JP2014112996A - Light load detection circuit, switching regulator, and method of controlling the same - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチングレギュレータのための軽負荷検出回路と、当該軽負荷検出回路を備えたスイッチングレギュレータとその制御方法とに関する。 The present invention relates to a light load detection circuit for a switching regulator, a switching regulator including the light load detection circuit, and a control method therefor.
近年、電子機器の省電力化が求められている。一般に、省電力化を図るためには、電子機器の消費電力を削減することと、電源回路自体の効率を向上させて無駄な電力消費を抑えることが重要である。小型の電子機器に用いられる高効率の電源回路としては、例えば、スイッチングレギュレータが用いられている。ここで、一般に、スイッチングレギュレータの効率は、入力電力に対する出力電力の割合で表され、負荷に流れる出力電流の関数であり、出力電流が小さいときあるいは負荷が軽いときに悪化する。 In recent years, power saving of electronic devices has been demanded. In general, in order to save power, it is important to reduce power consumption of an electronic device and to suppress wasteful power consumption by improving the efficiency of the power supply circuit itself. For example, a switching regulator is used as a highly efficient power supply circuit used in a small electronic device. Here, the efficiency of the switching regulator is generally expressed as a ratio of the output power to the input power, and is a function of the output current flowing through the load, and deteriorates when the output current is small or the load is light.
特許文献1乃至20において、軽負荷時のスイッチングレギュレータの効率を改善するための技術が提案されている。例えば、特許文献1には、負荷電流に応じてPWM(Pulse Width Modulation)制御モードと、VFM(Variable Frequency Modulation)制御モードとの間で制御モードを切り換えるスイッチングレギュレータにおいて、切り換え時の出力電圧の変動を簡単な回路構成を用いて抑えることが開示されている。また、特許文献2には、軽負荷時及び重負荷時における切り換え及びPWMモードとVFMモードとの間の切り換えのみならず、電子機器の用途に応じて位相補償回路の回路動作を切り換えることができるスイッチングレギュレータが開示されている。
従来技術に係るスイッチングレギュレータは、出力電圧に対応する帰還電圧を、比較器を用いて軽負荷検出用の所定の基準電圧と比較し、比較結果に基づいて軽負荷時の制御モードと重負荷時の制御モードとの間で切り換えた。 The switching regulator according to the prior art uses a comparator to compare the feedback voltage corresponding to the output voltage with a predetermined reference voltage for light load detection, and based on the comparison result, the control mode at light load and at heavy load Switching between control modes.
図8において、(a)は、従来技術に係る電流モード制御型スイッチングレギュレータの常温時の動作を示すタイミングチャートであり、(b)は、従来技術に係る電流モード制御型スイッチングレギュレータの高温時の動作を示すタイミングチャートである。図8(a)及び図8(b)において、出力電圧に対応する帰還電圧Vfbと、スイッチングレギュレータのスイッチング素子に流れるスイッチング電流に比例するスイッチング電流検出電圧に対してスロープ補償を行った後のスロープ電圧Vsと、軽負荷を検出するための所定の基準電圧Vlimitとを示す。また、時刻t11から時刻t19までの期間において、スイッチング素子は、スロープ電圧Vsと帰還電圧Vfbとの間の比較結果に基づいてスイッチング動作するように制御されている。 8A is a timing chart showing the operation of the current mode control type switching regulator according to the prior art at normal temperature, and FIG. 8B is a timing chart of the current mode control type switching regulator according to the prior art at a high temperature. It is a timing chart which shows operation. 8A and 8B, the slope after the slope compensation is performed on the feedback voltage Vfb corresponding to the output voltage and the switching current detection voltage proportional to the switching current flowing through the switching element of the switching regulator. A voltage Vs and a predetermined reference voltage Vlimit for detecting a light load are shown. In the period from time t11 to time t19, the switching element is controlled to perform a switching operation based on a comparison result between the slope voltage Vs and the feedback voltage Vfb.
ここで、スイッチング電流検出電圧は、一般に、スイッチング素子のオン抵抗に比例する。一方、スイッチング素子のオン抵抗は、動作温度に対して正の温度特性を有する。従って、スイッチング電流検出電圧は正の温度特性を有し、図8(a)及び図8(b)に示すように、スロープ電圧Vsの傾きは温度の上昇に伴って大きくなる。このため、基準電圧Vlimitが温度変化しない一定値であるとき、高温時にスロープ電圧Vsが帰還電圧Vfbより高くなるタイミングt13,t16,t19は、常温時にスロープ電圧Vsが帰還電圧Vfbより高くなるタイミングt14,t19より早まる。この結果、高温時のスイッチング期間は常温時のスイッチング期間より短くなる。このため、スイッチングレギュレータの出力電圧が一定になる定常状態を維持しようとすると、高温時にはスイッチング周波数が上昇することになる。この結果、帰還電圧Vfbのレベルが上昇し、軽負荷時のVFM制御モードから重負荷時のPWM制御モードに切り換えるタイミングが常温時よりも早くなる。このことは、動作温度によって、制御モードの切り換え時の出力電流が一定値とはならないことを意味し、温度依存性の強いスイッチング素子を使用した場合、その影響はより顕著になる。 Here, the switching current detection voltage is generally proportional to the on-resistance of the switching element. On the other hand, the on-resistance of the switching element has a positive temperature characteristic with respect to the operating temperature. Therefore, the switching current detection voltage has a positive temperature characteristic, and as shown in FIGS. 8A and 8B, the slope of the slope voltage Vs increases as the temperature rises. Therefore, when the reference voltage Vlimit is a constant value that does not change in temperature, timings t13, t16, and t19 when the slope voltage Vs becomes higher than the feedback voltage Vfb at a high temperature are timings t14 when the slope voltage Vs becomes higher than the feedback voltage Vfb at room temperature. , Earlier than t19. As a result, the switching period at high temperature is shorter than the switching period at normal temperature. For this reason, if it is going to maintain the steady state from which the output voltage of a switching regulator becomes constant, a switching frequency will raise at the time of high temperature. As a result, the level of the feedback voltage Vfb increases, and the timing for switching from the VFM control mode at light load to the PWM control mode at heavy load is earlier than at normal temperature. This means that the output current at the time of switching the control mode does not become a constant value depending on the operating temperature. When a switching element having a strong temperature dependency is used, the influence becomes more significant.
また、特許文献2には、VFM制御モードからPWM制御モードへの切り換え時には、ヒステリシスを持つ比較器を用いて帰還電圧を軽負荷検出用の基準電圧を比較し、比較結果に基づいてVFM制御モードとPWM制御モードとの間の切り換えを行っているが、その基準電圧の温度特性とスイッチング素子のオン抵抗の温度特性との関係については言及されていない。
Further, in
以上説明したように、従来技術に係るスイッチングレギュレータにおいて、スイッチング素子のオン抵抗の温度依存性が比較的強い場合、VFM制御モードからPWM制御モードへの切り換え時の出力電流が温度によって異なる。これにより、温度によっては、軽負荷時の効率が悪くなる。 As described above, in the switching regulator according to the related art, when the temperature dependence of the on-resistance of the switching element is relatively strong, the output current at the time of switching from the VFM control mode to the PWM control mode varies depending on the temperature. Thereby, depending on temperature, the efficiency at the time of light load worsens.
本発明の目的は以上の問題点を解決し、出力電圧に対応する帰還電圧を軽負荷検出用の基準電圧と比較し、比較結果に基づいて制御モードを切り換えるスイッチングレギュレータにおいて、制御モード切り換え時の負荷電流を動作温度に関わらず実質的に一定にできる軽負荷検出回路と、当該軽負荷検出回路を備えたスイッチングレギュレータとその制御方法とを提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems, compare a feedback voltage corresponding to an output voltage with a reference voltage for light load detection, and switch a control mode based on the comparison result. It is an object of the present invention to provide a light load detection circuit capable of making a load current substantially constant regardless of an operating temperature, a switching regulator including the light load detection circuit, and a control method thereof.
第1の発明に係る軽負荷検出回路は、
入力端子を介して入力された入力電圧を所定の出力電圧に変換して負荷に出力するように、上記入力端子に接続されたスイッチング素子を、当該スイッチング素子に流れるスイッチング電流に比例するスイッチング電流検出電圧と上記出力電圧に対応する帰還電圧とに基づいてオンオフ制御する制御回路と、
温度変化に応じて上記スイッチング素子のオン抵抗が変化することを利用して、上記スイッチング電流を検出し、当該検出した電流に比例するスイッチング電流検出電圧を発生するスイッチング電流検出回路とを備えたスイッチングレギュレータのための軽負荷検出回路において、
上記スイッチング素子のオン抵抗に比例する軽負荷検出用基準電圧を発生する軽負荷検出用基準電圧発生回路と、
上記帰還電圧を上記軽負荷検出用基準電圧と比較し、当該比較結果を示す軽負荷検出信号を発生して上記制御回路に出力する比較手段とを備えたことを特徴とする。
The light load detection circuit according to the first invention is:
Switching current detection in which the switching element connected to the input terminal is proportional to the switching current flowing in the switching element so that the input voltage input through the input terminal is converted into a predetermined output voltage and output to the load. A control circuit that performs on / off control based on a voltage and a feedback voltage corresponding to the output voltage;
A switching current detecting circuit that detects the switching current by utilizing the change in the on-resistance of the switching element in response to a temperature change and generates a switching current detection voltage proportional to the detected current. In the light load detection circuit for the regulator,
A light load detection reference voltage generation circuit for generating a light load detection reference voltage proportional to the on-resistance of the switching element;
Comparing means for comparing the feedback voltage with the light load detection reference voltage, generating a light load detection signal indicating the comparison result, and outputting the light load detection signal to the control circuit.
第2の発明に係るスイッチングレギュレータの制御方法は、
入力端子を介して入力された入力電圧を所定の出力電圧に変換して負荷に出力するように、上記入力端子に接続されたスイッチング素子を、当該スイッチング素子に流れるスイッチング電流に比例するスイッチング電流検出電圧と上記出力電圧に対応する帰還電圧とに基づいてオンオフ制御する制御回路と、
温度変化に応じて上記スイッチング素子のオン抵抗が変化することを利用して、上記スイッチング電流を検出し、当該検出した電流に比例するスイッチング電流検出電圧を発生するスイッチング電流検出回路とを備えたスイッチングレギュレータの制御方法において、
上記軽負荷検出回路は、
上記スイッチング素子のオン抵抗に比例する軽負荷検出用基準電圧を発生する軽負荷検出用基準電圧発生回路と、
上記帰還電圧を上記軽負荷検出用基準電圧と比較し、当該比較結果を示す軽負荷検出信号を発生して上記制御回路に出力する比較手段とを備え、
上記制御回路が、上記帰還電圧が上記軽負荷検出用基準電圧より大きいことを示す軽負荷検出信号に応答して、所定の第1の制御モードで上記スイッチング素子を制御する一方、記帰還電圧が上記軽負荷検出用基準電圧以下であることを示す軽負荷検出信号に応答して、所定の第2の制御モードで上記スイッチング素子を制御するステップを含むことを特徴とする。
The switching regulator control method according to the second invention comprises:
Switching current detection in which the switching element connected to the input terminal is proportional to the switching current flowing in the switching element so that the input voltage input through the input terminal is converted into a predetermined output voltage and output to the load. A control circuit that performs on / off control based on a voltage and a feedback voltage corresponding to the output voltage;
A switching current detecting circuit that detects the switching current by utilizing the change in the on-resistance of the switching element in response to a temperature change and generates a switching current detection voltage proportional to the detected current. In the regulator control method,
The light load detection circuit is
A light load detection reference voltage generation circuit for generating a light load detection reference voltage proportional to the on-resistance of the switching element;
Comparing means for comparing the feedback voltage with the light load detection reference voltage, generating a light load detection signal indicating the comparison result, and outputting the light load detection signal to the control circuit,
In response to a light load detection signal indicating that the feedback voltage is greater than the light load detection reference voltage, the control circuit controls the switching element in a predetermined first control mode, while the feedback voltage is The method includes a step of controlling the switching element in a predetermined second control mode in response to a light load detection signal indicating that the voltage is not more than the light load detection reference voltage.
本発明に係る軽負荷検出回路、スイッチングレギュレータとその制御方法によれば、軽負荷検出回路はスイッチング素子のオン抵抗に比例する軽負荷検出用基準電圧を発生する軽負荷検出用基準電圧発生回路を備えたので、出力電圧に対応する帰還電圧を軽負荷検出用の基準電圧と比較し、比較結果に基づいて制御モードを切り換えるスイッチングレギュレータにおいて、制御モード切り換え時の負荷電流を動作温度に関わらず実質的に一定にできる。 According to the light load detection circuit, the switching regulator, and the control method thereof according to the present invention, the light load detection circuit includes a light load detection reference voltage generation circuit that generates a light load detection reference voltage proportional to the on-resistance of the switching element. In a switching regulator that compares the feedback voltage corresponding to the output voltage with a reference voltage for light load detection and switches the control mode based on the comparison result, the load current when switching the control mode is substantially the same regardless of the operating temperature. Can be made constant.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each following embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.
第1の実施形態.
図1は、本発明の第1の実施形態に係るスイッチングレギュレータ200の構成を示す回路図であり、図2は、図1のスイッチング電流検出回路3及び軽負荷検出回路20の構成を示す回路図である。図1において、スイッチングレギュレータ200は、直流電源1からの入力電圧VINを、トランスTの一次巻線W1と入力端子DRAINとを介して入力する。そして、スイッチングレギュレータ200は、入力端子DRAINに接続されたスイッチング素子N1をオンオフ制御することにより入力電圧VINを所定の出力電圧VOUTに変換し、トランスTを介して負荷22に出力する。ここで、スイッチング素子N1は、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(以下、nMOSトランジスタという。)である。
First embodiment.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a
図1において、スイッチングレギュレータ200は、スイッチング素子N1と、スイッチング素子N1をオンオフ制御する制御論理回路100(制御回路)と、起動回路7と、低電圧ロックアウト回路(以下、UVLO回路という。)8と、電源回路17と、ディレイ回路16と、スイッチング電流検出回路3と、帰還回路30と、軽負荷検出回路20と、PWM比較器2と、加算器19と、発振器及びスロープ補償回路6と、過電流検出回路40と、入力端子DRAINと、接地端子COMと、フィードバック端子FBと、電源端子VCCとを備えて構成される。また、軽負荷検出回路20は、ヒステリシスコンパレータである比較器13と、詳細後述するように軽負荷検出用基準電圧V50を発生して比較器13の反転入力端子に出力する軽負荷検出用基準電圧発生回路50とを備えて構成される。さらに、帰還回路30は、ダイオードD31及びD32と、抵抗R31,R32及びR33とを備えて構成される。ここで、ダイオードD31及びD32は、フィードバック端子FBに逆直列に接続される。また、抵抗R31は、ダイオードD31及びD32の各アノードと電源回路17との間に接続され、抵抗R32及びR33は、ダイオードD32のカソードと接地端子COMとの間に直列に接続される。さらに、過電流検出回路40は、比較器4と、所定の過電流検出用基準電圧V41を発生して比較器4の反転入力端子に出力する電圧源41とを備えて構成される。またさらに、制御論理回路100は、RSラッチ回路10及び15と、アンドゲート11と、インバータ14と、オアゲート18とを備えて構成される。
In FIG. 1, a
ここで、直流電源1の正極はトランスTの一次巻線W1及び入力端子DRAINを介してスイッチング素子N1のドレインに接続される一方、直流電源1の負極は接地端子COMに接続される。さらに、トランスTの三次巻線W3の一端は、接地端子COM及びコンデンサC2の一方の電極に接続される一方、トランスTの三次巻線W3の他端は、ダイオードD2を介してコンデンサC2の他方の電極及び電源端子VCCに接続される。ここで、三次巻線W3と、コンデンサC2と、ダイオードD2とは、スイッチング素子N1がオンオフする毎に、電源端子VCCを介してスイッチングレギュレータ200に電流を供給するための外部電源回路を構成する。さらに、トランスTの二次巻線W2の一端はダイオードD21を介して負荷22及び平滑コンデンサC21の一方の電極に接続される一方、二次巻線W2の他端は負荷22及び平滑コンデンサC21の他方の電極に接続される。
Here, the positive electrode of the
スイッチングレギュレータ200の電源が投入されると、一次巻線W1及び入力端子DRAINを介して起動回路7に電流が流れる。一方、UVLO回路8は、電源端子VCCの電圧が所定のしきい値電圧に未満であるときは、スイッチSWをオンしてコンデンサC2を充電する。さらに、電源端子VCCの電圧が所定のしきい値電圧以上になると、UVLO回路8はスイッチSWをオフする。電源回路17は、電源端子VCCからの入力電圧に基づいて所定の定電圧を発生して、帰還回路30及びスイッチングレギュレータ200内の各回路に供給するレギュレータである。
When the power source of the
スイッチング素子N1がオンすると、直流電源1から一次巻線W1と、入力端子DRAINと、スイッチング素子N1とを介して電流が流れ、トランスTに磁気エネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子N1がオフするとトランスTに蓄積されたエネルギーは、二次巻線W2を介して負荷22側に伝達される。二次巻線W2及びダイオードD21を介して電流が流れ、平滑コンデンサC21で平滑化されて、負荷22に出力電圧VOUTが供給される。
When the switching element N1 is turned on, a current flows from the
図1において、出力電圧検出回路21は出力電圧VOUTを検出し、検出結果を示す信号を、フォトカプラPCと、フィードバック端子FBとを介して帰還回路30に出力する。具体的には、出力電圧VOUTが所定の設定電圧より大きくなるとフォトカプラPCの発光部に流れる電流が大きくなりフィードバック端子FBの電圧が下がる。逆に、出力電圧VOUTが設定電圧より小さくなるとフォトカプラの発光部に流れる電流が小さくなりフィードバック端子FBの電圧が上がる。帰還回路30は、フィードバック端子FBの電圧に基づいて、出力電圧VOUTに対応する帰還電圧Vfbを生成して、PWM比較器2の反転入力端子と、比較器13の非反転入力端子とに出力する。
In FIG. 1, an output
また、比較器13は、帰還電圧Vfbが軽負荷検出用基準電圧V50より大きいときはハイレベルの軽負荷検出信号S20を発生する。一方、帰還電圧Vfbが軽負荷検出用基準電圧V50以下であるときは、比較器13は、ローレベルの軽負荷検出信号S20を発生する。さらに、軽負荷検出信号S20は、アンドゲート11の第1の入力端子に出力される。
The
また、ディレイ回路16は、制御論理回路100からスイッチング素子N1のゲートに出力される制御信号EXTの立ち上がりタイミングを所定の遅延時間だけ遅延させるとともに、制御信号EXTの立ち下がりタイミングを所定の先行時間だけ先行させることにより制御信号EXTdを発生する。そして、制御信号EXTdは、スイッチング電流検出回路3に出力される。なお、ディレイ回路16は、スイッチング素子N1がオンしたときに発生するノイズによってスイッチング電流検出回路3が誤動作することを防止するために、設けられる。
The delay circuit 16 delays the rising timing of the control signal EXT output from the control logic circuit 100 to the gate of the switching element N1 by a predetermined delay time, and delays the falling timing of the control signal EXT by a predetermined preceding time. The control signal EXTd is generated by making it precede. Then, the control signal EXTd is output to the switching
図2に示すように、スイッチング電流検出回路3は、入力端子DRAINに接続された一端を有するnMOSトランジスタN2と、nMOSトランジスタN2の他端と接地端子COMとの間に直列に接続された2つの抵抗R4及びR5とを備えて構成される。ディレイ回路16からの制御信号EXTdは、nMOSトランジスタN2のゲートに出力される。nMOSトランジスタN2は、スイッチング素子N1に比べて小さいサイズを有し、スイッチング素子N1に並列に接続されている。このため、nMOSトランジスタN2には、スイッチング素子N1に流れるスイッチング電流Isw1に比例する微少な電流Isw2が流れる。そして、電流Isw2は、抵抗R4及びR5によって、抵抗R4とR5との間の接続点の電圧であるスイッチング電流検出電圧Vdに電流電圧変換される。さらに、スイッチング電流検出電圧Vdは、加算器19と、比較器4の非反転入力端子とに出力される。すなわち、スイッチング電流検出回路3は、ディレイ回路16からの制御信号EXTdに従って、スイッチング素子N1のオン時のスイッチング電流Isw1を検出し、検出したドレイン電流Isw1に比例するスイッチング電流検出電圧Vdを発生する。
As shown in FIG. 2, the switching
また、図1において、発振器及びスロープ補償回路6は、所定の周波数を有するクロックCLKを発生してRSラッチ回路15のセット端子Sに出力するとともに、スロープ補償のための所定のスロープ信号slopeを発生して加算器19に出力する。加算器19は、スイッチング電流検出電圧Vdにスロープ信号slopeを加算し、加算後のスロープ電圧VsをPWM比較器2の非反転入力端子に出力する。PWM比較器2は、スロープ電圧Vsが帰還電圧Vfbより大きいときはハイレベルのPWM信号S2を発生する。一方、スロープ電圧Vsが帰還電圧Vfb以下であるときは、PWM比較器2は、ローレベルのPWM信号S2を発生する。さらに、PWM信号S2は、オアゲート18の第1の入力端子に出力される。
In FIG. 1, an oscillator and slope compensation circuit 6 generates a clock CLK having a predetermined frequency and outputs it to the set terminal S of the RS latch circuit 15, and also generates a predetermined slope signal slope for slope compensation. And output to the
比較器4は、スイッチング電流検出電圧Vdが過電流検出用基準電圧V41より大きいときはハイレベルの過電流検出信号S4を発生する。一方、スイッチング電流検出電圧Vdが過電流検出用基準電圧V41以下であるときは、比較器4は、ローレベルの過電流検出信号S4を発生する。さらに、過電流検出信号S4は、オアゲート18の第2の入力端子に出力される。
The
オアゲート18からの出力信号はRSラッチ回路10のセット端子Sに出力される。また、制御信号EXTは、インバータ14を介してRSラッチ回路10のリセット端子Rに出力される。さらに、RSラッチ回路10からの出力信号はRSラッチ回路15のリセット端子Rに出力され、RSラッチ回路15からの出力信号はアンドゲート11の第2の入力端子に出力される。そして、アンドゲート11からの出力信号は、制御信号EXTとして、スイッチング素子N1のゲートと、ディレイ回路16と、インバータ14とに出力される。
An output signal from the OR gate 18 is output to the set terminal S of the
次に、スイッチング電流検出電圧Vdが過電流検出用基準電圧V41より大きい過電流検出時の動作を説明する。スイッチング電流検出電圧Vdが過電流検出用基準電圧V41より大きくなると、比較器4はハイレベルの過電流検出信号S4を発生してオアゲート18に出力する。従って、RSラッチ回路10はハイレベルの出力信号をRSラッチ回路15のリセット端子Rに出力する。これに応答して、RSラッチ回路15はローレベルの出力信号をアンドゲート11に出力する。従って、ローレベルの制御信号EXTが発生され、スイッチング素子N1はオフする。これにより、スイッチング素子N1に、過電流検出用基準電圧V41に対応する所定の過電流しきい値より大きい過大な電流が流れることを防止する。
Next, the operation at the time of overcurrent detection when the switching current detection voltage Vd is larger than the overcurrent detection reference voltage V41 will be described. When the switching current detection voltage Vd becomes larger than the overcurrent detection reference voltage V41, the
図2において、軽負荷検出用基準電圧発生回路50は、実質的に温度に依存しない基準電圧Vpを生成する電圧源51と、基準電圧Vpを電流I52に変換する電圧電流変換回路52と、電流I52を所定のミラー比で電流Irefに変換するカレントミラー回路CMと、電流Irefを軽負荷検出用基準電圧V50に変換して比較器13の反転入力端子に出力する電流電圧変換回路54とを備えて構成される。ここで、電圧電流変換回路52は、ボルテージフォロワ回路である演算増幅器53と、抵抗R3と、ダイオードD50と、nMOSトランジスタN4とを備えて構成される。抵抗R3とダイオードD50とは、nMOSトランジスタN4と接地との間に直列に接続される。また、カレントミラー回路CMは、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ(以下、PMOSトランジスタという。)P1及びP2を備えて構成される。
In FIG. 2, a light load detection reference
さらに、電流電圧変換回路54は、カレントミラー回路CMの出力端子と接地との間に直列に接続された抵抗R1及びR2と、抵抗R2に並列に接続されたnMOSトランジスタN3とを備えて構成される。ここで、比較器13からの軽負荷検出信号S20は、nMOSトランジスタN3のゲートに出力される。
Further, the current-
図2において、抵抗R3には、基準電圧Vpと、抵抗R3の抵抗値と、ダイオードD50の順方向電圧Vfで決まる電流I52=(Vp−Vf)/R3が流れる(R3は、抵抗R3の抵抗値である。)。さらに、電流I52は、カレントミラー回路CMによって電流Irefに変換される。ここで、ダイオードD50の順方向電圧Vfは負の温度特性を有する。また、本実施形態において、スイッチング素子N1のオン抵抗の温度特性と逆極性の負の温度特性を有する抵抗R3を用いる。従って、電流Irefは正の温度特性を有する。また、電流Irefの温度依存性は、抵抗R3の抵抗値を調整することにより、所望の温度依存性に調整可能である。 In FIG. 2, a current I52 = (Vp−Vf) / R3 determined by the reference voltage Vp, the resistance value of the resistor R3, and the forward voltage Vf of the diode D50 flows through the resistor R3 (R3 is the resistance of the resistor R3). Value.) Further, the current I52 is converted into a current Iref by the current mirror circuit CM. Here, the forward voltage Vf of the diode D50 has a negative temperature characteristic. In the present embodiment, a resistor R3 having a negative temperature characteristic opposite to the temperature characteristic of the on-resistance of the switching element N1 is used. Therefore, the current Iref has a positive temperature characteristic. The temperature dependence of the current Iref can be adjusted to a desired temperature dependence by adjusting the resistance value of the resistor R3.
また、図2において、電流電圧変換回路54は、ハイレベルの軽負荷検出信号S20に応答して、電流Irefを基準電圧V50a=Iref×R1に変換する(ただし、R1は抵抗R1の抵抗値である。)。一方、ローレベルの軽負荷検出信号S20に応答して、電流電圧変換回路54は、電流Irefを基準電圧V50b=Iref×(R1+R2)に変換する(ただし、R1及びR2は抵抗R1及びR2の各抵抗値である。)。従って、軽負荷検出用基準電圧V50は基準電圧V50aとV50bとの間で切り換えられる。
In FIG. 2, the current-
次に、基準電圧V50a及びV50bの温度依存性を説明する。本実施形態において、スイッチング素子N1の抵抗の温度特性と同様に、正の温度特性を有する基準電圧V50a及びV50bを発生する。図3は、図2の電流Irefと、抵抗R1及びR2の各抵抗値との組み合わせの第1乃至第3のパターンを示す説明図である。本実施形態において、実質的に同一の温度特性を有する抵抗R1及びR2を用いる。本実施形態においてスイッチング素子N1のオン抵抗の極性と同一極性の正の温度特性を有する抵抗R1及びR2又は温度に依存しない抵抗R1及びR2を用いる。なお、抵抗R1及びR2は実質的に同一の温度特性を有する。図3に示すように、電流Irefの温度特性と、R1及びR2の各抵抗値の温度特性との第1乃至第3の組み合わせのうちのいずれかの組み合わせを選択して各素子値を設定することにより、所望の正の温度特性を有する基準電圧V50a及びV50bを発生できる。本実施形態では、帰還電圧Vfbが軽負荷検出用基準電圧V50より大きくなるタイミング及び帰還電圧Vfbが軽負荷検出用基準電圧V50以下になるタイミングにおける負荷電流が、温度変化に関わらず実質的に一定になるように、軽負荷検出用基準電圧発生回路50の各素子値を設定する。
Next, the temperature dependence of the reference voltages V50a and V50b will be described. In the present embodiment, reference voltages V50a and V50b having positive temperature characteristics are generated in the same manner as the temperature characteristics of the resistance of the switching element N1. FIG. 3 is an explanatory diagram showing first to third patterns of combinations of the current Iref of FIG. 2 and the resistance values of the resistors R1 and R2. In this embodiment, resistors R1 and R2 having substantially the same temperature characteristics are used. In the present embodiment, resistors R1 and R2 having positive temperature characteristics having the same polarity as the on-resistance polarity of the switching element N1 or resistors R1 and R2 that do not depend on temperature are used. The resistors R1 and R2 have substantially the same temperature characteristics. As shown in FIG. 3, each element value is set by selecting one of the first to third combinations of the temperature characteristics of the current Iref and the temperature characteristics of the resistance values of R1 and R2. Thus, the reference voltages V50a and V50b having desired positive temperature characteristics can be generated. In the present embodiment, the load current at the timing when the feedback voltage Vfb becomes larger than the light load detection reference voltage V50 and the timing when the feedback voltage Vfb becomes equal to or lower than the light load detection reference voltage V50 is substantially constant regardless of the temperature change. Each element value of the light load detection reference
図4は、常温時における図1のスイッチングレギュレータ200の動作を示すタイミングチャートである。
FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the
図4において、時刻t1より前の期間において、基準電圧V50bが発生されている。出力電圧VOUTが低下すると、帰還回路30からの帰還電圧Vfbは上昇を始める。そして、時刻t1において、帰還電圧Vfbが基準電圧V50bより大きくなると、ハイレベルの軽負荷検出信号S20が発生される。また、軽負荷検出用基準電圧V50は、基準電圧V50aに切り換わる。軽負荷検出信号S20の電圧レベルがハイレベルであるときに、発振器及びスロープ補償回路6からのクロックCLKがハイレベルになると、RSラッチ回路15からの出力信号の電圧レベルはハイレベルになり、ハイレベルの制御信号EXTが発生される。これに応答して、スイッチング素子N1はオンする。
In FIG. 4, the reference voltage V50b is generated in a period before time t1. When the output voltage VOUT decreases, the feedback voltage Vfb from the
スイッチング素子N1がオンして、ディレイ回路16で設定されている所定の遅延時間が経過すると、スイッチング電流検出回路3はスイッチング電流Isw1を検出し、スイッチング電流検出電圧Vdを発生する。スイッチング電流検出電圧Vdをスロープ補償した補償後のスロープ電圧Vsが帰還電圧Vfbより大きくなると、PWM比較器2からのPWM信号S2の電圧レベルはハイレベルになる。これに応答して、RSラッチ回路10はハイレベルの出力信号をRSラッチ回路15のリセット端子Rに出力する。従って、RSラッチ回路15からの出力信号の電圧レベルはローレベルになり、ローレベルの制御信号EXTが発生される。これに応答して、スイッチング素子N1はオフする。制御論理回路100は、帰還電圧Vfbが軽負荷検出用基準電圧V50より大きい重負荷時に、以上説明した動作を繰り返すことによりスイッチング素子N1をスイッチング動作させて、出力電圧VOUTを一定に保つ。以下、重負荷時のスイッチング素子N1の制御モードを、バースト発振モードという。バースト発振モードは、スイッチング素子N1をクロックCLKの周波数でパルス幅変調制御してバースト発振させる制御モードである。
When the switching element N1 is turned on and a predetermined delay time set by the delay circuit 16 elapses, the switching
時刻t1においてスイッチング素子N1がバースト発振を開始すると、出力電圧VOUTは上昇を始める。そして、出力電圧VOUTが所定の設定電圧より大きくなると、フォトカプラPCの発光部に流れる電流が大きくなり、その結果、フィードバック端子FDの電圧は低下していく。従って、負荷22に流れる電流が小さくなると(軽負荷時)、帰還電圧Vfbは低下する。図4の時刻t2において、帰還電圧Vfbが基準電圧V50a以下になると、ローレベルの軽負荷検出信号S20が発生される。また、軽負荷検出用基準電圧V50は、基準電圧V50bに切り換わる。ローレベルの軽負荷検出信号S20に応答して、アンドゲート11からの制御信号EXTはローレベルになり、スイッチング素子N1はオフする。すなわち、制御論理回路100は、帰還電圧Vfbが基準電圧V50より小さい軽負荷時に、スイッチング素子N1のバースト発振を停止してオフするように制御する。以下、軽負荷時のスイッチング素子N1の制御モードを、バースト発振停止モードという。
When the switching element N1 starts burst oscillation at time t1, the output voltage VOUT starts to rise. When the output voltage VOUT becomes higher than a predetermined set voltage, the current flowing through the light emitting portion of the photocoupler PC increases, and as a result, the voltage at the feedback terminal FD decreases. Therefore, when the current flowing through the
時刻t2以降は、出力電圧VOUTが低下するので、帰還電圧Vfbが再び上昇を始める。そして、時刻t3において、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefより大きくなると、スイッチング素子N1はバースト発振するように制御される。時刻t3以降は、以上説明した動作が繰り返される。ここで、比較器13はヒステリシスコンパレータとして動作するので、軽負荷時のスイッチング回数を低減させて効率の改善を図ることができる。
After time t2, the output voltage VOUT decreases, and the feedback voltage Vfb starts to increase again. At time t3, when the feedback voltage Vfb becomes higher than the reference voltage Vref, the switching element N1 is controlled to burst. The operation described above is repeated after time t3. Here, since the
本実施形態では、軽負荷検出用基準電圧発生回路50は、スイッチング素子N1のオン抵抗に比例する軽負荷検出用基準電圧V50を発生する。より具体的には、軽負荷検出用基準電圧発生回路50は、重負荷時のバースト発振モードと、軽負荷時のバースト発振停止モードとの間の切り換え時の負荷電流が実質的に温度に依存せずに一定になるように、軽負荷検出用基準電圧V50を発生する。
In the present embodiment, the light load detection reference
図5は、常温時及び高温時におけるバースト発振時の図1のスロープ電圧Vsを示すタイミングチャートである。図5を参照して、スロープ電圧Vsの温度特性を考察する。スロープ電圧Vsは、スイッチング電流検出電圧Vdとスロープ信号slopeとを加算してなる電圧である。ここで、スイッチング電流検出電圧Vdは、スイッチング電流Isw1に比例するスイッチング素子N1のドレイン電圧であり、スイッチング素子N1のオン抵抗に比例する。一般に、スイッチング素子N1のオン抵抗は動作温度に対して正の温度特性を持つ。従って、温度が上昇し、スイッチング素子N1のオン抵抗が大きくなると、スロープ電圧Vsの傾きは大きくなる。 FIG. 5 is a timing chart showing the slope voltage Vs of FIG. 1 during burst oscillation at normal temperature and high temperature. With reference to FIG. 5, the temperature characteristic of the slope voltage Vs will be considered. The slope voltage Vs is a voltage obtained by adding the switching current detection voltage Vd and the slope signal slope. Here, the switching current detection voltage Vd is a drain voltage of the switching element N1 proportional to the switching current Isw1, and is proportional to the on-resistance of the switching element N1. In general, the on-resistance of the switching element N1 has a positive temperature characteristic with respect to the operating temperature. Therefore, as the temperature rises and the on-resistance of the switching element N1 increases, the slope of the slope voltage Vs increases.
従って、図5において、帰還電圧Vfbが電圧Vfb1であるとき、常温では時刻taから時刻tcまでがスイッチング素子N1のオン時間であるのに対し、高温では時刻taから時刻tbまでがオン時間となり、オン時間は短くなる。このため、高温時に、スイッチング素子N1のスイッチング一回あたりに負荷22に転送される電力は、常温時に比べて低くなる。その結果、出力電圧VOUTを一定に維持する定常状態を実現するためには、常温時と同じオン時間が必要となるので、帰還電圧Vfbは上昇し始め、電圧Vfb1から電圧Vfb2に変化する。
Therefore, in FIG. 5, when the feedback voltage Vfb is the voltage Vfb1, the switching element N1 is on-time from the time ta to the time tc at room temperature, whereas the on-time is from the time ta to the time tb at high temperature. The on-time is shortened. For this reason, the power transferred to the
従来は、本実施形態に係る軽負荷検出用基準電圧V50に代えて、温度に依存しない基準電圧を用いていた。このため、図5に示すように高温時に帰還電圧Vfbが上昇すると、重負荷時のバースト発振モードと、軽負荷時のバースト発振停止モードとの間の切り換え時における負荷電流が変化した。これに対して、本実施形態では、軽負荷検出用基準電圧発生回路50は、スイッチング素子N1のオン抵抗に比例する軽負荷検出用基準電圧V50を発生する。従って、動作温度によらず、バースト発振モードとバースト発振停止モードとの間の切り換え時の負荷電流を一定にできる。
Conventionally, instead of the light load detection reference voltage V50 according to the present embodiment, a temperature independent reference voltage has been used. For this reason, as shown in FIG. 5, when the feedback voltage Vfb increases at a high temperature, the load current at the time of switching between the burst oscillation mode at the heavy load and the burst oscillation stop mode at the light load changes. On the other hand, in this embodiment, the light load detection reference
第2の実施形態.
図6は、本発明の第2の実施形態に係る軽負荷検出回路20Aの構成を示す回路図である。本実施形態に係る軽負荷検出回路20Aは、第1の実施形態に係る軽負荷検出回路20に比較して、軽負荷検出用基準電圧発生回路50に代えて軽負荷検出用基準電圧発生回路50Aを備えた点のみが異なる。また、軽負荷検出用基準電圧発生回路50Aは、軽負荷検出用基準電圧発生回路50に比較して、電圧電流変換回路52に代えて電圧電流変換回路52Aを備えた点のみが異なる。さらに、電圧電流変換回路52Aは、電圧電流変換回路52からダイオードD50を取り除いたものである。以下、第1の実施形態との間の相違点のみを説明する。
Second embodiment.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a light
図6において、電圧電流変換回路52Aは、基準電圧Vpを電流I52=Vp/R3に変換する。本実施形態は、第1の実施形態と同様の作用効果を奏する。
In FIG. 6, the voltage /
第3の実施形態.
図7は、本発明の第3の実施形態に係る軽負荷検出回路20Bの構成を示す回路図である。軽負荷検出回路20Bは、第1の実施形態に係る軽負荷検出回路20に比較して、軽負荷検出用基準電圧発生回路50に代えて軽負荷検出用基準電圧発生回路50Bを備えた点のみが異なる。また、軽負荷検出用基準電圧発生回路50Bは、軽負荷検出用基準電圧発生回路50に比較して、電流源55をさらに備えた点のみが異なる。以下、第1の実施形態との間の相違点のみを説明する。
Third embodiment.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a light
図7において、電流源55はカレントミラー回路CMに並列に接続され、実質的に温度に依存しない電流Imを発生する。従って、カレントミラー回路CMからの電流Irefに電流Imが加算され、電流電圧変換回路54は、加算後の電流(Iref+Im)を軽負荷検出用基準電圧V50に変換する。
In FIG. 7, a
本実施形態によれば、スイッチング素子N1のオン抵抗の温度に対する変化率が比較的小さいときでも、第1に実施形態に比較して、軽負荷検出用基準電圧V50を容易に調整できる。 According to the present embodiment, even when the rate of change of the ON resistance of the switching element N1 with respect to the temperature is relatively small, the light load detection reference voltage V50 can be easily adjusted compared to the first embodiment.
なお、上記各実施形態において、絶縁型のスイッチングレギュレータ200を例に挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限られず、非絶縁型のスイッチングレギュレータであってもよい。
In the above embodiments, the present invention has been described by taking the insulating
2…PWM比較器、
3…スイッチング電流検出回路、
13…比較器、
20,20A,20B…軽負荷検出回路、
50,20A,50B…軽負荷検出用基準電圧発生回路、
51…電圧源、
52,52A…電圧電流変換回路、
54…電流電圧変換回路、
100…制御論理回路、
200…スイッチングレギュレータ、
CM…カレントミラー回路、
N1…スイッチング素子。
2 ... PWM comparator,
3 ... switching current detection circuit,
13 ... Comparator,
20, 20A, 20B ... Light load detection circuit,
50, 20A, 50B ... Light load detection reference voltage generation circuit,
51 ... Voltage source,
52, 52A ... voltage-current conversion circuit,
54 ... Current-voltage conversion circuit,
100: control logic circuit,
200 ... switching regulator,
CM: Current mirror circuit,
N1 is a switching element.
Claims (10)
温度変化に応じて上記スイッチング素子のオン抵抗が変化することを利用して、上記スイッチング電流を検出し、当該検出した電流に比例するスイッチング電流検出電圧を発生するスイッチング電流検出回路とを備えたスイッチングレギュレータのための軽負荷検出回路において、
上記スイッチング素子のオン抵抗に比例する軽負荷検出用基準電圧を発生する軽負荷検出用基準電圧発生回路と、
上記帰還電圧を上記軽負荷検出用基準電圧と比較し、当該比較結果を示す軽負荷検出信号を発生して上記制御回路に出力する比較手段とを備えたことを特徴とする軽負荷検出回路。 Switching current detection in which the switching element connected to the input terminal is proportional to the switching current flowing in the switching element so that the input voltage input through the input terminal is converted into a predetermined output voltage and output to the load. A control circuit that performs on / off control based on a voltage and a feedback voltage corresponding to the output voltage;
A switching current detecting circuit that detects the switching current by utilizing the change in the on-resistance of the switching element in response to a temperature change and generates a switching current detection voltage proportional to the detected current. In the light load detection circuit for the regulator,
A light load detection reference voltage generation circuit for generating a light load detection reference voltage proportional to the on-resistance of the switching element;
A light load detection circuit comprising: comparing means for comparing the feedback voltage with the light load detection reference voltage, generating a light load detection signal indicating the comparison result and outputting the light load detection signal to the control circuit.
上記軽負荷検出用基準電圧発生回路は、上記第1と第2の制御モードとの間の切り換え時の負荷電流が、実質的に温度に依存しないように、上記軽負荷検出用基準電圧を発生することを特徴とする請求項1記載の軽負荷検出回路。 The control circuit controls the switching element in a predetermined first control mode in response to a light load detection signal indicating that the feedback voltage is greater than the light load detection reference voltage, while the feedback voltage is In response to a light load detection signal indicating that the voltage is equal to or lower than the light load detection reference voltage, the switching element is controlled in a predetermined second control mode,
The light load detection reference voltage generation circuit generates the light load detection reference voltage so that the load current when switching between the first and second control modes is substantially independent of temperature. The light load detection circuit according to claim 1.
実質的に温度に依存しない所定の基準電圧を電流に変換する電圧電流変換回路と、
第1の抵抗を備え、上記変換後の電流を上記第1の抵抗に流すことにより上記軽負荷検出用基準電圧に変換して出力する電流電圧変換回路とを備えたことを特徴とする請求項1乃至3のうちのいずれか1つに記載の軽負荷検出回路。 The light load detection reference voltage generation circuit is
A voltage-current conversion circuit that converts a predetermined reference voltage substantially independent of temperature into a current; and
A current-voltage conversion circuit comprising a first resistor, wherein the converted current is converted into the light load detection reference voltage by passing the converted current through the first resistor and output. The light load detection circuit according to any one of 1 to 3.
温度変化に応じて上記スイッチング素子のオン抵抗が変化することを利用して、上記スイッチング電流を検出し、当該検出した電流に比例するスイッチング電流検出電圧を発生するスイッチング電流検出回路とを備えたスイッチングレギュレータの制御方法において、
上記軽負荷検出回路は、
上記スイッチング素子のオン抵抗に比例する軽負荷検出用基準電圧を発生する軽負荷検出用基準電圧発生回路と、
上記帰還電圧を上記軽負荷検出用基準電圧と比較し、当該比較結果を示す軽負荷検出信号を発生して上記制御回路に出力する比較手段とを備え、
上記制御回路が、上記帰還電圧が上記軽負荷検出用基準電圧より大きいことを示す軽負荷検出信号に応答して、所定の第1の制御モードで上記スイッチング素子を制御する一方、記帰還電圧が上記軽負荷検出用基準電圧以下であることを示す軽負荷検出信号に応答して、所定の第2の制御モードで上記スイッチング素子を制御するステップを含むことを特徴とするスイッチングレギュレータの制御方法。 Switching current detection in which the switching element connected to the input terminal is proportional to the switching current flowing in the switching element so that the input voltage input through the input terminal is converted into a predetermined output voltage and output to the load. A control circuit that performs on / off control based on a voltage and a feedback voltage corresponding to the output voltage;
A switching current detecting circuit that detects the switching current by utilizing the change in the on-resistance of the switching element in response to a temperature change and generates a switching current detection voltage proportional to the detected current. In the regulator control method,
The light load detection circuit is
A light load detection reference voltage generation circuit for generating a light load detection reference voltage proportional to the on-resistance of the switching element;
Comparing means for comparing the feedback voltage with the light load detection reference voltage, generating a light load detection signal indicating the comparison result, and outputting the light load detection signal to the control circuit,
In response to a light load detection signal indicating that the feedback voltage is greater than the light load detection reference voltage, the control circuit controls the switching element in a predetermined first control mode, while the feedback voltage is A switching regulator control method comprising the step of controlling the switching element in a predetermined second control mode in response to a light load detection signal indicating that the voltage is not more than the light load detection reference voltage.
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