JP2011101479A - Dc−dcコンバータ、直流電圧変換方法 - Google Patents

Dc−dcコンバータ、直流電圧変換方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低消費電力で高効率、かつ安定動作が可能であり、出力電圧の動的変更時において適切なスロープ補償を実現可能なDC−DCコンバータを実現する。
【解決手段】駆動信号により駆動して入出力間の電圧値を変換するスイッチング回路(23、24、25)と、出力から出力されるべき目標出力電圧値と出力における出力電圧値との誤差信号を生成する誤差アンプ(17)と、誤差信号と入出力間の電流帰還信号と入出力間の電流値のスロープ補償信号とに基づいてPWM信号を生成するPWMコンパレータ(20、21)と、PWM信号と所定の周期信号とに基づいて駆動信号を生成するラッチ回路(22)とを具備するDC−DCコンバータであって、目標出力電圧値に対応する電圧設定値を記録する出力電圧設定レジスタ(10)と、電圧設定値に応じたスロープ補償量を有するスロープ補償信号を生成するスロープ補償回路(13)とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、出力電圧を動的に変化させるDC−DCコンバータに関する。
DC−DCコンバータは、ある値の直流電圧を別の値の直流電圧へ変換する。近年、プロセッサの処理状態に応じて動作周波数や電源電圧を変化させるDVFS(Dynamic Voltage Frequency Scaling)の適用されたロジックLSI(Large Scale Integration)が増加している。そのため、このようなロジックLSIに電力を供給するDC−DCコンバータは、動的な出力電圧の切り替え制御を求められている。電流モードのDC−DCコンバータでは、適切なスロープ補償を行わなければサブハーモニック発振が発生するという問題が知られている。特に、動的に出力電圧を変化させるDC−DCコンバータでは、適切なスロープ補償を行う必要がある。DC−DCコンバータに関連する技術が以下の通り開示されている。
特許文献1は、適切なスロープ補償量を保った電流モードスイッチングレギュレータ(DC−DCコンバータ)を開示している。図1は、特許文献1におけるスイッチングレギュレータの構成を示す図である。以下、図1を参照して特許文献1のスイッチングレギュレータの説明を行う。特許文献1のスイッチングレギュレータは、従来のスイッチングレギュレータの構成に、スロープ補償値演算回路130を追加した構成である。
スイッチ107が、オンすることで入力電圧VINがコイル108に蓄積される。また、スイッチ107がオフすることでコイル108に蓄積されたエネルギーがダイオード109を介して出力コンデンサ112へ出力される。
誤差アンプ101は、帰還抵抗である抵抗110と抵抗111により出力電圧VOUTを分圧した電圧と、基準電圧源100から供給される基準電圧VREFとの差を増幅する。
スロープ補償値演算回路130は、入力電圧VIN及び出力電圧VOUTを入力して、適切なスロープ補償値VCをスロープ補償回路102へ出力する。スロープ補償回路102は、スロープ補償値VCの出力に応じた補償ランプ波の増加率を設定する。スロープ補償回路102は、発振回路104の出力信号に同期されたノコギリ波状の補償ランプ波を発生する。
加算回路103は、一方の入力端子に、スロープ補償回路102からの出力された補償ランプ波を入力する。加算回路103は、他方の入力端子に、スイッチ107に流れる電流の情報、あるいはコイル108に流れる電流の情報を電圧値に変換した電圧を入力する。
コンパレータ105は、誤差アンプ101の出力信号を反転入力端子に入力する。コンパレータ105は、加算回路103の出力信号を非反転入力端子に入力する。RSラッチ106は、コンパレータ105の出力をリセット端子Rに入力する。RSラッチ106は、発振回路104の出力信号をセット端子Sに入力する。発振回路104は、図1に示されるように、一定周期のパルスを出力する。RSラッチ106の出力端子Qは、スイッチ107と接続されている。RSラッチ106の出力端子Qが、「H」のときにスイッチ107はONとなる。
スロープ補償値演算回路130は、抵抗120、121、123、124とアンプ122による加減算回路で構成される。スロープ補償値演算回路130の出力するスロープ補償値VCは、以下の数式(1)で表される。
VC={(R121)/(2×R120)}(VOUT)−2(VIN)
ここで、R121、R120は、それぞれ、抵抗121、抵抗120の抵抗値である。スロープ補償値演算回路130は、(VOUT−2VIN)に比例するスロープ補償値VCを出力する。これによって、いかなる入力電圧VIn及びVOUTに対してもサブハーモニック発振をしない最小のスロープ補償を保った電流モード昇圧型スイッチングレギュレータを構成することができる。
特開2006−033958号公報
しかしながら、特許文献1のスイッチングレギュレータは、スロープ補償の演算を、出力電圧を帰還させたアナログ回路で実現する必要がある。そのため、アナログ回路を追加することにより、消費電流が増加して効率が低下するという課題がある。また、スロープ補償用に出力電圧を帰還させることで、スロープ補償用の帰還ループによりスイッチングレギュレータ全体の系が不安定になるという課題も存在する。
以下に、(発明を実施するための形態)で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、(特許請求の範囲)の記載と(発明を実施するための形態)との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、(特許請求の範囲)に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明のDC−DCコンバータは、駆動信号に応じて切り替えられて入力に入力される入力電圧値を出力へ出力する出力電圧値へ変換するスイッチング回路(23、24、25)と、出力から出力されるべき目標出力電圧値と出力における出力電圧値との誤差に基づいて誤差信号を生成する誤差アンプ(17)と、誤差信号と、入出力間の電流値に応じた電流帰還信号と、入出力間の電流値のスロープ補償を行うべきスロープ補償信号とに基づいてPWM信号を生成するPWMコンパレータ(20、21)と、PWM信号と所定の周期信号とに基づいて駆動信号を生成するラッチ回路(22)とを具備するDC−DCコンバータであって、目標出力電圧値に対応する電圧設定値を記録する出力電圧設定レジスタ(10)と、電圧設定値に応じたスロープ補償量を有するスロープ補償信号を生成するスロープ補償回路(13)とを備える。
本発明の直流電圧変換方法は、駆動信号に応じて切り替えられて入力に入力される入力電圧値を出力へ出力するステップと、出力から出力されるべき目標出力電圧値と出力における出力電圧値との誤差に基づいて誤差信号を生成するステップと、誤差信号と、入出力間の電流値に応じた電流帰還信号と、入出力間の電流値のスロープ補償を行うべきスロープ補償信号とに基づいてPWM信号を生成するステップと、PWM信号と所定の周期信号とに基づいて駆動信号を生成するステップと目標出力電圧値に対応する電圧設定値を記録するステップと、電圧設定値に応じた振幅のスロープ補償信号を生成するステップと、を備える。
本発明によれば、アナログのスロープ演算回路が不要となるため、低消費電力で高効率、かつ安定動作が可能であり、出力電圧の動的変更時において適切なスロープ補償を実現可能なDC−DCコンバータを実現できる。
特許文献1におけるスイッチングレギュレータの構成を示す図である。 本実施形態におけるDC−DCコンバータの構成を示す図である。 本実施形態におけるVREF[6:0]の上位2ビットに対応するスロープ補償量を示す図である。 本実施形態におけるDC−DCコンバータにおいて、動的に出力電圧VOUTを切り替える場合のVOUT、VREF[6:0]、及びVSLOPEの関係を示す図である。
添付図面を参照して、本発明の実施形態によるDC−DCコンバータを以下に説明する。
[構成の説明]
はじめに、図2を参照して、本実施形態におけるDC−DCコンバータの構成の説明を行う。図2は、本実施形態におけるDC−DCコンバータの構成を示す図である。本実施形態のDC−DCコンバータは、出力電圧設定レジスタ10と、スロープ補償用D/Aコンバータ(以下、DAC)11と、出力電圧用DAC12と、スロープ補償回路13と、発振回路14と、出力電圧帰還抵抗15及び16と、誤差アンプ17と、位相補償抵抗18と、位相補償コンデンサ19と、減算回路20と、PWM(Pulse Width Modulation)コンパレータ21と、RSラッチ22と、出力パワーMOS駆動ドライバ23と、出力パワーPMOS24、出力パワーNMOS25と、出力コイル26と、出力コンデンサ27と、を備える。なお、以下の説明において、出力パワーMOS駆動ドライバ23と、出力パワーPMOS24と、出力パワーNMOS25とをまとめて、スイッチング回路と呼ぶ場合がある。
出力電圧設定レジスタ10の出力は、出力電圧用DAC12の入力と、スロープ補償用DAC11の入力と接続される。出力電圧用DAC12の出力は、誤差アンプ17の非反転入力と接続される。出力電圧帰還抵抗15は、一端に出力コイル26と出力コンデンサ27とに接続される。出力電圧帰還抵抗15の他端は、出力電圧帰還抵抗16の一端と、誤差アンプ17の反転入力端子と接続される。出力電圧帰還抵抗16の他端は、グランドに接続される。誤差アンプ17の出力は、位相補償抵抗18の一端と、減算回路20の一方の入力と接続される。位相補償抵抗18の他端は、位相補償コンデンサ19の一端と接続される。位相補償コンデンサ19の他端は、グランドに接続される。
スロープ補償用DAC11の出力は、スロープ補償回路13の一方の入力に接続される。スロープ補償回路13の他方の入力は、発振回路14の出力と接続される。スロープ補償回路13の出力は、減算回路20の他方の入力と接続される。
減算回路20の出力は、PWMコンパレータ21の反転入力端子と接続される。PWMコンパレータ21の非反転入力端子は、入出力間に流れる電流値、具体的には、出力コイル26に流れる電流値、あるいはスイッチング回路に流れる電流値を電圧レベルに変換された信号を生成する図示されない検出回路と接続される。PWMコンパレータ21の出力は、RSラッチ22のリセット端子Rと接続される。RSラッチ22のセット端子Sは、発振回路14の出力と接続される。RSラッチ22の非反転出力端子Qは、出力パワーMOS駆動ドライバ23の入力と接続される。出力パワーMOS駆動ドライバ23の出力は、出力パワーPMOS24のゲート端子と、出力パワーNMOS25のゲート端子とにそれぞれ接続される。
出力パワーPMOS24のソース端子は、入力電圧VINと接続される。出力パワーPMOS24のドレイン端子と、出力パワーNMOS25のドレイン端子とは、出力コイル26の一端と接続される。出力パワーNMOS25のソース端子は、グランドと接続される。出力コイル26の他端は、出力コンデンサ27と、図示されない後段の回路と接続される。
[動作の説明]
次に、以上のような構成による本実施形態におけるDC−DCコンバータの動作の説明を行う。本実施形態のDC−DCコンバータは、出力電圧VOUTを変更が可能である。本実施形態のDC−DCコンバータは、出力を変更する際に出力電圧設定レジスタの基準電圧値VREF[6:0]の値を変更される。出力電圧用DAC12は、VREF[6:0]に基づいて、D/A変換を行って、基準電圧値VDACを出力する。誤差アンプ17は、反転入力端子に入力する出力電圧帰還抵抗15及び16で分圧されたVOUTと、非反転入力端子に入力する基準電圧VDACとの差分を増幅して、誤差信号として出力する。
一方、スロープ補償用DAC11は、VREF[6:0]の上位2ビットであるVREF[6:5]に基づいて、D/A変換を行って、スロープ補償量基準電圧VREFSLOPEを出力する。スロープ補償回路13は、一方の入力にVREFSLOPEを入力する。スロープ補償回路13は、他方の入力に発振回路14から所定の周波数の周期信号を入力する。スロープ補償回路13は、のこぎり波であるスロープ補償信号VSLOPEを発振回路14からの周期信号に同期させて生成する。このとき、スロープ補償回路13は、VREFSLOPEの値に応じてVSLOPEの振幅であるスロープ補償量を切り替える。
減算回路20は、誤差アンプ17から出力され、位相補償抵抗18と位相補償抵抗19とにより位相補償の行われた誤差信号と、スロープ補償回路13から出力されたVSLOPEとを入力する。減算回路20は、誤差信号からVSLOPEを減算した信号を出力する。PWMコンパレータ21は、減算回路20の出力を反転入力端子へ入力する。また、PWMコンパレータ21は、入出力間に流れる電流値、具体的には、出力コイル26に流れる電流値、あるいはスイッチング回路に流れる電流値を電圧レベルに変換された信号を非反転入力端子へ入力する。PWMコンパレータ21は、反転入力端子への入力と非反転入力端子への入力との差分に基づいてPWMDUTY信号を生成する。このPWMDUTY信号のデューティサイクルが変化することにより、RSラッチ22からスイッチング回路(出力パワーMOS駆動ドライバ23、出力パワーPMOS24、出力パワーNMOS25)への駆動信号を制御する。
RSラッチ22は、PWMコンパレータからのPWMDUTY信号をリセット端子Rへ入力し、発振回路14からの周期信号をセット端子Sに入力する。RSラッチの非反転出力端子Qは、出力パワーMOS駆動ドライバ23の入力と接続されている。RSラッチ22は、リセット端子Rへの入力とセット端子Sへの入力とに基づいて、非反転端子Qから出力パワーMOS駆動ドライバ23の駆動信号を出力する。出力パワーMOS駆動ドライバ23は、RSラッチの非反転出力端子Q出力される駆動信号がハイレベルのとき、出力パワーPMOS24のゲート端子と、出力パワーNMOS25のゲート端子をオン状態にする。このとき、出力コイル26にVINが蓄積される。また、出力パワーMOS駆動ドライバ23は、RSラッチの非反転出力端子Qから出力される駆動信号がロウレベルのとき、出力パワーPMOS24のゲート端子と、出力パワーNMOSのゲート端子をオフ状態にする。このとき、出力コイル26に蓄積されたエネルギーが出力コンデンサ27へ出力されて、出力コンデンサ27を介してVOUTとして後段へ出力される。
ここで、降圧型DC−DCコンバータの場合、出力コイル26におけるリップル電流の傾きは、次の数式(1)であらわされる。なお、次の数式(1)においてdlripple/dtはリップル電流の傾きを、VOUTは出力電圧値を、Lはコイルのインダクタ値をそれぞれ示す。
dlripple/dt=VOUT/L ・・・(1)
スロープ補償量は、適切なスロープ補償を行うためにリップル電流の傾きに応じて調整される必要がある。数式(1)に示されるように、降圧型DC−DCコンバータの場合、リップル電流の傾きは、VOUTに比例した値をとればよい。しかし、スロープ補償量を決定するために、実際のVOUTを帰還させる必要は無い。VOUTは出力電圧設定レジスタ10に電圧値を設定後において常に一定であると考えられるため、VOUTに対応した値であるVREF[6:0]の値に応じてスロープ補償量を固定値に設定すれば、十分なスロープ補償効果を得られる。
また、本実施形態においてスロープ補償用DAC11は、VREF[6:0]の7ビットのうち上位2ビットに応じてVREFSLOPEを出力する。スロープ補償回路13は、VREFSLOPEに応じてVSLOPEのスロープ補償量を変化させるため、VREF[6:0]の7ビットのうち上位2ビットに応じてVSLOPEのスロープ補償量を変化させることになる。このような構成には、スロープ補償用DAC11の回路規模が膨大になることを抑える効果がある。出力電圧設定レジスタ10が多ビット(例えば、7ビット)である場合に、スロープ補償用DAC11を全てのビットに対応させようとすると、スロープ補償用DAC11の回路規模が膨大になってしまうためである。そこで本実施形態のDC−DCコンバータは、スロープ補償用DAC11とスロープ補償回路13とを、出力電圧を大きく変動させるVREF[6:0]の上位ビットの変化のみ対応させることで、十分なスロープ補償の安定性を得ると共に、回路規模の増大を抑えることが可能となる。
なお、本実施形態のスロープ補償用DAC11とスロープ補償回路13とは、VREF[6:0]の上位2ビットに対応する構成には限定しない。これは一例であり、VREF[6:0]の上位から数ビット、少なくとも1ビットに対応させることで同様の効果をえることが可能である。また、これはVREF[6:0]の7ビットの全てに対応する構成であることを妨げない。さらに、VREF[6:0]は、7ビットの信号に限定するものではない。
図3は、本実施形態におけるVREF[6:0]の上位2ビットに対応するスロープ補償量を示す図である。図3において、スロープ補償量は、VOUTが「1.3V」のときを基準値「1」として規格化されている。図3を参照すると、VREF[6:0]の上位2ビットであるVREF[6:5]が「00」の場合には、下位のビットによらずスロープ補償量は「1」である。VREF[6:5]が「01」であれば、下位ビットによらずスロープ補償量は「9/13」であり、同様に、VREF[6:5]が「10」であれば、下位ビットによらずスロープ補償量は「5/13」となる。なお、図3における各レジスタの値と、VOUT、及びスロープ補償量の値は、一例であり、この例には限定しない。
図4は、本実施形態におけるDC−DCコンバータにおいて、動的に出力電圧VOUTを切り替える場合のVOUT、VREF[6:0]、及びVSLOPEの関係を示す図である。図4を参照すると、VOUTを変更するため、時刻tにおいて、出力電圧設定レジスタ10の値を変更すると、VSLOPEのスロープ補償量が変更され、これに伴ってVOUTが次第に目的の電圧値へ変化していくことが確認できる。VOUTが高い値に設定された場合には、図3で示したとおり、スロープ補償量を上げることで、サブハーモニック発振を防止した安定動作を実現できる。以上が、本実施形態におけるDC−DCコンバータの動作の説明である。
ここまで説明してきたように、本発明のDC−DCコンバータは、従来技術においてアナログ回路で実現されるスロープ補償値演算回路に換えて、出力電圧設定レジスタ10を備えている。スロープ補償回路13は、出力電圧設定レジスタ10に設定された値に応じて、スロープ補償量を切り替えることで、主力電圧VOUTが動的に切り替えられたときにも適切なスロープ補償を実現することができる。このように、本発明のDC−DCコンバータは、アナログ回路によるスロープ補償値演算回路を用いないことで、低消費電力で、高効率、かつ安定動作が可能であり、出力電圧の動的変更時においても適切なスロープ補償を実現可能なDC−DCコンバータを実現できる。
なお、上述では、降圧型DC−DCコンバータを例として説明を行っているが、降圧型に限らず、昇圧型、あるいは昇降圧型DC−DCコンバータにも適用が可能である。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことが可能である。
10 出力電圧設定レジスタ
11 スロープ補償用DAC
12 出力電圧用DAC
13 スロープ補償回路
14 発振回路
15、16 出力電圧帰還抵抗
17 誤差アンプ
18 位相補償抵抗
19 位相補償コンデンサ
20 減算回路
21 PWMコンパレータ
22 RSラッチ
23 出力パワーMOS駆動ドライバ
24 出力パワーPMOS
25 出力パワーNMOS
26 出力コイル
27 出力コンデンサ
100 基準電圧源
101 誤差アンプ
102 スロープ補償回路
103 加算回路
104 発振回路
105 コンパレータ
106 RSラッチ
107 スイッチ
108 コイル
109 ダイオード
110、111 抵抗
112 出力コンデンサ
120、121、123、124 抵抗
130 スロープ補償値演算回路

Claims (8)

  1. 駆動信号に応じて切り替えられて入力に入力される入力電圧値を出力へ出力する出力電圧値へ変換するスイッチング回路と、
    前記出力から出力されるべき目標出力電圧値と前記出力における前記出力電圧値との誤差に基づいて誤差信号を生成する誤差アンプと、
    前記誤差信号と、前記入出力間の電流値に応じた電流帰還信号と、前記入出力間の電流値のスロープ補償を行うべきスロープ補償信号とに基づいてPWM信号を生成するPWMコンパレータと、
    前記PWM信号と所定の周期信号とに基づいて前記駆動信号を生成するラッチ回路と
    を具備するDC−DCコンバータであって、
    前記目標出力電圧値に対応する電圧設定値を記録する出力電圧設定レジスタと、
    前記電圧設定値に応じたスロープ補償量を有する前記スロープ補償信号を生成するスロープ補償回路と
    を備えるDC−DCコンバータ。
  2. 請求項1に記載のDC−DCコンバータであって、
    前記スロープ補償回路は、前記電圧設定値の上位から少なくとも1ビットに対応したスロープ補償量を有する前記スロープ補償信号を生成する
    DC−DCコンバータ。
  3. 請求項1または請求項2に記載のDC−DCコンバータであって、
    前記電圧設定値に応じた電圧レベルのスロープ補償量基準電圧を生成する第1のD/Aコンバータと、
    前記電圧設定値に応じた電圧レベルの前記基準電圧を生成する第2のD/Aコンバータと
    を更に備え、
    前記スロープ補償回路は、前記スロープ補償量基準電圧に応じて前記スロープ補償信号の前記スロープ補償量を変更し、
    前記誤差アンプは、前記基準電圧を前記目標出力電圧値として用いて前記誤差信号を生成する
    DC−DCコンバータ。
  4. 請求項3に記載のDC−DCコンバータであって、
    前記第1のD/Aコンバータは、前記電圧設定値の上位から少なくとも1ビットに対応する電圧レベルのスロープ補償基準電圧を生成する
    DC−DCコンバータ。
  5. 駆動信号に応じて切り替えられて入力に入力される入力電圧値を出力へ出力するステップと、
    前記出力から出力されるべき目標出力電圧値と前記出力における前記出力電圧値との誤差に基づいて誤差信号を生成するステップと、
    前記誤差信号と、前記入出力間の電流値に応じた電流帰還信号と、前記入出力間の電流値のスロープ補償を行うべきスロープ補償信号とに基づいてPWM信号を生成するステップと、
    前記PWM信号と所定の周期信号とに基づいて前記駆動信号を生成するステップと
    前記目標出力電圧値に対応する電圧設定値を記録するステップと、
    前記電圧設定値に応じた振幅の前記スロープ補償信号を生成するステップと
    を備える直流電圧変換方法。
  6. 請求項5に記載の電圧変換方法であって、前記スロープ補償信号を生成するステップは、
    前記電圧設定値の上位から少なくとも1ビットに対応した振幅を有する前記スロープ補償信号を生成するステップ
    を含む直流電圧変換方法。
  7. 請求項5または請求項6に記載の直流電圧変換方法であって、
    前記電圧設定値に応じた電圧レベルのスロープ補償量基準電圧をD/A変換により生成するステップと、
    前記電圧設定値に応じた電圧レベルの前記基準電圧をD/A変換により生成するステップと
    を更に備え、
    前記スロープ補償信号を生成するステップは、
    前記スロープ補償量基準電圧に応じて前記スロープ補償信号の前記スロープ補償量を変更するステップ
    を含み、
    前記誤差信号を生成するステップは、
    前記基準電圧を前記目標出力電圧値として用いて前記誤差信号を生成するステップ
    を含む直流電圧変換方法。
  8. 請求項7に記載の直流電圧変換方法であって、前記スロープ補償信号を生成するステップは、
    前記電圧設定値の上位から少なくとも1ビットに対応する電圧レベルのスロープ補償基準電圧を生成するステップ
    を含む直流電圧変換方法。
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