JP2012100376A - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 出力電圧の上限と下限を規制する2つのしきい値電圧を有するコンパレータを備えたスイッチング・レギュレータにおいて、コンパレータを構成する素子のばらつきによって正常なスイッチング制御が行えなくなるのを回避する。
【解決手段】 インダクタに流れる電流をスイッチング制御して入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置において、インダクタの端子電位を監視し所定の信号を出力する端子電位検出回路と、出力電圧のフィードバック電圧としきい値電圧とを比較するコンパレータと、コンパレータの出力と端子電位検出回路の出力に基づいてスイッチング素子を制御する信号を生成する論理回路とを備え、前記コンパレータは、出力電圧が上昇する期間には第1の電位のしきい値電圧とフィードバック電圧とを比較し、出力電圧が下降する期間には第1の電位よりも低い第2の電位のしきい値電圧とフィードバック電圧とを比較するようにした。
【選択図】 図1

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直流電源装置に関し、特に出力電圧の上限と下限を規制する2つのしきい値電圧を有するコンパレータを備えたスイッチング電源装置に関する。
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。
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)制御用のコンパレータまたはPFM(パルス周波数変調)制御用の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駆動用スイッチング素子のオン時間を長くするようにパルス幅または周波数を制御し、出力電圧が上がると駆動用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。
PWM制御では、所定の周波数の三角波を生成する波形生成回路と、出力電圧に応じた電圧と三角波とを比較するPWMコンパレータとを設け、駆動パルスの周期(周波数)を一定にして出力電圧に応じてパルス幅を変化させる。すなわち、負荷が軽くなるとパルス幅は狭くなり、負荷が重くなるとパルス幅を広くする制御が行われる。一方、PFM制御では、パルス幅を固定し、負荷が軽くなるとパルスの周波数を下げ、負荷が重くなるとパルスの周波数を上げる制御が行われる。
ところで、PWM制御においてもPFM制御においても、駆動用スイッチング素子がオンされている間は出力電圧が上昇し、オフの間は出力電圧が下がるという変動(リップル)を繰り返す。この出力電圧のリップルは負荷にとって好ましくないため、スイッチング・レギュレータでは、出力電圧のリップルを抑えたいという要求がある。PWM制御は、スイッチング周波数を高くすることでリップルを減らすことができる。しかし、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圧が上昇してしまう場合が生じることがある。
これ対し、PFM制御は、負荷が軽くなると周波数を減らすため軽負荷時の電流を減らすことができるという利点があるが、リップルが大きくなるという不具合がある。なお、出力電圧の変動を抑制するためコンデンサが使用されるが、リップルが大きいとコンデンサの容量値を大きくしなければならない。従って、レギュレータ自身で出力電圧のリップルの低減できるのが望ましい。そこで、ヒステリシスコンパレータを使用したスイッチング・レギュレータにおいて、出力電圧のリップルの低減を図るようにした発明が提案されている(例えば特許文献1)。
特開2007−20352号公報
図5〜図7に、特許文献1に開示されているスイッチング・レギュレータを示す。このレギュレータにおいては、図5に示すように、ヒステリシスコンパレータにおけるしきい値電圧(参照電圧)としてVth1とVth2を生成する回路を設けている。さらに、このしきい値電圧生成回路は、図6に示すように、Vth2をVth2HとVth2Lに切り替え可能に構成されている。
かかる構成のレギュレータにおいては、軽負荷時に、ブリーダ抵抗R1,R2で分圧されたVout'がしきい値電圧Vth1に達すると、ある遅延時間後に出力トランジスタM1,M2が共にオフの状態になる。そして、その間、Vout'が低下し、しきい値電圧Vth2Hに達して、所定時間経過したら再度充電放電動作に移行し、Vout'を上昇させるという制御が行われる。Vth2をVth2HとVth2Lに切り替える制御を行うことにより、出力電圧Voutのリップルを低減することができる。
しかしながら、特許文献1の発明では、コンパレータを2つ(CMP1,CMP2)を使用し、Vout'のリップル電圧の上限と下限を制御している。このため、コンパレータを構成する素子の製造ばらつきによっては、本来はVth1>Vth2の関係が成立するようにしたいものが、Vth1<Vth2になる可能性がある。その結果、正常なスイッチング制御が行えなくなるおそれがあるという課題がある。
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、出力電圧の上限と下限を規制する2つのしきい値電圧を有するコンパレータを備えたスイッチング電源装置において、コンパレータを構成する素子のばらつきによって正常なスイッチング制御が行えなくなるのを回避することができるようにする技術を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、
直流電圧が入力される電圧入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに間歇的に電流を流す駆動用スイッチング素子と、出力のフィードバック電圧に応じて前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御する信号を生成し出力する制御回路とを備え、入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、前記インダクタの始端側の端子の電位を監視し該端子電位の変化に応じて所定の信号を出力する端子電位検出回路と、出力電圧に比例したフィードバック電圧と所定のしきい値電圧とを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力と前記端子電位検出回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子を制御する信号を生成し出力する論理回路と、を備え、
前記コンパレータは、出力電圧が上昇する期間には第1の電位のしきい値電圧と前記フィードバック電圧とを比較し、出力電圧が下降する期間には前記第1の電位よりも低い第2の電位のしきい値電圧と前記フィードバック電圧とを比較して、大小に応じた信号を出力するように構成した。
上記のような手段によれば、複数のコンパレータを使用することなく出力電圧の上限と下限を規制する2つのしきい値電圧Vth1,Vth2と出力のフィードバック電圧とを比較する電圧比較回路を実現することができ、これによって、本来はVth1>Vth2の関係が成立するようにしたいものがコンパレータを構成する素子の製造ばらつきによってVth1<Vth2になってしまって正常なスイッチング制御が行えなくなるような事態が発生するのを回避することができる。
ここで、望ましくは、前記端子電位検出回路は、前記駆動用スイッチング素子がオンされた後前記端子電位が所定の電位まで下がった時に第1の信号を出力し、前記駆動用スイッチング素子がオフされた後前記端子電位が所定の電位まで上がった時に第2の信号を出力し、前記論理回路は、前記第1の信号および第2の信号に応じて前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ駆動させる制御信号を出力するように構成する。
これにより、軽負荷時の出力電流が増加してしまうのを回避しつつ出力電圧のリップルを抑えるように駆動用スイッチング素子をオン、オフ駆動させる制御信号を適切なタイミングで生成することができる。
また、望ましくは、前記論理回路は、前記コンパレータの出力が第1の状態から第2の状態へ変化した時または前記端子電位検出回路より前記第2の信号が出力された時に前記駆動用スイッチング素子をオン状態にさせ、前記コンパレータの出力が第2の状態から第1の状態へ変化した時または前記端子電位検出回路より前記第1の信号が出力された時に前記駆動用スイッチング素子をオフ状態にさせる制御信号を出力するように構成する。
これにより、コンパレータの出力が第1の状態になっている期間において駆動用スイッチング素子が連続してオン状態にされる時間を短くして出力電圧の上昇を緩やかにし、出力電圧のリップルを抑えたスイッチング電源装置を実現することができる。
さらに、望ましくは、前記第1の電位のしきい値電圧と前記第2の電位のしきい値電圧とを生成可能な分圧回路と、前記コンパレータの出力に応じて前記分圧回路により生成された第1しきい値電圧または第2しきい値電圧のいずれかを選択的に前記コンパレータへ供給する切替えスイッチと、を有するしきい値電圧生成回路を備えるようにする。
これにより、比較的簡単な回路で、かつ2つのしきい値電圧の大小関係が逆転することがないしきい値電圧生成回路を実現することができる。
本発明に従うと、出力電圧の上限と下限を規制する2つのしきい値電圧を有するコンパレータを備えたスイッチング電源装置において、コンパレータを構成する素子のばらつきによって正常なスイッチング制御が行えなくなるのを回避することができるという効果がある。
本発明を適用したスイッチング・レギュレータの一実施形態を示す回路構成図である。 実施形態のスイッチング・レギュレータを構成するしきい値電圧生成回路の具体的な回路例を示す回路図である。 実施形態のスイッチング・レギュレータにおける出力のフィードバック電圧、コンパレータに供給されるしきい値電圧の変化、コイルの端子電圧の変化、各種信号の変化の様子を示すタイミングチャートである。 しきい値電圧生成回路の他の実施例を示す回路図である。 ヒステリシスコンパレータを使用した従来のスイッチング・レギュレータの構成例を示す回路構成図である。 図5のスイッチング・レギュレータにおけるしきい値電圧生成回路およびヒステリシスコンパレータの具体的な回路例を示す回路図である。 図5のスイッチング・レギュレータにおける軽負荷時の動作を示すタイミングチャートである。
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。
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。
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に向かって駆動電流を流し込むPチャネルMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)からなる駆動用スイッチング素子M1、コイルL1の一方の端子と接地点の間に接続されたNチャネルMOSFETからなる整流用スイッチング素子M2を備える。
また、本実施形態のDC−DCコンバータは、上記スイッチング素子M1,M2をオン、オフ駆動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(出力端子OUT)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。
特に限定されるものではないが、本実施形態では、DC−DCコンバータを構成する素子のうち、スイッチング制御回路20は半導体チップ上に形成されて半導体集積回路(電源制御用IC)として構成し、コイルL1とコンデンサ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するように構成することができる。
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M1とM2を相補的にオン、オフさせるような駆動パルスGP1,GP2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M1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OUTへ向かう電流が流されて平滑用コンデンサC1が充電される。
また、駆動用トランジスタM1がオフされると代わって整流用トランジスタM2がオンされ、このオンされた整流用トランジスタM2を通してコイルL1に電流が流される。そして、例えばスイッチング周期を一定にしてM1,M2の制御端子(ゲート端子)に入力される駆動パルスGP1,GP2の周波数、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。
スイッチング制御回路20は、出力端子OUT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R11,R12と、該抵抗によって分圧された電圧(出力フィードバック電圧)Vout’としきい値電圧Vthとを比較して大小に応じた電圧を出力するコンパレータ21、該コンパレータ21での比較動作に使用されるしきい値電圧Vthを生成するしきい値電圧生成回路22とを有する。
さらに、スイッチング制御回路20は、コイルL1の出力端子と反対側の端子(以下、コイル始端と称する)の電位LXを検出するLX電位検出回路23と、該検出回路23の出力と上記コンパレータ21の出力に基づいて、スイッチング素子M1,M2をオン、オフ制御するための信号S1を生成するロジック回路24と、該ロジック回路24の出力信号S1に基づいて互いのオン期間が重ならないようにスイッチング素子M1,M2をオン、オフさせるゲート駆動信号GP1,GP2を生成して出力するドライバ回路25を有する。なお、特許請求の範囲においては、上記ロジック回路24もしくはロジック回路24とドライバ回路25に設けられている論理機能とを合わせたものを、論理回路と称する。
図2には、上記しきい値電圧生成回路22の具体的な回路例が示されている。
本実施例のしきい値電圧生成回路22は、基準となる電圧Vrefが印加される基準電位点と接地点との間に直列に接続され抵抗比で基準電圧Vrefを分圧してしきい値電圧VthH,VthLを生成する抵抗R1,R2,R3と、抵抗R1,R2,R3により分圧生成された電圧VthHまたはVthLをコンパレータ21の反転入力端子へ伝達するスイッチング素子SW1,SW2とを備えている。そして、上記スイッチング素子SW1,SW2を、コンパレータ21の出力信号S2とそれをインバータINVで反転した信号によって相補的にオンまたはオフ状態に制御することにより、VthHまたはVthLのいずれか一方を選択してコンパレータ21の反転入力端子へ伝達するように構成されている。コンパレータ21の反転入力端子へ伝達されたしきい値電圧をVth’と記す。
次に、上記のように構成されたしきい値電圧生成回路22を有する本実施形態のDC−DCコンバータの動作を、図3のタイミングチャートを用いて説明する。
まず、コンパレータ21の反転入力端子へ伝達されたしきい値電圧をVth’としてVthLが選択され、スイッチング素子M1がオフ、M2がオンされて出力電圧Voutが下がっている状態(図3の期間T1)から考える。この場合、Voutの降下に伴ってブリーダ抵抗R11,R12によって分圧された電圧Vout’も徐々に降下する。
そして、Vout’がVthLよりも低くなった時点(図3のタイミングt1)で、コンパレータ21の出力S2がハイレベルからロウレベルに変化する。すると、ロジック回路24は信号S1をハイレベルに変化させ、スイッチング素子M1をオフからオンへ、またM2をオンからオフへ切り替える。これにより、コイル始端の電位LXが一旦入力電圧Vinに近い電位まで立ち上がる。また、このときコンパレータ21の出力S2により、スイッチング素子SW2がオフにされ、代わってSW1がオンにされ、コンパレータ21の反転入力端子へ伝達されるしきい値電圧をVth’がVthLからVthHに切り替わる。
その後、コイル始端の電位LXが徐々に降下し、ある電位まで下がると、LX電位検出回路23がワンショットパルスCLOCK1を出力する(タイミングt2)。すると、ロジック回路24は信号S1をロウレベルに変化させ、スイッチング素子M1をオンからオフへ、またM2をオフからオンへ切り替える。
これにより、コイル始端の電位LXが一旦回路の基準電位としての接地電位(0V)よりも低い電位まで立ち下がる。その後、コイル始端の電位LXが徐々に上昇し、0V(コイル電流IL=0)まで上がると、LX検出回路23がワンショットパルスCLOCK2を出力する(タイミングt3)。すると、ロジック回路24は信号S1をハイレベルに変化させ、スイッチング素子M1をオフからオンへ、またM2をオンからオフへ切り替える。これにより、コイル始端の電位LXが一旦入力電圧Vinに近い電位まで立ち上がる。
その後、コイル始端の電位LXが徐々に降下し、ある電位まで下がると、LX検出回路23がワンショットパルスCLOCK1を出力する(タイミングt4)。すると、ロジック回路24は信号S1をロウレベルに変化させ、スイッチング素子M1をオンからオフへ、またM2をオフからオンへ切り替える。これにより、コイル始端の電位LXが一旦接地電位(0V)よりも低い電位まで立ち下がる。その後、コイル始端の電位LXが徐々に上昇し、ある接地電位(0V)まで上がると、LX検出回路23がワンショットパルスCLOCK2を出力する(タイミングt5)。
上記のような動作を繰り返しているうちに、出力電圧Voutおよび分圧電圧Vout’が徐々に上昇して、そのときのしきい値電圧Vth’(=VthH)に達すると、コンパレータ21の出力S2がロウレベルからハイレベルに変化する(タイミングt6)。すると、ロジック回路24は信号S1をロウレベルに変化させ、スイッチング素子M1をオンからオフへ、またM2をオフからオンへ切り替える。
これにより、コイル始端の電位LXが接地電位近傍まで立ち下がる。また、このときコンパレータ21の出力S2により、スイッチング素子SW1がオフにされ、代わってSW2がオンにされ、コンパレータ21の反転入力端子へ伝達されるしきい値電圧をVth’がVthHからVthLに切り替わる。
また、その後、LX検出回路23からワンショットパルスCLOCK2が出力されると(タイミングt7)、ドライバ回路25から出力されるゲート制御信号GP2がロウレベルに変化して、接地点側のスイッチング素子M2をオフさせる。また、スイッチング素子M1は直前のオフ状態を維持するよう、ゲート制御信号GP1はハイレベルのままとする。
その結果、出力電圧Voutおよび分圧電圧Vout’が下降を続けるとともに、コイル始端の電位LXは接地電位の近傍に保持される(図3の期間T2)。そして分圧電圧Vout’が再びVthLよりも低くなった時点(タイミングt8)で、コンパレータ21の出力S2がハイレベルからロウレベルに変化して、動作説明を開始した状態にと同じになる。その後、上述した動作を繰り返すことによって、レギュレータは所定のリップルの範囲内でほぼ一定の出力電圧Voutを出力することとなる。
上記のように本実施形態のDC−DCコンバータは、一つのコンパレータで出力電圧の上限と下限を規制することができ、図6に示すレギュレータのように、2つのコンパレータを用いる必要がないため、コンパレータを構成する素子のばらつきによって、本来はVth1>Vth2の関係が成立するようにしたいものが、Vth1<Vth2になって正常なスイッチング制御が行えなくなるような不具合が発生するおそれがないという利点がある。
なお、LX検出回路23からワンショットパルスを出力する代わりに、同一のタイミングで変化し立ち上がりもしくは立ち下がりに意義を有する信号を出力するように構成しても良い。
図4には本実施形態のDC−DCコンバータにおけるしきい値電圧生成回路22の他の回路例を示す。図4に示すしきい値電圧生成回路22は、2つのしきい値電圧VthH,VthLを発生する分圧抵抗R1〜R3のうち、R2’と並列にスイッチング素子SW0を設け、コンパレータ21の出力(もしくはそれをインバータで反転した信号)で該スイッチング素子SW0をオン、オフ制御するようにしたものである。
この実施例のしきい値電圧生成回路22は、図2のしきい値電圧生成回路22と同様に、コンパレータ21の出力がハイレベルの時はスイッチング素子SW0がオンされることで低いしきい値電圧VthLをコンパレータ21の反転入力端子へ供給する。また、コンパレータ21の出力がロウレベルの時はスイッチング素子SW0がオフされることで高いしきい値電圧VthHをコンパレータ21の反転入力端子へ供給することができる。なお、しきい値電圧生成回路22は、図2や図4のような抵抗分圧回路に限定されるものでなく、例えばツェナーダイオードのツェナー電圧などを使用してしきい値電圧VthL,VthHを生成するものであっても良い。
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、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態ではコイルの始端と接地点との間に接続される整流素子としてMOSトランジスタからなるスイッチング素子M2を使用したが、ダイオードを使用するようにしても良い。
また、前記実施形態では、スイッチング素子M1,M2として電源制御用ICと同一の半導体チップ上に形成されたオンチップの素子を使用するようにしたものを説明したが、電源制御用ICと別個に形成された外付け素子を使用するように構成しても良い。さらに、出力電圧を分圧する抵抗R11,R12についてもチップ上に形成したものを示したが、分圧抵抗R1,R2を外付け素子とし、外部で分圧された電圧をICに設けたフィードバック端子に印加するように構成しても良い。
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、昇圧型あるいは負電圧を発生する反転型のDC−DCコンバータなどにも適用することができる。
20 スイッチング制御回路
21 コンパレータ
22 しきい値電圧生成回路
23 LX電位検出回路
24 ロジック回路
25 ドライバ回路
R1,R2,R3 分圧抵抗
L1 コイル(インダクタ)
C1 平滑用コンデンサ
M1 駆動用スイッチング素子
M2 同期整流用スイッチング素子

Claims (4)

  1. 直流電圧が入力される電圧入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに間歇的に電流を流す駆動用スイッチング素子と、出力のフィードバック電圧に応じて前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御する信号を生成し出力する制御回路とを備え、入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
    前記制御回路は、前記インダクタの始端側の端子の電位を監視し該端子電位の変化に応じて所定の信号を出力する端子電位検出回路と、出力電圧に比例したフィードバック電圧と所定のしきい値電圧とを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力と前記端子電位検出回路の出力に基づいて前記駆動用スイッチング素子を制御する信号を生成し出力する論理回路と、を備え、
    前記コンパレータは、出力電圧が上昇する期間には第1の電位のしきい値電圧と前記フィードバック電圧とを比較し、出力電圧が下降する期間には前記第1の電位よりも低い第2の電位のしきい値電圧と前記フィードバック電圧とを比較して、大小に応じた信号を出力するように構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記端子電位検出回路は、前記駆動用スイッチング素子がオンされた後前記端子電位が所定の電位まで下がった時に第1の信号を出力し、前記駆動用スイッチング素子がオフされた後前記端子電位が所定の電位まで上がった時に第2の信号を出力し、
    前記論理回路は、前記第1の信号および第2の信号に応じて前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ駆動させる制御信号を出力するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  3. 前記論理回路は、前記コンパレータの出力が第1の状態から第2の状態へ変化した時または前記端子電位検出回路より前記第2の信号が出力された時に前記駆動用スイッチング素子をオン状態にさせ、前記コンパレータの出力が第2の状態から第1の状態へ変化した時または前記端子電位検出回路より前記第1の信号が出力された時に前記駆動用スイッチング素子をオフ状態にさせる制御信号を出力するように構成されていることを特徴とすることを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。
  4. 前記第1の電位のしきい値電圧と前記第2の電位のしきい値電圧とを生成可能な分圧回路と、前記コンパレータの出力に応じて前記分圧回路により生成された第1しきい値電圧または第2しきい値電圧のいずれかを選択的に前記コンパレータへ供給する切替えスイッチと、を有するしきい値電圧生成回路を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
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