JP2015089167A - 昇降圧dc/dcコンバータおよびその制御回路、制御方法、それを用いた電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
抵抗R1、R2は、出力電圧VOUTを分圧し、フィードバック電圧VFBを生成する。モードセレクタ250は、負荷電流IOUTの量に応じて、軽負荷モードと重負荷モードを切りかえる。またモードセレクタ250は、入力電圧VINと目標電圧VOUT_REFの大小関係に応じて、昇圧モードと降圧モードを切りかえる。
PWMコントローラ220は、重負荷モードにおいてアクティブとなり、フィードバック電圧VFBが基準電圧VREFに近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号SPWMを生成する。
プリドライバ230は、重負荷降圧モードにおいて、スイッチM4をオン、スイッチM3をオフに固定した状態で、パルス信号SPWMにもとづいてスイッチM1およびM2を相補的にスイッチングする。
プリドライバ230は重負荷昇圧モードにおいて、スイッチM1をオン、スイッチM2をオフに固定した状態で、パルス信号SPWMにもとづいてスイッチM3およびM4を相補的にスイッチングする。
図2(b)は、図1のDC/DCコンバータ100rの重負荷昇圧モードの動作波形図である。重負荷昇圧モードでは、スイッチM1が固定的にオンするため、インダクタL1の一端LX1には、入力電圧VINが印加される。またインダクタL1の他端LX2には、パルス信号SPWMに応じたスイッチング電圧VLX2が印加される。具体的にはパルス信号SPWMがハイレベルのとき、スイッチM3がオン、スイッチM4がオフし、VLX2=VGNDとなり、パルス信号SPWMがローレベルのとき、スイッチM3がオフ、スイッチM4がオンし、VLX2=VOUTとなる。
PFMコントローラ210は、軽負荷モードにおいてアクティブとなる。
軽負荷降圧モードでは、スイッチM3がオフ、スイッチM4がオンに固定された状態にて、(i)スイッチM1がオン、スイッチM2がオフの第1状態φ1、(ii)スイッチM1がオフ、スイッチM2がオンの第2状態φ2、(iii)スイッチM1、M2がともにオフする第3状態(ハイインピーダンス状態)φ3、を順に繰り返す。
また軽負荷昇圧モードでは、スイッチM1がオン、スイッチM2がオフに固定された状態にて、(i)スイッチM3がオン、スイッチM4がオフの第1状態φ1、(ii)スイッチM3がオフ、スイッチM4がオンの第2状態φ2、(iii)スイッチM3、M4がともにオフする第3状態φ3、を順に繰り返す。
ピーク電流検出回路は、第1状態が所定時間経過すると、ピーク電流検出信号をアサートするよう構成されてもよい。
これにより、昇降圧モードの効率を改善することができる。
ピーク電流検出回路は、第1状態が所定時間経過すると、ピーク電流検出信号をアサートするよう構成されてもよい。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
IN端子は入力ライン104と接続され、入力電圧VINが供給される。LX1端子は、インダクタL1の一端と接続され、LX2端子は、インダクタL1の他端と接続される。OUT端子は出力ライン106と接続される。出力ライン106には、出力キャパシタC1が接続される。GND端子は接地ライン108を介して接地される。
本実施の形態に係るDC/DCコンバータ100は、軽負荷状態において、以下の3つのモードのいずれかで動作する。
・軽負荷降圧モード
・軽負荷昇圧モード
・軽負荷昇降圧モード
(c−1)第1状態φ
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オン
第4スイッチM4=オフ
(c−2)第2状態φ2
第1スイッチM1=オフ
第2スイッチM2=オン
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
(c−3)第3状態φ3
第1スイッチM1=オフ
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オフ
本実施の形態に係るDC/DCコンバータ100は、重負荷状態において、以下の3つのモードのいずれかで動作する。
・重負荷降圧モード
・重負荷昇圧モード
・重負荷昇降圧モード
(f−1) 第5状態φ5
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
(f−2) 第6状態φ6
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オン
第4スイッチM4=オフ
(f−3) 第7状態φ7
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
(f−4) 第8状態φ8
第1スイッチM1=オフ
第2スイッチM2=オン
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
図6(a)、(b)は、図5のDC/DCコンバータ100の軽負荷昇降圧モードおよび重負荷昇降圧モードの動作波形図である。
φ1: SCNT1=H,SCNT2=L
φ2: SCNT1=L,SCNT2=L
φ3: SCNT1=L,SCNT2=H
第1の実施の形態に係るDC/DCコンバータ100によれば、VIN≒VOUTの状態で、軽負荷昇降圧モードで動作させることにより、出力電圧VOUTのリップルを低減することができるが、その反面、効率が低下するという問題が生ずる。第2の実施の形態では、リップルを低減しつつ、効率を改善可能なDC/DCコンバータ100について説明する。
(c−4)第4状態φ4
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
φ1: SCNT1=H,SCNT2=L,SCNT3=H
φ4: SCNT1=L,SCNT2=L,SCNT3=H
φ2: SCNT1=L,SCNT2=L,SCNT3=L
φ3: SCNT1=L,SCNT2=H,SCNT3=L
実施の形態では、ピーク電流検出回路240は、第1スイッチM1に流れる電流ILが所定のピーク電流IPEAKに達すると、ピーク電流検出信号S2をアサートする場合を説明したが、ピーク電流検出回路240の機能はこれには限定されない。たとえばピーク電流検出回路240は、第1状態φ1が所定時間経過すると、ピーク電流検出信号S2をアサートするよう構成されてもよい。この場合のピーク電流検出回路240は、アナログあるいはデジタルのタイマー回路あるいは遅延回路で構成でき、公知の技術を用いればよい。
第2の実施の形態において、オン信号S1がネゲートされたことを契機として、第4状態φ4から第2状態φ2に遷移する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば第4状態φ4の長さを、所定の時間に固定してもよい。
DC/DCコンバータ100の負荷は、マイクロプロセッサの他、液晶ドライバ、別の電源回路、その他アナログ回路、デジタル回路であってもよい。またDC/DCコンバータ100は、電池を充電する充電回路に利用することもできる。
第1スイッチM1〜第4スイッチM4は、ディスクリート素子であってもよく、制御回路200に外付けされてもよい。
実施の形態で説明した、各信号のアサート、ネゲートと、ハイレベル、ローレベルの対応関係は一例であり、当業者であれば任意の組み合わせで設計することができる。
Claims (21)
- 昇降圧DC/DCコンバータの制御回路であって、
前記昇降圧DC/DCコンバータは、
インダクタと、
入力電圧が供給される入力ラインと、
負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、
前記インダクタの一端と前記入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、
前記インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、
前記出力ラインと接続される出力キャパシタと、を含み、
前記制御回路は、
軽負荷状態において、前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を指示する第1コントローラと、
前記軽負荷状態において、前記第1コントローラからの指示にもとづいて前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を制御するプリドライバと、
を備え、
前記第1コントローラは、(a)降圧モード、(b)昇圧モード、(c)昇降圧モードが切りかえ可能であり、かつ前記昇降圧モードにおいて、
(c−1)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオン、前記第4スイッチがオフとなる第1状態、
(c−2)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオン、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第2状態、
(c−3)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオフとなる第3状態、
を順に繰り返すよう構成されることを特徴とする制御回路。 - 前記第1コントローラは、前記入力電圧が前記出力電圧の目標レベルより高く設定された第1しきい値より高いとき前記降圧モードに、前記入力電圧が前記出力電圧の目標レベルより低く設定された第2しきい値より低いとき、前記昇圧モードで、前記入力電圧が前記第2しきい値より高く前記第1しきい値より低いとき、前記昇降圧モードとなることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。
- 前記第1コントローラは、
前記第3状態において前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するコンパレータと、
前記第1状態において、前記インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するピーク電流検出回路と、
前記第2状態において前記コイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するゼロ電流検出回路と、
前記第1状態において前記ピーク電流検出信号がアサートされると前記第2状態に遷移し、前記第2状態において前記ゼロ電流検出信号がアサートされると前記第3状態に遷移し、前記第3状態において前記オン信号がアサートされると前記第1状態に遷移するロジック部と、
を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の制御回路。 - 前記ロジック部は、
前記オン信号がアサートされると第1レベルとなり、前記ピーク電流検出信号がアサートされると第2レベルとなる第1制御信号を生成する第1フリップフロップと、
前記ゼロ電流検出信号がアサートされると第1レベルとなり、前記第1制御信号がアサートされると第2レベルとなる第2制御信号を生成する第2フリップフロップと、
を含むことを特徴とする請求項3に記載の制御回路。 - 前記ピーク電流検出回路は、前記コイル電流を前記ピーク電流と比較し、比較結果にもとづいて前記ピーク電流検出信号をアサートするよう構成されることを特徴とする請求項3または4に記載の制御回路。
- 前記ピーク電流検出回路は、前記第1状態が所定時間経過すると、前記ピーク電流検出信号をアサートするよう構成されることを特徴とする請求項3または4に記載の制御回路。
- 前記第1コントローラは、前記昇降圧モードにおいて、(c−4)前記第1状態と前記第2状態の間に、前記インダクタの前記一端と前記他端に実質的に同電位を印加する第4状態を挿入することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の制御回路。
- 前記第1コントローラは、前記昇降圧モードにおいて、(c−4)前記第1状態と前記第2状態の間に、前記第1スイッチはオン、前記第2スイッチはオフ、前記第3スイッチはオフ、前記第4スイッチはオンとなる第4状態を挿入することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の制御回路。
- 前記第1コントローラは、
前記第3状態において前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するコンパレータと、
前記第1状態において、前記インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するピーク電流検出回路と、
前記第2状態において前記コイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するゼロ電流検出回路と、
前記第1状態において前記ピーク電流検出信号がアサートされると前記第4状態に遷移し、前記第4状態において前記オン信号がネゲートされると前記第2状態に遷移し、前記第2状態において前記ゼロ電流検出信号がアサートされると前記第3状態に遷移し、前記第3状態において前記オン信号がアサートされると前記第1状態に遷移するロジック部と、
を含むことを特徴とする請求項7または8に記載の制御回路。 - 前記ロジック部は、
前記オン信号がアサートされると第1レベルとなり、前記ピーク電流検出信号がアサートされると第2レベルとなる第1制御信号を生成する第1フリップフロップと、
前記ゼロ電流検出信号がアサートされると第1レベルとなり、前記第1制御信号がアサートされると第2レベルとなる第2制御信号を生成する第2フリップフロップと、
前記第1制御信号が前記第1レベルであり、または前記オン信号がアサートされるとき第1レベルとなり、それ以外のときに第2レベルとなる第3制御信号を生成する論理ゲートと、
を含むことを特徴とする請求項9に記載の制御回路。 - 前記ピーク電流検出回路は、前記コイル電流を前記ピーク電流と比較し、比較結果にもとづいて前記ピーク電流検出信号をアサートするよう構成されることを特徴とする請求項9または10に記載の制御回路。
- 前記ピーク電流検出回路は、前記第1状態が所定時間経過すると、前記ピーク電流検出信号をアサートするよう構成されることを特徴とする請求項9または10に記載の制御回路。
- 重負荷状態において、前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を指示する第2コントローラをさらに備え、
前記プリドライバは、前記重負荷状態において、前記第2コントローラからの指示にもとづいて前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を制御するよう構成されることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の制御回路。 - 前記第2コントローラは、(d)降圧モード、(e)昇圧モード、(f)昇降圧モードが切りかえ可能であり、かつ前記昇降圧モードにおいて、
(f−1)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第5状態、
(f−2)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオン、前記第4スイッチがオフとなる第6状態、
(f−3)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第7状態、
(f−4)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオン、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第8状態、
を順に繰り返すよう構成されることを特徴とする請求項13に記載の制御回路。 - ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の制御回路。
- 昇降圧DC/DCコンバータであって、
インダクタと、
入力電圧が供給される入力ラインと、
負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、
前記インダクタの一端と前記入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、
前記インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、
前記出力ラインと接続される出力キャパシタと、
前記第1スイッチから前記第4スイッチを制御する請求項1から15のいずれかに記載の制御回路と、
を備えることを特徴とする昇降圧DC/DCコンバータ。 - 電池と、
その入力ラインに前記電池の電圧を受ける請求項16に記載の昇降圧DC/DCコンバータと、
を備えることを特徴とする電子機器。 - 昇降圧DC/DCコンバータの制御方法であって、
前記昇降圧DC/DCコンバータは、
インダクタと、
入力電圧が供給される入力ラインと、
負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、
前記インダクタの一端と前記入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、
前記インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、
前記出力ラインと接続される出力キャパシタと、を含み、
前記制御方法は、順に繰り返し実行される、
(c−1)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオン、前記第4スイッチがオフとなる第1ステップと、
(c−2)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオン、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第2ステップと、
(c−3)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオフとなる第3ステップと、
を備えることを特徴とする制御方法。 - 前記制御方法は、
前記第3ステップにおいて前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するステップと、
前記第1ステップにおいて、前記インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するステップと、
前記第2ステップにおいて前記コイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するステップと、
をさらに備え、
前記第1ステップにおいて前記ピーク電流検出信号がアサートされると前記第2ステップに遷移するステップと、
前記第2ステップにおいて前記ゼロ電流検出信号がアサートされると前記第3ステップに遷移するステップと、
前記第3ステップにおいて前記オン信号がアサートされると前記第1ステップに遷移するステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項18に記載の制御方法。 - 前記制御方法は、
前記第1ステップと前記第2ステップの間に挿入される、前記インダクタの前記一端と前記他端に実質的に同電位を印加する第4ステップをさらに備えることを特徴とする請求項18に記載の制御方法。 - 前記制御方法は、
前記第3ステップにおいて前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するステップと、
前記第1ステップにおいて、前記インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するステップと、
前記第2ステップにおいて前記コイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するステップと、
前記第1ステップにおいて前記ピーク電流検出信号がアサートされると前記第4ステップに遷移するステップと、
前記第4ステップにおいて前記オン信号がネゲートされると前記第2ステップに遷移するステップと、
前記第2ステップにおいて前記ゼロ電流検出信号がアサートされると前記第3ステップに遷移するステップと、
前記第3ステップにおいて前記オン信号がアサートされると前記第1ステップに遷移するステップと、
をさらに備えることを特徴とする請求項20に記載の制御方法。
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