JP2010161915A - Switching control circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング制御回路に関する。 The present invention relates to a switching control circuit.
様々な電子機器において、入力電圧から目的レベルの出力電圧を生成するためのスイッチングレギュレータが用いられている。スイッチングレギュレータの整流方式として、一般的に2つの方式が用いられている。一つの整流方式は、直列に接続された電源側トランジスタ及び接地側トランジスタが相補的にオンオフされることにより、インダクタの電流を制御する方式であり、同期整流方式とよばれる。もう一つの整流方式は、接地側にはトランジスタの代わりに整流用ダイオードが設けられ、電源側トランジスタがオフの期間は整流用ダイオードを介してインダクタの電流を制御する方式であり、ダイオード整流方式とよばれる。 In various electronic devices, a switching regulator for generating an output voltage of a target level from an input voltage is used. Generally, two methods are used as a rectification method for the switching regulator. One rectification method is a method in which the current of the inductor is controlled by complementaryly turning on and off the power supply side transistor and the ground side transistor connected in series, and is called a synchronous rectification method. Another rectification method is a method in which a rectification diode is provided on the ground side instead of a transistor, and the current of the inductor is controlled via the rectification diode while the power supply side transistor is off. to be called.
一般的に、整流用ダイオードによる電力損失よりも接地側トランジスタによる電力損失の方が小さいため、同期整流方式の方が効率の良いスイッチングを行うことが可能である。しかしながら、軽負荷の場合に同期整流方式でスイッチングを行うと、インダクタから接地側トランジスタに電流が逆流する等、逆に効率を低下させてしまう場合がある。そこで、負荷の状態に応じて整流方式を切り替えることが可能なスイッチングレギュレータが用いられることがある(例えば、特許文献1)。 In general, since the power loss due to the ground-side transistor is smaller than the power loss due to the rectifying diode, the synchronous rectification method can perform more efficient switching. However, when the switching is performed by the synchronous rectification method in the case of a light load, the efficiency may be reduced on the contrary, for example, a current flows backward from the inductor to the ground side transistor. Therefore, a switching regulator that can switch the rectification method according to the state of the load may be used (for example, Patent Document 1).
図4は、整流方式を切り替え可能なスイッチングレギュレータの一般的な構成例を示す図である。スイッチングレギュレータ100では、入力電圧Vinが印加された電源側トランジスタであるPチャネルMOSFET110に、接地側トランジスタであるNチャネルMOSFET112及び整流用ダイオードDが接続されている。
FIG. 4 is a diagram illustrating a general configuration example of a switching regulator capable of switching the rectification method. In the
同期整流方式の場合、切替信号SWがLレベルとなり、NチャネルMOSFET112のゲートに入力される信号DRV_LはPWM(Pulse Width Modulation)信号生成回路114から出力されるPWM信号に応じて変化することとなる。つまり、PチャネルMOSFET110及びNチャネルMOSFET112がPWM信号に応じて相補的にオンオフされることにより、出力電圧Voutが目的レベルとなるように、インダクタLの電流が制御される。ダイオード整流方式の場合、切替信号SWがHレベルとなり、NチャネルMOSFET112のゲートに入力される信号DRV_Lは、PWM信号にかかわらずLレベルで固定され、NチャネルMOSFET112はオフの状態が維持される。したがって、PWM信号に応じてPチャネルMOSFET110がオンからオフに変化すると、整流用ダイオードDを介してインダクタLに電流が流れることとなる。
In the case of the synchronous rectification method, the switching signal SW becomes L level, and the signal DRV_L input to the gate of the N-
ところで、スイッチングレギュレータ100では、負荷の状態に応じて切替信号SWが変化すると、整流方式も即座に変化してしまう。そのため、切り替えのタイミングによっては、NチャネルMOSFET112または整流用ダイオードDでの整流期間が、出力電圧Voutの目的レベルに応じた所定期間とならず、出力電圧Voutに影響を与えてしまう可能性がある。
By the way, in the
例えば、図5及び図6に示す例では、PWM信号生成回路114は、発振回路116から出力される所定周波数のクロック信号CLKの立ち上がりのタイミングでPチャネルMOSFET110がオンとなるようにPWM信号を変化させている。また、PWM信号生成回路114は、出力電圧Voutに応じた帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefとなるように、PWM信号のパルス幅、すなわち、PチャネルMOSFET110及びNチャネルMOSFET112のオンオフのデューティー比を制御している。
For example, in the example shown in FIGS. 5 and 6, the PWM
そして、図5に示す例では、まず、切替信号SWがLレベルとなっており、PチャネルMOSFET110及びNチャネルMOSFET112の相補的なオンオフによる同期整流が行われている。その後、PWM信号がHレベルの期間に、切替信号SWがLレベルからHレベルに変化すると、NチャネルMOSFET112のゲートに入力される信号DRV_Lが即座にLレベルとなり、ダイオード整流へと移行する。したがって、図5に示されるように、同期整流方式からダイオード整流方式に切り替わるタイミングで、NチャネルMOSFET112のオン期間が、基準電圧Vrefに応じた所定期間よりも短くなっている。これにより、出力電圧Voutが変動してしまう可能性がある。
In the example shown in FIG. 5, first, the switching signal SW is at the L level, and synchronous rectification is performed by complementary ON / OFF of the P-
また、図6に示す例では、まず、切替信号SWがHレベルとなっており、PチャネルMOSFET110及び整流用ダイオードDによるダイオード整流が行われている。その後、PWM信号がHレベルの期間に、切替信号SWがHレベルからLレベルに変化すると、NチャネルMOSFET112のゲートに入力される信号DRV_Lが、即座にPWM信号に連動して変化する状態となり、同期整流方式へと移行する。したがって、図6に示されるように、ダイオード整流方式から同期整流方式に切り替わるタイミングで、NチャネルMOSFET112のオン期間が、基準電圧Vrefに応じた所定期間よりも短くなっている。
In the example shown in FIG. 6, first, the switching signal SW is at the H level, and diode rectification is performed by the P-
そのため、スイッチングレギュレータ100では、出力電圧Voutに影響を与えることなく、動作中に整流方式を切り替えることができないことがあった。
Therefore, the
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、出力電圧に影響を与えることなくスイッチングレギュレータの動作中に整流方式を切り替えることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to switch the rectification method during the operation of the switching regulator without affecting the output voltage.
上記目的を達成するため、本発明の一つの側面に係るスイッチング制御回路は、入力電極に入力電圧が印加され、出力電極が、接地側トランジスタ、整流用ダイオードのカソード、及びインダクタと接続される、電源側トランジスタを、目的レベルの出力電圧を生成するためのデューティー比で間欠的にオンオフさせるための駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、前記電源側トランジスタがオンからオフとなった際の整流方式を、前記接地側トランジスタを介して行う同期整流方式か、前記整流用ダイオードを介して行うダイオード整流方式に切り替えるための切替信号が変化すると、前記駆動信号によって前記電源側トランジスタがオンとなるタイミングで前記整流方式を切り替える整流切替回路と、を備える。 To achieve the above object, in a switching control circuit according to one aspect of the present invention, an input voltage is applied to an input electrode, and an output electrode is connected to a ground side transistor, a cathode of a rectifying diode, and an inductor. A drive signal generation circuit for generating a drive signal for intermittently turning on and off the power supply side transistor at a duty ratio for generating an output voltage of a target level, and rectification when the power supply side transistor is turned from on to off When the switching signal for switching the method from the synchronous rectification method performed through the ground side transistor to the diode rectification method performed through the rectifying diode changes, the timing at which the power supply side transistor is turned on by the drive signal And a rectification switching circuit for switching the rectification method.
出力電圧に影響を与えることなくスイッチングレギュレータの動作中に整流方式を切り替えることができる。 The rectification method can be switched during the operation of the switching regulator without affecting the output voltage.
図1は、本発明の一実施形態であるスイッチング制御回路を含むスイッチングレギュレータの構成を示す図である。スイッチングレギュレータ10は、PチャネルMOSFET12、NチャネルMOSFET14、エラーアンプ20、発振回路(OSC)22、PWM(Pulse Width Modulation)信号生成回路24、D型フリップフロップ(D−FF)26、NOT回路28、NOR回路30、バッファ32,34、整流用ダイオードD、インダクタL、キャパシタC、及び抵抗R1,R2を含んで構成されている。なお、スイッチングレギュレータ10においては、エラーアンプ20、発振回路22、PWM信号生成回路24、D−FF26、NOT回路28、NOR回路30、及びバッファ32,34によってスイッチング制御回路が構成されている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a switching regulator including a switching control circuit according to an embodiment of the present invention. The
PチャネルMOSFET12(電源側ダイオード)及びNチャネルMOSFET14(接地側ダイオード)は直列に接続されており、PチャネルMOSFET12のソースに入力電圧Vinが印加されている。また、NチャネルMOSFET14と並列に整流用ダイオードDが設けられている。そして、PチャネルMOSFET12のドレインには、インダクタLの一端が接続され、インダクタLの他端はキャパシタCの一端と接続されている。したがって、PチャネルMOSFET12がオン、NチャネルMOSFET14がオフの状態で、PチャネルMOSFET12からインダクタLに電流が流れ、キャパシタCが充電されて出力電圧Voutが上昇する。そして、PチャネルMOSFET12がオンからオフに変化すると、同期整流方式の場合はNチャネルMOSFET14がオンとなり、インダクタLが流し続けようとする電流はNチャネルMOSFET14を介して流れ、ダイオード整流方式の場合はNチャネルMOSFET14がオフのまま維持され、整流用ダイオードDを介して電流が流れる。
The P-channel MOSFET 12 (power supply side diode) and the N-channel MOSFET 14 (ground side diode) are connected in series, and the input voltage Vin is applied to the source of the P-
エラーアンプ20は、出力電圧Voutを抵抗R1,R2で分圧して得られる帰還電圧Vfbと、出力電圧Voutの目的レベルに応じた基準電圧Vrefとの誤差を増幅して出力する。PWM信号生成回路24(駆動信号生成回路)は、エラーアンプ20の出力に基づいて、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefと等しくなるようにPWM信号(駆動信号)を変化させる。なお、本実施形態においては、PWM信号生成回路24は、発振回路22から出力される所定周波数のクロックCLKの立ち上がりのタイミングでPチャネルMOSFET12がオンとなるようにPWM信号を変化させる。そして、PWM信号生成回路24は、出力電圧Voutを上昇させる場合には、PチャネルMOSFET12がオンとなる割合、すなわちオンデューティーが大きくなるようにPWM信号のパルス幅を変化させる。また、PWM信号生成回路24は、出力電圧Voutを下降させる場合には、PチャネルMOSFET12のオンデューティーが小さくなるようにPWM信号のパルス幅を変化させる。
The
D−FF26は、整流方式の切り替えを指示する切替信号SWに基づいて、PWM信号によってPチャネルMOSFET12がオンとなるタイミングで整流方式が切り替わるように、整流方式を選択する選択信号SELを変化させる。具体的には、切替信号SWがデータ入力端子Dに入力され、クロック信号CLKがクロック入力端子Cに入力され、データ出力端子Qから出力される信号が選択信号SELとなっている。したがって、切替信号SWが変化した後、クロック信号CLKの立ち上がりのタイミングで、選択信号SELが変化することとなる。なお、切替信号SWはマイコン等の外部装置から入力されることとしてもよいし、スイッチングレギュレータ10自身で負荷の軽重を判定し、その判定結果に基づいて切替信号SWを生成することとしてもよい。
The D-
NOR回路30には、PWM信号がNOT回路28を介して入力されるとともに、選択信号SELが入力されている。したがって、NOR回路30から出力される信号DRV_Lは、選択信号SELがLレベルの場合はPWM信号に応じて変化し、選択信号SELがHレベルの場合はPWM信号にかかわらずLレベルに維持される。そして、PWM信号はバッファ32を介してPチャネルMOSFET12のゲートに入力され、信号DRV_Lはバッファ34を介してNチャネルMOSFET14のゲートに入力されている。したがって、選択信号SELがLレベルの場合は、PWM信号がLレベルの期間に、PチャネルMOSFET12がオン、NチャネルMOSFET14がオフとなり、PWM信号がHレベルの期間に、PチャネルMOSFET12がオフ、NチャネルMOSFET14がオンとなる。また、選択信号SELがHレベルの場合は、PチャネルMOSFET12は選択信号SELがLレベルの場合と同様にオンオフするものの、NチャネルMOSFET14はオフのままとなる。
A PWM signal is input to the
なお、D−FF26、NOT回路28、及びNOR回路30により構成される回路が本発明の整流切替回路の一例である。また、D−FF26が本発明の選択信号生成回路の一例であり、NOT回路28及びNOR回路30により構成される回路が本発明の接地側トランジスタ駆動回路の一例である。
A circuit constituted by the D-
次に、スイッチングレギュレータ10における整流方式の切り替え動作について説明する。図2及び図3は、スイッチングレギュレータ10における切り替え動作の一例を示すタイミングチャートである。図2の例では、初期状態では選択信号SELがLレベルとなっており、信号DRV_LはPWM信号に応じて変化している。つまり、整流方式は同期整流方式となっており、PチャネルMOSFET12及びNチャネルMOSFET14は相補的にオンオフされている。その後、整流方式をダイオード整流方式に切り替えるために、PWM信号がHレベルの期間に切替信号SWがHレベルに変化したとする。このとき、切替信号SWに応じて選択信号SELが即座にHレベルに変化するのではなく、切替信号SWがHレベルに変化した後、クロック信号CLKの次の立ち上がりのタイミングで選択信号SELがHレベルに変化する。そして、選択信号SELがHレベルに変化すると、NチャネルMOSFET14はオフの状態が維持され、ダイオード整流方式となる。
Next, the switching operation of the rectification method in the
ここで、仮に、選択信号SELが切替信号SWに応じて即座にHレベルに変化したとすると、同期整流方式からダイオード整流方式に切り替わるタイミングで、NチャネルMOSFET14がオンとなる期間が同期整流方式における所定期間よりも短くなるパルスが発生してしまう。しかしながら、本実施形態では、選択信号SELはクロック信号CLKの立ち上がりのタイミングでHレベルに変化するため、所定期間より短いパルスが発生することがない。これにより、スイッチングレギュレータ10では、出力電圧Voutに影響を与えることなく同期整流方式からダイオード整流方式に切り替えることが可能となる。
Here, if the selection signal SEL immediately changes to the H level according to the switching signal SW, the period during which the N-
また、図3の例では、初期状態では選択信号SELがHレベルとなっており、信号DRV_LはPWM信号にかかわらずLレベルのまま維持されている。つまり、整流方式はダイオード整流方式となっており、PチャネルMOSFET12がPWM信号に応じてオンオフされ、PチャネルMOSFET12がオフの期間は整流用ダイオードDを介して整流が行われている。その後、整流方式を同期整流方式に切り替えるために、PWM信号がHレベルの期間に切替信号SWがHレベルに変化したとする。このとき、切替信号SWに応じて選択信号SELが即座に変化するのではなく、切替信号SWがLレベルに変化した後、クロック信号CLKの次の立ち上がりのタイミングで選択信号SELがLレベルに変化する。そして、選択信号SELがLレベルに変化すると、NチャネルMOSFET14がPWM信号に応じてPチャネルMOSFET12と相補的にオンオフするようになり、同期整流方式となる。ここでも、図2の場合と同様に、整流方式の切り替えタイミングにおいて所定期間より短いパルスが発生することがなく、出力電圧Voutに影響を与えることなくダイオード整流方式から同期整流方式に切り替えることが可能となる。
In the example of FIG. 3, the selection signal SEL is at the H level in the initial state, and the signal DRV_L is maintained at the L level regardless of the PWM signal. That is, the rectification method is a diode rectification method, and the P-
このように、本実施形態のスイッチングレギュレータ10では、切替信号SWが変化すると、PWM信号によってPチャネルMOSFET12がオンとなるタイミングで整流方式が切り替わる。これにより、出力電圧Voutに影響を与えることなくスイッチングレギュレータ10の整流方式を切り替えることが可能となる。
Thus, in the switching
また、本実施形態のスイッチングレギュレータ10では、クロック信号CLKの立ち上がりのタイミングでPチャネルMOSFET12がオンとなるようPWM信号が制御されているため、クロック信号CLKの立ち上がりのタイミングで選択信号SELを変化させることにより、出力電圧Voutに影響を与えることなく整流方式を切り替えることができる。
Further, in the switching
なお、本実施形態のスイッチングレギュレータ10では、クロック信号CLKの立ち上がりのタイミングで選択信号SELを変化させることとしたが、PWM信号がLレベルに変化するタイミングで選択信号SELを変化させることとしてもよい。このような構成は、例えば図1のスイッチングレギュレータ10において、PWM信号を反転した信号をD−FF26のクロック入力端子Cに入力することにより実現することができる。そして、このような構成は、PWM信号生成回路24が、エラーアンプ20の出力を所定周波数の三角波と比較することにより、クロック信号CLKを用いることなくPWM信号を生成する場合においても適用することができる。
In the switching
なお、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。 In addition, the said embodiment is for making an understanding of this invention easy, and is not for limiting and interpreting this invention. The present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and the present invention includes equivalents thereof.
10 スイッチングレギュレータ
12 PチャネルMOSFET
14 NチャネルMOSFET
20 エラーアンプ
22 発振回路
24 PWM信号生成回路
26 D型フリップフロップ
28 NOT回路
30 NOR回路
32,34 バッファ
D 整流用ダイオード
L インダクタ
C キャパシタ
R1,R2 抵抗
10 Switching regulator 12 P-channel MOSFET
14 N-channel MOSFET
20 Error amplifier 22
Claims (4)
前記電源側トランジスタがオンからオフとなった際の整流方式を、前記接地側トランジスタを介して行う同期整流方式か、前記整流用ダイオードを介して行うダイオード整流方式に切り替えるための切替信号が変化すると、前記駆動信号によって前記電源側トランジスタがオンとなるタイミングで前記整流方式を切り替える整流切替回路と、
を備えることを特徴とするスイッチング制御回路。 Input voltage is applied to the input electrode, and the output electrode is connected to the ground side transistor, the cathode of the rectifying diode, and the inductor. A drive signal generation circuit for generating a drive signal for turning on and off;
When the switching signal for switching the rectification method when the power supply side transistor is turned off from the synchronous rectification method performed via the ground side transistor to the diode rectification method performed via the rectification diode changes A rectification switching circuit that switches the rectification method at a timing when the power supply side transistor is turned on by the drive signal;
A switching control circuit comprising:
前記整流切替回路は、
前記切替信号が変化すると、前記駆動信号によって前記電源側トランジスタがオンとなるタイミングで、前記同期整流方式または前記ダイオード整流方式を選択する選択信号を変化させる選択信号生成回路と、
前記選択信号が前記同期整流方式の選択を示す場合、前記駆動信号に基づいて、前記電源側トランジスタと相補的に前記接地側トランジスタをオンオフさせ、前記選択信号が前記ダイオード整流方式の選択を示す場合、前記駆動信号にかかわらず前記電源側トランジスタをオフとする接地側トランジスタ駆動回路と、
を含んで構成されることを特徴とするスイッチング制御回路。 The switching control circuit according to claim 1,
The rectification switching circuit is
When the switching signal changes, a selection signal generation circuit that changes a selection signal for selecting the synchronous rectification method or the diode rectification method at a timing when the power supply side transistor is turned on by the drive signal;
When the selection signal indicates selection of the synchronous rectification method, based on the drive signal, the ground side transistor is turned on / off complementarily with the power supply side transistor, and the selection signal indicates selection of the diode rectification method A ground side transistor drive circuit for turning off the power source side transistor regardless of the drive signal;
A switching control circuit comprising:
前記駆動信号生成回路は、
所定周波数のクロック信号が一方の論理レベルから他方の論理レベルに変化するタイミングで、前記電源側トランジスタがオンとなるよう前記駆動信号を変化させ、
前記選択信号生成回路は、
前記クロック信号が前記一方の論理レベルから前記他方の論理レベルに変化するタイミングで、前記選択信号を変化させること、
を特徴とするスイッチング制御回路。 The switching control circuit according to claim 2,
The drive signal generation circuit includes:
At a timing when the clock signal of a predetermined frequency changes from one logic level to the other logic level, the drive signal is changed so that the power supply side transistor is turned on,
The selection signal generation circuit includes:
Changing the selection signal at a timing when the clock signal changes from the one logic level to the other logic level;
A switching control circuit characterized by the above.
前記選択信号生成回路は、
前記駆動信号が前記電源側トランジスタをオンとする論理レベルに変化するタイミングで、前記選択信号を変化させること、
を特徴とするスイッチング制御回路。 The switching control circuit according to claim 2,
The selection signal generation circuit includes:
Changing the selection signal at a timing when the drive signal changes to a logic level that turns on the power-side transistor;
A switching control circuit characterized by the above.
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