JP2010183723A - Dc-dc converter and switching control circuit - Google Patents
Dc-dc converter and switching control circuit Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010183723A JP2010183723A JP2009024592A JP2009024592A JP2010183723A JP 2010183723 A JP2010183723 A JP 2010183723A JP 2009024592 A JP2009024592 A JP 2009024592A JP 2009024592 A JP2009024592 A JP 2009024592A JP 2010183723 A JP2010183723 A JP 2010183723A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- output
- current
- circuit
- voltage
- control circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、直流電圧を変換するスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータおよびそのスイッチング制御回路に関し、特に負荷電流の大きさに応じてスイッチング周波数およびパルス幅を変化させて駆動を行なうDC−DCコンバータに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a switching regulator type DC-DC converter that converts a DC voltage and a switching control circuit thereof, and more particularly to a DC-DC converter that is driven by changing a switching frequency and a pulse width according to the magnitude of a load current. It is related to effective technology.
直流入力電圧を変換して異なる電位の直流電圧を出力する回路としてスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータがある。かかるDC−DCコンバータには、電池などの直流電源から供給される直流電圧をインダクタ(コイル)に印加して電流を流しコイルにエネルギーを蓄積させる駆動用スイッチング素子と、該駆動用スイッチング素子がオフされているエネルギー放出期間にコイルの電流を整流する整流素子と、上記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御する制御回路を備えたDC−DCコンバータがある。 There is a switching regulator type DC-DC converter as a circuit for converting a DC input voltage and outputting DC voltages of different potentials. In such a DC-DC converter, a driving switching element that applies a DC voltage supplied from a DC power source such as a battery to an inductor (coil) to flow current and accumulate energy in the coil, and the driving switching element is turned off. There is a DC-DC converter provided with a rectifying element that rectifies the current of the coil during the energy release period and a control circuit that controls on and off of the driving switching element.
従来、上記スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいては、出力電圧の大きさを誤差アンプで検出してPWM(パルス幅変調)コンパレータまたはPFM(パルス周波数変調)コンパレータにフィードバックして、出力電圧が下がるとスイッチング素子のオン時間を長くし、出力電圧が上がるとスイッチング素子のオン時間を短くする制御が行われている。 Conventionally, in the switching regulator type DC-DC converter, the magnitude of the output voltage is detected by an error amplifier and fed back to a PWM (pulse width modulation) comparator or PFM (pulse frequency modulation) comparator. When the output voltage decreases, the on-time of the switching element is lengthened, and when the output voltage increases, the on-time of the switching element is shortened.
PWM制御では、駆動パルスの周期(周波数)を一定にしてVin電圧とVout電圧の比に応じてパルス幅を変化させる。負荷が軽くなり不連続モードとなった場合にもパルス幅は狭くなる。また、負荷が非常に軽くなった場合には、最小パルス幅のパルスで駆動しても出力電流が多すぎる場合が生じることがある。そこで、図6に示すように、PWMコンパレータ22とPFMコンパレータ24の両方を設け、通常はPWM制御を行い、負荷に流れる電流が少なくなった場合すなわち軽負荷時にはパルス幅が一定の固定パルスで駆動し周期を負荷に応じて変化させるPFM制御へ移行するようにしたDC−DCコンバータもある。このようなDC−DCコンバータに関する発明としては、例えば特許文献1や特許文献2に記載されているものがある。
In the PWM control, the pulse width is changed according to the ratio between the Vin voltage and the Vout voltage with the drive pulse period (frequency) constant. The pulse width is also reduced when the load is reduced and the discontinuous mode is entered. In addition, when the load becomes very light, there may be a case where the output current is too large even if the load is driven with the pulse having the minimum pulse width. Therefore, as shown in FIG. 6, both the
図6に示されているようなPWM制御とPFM制御を切り替えてスイッチング素子の駆動を行うDC−DCコンバータにおける軽負荷時のPFM制御モードでは、図7に示すように、誤差アンプ21の出力が参照電圧Vref2を超えるとPFMコンパレータ24の出力がロウレベルに変化する。そして、インバータの出力がハイレベルに変化してANDゲートG1を開き、パルス幅固定のパルスを生成するパルス生成回路31からのパルスを、セレクタ29を介してスイッチング素子SW1,SW2に供給してスイッチング駆動するようになっている。
In the PFM control mode at the time of light load in the DC-DC converter that switches the PWM control and the PFM control as shown in FIG. 6 and drives the switching element, the output of the
図6のPWM/PFM切替え方式のDC−DCコンバータにあっては、PWM制御のみのDC−DCコンバータに比べて軽負荷時の電力効率を向上させることができるという利点がある。しかしながら、PFM制御パルスによる駆動では、入力電圧が比較的高い間はPWM制御の場合よりもパルスの周期が長くスイッチング回数も少ないが、電池を入力電源とするようなシステムにおいて、電池の消耗で入力電圧が低くなり目標出力電圧との電位が小さくなると、図7の(E)のようにパルスの周期が短くなってスイッチング回数が増加する。そして、スイッチング回数が多くなるとスイッチング素子SW1,SW2に流れる貫通電流が多くなるため、電力効率が低下してしまうという不具合がある。 The PWM / PFM switching type DC-DC converter of FIG. 6 has an advantage that the power efficiency at light load can be improved as compared with the DC-DC converter of only PWM control. However, in the case of driving with PFM control pulses, while the input voltage is relatively high, the pulse period is longer and the number of switching times is lower than in the case of PWM control. When the voltage becomes lower and the potential with respect to the target output voltage becomes smaller, the pulse cycle becomes shorter and the number of times of switching increases as shown in FIG. And if the number of times of switching increases, since the through current flowing through the switching elements SW1 and SW2 increases, there is a problem that the power efficiency decreases.
また、パルス生成回路31により生成されるパルスは、一般にパルス幅が固定でデューティは最大で50%、つまりオン時間とオフ時間が同一となるように設計されるので、入力電圧範囲がデューティに制限される、つまり入力電圧があるレベル以下になるとそれ以上パルスのデューティが大きくならないため、コイルに流す電流が不足して所望の出力電圧が得られなくなるという課題があることが分かった。
The pulse generated by the
本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、軽負荷時の電力効率を向上させることができる制御技術を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a control technology capable of improving power efficiency at light load in a switching regulator type DC-DC converter. It is to provide.
本発明の他の目的は、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、従来に比べてより低い入力電圧範囲まで所望の出力電圧が得られる制御技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a control technique for obtaining a desired output voltage in a switching regulator type DC-DC converter in a lower input voltage range as compared with the prior art.
本発明は、上記目的を達成するため、電圧変換用のインダクタに電流を流す駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号を生成し出力するスイッチング制御回路であって、出力電圧に応じた電圧を出力する誤差増幅回路と、出力電流に比例した電流を流す電流生成回路と、該電流生成回路より出力された電流によって充電される容量素子および該容量素子の充電電荷を放電可能な放電手段を有し前記出力電流の大きさに応じた傾きを有する波形信号を生成する波形生成回路と、前記誤差増幅回路の出力と前記波形生成回路の出力とを入力とする第1の電圧比較回路と、前記波形生成回路の出力と所定の電圧とを比較する第2の電圧比較回路と、前記第1の電圧比較回路の出力および前記第2の電圧比較回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオンタイミングおよびオフタイミングを決定するタイミング決定手段と、該タイミング決定手段の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号を生成する駆動制御回路と、を備えるようにした。 In order to achieve the above object, the present invention is a switching control circuit that generates and outputs an off / on drive signal for a driving switching element that supplies current to an inductor for voltage conversion, and outputs a voltage corresponding to the output voltage. An error amplifying circuit, a current generating circuit for passing a current proportional to the output current, a capacitor charged by the current output from the current generating circuit, and a discharging means capable of discharging the charge of the capacitor A waveform generation circuit that generates a waveform signal having a slope corresponding to the magnitude of the output current; a first voltage comparison circuit that receives the output of the error amplification circuit and the output of the waveform generation circuit; and the waveform A second voltage comparison circuit for comparing the output of the generation circuit with a predetermined voltage; and the drive switch based on the output of the first voltage comparison circuit and the output of the second voltage comparison circuit. Timing determining means for determining the on-timing and off timing of quenching elements, and the like provided off of the driving switching element based on an output of said timing determining means, and a drive control circuit for generating an on-drive signal.
上記のような手段によれば、上記波形生成回路により生成される波形信号の周期が出力電流に応じて変化されるため、駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号の周波数が出力電流に応じて変化されるとともに、第1の電圧比較回路が誤差増幅回路の出力と前記波形生成回路の出力とを比較し、タイミング決定回路が該第1の電圧比較回路の出力に基づいて駆動用スイッチング素子のオンもしくはオフタイミングを決定するので、出力電圧に応じて駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号のパルス幅が変化する。そのため出力電流が小さい場合にはスイッチング周波数が低下して貫通電流による効率低下を回避できるとともに、入力電圧が低下した場合には駆動信号のパルス幅も狭くされるので、入力電圧がかなり低下しても所望の出力電圧が得られるようになる。 According to the above means, since the period of the waveform signal generated by the waveform generation circuit is changed according to the output current, the frequency of the drive switching element OFF and ON drive signal depends on the output current. And the first voltage comparison circuit compares the output of the error amplification circuit with the output of the waveform generation circuit, and the timing determination circuit determines whether the drive switching element is in accordance with the output of the first voltage comparison circuit. Since the on or off timing is determined, the pulse width of the drive switching element is turned off and on according to the output voltage. Therefore, when the output current is small, the switching frequency can be reduced to avoid a reduction in efficiency due to the through current, and when the input voltage is reduced, the pulse width of the drive signal is narrowed, so the input voltage is considerably reduced. Also, a desired output voltage can be obtained.
ここで、望ましくは、前記タイミング決定手段は、前記第1の電圧比較回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオフタイミングを決定し、前記第2の電圧比較回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオンタイミングを決定するように構成する。これにより、出力電圧および出力電流に応じてスイッチング周波数および駆動信号のパルス幅を可変制御できる制御ループを容易に構築することができる。 Preferably, the timing determining unit determines an off timing of the driving switching element based on an output of the first voltage comparison circuit, and the driving based on an output of the second voltage comparison circuit. The on-timing of the switching element is determined. Thereby, it is possible to easily construct a control loop that can variably control the switching frequency and the pulse width of the drive signal in accordance with the output voltage and the output current.
また、望ましくは、前記タイミング決定手段は、前記第1の電圧比較回路の出力がリセット端子またはセット端子に入力され、前記第1の電圧比較回路の出力がセット端子またはリセット端子に入力されたフリップフロップ回路により構成する。これにより、駆動用スイッチング素子のオンタイミングとオフタイミングを決定できる回路を、簡単な回路で実現することができ、設計が容易になる。 Preferably, the timing determination unit is a flip-flop in which the output of the first voltage comparison circuit is input to a reset terminal or a set terminal, and the output of the first voltage comparison circuit is input to a set terminal or a reset terminal. It is configured by a circuit. As a result, a circuit capable of determining the on-timing and off-timing of the driving switching element can be realized with a simple circuit, and the design becomes easy.
さらに、望ましくは、前記波形生成回路の放電手段は電界効果トランジスタにより構成され、該トランジスタは、前記第2の電圧比較回路の出力によってオン、オフ制御され前記容量素子の充電電荷を放電可能に構成する。これにより、トランジスタ1つと容量素子1つとで波形生成回路を構成することができ、回路設計が容易になるとともに、占有面積を低減しIC化する場合にはチップサイズを小さくすることができる。 Further preferably, the discharge means of the waveform generating circuit is configured by a field effect transistor, and the transistor is controlled to be turned on and off by the output of the second voltage comparison circuit so that the charge of the capacitive element can be discharged. To do. As a result, a waveform generation circuit can be configured with one transistor and one capacitor, which facilitates circuit design and reduces the chip size when the occupied area is reduced to form an IC.
また、望ましくは、出力電流に比例した電流を流す前記電流生成回路は、平滑用コンデンサと出力端子との間に接続された検出用抵抗の両端子の電圧を入力とし、該電圧に応じた電流を出力する電圧−電流変換回路により構成する。これにより、出力電流に比例した電流を正確に制限してスイッチング制御の精度を向上させることができる。 Preferably, the current generation circuit for supplying a current proportional to the output current receives the voltage of both terminals of the detection resistor connected between the smoothing capacitor and the output terminal as an input, and a current corresponding to the voltage. Is constituted by a voltage-current conversion circuit which outputs Thereby, the current proportional to the output current can be accurately limited to improve the accuracy of the switching control.
さらに、望ましくは、前記波形生成回路に所定の電流を流し込む定電流源と、前記波形生成回路に前記定電流源からの電流または前記電圧−電流変換回路からの出力電流のいずれかを選択して供給可能な電流切替え手段とを設ける。これにより、重負荷時には定電流源の電流を使用して固定周波数の波形信号を生成することでPWM制御を行い、軽負荷時には電圧−電流変換回路からの出力電流を使用して波形信号を生成することで周波数およびパルス幅の可変制御を行うことが可能となり、重負荷時および軽負荷時のいずれの状態における効率も向上させることができる。 Further, preferably, a constant current source for supplying a predetermined current to the waveform generation circuit, and either a current from the constant current source or an output current from the voltage-current conversion circuit is selected for the waveform generation circuit. Supplyable current switching means is provided. As a result, PWM control is performed by generating a fixed frequency waveform signal using the current of the constant current source under heavy load, and waveform signal is generated using the output current from the voltage-current conversion circuit at light load. By doing so, it becomes possible to perform variable control of the frequency and pulse width, and it is possible to improve the efficiency in both the heavy load state and the light load state.
さらに、望ましくは、前記波形生成回路に常時所定の電流を流し込む定電流源を備えるようにする。これにより、出力電流が非常に少ない場合にも波形生成回路によって波形信号を生成することができ、軽負荷時における安定した動作が保証されるようになる。 Further, preferably, a constant current source that constantly feeds a predetermined current to the waveform generation circuit is provided. As a result, even when the output current is very small, a waveform signal can be generated by the waveform generation circuit, and a stable operation at a light load can be ensured.
本発明に従うと、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、負荷が軽くなった場合の電力効率を向上させることができるとともに、従来に比べてより低い入力電圧範囲まで所望の出力電圧が得られるという効果がある。 According to the present invention, in a switching regulator type DC-DC converter, it is possible to improve the power efficiency when the load is reduced, and to obtain a desired output voltage in a lower input voltage range than in the past. There is an effect.
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明を適用したスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータの一実施形態を示す。 FIG. 1 shows an embodiment of a switching regulator type DC-DC converter to which the present invention is applied.
この実施形態のDC−DCコンバータは、インダクタとしてのコイルL1、直流入力電圧Vinが印加される電圧入力端子INと上記コイルL1の一方の端子との間に接続されコイルL1に電流を流すPチャネルMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)からなるスイッチング素子としての駆動用トランジスタSW1、電圧入力端子INと接地点との間にSW1と直列に接続されたNチャネルMOSFETからなる整流用トランジスタSW2、これらのトランジスタSW1,SW2をオン、オフ制御するスイッチング制御回路20、上記コイルL1の他方の端子と接地点との間に接続された平滑用コンデンサC1を備える。
The DC-DC converter of this embodiment includes a coil L1 serving as an inductor, a voltage input terminal IN to which a DC input voltage Vin is applied, and one terminal of the coil L1, and a P channel for passing a current through the coil L1. A driving transistor SW1 as a switching element composed of a MOSFET (insulated gate field effect transistor), a rectifying transistor SW2 composed of an N-channel MOSFET connected in series with SW1 between the voltage input terminal IN and the ground point, A switching
特に限定されるものではないが、DC−DCコンバータを構成する素子のうち、コイルL1および平滑用コンデンサC1以外の素子は半導体チップ上に形成され、スイッチング制御回路20およびトランジスタSW1,SW2は半導体集積回路(電源駆動用IC)として構成され、コイルL1およびコンデンサC1はこのICに設けられている外部端子に外付け素子として接続されるようになっている。
Although not particularly limited, among the elements constituting the DC-DC converter, elements other than the coil L1 and the smoothing capacitor C1 are formed on a semiconductor chip, and the switching
この実施形態のDC−DCコンバータにおいては、トランジスタSW1とSW2を相補的にオン、オフさせるような駆動信号がスイッチング制御回路20により生成されるようになっており、定常状態では、駆動用トランジスタSW1がオンされるとコイルL1に直流入力電圧Vinが印加されて出力端子へ向かう電流が流されて平滑用コンデンサC1が充電され、駆動用トランジスタSW1がオフされると代わって整流用トランジスタSW2がオンされ、このオンされたトランジスタSW2を通してコイルL1に電流が流される。そして、SW1の制御端子(ゲート端子)に入力される駆動信号のパルス幅が出力電圧に応じて制御されることで、直流入力電圧Vinを降圧した直流出力電圧Voutが発生される。
In the DC-DC converter of this embodiment, the switching
この実施形態のスイッチング制御回路20は、電圧フィードバック端子FBと接地点との間に直列に接続され抵抗比で出力電圧Voutを分圧するブリーダ抵抗R1,R2と、このブリーダ抵抗R1,R2で分圧された電圧と参照電圧Vref1とを比較して電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ21と、該誤差アンプ21の出力が反転入力端子に入力される第1コンパレータ22と、該コンパレータ22の非反転入力端子に入力される鋸歯状の波形信号RAMPを生成する波形生成回路23を有する。
The switching
また、スイッチング制御回路20は、波形生成回路23の出力が非反転入力端子に入力され反転入力端子に参照電圧Vref2が入力される第2コンパレータ24と、該第2コンパレータ24の出力がセット端子に入力され前記第1コンパレータ22の出力がリセット端子に入力されたRSフリップフロップ25と、該フリップフロップ25の出力を受けて上記スイッチトランジスタSW1,SW2をオン、オフするゲート駆動信号GP1,GP2を生成する駆動制御回路26を有する。駆動制御回路26は、スイッチトランジスタSW1とSW2が同時にオン状態になって貫通電流が流れないように、いわゆるデッドタイムを有するゲート駆動信号GP1,GP2を生成して出力するように構成するのが望ましい。
The switching
さらに、この実施形態のスイッチング制御回路20は、コイルL1と出力端子OUTとの間に接続された電流検出用の抵抗Rsの両端子の電圧を入力とし、出力端子OUTに接続された負荷に向かって出力される電流を検出して、負荷電流ILに比例した電流を生成する電流検出用アンプ27とを有する。電流検出用アンプ27は、例えばgmアンプなどで構成され、電圧−電流変換回路として機能する。
Furthermore, the switching
波形生成回路23は、上記第1コンパレータ22および第2コンパレータ24の非反転入力端子と接地点との間に接続された容量C2と、該容量C2と並列に接続されたディスチャージ用のNチャネルMOSトランジスタSW3とにより構成されている。そして、このトランジスタSW3のゲート端子に上記第2コンパレータ24の出力端子が接続され、容量C2とトランジスタSW3との接続ノードN2に上記電流検出用アンプ27の出力端子が接続されている。
The
これにより、波形生成回路23は、トランジスタSW3が第2コンパレータ24の出力によってオフ状態にされると電流検出用アンプ27の出力電流によって容量C2が充電されてノードN2の電位V2が上昇し、ノードN2の電位V2が参照電圧Vref2に達すると第2コンパレータ24の出力がハイレベルに変化してトランジスタSW3がオンされる。その結果、容量C2の電荷が放電されてノードN2の電位V2が急峻に立ち下がり、V2は図2(B)のように鋸歯状に変化する波形となる。この鋸波が第1コンパレータ22および第2コンパレータ24の非反転入力端子に供給されている。ノードN2の電位V2の上昇時の波形の傾きは、電流検出用アンプ27の出力電流すなわち負荷電流ILに比例しており、ILが大きいほど傾きは急峻で、ILが小さいほど傾きは緩やかになる。
As a result, when the transistor SW3 is turned off by the output of the
次に、上記スイッチング制御回路20の動作を、図2のタイミングチャートを用いて説明する。なお、図2(B)において、Verrorで示されているのは、誤差アンプ21の出力電圧であり、この電圧Verrorと上記ノードN2の電位V2が第1コンパレータ22に入力されている。
Next, the operation of the switching
図2(A)に示す期間T1,T3のように、負荷電流ILが小さいときは図2(B)のようにノードN2の電位V2が徐々に上昇し、V2が誤差アンプ21の出力電圧Verrorを超えると、図2(C)のように第1コンパレータ22の出力がロウレベルからハイレベルに変化して、RSフリップフロップ25がリセットされ、図2(E)のようにゲート駆動信号GP1がロウレベルからハイレベルに変化する(タイミングt1)。
When the load current IL is small as in the periods T1 and T3 shown in FIG. 2A, the potential V2 of the node N2 gradually increases as shown in FIG. 2B, and V2 is the output voltage Verror of the
その後、ノードN2の電位V2がさらに上昇して第2コンパレータ24の判別レベルである参照電圧Vref2に達すると、第2コンパレータ24の出力がハイレベルに変化して、RSフリップフロップ25がセットされ、ゲート駆動信号GP1がハイレベルからロウレベルに変化する(タイミングt2)。また、このとき同時にトランジスタSW3がオンされ、容量C2を放電することによりノードN2の電位V2が急峻に立ち下がる。
Thereafter, when the potential V2 of the node N2 further rises and reaches the reference voltage Vref2 which is the discrimination level of the
すると、第1コンパレータ22の出力がハイレベルからロウレベルに変化する。また、第2コンパレータ24の出力もロウレベルに変化するため、図2(D)のように短いパルス状の波形となる。上記動作を繰り返すことにより、駆動用トランジスタSW3がオンとオフを繰り返すスイッチング動作される。また、整流用トランジスタSW2は駆動制御回路26から出力されるGP1とほぼ同相の駆動信号GP2によって、SW1と相補的にオン、オフ駆動される。
Then, the output of the
図2(A)に示す期間T2のように、負荷電流ILが大きいときは回路の動作自体は上記ILが小さいときと同じであるが、電流検出用アンプ27の出力電流が多くなるため、ノードN2の電位V2の傾きが大きくなる。その結果、駆動用トランジスタSW1のゲート駆動信号GP1のパルス幅が狭くなるが、同時に周期も狭くなり、駆動用トランジスタSW1がオン、オフ駆動される。
As in the period T2 shown in FIG. 2A, when the load current IL is large, the operation of the circuit itself is the same as when the IL is small. However, since the output current of the
また、図2からは明らかでないが、負荷が変動して出力電圧Voutが変化すると、それに応じて誤差アンプ21の出力Verrorが変化することで、ゲート駆動信号GP1のパルス幅が変化される。具体的には、例えば図2(B)に破線Fで示すように、誤差アンプ21のVerrorが高くなったとすると、第1コンパレータ22の出力のパルス幅が狭くなって、ゲート駆動信号GP1のハイレベルの期間すなわち駆動用トランジスタSW1のオフ期間が短くなる。逆に、誤差アンプ21のVerrorが低くなったとすると、第1コンパレータ22の出力のパルス幅が広くなって、ゲート駆動信号GP1のハイレベルの期間すなわち駆動用トランジスタSW1のオフ期間が長くなる。
Although not apparent from FIG. 2, when the load fluctuates and the output voltage Vout changes, the output Verror of the
上記のように、本実施形態のDC−DCコンバータにおいては、負荷の変動に応じて駆動信号のパルスの周期およびパルス幅の両方の制御が行なわれることとなる。そのため、例えば入力電圧が下がった場合にも、デューティが制限されるようなことがなく、また負荷電流が小さい場合にはスイッチング周波数が下がることにより、スイッチング回数が減少し貫通電流による効率の低下が回避されるようになる。また、負荷が増加するとスイッチング周波数が高くなるため、リップル(出力電圧の変動)が小さくなるという利点もある。 As described above, in the DC-DC converter according to this embodiment, both the pulse period and pulse width of the drive signal are controlled in accordance with the load variation. For this reason, for example, even when the input voltage decreases, the duty is not limited, and when the load current is small, the switching frequency decreases, thereby reducing the number of switching and reducing the efficiency due to the through current. It will be avoided. In addition, since the switching frequency increases as the load increases, there is an advantage that ripples (changes in output voltage) are reduced.
次に、上記実施形態のDC−DCコンバータの変形例を、図3〜図5を用いて説明する。 Next, modified examples of the DC-DC converter of the above embodiment will be described with reference to FIGS.
図3〜図5のうち図3に示す変形例は、図1の実施形態におけるスイッチング制御回路20を構成する各回路ブロックの他に、発振回路OSCおよび該発振回路から出力される発振信号に基づいて固定周波数の鋸波もしくは三角波のような波形信号RAMPを生成する第2の波形生成回路28と、該波形生成回路28または前記波形生成回路23から出力される波形信号のいずれかを選択して前記第1のコンパレータ22に供給するセレクタ29aと、前記発振回路から出力される固定周波数の波形信号または第2コンパレータ24の出力のいずれかを選択して前記フリップフロップ25に供給するセレクタ29bとを設けたものである。
3 to 5 is based on the oscillation circuit OSC and the oscillation signal output from the oscillation circuit, in addition to the circuit blocks constituting the switching
セレクタ29aと29bは、外部のCPUなどの制御回路から供給される切替え制御信号CNTによって制御され、セレクタ29aが波形生成回路28から出力される波形信号を選択しているときは、セレクタ29bも発振回路から出力される固定周波数の波形信号を選択する(第1モード)。また、セレクタ29aが波形生成回路23から出力される波形信号を選択しているときは、セレクタ29bは第2コンパレータ24の出力を選択するように切替えが行なわれる(第2モード)。
The
この第2モードでは、スイッチング制御回路20は図1の実施形態の制御回路と全く同じ動作をし、周波数およびパルス幅が出力電圧に応じて変化する可変パルスで駆動される。一方、第1モードでは、図6に示されているPWM/PFM切替え方式のDC−DCコンバータにおけるPWM制御モードと同様な動作をし、駆動用トランジスタSW1は周波数が固定でパルス幅が出力電圧に応じて変化するPWMパルスで駆動される。
In this second mode, the switching
従って、例えばシステム全体を制御するCPUが、負荷が軽くなったことを検出して切替え制御信号CNTを変化させ、PWM制御モード(第1モード)からコンパレータ24の出力を使用する第2モードに切り替えることで、スイッチング周波数およびパルス幅が負荷に応じて変化するように制御して、軽負荷時における効率を向上させるように動作させることができる。
Therefore, for example, the CPU that controls the entire system detects that the load has been reduced, changes the switching control signal CNT, and switches from the PWM control mode (first mode) to the second mode that uses the output of the
また、上記実施形態では、セレクタ29a,29bを外部から入力される切替え制御信号CNTによって切り替えるようにしているが、入力電圧Vinが所定のレベル以下になったか否かを検出する入力電圧検出回路を設け、入力電圧Vinが所定のレベル以上の場合は波形生成回路28から出力される波形信号を選択し、入力電圧Vinが所定のレベル以下になった場合には波形生成回路23から出力される波形信号を選択するように構成しても良い。
In the above embodiment, the
図4は、図1のDC−DCコンバータの第2の変形例を示す。 FIG. 4 shows a second modification of the DC-DC converter of FIG.
この変形例は、所定の電流を流す定電流源30と、前記波形生成回路23の充放電ノードN2に電流検出用アンプ27から出力される電流または定電流源30の電流のいずれを流し込むか選択するセレクタ29と、を設けたものである。セレクタ29が電流検出用アンプ27から出力される電流を選択するように切替えがなされた場合には、スイッチング制御回路20は図1の実施形態の制御回路と全く同じ動作をし、駆動用トランジスタSW1は周波数およびパルス幅が出力電圧に応じて変化する可変パルスで駆動される。
In this modification, a constant
一方、セレクタ29が定電流源30から供給される電流を選択するように切替えがなされた場合には、波形生成回路23において生成される波形は定電流源の電流の大きさと容量C2の容量値によって決まる一定の周波数の鋸波となりこれが第1コンパレータ22に入力されるので、スイッチング制御回路20はPWM制御モードとして動作をし、駆動用トランジスタSW1は周波数が固定でパルス幅が出力電圧に応じて変化するPWMパルスで駆動されることとなる。
On the other hand, when the
本実施形態のDC−DCコンバータにおいても、セレクタ29は外部から入力される切替え制御信号CNTによって切り替えられてもよいし、チップ内部に入力電圧検出回路を設けて入力電圧Vinに応じて自動的にセレクタ29を切り替えるように構成しても良い。
Also in the DC-DC converter of this embodiment, the
図5は、図1のDC−DCコンバータの第3の変形例を示す。 FIG. 5 shows a third modification of the DC-DC converter of FIG.
この変形例は、前記波形生成回路23の充放電ノードN2に常時比較的小さな所定のオフセット電流を流し込む定電流源30を設けたものである。定電流源30からの電流が常にオフセット電流として波形生成回路23に流し込まれることで、電流検出用アンプ27からの電流がほとんどない場合すなわち負荷電流が非常に少ない場合にも波形生成回路23によって波形信号を生成することができ、軽負荷時における安定した動作が保証されるようになるという利点がある。
In this modification, a constant
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、出力電流(負荷電流IL)に比例した電流を流す回路として、コイルと直列に接続されたセンス抵抗Rsの端子間電圧から出力電流の大きさを検出する電流検出用アンプ27を用いているが、スイッチング素子SW1とカレントミラー接続されたトランジスタを設けて、出力電流に比例した電流を得るように構成してもよい。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the embodiment, as a circuit for passing a current proportional to the output current (load current IL), a current detection amplifier that detects the magnitude of the output current from the voltage across the terminals of the sense resistor Rs connected in series with the coil. 27 is used, a transistor connected to the switching element SW1 and a current mirror may be provided to obtain a current proportional to the output current.
また、前記実施形態では、スイッチング素子SW1,SW2としてオンチップの素子を使用するとしたが、制御回路と別個に形成された外付け素子を使用するようにしても良い。さらに、前記実施形態では、駆動用トランジスタSW1と直列に整流用トランジスタSW2を接続してSW1と相補的にオン、オフさせる同期整流型のDC−DCコンバータを示したが、整流用トランジスタSW2の代わりにダイオードを使用したダイオード整流型のDC−DCコンバータに適用することも可能である。 In the above embodiment, on-chip elements are used as the switching elements SW1 and SW2. However, external elements formed separately from the control circuit may be used. Furthermore, although the synchronous rectification type DC-DC converter in which the rectification transistor SW2 is connected in series with the drive transistor SW1 and is turned on and off complementarily with the SW1 is shown in the above embodiment, the rectification transistor SW2 is used instead. It is also possible to apply to a diode rectification type DC-DC converter using a diode.
さらに、前記実施形態では、フリップフロップ23としてセット端子とリセット端子を有するRSフリップフロップを使用しているが、他の形式のフリップフロップであってもよいし、駆動制御回路26の論理を工夫することで第1コンパレータ22の出力をセット端子に入れ、第2コンパレータ24の出力をリセット端子に入れるように構成することも可能である。
Further, in the embodiment, an RS flip-flop having a set terminal and a reset terminal is used as the flip-
また、以上の説明では、本発明を降圧型のDC−DCコンバータに適用した例を説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、昇圧型のDC−DCコンバータや負電圧を発生する反転型のDC−DCコンバータにも適用することができる。 In the above description, the present invention is applied to a step-down DC-DC converter. However, the present invention is not limited thereto, and a step-up DC-DC converter or a negative voltage is generated. The present invention can also be applied to an inverting DC-DC converter.
20 スイッチング制御回路
21 誤差アンプ
22 第1コンパレータ
23 波形生成回路
24 第2コンパレータ
25 フリップフロップ
26 駆動制御回路
27 電流検出用アンプ
28 第2波形生成回路
29 セレクタ
30 定電流源
L1 コイル(インダクタ)
C1 平滑容量
SW1 コイル駆動用トランジスタ(駆動用スイッチング素子)
SW2 同期整流用トランジスタ(整流用スイッチング素子)
20
C1 Smoothing capacitor SW1 Coil driving transistor (driving switching element)
SW2 Synchronous rectifier transistor (rectifier switching element)
Claims (8)
出力電圧に応じた電圧を出力する誤差増幅回路と、
出力電流に比例した電流を流す電流生成回路と、
該電流生成回路より出力された電流によって充電される容量素子および該容量素子の充電電荷を放電可能な放電手段を有し前記出力電流の大きさに応じた傾きを有する波形信号を生成する波形生成回路と、
前記誤差増幅回路の出力と前記波形生成回路の出力とを入力とする第1の電圧比較回路と、
前記波形生成回路の出力と所定の電圧とを比較する第2の電圧比較回路と、
前記第1の電圧比較回路の出力および前記第2の電圧比較回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオンタイミングおよびオフタイミングを決定するタイミング決定手段と、
該タイミング決定手段の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子のオフ、オン駆動信号を生成する駆動制御回路と、
を備えることを特徴とするスイッチング制御回路。 A switching control circuit that generates and outputs an off / on driving signal of a driving switching element that causes a current to flow through an inductor for voltage conversion,
An error amplification circuit that outputs a voltage corresponding to the output voltage;
A current generation circuit for supplying a current proportional to the output current;
Waveform generation for generating a waveform signal having a capacitance element charged by the current output from the current generation circuit and a discharge means capable of discharging the charge of the capacitance element and having a slope corresponding to the magnitude of the output current Circuit,
A first voltage comparison circuit that receives the output of the error amplification circuit and the output of the waveform generation circuit;
A second voltage comparison circuit for comparing the output of the waveform generation circuit with a predetermined voltage;
Timing determining means for determining an on timing and an off timing of the driving switching element based on an output of the first voltage comparison circuit and an output of the second voltage comparison circuit;
A drive control circuit for generating an off / on drive signal for the drive switching element based on an output of the timing determining means;
A switching control circuit comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009024592A JP2010183723A (en) | 2009-02-05 | 2009-02-05 | Dc-dc converter and switching control circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009024592A JP2010183723A (en) | 2009-02-05 | 2009-02-05 | Dc-dc converter and switching control circuit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010183723A true JP2010183723A (en) | 2010-08-19 |
Family
ID=42764796
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009024592A Pending JP2010183723A (en) | 2009-02-05 | 2009-02-05 | Dc-dc converter and switching control circuit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010183723A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012125069A (en) * | 2010-12-09 | 2012-06-28 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Power supply control circuit, electronic device and power supply control method |
US9024612B2 (en) | 2011-12-19 | 2015-05-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Buck converter having pulse skipping mode and related method of operation |
CN105245098A (en) * | 2014-07-02 | 2016-01-13 | 南京博兰得电子科技有限公司 | Pulse frequency modulator for power supply converter and modulation method |
CN111541371A (en) * | 2020-05-09 | 2020-08-14 | 湖南省计量检测研究院 | Direct current electric energy generation circuit for new energy application |
JP2020193397A (en) * | 2019-05-24 | 2020-12-03 | 工機ホールディングス株式会社 | Electrical equipment |
WO2021140833A1 (en) * | 2020-01-09 | 2021-07-15 | ローム株式会社 | Switching power supply device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0928077A (en) * | 1995-07-13 | 1997-01-28 | Fujitsu Ltd | Switching regulator |
JP2001169536A (en) * | 1999-12-02 | 2001-06-22 | Olympus Optical Co Ltd | Battery driven lighting source for endoscope |
JP2006149067A (en) * | 2004-11-18 | 2006-06-08 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | Dc-dc converter |
JP2006254577A (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Dc-dc converter |
-
2009
- 2009-02-05 JP JP2009024592A patent/JP2010183723A/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0928077A (en) * | 1995-07-13 | 1997-01-28 | Fujitsu Ltd | Switching regulator |
JP2001169536A (en) * | 1999-12-02 | 2001-06-22 | Olympus Optical Co Ltd | Battery driven lighting source for endoscope |
JP2006149067A (en) * | 2004-11-18 | 2006-06-08 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | Dc-dc converter |
JP2006254577A (en) * | 2005-03-10 | 2006-09-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Dc-dc converter |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012125069A (en) * | 2010-12-09 | 2012-06-28 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Power supply control circuit, electronic device and power supply control method |
US9024612B2 (en) | 2011-12-19 | 2015-05-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Buck converter having pulse skipping mode and related method of operation |
CN105245098A (en) * | 2014-07-02 | 2016-01-13 | 南京博兰得电子科技有限公司 | Pulse frequency modulator for power supply converter and modulation method |
JP2020193397A (en) * | 2019-05-24 | 2020-12-03 | 工機ホールディングス株式会社 | Electrical equipment |
WO2021140833A1 (en) * | 2020-01-09 | 2021-07-15 | ローム株式会社 | Switching power supply device |
CN111541371A (en) * | 2020-05-09 | 2020-08-14 | 湖南省计量检测研究院 | Direct current electric energy generation circuit for new energy application |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5381014B2 (en) | DC-DC converter | |
JP5771982B2 (en) | Switching power supply | |
JP4618339B2 (en) | DC-DC converter | |
JP4720821B2 (en) | DC-DC converter and power supply control semiconductor integrated circuit | |
JP5211959B2 (en) | DC-DC converter | |
JP5504685B2 (en) | Switching regulator and operation control method thereof | |
KR101243595B1 (en) | Multi-output power supply device | |
JP7032648B2 (en) | Semiconductor devices for power supply control, switching power supply devices, and their design methods | |
US8436598B2 (en) | Output-voltage control device, output-voltage control method, and electronic apparatus | |
US20090174384A1 (en) | Switching regulator and method of controlling the same | |
JP5304281B2 (en) | DC-DC converter and switching control circuit | |
US20120105031A1 (en) | Switching power-supply unit | |
JP2010183722A (en) | Dc-dc converter and switching control circuit | |
JP2009148111A (en) | Dc-dc converter | |
JP5098760B2 (en) | DC-DC converter and power supply control semiconductor integrated circuit | |
JP4734382B2 (en) | Integrated circuit for DC-DC converter | |
US20120306466A1 (en) | Step-up dc-dc converter | |
JP2010273447A (en) | Switching power supply device | |
JP5955294B2 (en) | Switching power supply | |
JP2010183723A (en) | Dc-dc converter and switching control circuit | |
JP4487649B2 (en) | Control device for step-up / step-down DC-DC converter | |
KR20080051404A (en) | Variable mode converter control circuit and half-bridge converter having the same | |
JP2012029415A (en) | Dc-dc converter and switching control circuit | |
JP4337060B2 (en) | Switching power supply device and its control device | |
JP6455180B2 (en) | Power supply control semiconductor device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20111114 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130206 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130212 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20130611 |