JP2010506552A - 制御されたダイオード導通を用いた低雑音dc/dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はDC/DC変換及び電圧調整に用いられるスイッチング電源の設計、動作及び性能、並びにかかる変換器に用いられる半導体部品に関する。
電圧調整は、デジタルIC、半導体メモリ、ディスプレーモジュール、ハードディスクドライブ、無線回路、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、及びアナログICのような様々なマイクロエレクトロニクス部品へ電力供給する電源電圧、特に、携帯電話機、ノート型コンピュータ、及び消費者製品のような電池を電源とする応用機器における、電源電圧の変動を防止するのに通常必要とされる。
上述の電圧レギュレータの中で、誘導型スイッチングコンバータは、最も広い範囲の電流、入力電圧及び出力電圧にわたって、優れた性能を達成することができる。DC/DC誘導型スイッチングコンバータの基本原理は、インダクタ(コイル又は変圧器)の電流は瞬間的に変化することができない点、及びインダクタは自身の電流の変化を妨げる逆起電圧を生成する点にある。
舞う。
図1Aに、バックコンバータ1における一般的な非絶縁型降圧DC/DCコンバータの構成を示す。バックコンバータ1は、電力用MOSFET4、インダクタ6、ショットキーダイオード7、及びキャパシタ9を含んでいる。MOSFET4は、その正端子が入力電池電圧Vbattに接続されることにより、インダクタ6に接続してその電流を制御する「高電位側」スイッチのように動作する。MOSFET4の動作は、パルス幅変調(PWM)コントローラ2によって制御され、ゲートバッファ3によってMOSFET4のゲートが駆動される。電力用MOSFET4は、ゲートバッファ3に適合するPチャネル又はNチャネル型MOSFETであって良い。ダイオード5は、MOSFET4に寄生するPN接合であり、ドレインとソースとに並列の関係にあり、かつ通常動作条件の下で、ダイオード5が逆バイアスを掛けられる極性で接続されている。
圧VDSはVGSよりも低くなる。これが起こるときには、MOSFET4は飽和を脱し、線形動作領域、すなわちIDがVDSと線形な関係を示す動作状態に移行し、MOSFET4はゲート制御型可変抵抗のように振る舞う。結果としての電圧変化dVx/dtは、回路の寄生容量及びインダクタンスと、ショットキーダイオード7の逆回復の特性に依存する。高い遷移速度によって、リンギングが発生し得て、伝導及び放射雑音が生じ、それに伴う電磁干渉が生じる。回路、特にショットキーダイオード7に関連した浮遊インダクタンスの結果として、リンギングによって入力電圧Vbattを超えるオーバシュートが生じる可能性があり、通常オフ状態にある寄生ダイオード5のPN接合が不都合にも順バイアスされる恐れがある。
バックコンバータの代替バージョンであって、同期型バックコンバータとして知られるものは、ショットキー整流ダイオードを電力型MOSFETに置き換えるものであり、当該電力型MOSFETは、他方の電力型MOSFETがオフするときには何時でも導通するように同期し、すなわち制御される。従って同期型バックコンバータは、インダクタを駆動するようにハーフブリッジ又はプッシュプル出力回路として構成された2つの電力型MOSFETを要し、低電位側又は接地接続側の同期型整流MOSFETは、高電位側電力用MOSFETがオフする時にオンする。
により、貫通導通を防止する。この短いBBM期間に、ダイオード29は、キャパシタ30と共に、インダクタ27を流れる電流ILを通さなければならない。導通前遮断期間は、全1周期のうちに2度現れ、1度目は、高電位側MOSFET25がオフした直後で同期型整流MOSFET28がオンする前の過渡期であり、2度目は、同期型整流MOSFET28がオフし、かつ高電位側MOSFET25がオンする直前である。従来技術による同期型バックコンバータでは、同期型整流MOSFET28は、導通前遮断期間に導通することはない。
導通前遮断期間tBBMの間、低電位側同期型整流MOSFET28を初めにオフすることを伴っており、この期間には、MOSFET25と28の双方が「オフ」し、図3Bに点43で例示するように、順導通整流ダイオード29の電圧を一時的に−Vfの値に復帰させる。これは、図2Bの時刻t3と時刻t4の間の期間で生じる。
さの瞬間的な電力を消費するからである。この損失は、MOSFETのスイッチング又は「クロスオーバ」損失Pxoverと、称されることがある。全電力はPxoverの時間積分であるから、MOSFET25がVDS≒Vbattというこの状態に留まる時間を制限するのが最も効果的である。不都合なことにダイオード29は、回復が殆ど完了するまでVDSが低下するのを妨げる。
ダイオード29の回復の後、Vxは上昇し、高電位側MOSFET25のドレイン−ソース間電圧は、当該トランジスタが最終的に線形すなわち可変抵抗動作モードに移行するのに伴って減少する。インダクタ27の励磁が再び始まり、周期があらためて開始する。
MOSFETハーフブリッジ、すなわち同期型バックコンバータのようにインダクタを駆動するプッシュプル段を備えるスイッチモード回路では、2つの重要な要因を考慮しなければならない。第1に、双方のMOSFETは、電源の入力を短絡させることなしには、オン状態スイッチとして同時に動作することができない。この第1の考慮事項を実用上実現するには、通常は、別のMOSFETをオンする、すなわち接続を「閉じる」前に、オン状態にあるMOSFETスイッチをオフする、すなわち回路を遮断するシーケンス回路を用いて、双方のMOSFETスイッチが同時にはオンすることのないように保証される。このような導通前遮断(BBM)回路は、「貫通」防止、クロスオーバ防止、むだ時間制御、等々としても知られており、各スイッチング過渡状態が、全てのスイッチがオフし、中間接続部がこれらのスイッチによって定まらない電圧に「浮遊する」中間状態を含んでいることを意味する。
図4Bでは、回路60は高電位側MOSFET25がオンした直後のコンバータ20を表している。ゲート電圧が順調に上昇する飽和状態にある装置として、MOSFET25は、比較的一定したdl/dtと逆バイアスダイオード55とを生成する被制御電流源61として表されている。しかしVxが上昇し得るためにはその前に、整流ダイオード29に蓄積される全ての電荷は空乏化されなければならない。この蓄積電荷は、キャパシタ56で表される空乏容量と、「拡散容量」と称される「現実の」接合ダイオード55に蓄積される少数キャリアとの双方を含んでいる。過渡電流iCは、拡散容量56を放電するのに要する電流を表すが、電流iRRは、拡散容量を克服し、ダイオード56の順バイアスをオフするのに要する逆回復電荷を表している。
している。低電位側ダイオード29と同期型整流MOSFET28とは、ここではオフ状態にあり、実質的にゼロである漏れ電流IDSSを示す開いたスイッチ75で表されている。
OSFET102と並列の関係にあるPN接合を表している。
6が導通を開始するときまでには、導通前遮断期間は終了しており、高電位側MOSFET141は導通しており、Vxでの電圧は既に上昇しており、強制ダイオード回復は既に始まっている。
DC/DCコンバータを最適化する上での別の要因は、低出力電力状態、すなわち負荷が通常動作時よりも1又は2桁低い大きさの電流を引き込むときの効率、動作安定性、及び雑音挙動である。
、低電位側MOSFETを遮断することによって妨げられる。
PNダイオードの制御されない電荷蓄積に伴う同様の問題が、同期型ブーストコンバータで発生する。図11に示す同期型ブーストコンバータ190は、Nチャネル型低電位側電力用MOSFET191と、電池に接続されたインダクタ193と、「浮遊」同期型整流MOSFET192とを含んでおり、MOSFET191及び192のゲートは、導通前遮断回路195によって駆動され、コンバータ90の出力からのフィードバック電圧VFBであって、フィルタキャパシタ194に存する電圧に応じて、PWMコントローラ196により制御される。同期型整流MOSFET192は、そのソース及びドレイン端子が電源電圧、すなわち接地又はVbattのいずれにも恒久的には接続されてはいないという意味で、「浮遊」しているものと考えられる。
ない。ダイオード197が逆バイアスされ、ダイオード回復へ強制されるようになると、曲線216及び217で示すように、その電流は急速に減少し、オーバシュートし、かつ向きを逆転させる。これは、図5で先に述べた同じ逆回復終息特性と一致する。強制ダイオード回復は、図12AにVx遷移205で示すように、高いdV/dtをもたらし、さらに電圧のオーバシュート及びリンギング206をもたらし、それにより、順バイアスダイオード198を瞬間的に接地電位よりも低く引き下げ、危険にさらす可能性すら存する。高いスルーレートと電圧のオーバシュートとの結果、相当の雑音及びEMIが発生する。
全負荷動作では、同期型バック及び同期型ブーストコンバータにおけるダイオード導通は、望ましからぬ電荷蓄積、急速な遷移挙動、及び強制ダイオード回復による雑音をもた
らす。高いスルーレートも又、誤った導通を引き起こしたり、基板雑音をもたらすことにより、変位電流誘起型のCMOSラッチアップを誘発したりする恐れがある。CMOSラッチアップは、損傷を起こす恐れのある状態であって、集積回路は制御不能となり、寄生的なPNPNサイリスタが導通することによって大きな電流が流れる。
本発明によるDC/DCコンバータは、1対のMOSFETとインダクタとを含んでいる。当該DC/DCコンバータは、バックコンバータ又はブーストコンバータを備えてい
ても良い。バックコンバータは、入力電源電圧にまたがる直列導電経路に接続された高電位側MOSFET及び低電位側同期型整流MOSFETと、これら2つのMOSFETの共通の接続部とコンバータの出力端子との間の導電経路に接続されたインダクタとを含んでいる。この同期型整流MOSFETは、アノードが負の電源電圧に接続されて、そのドレイン−ソース端子に並列の関係となるPN接合ダイオードを含んでいる。ブーストコンバータは、入力電源電圧にまたがる直列導電経路に接続されたインダクタ及び低電位側MOSFETと、インダクタと低電位側MOSFETとの共通の接続部とコンバータの出力端子との間の導電経路に接続された浮遊同期型整流MOSFETとを含んでいる。この同期型整流MOSFETは、カソードがコンバータの出力端子に接続されて、そのドレイン−ソース端子に並列の関係となるPN接合ダイオードを含んでいる。いずれのタイプのコンバータも、代表的には、出力端子と接地端子とにまたがるキャパシタを含んでいる。
電圧に比較的依存しないように維持する。
本発明の1つの実施形態によれば、低減された雑音と改善された効率とを有するDC/DCスイッチング変換及び電圧調節の新たな方法は、オフすることがなく、その代わりに、低抵抗高電流状態と、低電流被制御電流源モードとの間で交替する同期型整流MOSFETを用いる。特に、導通前遮断動作時及び軽負荷状態時に同期型整流器を完全にはオフさせないことによって、一瞬間に順バイアスされるPNダイオードの蓄積電荷に関係して、効率の喪失、高いdV/dt遷移、望ましからぬ雑音、リンギング、不安定性、及びMOSFETの望ましからぬ導通を含む上述の問題が解消されるか、又は著しく低減される。当該方法は、同期型バック降圧及び同期型ブースト昇圧コンバータの双方に適用可能であり、Nチャネル又はPチャネルMOSFETの何れを備える同期型整流器にも有用である。
本発明によるDC/DCコンバータの動作では、同期型整流MOSFETは、少なくとも2つの状態、すなわち低抵抗高電流状態と、被制御低電流状態との間で交替する。ある実施形態では、同期型整流MOSFETが、例えばゲートをソース電位に接続したり、ゲートを閾値電圧よりも2桁以上低い大きさの電圧にバイアスしたりすることにより、完全にオフするような状態は発生しない。
て、300mAから20アンペアを超える値であり得る。この高伝導性低抵抗状態は、従来の同期型整流DC/DCコンバータの動作と、本発明によるコンバータの動作との双方に存在する。
、というものである。第2の基準は、高電位側MOSFETが高導電性かつ低抵抗状態にバイアスされるときと同時には、低電位側同期型整流MOSFETは高導電性かつ低抵抗状態にバイアスされない、というものである。
本発明による同期型バックコンバータ300の例を図15Aに示す。同期型バックコンバータ300は、電力用MOSFET307、インダクタ310、同期型整流電力用MOSFET308、及び出力フィルタキャパシタ311を含んでいる。MOSFET307の動作は、パルス幅変調(PWM)コントローラ301によって制御され、ゲートバッファ303によってMOSFET307のゲートが駆動される。PWMコントローラ301は、固定周波可変パルス幅動作を暗示するように「PWMコントローラ」と称されるが、それに代えて、可変周波数又はクロック周期が可変のパルス周波変調(PFM)モードで動作しても良く、それに代えて、負荷と入力の条件に依存して、PFMとPWMのモード間で切り替わっても良い。ここで用いられるように、「PWMコントローラ」という用語は、これら全ての選択肢を含むものである。
を制御することにより、インダクタ310の磁界に蓄積されたエネルギーを動的に調節して、出力フィルタキャパシタ311の出力電圧Voutを制御することができる。出力電圧Voutは、フィードバック電圧VFBとしてPWMコントローラ回路301の入力にフィードバックされ、MOSFET307の反復的なスイッチング動作を通じてインダクタ310の電流ILを制御する。
図15Aは、MOSFET308に特定のドレイン電流制限を実現するために同期型整流MOSFET308のゲートにゲートバイアスVGS(BIAS)が印加される例を示している。特定のドレイン電流を生成するのに要するVGS(BIAS)の理論値は、MOSFETの飽和電流についての周知の方程式から決定することができる。すなわち、
態での電力損失が著しく低減される。この例では、差異は少なくとも4桁の大きさである。
オンさせると、同期型整流MOSFET326のゲートがVbattに接続されることによって、カレントミラー333が「短絡」し、MOSFET326が低抵抗スイッチとなる。
RDS(switch)に達する。要約すると、図19Bは、逆ダイオード回復に続いて、中間電圧Vxについて、従来の同期型バックコンバータの中間電圧よりも、dV/dtが小さく及び誤導通効果がないこと(曲線488)を示している。
図21は、軽負荷動作時の本発明によるバックコンバータの等価回路図である。RLCタンク回路600は、空乏容量601で表される低電位側MOSFETと、拡散容量を有するPNダイオード602と、浮遊インダクタンス605と、小信号AC直列抵抗604とを含んでいる。大きさLのインダクタ608は、大きさrcoilの巻線抵抗607を含んでいる。発振タンクは、フィルタキャパシタ609と負荷インピーダンス610とによって完成する。等価的なLC共振周波数は発振の固有周波数を定めるが、減衰定数は等価的なRC時定数によって定まる。PNダイオード602の蓄積電荷も又、高電位側及び低電位側MOSFETの双方がオフしているときに、当該回路の発振挙動に影響を及ぼす。
図24に示す同期型ブーストコンバータ700は、低電位側MOSFET701と、電
池に接続されたインダクタ709と、「浮遊」同期型整流MOSFET708とを含んでおり、MOSFET701と708のゲートは、それぞれゲートバッファ703と706によって駆動される。ゲートバッファ703と706は、BBM回路705により駆動され、フィルタキャパシタ711に存在する出力電圧Voutからの電圧フィードバックVFBに応答して、PWMコントローラ704によって駆動される。同期型整流MOSFET708は、そのソース及びドレイン端子がいずれの電源電圧、すなわち接地又はVbattのいずれにも恒久的には接続されてはいないという意味で、「浮遊」しているものと考えられる。
生成することができ、それはカレントミラーゲート駆動回路、電流フィードバックを有しバイアス電圧を調節するもの、又はMOSFET708を特定の大きさにバイアスするようにトリミングされたバンドギャップ電圧基準回路の何れを含むものであっても良い。
Claims (24)
- スイッチングインダクタ電圧コンバータを用いて第1のDC電圧を第2のDC電圧に変換する方法であって、前記スイッチングインダクタ電圧コンバータは、主MOSFETと、同期型整流MOSFETと、インダクタとを含み、前記方法は、前記同期型整流MOSFETを少なくとも完全オン状態と低電流状態との間で切り替えることを含み、前記同期型整流MOSFETは、前記完全オン状態で0.5Aから5Aの範囲の電流を通し、前記低電流状態で1μAから1mAの範囲の電流を通す、方法。
- 前記主MOSFETがオンする励磁期間と、前記主MOSFETがオフする第1の導通前遮断期間と、前記主MOSFETがオフし前記同期型整流MOSFETが完全オン状態に切り替えられる再循環期間と、前記主MOSFETがオフする第2の導通前遮断期間と、ダイオード回復期間とを含むスイッチングシーケンスで、前記スイッチングインダクタ電圧コンバータを動作させることを含み、前記方法は、前記同期型整流MOSFETを前記第2の導通前遮断期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記同期型整流MOSFETを前記励磁期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記同期型整流MOSFETを前記第1の導通前遮断期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記同期型整流MOSFETを前記ダイオード回復期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記スイッチングインダクタ電圧コンバータを軽負荷状態で動作させることを含み、前記スイッチングシーケンスは、前記再循環期間に続く電流逆転期間を含み、前記方法は、前記同期型整流MOSFETを前記電流逆転期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項2に記載の方法。
- スイッチングインダクタ電圧コンバータを用いて第1のDC電圧を第2のDC電圧に変換する方法であって、前記スイッチングインダクタ電圧コンバータは、同期型整流MOSFETと、電力用MOSFETと、インダクタとを含み、前記方法は、前記同期型整流MOSFETを少なくとも完全オン状態と低電流状態との間で切り替えることを含み、前記同期型整流MOSFETは、前記完全オン状態で5Aから50Aの範囲の電流を通し、前記低電流状態で100μAから300mAの範囲の電流を通す、方法。
- 主MOSFETがオンする励磁期間と、前記主MOSFETがオフする第1の導通前遮断期間と、前記主MOSFETがオフし前記同期型整流MOSFETが完全オン状態に切り替えられる再循環期間と、前記主MOSFETがオフする第2の導通前遮断期間と、ダイオード回復期間とを含むスイッチングシーケンスで、前記スイッチングインダクタ電圧コンバータを動作させることを含み、前記方法は、前記同期型整流MOSFETを前記第2の導通前遮断期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記同期型整流MOSFETを前記励磁期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記同期型整流MOSFETを前記第1の導通前遮断期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項9に記載の方法。
- 前記同期型整流MOSFETを前記ダイオード回復期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項8に記載の方法。
- 前記スイッチングインダクタ電圧コンバータを軽負荷状態で動作させることを含み、前記スイッチングシーケンスは、前記再循環期間に続く電流逆転期間を含み、前記方法は、前記同期型整流MOSFETを前記電流逆転期間に前記低電流状態に切り替えることを含む、請求項8に記載の方法。
- スイッチングインダクタ電圧コンバータを用いて第1のDC電圧を第2のDC電圧に変換する方法であって、前記スイッチングインダクタ電圧コンバータは、主MOSFETと、同期型整流MOSFETと、インダクタとを含み、前記方法は、前記同期型整流MOSFETを少なくとも(a)前記同期型整流MOSFETのチャネルが反転する完全オン状態と、(b)前記同期型整流MOSFETの前記チャネルが反転するが、前記完全オン状態よりも弱く反転する低電流状態との間で切り替えることを含む、方法。
- 前記同期型整流MOSFETは、前記低電流状態において飽和している、請求項13に記載の方法。
- 前記同期型整流MOSFETは、前記完全オン状態においてその線形領域で動作する、請求項14に記載の方法。
- 前記同期型整流MOSFETを、当該同期型整流器の前記チャネルが反転しないオフ状態に切り替えることを含む、請求項13に記載の方法。
- 第1のDC電圧を第2のDC電圧に変換する方法であって、
第1のMOSFETと、第2のMOSFETと、インダクタとを含む回路を準備することと、
前記第1のDC電圧を前記回路に接続することと、
前記2つのMOSFETを切り替えることであって、前記第1のMOSFETがオン状態とオフ状態との間で繰り返し切り替えられ、前記第2のMOSFETが、オン状態と前記第2のMOSFETが電流源として動作する状態との間で繰り返し切り替えられることとを含む、方法。 - 前記第1のMOSFETをオン状態に維持することと、前記第2のMOSFETを電流源として動作させることとを含む第1の期間と、
前記第1の期間に続いて、前記第1のMOSFETをオフ状態に維持することと、前記第2のMOSFETを電流源として動作させることとを含む第2の期間と、
前記第2の期間に続いて、前記第1のMOSFETをオフ状態に維持することと、前記第2のMOSFETをオン状態に維持することとを含む第3の期間と、
前記第3の期間に続いて、前記第1のMOSFETをオフ状態に維持することと、前記第2のMOSFETを電流源として動作させることとを含む第4の期間と、を含むシーケンスで前記2つのMOSFETを切り替えることを含む、請求項17に記載の方法。 - 前記第2のMOSFETを電流源として動作させることは、前記第2のMOSFETの外挿閾電圧の10%と125%の間の電圧を、前記第2のMOSFETの前記ゲートに印加することを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記第2のMOSFETを電流源として動作させることは、前記第2のMOSFETの外挿閾電圧の25%と100%の間の電圧を、前記第2のMOSFETの前記ゲートに印
加することを含む、請求項19に記載の方法。 - スイッチングインダクタ電圧コンバータを用いて第1のDC電圧を第2のDC電圧に変換する方法であって、前記スイッチングインダクタ電圧コンバータは、主MOSFETと、同期型整流MOSFETと、インダクタとを含み、前記方法は、前記同期型整流MOSFETを少なくとも完全オン状態と低電流状態との間で切り替えることを含み、前記低電流状態において前記同期型整流MOSFETは低電流を通し、前記完全オン状態において前記同期型整流MOSFETは高電流を通し、前記低電流の大きさは、前記同期型整流MOSFETのゲート−ソース間電圧がゼロに等しいときの前記同期型整流器の漏れ電流よりも少なくとも10倍大きく、前記高電流の大きさの10パーセントより大きくはない、方法。
- 前記低電流の前記大きさは、前記高電流の前記大きさの1パーセントよりも大きくはない、請求項21に記載の方法。
- 前記低電流の前記大きさは、前記漏れ電流より少なくとも100倍大きい、請求項22に記載の方法。
- 前記低電流の前記大きさは、前記漏れ電流より少なくとも100倍大きい、請求項21に記載の方法。
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