JP2010119177A - マルチフェーズ型dc/dcコンバータ - Google Patents

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【課題】本発明は、駆動フェーズ数に依ることなく、全体の駆動周波数を一定値に維持することが可能なマルチフェーズ型DC/DCコンバータを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るマルチフェーズ型DC/DCコンバータ用の制御回路20は、並列接続された複数のDC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの出力位相を互いにずらして駆動するものであって、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数を任意に設定するフェーズ制御部24と;DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数に応じて、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mに供給する駆動信号S1〜Smの周波数を可変制御する周波数制御部25と;を有して成る。
【選択図】図1

Description

本発明は、マルチフェーズ型DC/DCコンバータに関するものである。
図3は、マルチフェーズ型DC/DCコンバータの一従来例を示す回路ブロック図である。本図に示すように、本従来例のマルチフェーズ型DC/DCコンバータは、並列接続された複数のDC/DCコンバータ回路100−1〜100−m(ただしm≧2)と、DC/DCコンバータ回路100−1〜100−mの出力位相を互いにずらして駆動するように駆動信号S1〜Smを生成する制御回路200と、を有して成り、DC/DCコンバータ回路100−1〜100−mの各出力を足し合わせることで、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutを生成する構成とされていた。
また、上記従来のマルチフェーズ型DC/DCコンバータは、外部入力されるフェーズ制御信号PHASEに基づいて、DC/DCコンバータ回路100−1〜100−mの駆動フェーズ数を任意に設定することが可能な構成とされていた。
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、下記の特許文献1や特許文献2を挙げることができる。
特開2003−284333号公報 特開2007−116834号公報
確かに、上記従来のマルチフェーズ型DC/DCコンバータであれば、シングルフェーズ型DC/DCコンパレータに比べて負荷に大電流を出力することができるので、消費電流の大きい負荷(CPU[Central Processing Unit]など)の電源として、好適に用いることが可能である。
しかしながら、上記従来のマルチフェーズ型DC/DCコンバータでは、DC/DCコンバータ回路100−1〜100−mの駆動フェーズ数に依らず、駆動信号S1〜Smの周波数が常に一定値に固定されていた。そのため、マルチフェーズ型DC/DCコンバータ全体の駆動周波数がDC/DCコンバータ回路100−1〜100−mの駆動フェーズ数に応じて大きく変動してしまい、ノイズ対策が困難となっていた。
図4は、上記の従来課題を説明するためのタイミングチャートである。なお、図4では説明を簡単とするために、1フェーズ駆動時における駆動信号S1と、2フェーズ駆動時における駆動信号S1、S2、及び、それらの加算信号S1+S2(単一のDC/DCコンバータ回路を仮想したときの駆動信号に相当)の対比のみを行っている。
図4に示したように、駆動信号S1、S2の周期をTとし、2フェーズ駆動時における駆動信号S1、S2の位相差を180°(T/2に相当)とした場合、マルチフェーズ型DC/DCコンバータ全体の駆動周波数は、1フェーズ駆動時と2フェーズ駆動時との間で、周波数f=1/T(駆動信号S1の周波数)から周波数2×f(加算信号S1+S2の周波数)まで大きく変化してしまうことが分かる。
本発明は、上記の問題点に鑑み、DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数に依ることなく、全体の駆動周波数を一定値に維持することが可能なマルチフェーズ型DC/DCコンバータを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るマルチフェーズ型DC/DCコンバータ用の制御回路は、並列接続された複数のDC/DCコンバータ回路の出力位相を互いにずらして駆動する制御回路であって、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数を任意に設定するフェーズ制御部と;前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数に応じて、前記DC/DCコンバータ回路に供給する駆動信号の周波数を可変制御する周波数制御部と;を有して成る構成(第1の構成)とされている。
なお、上記第1の構成から成る制御回路において、前記周波数制御部は、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数が多いほど、前記駆動信号の周波数を低くし、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数が少ないほど、前記駆動信号の周波数を高くする構成(第2の構成)にするとよい。
また、上記第2の構成から成る制御回路は、前記DC/DCコンバータ回路を用いて生成される出力電圧と所定の基準電圧とを比較して比較信号を出力するコンパレータと;前記比較信号をトリガとして所定のパルス幅を有するパルス信号を生成するパルス信号生成部と;前記パルス信号のパルスを順次分配して前記駆動信号を生成するパルス分配部と;を有して成り、前記フェーズ制御部は、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数に応じて、前記パルス分配部で設定される前記パルス信号のパルス分配数を制御し、前記周波数制御部は、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数に応じて、前記パルス信号生成部で設定される前記パルス信号のパルス幅を制御する構成(第3の構成)にするとよい。
また、本発明に係るマルチフェーズ型DC/DCコンバータは、並列接続された複数のDC/DCコンバータ回路と、前記複数のDC/DCコンバータ回路の出力位相を互いにずらして駆動する上記第1〜第3いずれかの構成から成る制御回路と、を有して成り、前記複数のDC/DCコンバータ回路の各出力を足し合わせることで、入力電圧から所望の出力電圧を生成する構成(第4の構成)とされている。
本発明によれば、DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数に依ることなく、全体の駆動周波数を一定値に維持することが可能なマルチフェーズ型DC/DCコンバータを提供することが可能となる。
まず、本発明に係るマルチフェーズ型DC/DCコンバータの一実施形態について、詳細な説明を行う。図1は、本発明に係るマルチフェーズ型DC/DCコンバータの一実施形態を示すブロック図である。図1に示すように、本実施形態のマルチフェーズ型DC/DCコンバータは、並列接続された複数のDC/DCコンバータ回路10−1〜10−m(ただしm≧2)と、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの出力位相を互いにずらして駆動する制御回路20と、を有して成り、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの各出力を足し合わせることで、入力電圧Vinから所望の出力電圧Voutを生成する構成とされている。
DC/DCコンバータ回路10−k(ただし1≦k≦m)は、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタNHk、NLkと、インダクタLkと、ドライバDRVkと、を有して成る。トランジスタNHk、NLkは、入力電圧Vinの印加端と接地端との間に直列接続されており、互いの接続ノードは、インダクタLkの一端に接続されている。インダクタLkの他端は、出力電圧Voutの出力端に接続されている。出力電圧Voutの出力端と接地端との間には、キャパシタC1が接続されている。トランジスタNHk、NLkのゲートは、ドライバDRVkのゲート信号出力端に各々接続されている。
ドライバDRVkは、制御回路20から入力される駆動信号Skに基づいて、トランジスタNHk、NLkのゲート信号を各々生成する。本実施形態に即してより具体的に述べると、ドライバDRVkは、駆動信号Skがハイレベルであるときに、ハイサイドのトランジスタNHkをオンとして、ローサイドのトランジスタNLkをオフとするように、逆に、駆動信号Skがローレベルであるときに、ハイサイドのトランジスタNHkをオフとして、ローサイドのトランジスタNLkをオフとするように、トランジスタNHk、NLkのゲート信号を各々生成する。ただし、駆動信号Skの論理レベルとトランジスタNHk、NLkのオン/オフ状態との上記関係はあくまで例示であって、逆でも構わない。
一方、制御回路20は、コンパレータ21と、パルス信号生成部22と、パルス分配部23と、フェーズ制御部24と、周波数制御部25と、を有して成る。
コンパレータ21は、反転入力端(−)に入力される出力電圧Vout(ここでは、出力電圧Voutの分圧電圧も含むものとする)と、非反転入力端(+)に入力される所定の基準電圧Vrefと、を比較して比較信号を出力する。すなわち、比較信号の論理レベルは、出力電圧Voutが基準電圧Vrefよりも高いときにローレベルとなり、逆に、出力電圧Voutが基準電圧Vrefよりも低いときにハイレベルとなる。
パルス信号生成部22は、上記した比較信号の立上がりエッジをトリガとして所定のパルス幅を有するパルス信号S0を生成する。
パルス分配部23は、パルス信号S0のパルスを順次分配して駆動信号S1〜Smを生成する。
フェーズ制御部24は、フェーズ制御信号PHASEの入力を受けて、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数を任意に設定する。具体的に述べると、フェーズ制御部24は、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数に応じて、パルス分配部23で設定されるパルス信号S0のパルス分配数を制御する。
周波数制御部25は、フェーズ制御信号PHASEの入力を受けて、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数が多いほど、駆動信号S1〜Smの周波数を低くし、逆に、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数が少ないほど、駆動信号S1〜Smの周波数を高くする。より具体的に述べると、周波数制御部25は、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数が多いほど、パルス信号生成部22で設定されるパルス信号S0のパルス幅を大きくし、逆に、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数が少ないほど、パルス信号S0のパルス幅を小さくする。
次に、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数に応じた駆動信号S1〜Smの周波数可変制御について、図2を参照しながら詳細に説明する。図2は、本実施形態における周波数可変制御の一例を示すタイミングチャートである。なお、図2では、説明を簡単とするために、1フェーズ駆動時と2フェーズ駆動時の対比のみを行っている。
まず、1フェーズ駆動時の動作について、図2の上段を参照しながら説明する。出力電圧Voutが徐々に低下して基準電圧Vrefを下回ると、コンパレータ21の比較信号(図2では図示せず)がローレベルからハイレベルに立ち上がる。
パルス信号生成部22は、上記比較信号の立上がり時点から、周波数制御部25によって設定されたオン期間(=Ton1)が経過するまでの間、パルス信号S0をハイレベルに立ち上げ、その後、パルス信号S0をローレベルに立ち下げる。すなわち、パルス信号生成部22では、比較信号の立上がりエッジをトリガとして、所定のパルス幅(=Ton1)を有するパルス信号S0が生成される。
一方、パルス分配部23は、フェーズ制御部24から設定されたパルス分配数に基づいて、パルス信号S0のパルスを順次分配することにより駆動信号S1〜Smを生成する。なお、1フェーズ駆動時には、フェーズ制御部24によってパルス分配数が「1」に設定されているので、パルス分配部23は、パルス分配処理を行うことなく、パルス信号S0をそのまま駆動信号S1としてDC/DCコンバータ回路10−1にスルー出力する。
また、パルス分配部23は、駆動されないDC/DCコンバータ回路10−2〜10−mに対して、ローレベルに固定された駆動信号S2〜Sm(図2では図示せず)を出力する。このとき、ドライバDRV2〜DRVmは、駆動信号S2〜Smがパルス駆動されることなくローレベルに固定されていることを認識し、DC/DCコンバータ回路10−2〜10−mの各出力端をいずれもハイインピーダンス状態とすべく、ハイサイドのトランジスタNH2〜NHm、及び、ローサイドのトランジスタNL2〜NLmをいずれもオフとするように、各々のゲート信号を生成する。
駆動信号S1が所定のオン期間(=Ton1)に亘ってハイレベルとされている間、DC/DCコンバータ回路10−1では、ハイサイドのトランジスタNH1がオンとされ、ローサイドのトランジスタNL1がオフとされるので、出力電圧Voutは上昇する。その後、駆動信号S1がローレベルに戻されると、ハイサイドのトランジスタNH1がオフとされ、ローサイドのトランジスタNL1がオンとされるので、出力電圧Voutは徐々に低下していく。そして、出力電圧Voutが基準電圧Vrefを下回るレベルまで低下すると、コンパレータ21の比較信号がローレベルからハイレベルに立ち上がり、上述した動作が繰り返される。
なお、図2の例では、1フェーズ駆動時において、パルス信号S0のパルス幅をTonと設定した結果、駆動信号S1の周期がTとなり、延いては、マルチフェーズ型DC/DCコンバータ全体の駆動周波数がf(=1/T)となっているものとする。
次に、2フェーズ駆動時の動作について、図2の下段を参照しながら説明する。出力電圧Voutが徐々に低下して基準電圧Vrefを下回ると、コンパレータ21の比較信号(図2では不図示)がローレベルからハイレベルに立ち上がる。
パルス信号生成部22は、上記比較信号の立上がり時点から、周波数制御部25によって設定されたオン期間(=Ton2、ただしTon2>Ton1)が経過するまでの間、パルス信号S0をハイレベルに立ち上げ、その後、パルス信号S0をローレベルに立ち下げる。すなわち、パルス信号生成部22では、比較信号の立上がりエッジをトリガとして所定のパルス幅(=Ton2)を有するパルス信号S0が生成される。このように、2フェーズ駆動時には、周波数制御部25によって、パルス信号S0のパルス幅が1フェーズ駆動時よりも長く設定される。
一方、パルス分配部23は、フェーズ制御部24から設定されたパルス分配数に基づいて、パルス信号S0のパルスを順次分配することにより駆動信号S1〜Smを生成する。なお、2フェーズ駆動時には、フェーズ制御部24によってパルス分配数が「2」に設定されているので、パルス分配部23は、図2の下段に示す形でパルス信号S0を2系統に分配することにより、駆動信号S1、S2を各々生成し、これらをDC/DCコンバータ回路10−1、10−2に出力する。
また、パルス分配部23は、駆動されないDC/DCコンバータ回路10−3〜10−mに対して、ローレベルに固定された駆動信号S3〜Sm(図2では図示せず)を出力する。このとき、ドライバDRV3〜DRVmは、駆動信号S3〜Smがパルス駆動されることなくローレベルに固定されていることを認識し、DC/DCコンバータ回路10−3〜10−mの各出力をいずれもハイインピーダンス状態とすべく、ハイサイドのトランジスタNH3〜NHm、及び、ローサイドのトランジスタNL3〜NLmをいずれもオフとするように、各々のゲート信号を生成する。
駆動信号S1が所定のオン期間(=Ton2)に亘ってハイレベルとされている間、DC/DCコンバータ回路10−1では、ハイサイドのトランジスタNH1がオンとされ、ローサイドのトランジスタNL1がオフされるので、出力電圧Voutは上昇する。このとき、出力電圧Voutは、1フェーズ駆動時よりも高い値まで上昇する。
その後、駆動信号S1がローレベルに戻されると、DC/DCコンバータ回路10−1では、ハイサイドのトランジスタNH1がオフとされて、ローサイドのトランジスタNL1がオンとされるので、出力電圧Voutは徐々に低下していく。このとき、出力電圧Voutは、1フェーズ駆動時よりも速く低下する。なぜなら、出力電圧Voutが基準電圧Vrefを下回るまでの間、駆動信号S1、S2はいずれもローレベルとされるので、DC/DCコンバータ回路10−1、10−2に含まれるローサイドのトランジスタNL1、NL2がいずれもオンされ、1フェーズ駆動時よりも放電経路が増えるからである。
以後も、出力電圧Voutが基準電圧Vrefを下回るレベルまで低下する度に、図2の下段に示す形で、DC/DCコンバータ回路10−1、10−2を交互に切り替えながら、上述した動作が繰り返される。
上記で説明したように、2フェーズ駆動時には、パルス信号S0のローレベル期間に、出力電圧Voutが1フェーズ駆動時よりも早く低下するようになるが、この低下速度の増大を相殺する形で、パルス信号S0のパルス幅を1フェーズ駆動時よりも長く設定することにより、マルチフェーズ型DC/DCコンバータ全体の駆動周波数(パルス信号S0の周波数がこれに相当)を1フェーズ駆動時と何ら変わることなく、f(=1/T)に維持することが可能となる。
なお、上記では、1フェーズ駆動時と2フェーズ駆動時の対比のみを行ったが、mフェーズ駆動時にも同様のことが言える。すなわち、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数が多いほど、駆動信号S1〜Smの周波数を低くし、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数が少ないほど、駆動信号S1〜Smの周波数を高くする構成とすることにより、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mの駆動フェーズ数に依ることなく、マルチフェーズ型DC/DCコンバータ全体の駆動周波数を一定値に維持することが可能となり、延いては、これを搭載するセットのノイズ対策を容易に行うことが可能となる。
また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mに含まれるハイサイドスイッチとして、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタNH1〜NHmを用いた構成を例示して説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタを用いても構わない。
また、上記実施形態では、DC/DCコンバータ回路10−1〜10−mとして、降圧回路を用いた構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、昇圧回路を用いても構わない。
本発明は、CPUなどの電源として用いられるマルチフェーズ型DC/DCコンバータに好適な技術であり、特に、そのノイズ対策技術として有用である。
は、本発明に係るマルチフェーズ型DC/DCコンバータの一実施形態を示すブロック図である。 は、本実施形態における周波数可変制御の一例を示すタイミングチャートである。 は、マルチフェーズ型DC/DCコンバータの一従来例を示すブロック図である。 は、従来課題を説明するためのタイミングチャートである。
符号の説明
10−1〜10−m DC/DCコンバータ回路
20 制御回路
21 コンパレータ
22 パルス信号生成部
23 パルス分配部
24 フェーズ制御部
25 周波数制御部
DRV1〜DRVm ドライバ
NH1〜NHm Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(ハイサイド)
NL1〜NLm Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(ローサイド)
L1〜Lm インダクタ
C1 キャパシタ

Claims (4)

  1. 並列接続された複数のDC/DCコンバータ回路の出力位相を互いにずらして駆動する制御回路であって、
    前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数を任意に設定するフェーズ制御部と;
    前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数に応じて、前記DC/DCコンバータ回路に供給する駆動信号の周波数を可変制御する周波数制御部と;
    を有して成ることを特徴とする制御回路。
  2. 前記周波数制御部は、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数が多いほど、前記駆動信号の周波数を低くし、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数が少ないほど、前記駆動信号の周波数を高くすることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。
  3. 前記DC/DCコンバータ回路を用いて生成される出力電圧と所定の基準電圧とを比較して比較信号を出力するコンパレータと;
    前記比較信号をトリガとして所定のパルス幅を有するパルス信号を生成するパルス信号生成部と;
    前記パルス信号のパルスを順次分配して前記駆動信号を生成するパルス分配部と;
    を有して成り、
    前記フェーズ制御部は、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数に応じて、前記パルス分配部で設定される前記パルス信号のパルス分配数を制御し、
    前記周波数制御部は、前記DC/DCコンバータ回路の駆動フェーズ数に応じて、前記パルス信号生成部で設定される前記パルス信号のパルス幅を制御することを特徴とする請求項2に記載の制御回路。
  4. 並列接続された複数のDC/DCコンバータ回路と、前記複数のDC/DCコンバータ回路の出力位相を互いにずらして駆動する請求項1〜請求項3のいずれかに記載の制御回路と、を有して成り、前記複数のDC/DCコンバータ回路の各出力を足し合わせることで、入力電圧から所望の出力電圧を生成することを特徴とするマルチフェーズ型DC/DCコンバータ。
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