JP2014241706A - DC-DC converter - Google Patents

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耕亮 早川
Kosuke Hayakawa
耕亮 早川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control a charge amount transmitted to an output part per cycle of a switching operation to be a constant value regardless of a variation and such of a power supply voltage.SOLUTION: The DC-DC converter includes: a switch connected to a power supply; an output part connected to the switch through a coil; and a control part that, by measuring a charging amount transmitted from the coil to the output part, determines operation timing of the switch on the basis of measured results. By detecting a charging amount transmitted from the coil to the output part during charging, timing of completing a charging period is determined and switch driving is controlled.

Description

本発明は、DC−DCコンバータに関し、特にPFM制御方式のDC−DCコンバータに関する。   The present invention relates to a DC-DC converter, and more particularly to a PFM control type DC-DC converter.

携帯電子機器の小型化に伴い、機器の筐体内で電池が占有することができるスペースは限られてきている。他方、高機能化も進んでおり、機器が動作している際に消費する電力は増えている。少ない電池容量で長い駆動時間を得るため、電力制御には、変換効率の高い、DC−DCコンバータが広く用いられている。DC−DCコンバータには、幾つかの制御方式がある。   With the downsizing of portable electronic devices, the space that a battery can occupy in the housing of the device has been limited. On the other hand, higher functionality is also progressing, and the power consumed when the device is operating is increasing. In order to obtain a long driving time with a small battery capacity, a DC-DC converter having high conversion efficiency is widely used for power control. There are several control methods for the DC-DC converter.

図4は、PFM制御方式のDC−DCコンバータの回路例である。   FIG. 4 is a circuit example of a PFM control type DC-DC converter.

PFMとは、Pulse Frequency Modulationの略であり、出力の状況に応じて必要な回数だけスイッチング動作を行うので、特に軽負荷時に高効率であることを特長とする制御方法である。   PFM is an abbreviation for Pulse Frequency Modulation, and is a control method characterized by high efficiency, especially at light loads, because the switching operation is performed as many times as necessary depending on the output status.

電源Vinと出力端子VSW間にスイッチP1、VSWとGND間にスイッチN1があり、VSWに接続されているコイルLに電圧Vinを印可する時間を制御し、Lにエネルギーを蓄える時間と蓄えたエネルギーを出力Voutに伝送する時間の比率を調整することにより、Voutへ所望の電力を伝送する。   There is a switch P1 between the power source Vin and the output terminal VSW, and a switch N1 between VSW and GND. The time for applying the voltage Vin to the coil L connected to VSW is controlled, and the time for storing energy in L and the stored energy The desired power is transmitted to Vout by adjusting the ratio of the time for transmitting to the output Vout.

図4に示すDC−DCコンバータ100は、Voutが所望値であるかを判定するコンパレータVO_CMP101と、P1を通ってLへ流れる電流を検出するピーク電流検出部102と、N1を通ってLに流れる電流が0になったことを検出する零電流検出部103と、これら検出部101,102,103の出力を受けてスイッチP1,N1を制御するスイッチング制御部104とを備えている。   The DC-DC converter 100 illustrated in FIG. 4 includes a comparator VO_CMP101 that determines whether Vout is a desired value, a peak current detection unit 102 that detects a current flowing through L through P1, and a flow through L through N1. A zero current detection unit 103 that detects that the current has become zero and a switching control unit 104 that receives the outputs of the detection units 101, 102, and 103 and controls the switches P1 and N1 are provided.

VO_CMP101は、出力電圧であるVoutを監視し、スイッチング制御部104へ信号を与える。スイッチング制御部104は、CMP信号から、Voutが所望の電圧値以下である場合のみP1,N1を駆動してスイッチング動作させる。スイッチング動作1サイクルは、P1をオン/N1をオフさせる充電フェーズと、P1をオフ/N1をオンさせる伝送フェーズとからなる。   The VO_CMP 101 monitors the output voltage Vout and gives a signal to the switching control unit 104. The switching control unit 104 drives P1 and N1 to perform a switching operation only when Vout is equal to or lower than a desired voltage value from the CMP signal. One cycle of the switching operation includes a charging phase in which P1 is turned on / N1 is turned off and a transmission phase in which P1 is turned off / N1 is turned on.

コイル105(L)にエネルギーを蓄えるために、スイッチング動作は充電フェーズから行われる。Voutが所望の電圧値以下であれば、スイッチング制御部104はP1をオン、N1をオフさせる。すると、VSWの電圧値はVinと等しくなり、Lに対してはVin−Voutの電圧が印加される。   In order to store energy in the coil 105 (L), the switching operation is performed from the charging phase. If Vout is equal to or lower than a desired voltage value, the switching control unit 104 turns on P1 and turns off N1. Then, the voltage value of VSW becomes equal to Vin, and a voltage of Vin−Vout is applied to L.

降圧コンバータでは、Vin>Voutであり、VSWからVoutへ向きを正とするとLには正の電流が流れる。電流値は電圧が印加されている時間に依存し、充電フェーズが開始されてからt秒後のLに流れる電流値は、IL=(Vin−Vout)×t÷Lで示される。   In the step-down converter, Vin> Vout, and if the direction from VSW to Vout is positive, a positive current flows through L. The current value depends on the time during which the voltage is applied, and the current value flowing through L t seconds after the start of the charging phase is expressed as IL = (Vin−Vout) × t ÷ L.

充電フェーズ中の電流値ILは、ピーク電流検出部2によって監視されている。ピーク電流検出部102は、P1に流れる電流を監視しているが、充電フェーズ期間中はP1に流れる電流とLに流れる電流は等しい。充電フェーズ中のILが所定の値に達すると、コイル105に所要のエネルギーが蓄えられたと判断し、充電フェーズから伝送フェーズへ移行する。P1に流れる電流を監視する手段としては、例えば、特許文献1に記載されており、図5に示す回路構成がある。   The current value IL during the charging phase is monitored by the peak current detector 2. The peak current detector 102 monitors the current flowing through P1, but the current flowing through P1 is equal to the current flowing through L during the charging phase. When IL in the charging phase reaches a predetermined value, it is determined that necessary energy is stored in the coil 105, and the charging phase is shifted to the transmission phase. A means for monitoring the current flowing through P1 is described in, for example, Patent Document 1 and has a circuit configuration shown in FIG.

充電フェーズから伝送フェーズへ移行すると、オン状態だったP1はオフし、オフ状態だったN1はオンする。すると、VSWの電圧値はGND電位と等しくなり、Lに対しては0−Voutの電圧が印加される。伝送フェーズが開始されてからt’秒後のLに流れる電流値はIL=−Vout×t’÷L+IL0で示される。ここで、IL0はt’=0即ち伝送フェーズ開始時のILの値である。   When shifting from the charging phase to the transmission phase, P1 that was in the on state is turned off, and N1 that was in the off state is turned on. Then, the voltage value of VSW becomes equal to the GND potential, and a voltage of 0-Vout is applied to L. A current value flowing through L after t ′ seconds from the start of the transmission phase is represented by IL = −Vout × t ′ ÷ L + IL0. Here, IL0 is t '= 0, that is, the value of IL at the start of the transmission phase.

伝送フェーズ中のILは、零電流検出部103によって監視されている。零電流検出部103は、N1に流れる電流を監視しているが、伝送フェーズ中はN1に流れる電流とLに流れる電流は等しい。伝送フェーズ中にILの値が0になると、コイル105に蓄えられていたエネルギーをVoutへ伝送し切ったと判断して伝送フェーズを終了してスイッチング動作1サイクルが完了する。   The IL during the transmission phase is monitored by the zero current detection unit 103. The zero current detector 103 monitors the current flowing through N1, but the current flowing through N1 is equal to the current flowing through L during the transmission phase. When the value of IL becomes 0 during the transmission phase, it is determined that the energy stored in the coil 105 has been completely transmitted to Vout, the transmission phase is terminated, and one cycle of the switching operation is completed.

スイッチング動作1サイクルが完了した時点において、Voutが所望値以上である場合、Voutの電圧上昇を防ぐために、P1をオフ・N1をオフさせてスイッチング動作を停止させて待機状態となる。サイクル完了時においてVoutが所望値以下である場合は、引き続き次のサイクルの充電フェーズへ移行する。待機状態中もVO_CMPはVoutを監視しており、電圧値が所望値以下になった場合は待機状態から充電フェーズへ移行する。   When Vout is equal to or higher than a desired value when one cycle of the switching operation is completed, in order to prevent the voltage of Vout from rising, P1 is turned off and N1 is turned off to stop the switching operation and enter a standby state. If Vout is less than or equal to the desired value when the cycle is completed, the process proceeds to the charging phase of the next cycle. Even during the standby state, VO_CMP monitors Vout, and when the voltage value falls below the desired value, the state shifts from the standby state to the charging phase.

特開2008−206238号公報JP 2008-206238 A

携帯機器の駆動時間を長期化する手段の一つとして、充電電池の最低出力電圧を従来よりも下げることがある。これに伴い、携帯機器向けのDC−DCコンバータは従来よりも低い電源電圧で動作することが求められている。   One means for prolonging the driving time of a portable device is to lower the minimum output voltage of the rechargeable battery than before. Accordingly, DC-DC converters for portable devices are required to operate with a lower power supply voltage than before.

図4に示したようなコイルピーク電流制御型のPFMコンバータにおいて、ピーク電流制限値をILPKとすると、ILPK=(Vin−Vout)×Tchg÷Lと表される、ここで、Tchgは充電フェーズが開始してから終わるまでの充電期間である。この制御方式では、ILPKが一定となるように動作するので、電源電圧Vinが上がるとTchgが減り、Vinが下がるとTchgが増える関係であると分かる。伝送フェーズ期間TtranはILPKとVoutによって決まるので、電源電圧によらず一定である。   In the coil peak current control type PFM converter as shown in FIG. 4, when the peak current limit value is ILPK, it is expressed as ILPK = (Vin−Vout) × Tchg ÷ L, where Tchg has a charge phase. This is the charging period from the start to the end. This control method operates so that ILPK is constant. Therefore, it can be understood that Tchg decreases when the power supply voltage Vin increases, and Tchg increases when Vin decreases. Since the transmission phase period Ttran is determined by ILPK and Vout, it is constant regardless of the power supply voltage.

スイッチング動作1サイクルでVoutへ伝送される電荷量ΔQは∫ΔIL×dt=(Tchg+Ttran)×ILPK÷2であり、TchgがVinに依存して増減するので、ΔQも電源電圧Vinに依存する。   The amount of charge ΔQ transferred to Vout in one cycle of the switching operation is ∫ΔIL × dt = (Tchg + Ttran) × ILPK / 2, and Tchg increases or decreases depending on Vin, so ΔQ also depends on the power supply voltage Vin.

スイッチング動作1サイクルが完了すると、VoutへΔQが伝送された事に伴い、Voutはサイクル開始前より電圧値が上昇する。上昇の幅は、VoutとGND間に設けられているCoutの容量値とΔQから、ΔQ÷Coutなる関係で求められ、この電圧変動幅を出力リップル電圧Vrippleと呼ぶが、低電源電圧下の動作ではTchgとΔQが増加することに伴いVrippleが増加する。図6に示すように、DC−DCコンバータの出力電圧波形は三角波上のVrippleが重畳した波形となり、Vrippleが増加すると電力供給先の電子機器などにおいて特性劣化などの問題が生じる。   When one cycle of the switching operation is completed, the voltage value of Vout increases from before the start of the cycle as ΔQ is transmitted to Vout. The range of the rise is obtained from the capacitance value of Cout provided between Vout and GND and ΔQ in a relationship of ΔQ ÷ Cout. This voltage fluctuation range is called an output ripple voltage Vripple. Then, Vripple increases as Tchg and ΔQ increase. As shown in FIG. 6, the output voltage waveform of the DC-DC converter is a waveform in which Vripple on the triangular wave is superimposed, and when Vripple increases, problems such as characteristic deterioration occur in an electronic device to which power is supplied.

そこで、本発明の目的は、電源電圧が低い場合でも、Vrippleが増加しないDC−DCコンバータを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a DC-DC converter in which Vripple does not increase even when the power supply voltage is low.

本発明は、DC−DCコンバータであって、電源部に接続されたスイッチと、前記スイッチに、コイルを介して接続された出力部と、前記コイルから前記出力部へ伝送される電荷量を測定し、該測定結果に基づいて前記スイッチの動作タイミングを決定する制御部とを具えたことを特徴とする。   The present invention is a DC-DC converter, a switch connected to a power supply unit, an output unit connected to the switch via a coil, and an amount of charge transmitted from the coil to the output unit. And a control unit for determining the operation timing of the switch based on the measurement result.

前記制御部は、前記出力電圧が所望値であるかを判定するコンパレータと、前記コイルから前記出力部へ伝送される電荷量を検出する電荷検出部と、前記コイルに流れる電流量を検出する電流検出部と、前記電荷検出部および前記電流検出部からの出力結果に基づき、前記スイッチの動作を制御するスイッチング制御部とを含むことを特徴とする。   The control unit includes a comparator that determines whether the output voltage is a desired value, a charge detection unit that detects a charge amount transmitted from the coil to the output unit, and a current that detects a current amount flowing through the coil. And a switching control unit that controls the operation of the switch based on output results from the charge detection unit and the current detection unit.

前記電荷検出部は、前記充電期間中に前記コイルに流れる電流に比例する電荷を蓄える容量と、前記容量に蓄えられた電荷から生じる電圧が所定値であるかを判断する検出コンパレータとを含むことを特徴とする。   The charge detection unit includes a capacity for storing a charge proportional to a current flowing through the coil during the charging period, and a detection comparator for determining whether a voltage generated from the charge stored in the capacity is a predetermined value. It is characterized by.

前記電荷検出部は、充電期間中に前記コイルから前記出力部へ伝送された電荷量を検出して、充電期間終了のタイミングを決定する。   The charge detection unit detects the amount of charge transmitted from the coil to the output unit during the charging period, and determines the timing of the end of the charging period.

前記スイッチのスイッチング動作期間に対応した充電開始から充電終了までの1サイクル毎の前記電荷量の検出に基づいて、前記コイルから前記出力部へ伝送される電荷量を一定に制御する特徴とする。   The charge amount transmitted from the coil to the output unit is controlled to be constant based on detection of the charge amount for each cycle from the start of charge to the end of charge corresponding to the switching operation period of the switch.

前記スイッチは、PFM制御方式によって駆動制御されることを特徴とする。   The switch is driven and controlled by a PFM control method.

本発明は、充電期間中にコイルから出力部へ伝送された電荷量を検出して充電期間終了のタイミングを決定して、スイッチの駆動を制御するようにしたので、電源電圧の変動等に依らず、スイッチング動作の1サイクル毎に出力部に伝送される電荷量を一定値に制御することができ、これにより、電源電圧が低下したような場合においても、出力リップル電圧が増大せずに常に一定値に保持することができる。   According to the present invention, the amount of charge transmitted from the coil to the output unit during the charging period is detected to determine the timing of the end of the charging period and control the drive of the switch. In addition, the amount of charge transmitted to the output unit for each cycle of the switching operation can be controlled to a constant value, so that the output ripple voltage does not increase even when the power supply voltage is lowered. It can be held at a constant value.

本発明の一実施形態である、DC−DCコンバータの回路例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit example of the DC-DC converter which is one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態である、電荷検出部の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the electric charge detection part which is one Embodiment of this invention. 本発明の電荷検出回路を用いたPFM制御方式の動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation example of the PFM control system using the electric charge detection circuit of this invention. 従来のDC−DCコンバータの回路例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit example of the conventional DC-DC converter. 従来の電荷検出部の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the conventional charge detection part. 従来の電荷検出回路を用いたPFM制御方式の動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation example of the PFM control system using the conventional charge detection circuit.

本発明の一実施の形態を、図1〜図3に基づいて説明する。なお、前述した従来例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the same part as the prior art example mentioned above, the description is abbreviate | omitted and the same code | symbol is attached | subjected.

(構成)
図1は、本発明に係るDC−DCコンバータとして、PFM制御方式のDC−DCコンバータの構成例を示す。
(Constitution)
FIG. 1 shows a configuration example of a DC-DC converter of a PFM control system as a DC-DC converter according to the present invention.

DC−DCコンバータ1は、電源2(Vin)に接続されたスイッチ3と、このスイッチ3にコイル4(L)を介して接続された出力部5(Vout)と、コイル4から出力部5へ伝送される電荷量を測定し、該測定結果に基づいてスイッチ3の動作タイミングを決定する制御部10とから構成される。スイッチ3は、電源2のVinとGNDとの間で、2つのトランジスタ(P1,N1)が直列に接続されている。出力部5の出力端子には、抵抗6(Rload)と、容量7(Cout)とが並列接続されている。   The DC-DC converter 1 includes a switch 3 connected to a power source 2 (Vin), an output unit 5 (Vout) connected to the switch 3 via a coil 4 (L), and the coil 4 to the output unit 5. The control unit 10 is configured to measure the amount of transmitted charge and determine the operation timing of the switch 3 based on the measurement result. In the switch 3, two transistors (P1, N1) are connected in series between Vin of the power supply 2 and GND. A resistor 6 (Rload) and a capacitor 7 (Cout) are connected in parallel to the output terminal of the output unit 5.

制御部10は、出力電圧Voutが所望値であるかを判定するコンパレータ11と、充電フェーズ中にコイル4(L)から出力部5(Vout)へ伝送される電荷量を検出する電荷検出部12と、伝送フェーズ中にコイル4(L)に流れる電流量を検出する電流検出部としての零電流検出部13と、電荷検出部12および零電流検出部13からの出力結果に基づき、スイッチ3の動作を制御するスイッチング制御部14とから構成されている。   The control unit 10 includes a comparator 11 that determines whether the output voltage Vout is a desired value, and a charge detection unit 12 that detects the amount of charge transferred from the coil 4 (L) to the output unit 5 (Vout) during the charging phase. And the zero current detector 13 as a current detector for detecting the amount of current flowing through the coil 4 (L) during the transmission phase, and the output of the switch 3 based on the output results from the charge detector 12 and the zero current detector 13. It is comprised from the switching control part 14 which controls operation | movement.

コンパレータ11は、Voutが所望値であるかを判定する。電荷検出部12は、充電フェーズ中にコイルLが伝送した電荷量を検出して充電フェーズ終了のタイミングを決定することができる。零電流検出部13は、伝送フェーズ中にコイルLに流れる電流が0になったことを検出することができる。   The comparator 11 determines whether Vout is a desired value. The charge detector 12 can detect the amount of charge transmitted by the coil L during the charging phase and determine the timing of the end of the charging phase. The zero current detector 13 can detect that the current flowing through the coil L has become zero during the transmission phase.

<電荷検出部>
図2は、電荷検出部12の構成例を示す。
<Charge detection unit>
FIG. 2 shows a configuration example of the charge detection unit 12.

電荷検出部12は、3つのトランジスタ21,22,23(P2,N2, N3)と、電荷センスアンプ24(Qsence_AMP)と、容量25(Csence)と、検出コンパレータ26(Qsence_CMP)とから構成される。   The charge detection unit 12 includes three transistors 21, 22, 23 (P2, N2, N3), a charge sense amplifier 24 (Qsense_AMP), a capacitor 25 (Csense), and a detection comparator 26 (Qsense_CMP). .

トランジスタP2は、スイッチ3のトランジスタP1に、ソース端子電位とゲート端子電位とが共通となるように接続されている。   The transistor P2 is connected to the transistor P1 of the switch 3 so that the source terminal potential and the gate terminal potential are common.

電荷センスアンプ24には、トランジスタP1のドレイン端子電位とトランジスタP2のドレイン端子電位とが入力されており、両者の電位が同一となるようにQsence_AMP出力によりトランジスタN2のゲート端子が駆動される。よって、Qsence_AMPの作用により、トランジスタP1とトランジスタP2とは、ソース、ゲート、ドレインの端子電位が同一であるので、ミラー回路構成となる。   The charge sense amplifier 24 receives the drain terminal potential of the transistor P1 and the drain terminal potential of the transistor P2, and the gate terminal of the transistor N2 is driven by the Qsense_AMP output so that both potentials are the same. Therefore, due to the action of Qsense_AMP, the transistor P1 and the transistor P2 have a mirror circuit configuration because the terminal potentials of the source, gate, and drain are the same.

トランジスタP1とトランジスタP2のトランジスタサイズは、N:1(N>>1)となるように決定されている。トランジスタP2のドレイン電流は、トランジスタP1のドレイン電流の1/Nに等しい。トランジスタP1のドレイン電流は、DC−DCコンバータ1の充電フェーズ中にコイルLに流れる電流ILと等しいので、充電フェーズ中にトランジスタP2に流れる電流は、ILの1/Nに等しい。   The transistor sizes of the transistors P1 and P2 are determined to be N: 1 (N >> 1). The drain current of transistor P2 is equal to 1 / N of the drain current of transistor P1. Since the drain current of the transistor P1 is equal to the current IL flowing through the coil L during the charging phase of the DC-DC converter 1, the current flowing through the transistor P2 during the charging phase is equal to 1 / N of IL.

充電フェーズ中のトランジスタP2のドレイン電流は、Csenceに蓄えられる。Csenceにおいて、トランジスタP2のドレイン電流により蓄えられた電荷から生じる電圧Vsenceは、検出コンパレータ26(Qsence_CMP)に入力され、基準検圧VPKと比較される。Vsence電圧がVPK電圧より高くなると、Qsence_CMPより信号Det_Qpeakが与えられる。Csenceの電荷は、各充電フェーズの開始前ごとにN3により放電される。   The drain current of transistor P2 during the charging phase is stored in Csense. In Csense, the voltage Vsense generated from the charge stored by the drain current of the transistor P2 is input to the detection comparator 26 (Qsense_CMP) and compared with the reference detection pressure VPK. When the Vsense voltage becomes higher than the VPK voltage, a signal Det_Qpeak is given from Qsense_CMP. The charge of Csense is discharged by N3 before each charge phase starts.

(動作)
図3を用いて、回路動作について説明する。
(Operation)
The circuit operation will be described with reference to FIG.

図1に示すPFM制御方式の回路に示すように、従来の電流検出部102に換え、本発明の電荷検出部12を適用し、充電フェーズ終了のタイミングがDet_Ipeakにより決定される場合の動作について説明する。   As shown in the circuit of the PFM control system shown in FIG. 1, the operation when the charge detection unit 12 of the present invention is applied in place of the conventional current detection unit 102 and the charge phase end timing is determined by Det_Ipeak will be described. To do.

PFM制御方式の目的は、コイルに蓄えられる電流を制御し、負荷変動などの外部擾乱に関わらず、Voutの電圧値を一定範囲内に収めることである。コイル4に蓄えられる電流は、スイッチ3のトランジスタP1,N1を相補的にオン/オフさせるスイッチング動作を行い、それぞれのトランジスタがオンしている時間の長さを制御することで行われる。   The purpose of the PFM control method is to control the current stored in the coil and keep the voltage value of Vout within a certain range regardless of external disturbance such as load fluctuation. The current stored in the coil 4 is performed by performing a switching operation for turning on / off the transistors P1 and N1 of the switch 3 in a complementary manner and controlling the length of time each transistor is on.

これらスイッチ3の制御は、Voutを監視しているVO_CMPから与えられる信号と、スイッチ3のトランジスタN1がオンしている放電フェーズ中にトランジスタN1に流れる電流を観測し、コイル4に流れる電流が零になったことを監視する零電流検出部13から与えられる信号Det_Izeroと、スイッチ3のトランジスタP1がオンしている充電フェーズ中にトランジスタP1に流れる電荷を観測し、Voutへ伝送された電荷が所望値に至ったことを監視する電荷検出部12から与えられる信号Det_Qpeakとにより行われる。   These switches 3 are controlled by observing the signal supplied from VO_CMP which monitors Vout and the current flowing through the transistor N1 during the discharge phase in which the transistor N1 of the switch 3 is on, and the current flowing through the coil 4 is zero. The signal Det_Izero supplied from the zero current detection unit 13 that monitors the occurrence of the charge and the charge flowing through the transistor P1 during the charge phase when the transistor P1 of the switch 3 is on are observed, and the charge transferred to Vout is desired This is performed by a signal Det_Qpeak supplied from the charge detection unit 12 that monitors that the value has been reached.

出力電圧Voutが下限制限値より高い場合には、出力電圧Voutの電圧値は所望範囲内にあるとして、VO_CMPからスイッチング制御部14へはスイッチング動作を停止させる信号が与えられ、トランジスタP1・N1は共にオフ状態で保たれる。   When the output voltage Vout is higher than the lower limit value, the voltage value of the output voltage Vout is within the desired range, and a signal for stopping the switching operation is given from the VO_CMP to the switching control unit 14, and the transistors P1 and N1 Both are kept off.

負荷電流などで出力電圧Voutが減少して下限制限値を下回ると、スイッチング動作を開始させる信号がVO_CMPから制御部へ与えられる。スイッチング動作はコイル4に電流を蓄えるために充電フェーズから開始される。   When the output voltage Vout decreases due to a load current or the like and falls below the lower limit value, a signal for starting the switching operation is given from VO_CMP to the control unit. The switching operation starts from the charging phase in order to store current in the coil 4.

充電フェーズが開始されると、電荷検出部12はVinからVoutへ与えられる電荷量の監視を初め、伝送された総電荷量が所望値に至ると、充電フェーズを終了させて伝送フェーズへ移行させる信号Det_Qpeakを制御部へ与える。これを受けて、スイッチング制御部14は、スイッチ3のトランジスタP1,N1のオン/オフ状態を変更して、充電フェーズから伝送フェーズへ移行される。   When the charge phase is started, the charge detection unit 12 starts monitoring the amount of charge given from Vin to Vout. When the total amount of transmitted charge reaches a desired value, the charge phase is terminated and the process proceeds to the transmission phase. Signal Det_Qpeak is supplied to the control unit. In response to this, the switching control unit 14 changes the on / off state of the transistors P1 and N1 of the switch 3 and shifts from the charging phase to the transmission phase.

伝送フェーズが開始されると、零電流検出部13はスイッチ3のトランジスタN1に流れる電流の監視を始める。このとき、コイル4に流れている電流ILとトランジスタN1に流れている電流とは等しい。トランジスタN1に流れている電流が零になったことが検出されると、Det_Izeroをスイッチング制御部14へ与えて伝送フェーズを終了させる。   When the transmission phase is started, the zero current detector 13 starts monitoring the current flowing through the transistor N1 of the switch 3. At this time, the current IL flowing through the coil 4 is equal to the current flowing through the transistor N1. When it is detected that the current flowing through the transistor N1 has become zero, Det_Izero is given to the switching control unit 14 to end the transmission phase.

伝送フェーズ終了時にVout電圧値が所望値に至っていない場合は、引き続き充電フェーズが開始され、所望値以上の電圧値である場合は、VO_CMPから与えられる信号により、スイッチング動作が停止させられる。   If the Vout voltage value does not reach the desired value at the end of the transmission phase, the charging phase is continuously started. If the voltage value is equal to or higher than the desired value, the switching operation is stopped by a signal supplied from VO_CMP.

次に、充電フェーズ中の電荷検出部12の動作について説明する。   Next, the operation of the charge detection unit 12 during the charging phase will be described.

充電フェーズ中は、トランジスタP2のドレイン電位とP1のドレイン電位とが等しくなるようにQsence_AMPがトランジスタN2のゲートを駆動制御しているので、トランジスタP1とトランジスタP2はミラー回路構成となる。トランジスタP1とトランジスタP2のトランジスタサイズ比をN:1とすると、トランジスタP2のドレイン電流はトランジスタP1のドレイン電流の1/Nに等しく、トランジスタP1のドレイン電流はコイルLに流れる電流ILに等しいので、トランジスタP2のドレイン電流はILの1/Nに等しい。   During the charging phase, Qsense_AMP drives and controls the gate of the transistor N2 so that the drain potential of the transistor P2 and the drain potential of P1 are equal, so that the transistor P1 and the transistor P2 have a mirror circuit configuration. If the transistor size ratio of the transistor P1 and the transistor P2 is N: 1, the drain current of the transistor P2 is equal to 1 / N of the drain current of the transistor P1, and the drain current of the transistor P1 is equal to the current IL flowing through the coil L. The drain current of transistor P2 is equal to 1 / N of IL.

トランジスタP2のドレイン電流はCsenceに蓄えられて電圧Vsenceを生じさせる。トランジスタP2のドレイン電流とトランジスタP1のドレイン電流とは相似であるので、トランジスタP1、コイルLを介して、VinからCoutへ与えられる電荷量Qoutと、トランジスタP2を介してVinからCsenceへ与えられる電荷量Qsenceとは相似であり、トランジスタP1,P2のドレイン電流比がN:1であることから、Qout:Qsence=N:1という関係が成り立つ。   The drain current of transistor P2 is stored in Csense, generating a voltage Vsense. Since the drain current of the transistor P2 and the drain current of the transistor P1 are similar, the charge amount Qout supplied from Vin to Cout through the transistor P1 and the coil L and the charge supplied from Vin to Csense through the transistor P2. Since the quantity Qsense is similar and the drain current ratio of the transistors P1 and P2 is N: 1, the relationship Qout: Qsense = N: 1 holds.

Q=C×Vから、Vsenceの値は充電フェーズ中のΔVout=Vrippleと相似であり、Vsence=(1/N)×Vrippleである。   From Q = C × V, the value of Vsense is similar to ΔVout = Vripple during the charging phase, and Vsense = (1 / N) × Vripple.

よって、Vsence/Vripple=1/Nから、Vsenceを監視して充電フェーズの終了タイミングを決定することで、Vsence出力リップル電圧Vrippleを一定値に制御することができる。   Therefore, from Vsense / Vripple = 1 / N, the Vsense output ripple voltage Vripple can be controlled to a constant value by monitoring Vsense and determining the end timing of the charging phase.

電源電圧Vinが変化して、単位時間当たりのコイル電流変化量(Vin−Vout)÷Lが増減することにより、単位時間当たりにCoutへ与えられる電荷量が増減した場合においても、Csenceへ与えられる電荷量も全く同様の傾向をもって増減するので、VsenceとVrippleの比は変わらない。よって、電源電圧Vinに関わらず、Coutへ与えられる電荷量を検出できるので、Vrippleを一定値に制御できる。   Even when the amount of charge given to Cout per unit time increases or decreases due to the change in power supply voltage Vin and the change in coil current per unit time (Vin−Vout) ÷ L increases or decreases, it is given to Csense. Since the amount of charge increases and decreases with the same tendency, the ratio of Vsense to Vripple does not change. Therefore, since the amount of charge given to Cout can be detected regardless of the power supply voltage Vin, Vripple can be controlled to a constant value.

以上説明したように、充電期間中にコイル4から出力部5へ伝送された電荷量を検出して充電期間終了のタイミングを決定して、スイッチ3の駆動を制御するようにしたので、電源電圧Vinの変動等に依らず、スイッチング動作の1サイクル毎に出力部5に伝送される電荷量を一定値に制御することができ、これにより、電源電圧Vinが低下したような場合においても、出力リップル電圧が増大せずに常に一定値に保持することができる。   As described above, since the charge amount transmitted from the coil 4 to the output unit 5 during the charging period is detected to determine the timing of the end of the charging period, the drive of the switch 3 is controlled. Regardless of fluctuations in Vin or the like, the amount of charge transferred to the output unit 5 can be controlled to a constant value for each cycle of the switching operation, so that even when the power supply voltage Vin is lowered, the output is possible. The ripple voltage does not increase and can always be held at a constant value.

1 DC−DCコンバータ
2 電源2(Vin)
3 スイッチ(トランジスタ、P1,N1)
4 コイル(L)
5 出力部(Vout)
6 抵抗(Rload)
7 容量(Cout)
10 制御部
11 コンパレータ
12 電荷検出部
13 零電流検出部
14 スイッチング制御部
21,22,23 トランジスタ(P2,N2, N3)
24 電荷センスアンプ(Qsence_AMP)
25 容量(Csence)
26 検出コンパレータ(Qsence_CMP)
100 DC−DCコンバータ
101 コンパレータ
102 ピーク電流検出部
103 零電流検出部
104 スイッチング制御部
105 コイル
1 DC-DC converter 2 Power supply 2 (Vin)
3 switch (transistor, P1, N1)
4 Coil (L)
5 Output section (Vout)
6 Resistance (Rload)
7 Capacity (Cout)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Control part 11 Comparator 12 Charge detection part 13 Zero current detection part 14 Switching control part 21, 22, 23 Transistor (P2, N2, N3)
24 charge sense amplifier (Qsense_AMP)
25 Capacity (Csense)
26 Detection comparator (Qsense_CMP)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 DC-DC converter 101 Comparator 102 Peak current detection part 103 Zero current detection part 104 Switching control part 105 Coil

Claims (6)

DC−DCコンバータであって、
電源部に接続されたスイッチと、
前記スイッチに、コイルを介して接続された出力部と、
前記コイルから前記出力部へ伝送される電荷量を測定し、該測定結果に基づいて前記スイッチの動作タイミングを決定する制御部と
を具えたことを特徴とするDC−DCコンバータ。
A DC-DC converter,
A switch connected to the power supply,
An output connected to the switch via a coil;
A DC-DC converter comprising: a control unit that measures an amount of charge transmitted from the coil to the output unit and determines an operation timing of the switch based on the measurement result.
前記制御部は、
前記出力電圧が所望値であるかを判定するコンパレータと、
前記コイルから前記出力部へ伝送される電荷量を検出する電荷検出部と、
前記コイルに流れる電流量を検出する電流検出部と、
前記電荷検出部および前記電流検出部からの出力結果に基づき、前記スイッチの動作を制御するスイッチング制御部と、
を含むことを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。
The controller is
A comparator for determining whether the output voltage is a desired value;
A charge detector for detecting the amount of charge transmitted from the coil to the output unit;
A current detector for detecting the amount of current flowing through the coil;
A switching control unit for controlling the operation of the switch based on output results from the charge detection unit and the current detection unit;
The DC-DC converter according to claim 1, comprising:
前記電荷検出部は、
前記充電期間中に前記コイルに流れる電流に比例する電荷を蓄える容量と、
前記容量に蓄えられた電荷から生じる電圧が所定値であるかを判断する検出コンパレータと
を含むことを特徴とする請求項2記載のDC−DCコンバータ。
The charge detector is
A capacity for storing a charge proportional to the current flowing through the coil during the charging period;
The DC-DC converter according to claim 2, further comprising a detection comparator that determines whether a voltage generated from the electric charge stored in the capacitor is a predetermined value.
前記電荷検出部は、充電期間中に前記コイルから前記出力部へ伝送された電荷量を検出して、充電期間終了のタイミングを決定する請求項2又は3記載のDC−DCコンバータ。   4. The DC-DC converter according to claim 2, wherein the charge detection unit detects a charge amount transmitted from the coil to the output unit during a charging period, and determines a timing for ending the charging period. 前記スイッチのスイッチング動作期間に対応した充電開始から充電終了までの1サイクル毎の前記電荷量の検出に基づいて、前記コイルから前記出力部へ伝送される電荷量を一定に制御する特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のDC−DCコンバータ。   The charge amount transmitted from the coil to the output unit is controlled to be constant based on detection of the charge amount for each cycle from charging start to charging end corresponding to a switching operation period of the switch. Item 5. The DC-DC converter according to any one of Items 1 to 4. 前記スイッチは、PFM制御方式によって駆動制御されることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載のDC−DCコンバータ。   The DC-DC converter according to claim 1, wherein the switch is driven and controlled by a PFM control method.
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