JP2012016241A - Dc-dc converter and electronic apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力DC電圧を安定した出力DC電圧に変換するDC−DCコンバータ(DC−DCレギュレータ、スイッチングレギュレータ)の技術に係り、特に、DC−DCコンバータにおける安定動作と低リップル電圧特性および負荷急変時の高速な応答特性を可能とし、かつ高い電力変換効率を達成するのに好適な技術に関するものである。 The present invention relates to a technology of a DC-DC converter (DC-DC regulator, switching regulator) that converts an input DC voltage into a stable output DC voltage, and more particularly, stable operation, low ripple voltage characteristics, and load in the DC-DC converter. The present invention relates to a technique that enables a high-speed response characteristic at the time of sudden change and is suitable for achieving high power conversion efficiency.
入力DC電圧を安定した出力DC電圧に変換するDC−DCコンバータは、コンピュータ装置やカーナビゲーション装置等の電子機器に広く用いられており、このDC−DCコンバータには、例えば、特許文献1〜5に記載のように、出力DC電圧に比例した帰還電圧と基準電圧との比較結果に応じて、出力トランジスタと整流素子(整流トランジスタ)とを交互にオンオフ制御する構成のDC−DCコンバータがある。 A DC-DC converter that converts an input DC voltage into a stable output DC voltage is widely used in electronic devices such as computer devices and car navigation devices. Examples of the DC-DC converter include Patent Documents 1-5. As described above, there is a DC-DC converter having a configuration in which an output transistor and a rectifying element (rectifying transistor) are alternately turned on and off according to a comparison result between a feedback voltage proportional to the output DC voltage and a reference voltage.
図1に、このような構成の電圧制御方式DC−DCコンバータ回路を示す。この図1の例では、出力トランジスタFET1、整流トランジスタFET2、コイルL及び出力コンデンサCOUTからなり、降圧型コンバータの構成を示している。 FIG. 1 shows a voltage-controlled DC-DC converter circuit having such a configuration. In the example of FIG. 1, the output transistor FET1, the rectifying transistor FET2, the coil L, and the output capacitor COUT are shown, and the configuration of the step-down converter is shown.
入力端子VINと接地電位との間に接続されている、出力トランジスタFET1と整流トランジスタFET2により、同期整流方式によりスイッチング(オンオフ)制御される。 Switching (on / off) is controlled by the synchronous rectification method by the output transistor FET1 and the rectifying transistor FET2 connected between the input terminal VIN and the ground potential.
コイルLに流れる電流が連続である場合、出力トランジスタFET1のデューティ比(スイッチング周期に対するオン時間の比)にほぼ比例した出力電圧Voutが得られる。 When the current flowing through the coil L is continuous, an output voltage Vout substantially proportional to the duty ratio of the output transistor FET1 (ratio of on-time to switching period) is obtained.
抵抗R1〜R3、コンデンサC1とC2、基準電圧発生器11およびエラーアンプ13は、誤差増幅回路を構成し、出力電圧Voutを抵抗R1とR3で分圧した帰還電圧Vfbと、基準電圧発生器11からの基準電圧Vrefとの誤差をエラーアンプ13で増幅する。
The resistors R1 to R3, the capacitors C1 and C2, the
PWMコンパレータ14は、この誤差増幅回路で増幅された誤差信号電圧Verrと三角波発生器12からの三角波信号電圧Vrampとを比較して、この比較結果に基づいてデューティを制御するPWM信号を生成する。
The
このPWM信号に応じてドライバ駆動回路15は、出力トランジスタFET1と整流トランジスタFET2を交互にオンオフ制御する。
In response to the PWM signal, the
その結果、エラーアンプ13から出力される誤差信号電圧Verrは、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも小さい場合には出力トランジスタFET1のデューティ比が増加する方向、逆に大きい場合には出力トランジスタFET1のデューティ比が減少する方向に制御されることで出力電圧Voutが制御される。
As a result, the error signal voltage Verr output from the
このような電圧制御型DC−DCコンバータ回路は、コイルLおよび出力コンデンサCOUTで生じる位相遅れのため、負帰還回路である電圧制御方式DC−DCコンバータ回路を安定させるためには位相補償が不可欠となる。 In such a voltage-controlled DC-DC converter circuit, phase compensation is indispensable for stabilizing the voltage-controlled DC-DC converter circuit, which is a negative feedback circuit, because of a phase delay caused by the coil L and the output capacitor COUT. Become.
一般的な位相補償は、コイルLと出力コンデンサCOUTで生じる位相の遅れを出力端子VOUTと帰還電圧Vfbが生じる抵抗R1とR3とが接続されるノードN1との間にコンデンサC1を接続し、エラーアンプ13をトランスコンダクタンス・アンプ構成として、その出力ノードN2と接地電位との間に抵抗R2とコンデンサC2を直列に接続して高域でのループ・ゲインを低く設定することで行う。
In general phase compensation, the phase delay caused by the coil L and the output capacitor COUT is caused by connecting the capacitor C1 between the output terminal VOUT and the node N1 to which the feedback voltage Vfb is generated and the resistors R1 and R3 are connected. The
しかし、このような位相補償技術で十分な安定性を得た場合、エラーアンプの高域でのループ・ゲインが低く設定されることから、高速な応答が困難になるという問題が生じる。 However, when sufficient stability is obtained by such a phase compensation technique, the loop gain in the high frequency range of the error amplifier is set low, which causes a problem that high-speed response becomes difficult.
また、上述の位相補償だけでは、DC−DCコンバータの入力電圧Vin、出力電圧Voutおよび負荷ROUTの変動範囲が広く設定されると、十分な安定性と応答性が得られないという問題が生じる場合もある。 In addition, when only the above-described phase compensation is used, if the fluctuation ranges of the input voltage Vin, the output voltage Vout, and the load ROUT of the DC-DC converter are set wide, there is a problem that sufficient stability and responsiveness cannot be obtained. There is also.
このような電圧制御方式DC−DCコンバータ回路の欠点を克服する回路として、図2に示すようなコンパレータ制御方式DC−DCコンバータ回路が知られている。 As a circuit for overcoming the drawbacks of such a voltage control type DC-DC converter circuit, a comparator control type DC-DC converter circuit as shown in FIG. 2 is known.
尚、このコンパレータ制御方式は、リップル制御方式やバンバン制御方式、ヒステリシス制御方式、D−Capモード制御方式などとも呼ばれている。 This comparator control method is also called a ripple control method, a bang-bang control method, a hysteresis control method, a D-Cap mode control method, or the like.
図2の例では、出力トランジスタFET1、整流トランジスタFET2、コイルL及び出力コンデンサCOUTは降圧型コンバータの構成であり、入力端子VINと接地電位との間に接続されている出力トランジスタFET1と整流トランジスタFET2とにより、同期整流方式によりスイッチング制御される構成である。 In the example of FIG. 2, the output transistor FET1, the rectifying transistor FET2, the coil L, and the output capacitor COUT are configured as a step-down converter, and the output transistor FET1 and the rectifying transistor FET2 connected between the input terminal VIN and the ground potential. Thus, the switching control is performed by the synchronous rectification method.
抵抗R1とR3、コンデンサC1、基準電圧発生器11およびコンパレータ16は比較回路を構成し、出力電圧Voutを抵抗R1とR3で分圧した帰還電圧Vfbと基準電圧発生器11からの基準電圧Vrefをコンパレータ16で比較する。
The resistors R1 and R3, the capacitor C1, the
出力電圧Voutが低下し帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも低くなると、コンパレータ16がハイ・レベルの信号を出力して、ドライバ駆動回路は、出力トランジスタFET1をオンさせ、整流トランジスタFET2をオフさせる。
When the output voltage Vout decreases and the feedback voltage Vfb becomes lower than the reference voltage Vref, the
このことにより、入力端子VINからコイルLを介して負荷に電流が供給され、出力電圧Voutが上昇する。出力電圧Voutが上昇して帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも高くなると、コンパレータ16はロー・レベルの信号を出力し、ドライバ駆動回路は、出力トランジスタFET1をオフさせ、整流トランジスタFET2をオンさせる。
As a result, a current is supplied from the input terminal VIN to the load via the coil L, and the output voltage Vout increases. When the output voltage Vout rises and the feedback voltage Vfb becomes higher than the reference voltage Vref, the
コイルLに蓄えられたエネルギーは、整流トランジスタFET2を介して負荷に供給されるが、コイルLに流れる電流はエネルギーの放出に伴って徐々に減少し、DC−DCコンバータの出力電圧Voutも徐々に下がる。 The energy stored in the coil L is supplied to the load via the rectifying transistor FET2, but the current flowing through the coil L gradually decreases as the energy is released, and the output voltage Vout of the DC-DC converter also gradually increases. Go down.
以下、出力電圧Voutが低下して帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefを下回ると、再度コンパレータ16がハイ・レベルの信号を出力して、ドライバ駆動回路は、出力トランジスタFET1をオンさせ、整流トランジスタFET2をオフさせるという動作が繰り返される。
Thereafter, when the output voltage Vout decreases and the feedback voltage Vfb falls below the reference voltage Vref, the
出力トランジスタFET1がオンして整流トランジスタFET2がオフする時、コイルLには(Vin−Vout)の電圧が印加されるためコイルLに流れる電流は直線的に増加する。 When the output transistor FET1 is turned on and the rectifying transistor FET2 is turned off, a voltage of (Vin−Vout) is applied to the coil L, so that the current flowing through the coil L increases linearly.
また、出力トランジスタFET1がオフして整流トランジスタFET2がオンする時、コイルLには上記と逆極性のVoutの電圧が印加されるためコイルLに流れる電流は直線的に減少する。 Further, when the output transistor FET1 is turned off and the rectifying transistor FET2 is turned on, a voltage of Vout having a polarity opposite to that described above is applied to the coil L, so that the current flowing through the coil L decreases linearly.
すなわち、コイルLに流れる電流には三角波状のAC電流成分が含まれることになる。 That is, the current flowing through the coil L includes a triangular wave AC current component.
この三角波状のAC電流成分が出力コンデンサCOUTの等価直列抵抗ESRに流れ込むことにより、出力電圧Voutに、AC電流成分と相似なAC電圧成分が生じ、出力電圧Voutを帰還抵抗R1とR3で分圧して得られる帰還電圧Vfbにも、AC電圧成分が生じることになる。 When this triangular wave AC current component flows into the equivalent series resistance ESR of the output capacitor COUT, an AC voltage component similar to the AC current component is generated in the output voltage Vout, and the output voltage Vout is divided by the feedback resistors R1 and R3. An AC voltage component is also generated in the feedback voltage Vfb obtained in this way.
コンパレータ制御方式では、コイルLに流れる電流のAC電流成分に応じて変動するAC電圧成分が重畳された帰還電圧Vfbと基準電圧Vrefとを比較して両電圧が等しくなるように負帰還制御が働き出力電圧Voutを制御する。 In the comparator control method, the negative feedback control is performed so that the feedback voltage Vfb on which the AC voltage component that fluctuates according to the AC current component of the current flowing through the coil L is superimposed and the reference voltage Vref are compared and the two voltages are equal. The output voltage Vout is controlled.
このように、コンパレータ制御方式では、コンパレータ16で帰還電圧Vfbと基準電圧Vrefを直接に比較して、即時に出力トランジスタFET1と整流トランジスタFET2のオンオフ制御をするため、電圧制御方式のような位相補償は不要となり、高速な応答が可能となる。
As described above, in the comparator control system, the
しかし、このようなコンパレータ制御型DC−DCコンバータ回路においても、コイルLおよび出力コンデンサCOUTにより位相の遅れが生じるとスイッチング制御が不安定になる問題が生じる。 However, even in such a comparator control type DC-DC converter circuit, there arises a problem that switching control becomes unstable if a phase delay is caused by the coil L and the output capacitor COUT.
特に、出力コンデンサCOUTの等価直列抵抗ESRが小さくなればなるほど、上述の位相遅れは大きくなると共に、出力電圧VoutのAC電圧成分も小さくなるので、帰還電圧Vfbに適切な量のAC電圧成分が重畳されなくなり、定常状態であっても低調波発振が生じるなどスイッチング制御が不安定となる。 In particular, as the equivalent series resistance ESR of the output capacitor COUT decreases, the above-described phase delay increases and the AC voltage component of the output voltage Vout also decreases, so that an appropriate amount of AC voltage component is superimposed on the feedback voltage Vfb. The switching control becomes unstable such that subharmonic oscillation occurs even in a steady state.
よって、出力端子VOUTと帰還電圧Vfbが生じる抵抗R1とR3とが接続されるノードN1の間にコンデンサC1を接続して、コイルLと出力コンデンサCOUTで遅れた位相を戻すと共に、帰還電圧Vfbに重畳されるAC電圧成分を大きくする技術が考えられる。 Therefore, the capacitor C1 is connected between the node N1 to which the resistors R1 and R3 that generate the output terminal VOUT and the feedback voltage Vfb are connected, the phase delayed by the coil L and the output capacitor COUT is returned, and the feedback voltage Vfb is restored. A technique for increasing the superimposed AC voltage component is conceivable.
しかし、それでも不十分な場合には、出力電圧Voutに生じるAC電圧成分そのものを大きくする必要がある。 However, if this is still insufficient, it is necessary to increase the AC voltage component itself generated in the output voltage Vout.
このように、出力電圧VoutのAC電圧成分を大きくする技術としては、出力コンデンサCOUTの等価直列抵抗ESRを大きくすることが考えられるが、出力電圧VoutのAC電圧成分が増加するということは、出力電圧Voutのいわゆるリップル電圧が増加することになることや、DC−DCコンバータの電力変換効率が低下することから、望ましいことではない。 As described above, as a technique for increasing the AC voltage component of the output voltage Vout, it is conceivable to increase the equivalent series resistance ESR of the output capacitor COUT. However, increasing the AC voltage component of the output voltage Vout This is not desirable because the so-called ripple voltage of the voltage Vout increases and the power conversion efficiency of the DC-DC converter decreases.
特許文献4においては、コイルと出力端子の間にセンス抵抗を挿入することで、コイルと挿入したセンス抵抗との間のノードに、出力電圧にコイルに流れる電流のAC電流成分と相似なAC電圧成分が加算された電圧を生じさせ、そのAC電圧成分のみを帰還電圧に加算させるコンパレータ制御方式DC−DCコンバータ回路が提案されている。 In Patent Document 4, by inserting a sense resistor between the coil and the output terminal, an AC voltage similar to the AC current component of the current flowing in the coil is output to the node between the coil and the inserted sense resistor. There has been proposed a comparator-controlled DC-DC converter circuit that generates a voltage in which components are added and adds only the AC voltage component to a feedback voltage.
このDC−DCコンバータ回路であれば、等価直列抵抗ESRの小さなコンデンサを出力コンデンサCOUTとして使用した場合でも、DC−DCコンバータ回路のスイッチング制御を安定させることと、高速な応答を図ることが可能となっている。 With this DC-DC converter circuit, even when a capacitor with a small equivalent series resistance ESR is used as the output capacitor COUT, it is possible to stabilize the switching control of the DC-DC converter circuit and achieve a high-speed response. It has become.
また、特許文献4には、センス抵抗を用いず、コイルと並列に抵抗とコンデンサを直列に接続した回路が提案されている。この提案されたDC−DCコンバータ回路も、ある条件下においては、等価直列抵抗ESRの小さなコンデンサを出力コンデンサCOUTとして使用した場合でも、DC−DCコンバータ回路のスイッチング制御を安定させることと、高速な応答を図ることが可能となっている。 Patent Document 4 proposes a circuit in which a resistor and a capacitor are connected in series in parallel with a coil without using a sense resistor. This proposed DC-DC converter circuit also stabilizes the switching control of the DC-DC converter circuit even when a capacitor with a small equivalent series resistance ESR is used as the output capacitor COUT under certain conditions, It is possible to respond.
しかしながら、特許文献4で提案されている2つのDC−DCコンバータ回路はそれぞれに、以下の問題がある。 However, the two DC-DC converter circuits proposed in Patent Document 4 have the following problems.
まず、コイルと出力端子の間にセンス抵抗を挿入した回路の場合、センス抵抗を挿入するということは、コイルのクォリティ・ファクタQが小さくなることと等価であり、DC−DCコンバータの電力変換効率が低下するという問題がある。 First, in the case of a circuit in which a sense resistor is inserted between the coil and the output terminal, inserting the sense resistor is equivalent to reducing the quality factor Q of the coil, and the power conversion efficiency of the DC-DC converter. There is a problem that decreases.
次に、コイルと並列に、抵抗とコンデンサを直列に接続する回路の場合、上述のような電力変換効率が低下するという問題は生じないが、コイル電流が正しく検出される条件が、コイルのインダクタンスと直流抵抗成分、抵抗の抵抗値およびコンデンサの容量値によって決まっているため、任意のコイルに対して正しくコイル電流を検出できないという問題がある。 Next, in the case of a circuit in which a resistor and a capacitor are connected in series in parallel with the coil, there is no problem that the power conversion efficiency is reduced as described above, but the condition for correctly detecting the coil current is the coil inductance. And the DC resistance component, the resistance value of the resistor, and the capacitance value of the capacitor, the coil current cannot be detected correctly for an arbitrary coil.
また、抵抗の抵抗値とコンデンサの容量値が小さいと、RC時定数が小さくなり、検出されるAC電圧成分の振幅が大きくなりすぎてしまうため、帰還電圧に加算されるAC電圧成分の振幅も大きくなりすぎ、実際の出力電圧のDCレベルが基準電圧によって決まる本来の出力電圧のDCレベルからのズレが大きくなるという問題が生じる。 In addition, if the resistance value of the resistor and the capacitance value of the capacitor are small, the RC time constant becomes small, and the amplitude of the detected AC voltage component becomes too large. Therefore, the amplitude of the AC voltage component added to the feedback voltage is also large. There is a problem that the actual output voltage DC level becomes too large, and the deviation from the original output voltage DC level, which is determined by the reference voltage, becomes large.
このような問題を解決するためには、抵抗値と容量値を大きくしてRC時定数を大きくすればよいが、スイッチング周波数との兼ね合いにより、大きな抵抗値の抵抗や大きな容量値のコンデンサを半導体チップ上に形成することが困難になる場合がある。 In order to solve such a problem, the RC time constant may be increased by increasing the resistance value and the capacitance value. However, in consideration of the switching frequency, a resistor having a large resistance value or a capacitor having a large capacitance value is used as a semiconductor. It may be difficult to form on a chip.
そのような場合、抵抗やコンデンサをディスクリート部品で外付けとする必要があり、その結果、基板面積の増加や部品実装コストの増加といった問題が生じるので望ましくない。 In such a case, it is necessary to externally attach resistors and capacitors with discrete components. As a result, problems such as an increase in board area and an increase in component mounting costs arise, which is not desirable.
解決しようとする問題点は、(a)従来の電圧制御方式DC−DCコンバータの動作を位相補償で安定させる技術では、高速な応答が困難であり、かつ、入力電圧と出力電圧および負荷抵抗の変動範囲が広く設定されると充分な安定性と応答性が得られない点、(b)従来のコンパレータ制御方式DC−DCコンバータにおいても、コイルおよび出力コンデンサにより位相の遅れが生じるとスイッチング制御が不安定になり、特に、出力コンデンサの直列等価抵抗が小さい場合には、定常状態であっても低周波発振が生じてスイッチング制御が不安定となると共に、これに対処するために出力電圧に生じるAC電圧成分を大きくすると、出力電圧のリップ電圧が増加してしまい低リップル電圧特性を維持できなくなると共に電力変換効率も低下してしまう点、(c)これに対処するために、コイルと出力端子の間にセンス抵抗を挿入する技術(特許文献4)では、コイルのクォリティ・ファクタが小さくなり電力変換効率が低下してしまう点、(d)この電力変換効率を低下させないためにコイルに並列に抵抗とコンデンサを直列に接続する技術では、任意のコイルに対して正しくコイル電流を検出できないと共に出力電圧のDCレベルのズレが大きくなってしまう点、(e)この問題を解決するために抵抗値と容量値を大きくした場合には、半導体チップ上での形成が困難になり、外付けした場合には基板面積の増加や部品実装コストの増加が生じてしまう点である。 Problems to be solved are as follows: (a) The technology for stabilizing the operation of the conventional voltage control type DC-DC converter by phase compensation makes it difficult to respond at high speed, and the input voltage, the output voltage, and the load resistance When the fluctuation range is set wide, sufficient stability and responsiveness cannot be obtained. (B) Even in the conventional comparator control type DC-DC converter, when the phase delay is caused by the coil and the output capacitor, the switching control is performed. It becomes unstable, especially when the series equivalent resistance of the output capacitor is small, low-frequency oscillation occurs even in the steady state, and switching control becomes unstable, and it occurs in the output voltage to cope with this If the AC voltage component is increased, the rip voltage of the output voltage will increase, making it impossible to maintain the low ripple voltage characteristics and reducing the power conversion efficiency. (C) In order to cope with this, in the technique (Patent Document 4) in which a sense resistor is inserted between the coil and the output terminal, the quality factor of the coil is reduced and the power conversion efficiency is reduced. (D) In the technique in which a resistor and a capacitor are connected in series in parallel with the coil in order not to reduce the power conversion efficiency, the coil current cannot be correctly detected for an arbitrary coil and the DC level shift of the output voltage is not possible. (E) If the resistance value and the capacitance value are increased in order to solve this problem, it becomes difficult to form on the semiconductor chip, and if it is externally attached, the substrate area increases. And an increase in component mounting costs.
本発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、DC−DCコンバータにおける安定動作と低リップル電圧特性および負荷急変時の高速な応答特性を可能とし、かつ高い電力変換効率を達成することを可能とすることである。 An object of the present invention is to solve these problems of the prior art, to enable stable operation, low ripple voltage characteristics, and high-speed response characteristics at the time of sudden load change in a DC-DC converter, and to achieve high power conversion efficiency. It is possible.
上記目的を達成するため、本発明のDC−DCコンバータは、図3に示すように、(1)入力DC電圧を安定した出力DC電圧に変換するDC−DCコンバータであって、出力DC電圧Voutに比例した帰還電圧Vfb1に、コイル電流ILのAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分Vsenselを加算した電圧Vfb2と、基準電圧Vrefとを比較するコンパレータ(比較回路)16と、コンパレータ16の比較結果である出力信号をもとに、出力トランジスタFET1と整流素子(整流トランジスタFET2)を交互にオンオフ制御するドライバ駆動回路15と、コイル電流ILのAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧Vsenselを、出力トランジスタFET1および整流素子(整流トランジスタFET2)が流す電流に比例した電流を用いて生成する電流センス回路(出力トランジスタ電流センス回路17、整流トランジスタ電流センス回路18)とを設けたことを特徴とする。(2)そして、電流センス回路は、出力トランジスタFET1が流す電流に比例した電流を用いて、コイル電流ILのAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する第1の電圧生成回路(出力トランジスタ電流センス回路17)と、整流素子(整流トランジスタFET2)が流す電流に比例した電流を用いて、前記コイル電流のAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する第2の電圧生成回路(整流トランジスタ電流センス回路18)と、第1,第2の電圧生成回路(出力トランジスタ電流センス回路17、整流トランジスタ電流センス回路18)で生成した電圧のうち、コイル電流ILのAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを抽出するロー・パス・フィルタ回路(LPF19)を有し、ロー・パス・フィルタ回路(LPF19)で抽出した電圧成分を、出力DC電圧Voutに比例した帰還電圧Vfb1に加算することを特徴とする。(3)また、電流センス回路(出力トランジスタ電流センス回路17、整流トランジスタ電流センス回路18)は、ロー・パス・フィルタ回路(LPF19)で抽出した電圧成分のうち、AC電圧成分のみを、出力DC電圧に比例した帰還電圧に加算するAC加算回路20を有することを特徴とする。(4)さらに、図6に示すように、本発明のDC−DCコンバータでは、基準電圧Vrefにコイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分Vsenseaを加算した電圧Vref2と、出力DC電圧Voutに比例した帰還電圧Vfbとを比較するコンパレータ(比較回路)16と、コンパレータ16の比較結果である出力信号をもとに、出力トランジスタFET1と整流素子(整流トランジスタFET2)とを交互にオンオフ制御するドライバ駆動回路15と、コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧Vsenseaを、出力トランジスタFET1および整流素子(整流トランジスタFET2)が流す電流に比例した電流を用いて生成する電流センス回路(出力トランジスタ電流センス回路17、整流トランジスタ電流センス回路18)を設けたことを特徴とする。(5)そして、電流センス回路は、出力トランジスタFET1が流す電流に比例した電流を用いて、コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する第1の電圧生成回路(出力トランジスタ電流センス回路17)と、整流素子(整流トランジスタFET2)が流す電流に比例した電流を用いて、コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する第2の電圧生成回路(整流トランジスタ電流センス回路18)と、第1,第2の電圧生成回路(出力トランジスタ電流センス回路17、整流トランジスタ電流センス回路18)で生成した電圧のうち、コイル電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを抽出するロー・パス・フィルタ回路(LPF19)を有し、ロー・パス・フィルタ回路(LPF19)で抽出した電圧成分を、基準電圧Vrefに加算することを特徴とする。(6)また、電流センス回路は、ロー・パス・フィルタ回路(LPF19)で抽出した電圧を、反転増幅して出力する反転増幅回路22を有することを特徴とする。(7)また、電流センス回路は、反転増幅回路22の出力電圧のうち、AC電圧成分のみを、基準電圧Vrefに加算するAC加算回路20を有することを特徴とする。(8)また、本発明の電子機器は、上述の(1)〜(7)のいずれかに記載のDC−DCコンバータを具備したことを特徴とする。
In order to achieve the above object, as shown in FIG. 3, the DC-DC converter of the present invention is (1) a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a stable output DC voltage, and an output DC voltage Vout. A comparator (comparison circuit) 16 that compares a reference voltage Vref with a voltage Vfb2 obtained by adding an AC voltage component Vsensel that varies in phase according to the AC current component of the coil current IL to a feedback voltage Vfb1 proportional to The
本発明によれば、DC−DCコンバータの電力変換効率を低下させたり、ディスクリート外付け部品を必要としたりせず、任意のコイルに対してもコイル電流のAC電流成分に応じて変動する任意の振幅の電圧を生成し、その生成した電圧のうちAC電圧成分のみを任意の量だけ帰還電圧または基準電圧に加算することにより、等価直列抵抗の小さなコンデンサを出力コンデンサとして使用した場合においても安定したスイッチング制御ができる。例えば、(A)コイル電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分を含む電圧を、出力トランジスタと整流素子とが流す電流に比例した電流を用いて生成するので、コイル電流を直接検出する抵抗を用いたりする必要がなくなる。よって、高い電力変換効率を維持することができる。(B)また、任意のインダクタンスのコイルに対しても適切なAC電圧成分を生成することができるので、あるインダクタンスのコイルに対してのみ適切なAC電圧成分が得られるコイルの両端の電圧を積分する技術と比べて汎用性に優れた技術を提供できる。(C)また、コイル電流のAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分のみを帰還電圧に加算できるので、出力コンデンサの等価直列抵抗が小さく、出力電圧に含まれるコイル電流のAC電流成分に応じて変動するAC電圧成分が低減した場合においても、安定したスイッチング制御により、出力電圧を制御することができる。(D)また、コイル電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分を含む電圧を出力トランジスタと整流素子とが流す電流に比例した電流を用いて生成するので、コイル電流を直接検出する抵抗を用いたりする必要がなくなる。よって、高い電力変換効率を維持することができる。(4)また、任意のインダクタンスのコイルに対しても適切なAC電圧成分を生成することができるので、あるインダクタンスのコイルに対してのみ適切なAC電圧成分が得られるコイルの両端の電圧を積分する技術と比べ汎用性に優れた技術を提供できる。(E)また、コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分のみを基準電圧に加算できるので、出力コンデンサの等価直列抵抗が小さく、出力電圧に含まれるコイル電流のAC電流成分に応じて変動するAC電圧成分が低減した場合においても、安定したスイッチング制御により、出力電圧を制御することができる。 According to the present invention, an arbitrary coil that fluctuates in accordance with the AC current component of the coil current without reducing the power conversion efficiency of the DC-DC converter or requiring a discrete external component. By generating an amplitude voltage and adding only an AC voltage component of the generated voltage to the feedback voltage or reference voltage in an arbitrary amount, it is stable even when a capacitor with a small equivalent series resistance is used as the output capacitor. Switching control is possible. For example, (A) a voltage including a voltage component that fluctuates according to the AC current component of the coil current is generated using a current that is proportional to the current flowing between the output transistor and the rectifying element, and thus a resistor that directly detects the coil current. There is no need to use. Therefore, high power conversion efficiency can be maintained. (B) Further, since an appropriate AC voltage component can be generated even for a coil having an arbitrary inductance, the voltage at both ends of the coil that can obtain an appropriate AC voltage component only for a certain inductance coil is integrated. Technology that is superior in versatility compared to the technology to be used. (C) Since only the AC voltage component that varies in phase according to the AC current component of the coil current can be added to the feedback voltage, the equivalent series resistance of the output capacitor is small, and the AC current component of the coil current included in the output voltage Even when the AC voltage component that fluctuates according to the output voltage is reduced, the output voltage can be controlled by stable switching control. (D) Since a voltage including a voltage component that varies according to the AC current component of the coil current is generated using a current proportional to the current flowing between the output transistor and the rectifier element, a resistor that directly detects the coil current is generated. There is no need to use it. Therefore, high power conversion efficiency can be maintained. (4) Further, since an appropriate AC voltage component can be generated even for a coil having an arbitrary inductance, the voltage at both ends of the coil which can obtain an appropriate AC voltage component only for a coil having a certain inductance is integrated. Technology that is superior in versatility compared to this technology. (E) Since only the AC voltage component that varies in the opposite phase according to the AC current component of the coil current can be added to the reference voltage, the equivalent series resistance of the output capacitor is small, and the AC current of the coil current included in the output voltage Even when the AC voltage component that varies depending on the component is reduced, the output voltage can be controlled by stable switching control.
以下、図を用いて本発明を実施するための形態例を説明する。図3においては、コンピュータ装置やカーナビゲーション装置等の電子機器に用いられる本発明のDC−DCコンバータに係る第1の原理を説明する回路を示しており、同期整流方式によりスイッチング制御される降圧型のコンパレータ制御方式DC−DCコンバータ回路の構成を例に示している。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 shows a circuit for explaining the first principle of the DC-DC converter of the present invention used in an electronic device such as a computer device or a car navigation device, and is a step-down type that is switched and controlled by a synchronous rectification method. The configuration of the comparator control type DC-DC converter circuit is shown as an example.
抵抗R1とR3およびコンデンサC1は、出力電圧Voutから第1帰還電圧Vfb1をノードN1に生成する。上記第1帰還電圧Vfb1は、出力電圧Voutから抵抗R1とR3の分圧比で決まるDC電圧成分に、抵抗R1とコンデンサC1により、コイルLと出力コンデンサCOUTでの位相遅れを戻した出力電圧VoutからのAC電圧成分が加算された電圧となる。 Resistors R1 and R3 and capacitor C1 generate first feedback voltage Vfb1 at node N1 from output voltage Vout. The first feedback voltage Vfb1 is derived from the output voltage Vout obtained by returning the phase delay between the coil L and the output capacitor COUT by the resistor R1 and the capacitor C1 to the DC voltage component determined by the voltage dividing ratio of the resistors R1 and R3 from the output voltage Vout. Is a voltage obtained by adding the AC voltage components.
出力トランジスタ電流センス回路17は、出力トランジスタFET1に流れる電流に比例した電流(例えば出力トランジスタFET1に流れる電流の1/10000)を流し、整流トランジスタ電流センス回路18は、整流トランジスタFET2に流れる電流に比例した電流(例えば整流トランジスタFET2に流れる電流の1/10000)を流す。
The output transistor
出力トランジスタ電流センス回路17で流す電流は、センス抵抗RSENSEを介して接地電位に流れ込み、整流トランジスタ電流センス回路18で流す電流は、センス抵抗RSENSEを介して接地電位から流れ出る。
The current that flows through the output transistor
ここで、出力トランジスタFET1に流れる電流と整流トランジスタFET2に流れる電流は、それぞれコイルLに流れる電流と等しいことから、出力トランジスタ電流センス回路17と整流トランジスタ電流センス回路18に流れる電流は、それぞれコイルLに流れる電流に比例した電流となる。
Here, since the current flowing through the output transistor FET1 and the current flowing through the rectifying transistor FET2 are equal to the current flowing through the coil L, the current flowing through the output transistor
したがって、コイルLに流れる電流ILとノードN3の電圧Vsenseは、図4(a)に示すような波形となり、ノードN3の電圧Vsenseには、コイルLに流れる電流ILのAC電流成分に応じて変動する電圧成分を含むことになる。 Therefore, the current IL flowing through the coil L and the voltage Vsense of the node N3 have waveforms as shown in FIG. 4A, and the voltage Vsense of the node N3 varies depending on the AC current component of the current IL flowing through the coil L. Voltage component to be included.
LPF19は、上記のノードN3の電圧VsenseからコイルLに流れるAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを抽出するロー・パス・フィルタであり、LPF19の出力電圧Vsenselは、図4(b)に示すような波形となる。
The
AC加算回路20は、上記第1帰還電圧Vfb1に上記LPF19の出力電圧Vsenselのうち、AC電圧成分のみを加算し、図4(c)に示すような第2帰還電圧Vfb2をノードN2に生成する。
The
コンパレータ16は、上記第2帰還電圧Vfb2と基準電圧発生器11からの基準電圧Vrefとを比較する。
The
第2帰還電圧Vfb2が基準電圧Vrefよりも低くなると、コンパレータ16はハイ・レベルの信号を出力してドライバ駆動回路は出力トランジスタFET1をオンさせ整流トランジスタFET2をオフさせる。
When the second feedback voltage Vfb2 becomes lower than the reference voltage Vref, the
このことにより、入力端子VINからコイルLを介して負荷に供給される電流が増加し、出力電圧Voutが上昇する。 As a result, the current supplied from the input terminal VIN to the load via the coil L increases, and the output voltage Vout increases.
したがって、第1帰還電圧Vfb1は出力電圧Voutの上昇に応じて上昇し、第2帰還電圧Vfb2は第1帰還電圧Vfb1にコイルLに流れる電流の増加に応じて上昇するAC電圧成分が加算されて第1帰還電圧Vfb1よりも更に上昇する。 Accordingly, the first feedback voltage Vfb1 rises as the output voltage Vout rises, and the second feedback voltage Vfb2 adds the AC voltage component that rises as the current flowing through the coil L increases to the first feedback voltage Vfb1. It further rises above the first feedback voltage Vfb1.
第2帰還電圧Vfb2が基準電圧Vrefよりも高くなると、コンパレータ16はロー・レベルの信号を出力してドライバ駆動回路は出力トランジスタFET1をオフさせ整流トランジスタFET2をオンさせる。
When the second feedback voltage Vfb2 becomes higher than the reference voltage Vref, the
このことにより、コイルLに蓄えられたエネルギーは、整流トランジスタFET2を介して負荷に供給されるが、コイルLに流れる電流はエネルギーの放出に伴って減少し、出力電圧Voutも下降する。 As a result, the energy stored in the coil L is supplied to the load via the rectifying transistor FET2, but the current flowing through the coil L decreases as the energy is released, and the output voltage Vout also decreases.
したがって、第1帰還電圧Vfb1は出力電圧Voutの下降に応じて下降し、第2帰還電圧Vfb2は第1帰還電圧Vfb1にコイルLに流れる電流の減少に応じて下降するAC電圧成分が加算されて第1帰還電圧Vfb1よりも更に下降する。 Therefore, the first feedback voltage Vfb1 decreases as the output voltage Vout decreases, and the second feedback voltage Vfb2 adds the AC voltage component that decreases as the current flowing through the coil L decreases to the first feedback voltage Vfb1. It further falls below the first feedback voltage Vfb1.
以下、第2帰還電圧Vfb2が基準電圧Vrefよりも低くなると、再度コンパレータ16がハイ・レベルの信号を出力してドライバ駆動回路は出力トランジスタFET1をオンさせ整流トランジスタFET2をオフさせるという動作が繰り返される。
Thereafter, when the second feedback voltage Vfb2 becomes lower than the reference voltage Vref, the operation of the
以上の動作により、コイルLに流れるAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分のみが重畳された第2帰還電圧Vfb2と基準電圧Vrefとを比較して両電圧が等しくなるように負帰還制御が働くので、出力電圧Voutが制御される。 By the above operation, the second feedback voltage Vfb2 on which only the AC voltage component that varies in phase according to the AC current component flowing in the coil L is superimposed is compared with the reference voltage Vref, and negative feedback is made so that both voltages are equal. Since the control works, the output voltage Vout is controlled.
本発明の第1の原理を説明する回路によれば、コイル電流を直接検出する抵抗を用いたりせずに任意のインダクタンスのコイルに対してコイルLに流れるAC電流成分に応じて変動する電圧Vsenselを生成できる。 According to the circuit for explaining the first principle of the present invention, the voltage Vsensel which fluctuates according to the AC current component flowing in the coil L with respect to the coil having an arbitrary inductance without using the resistor for directly detecting the coil current. Can be generated.
また、出力電圧Voutから生成される第1帰還電圧Vfb1に上記電圧VsenselのAC電圧成分のみを加算した第2帰還電圧Vfb2を生成できるので、この第2帰還電圧Vfb2と基準電圧Vrefとを比較して安定したスイッチング制御により出力電圧Voutを制御することができる。 Further, since the second feedback voltage Vfb2 can be generated by adding only the AC voltage component of the voltage Vsensel to the first feedback voltage Vfb1 generated from the output voltage Vout, the second feedback voltage Vfb2 is compared with the reference voltage Vref. The output voltage Vout can be controlled by stable and stable switching control.
また、出力コンデンサCOUTの等価直列抵抗ESRが小さく、出力電圧Voutに含まれるコイルLに流れるAC電流成分に応じて変動するAC電圧成分が低減された場合においても、第2帰還電圧Vfb2にコイルLに流れるAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を適切な量だけ加算することができるため、安定したスイッチング制御により出力電圧Voutを制御することができる。 Even when the equivalent series resistance ESR of the output capacitor COUT is small and the AC voltage component that fluctuates according to the AC current component flowing in the coil L included in the output voltage Vout is reduced, the coil L is applied to the second feedback voltage Vfb2. Since an appropriate amount of AC voltage component that varies in phase according to the AC current component flowing in the AC phase can be added, the output voltage Vout can be controlled by stable switching control.
図5には、図3に示す本発明の第1の原理を具体化した実施形態の回路図を示す。 FIG. 5 shows a circuit diagram of an embodiment embodying the first principle of the present invention shown in FIG.
回路117は出力トランジスタ電流センス回路17の具体例である。
The
出力トランジスタFET1とゲートおよびソースが共通のセンス出力トランジスタFET3が備えられており、トランジスタFET5および演算増幅器21により、センス出力トランジスタFET3のドレイン電圧は、出力トランジスタFET1のドレイン電圧と等しくなるように制御される。
A sense output transistor FET3 having a common gate and source with the output transistor FET1 is provided, and the drain voltage of the sense output transistor FET3 is controlled to be equal to the drain voltage of the output transistor FET1 by the transistor FET5 and the
出力トランジスタFET1とセンス出力トランジスタFET3のチャネル幅とチャネル長の比(以下、W/L)をm:n(m>n)となるように設定すれば、センス出力トランジスタFET3に流れる電流を出力トランジスタFET1に流れる電流のn/mと設定することができる。 If the ratio between the channel width and the channel length (hereinafter referred to as W / L) of the output transistor FET1 and the sense output transistor FET3 is set to be m: n (m> n), the current flowing through the sense output transistor FET3 is changed to the output transistor. It can be set to n / m of the current flowing through the FET 1.
このことは、出力トランジスタFET1に流れる電流とコイルLに流れる電流と等しいことから、センス出力トランジスタFET3に流れる電流をコイルLに流れる電流のn/mと設定することができることと等しいことになる。 Since this is equal to the current flowing through the output transistor FET1 and the current flowing through the coil L, the current flowing through the sense output transistor FET3 can be set to n / m of the current flowing through the coil L.
また、このセンス出力トランジスタFET3に流れる電流は、センス抵抗RSENSEを介して接地電位に流れ込むので、ノードN3の電圧Vsenseには、出力トランジスタFET1がオンした時にコイルLに流れる電流の増加に応じて変動する電圧成分が含まれることとなる。 Further, since the current flowing through the sense output transistor FET3 flows into the ground potential via the sense resistor RSENSE, the voltage Vsense of the node N3 varies according to the increase in the current flowing through the coil L when the output transistor FET1 is turned on. Voltage component to be included.
なお、出力トランジスタFET1とセンス出力トランジスタFET3のW/L比およびセンス抵抗RSENSEの抵抗値を任意に調整することにより、出力トランジスタFET1がオンした時にコイルLに流れる電流の増加に応じて変動する電圧Vsenseの傾きおよび振幅を任意に設定することが可能である。 A voltage that varies according to an increase in the current flowing through the coil L when the output transistor FET1 is turned on by arbitrarily adjusting the W / L ratio of the output transistor FET1 and the sense output transistor FET3 and the resistance value of the sense resistor RSENSE. It is possible to arbitrarily set the slope and amplitude of Vsense.
回路118は、整流トランジスタ電流センス回路18の具体例である。整流トランジスタFET2とゲートおよびドレインが共通のセンス出力トランジスタFET4が備えられている
The
整流トランジスタFET2とセンス整流トランジスタFET4のW/Lをm:n(m>n)となるように設定すれば、センス整流トランジスタFET4に流れる電流を整流トランジスタFET2に流れる電流のn/mと設定することができる。 If the W / L of the rectifying transistor FET2 and the sense rectifying transistor FET4 is set to be m: n (m> n), the current flowing through the sense rectifying transistor FET4 is set to n / m of the current flowing through the rectifying transistor FET2. be able to.
整流トランジスタFET2に流れる電流は、コイルLに流れる電流と等しいことから、センス整流トランジスタFET4に流れる電流をコイルLに流れる電流のn/mと設定することができることと等しいことになる。 Since the current flowing through the rectifying transistor FET2 is equal to the current flowing through the coil L, this means that the current flowing through the sense rectifying transistor FET4 can be set to n / m of the current flowing through the coil L.
また、センス整流トランジスタFET4に流れる電流は、センス抵抗RSENSEを介して接地電位から流れ出るので、ノードN3に生じる電圧Vsenseには、整流トランジスタFET2がオンした時にコイルLに流れる電流の減少に応じて増加する電圧成分が含まれることとなる。 In addition, since the current flowing through the sense rectifier transistor FET4 flows out from the ground potential via the sense resistor RSENSE, the voltage Vsense generated at the node N3 increases as the current flowing through the coil L decreases when the rectifier transistor FET2 is turned on. Voltage component to be included.
なお、整流トランジスタFET2とセンス整流トランジスタFET4のW/L比およびセンス抵抗RSENSEの抵抗値を任意に調整することにより、整流トランジスタFET2がオンした時にコイルLに流れる電流の減少に応じて変動する電圧Vsenseの傾きおよび振幅を任意に設定することが可能である。 A voltage that varies according to a decrease in the current flowing through the coil L when the rectifier transistor FET2 is turned on by arbitrarily adjusting the W / L ratio of the rectifier transistor FET2 and the sense rectifier transistor FET4 and the resistance value of the sense resistor RSENSE. It is possible to arbitrarily set the slope and amplitude of Vsense.
ただし、ノードN3の電圧Vsenseの振幅を大きくし過ぎると、整流トランジスタFET2とセンス整流トランジスタFET4のソース電圧の差が大きくなるため、センス整流トランジスタFET4に流れる電流が整流トランジスタFET2とセンス整流トランジスタFET4のW/L比に応じた電流とならなくなることに注意が必要となる。 However, if the amplitude of the voltage Vsense of the node N3 is excessively increased, the difference between the source voltages of the rectification transistor FET2 and the sense rectification transistor FET4 increases, so that the current flowing through the sense rectification transistor FET4 is increased between the rectification transistor FET2 and the sense rectification transistor FET4. Note that the current does not correspond to the W / L ratio.
回路119は、LPF19およびAC加算回路20の具体例である。抵抗R4およびコンデンサC3によりRCロー・パス・フィルタが構成されており、その遮断周波数はノードN3の電圧VsenseのうちコイルLに流れるAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを通過させ、出力トランジスタFET1および整流トランジスタFET2がオンオフする時に急峻に変化する電圧成分を遮断するように設定されている。
The
よって、抵抗R4とコンデンサC3とが接続されるノードN4には、コイルLに流れるAC電流成分に応じて変動する電圧Vsenselが生じることになる。 Therefore, a voltage Vsensel that varies according to the AC current component flowing in the coil L is generated at the node N4 to which the resistor R4 and the capacitor C3 are connected.
また、ロー・パス・フィルタを構成するコンデンサC3は、ノードN1とノードN3との間に接続されているため、AC加算回路として作用し、ノードN1にノードN3の電圧VsenselのAC電圧成分のみを加算する。 In addition, since the capacitor C3 constituting the low pass filter is connected between the node N1 and the node N3, it acts as an AC adding circuit, and only the AC voltage component of the voltage Vsensel of the node N3 is applied to the node N1. to add.
つまり、抵抗R1とR3、コンデンサC1で決まる出力電圧Voutからの帰還電圧Vfbには、コイルLに流れるAC電流成分に応じて変動するAC電圧成分が加算されることとなる。 That is, an AC voltage component that varies according to an AC current component flowing through the coil L is added to the feedback voltage Vfb from the output voltage Vout determined by the resistors R1 and R3 and the capacitor C1.
なお、ノードN1のインピーダンスが抵抗R4の抵抗値よりも十分に小さい場合は、抵抗R4の抵抗値およびコンデンサC3の容量値を調整することにより、RCロー・パス・フィルタの遮断周波数を任意に設定することが可能となり、ノードN1のインピーダンスとC3の容量値を調整することにより、AC加算回路で帰還電圧Vfbに加算する電圧VsenselのAC電圧成分の量を任意に設定することが可能となる。 When the impedance of the node N1 is sufficiently smaller than the resistance value of the resistor R4, the cutoff frequency of the RC low pass filter is arbitrarily set by adjusting the resistance value of the resistor R4 and the capacitance value of the capacitor C3. By adjusting the impedance of the node N1 and the capacitance value of C3, it is possible to arbitrarily set the amount of the AC voltage component of the voltage Vsensel added to the feedback voltage Vfb by the AC adding circuit.
図6は、本発明の第2の原理を説明する回路図である。同期整流方式によりスイッチング制御される降圧型のコンパレータ制御方式DC−DCコンバータ回路の構成を例にした原理回路図である。 FIG. 6 is a circuit diagram illustrating the second principle of the present invention. FIG. 3 is a principle circuit diagram illustrating a configuration of a step-down comparator control type DC-DC converter circuit that is switching-controlled by a synchronous rectification method.
抵抗R1とR3およびコンデンサC1は、出力電圧Voutから帰還電圧VfbをノードN1に生成する。 Resistors R1 and R3 and capacitor C1 generate feedback voltage Vfb at node N1 from output voltage Vout.
上記帰還電圧Vfbは、出力電圧Voutから抵抗R1とR3の分圧比で決まるDC電圧成分に、抵抗R1とコンデンサC1により、コイルLと出力コンデンサCOUTでの位相遅れを戻した出力電圧VoutからのAC電圧成分が加算された電圧となる。 The feedback voltage Vfb is an AC voltage from the output voltage Vout obtained by returning the phase lag at the coil L and the output capacitor COUT by the resistor R1 and the capacitor C1 to a DC voltage component determined by the voltage dividing ratio of the resistors R1 and R3 from the output voltage Vout. The voltage is the sum of the voltage components.
出力トランジスタ電流センス回路17は、出力トランジスタFET1に流れる電流に比例した電流(例えば出力トランジスタFET1に流れる電流の1/10000)を流し、整流トランジスタ電流センス回路18は、整流トランジスタFET2に流れる電流に比例した電流(例えば整流トランジスタFET2に流れる電流の1/10000)を流す。
The output transistor
出力トランジスタ電流センス回路17で流す電流は、センス抵抗RSENSEを介して接地電位に流れ込み、整流トランジスタ電流センス回路18で流す電流は、センス抵抗RSENSEを介して接地電位から流れ出る。
The current that flows through the output transistor
ここで、出力トランジスタFET1に流れる電流と整流トランジスタFET2に流れる電流は、それぞれコイルLに流れる電流と等しいことから、出力トランジスタ電流センス回路17と整流トランジスタ電流センス回路18に流れる電流は、それぞれコイルLに流れる電流に比例した電流となる。
Here, since the current flowing through the output transistor FET1 and the current flowing through the rectifying transistor FET2 are equal to the current flowing through the coil L, the current flowing through the output transistor
よって、コイルLに流れる電流ILとノードN3の電圧Vsenseは、図7(a)に示すような波形となり、ノードN3の電圧Vsenseには、コイルLに流れる電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分を含むことになる。 Therefore, the current IL flowing through the coil L and the voltage Vsense of the node N3 have waveforms as shown in FIG. 7A, and the voltage Vsense of the node N3 varies according to the AC current component of the current flowing through the coil L. The voltage component will be included.
LPF19は、上記のノードN3の電圧VsenseからコイルLに流れるAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを抽出するロー・パス・フィルタであり、LPF19の出力電圧Vsenselは、図7(b)に示すような波形となる。
The
反転増幅回路22は、上記LPF19の出力電圧Vsenselを反転増幅させて出力する回路であり、その出力電圧Vsenseaは図7(c)に示すような波形となる。
The inverting
AC加算回路20は、上記反転増幅回路の出力電圧VsenseaのAC電圧成分のみを基準電圧発生器11からの基準電圧Vrefに加算し、図7(d)に示すような第2基準電圧Vref2をノードN2に生成する。
The
コンパレータ16は、帰還電圧Vfbと上記第2基準電圧Vref2とを比較する。帰還電圧Vfbが第2基準電圧Vref2よりも低くなると、コンパレータ16はハイ・レベルの信号を出力してドライバ駆動回路は出力トランジスタFET1をオンさせ整流トランジスタFET2をオフさせる。
The
このことにより、入力端子VINからコイルLを介して負荷に供給される電流は増加し、出力電圧Voutが上昇する。 As a result, the current supplied from the input terminal VIN to the load via the coil L increases, and the output voltage Vout increases.
したがって、帰還電圧Vfbは出力電圧Voutの上昇に応じて上昇し、第2基準電圧Vref2は基準電圧VrefにコイルLに流れる電流の増加に応じて下降するAC電圧成分が加算されて下降する。 Therefore, the feedback voltage Vfb rises as the output voltage Vout rises, and the second reference voltage Vref2 falls by adding the AC voltage component that falls as the current flowing through the coil L is added to the reference voltage Vref.
帰還電圧Vfbが第2基準電圧Vref2よりも高くなると、コンパレータ16はロー・レベルの信号を出力してドライバ駆動回路は出力トランジスタFET1をオフさせ整流トランジスタFET2をオンさせる。
When the feedback voltage Vfb becomes higher than the second reference voltage Vref2, the
このことにより、コイルLに蓄えられたエネルギーは、整流トランジスタFET2を介して負荷に供給されるが、コイルLに流れる電流はエネルギーの放出に伴って減少し、出力電圧Voutも下降する。 As a result, the energy stored in the coil L is supplied to the load via the rectifying transistor FET2, but the current flowing through the coil L decreases as the energy is released, and the output voltage Vout also decreases.
したがって、帰還電圧Vfbは出力電圧Voutの下降に応じて下降し、第2基準電圧Vref2は基準電圧VrefにコイルLに流れる電流の減少に応じて増加するAC電圧成分が加算されて上昇する。 Therefore, the feedback voltage Vfb decreases as the output voltage Vout decreases, and the second reference voltage Vref2 increases by adding the AC voltage component that increases as the current flowing through the coil L increases to the reference voltage Vref.
以下、帰還電圧Vfbが第2基準電圧Vref2よりも低くなると、再度コンパレータ16がハイ・レベルの信号を出力してドライバ駆動回路は出力トランジスタFET1をオンさせ整流トランジスタFET2をオフさせるという動作が繰り返される。
Thereafter, when the feedback voltage Vfb becomes lower than the second reference voltage Vref2, the operation of the
以上の動作により、帰還電圧VfbとコイルLに流れるAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分のみが重畳された第2基準電圧Vref2とを比較して両電圧が等しくなるように負帰還制御が働くので、出力電圧Voutが制御される。 By the above operation, the feedback voltage Vfb is compared with the second reference voltage Vref2 on which only the AC voltage component that varies in the opposite phase according to the AC current component flowing in the coil L is compared, and the negative voltage is set so that both voltages are equal. Since feedback control works, the output voltage Vout is controlled.
本第2の原理を説明する回路によれば、コイル電流を直接検出する抵抗を用いたりせずに任意のインダクタンスのコイルに対してコイルLに流れるAC電流成分に応じて逆相で変動する電圧Vsenseaを生成できる。 According to the circuit for explaining the second principle, a voltage that varies in reverse phase according to the AC current component flowing in the coil L with respect to a coil having an arbitrary inductance without using a resistor that directly detects the coil current. Vsensea can be generated.
また、基準電圧発生器11からの基準電圧Vrefに上記電圧VsenseaのAC電圧成分のみを加算した第2基準電圧Vref2を生成できるので、この第2基準電圧Vref2と帰還電圧Vfbとを比較して安定したスイッチング制御により出力電圧Voutを制御することができる。
Further, since the second reference voltage Vref2 obtained by adding only the AC voltage component of the voltage Vsensea to the reference voltage Vref from the
また、出力コンデンサCOUTの等価直列抵抗ESRが小さく、出力電圧Voutに含まれるコイルLのAC電流成分に応じて変動するAC電圧成分が低減された場合においても、第2基準電圧Vref2にコイルLに流れるAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を適切な量だけ加算することができるため、安定したスイッチング制御により出力電圧Voutを制御することができる。 Even when the equivalent series resistance ESR of the output capacitor COUT is small and the AC voltage component that fluctuates according to the AC current component of the coil L included in the output voltage Vout is reduced, the second reference voltage Vref2 is applied to the coil L. Since an appropriate amount of AC voltage component that varies in reverse phase according to the flowing AC current component can be added, the output voltage Vout can be controlled by stable switching control.
図8には、図6に示す本発明の第2の原理を具体化した実施形態の回路図を示す。 FIG. 8 shows a circuit diagram of an embodiment embodying the second principle of the present invention shown in FIG.
回路117は出力トランジスタ電流センス回路17の具体例である。出力トランジスタFET1とゲートおよびソースが共通のセンス出力トランジスタFET3が備えられており、トランジスタFET5および演算増幅器21により、センス出力トランジスタFET3のドレイン電圧は、出力トランジスタFET1のドレイン電圧と等しくなるように制御される。
The
出力トランジスタFET1とセンス出力トランジスタFET3のチャネル幅とチャネル長の比(以下、W/L)をm:n(m>n)となるように設定すれば、センス出力トランジスタFET3に流れる電流を出力トランジスタFET1に流れる電流のn/mと設定することができる。 If the ratio between the channel width and the channel length (hereinafter referred to as W / L) of the output transistor FET1 and the sense output transistor FET3 is set to be m: n (m> n), the current flowing through the sense output transistor FET3 is changed to the output transistor. It can be set to n / m of the current flowing through the FET 1.
このことは、出力トランジスタFET1に流れる電流とコイルLに流れる電流と等しいことから、センス出力トランジスタFET3に流れる電流をコイルLに流れる電流のn/mと設定することができることと等しいことになる。 Since this is equal to the current flowing through the output transistor FET1 and the current flowing through the coil L, the current flowing through the sense output transistor FET3 can be set to n / m of the current flowing through the coil L.
また、このセンス出力トランジスタFET3に流れる電流は、センス抵抗RSENSEを介して接地電位に流れ込むので、ノードN3の電圧Vsenseには、出力トランジスタFET1がオンした時にコイルLに流れる電流の増加に応じて変動する電圧成分が含まれることとなる。 Further, since the current flowing through the sense output transistor FET3 flows into the ground potential via the sense resistor RSENSE, the voltage Vsense of the node N3 varies according to the increase in the current flowing through the coil L when the output transistor FET1 is turned on. Voltage component to be included.
なお、出力トランジスタFET1とセンス出力トランジスタFET3のW/L比およびセンス抵抗RSENSEの抵抗値を任意に調整することにより、出力トランジスタFET1がオンした時にコイルLに流れる電流の増加に応じて変動する電圧Vsenseの傾きおよび振幅を任意に設定することが可能である。 A voltage that varies according to an increase in the current flowing through the coil L when the output transistor FET1 is turned on by arbitrarily adjusting the W / L ratio of the output transistor FET1 and the sense output transistor FET3 and the resistance value of the sense resistor RSENSE. It is possible to arbitrarily set the slope and amplitude of Vsense.
回路118は整流トランジスタ電流センス回路18の具体例である。整流トランジスタFET2とゲートおよびドレインが共通のセンス出力トランジスタFET4が備えられている。
整流トランジスタFET2とセンス整流トランジスタFET4のW/Lをm:n(m>n)となるように設定すれば、センス整流トランジスタFET4に流れる電流を整流トランジスタFET2に流れる電流のn/mと設定することができる。 If the W / L of the rectifying transistor FET2 and the sense rectifying transistor FET4 is set to be m: n (m> n), the current flowing through the sense rectifying transistor FET4 is set to n / m of the current flowing through the rectifying transistor FET2. be able to.
整流トランジスタFET2に流れる電流は、コイルLに流れる電流と等しいことから、センス整流トランジスタFET4に流れる電流をコイルLに流れる電流のn/mと設定することができることと等しいことになる。 Since the current flowing through the rectifying transistor FET2 is equal to the current flowing through the coil L, this means that the current flowing through the sense rectifying transistor FET4 can be set to n / m of the current flowing through the coil L.
また、センス整流トランジスタFET4に流れる電流はセンス抵抗RSENSEを介して接地電位から流れ出るので、ノードN3に生じる電圧Vsenseには、整流トランジスタFET2がオンした時にコイルLに流れる電流の減少に応じて変動する電圧成分が含まれることとなる。 Further, since the current flowing through the sense rectifier transistor FET4 flows out from the ground potential via the sense resistor RSENSE, the voltage Vsense generated at the node N3 varies according to the decrease in the current flowing through the coil L when the rectifier transistor FET2 is turned on. A voltage component is included.
なお、整流トランジスタFET2とセンス整流トランジスタFET4のW/L比およびセンス抵抗RSENSEの抵抗値を任意に調整することにより、整流トランジスタFET2がオンした時にコイルLに流れる電流の減少に応じて変動する電圧Vsenseの傾きおよび振幅を任意に設定することが可能である。 A voltage that varies according to a decrease in the current flowing through the coil L when the rectifier transistor FET2 is turned on by arbitrarily adjusting the W / L ratio of the rectifier transistor FET2 and the sense rectifier transistor FET4 and the resistance value of the sense resistor RSENSE. It is possible to arbitrarily set the slope and amplitude of Vsense.
ただし、ノードN3の電圧Vsenseの振幅を大きくし過ぎると、整流トランジスタFET2とセンス整流トランジスタFET4のソース電圧の差が大きくなるため、センス整流トランジスタFET4に流れる電流が整流トランジスタFET2とセンス整流トランジスタFET4のW/L比に応じた電流とならなくなることに注意が必要となる。 However, if the amplitude of the voltage Vsense of the node N3 is excessively increased, the difference between the source voltages of the rectification transistor FET2 and the sense rectification transistor FET4 increases, so that the current flowing through the sense rectification transistor FET4 is increased between the rectification transistor FET2 and the sense rectification transistor FET4. Note that the current does not correspond to the W / L ratio.
回路119は、LPF19の具体例である。抵抗R4およびコンデンサC3によりRCロー・パス・フィルタが形成されており、その遮断周波数はノードN3の電圧Vsenseのうち、コイルLに流れるAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを通過させ、出力トランジスタFET1および整流トランジスタFET2がオンオフする時に急峻に変化する電圧成分を遮断するように設定されている。
The
よって、抵抗R4とコンデンサC3とが接続されるノードN4には、コイルLに流れるAC電流成分に応じて変動する電圧Vsenselが生じることになる。 Therefore, a voltage Vsensel that varies according to the AC current component flowing in the coil L is generated at the node N4 to which the resistor R4 and the capacitor C3 are connected.
回路122は、反転増幅器22の具体例である。ノードN4と演算増幅器の反転入力との間に抵抗R5が接続され、演算増幅器の非反転入力と接地電位との間に基準電圧源E1が接続され、演算増幅器の出力と反転入力との間に抵抗6が接続されている。ノードN4の電圧Vsenselと演算増幅器の出力ノードN5の電圧Vsenseaの関係は、基準電圧源E1の出力電圧をVref3とすると次式で表される。
The
Vsensea
=Vref3−(Vsensel−Vref3)×R6/R5
=Vref3×(R5−R6)/R5−Vsensel×R6/R5
Vsensea
= Vref3- (Vsensel-Vref3) * R6 / R5
= Vref3 * (R5-R6) / R5-Vsensel * R6 / R5
上式より、ノードN5の電圧Vsenseaは、Vref3×(R5−R6)/R5の電圧を基準レベルとしてノードN4の電圧VsenselがR6/R5倍だけ反転することがわかる。 From the above equation, it can be seen that the voltage Vsensea at the node N5 is inverted by R6 / R5 times with the voltage Vref3 × (R5−R6) / R5 as a reference level.
ここで、ノードN4の電圧Vsenselのどの値に対してもVsenseaが常に正となるように抵抗R5とR6の抵抗比および基準電圧源の出力電圧Vref3を設定しないと、ノードN5の電圧Vsenseaに歪が生じてしまうことに注意が必要である。 Here, if the resistance ratio of the resistors R5 and R6 and the output voltage Vref3 of the reference voltage source are not set so that Vsensea is always positive with respect to any value of the voltage Vsensel of the node N4, the voltage Vsensea of the node N5 is distorted. It should be noted that this will occur.
回路120は、AC加算回路20の具体例である。抵抗R2およびコンデンサC2で構成されており、抵抗R2はノードN2と基準電圧発生器11との間に接続され、コンデンサC2はノードN5とノードN2との間に接続されている。
The
基準電圧発生器11からの基準電圧Vrefに対してはDC電圧成分のみをノードN2に通過させるロー・パス・フィルタとして作用し、ノードN5の電圧Vsenseaに対してはAC電圧成分のみをノードN2に通過させるハイ・パス・フィルタとして作用する。
For the reference voltage Vref from the
よって、ノードN2に生じる第2基準電圧Vref2は、基準電圧発生器11からの基準電圧VrefとノードN5の電圧VsenseaのAC電圧成分とが加算された電圧となる。
Therefore, the second reference voltage Vref2 generated at the node N2 is a voltage obtained by adding the reference voltage Vref from the
なお、抵抗R4の抵抗値およびコンデンサC3の容量値を調整することにより、回路119のRCロー・パス・フィルタの遮断周波数を任意に設定することが可能となる。
Note that the cutoff frequency of the RC low pass filter of the
また、抵抗R5とR6の抵抗値および基準電圧源E1の出力電圧Vref3の電圧値を調整することにより、回路122の反転増幅率および基準レベルの調整を任意に設定することが可能となる。
Further, by adjusting the resistance values of the resistors R5 and R6 and the voltage value of the output voltage Vref3 of the reference voltage source E1, the inversion amplification factor and the reference level of the
更に、抵抗R2の抵抗値およびコンデンサC2の容量値を調整することにより、回路120でAC電圧成分を加算する量を任意に設定することが可能となる。
Furthermore, by adjusting the resistance value of the resistor R2 and the capacitance value of the capacitor C2, it is possible to arbitrarily set the amount by which the
以上、図3〜図8を用いて説明したように、本例のDC−DCコンバータは、例えば、図3および図5に示すように、入力DC電圧を安定した出力DC電圧に変換するDC−DCコンバータであって、出力DC電圧Voutに比例した帰還電圧Vfb1に、コイル電流ILのAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分Vsenselを加算した電圧Vfb2と、基準電圧Vrefとを比較するコンパレータ16と、コンパレータ16の比較結果である出力信号をもとに、出力トランジスタFET1と整流トランジスタFET2とを交互にオンオフ制御するドライバ駆動回路15と、コイル電流ILのAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧Vsenselを、出力トランジスタFET1および整流トランジスタFET2が流す電流に比例した電流を用いて生成する電流センス回路(出力トランジスタ電流センス回路17、整流トランジスタ電流センス回路18)とを設けた構成とする。
As described above with reference to FIGS. 3 to 8, the DC-DC converter of the present example is a DC-DC that converts an input DC voltage into a stable output DC voltage, for example, as shown in FIGS. 3 and 5. A reference voltage Vref is compared with a reference voltage Vref, which is a DC converter, which is obtained by adding an AC voltage component Vsensel that varies in phase according to the AC current component of the coil current IL to a feedback voltage Vfb1 proportional to the output DC voltage Vout. Based on the
このように、コイル電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分を含む電圧を、出力トランジスタFET1と整流トランジスタFET2とが流す電流に比例した電流を用いて生成するので、コイル電流を直接検出する抵抗を用いたりする必要がなくなる。これにより、高い電力変換効率を維持することができる。また、任意のインダクタンスのコイルに対しても適切なAC電圧成分を生成することができるので、あるインダクタンスのコイルに対してのみ適切なAC電圧成分が得られるコイルの両端の電圧を積分する技術と比べ汎用性に優れた技術を提供できる。 As described above, the voltage including the voltage component that fluctuates according to the AC current component of the coil current is generated using the current proportional to the current flowing through the output transistor FET1 and the rectifying transistor FET2, and thus the coil current is directly detected. There is no need to use resistors. Thereby, high power conversion efficiency can be maintained. In addition, since an appropriate AC voltage component can be generated even for a coil having an arbitrary inductance, a technique for integrating the voltages at both ends of the coil, which can obtain an appropriate AC voltage component only for a certain inductance coil, and Compared to this, it is possible to provide a technology with superior versatility.
また、図3および図5における本発明に係る電流センス回路は、出力トランジスタFET1が流す電流に比例した電流を用いて、コイル電流ILのAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する出力トランジスタ電流センス回路17と、整流トランジスタFET2が流す電流に比例した電流を用いて、コイル電流のAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する整流トランジスタ電流センス回路18と、これらの出力トランジスタ電流センス回路17と整流トランジスタ電流センス回路18で生成した電圧のうちの、コイル電流ILのAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを抽出するロー・パス・フィルタ回路(LPF19)と、このロー・パス・フィルタ回路(LPF19)で抽出した電圧成分のうち、AC電圧成分のみを、出力DC電圧Voutに比例した帰還電圧Vfb1に加算するAC加算回路20を有する構成とする。
3 and 5 includes an AC voltage component that varies in phase according to the AC current component of the coil current IL, using a current proportional to the current flowing through the output transistor FET1. The output transistor
このように、本例のDC−DCコンバータ回路においては、コイル電流のAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分のみを帰還電圧に加算できるので、出力コンデンサの等価直列抵抗が小さく、出力電圧に含まれるコイル電流のAC電流成分に応じて変動するAC電圧成分が低減した場合においても、安定したスイッチング制御により、出力電圧を制御することができる。 In this way, in the DC-DC converter circuit of this example, only the AC voltage component that varies in phase according to the AC current component of the coil current can be added to the feedback voltage, so that the equivalent series resistance of the output capacitor is small and the output Even when the AC voltage component that varies according to the AC current component of the coil current included in the voltage is reduced, the output voltage can be controlled by stable switching control.
また、本例のDC−DCコンバータ回路は、図6および図8に示すように、基準電圧Vrefにコイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分Vsenseaを加算した電圧Vref2と、出力DC電圧Voutに比例した帰還電圧Vfbとを比較するコンパレータ16と、コンパレータ16の比較結果である出力信号をもとに、出力トランジスタFET1と整流トランジスタFET2とを交互にオンオフ制御するドライバ駆動回路15と、コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧Vsenseaを、出力トランジスタFET1および整流トランジスタFET2が流す電流に比例した電流を用いて生成する電流センス回路(出力トランジスタ電流センス回路17、整流トランジスタ電流センス回路18)を設けた構成とする。
Further, as shown in FIGS. 6 and 8, the DC-DC converter circuit of the present example includes a voltage Vref2 obtained by adding an AC voltage component Vsensea that varies in a reverse phase according to the AC current component of the coil current to the reference voltage Vref. , A
このように、図6および図8のDC−DCコンバータ回路においても、コイル電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分を含む電圧を、出力トランジスタFET1と整流トランジスタFET2とが流す電流に比例した電流を用いて生成するので、コイル電流を直接検出する抵抗を用いたりする必要がなくなる。これにより、高い電力変換効率を維持することができる。また、任意のインダクタンスのコイルに対しても適切なAC電圧成分を生成することができるので、あるインダクタンスのコイルに対してのみ適切なAC電圧成分が得られるコイルの両端の電圧を積分する技術と比べ汎用性に優れた技術を提供できる。 As described above, also in the DC-DC converter circuits of FIGS. 6 and 8, the voltage including the voltage component that fluctuates according to the AC current component of the coil current is proportional to the current that flows through the output transistor FET1 and the rectifying transistor FET2. Since the current is generated using the current, it is not necessary to use a resistor that directly detects the coil current. Thereby, high power conversion efficiency can be maintained. In addition, since an appropriate AC voltage component can be generated even for a coil having an arbitrary inductance, a technique for integrating the voltages at both ends of the coil, which can obtain an appropriate AC voltage component only for a certain inductance coil, and Compared to this, it is possible to provide a technology with superior versatility.
また、図6および図8における本発明に係る電流センス回路は、出力トランジスタFET1が流す電流に比例した電流を用いて、コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する出力トランジスタ電流センス回路17と、整流トランジスタFET2が流す電流に比例した電流を用いて、コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する整流トランジスタ電流センス回路18と、これらの出力トランジスタ電流センス回路17および整流トランジスタ電流センス回路18で生成した電圧のうちの、コイル電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを抽出するロー・パス・フィルタ回路(LPF19)と、ロー・パス・フィルタ回路(LPF19)で抽出した電圧を、反転増幅して出力する反転増幅回路22と、反転増幅回路22の出力電圧のうち、AC電圧成分のみを、基準電圧Vrefに加算するAC加算回路20を有する構成としている。
6 and 8 includes an AC voltage component that varies in reverse phase according to the AC current component of the coil current, using a current proportional to the current flowing through the output transistor FET1. The output transistor
このように、本例のDC−DCコンバータ回路においては、コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分のみを基準電圧に加算できるので、出力コンデンサの等価直列抵抗が小さく、出力電圧に含まれるコイル電流のAC電流成分に応じて変動するAC電圧成分が低減した場合においても、安定したスイッチング制御により、出力電圧を制御することができる。 Thus, in the DC-DC converter circuit of this example, only the AC voltage component that varies in the opposite phase according to the AC current component of the coil current can be added to the reference voltage, so the equivalent series resistance of the output capacitor is small, Even when the AC voltage component that varies according to the AC current component of the coil current included in the output voltage is reduced, the output voltage can be controlled by stable switching control.
以上のように、本例のDC−DCコンバータによれば、DC−DCコンバータの電力変換効率を低下させたり、ディスクリート外付け部品を必要としたりせず、任意のコイルに対してもコイル電流のAC電流成分に応じて変動する任意の振幅の電圧を生成し、その生成した電圧のうちAC電圧成分のみを任意の量だけ帰還電圧または基準電圧に加算することにより、等価直列抵抗の小さなコンデンサを出力コンデンサとして使用した場合においても安定したスイッチング制御ができる。 As described above, according to the DC-DC converter of this example, the power conversion efficiency of the DC-DC converter is not reduced, and no discrete external component is required. A voltage with an arbitrary amplitude that varies according to the AC current component is generated, and only the AC voltage component of the generated voltage is added to the feedback voltage or the reference voltage by an arbitrary amount. Even when used as an output capacitor, stable switching control can be performed.
尚、本発明は、図3〜図8を用いて説明した例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、本例では、同期整流方式のDC−DCコンバータを例として挙げているが、整流素子にダイオードを用いてもよい。その場合は、整流トランジスタFET2を整流ダイオードに、センス整流トランジスタFET4をセンス整流ダイオードにそれぞれ置換え、整流ダイオードとセンス整流ダイオードとの接合面積比をm:n(m>n)とすれば、センス整流ダイオードに流れる電流を整流ダイオードに流れる電流のn/mとすることができる。 In addition, this invention is not limited to the example demonstrated using FIGS. 3-8, In the range which does not deviate from the summary, various changes are possible. For example, in this example, a synchronous rectification type DC-DC converter is used as an example, but a diode may be used as the rectifying element. In that case, if the rectifier transistor FET2 is replaced with a rectifier diode, the sense rectifier transistor FET4 is replaced with a sense rectifier diode, and the junction area ratio between the rectifier diode and the sense rectifier diode is m: n (m> n), sense rectification is performed. The current flowing through the diode can be set to n / m of the current flowing through the rectifier diode.
また、上述した本例の実施形態では、接地電位を基準にコイルLに流れるAC電流成分と相似なAC電圧成分Vsenselを生成する場合を例として挙げているが、入力端子VINを基準としてもよい。 In the above-described embodiment of the present example, the case where the AC voltage component Vsensel similar to the AC current component flowing in the coil L is generated with reference to the ground potential is taken as an example, but the input terminal VIN may be used as a reference. .
更に、上述した実施形態では、スイッチング周波数が入力電圧Vin、出力電圧Vout、負荷などの条件によって可変となるが、スイッチング周波数を固定としてコンパレータ制御方式DC−DCコンバータ制御回路にも本発明は適用できる。 Furthermore, in the embodiment described above, the switching frequency is variable depending on conditions such as the input voltage Vin, the output voltage Vout, and the load. However, the present invention can also be applied to a comparator control type DC-DC converter control circuit with the switching frequency fixed. .
あるいは、コンパレータ16にヒステリシス特性を持たせて入力電圧のノイズによる誤スイッチングを防止するヒステリシス・コンパレータ制御方式DC−DCコンバータ制御回路にも本発明は適用できる。
Alternatively, the present invention can also be applied to a hysteresis comparator control type DC-DC converter control circuit in which the
すなわち、本発明は様々なコンパレータ制御方式DC−DCコンバータ制御回路に広く適用可能である。 That is, the present invention is widely applicable to various comparator control type DC-DC converter control circuits.
11:基準電圧発生器、12:三角波発生器、13:エラーアンプ、14:PWMコンパレータ、15:ドライバ駆動回路、16:コンパレータ、17:出力トランジスタ電流センス回路、18:整流トランジスタ電流センス回路、19:LPF(ロー・パス・フィルタ)、20:AC加算回路、21:演算増幅器、22:反転増幅回路、117:回路(出力トランジスタ電流センス回路)、118:回路(整流トランジスタ電流センス回路)、119:回路(LPF)、120:回路(AC加算回路)、122:回路(反転増幅回路)、C1,C2,C3:コンデンサ、COUT:出力コンデンサ、E1:基準電圧源、ESR:等価直列抵抗、FET1:出力トランジスタ、FET2:整流トランジスタ、FET3:センス出力トランジスタ、FET4:センス整流トランジスタ、FET5:トランジスタ、IL:電流(コイル)、L:コイル、N1,N2,N3,N4,N5:ノード、R1,R2,R3,R4,R5,R6:抵抗、ROUT:負荷、RSENSE:センス抵抗、Verr:誤差信号電圧、Vfb:帰還電圧、Vfb1:第1帰還電圧、Vfb2:第2帰還電圧、Vramp:三角波信号電圧、Vref:基準電圧、Vref2:第2基準電圧、Vref3:基準電圧源E1の出力電圧、Vin:入力電圧、VIN:入力端子、Vout:出力電圧、VOUT:出力端子、Vsense:ノード3の電圧、Vsensel:LPFの出力電圧、Vsensea:反転増幅回路22の出力電圧。 11: reference voltage generator, 12: triangular wave generator, 13: error amplifier, 14: PWM comparator, 15: driver driving circuit, 16: comparator, 17: output transistor current sensing circuit, 18: rectifying transistor current sensing circuit, 19 : LPF (low pass filter), 20: AC adder circuit, 21: operational amplifier, 22: inverting amplifier circuit, 117: circuit (output transistor current sense circuit), 118: circuit (rectifier transistor current sense circuit), 119 : Circuit (LPF), 120: Circuit (AC addition circuit), 122: Circuit (inverting amplifier circuit), C1, C2, C3: Capacitor, COUT: Output capacitor, E1: Reference voltage source, ESR: Equivalent series resistance, FET1 : Output transistor, FET2: Rectifier transistor, FET3: Sense output transistor , FET4: sense rectifier transistor, FET5: transistor, IL: current (coil), L: coil, N1, N2, N3, N4, N5: node, R1, R2, R3, R4, R5, R6: resistor, ROUT: Load, RSENSE: sense resistor, Verr: error signal voltage, Vfb: feedback voltage, Vfb1: first feedback voltage, Vfb2: second feedback voltage, Vramp: triangular wave signal voltage, Vref: reference voltage, Vref2: second reference voltage, Vref3: output voltage of the reference voltage source E1, Vin: input voltage, VIN: input terminal, Vout: output voltage, VOUT: output terminal, Vsense: voltage of node 3, Vsensel: output voltage of LPF, Vsensea: inverting amplifier circuit 22 Output voltage.
Claims (8)
前記出力DC電圧に比例した帰還電圧にコイル電流のAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を加算した電圧と、基準電圧とを比較する比較回路と、
該比較回路の比較結果である出力信号をもとに、出力トランジスタと整流素子とを交互にオンオフ制御するドライバ駆動回路と、
前記コイル電流のAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧を、前記出力トランジスタおよび前記整流素子が流す電流に比例した電流を用いて生成する電流センス回路と
を設けたことを特徴とするDC−DCコンバータ。 A DC-DC converter that converts an input DC voltage to a stable output DC voltage,
A comparison circuit that compares a voltage obtained by adding an AC voltage component that varies in phase according to an AC current component of a coil current to a feedback voltage proportional to the output DC voltage, and a reference voltage;
A driver driving circuit for alternately turning on and off the output transistor and the rectifying element based on an output signal that is a comparison result of the comparison circuit;
A current sense circuit that generates a voltage including an AC voltage component that varies in phase according to an AC current component of the coil current using a current proportional to a current that flows through the output transistor and the rectifier element; DC-DC converter characterized.
前記電流センス回路は、
前記出力トランジスタが流す電流に比例した電流を用いて、前記コイル電流のAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する第1の電圧生成回路と、
前記整流素子が流す電流に比例した電流を用いて、前記コイル電流のAC電流成分に応じて同相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する第2の電圧生成回路と、
該第1,第2の電圧生成回路で生成した電圧のうち、前記コイル電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを抽出するロー・パス・フィルタ回路と
を有し、
該ロー・パス・フィルタ回路で抽出した電圧成分を、前記出力DC電圧に比例した帰還電圧に加算することを特徴とするDC−DCコンバータ。 The DC-DC converter according to claim 1,
The current sense circuit is
A first voltage generation circuit that generates a voltage including an AC voltage component that varies in phase according to an AC current component of the coil current, using a current proportional to a current that the output transistor flows;
A second voltage generation circuit that generates a voltage including an AC voltage component that varies in phase according to an AC current component of the coil current, using a current proportional to a current that the rectifying element flows;
A low-pass filter circuit that extracts only a voltage component that varies in accordance with an AC current component of the coil current among the voltages generated by the first and second voltage generation circuits;
A DC-DC converter, wherein the voltage component extracted by the low-pass filter circuit is added to a feedback voltage proportional to the output DC voltage.
前記電流センス回路は、
前記ロー・パス・フィルタ回路で抽出した電圧成分のうち、AC電圧成分のみを、前記出力DC電圧に比例した帰還電圧に加算するAC加算回路
を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。 The DC-DC converter according to claim 2, wherein
The current sense circuit is
A DC-DC converter comprising an AC adding circuit for adding only an AC voltage component of voltage components extracted by the low-pass filter circuit to a feedback voltage proportional to the output DC voltage.
基準電圧にコイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を加算した電圧と、前記出力DC電圧に比例した帰還電圧とを比較する比較回路と、
該比較回路の比較結果である出力信号をもとに、出力トランジスタと整流素子とを交互にオンオフ制御するドライバ駆動回路と、
前記コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧を、前記出力トランジスタおよび前記整流素子が流す電流に比例した電流を用いて生成する電流センス回路と
を設けたことを特徴とするDC−DCコンバータ。 A DC-DC converter that converts an input DC voltage to a stable output DC voltage,
A comparison circuit that compares a reference voltage with a voltage obtained by adding an AC voltage component that varies in reverse phase according to the AC current component of the coil current, and a feedback voltage proportional to the output DC voltage;
A driver driving circuit for alternately turning on and off the output transistor and the rectifying element based on an output signal that is a comparison result of the comparison circuit;
A current sense circuit that generates a voltage including an AC voltage component that varies in an opposite phase according to an AC current component of the coil current, using a current proportional to a current flowing through the output transistor and the rectifier element; DC-DC converter characterized by this.
前記電流センス回路は、
前記出力トランジスタが流す電流に比例した電流を用いて、前記コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する第1の電圧生成回路と、
前記整流素子が流す電流に比例した電流を用いて、前記コイル電流のAC電流成分に応じて逆相で変動するAC電圧成分を含む電圧を生成する第2の電圧生成回路と、
該第1,第2の電圧生成回路で生成した電圧のうち、前記コイル電流のAC電流成分に応じて変動する電圧成分のみを抽出するロー・パス・フィルタ回路と
を有し、
該ロー・パス・フィルタ回路で抽出した電圧成分を、前記基準電圧に加算することを特徴とするDC−DCコンバータ。 The DC-DC converter according to claim 4, wherein
The current sense circuit is
A first voltage generation circuit that generates a voltage including an AC voltage component that varies in reverse phase according to an AC current component of the coil current, using a current proportional to a current that the output transistor flows;
A second voltage generation circuit that generates a voltage including an AC voltage component that varies in reverse phase according to an AC current component of the coil current, using a current proportional to a current that the rectifying element flows;
A low-pass filter circuit that extracts only a voltage component that varies in accordance with an AC current component of the coil current among the voltages generated by the first and second voltage generation circuits;
A DC-DC converter characterized in that the voltage component extracted by the low-pass filter circuit is added to the reference voltage.
前記電流センス回路は、
前記ロー・パス・フィルタ回路で抽出した電圧を、反転増幅して出力する反転増幅回路
を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。 The DC-DC converter according to claim 5, wherein
The current sense circuit is
A DC-DC converter comprising an inverting amplifier circuit that inverts and amplifies the voltage extracted by the low-pass filter circuit.
前記電流センス回路は、
前記反転増幅回路の出力電圧のうち、AC電圧成分のみを、前記基準電圧に加算するAC加算回路
を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。 The DC-DC converter according to claim 6, wherein
The current sense circuit is
A DC-DC converter comprising an AC addition circuit for adding only an AC voltage component of the output voltage of the inverting amplifier circuit to the reference voltage.
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JP5525097B1 (en) * | 2013-10-15 | 2014-06-18 | 富士通テン株式会社 | Power circuit |
JP2015116122A (en) * | 2013-12-13 | 2015-06-22 | マイクロナス ゲー・エム・ベー・ハー | Voltage regulator and method for switching voltage regulator between first mode as switching regulator and second mode as linear regulator |
CN112805911A (en) * | 2019-01-07 | 2021-05-14 | 华为技术有限公司 | Voltage conversion circuit |
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- 2010-07-05 JP JP2010153065A patent/JP2012016241A/en active Pending
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