電圧の値よりも大きいとき、前記第二のコンパレータは前記第一のコンパレータおよび前記発振器へオフ信号を出力し、前記発振器からの前記発振器信号を無効にすることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記第二のコンパレータにおいて、前記フィードバック電圧の値が前記しきい値電圧の値よりも大きいとき、前記第二のコンパレータは、前記第一のコンパレータおよび前記発振器にオン信号を出力し、前記第一のコンパレータは前記制御回路に対してリセット信号を出力して、出力電流をオフにすることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記第一のコンパレータにおいて、前記電流検出電圧の値が前記フィードバック電圧の値よりも大きいとき、前記第一のコンパレータは、ローレベルのリセット信号を出力することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記第一のコンパレータに与えられる前記電流検出電圧に対して、スロープ補償波形が重畳されることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記スロープ補償波形による周期が、前記発振器からの前記発振器信号と同一周期であることを特徴とする請求項5に記載のスイッチング電源装置。
- 前記出力電圧に応じた電圧と前記基準電圧とが入力される電圧比較器を備え、前記電圧比較器から出力される前記出力電圧に応じた電圧と前記基準電圧との差に応じた電圧が前記第一のコンパレータに与えられることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記電圧比較器から出力される電圧のレベル変換を行うレベルシフタを備えることを特徴とする請求項7に記載のスイッチング電源装置。
- 前記電圧比較器に接続され、前記出力電圧の立ち上がりに傾斜を持たせるためのソフトスタート回路を備えることを特徴とする請求項7に記載のスイッチング電源装置。
- 前記制御回路は、
前記発振器からの前記発振器信号がセット端子に入力され、前記第一のコンパレータからの出力がリセット端子に入力されるフリップフロップ回路と、
前記フリップフロップ回路からの出力に応じて前記スイッチング素子のオン/オフを制御するドライバ回路と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記スイッチング素子は、ドレインが前記コイルに接続されソースが電源電圧に接続されたpチャネルMOSFETと、ドレインが前記コイルに接続されソースが接地電位に接続されたnチャネルMOSFETとからなるCMOSFETであることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 電源電圧に接続され、オン/オフ動作を行う第1のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子のオン/オフ制御を行う第1の制御回路と、前記第1のスイッチング素子によって流れる電流量が制御される第1のコイルと、前記第1のコイルに接続され、前記第1のコイルとともに整流動作を行う第1のコンデンサと、一定周期毎に前記第1のスイッチング素子をオンと制御するための第1の発振器信号を前記第1の制御回路に出力する発振器と、前記第1のコイルを流れる検出電流を電圧に変換した第1の電流検出電圧と、前記第1のコンデンサと前記第1のコイルとの接続ノードより出力される第1の出力電圧に応じた電圧と基準電圧との差に応じた第1のフィードバック電圧と、を比較する第1の第一のコンパレータと、前記電源電圧よりも低く、前記第1の電流検出電圧よりも高い電圧値に設定された第1のしきい値電圧と、前記第1のフィードバック電圧とを比較する第1の第二のコンパレータとを備える第1のスイッチング電源装置と、
前記電源電圧に接続され、オン/オフ動作を行う第2のスイッチング素子と、前記第2のスイッチング素子のオン/オフ制御を行う第2の制御回路と、前記第2のスイッチング素子によって流れる電流量が制御される第2のコイルと、前記第2のコイルに接続され、前記第2のコイルとともに整流動作を行う第2のコンデンサと、一定周期毎に前記第2のスイッチング素子をオンと制御するための第2の発振器信号を前記第2の制御回路に出力する前記発振器と、前記第2のコイルを流れる検出電流を電圧に変換した第2の電流検出電圧と、前記第2のコンデンサと前記第2のコイルとの接続ノードより出力される第2の出力電圧に応じた電圧と前記基準電圧との差に応じた第2のフィードバック電圧と、を比較する第2の第一のコンパレータと、前記電源電圧よりも低く、前記第2の電流検出電圧よりも高い電圧値に設定された第2のしきい値電圧と、前記第2のフィードバック電圧とを比較する第2の第二のコンパレータとを備える第2のスイッチング電源装置とを並列に2チャンネル構成に備え、
PWM動作時にはそれぞれ180°位相のずれた前記発振器からの前記第1の発振器信号および前記第2の発振器信号に同期した周波数で動作することを特徴とするスイッチング電源装置。 - 請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置を備えることを特徴とする携帯機器。
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