JP2015216712A - Dc/dcコンバータおよびその制御回路、制御方法、ならびに電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
時刻t1においてパルス信号S1がハイレベルに遷移する。このときしきい値電圧VTHは上側レベルVHに遷移する。
時刻t1においてパルス信号S1がハイレベルに遷移する。このときしきい値電圧VTHは上側レベルVHに遷移する。
これにより、軽負荷状態における、連続電流モードと不連続電流モードの切りかえを連続的に行うことができる。
これにより、重負荷状態における比較パルスの周波数(周期)を安定化することができる。
また、リップル注入回路は、反転電流検出信号がアサートされるとオフとなるスイッチを含んでもよい。
これにより、ロードレギュレーションやラインレギュレーションを改善できる。
これにより、ロードレギュレーションやラインレギュレーションを改善できる。
「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。回路を1つのIC(Integrated Circuit)として集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
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、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
第1に、このDC/DCコンバータ1においては、重負荷時と軽負荷時における制御方式が共通であるため、従来においてPWMモードとPFMモードを切りかえる場合に問題となった出力電圧VOUTの平均レベルの不一致は生じない。このため、負荷変動に際して、オーバーシュートやアンダーシュートが発生するのを防止できる。
続いて、DC/DCコンバータ1の用途を説明する。図8は、実施の形態に係るDC/DCコンバータ1を用いた電子機器700の一例を示す図である。電子機器700は、たとえば、携帯電話端末、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、タブレット端末、ポータブルオーディオプレイヤなどの電池駆動型デバイスである。電子機器700は、筐体702、電池704、マイクロプロセッサ706およびDC/DCコンバータ1を備える。DC/DCコンバータ1は、その入力ライン202に電池704からの電池電圧VBAT(=VIN)を受け、出力ライン103に接続されるマイクロプロセッサ706に、出力電圧VOUTを供給する。
図9は、第1の変形例に係るDC/DCコンバータ1aの回路図である。以下、図4のDC/DCコンバータ1との相違点を説明する。
実施の形態では、リップル注入型の制御回路10を説明したが、本発明はそれには限定されない。出力キャパシタC1のESRがある程度大きい場合、リップル注入回路120を省略してもよい。
図4の制御回路10において、誤差増幅器130を省略し、基準電圧VREFを所定の電圧に固定してもよい。
実施の形態では、ヒステリシスコンパレータを利用したボトム検出ヒステリシス制御のコントローラを説明したが、本発明はそれには限定されない。図11は、第4の変形例に係る降圧DC/DCコンバータ1bの回路図である。制御回路10bは、いわゆるボトム検出オン時間固定型のヒステリシス制御のコントローラであり、パルス変調器101bは、図4のヒステリシスコンパレータ102に代えて、ボトム検出コンパレータ160、フリップフロップ162、オン時間設定回路164を含む。その他は図4の制御回路10と同様である。
実施の形態では、同期整流型のDC/DCコンバータを説明したが、同期整流トランジスタM2をダイオードに置換したダイオード整流型にも本発明は適用可能である。この場合、DCMモードとCCMモードの切りかえは省略される。
実施の形態では、降圧型DC/DCコンバータを説明したが、DC/DCコンバータの形式は特に限定されない。本発明は、インダクタを用いた昇圧型、昇降圧型のDC/DCコンバータや、トランスを用いたフォワードコンバータ、フライバックコンバータにも適用可能であり、出力回路20のトポロジーにはさまざまな変形例が存在しうる。
Claims (25)
- DC/DCコンバータの制御回路であって、
前記DC/DCコンバータの出力電圧に応じたフィードバック電圧が下側しきい値電圧まで低下するとオンレベルに遷移し、その後、オフレベルに遷移する比較パルスを生成するパルス変調器と、
前記DC/DCコンバータのコイルに流れるコイル電流が所定の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器と、
(i)前記比較パルスが前記オンレベルに遷移すると、オンレベルに遷移し、(ii)前記比較パルスが前記オフレベルに遷移する時刻と、前記ピーク電流検出信号がアサートされる時刻の遅い方においてオフレベルに遷移する、制御パルスを生成するロジック部と、
前記制御パルスにもとづいて前記DC/DCコンバータのスイッチングトランジスタをスイッチングするドライバと、
を備えることを特徴とする制御回路。 - 前記DC/DCコンバータは、前記スイッチングトランジスタに加えて、同期整流トランジスタを有する同期整流型であり、
前記制御回路は、前記コイルに流れるコイル電流の反転を検出するとアサートされる反転電流検出信号を生成する反転電流検出器をさらに備え、
前記ロジック部は、前記反転電流検出信号がアサートされると、前記スイッチングトランジスタおよび前記同期整流トランジスタを両方オフすることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。 - 前記パルス変調器は、その第1入力端子に前記フィードバック電圧を受け、その第2入力端子に基準電圧を受け、前記フィードバック電圧が前記基準電圧に応じた上側しきい値電圧に達するとオフレベルに遷移し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧に応じた前記下側しきい値電圧に達するとオンレベルに遷移する比較パルスを生成するヒステリシスコンパレータ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。
- 前記ヒステリシスコンパレータは、遅延時間が可変に構成され、
前記制御パルスの周波数が所定値に近づくように、前記ヒステリシスコンパレータの遅延時間をフィードバック制御する周波数コントローラをさらに備えることを特徴とする請求項3に記載の制御回路。 - 前記周波数コントローラは、
前記制御パルスおよび基準クロックの少なくとも一方を分周し、周波数を一致させる分周器と、
前記分周器を経た前記制御パルスと前記基準クロックの位相差または周波数差に応じた誤差パルスを生成する位相比較器と、
前記誤差パルスを誤差電圧に変換するチャージポンプ回路と、
前記誤差電圧をフィルタリングし、前記ヒステリシスコンパレータの遅延時間を制御するループフィルタと、
を含むことを特徴とする請求項4に記載の制御回路。 - 前記制御パルスに応じたリップル電圧を、前記ヒステリシスコンパレータの2つの入力の一方に重畳するリップル注入回路をさらに備えることを特徴とする請求項3から5のいずれかに記載の制御回路。
- 前記DC/DCコンバータは、前記スイッチングトランジスタに加えて、同期整流トランジスタを有する同期整流型であり、
前記制御回路は、
前記コイルに流れるコイル電流の反転を検出するとアサートされる反転電流検出信号を生成する反転電流検出器と、
前記制御パルスに応じたリップル電圧を、前記ヒステリシスコンパレータの2つの入力の一方に重畳するリップル注入回路と、
をさらに備え、
前記ロジック部は、前記反転電流検出信号がアサートされると、前記スイッチングトランジスタおよび前記同期整流トランジスタを両方オフするよう構成され、
前記リップル注入回路は、前記反転電流検出信号がアサートされるとオフとなるスイッチを含むことを特徴とする請求項3に記載の制御回路。 - 前記出力電圧とその目標電圧の誤差を増幅し、前記基準電圧を生成する誤差増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項3から7のいずれかに記載の制御回路。
- 前記基準電圧は所定電圧であることを特徴とする請求項3から7のいずれかに記載の制御回路。
- 前記パルス変調器は、前記フィードバック電圧を前記下側しきい値電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記下側しきい値電圧まで低下するとアサートされるボトム検出信号を生成するボトム検出コンパレータを含み、前記ボトム検出信号がアサートされると前記比較パルスを前記オンレベルとし、その後、所定のオン時間経過後に、前記比較パルスを前記オフレベルとすることを特徴とすることを特徴とする請求項1または2に記載の制御回路。
- 前記ボトム検出コンパレータは、遅延時間が可変に構成され、
前記制御パルスの周波数が所定値に近づくように、前記ボトム検出コンパレータの遅延時間をフィードバック制御する周波数コントローラをさらに備えることを特徴とする請求項10に記載の制御回路。 - 前記周波数コントローラは、
前記制御パルスおよび基準クロックの少なくとも一方を分周し、周波数を一致させる分周器と、
前記分周器を経た前記制御パルスと前記基準クロックの位相差または周波数差に応じた誤差パルスを生成する位相比較器と、
前記誤差パルスを誤差電圧に変換するチャージポンプ回路と、
前記誤差電圧をフィルタリングし、前記ボトム検出コンパレータの遅延時間を制御するループフィルタと、
を含むことを特徴とする請求項11に記載の制御回路。 - 前記制御パルスに応じたリップル電圧を、前記ボトム検出コンパレータの2つの入力の一方に重畳するリップル注入回路をさらに備えることを特徴とする請求項10から12のいずれかに記載の制御回路。
- 前記DC/DCコンバータは、前記スイッチングトランジスタに加えて、同期整流トランジスタを有する同期整流型であり、
前記制御回路は、
前記コイルに流れるコイル電流の反転を検出するとアサートされる反転電流検出信号を生成する反転電流検出器と、
前記制御パルスに応じたリップル電圧を、前記ボトム検出コンパレータの2つの入力の一方に重畳するリップル注入回路と、
をさらに備え、
前記ロジック部は、前記反転電流検出信号がアサートされると、前記スイッチングトランジスタおよび前記同期整流トランジスタを両方オフするよう構成され、
前記リップル注入回路は、前記反転電流検出信号がアサートされるとオフとなるスイッチを含むことを特徴とする請求項10から12のいずれかに記載の制御回路。 - 前記出力電圧とその目標電圧の誤差を増幅し、前記下側しきい値電圧を生成する誤差増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の制御回路。
- 前記下側しきい値電圧は所定電圧であることを特徴とする請求項10から14のいずれかに記載の制御回路。
- ひとつの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする請求項1から16のいずれかに記載の制御回路。
- 少なくとも、インダクタまたはトランス、およびスイッチングトランジスタ、整流素子、出力キャパシタを有する出力回路と、
請求項1から17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DC/DCコンバータ。 - 請求項18に記載のDC/DCコンバータを備えることを特徴とする電子機器。
- DC/DCコンバータの制御方法であって、
前記DC/DCコンバータの出力電圧に応じたフィードバック電圧が下側しきい値電圧まで低下するとオンレベルに遷移し、その後、オフレベルに遷移する比較パルスを生成するステップと、
前記DC/DCコンバータのコイルに流れるコイル電流が所定の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、
前記比較パルスが前記オンレベルに遷移すると、制御パルスをオンレベルに遷移させるステップと、
前記比較パルスが前記オフレベルに遷移する時刻と、前記ピーク電流検出信号がアサートされる時刻の遅い方において、前記制御パルスをオフレベルに遷移させるステップと、
前記制御パルスにもとづいて前記DC/DCコンバータのスイッチングトランジスタをスイッチングするステップと、
を備えることを特徴とする制御方法。 - 前記DC/DCコンバータは、前記スイッチングトランジスタに加えて、同期整流トランジスタを有する同期整流型であり、
前記制御方法は、
コイルに流れるコイル電流の反転を検出するとアサートされる反転電流検出信号を生成するステップと、
前記反転電流検出信号がアサートされると、前記スイッチングトランジスタおよび前記同期整流トランジスタを両方オフするステップと、
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。 - 前記比較パルスを生成するステップは、
ヒステリシスコンパレータが、前記DC/DCコンバータの出力電圧に応じたフィードバック電圧が基準電圧に応じた上側しきい値電圧に達するとオフレベルに遷移し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧に応じた下側しきい値電圧に達するとオンレベルに遷移する前記比較パルスを生成するステップを含むことを特徴とする請求項20または21に記載の制御方法。 - 前記ヒステリシスコンパレータは、遅延時間が可変に構成され、
前記制御方法は、前記制御パルスの周波数が所定値に近づくように、前記ヒステリシスコンパレータの遅延時間をフィードバック制御するステップをさらに備えることを特徴とする請求項22に記載の制御方法。 - 前記比較パルスを生成するステップは、
コンパレータが、前記フィードバック電圧を前記下側しきい値電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記下側しきい値電圧まで低下するとアサートされるボトム検出信号を生成するステップと、
前記ボトム検出信号がアサートされると前記比較パルスを前記オンレベルとし、その後、所定のオン時間経過後に、前記比較パルスを前記オフレベルとするステップと、
を含むことを特徴とすることを特徴とする請求項20または21に記載の制御方法。 - 前記コンパレータは、遅延時間が可変に構成され、
前記制御方法は、前記制御パルスの周波数が所定値に近づくように、前記コンパレータの遅延時間をフィードバック制御するステップをさらに備えることを特徴とする請求項24に記載の制御方法。
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