JP2012235562A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 インダクタに電流を流す駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御する制御回路(20)を備えたリップル制御方式のスイッチング電源装置において、前記制御回路は、駆動用スイッチング素子とインダクタとの接続ノードの電位を平滑して出力電圧に対応した模擬電圧を生成する模擬電圧生成回路(21)と、入力電圧および模擬電圧に対応した時間を計時する計時手段(22)と、フィードバック電圧と所定の電圧とを比較する電圧比較回路(23)と、計時手段の出力と電圧比較回路の出力に基づいて計時手段の計時時間に相当するパルス幅を有する制御パルスを生成する制御パルス生成回路(24)とを備え、入力電圧が変化した場合に制御パルスのパルス幅を変化させ周期を一定に維持するように構成した。
【選択図】 図1
Description
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、
半導体チップ上に半導体集積回路として構成され、前記電圧入力端子に入力される電圧および出力側からのフィードバック電圧に応じて駆動パルスを生成して前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、
前記駆動用スイッチング素子と前記インダクタとの接続ノードの電位を平滑して前記出力電圧に対応した模擬電圧を生成し出力する模擬電圧生成回路と、
前記入力電圧および前記模擬電圧に対応した時間を計時する計時手段と、
前記フィードバック電圧と所定の電圧とを比較する電圧比較回路と、
前記計時手段の出力と前記電圧比較回路の出力に基づいて前記計時手段の計時時間に相当するパルス幅を有する制御パルスを生成する制御パルス生成回路と、
を備え、前記入力電圧および前記模擬電圧が変化した場合に前記制御パルスのパルス幅を変化させ、該制御パルスに応じた駆動パルスを出力してスイッチング周期を一定に維持するように構成した。
模擬電圧生成回路は、駆動用スイッチング素子とインダクタとの接続ノードの電位を分圧する分圧回路を備えるため、フィルタ回路を構成する容量素子として、耐圧は低いが単位面積当たりの容量値の大きな素子を使用することができ、これにより回路の占有面積を低減することができる。
前記フィルタ回路は、前記波形生成回路で生成された波形信号の振幅の100分の1以下の振幅を有する模擬電圧を生成可能な時定数となるように設定する。
これにより、負荷が変化しない場合にはスイッチング周波数を一定に維持することができる。
これにより、起動時にアダプティブ・オンタイム機能が正常に機能しなくなるのを回避することができる。
これにより、駆動用スイッチング素子が外付けのNチャネル型MOSトランジスタまたはオンチップのNチャネル型MOSトランジスタのいずれで構成されている場合にも、外部端子数を増加させることなくアダプティブ・オンタイム機能を半導体集積回路化された制御回路に搭載することができる。
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ハイ側の駆動用スイッチング素子SW1、コイルL1の一方の端子と接地点の間に接続されたロウ側の整流用スイッチング素子SW2を備える。駆動用スイッチング素子SW1および整流用スイッチング素子SW2は、例えばNチャネルMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)から構成することができる。
ここで、特に限定されるものではないが、DC−DCコンバータを構成する回路および素子のうち、スイッチング制御回路20は半導体チップ上に形成して半導体集積回路(電源制御用IC)として構成し、スイッチング素子SW1,SW2およびコイル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。
そして、スイッチング素子SW1のソース電位を基準電位とするこのドライバ回路をチップ内部に設けるために、本実施形態のスイッチング制御回路20は、スイッチング素子SW1が外付け素子であってもノードN1が接続される外部端子SWが設けられている。従って、ノードN1の電位VLを模擬電圧生成回路21へ伝達する図1の配線TLは、チップ上に形成することができるので、電位VLを入力するための外部端子を別途設ける必要がない。
Vinが低い場合、スイッチング素子SW1がオンされている期間に入力端子INからコイルL1に流れ込む電流が少なく、出力電圧の上昇速度は遅くなる。しかし、入力電圧Vinが低いと、アダプティブ・オンタイマ22の定電流源CS1の電流Icが少ないため、タイマ回路内部のノードN2の電位がVemuに到達するまでの時間が長くなり、フリップフロップ24の出力がロウレベルに立ち下がるタイミングが後ろにずれる。その結果、スイッチング素子SW1がオンされている時間が長いことになる。
以上の理由から、スイッチング周波数が600kHzでソフトスタート時間が1msの場合、フィルタとして機能する模擬電圧生成回路21の最適な時定数は、10μs〜100μsである。
図4に示されている模擬電圧生成回路21は、抵抗R11および容量C11からなるローパスフィルタFLT1の後段に、抵抗R12および容量C12からなるローパスフィルタFLT2を接続した構成を有する。ローパスフィルタの段数は1段に限定されず、3段以上であってもよいし、1段であってもよい。
また、(B)の回路においては、耐圧の低い素子を使用しているので、想定以上の高い電圧が入力された場合に素子が破壊されるおそれがある。そこで、これを防止するために、初段のローパスフィルタの容量素子C11と並列に耐圧保護用のツェナーダイオードDzを接続してある。
しかし、DC−DCコンバータはフィードバック電圧VFBを参照電圧Vrefと等しくなるように制御するものであり、そのため、出力電圧Voutに関係なく常にVrefと同じような電圧がVFBに発生する。
つまり、フィードバック電圧VFBは出力電圧Voutが5Vでも3.3Vでも参照電圧Vrefと同じ1Vとなるため、アダプティブ・オンタイマ22に必要な出力電圧Voutに比例した電圧はフィードバック電圧VFBからは得られないことになる。そこで、本発明者は、本実施形態のように、ノードN1の電位VLを平滑化する模擬電圧生成回路を設けるのが望ましいと考えた。
この実施例は、平滑コンデンサC1としてESR(等価直列抵抗)の小さなセラミックコンデンサなどを使用する場合に有効な実施例である。かかるコンデンサを使用する場合、出力電圧Voutのリップルが小さくなり制御が困難になるため、この実施例では、リップル注入回路27を設けている。スイッチング素子SW1とSW2を外付け素子でもよい。
さらに、前記実施形態では、コイルL1の始端と接地点との間に接続されるロウ側の整流用素子としてMOSトランジスタなどからなるスイッチング素子SW2を使用しているが、スイッチング素子SW2の代わりにダイオードを使用するDC−DCコンバータも可能であり、その場合にも本発明を適用することができる。
21 模擬電圧生成回路
22 アダプティブ・オンタイム回路
23 コンパレータ(電圧比較回路)
24 RSフリップフロップ(制御パルス生成回路)
25a,25b ドライバ回路
L1 コイル(インダクタ)
C1 平滑用コンデンサ
SW1 駆動用スイッチング素子
SW2 同期整流用スイッチング素子
Claims (5)
- 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、
半導体チップ上に半導体集積回路として構成され、前記電圧入力端子に入力される電圧および出力側からのフィードバック電圧に応じて駆動パルスを生成して前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、
前記駆動用スイッチング素子と前記インダクタとの接続ノードの電位を平滑して前記出力電圧に対応した模擬電圧を生成し出力する模擬電圧生成回路と、
前記入力電圧および前記模擬電圧に対応した時間を計時する計時手段と、
前記フィードバック電圧と所定の電圧とを比較する電圧比較回路と、
前記計時手段の出力と前記電圧比較回路の出力に基づいて前記計時手段の計時時間に相当するパルス幅を有する制御パルスを生成する制御パルス生成回路と、
を備え、前記入力電圧および前記模擬電圧が変化した場合に前記制御パルスのパルス幅を変化させ、該制御パルスに応じた駆動パルスを出力してスイッチング周期を一定に維持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。 - 前記模擬電圧生成回路は、前記駆動用スイッチング素子と前記インダクタとの接続ノードの電位を分圧する分圧回路と、該分圧回路により分圧された電位を平滑するフィルタ回路とを備え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。
- 前記計時手段は、前記入力電圧に対応した傾きを有する波形信号を生成する波形生成回路と、該波形生成回路で生成された波形信号と前記模擬電圧とを比較する電圧比較回路とを備え、
前記フィルタ回路は、前記波形生成回路で生成された波形信号の振幅の100分の1以下の振幅を有する模擬電圧を生成可能な時定数となるように設定されてい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。 - 前記制御回路はソフトスタート機能を備え、前記フィルタ回路の時定数は、起動時における前記模擬電圧の立ち上がり時間が前記出力電圧の立ち上がり時間よりも短くなるように設定されていることを特徴とする請求項3に記載のスイッチング電源装置。
- 前記駆動用スイッチング素子はNチャネル型MOSトランジスタで構成され、前記制御回路は、前記MOSトランジスタのソース端子および前記インダクタが接続される外部端子を備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
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