JP2017085857A - Dc/dc converter and control circuit therefor, control method, and system power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DC/DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC / DC converter.
さまざまな電子機器において、ある電圧値の直流電圧を別の電圧値の直流電圧に変換するDC/DCコンバータが使用される。DC/DCコンバータの入力電流のリップルを抑制するために、マルチフェーズのDC/DCコンバータが用いられる。図1は、マルチフェーズの昇圧(Boost)DC/DCコンバータ(単にDC/DCコンバータと称する)900の回路図である。DC/DCコンバータ900は、入力ライン902に直流入力電圧VINを受け、出力ライン904に昇圧された出力電圧VOUTを発生する。DC/DCコンバータ900は、Mチャンネル(Mは2以上の整数)で構成される。DC/DCコンバータ900はチャンネルごとに、スイッチングトランジスタM1、インダクタL1および整流素子D1を有し、Mチャンネルに共通の出力キャパシタC1を有する。なお、本明細書において必要に応じてチャンネル番号を添え字で示す。
In various electronic devices, a DC / DC converter that converts a DC voltage of one voltage value into a DC voltage of another voltage value is used. In order to suppress the ripple of the input current of the DC / DC converter, a multi-phase DC / DC converter is used. FIG. 1 is a circuit diagram of a multi-phase boost DC / DC converter (simply referred to as a DC / DC converter) 900. The DC /
コントローラ910は、Mチャンネルで共通のエラーアンプ912と、チャンネルごとに設けられたピーク電流モードのパルス変調器914_1〜914_Mと、チャンネルごとに設けられたドライバ922_1〜922_Mと、を備える。抵抗R11、R12は、出力電圧VOUTを分圧し、出力電圧VOUTに応じたフィードバック信号VFBを生成する。エラーアンプ912は、フィードバック信号VFBとその目標値である基準電圧VREFの誤差を増幅し、誤差に応じた誤差信号VERRを生成する。誤差信号VERRは、複数チャンネルのパルス変調器914_1〜914_Mに供給される。
The
パルス変調器914は、PWM(パルス幅変調)コンパレータ916、ロジック回路918、スロープ補償器920を備える。電流センス抵抗R1は、スイッチングトランジスタM1のオン期間においてスイッチングトランジスタM1に流れる電流を検出するために設けられ、電流を示す電流検出信号VISを生成する。スロープ補償器920は、電流検出信号VISにスロープ信号VSLOPEを重畳する。PWMコンパレータ916は、電流検出信号VISと誤差信号VERRを比較し、電流検出信号VISが誤差信号VERRに達すると、リセット信号(オフ信号ともいう)ICMPをアサート(たとえばハイレベル)する。ロジック回路918は、リセット信号ICMPに応答して、PWM信号SPWMをスイッチングトランジスタM1のオフを指示するオフレベル(たとえばローレベル)に遷移させる。またロジック回路918は所定の周期毎にアサートされるPWMクロック(セット信号、オン信号ともいう)に応答してPWM信号SPWMをスイッチングトランジスタM1のオンを指示するオンレベル(たとえばハイレベル)に遷移させる。ドライバ922は、PWM信号SPWMに応じてスイッチングトランジスタM1を駆動する。
The
マルチチャンネルのDC/DCコンバータについて、出力ライン904に接続される負荷の状態に応じて、言い換えれば負荷電流ILOADに応じて、アクティブなチャンネル数を変化させる場合がある。たとえばM=4チャンネルのDC/DCコンバータを、1チャンネル動作、2チャンネル動作、4チャンネル動作の中から選択可能に構成する場合がある。
In a multi-channel DC / DC converter, the number of active channels may be changed according to the state of a load connected to the
図2(a)、(b)は、アクティブなチャンネル数の切りかえを説明する図である。図2(a)は、シングルチャンネル(シングルフェーズ)動作を、図2(b)は、2チャンネル動作(2フェーズ動作)を示す。図2(a)のようにシングルチャンネル動作では、第1チャンネルCH1のみがスイッチングし、第2チャンネルCH2は停止している。図2(b)のように2チャンネルマルチ動作では、第1チャンネルCH1、第2チャンネルCH2が所定の位相差でスイッチングする。 2 (a) and 2 (b) are diagrams for explaining switching of the number of active channels. 2A shows a single channel (single phase) operation, and FIG. 2B shows a two channel operation (two phase operation). As shown in FIG. 2A, in the single channel operation, only the first channel CH1 is switched and the second channel CH2 is stopped. As shown in FIG. 2B, in the 2-channel multi operation, the first channel CH1 and the second channel CH2 are switched with a predetermined phase difference.
本発明者はマルチチャンネルのDC/DCコンバータにおけるチャンネル数の切りかえ動作について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。図2(a)のシングルチャンネル動作では、非アクティブな第2チャンネルCH2の動作は完全に停止している。したがって、図2(a)のシングルチャンネル動作から、図2(b)の2チャンネル動作に切りかえる場合、第2チャンネルCH2の応答が遅れることとなる。たとえばブートストラップ方式のDC/DCコンバータでは、シングルチャンネル動作の間、第2チャンネルCH2についてはブートストラップコンデンサが充電されないため、2チャンネル動作に切りかえた直後の数サイクルはトランジスタをスイッチングすることができない。 As a result of examining the switching operation of the number of channels in the multi-channel DC / DC converter, the present inventor has come to recognize the following problems. In the single channel operation of FIG. 2A, the operation of the inactive second channel CH2 is completely stopped. Therefore, when the single channel operation of FIG. 2A is switched to the 2-channel operation of FIG. 2B, the response of the second channel CH2 is delayed. For example, in the bootstrap DC / DC converter, during the single channel operation, the bootstrap capacitor is not charged for the second channel CH2, and the transistor cannot be switched for several cycles immediately after switching to the 2-channel operation.
あるいはブートストラップ方式以外のDC/DCコンバータにおいても、制御回路の内部の定常状態(任意のノードの電流あるいは電流)が、シングルチャンネル動作と2チャンネル動作とでは異なるため、それらの遷移に時間がかかり、応答遅れや不安定の要因となる。 Or even in DC / DC converters other than the bootstrap system, the steady state (current or current at any node) inside the control circuit differs between single-channel operation and 2-channel operation, so that transition takes time. It becomes a cause of response delay and instability.
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、チャンネル数の切りかえに伴う応答遅れや不安定性などの問題を改善可能なDC/DCコンバータおよびその制御回路の提供にある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and one of the exemplary purposes of one aspect thereof is a DC / DC converter capable of improving problems such as response delay and instability associated with switching of the number of channels, and its The provision of control circuits.
本発明のある態様は、複数Mチャンネル(Mは2以上の整数)のDC/DCコンバータの制御回路に関する。DC/DCコンバータは、チャンネルごとに設けられたスイッチングトランジスタ、インダクタ、整流素子を有している。制御回路は、DC/DCコンバータの出力電圧に応じたフィードバック信号とその目標値の誤差を増幅し、誤差信号を生成するエラーアンプと、Mチャンネルに対応するM個のパルス幅変調器であって、それぞれが、誤差信号に応じたデューティ比を有するPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成する、M個のパルス幅変調器と、アクティブなチャンネル数L(1≦L≦M)を切りかえるマルチフェーズコントローラと、を備える。連続する少なくともひとつのPWM周期を周期群として、周期群に含まれる各PWM周期においては、L個のチャンネルのスイッチングトランジスタがオン、オフ制御され、残りの(M−L)個のチャンネルについては、スイッチングトランジスタと整流素子の接続点がハイインピーダンスとなるよう制御され、かつ、周期群の間に、M個のスイッチングトランジスタそれぞれが少なくとも1回、オン、オフ制御される。 One embodiment of the present invention relates to a control circuit for a DC / DC converter having a plurality of M channels (M is an integer of 2 or more). The DC / DC converter has a switching transistor, an inductor, and a rectifying element provided for each channel. The control circuit includes an error amplifier that amplifies an error between the feedback signal corresponding to the output voltage of the DC / DC converter and its target value and generates an error signal, and M pulse width modulators corresponding to the M channels. , Each of which generates a PWM (Pulse Width Modulation) signal having a duty ratio according to an error signal, and a multi-phase controller that switches the number of active channels L (1 ≦ L ≦ M) And comprising. With at least one continuous PWM cycle as a cycle group, in each PWM cycle included in the cycle group, the switching transistors of L channels are on / off controlled, and the remaining (ML) channels are The connection point between the switching transistor and the rectifying element is controlled to have a high impedance, and each of the M switching transistors is on / off controlled at least once during the period group.
1つのPWM周期に着目すると、L個のスイッチングトランジスタがスイッチングするため、電流供給能力としては、従来のLチャンネル動作と等価である。また周期群を単位としてみたときには、その間にすべてのチャンネルのスイッチングトランジスタが少なくとも1回、スイッチングする。これにより、全チャンネルのパルス幅変調器やその他の回路の状態を、アクティブな状態に近い状態に維持することができ、応答遅れや不安定性などの問題を改善できる。 Focusing on one PWM cycle, since L switching transistors are switched, the current supply capability is equivalent to the conventional L channel operation. When the period group is taken as a unit, the switching transistors of all the channels are switched at least once during that period. As a result, the states of the pulse width modulators and other circuits of all channels can be maintained close to the active state, and problems such as response delay and instability can be improved.
M=2であり、L=1であるとき、周期群は2個のPWM周期を含み、(i)周期群に含まれる第1PWM周期において、第1チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第2チャンネルがハイインピーダンスとなり、(ii)周期群に含まれる第2PWM周期において、第1チャンネルがハイインピーダンスとなり、第2チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングしてもよい。L=2であるとき、周期群は1個のPWM周期を含み、(i)周期群に含まれる1個のPWM周期において、第1チャンネルのスイッチングトランジスタ、第2チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングしてもよい。 When M = 2 and L = 1, the period group includes two PWM periods. (I) In the first PWM period included in the period group, the switching transistor of the first channel switches, and the second channel (Ii) In the second PWM cycle included in the cycle group, the first channel may become high impedance, and the switching transistor of the second channel may be switched. When L = 2, the cycle group includes one PWM cycle. (I) In one PWM cycle included in the cycle group, the switching transistor of the first channel and the switching transistor of the second channel are switched. Also good.
L=2であるとき、第1チャンネルのスイッチングトランジスタと第2チャンネルのスイッチングトランジスタは、180°の位相差でスイッチングしてもよい。 When L = 2, the switching transistor of the first channel and the switching transistor of the second channel may be switched with a phase difference of 180 °.
M=4であり、L=1であるとき、周期群は4個のPWM周期を含み、(i)周期群に含まれる第1PWM周期において、第1チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第2チャンネルから第4チャンネルがハイインピーダンスとなり、(ii)周期群に含まれる第2PWM周期において、第2チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第1、第3、第4チャンネルがハイインピーダンスとなり、(iii)周期群に含まれる第3PWM周期において、第3チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第1、第2、第4チャンネルがハイインピーダンスとなり、(iv)周期群に含まれる第4PWM周期において、第4チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第1、第2、第3チャンネルがハイインピーダンスとなってもよい。L=2であるとき、周期群は2個のPWM周期を含み、(i)周期群に含まれる第1PWM周期において、第1から第4チャンネルのうち2チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、残りの2チャンネルがハイインピーダンスとなり、(ii)周期群に含まれる第2PWM周期において、残りの2チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、2チャンネルがハイインピーダンスとなってもよい。L=4であるとき、周期群は1個のPWM周期を含み、(i)周期群に含まれる単一のPWM周期において、第1から第4チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングしてもよい。 When M = 4 and L = 1, the period group includes four PWM periods. (I) In the first PWM period included in the period group, the switching transistor of the first channel switches and the second channel To the fourth channel becomes high impedance, (ii) in the second PWM period included in the period group, the switching transistor of the second channel is switched, and the first, third, and fourth channels become high impedance, and (iii) period In the third PWM cycle included in the group, the switching transistor of the third channel switches, and the first, second, and fourth channels become high impedance. (Iv) In the fourth PWM cycle included in the cycle group, the fourth channel The switching transistor switches, and the first, second, and third channels Channel may be a high impedance. When L = 2, the period group includes two PWM periods. (I) In the first PWM period included in the period group, the switching transistors of two channels among the first to fourth channels are switched, and the remaining Two channels may become high impedance, and (ii) in the second PWM period included in the period group, the remaining two channels of switching transistors may be switched, and the two channels may become high impedance. When L = 4, the periodic group includes one PWM period, and (i) the switching transistors of the first to fourth channels may switch in a single PWM period included in the periodic group.
L=2であるとき、第1PWM周期において、2チャンネルのスイッチングトランジスタが180°の位相差でスイッチングし、第2PWM周期において、残りの2チャンネルのスイッチングトランジスタが180°の位相差でスイッチングし、L=4であるとき、単一のPWM周期において、4チャンネルのスイッチングトランジスタが90°の位相差でスイッチングしてもよい。 When L = 2, in the first PWM period, the two channel switching transistors are switched with a phase difference of 180 °, and in the second PWM period, the remaining two channels of the switching transistors are switched with a phase difference of 180 °. When 4 = 4, the switching transistors of 4 channels may switch with a phase difference of 90 ° in a single PWM cycle.
周期群に含まれるPWM周期の個数をKとするとき、K=M/Lであってもよい。 When the number of PWM periods included in the period group is K, K = M / L may be satisfied.
M個のパルス幅変調器はそれぞれ、ピーク電流モードであり、それぞれが、対応するスイッチングトランジスタに流れる電流を示す電流検出信号を誤差信号と比較するコンパレータと、コンパレータの出力に応じてPWM信号をオフレベルに遷移させるロジック回路と、を含んでもよい。制御回路は、複数Mチャンネルそれぞれについて、対応する電流検出信号と、複数Mチャンネルの電流検出信号の平均値との差分に応じた補正信号を、対応するコンパレータの2つの入力のうち少なくとも一方に重畳する電流バランス回路をさらに備えてもよい。
この態様によると、複数のチャンネルのコイル電流をバランスさせることができる。この電流バランス回路を用いると、チャンネル数Lを変化させたときに、電流バランス回路の応答遅れが問題となりうるが、周期群の間にすべてのチャンネルを動作させることで、電流バランス回路の応答遅れの問題を解消できる。
Each of the M pulse width modulators is in a peak current mode, each of which compares the current detection signal indicating the current flowing through the corresponding switching transistor with an error signal, and turns off the PWM signal according to the output of the comparator And a logic circuit that makes a transition to a level. For each of the plurality of M channels, the control circuit superimposes a correction signal corresponding to the difference between the corresponding current detection signal and the average value of the plurality of M channel current detection signals on at least one of the two inputs of the corresponding comparator. A current balance circuit may be further provided.
According to this aspect, the coil currents of a plurality of channels can be balanced. When this current balance circuit is used, the response delay of the current balance circuit may become a problem when the number of channels L is changed, but the response delay of the current balance circuit is caused by operating all the channels during the period group. Can solve the problem.
電流バランス回路は、複数Mチャンネルそれぞれについて、補正信号を誤差信号側の入力に重畳してもよい。 The current balance circuit may superimpose the correction signal on the input on the error signal side for each of the plurality of M channels.
DC/DCコンバータは、ブートストラップ方式であってもよい。周期群の間にすべてのチャンネルが動作するため、ブートストラップキャパシタの電圧を維持できるため、チャンネル数を変化させた直後から、所望の特性を得ることができる。 The DC / DC converter may be a bootstrap system. Since all the channels operate during the period group, the voltage of the bootstrap capacitor can be maintained, so that desired characteristics can be obtained immediately after the number of channels is changed.
DC/DCコンバータは、降圧型であってもよい。特に降圧型のDC/DCコンバータにおいては、ブートストラップキャパシタの電圧が小さくなると、スイッチングトランジスタを駆動できない状況に陥るところ、ブートストラップキャパシタの電圧を維持することで、切りかえ直後においてもスイッチングトランジスタの駆動が可能となり、応答遅れを改善できる。 The DC / DC converter may be a step-down type. In particular, in a step-down DC / DC converter, when the voltage of the bootstrap capacitor becomes small, the switching transistor cannot be driven. By maintaining the voltage of the bootstrap capacitor, the switching transistor can be driven even immediately after switching. This makes it possible to improve response delay.
ある態様において制御回路はひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「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。 In one embodiment, the control circuit may be integrated on a single semiconductor substrate. “Integrated integration” includes the case where all of the circuit components are formed on a semiconductor substrate and the case where the main components of the circuit are integrated. A resistor, a capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate.
本発明の別の態様はDC/DCコンバータに関する。DC/DCコンバータは上述のいずれかの制御回路を備える。 Another aspect of the present invention relates to a DC / DC converter. The DC / DC converter includes any one of the control circuits described above.
本発明の別の態様は、システム電源に関する。システム電源は、上述DC/DCコンバータを備えてもよい。 Another aspect of the invention relates to a system power supply. The system power supply may include the above-described DC / DC converter.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明のある態様によれば、チャンネル数の切りかえに伴う応答遅れや不安定性を改善できる。 According to an aspect of the present invention, response delay and instability associated with switching of the number of channels can be improved.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、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。
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 this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are physically directly connected, or the member A and the member B are electrically connected. The case where it is indirectly connected through another member that does not affect the state is also included.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as an electrical condition. It includes the case of being indirectly connected through another member that does not affect the connection state.
また、「信号A(電圧、電流)が信号B(電圧、電流)に応じている」とは、信号Aが信号Bと相関を有することを意味し、具体的には、(i)信号Aが信号Bである場合、(ii)信号Aが信号Bに比例する場合、(iii)信号Aが信号Bをレベルシフトして得られる場合、(iv)信号Aが信号Bを増幅して得られる場合、(v)信号Aが信号Bを反転して得られる場合、(vi)あるいはそれらの任意の組み合わせ、等を意味する。「応じて」の範囲は、信号A、Bの種類、用途に応じて定まることが当業者には理解される。 “Signal A (voltage, current) is in response to signal B (voltage, current)” means that signal A has a correlation with signal B. Specifically, (i) signal A Is signal B, (ii) signal A is proportional to signal B, (iii) signal A is obtained by level shifting signal B, and (iv) signal A is obtained by amplifying signal B. If (v) signal A is obtained by inverting signal B, it means (vi) or any combination thereof. It will be understood by those skilled in the art that the “depending” range is determined depending on the type and application of the signals A and B.
図3は、実施の形態に係る制御回路200を備えるDC/DCコンバータ100の回路図である。DC/DCコンバータ100は、図1と同様に、マルチチャンネル、マルチフェーズの昇圧(Boost)コンバータであり、入力ライン102に直流入力電圧VINを受け、出力ライン104に昇圧された出力電圧VOUTを発生する。DC/DCコンバータ100は、複数Mチャンネル(Mは2以上の整数)で構成される。チャンネル数Mは任意であり、2チャンネル、3チャンネル、4チャンネル、6チャンネル、8チャンネル、12チャンネル、16チャンネルなど、DC/DCコンバータ100の用途に応じて決めればよい。
FIG. 3 is a circuit diagram of the DC /
DC/DCコンバータ100は、出力回路110および制御回路200を備える。出力回路110は、チャンネルごとに、スイッチングトランジスタM1、インダクタL1、整流素子D1を有し、Mチャンネルに共通の出力キャパシタC1および抵抗R11,R12を有する。
The DC /
制御回路200は、単一の半導体基板に集積化された機能IC(Integrated Circuit)である。制御回路200は、チャンネルごとに、出力(OUT)端子を有する。また制御回路200は、全チャンネルで共通のフィードバック(FB)端子を有する。FB端子には出力電圧VOUTに応じたフィードバック信号VFBがフィードバックされる。制御回路200は、フィードバック信号VFBがその目標値VREFに近づくように、複数チャンネルCH1〜CHMのスイッチングトランジスタM11〜M1Mを制御する。なお、スイッチングトランジスタM1は制御回路200に集積化されてもよい。
The
制御回路200は、エラーアンプ202、パルス幅変調器204_1〜204_M、ドライバ212_1〜212_M、電流バランス回路220を備える。エラーアンプ202は、DC/DCコンバータ100の出力電圧VOUTに応じたフィードバック信号VFBとその目標値VREFの誤差を増幅し、誤差信号VERRを生成する。
The
M個のパルス幅変調器204_1〜204_Mは、Mチャンネルに対応している。パルス幅変調器204_i(1≦i≦M)は、誤差信号VERRに応じたデューティ比を有するPWM信号SPWMiを生成する。
The M pulse width modulators 204_1 to 204_M correspond to M channels. The
複数のドライバ212_1〜212_Mは、複数のチャンネルCH1〜CHMに対応する。i番目のドライバ212_iは、対応するパルス幅変調器204_iからのPWM信号SPWMに応じて、対応するスイッチングトランジスタM1_1を駆動する。 The plurality of drivers 212_1 to 212_M correspond to the plurality of channels CH1 to CHM. i-th driver 212_i, in response to the PWM signal S PWM from the corresponding pulse width modulator 204_I, driving the corresponding switching transistor M1_1.
マルチフェーズコントローラ250は、複数チャンネルCH1〜CHMのうち、アクティブなチャンネルを、DC/DCコンバータ100や負荷の状態に応じて切りかえる。たとえばマルチフェーズコントローラ250は、DC/DCコンバータ100の負荷電流ILOADにもとづいてアクティブなチャンネル数L(1≦L≦M)および動作フェーズを制御する。具体的にはマルチフェーズコントローラ250は、負荷電流ILOADが大きいほど、アクティブなチャンネル数を増加させる。マルチフェーズコントローラ250は、負荷電流ILOADを監視してもよいし、外部のマイコンからの制御指令、あるいは出力ライン104に接続される負荷からの制御信号にもとづいて、チャンネル数を変化させてもよい。
The
複数のチャンネルCH1〜CHMは、以下のように制御される。
すなわちMチャンネルのうちLチャンネルがアクティブであるとき、連続する少なくともひとつ(K個とする)のPWM周期T1,T2…,TKを周期群TGとして、周期群TGに含まれる各PWM周期T1,T2…,TKにおいては、L個のチャンネルのスイッチングトランジスタがオン、オフ制御され、残りの(M−L)個のチャンネルについては、スイッチングトランジスタM1と整流素子D1の接続点がハイインピーダンス(Hi−Z)となるよう制御され、かつ、周期群TG(=T1,T2…,TK)の間に、M個のスイッチングトランジスタM1それぞれが少なくとも1回、オン、オフ制御される。
The plurality of channels CH1 to CHM are controlled as follows.
That is, when the L channel of the M channel is active, PWM period T 1, T 2 ... at least one continuous (and the K), the T K as a cycle group T G, each contained in a period group T G PWM period T 1, T 2 ..., in T K, the switching transistor of L channel is turned on, is turned off control for the remaining (M-L) number of channels, the connection of the switching transistor M1 and the rectifying element D1 The point is controlled to be high impedance (Hi-Z), and each of the M switching transistors M1 is turned on at least once during the periodic group T G (= T 1 , T 2 ..., T K ). Controlled off.
以上が制御回路200の構成である。続いてその動作を説明する。
図4(a)、(b)は、M=2のDC/DCコンバータの動作波形図である。本明細書における波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。図4(a)には、L=1の場合が、図4(b)には、L=2の場合が示される。図4(a)に示すようにL1=のとき、周期群TGはK=2個のPWM周期T1,T2を含み、(i)周期群TGに含まれる第1PWM周期T1において、第1チャンネルCH1のスイッチングトランジスタM11がスイッチングし、第2チャンネルCH2がハイインピーダンスとなる。また(ii)周期群TGに含まれる第2PWM周期T2において、第1チャンネルCH1がハイインピーダンスとなり、第2チャンネルCH2のスイッチングトランジスタM12がスイッチングする。
The above is the configuration of the
4A and 4B are operation waveform diagrams of the DC / DC converter with M = 2. The vertical axis and horizontal axis of the waveform diagrams and time charts in this specification are appropriately expanded and reduced for easy understanding, and each waveform shown is also simplified for easy understanding. Or it is exaggerated or emphasized. 4A shows the case of L = 1, and FIG. 4B shows the case of L = 2. As shown in FIG. 4A, when L1 =, the periodic group TG includes K = 2 PWM periods T 1 and T 2 , and (i) in the first PWM period T 1 included in the periodic group TG . , the switching transistor M1 1 of the first channel CH1 is switched, the second channel CH2 becomes high impedance. In the 2PWM period T 2 contained in (ii) period group T G, the first channel CH1 is a high impedance, the switching transistor M1 2 of the second channel CH2 is switched.
図4(b)に示すように、L=2であるとき、周期群TGは1個のPWM周期を含む。(i)周期群TGに含まれる1個のPWM周期において、第1チャンネルCH1のスイッチングトランジスタM11、第2チャンネルCH2のスイッチングトランジスタM12がスイッチングする。なおL=2であるとき、第1チャンネルCH1のスイッチングトランジスタM11と第2チャンネルCH2のスイッチングトランジスタM12は、180°の位相差でスイッチングしてもよい。これにより電流リップルを低減できる。 As shown in FIG. 4B, when L = 2, the periodic group TG includes one PWM period. In one PWM period included in (i) the period group T G, the switching transistor M1 1 of the first channel CH1, the switching transistor M1 2 of the second channel CH2 is switched. Note when a L = 2, switching transistors M1 1 and the switching transistor M1 2 of the second channel CH2 of the first channel CH1 can be switched with a phase difference of 180 °. Thereby, the current ripple can be reduced.
図5(a)〜(c)は、M=4のDC/DCコンバータの動作波形図である。図5(a)には、L=1の場合が、図5(b)には、L=2の場合が、図5(c)にはL=4の場合が示される。 FIGS. 5A to 5C are operation waveform diagrams of the DC / DC converter with M = 4. FIG. 5 (a) shows the case of L = 1, FIG. 5 (b) shows the case of L = 2, and FIG. 5 (c) shows the case of L = 4.
図5(a)に示すようにL=1であるとき、周期群TGはK=4個のPWM周期T1〜T4を含む。(i)第1PWM周期T1において、第1チャンネルCH1のスイッチングトランジスタM11がスイッチングし、第2チャンネルCH2から第4チャンネルCH4がハイインピーダンスとなる。(ii)第2PWM周期T2において、第2チャンネルCH2のスイッチングトランジスタM12がスイッチングし、第1、第3、第4チャンネルがハイインピーダンスとなる。(iii)第3PWM周期T3において、第3チャンネルCH3のスイッチングトランジスタM13がスイッチングし、第1、第2、第4チャンネルがハイインピーダンスとなる。(iv)第4PWM周期T4において、第4チャンネルCh4のスイッチングトランジスタM14がスイッチングし、第1、第2、第3チャンネルがハイインピーダンスとなる。 As shown in FIG. 5A, when L = 1, the period group TG includes K = 4 PWM periods T 1 to T 4 . (I) In the 1PWM period T 1, the switching transistor M1 1 of the first channel CH1 is switched, the fourth channel CH4 is high impedance from the second channel CH2. (Ii) In the 2PWM period T 2, the switching transistor M1 2 of the second channel CH2 is switched, first, third, fourth channel is a high impedance. In (iii) the 3PWM period T 3, the switching transistor M1 3 of the third channel CH3 is switched, first, second, fourth channel is a high impedance. (Iv) In the 4PWM period T 4, the switching transistor M1 4 of the fourth channel Ch4 is switched, first, second, third channel is a high impedance.
図5(b)に示すようにL=2であるとき、周期群TGはK=2個のPWM周期T1、T2を含む。(i)第1PWM周期T1において、第1から第4チャンネルのうち2チャンネル(ここではCH1,CH2)のスイッチングトランジスタM11、M12がスイッチングし、残りの2チャンネル(ここではCH3,CH4)がハイインピーダンスとなる。(ii)第2PWM周期T2において、残りの2チャンネル(CH3,CH4)のスイッチングトランジスタM13、M14がスイッチングし、2チャンネル(CH1,CH1)がハイインピーダンスとなる。各PWM周期において、スイッチングトランジスタM1は、電流リップルを低減するために180°の位相差でスイッチングしてもよい。
As shown in FIG. 5B, when L = 2, the period group TG includes K = 2 PWM periods T 1 and T 2 . (I) In the 1PWM period T 1, the switching
図5(c)に示すようにL=4であるとき、周期群TGはK=1個のPWM周期を含む。
単一のPWM周期において、第1から第4チャンネルのスイッチングトランジスタM11〜M14がスイッチングする。これらのスイッチングトランジスタM11〜M14は、電流リップルを低減するために90°の位相差でスイッチングしてもよい。
As shown in FIG. 5C, when L = 4, the period group TG includes K = 1 PWM period.
In a single PWM cycle, the switching
一般化すると、周期群TGに含まれるPWM周期の個数をKとするとき、K=M/Lとしてもよい。これにより、すべてのチャンネルのスイッチングトランジスタを均等に制御することができる。 In general, when K is the number of PWM periods included in the period group TG , K = M / L may be set. Thereby, the switching transistors of all the channels can be controlled equally.
以上が制御回路200およびそれを備えるDC/DCコンバータ100の動作である。
1つのPWM周期に着目すると、L個のスイッチングトランジスタがスイッチングするため、電流供給能力としては、従来のLチャンネル動作と等価である。また周期群TGを単位としてみたときには、その間にすべてのチャンネルのスイッチングトランジスタM11〜M1Mが少なくとも1回、スイッチングする。これにより、全チャンネルのパルス幅変調器やその他の回路(たとえば後述するブートストラップ回路や、後述する電流バランス回路)の状態を、アクティブな状態に近い状態に維持することができ、応答遅れや不安定性を改善できる。
The above is the operation of the
Focusing on one PWM cycle, since L switching transistors are switched, the current supply capability is equivalent to the conventional L channel operation. When the periodic group TG is taken as a unit, the switching transistors M1 1 to M1 M of all the channels are switched at least once during that period. As a result, the state of the pulse width modulator of all channels and other circuits (for example, a bootstrap circuit to be described later and a current balance circuit to be described later) can be maintained close to an active state. Qualitative can be improved.
本発明は、図3のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例を説明する。 The present invention is understood as the block diagram and circuit diagram of FIG. 3 or extends to various devices and circuits derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. In the following, more specific embodiments will be described in order not to narrow the scope of the present invention, but to help understanding and clarify the essence and circuit operation of the present invention.
(第1実施例)
図6は、制御回路200の第1実施例を示す回路図である。図6の制御回路200においてパルス幅変調器204は、ピーク電流モードである。出力回路110は、電流センス抵抗R11〜R1Mを備える。チャンネルごとの電流センス抵抗R1は、対応するスイッチングトランジスタM1と接地の間に設けられ、その両端間にスイッチングトランジスタM1のオン期間においてスイッチングトランジスタM1に流れる電流(すなわちコイル電流)に比例した電圧降下が発生する。電流センス抵抗R1の電圧降下は、電流検出信号VISとして、対応するCS端子に入力される。図6において、マルチフェーズコントローラ250は省略されている。
(First embodiment)
FIG. 6 is a circuit diagram showing a first embodiment of the
パルス幅変調器204は、PWMコンパレータ206、ロジック回路208、スロープ補償器210を含む。i番目(1≦i≦M)のチャンネルのPWMコンパレータ206は、対応するスイッチングトランジスタM1に流れる電流IM1を示す電流検出信号VISを誤差信号VERRと比較する。ロジック回路208は、PWMコンパレータ206の出力(リセット信号)ICMPに応じてPWM信号をオフレベル(たとえばローレベル)に遷移させる。またロジック回路208は、PWM周期間隔にアサートされるPWMクロック(セット信号)と同期して、PWM信号をオンレベルに遷移させる。スロープ補償器210は、電流検出信号VISまたは誤差信号VERRの一方に、スロープ電圧VSLOPEを重畳する。
The
電流バランス回路220は、複数のチャンネルCH1〜CHMそれぞれについて、対応する電流検出信号VISiと、複数のチャンネルCH1〜CHMの電流検出信号VIS1〜VISMの平均値VAVEとの差分に応じた補正信号VCMPiを、対応するPWMコンパレータ206_iの2つの入力のうち少なくとも一方に重畳する。
For each of the plurality of channels CH1 to CHM, the
好ましくは電流バランス回路220は、複数のチャンネルCH1〜CHMそれぞれについて、補正信号VCMP1〜VCMPMを誤差信号VERR側の入力(図3においてPWMコンパレータ206の反転入力端子側)に重畳する。つまりPWMコンパレータ206_iは、補正信号VCMPiが重畳された誤差信号VERRiを電流検出信号VISiと比較し、VISi>VERRiとなるとICMP信号をアサートする。
Preferably, the
たとえば電流バランス回路220は、複数のチャンネルCH1〜CHMの電流検出信号VIS1〜VISMのピークをサンプリングし、サンプリングされた電流検出信号VIS1’〜VISM’にもとづいて補正信号VCMP1〜VCMPMを生成することができる。i番目のチャンネルにおいて電流検出信号VISiがピークとなるのは、スイッチングトランジスタM1がターンオフするタイミング、すなわちICMP信号がアサートされるタイミングである。したがってピークをホールドするようにすることで、タイミング信号としてICMP信号あるいはPWM信号を用いることができるため、制御を簡易化できる。
For example, the
続いて図6の制御回路200の動作を説明する。図7(a)、(b)は、図3のDC/DCコンバータ100の動作波形図である。図7(a)には、電流バランス回路220を動作させないときの波形が示される。第1チャンネルCH1に着目したとき、図7(a)に示すように、誤差信号VERRに応じて定まるコイル電流IL1のピーク値IPEAK(FB)は、全チャンネルのコイル電流のピーク値の平均IAVEよりも、偏差δI1、小さくなっているとする。
Next, the operation of the
図7(b)を参照し、電流バランス回路220の動作を説明する。電流バランス回路220は、偏差δI1に応じた補正信号VCMP1を生成し、誤差信号VERRに重畳する。PWMコンパレータ206は、補正された誤差信号VERR1を電流検出信号VIS1と比較し、VIS1>VERR1となるとICMP信号をアサートし、スイッチングトランジスタM1がターンオフする。電流バランス回路220は、その他のチャンネルCH2〜CHMについても同様の補正を行う。以上が制御回路200の動作である。
The operation of the
この制御回路200によれば、電流バランス回路220によって、各チャンネルCHiのコイル電流ILiのピークが、全チャンネルCH1〜CHMのコイル電流IL1〜ILMのピークの平均値IAVEに近づくように補正され、ひいては全チャンネルのコイル電流のピークが一致することとなり、チャンネル間の電流バランスを改善することができる。
According to the
なおPWMコンパレータ206の反転入力端子(−)側の誤差信号VERRに補正信号VCMPを重畳することと、PWMコンパレータ206の非反転入力端子(+)側の電流検出信号VISに逆極性で補正信号VCMPを重畳することは等価であり、いずれの方式を採用してもよい。ところで電流バランス回路220を設けることは、新たな制御系を導入することに他ならないため、DC/DCコンバータ100の安定性に少なからず影響を及ぼす。本発明者が検討したところ、いくつかの回路においては、前者の方(誤差信号VERRに重畳)が系の安定性が高まることが確認されている。したがって、補正信号VCMPを誤差信号VERR側に重畳することにより、系の安定性を損なわずに、電流バランスを改善できる。なお、補正信号VCMPを電流検出信号VIS側に重畳したからといって必ずしも系の安定性が低下するとは限らず、安定性の低下が問題とならない場合には、補正信号VCMPを電流検出信号VIS側に重畳してもよい。
The correction signal V CMP is superimposed on the error signal V ERR on the inverting input terminal (−) side of the
図6の電流バランス回路220と、マルチチャンネル制御を併用する場合の動作について考察する。図2(a)、(b)に示すように、非アクティブなチャンネルを完全に停止させると、そのチャンネルのパルス幅変調器204、ドライバ212が停止し、そのチャンネルのコイル電流もゼロとなる。あるチャンネルが非アクティブからアクティブに切りかわるとき、そのチャンネルのコイル電流はゼロから増加していくため、切りかえ直後のコイル電流の平均値が小さくなり、他のチャンネルの電流制御に悪影響が及ぶこととなる。
The operation when the
図3〜図5を参照して説明したように、実施の形態に係るマルチチャンネル制御を併用すれば、すべてのチャンネルが動作することとなるため、電流バランス回路220の動作を安定化することができる。
As described with reference to FIGS. 3 to 5, if the multi-channel control according to the embodiment is used together, all the channels operate, so that the operation of the
図8は、電流バランス回路220の構成例を示す回路図である。電流バランス回路220aは、複数チャンネルに対応する複数のサンプルホールド回路222_1〜222_Mを備える。i番目のサンプルホールド回路222_iは、対応する電流検出信号VISiを、各PWM周期内の所定のタイミングでサンプリングする。たとえば上述のように、コイル電流ILのピークを一致させる場合、サンプルホールド回路222_iは、電流検出信号VISiのピークにて、サンプリングを行えばよい。サンプリングのタイミングは、対応するチャンネルのICMP信号あるいはPWM信号SPWMのネガティブエッジを利用して生成することができる。
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
なお、全チャンネルのコイル電流IL1〜ILMのピークを揃えるかわりに、それらのボトムを揃えてもよい。この場合、サンプルホールド回路222_iは、電流検出信号VISiのボトムにて、言い換えれば、スイッチングトランジスタM1がターンオンした直後のタイミングでサンプリングを行えばよい。たとえばサンプリングのタイミングは、PWM信号SPWMのポジティブエッジを利用して生成することができる。あるいは、サンプリングのタイミングは、PWM周期内の任意の位置(20%、40%、50%、80%など)に設定してもよい。 Instead of aligning the peaks of the coil currents I L1 to I LM for all channels, their bottoms may be aligned. In this case, the sample hold circuit 222_i may perform sampling at the bottom of the current detection signal V ISi , in other words, immediately after the switching transistor M1 is turned on. For example, the sampling timing can be generated using the positive edge of the PWM signal SPWM . Alternatively, the sampling timing may be set at an arbitrary position (20%, 40%, 50%, 80%, etc.) within the PWM cycle.
電流バランス回路220aは、さらに、複数の個別電流生成回路224_1〜224_M、平均電流生成回路226、複数の差分電流生成回路228_1〜228_M、複数の重畳回路230_1〜230_Mを備える。
The
複数の個別電流生成回路224_1〜224_Mは、複数のチャンネルCH1〜CHMに対応する。i番目の個別電流生成回路224_iは、対応する電流検出信号VISに応じた個別電流Iiを生成する。平均電流生成回路226は、複数のチャンネルCH1〜CHMの個別電流I1〜IMの平均に相当する平均電流IAVEを生成する。
IAVE=(I1+I2+・・・+IM)/M
The plurality of individual current generation circuits 224_1 to 224_M correspond to the plurality of channels CH1 to CHM. The i-th individual current generation circuit 224_i generates an individual current I i corresponding to the corresponding current detection signal V IS . The average
I AVE = (I 1 + I 2 +... + I M ) / M
複数の差分電流生成回路228_1〜228_Mは、複数のチャンネルCH1〜CHMに対応する。i番目の差分電流生成回路228_iは、対応する個別電流Iiと平均電流IAVEとの差分電流ΔIiを生成する。差分電流ΔIiは、図7の波形図の電流偏差δI1に相当する。 The plurality of differential current generation circuits 228_1 to 228_M correspond to the plurality of channels CH1 to CHM. The i-th differential current generation circuit 228_i generates a differential current ΔI i between the corresponding individual current I i and the average current I AVE . The differential current ΔI i corresponds to the current deviation δI 1 in the waveform diagram of FIG.
複数の重畳回路230_1〜230_Mは、複数のチャンネルCH1〜CHMに対応する。i番目の重畳回路230_iは、補正信号VCMPiとして、対応する差分電流ΔIiに応じたオフセット電圧VOFSiを、対応するPWMコンパレータ206の非反転入力端子(+)、反転入力端子(−)のうち少なくとも一方に重畳する。
The plurality of superposition circuits 230_1 to 230_M correspond to the plurality of channels CH1 to CHM. The i-th superimposing circuit 230_i uses the offset voltage V OFSi corresponding to the corresponding differential current ΔI i as the correction signal V CMPi to the non-inverting input terminal (+) and the inverting input terminal (−) of the
図9は、重畳回路230の構成例を示す回路図である。重畳回路230_iは、オフセット用抵抗R21_i、第3キャパシタC21_iを含む。オフセット用抵抗R21は、第1端E1がエラーアンプ202の出力と接続され、第2端E2が、対応するPWMコンパレータ206_iの反転入力端子(−)と接続される。第3キャパシタC21_iは、オフセット用抵抗R21_iと並列に接続される。重畳回路230_iは、対応する差分電流ΔIiを、オフセット用抵抗R21_iの第2端にソースおよび/またはシンクする。
FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the superimposing
この重畳回路230においては、PWMコンパレータ206の反転入力端子(−)の電圧は、式(1)で与えられる。
VERRi=VERR+ΔVOFSi=VERR+R21×ΔIi …(1)
つまり共通の誤差電圧VERRに対して、チャンネルごとに独立して、差分電流ΔIiに比例したオフセット電圧VOFSiを重畳することができる。すなわち、各チャンネルの差分電流ΔIiは、もとの誤差信号VERRに影響を及ぼさない。
In the superimposing
V ERRi = V ERR + ΔV OFSi = V ERR + R 21 × ΔI i (1)
That is, the offset voltage V OFSi proportional to the differential current ΔI i can be superimposed on the common error voltage V ERR independently for each channel. That is, the differential current ΔI i of each channel does not affect the original error signal V ERR .
またオフセット用抵抗R21の抵抗値に応じて、電流バランスのゲインを調節できる。また第3キャパシタC21の容量に応じて、電流バランスの応答速度を調節できる。 Further, the current balance gain can be adjusted according to the resistance value of the offset resistor R21. Further, the response speed of the current balance can be adjusted according to the capacity of the third capacitor C21.
図10は、サンプルホールド回路222の構成例を示す回路図である。サンプルホールド回路222の入力端子Piは、CSi端子と接続され、電流検出信号VISを受ける。第1スイッチSW31および第2スイッチSW32は、入力端子Piと出力端子Poの間に直列に設けられる。第1キャパシタC31は、第1スイッチSW31および第2スイッチSW32の接続ノードと接続される。第2キャパシタC32は、出力端子Poと接続される。 FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration example of the sample hold circuit 222. Input terminal Pi of the sample-and-hold circuit 222 is connected to the CSi terminal receives the current detection signal V IS. The first switch SW31 and the second switch SW32 are provided in series between the input terminal Pi and the output terminal Po. First capacitor C31 is connected to a connection node of first switch SW31 and second switch SW32. The second capacitor C32 is connected to the output terminal Po.
図11は、図10のサンプルホールド回路222の動作波形図である。VLXは、図6のインダクタL1とスイッチングトランジスタM1の接続ノードの電圧、Vxは第1キャパシタC31の電圧を、Vyは第2キャパシタC32の電圧を示す。第1キャパシタC31および第2キャパシタC32それぞれの容量の比に応じて、サンプルホールド回路222のゲインおよび時定数を設定することができる。つまり第2キャパシタC32の容量が小さいほど、サンプルホールド回路222のゲインは高く、また応答性が速くなるが、高すぎるゲインは、系を不安定にする場合がある。そこで第2キャパシタC32の容量を第1キャパシタC31の容量より大きくすることで、適切なゲイン、時定数を実現できる。 FIG. 11 is an operation waveform diagram of the sample and hold circuit 222 of FIG. V LX is a voltage at a connection node between the inductor L1 and the switching transistor M1 in FIG. 6, Vx is a voltage of the first capacitor C31, and Vy is a voltage of the second capacitor C32. The gain and time constant of the sample and hold circuit 222 can be set according to the capacitance ratio of each of the first capacitor C31 and the second capacitor C32. That is, the smaller the capacitance of the second capacitor C32, the higher the gain of the sample and hold circuit 222 and the faster the response, but an excessively high gain may make the system unstable. Therefore, by setting the capacitance of the second capacitor C32 to be larger than the capacitance of the first capacitor C31, it is possible to realize an appropriate gain and time constant.
図12は、個別電流生成回路224、平均電流生成回路226、差分電流生成回路228の構成例を示す回路図である。複数の個別電流生成回路224は同様に構成されるため、第1チャンネルの構成を説明する。個別電流生成回路224_1は、V/I変換回路232および電流分配回路234を含む。V/I変換回路232は、対応する電流検出信号VIS1を電流信号I1Cに変換する。V/I変換回路232の構成は特に限定されず、さまざまな公知技術を用いることができる。電流分配回路234は、電流信号I1Cを2系統にコピーし、1系統の電流I1Aを平均電流生成回路226に、1系統の電流I1Bを対応する差分電流生成回路228_1に供給する。
FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration example of the individual
たとえば電流分配回路234は、V/I変換回路232のトランジスタM41のレプリカM42,M43、V/I変換回路232の抵抗R41のレプリカR42,R43を含んでもよい。トランジスタM41,M42,M43のゲートは共通に接続される。電流分配回路234の構成は特に限定されず、カレントミラー回路を用いることもできる。
For example, the
平均電流生成回路226は、カレントミラー回路を含む。カレントミラー回路は、入力トランジスタM50と、複数の出力トランジスタM51〜M5Mを含む。入力トランジスタM50には、複数のチャンネルCH1〜CHMの個別電流I1A〜IMAが入力される。入力トランジスタM50と、複数の出力トランジスタM51〜M5Mのサイズは、M:1であり、複数の出力トランジスタM51〜M5Mそれぞれに流れる電流が、平均電流IAVEとなる。
Average
差分電流生成回路228_iは、平均電流IAVEが流れる配線236と、個別電流IiBが流れる配線238と、重畳回路230に至る配線240の結線である。配線240には、差分電流ΔIi=IAVE−IiBが流れる。
The differential current generation circuit 228_i is a connection of the
なお、サンプルホールド回路222、個別電流生成回路224、平均電流生成回路226、差分電流生成回路228、重畳回路230それぞれの構成は特に限定されず、公知の回路を用いることができる。
Note that the configurations of the sample hold circuit 222, the individual
(第2実施例)
図13(a)、(b)は、DC/DCコンバータ100の第2実施例を示す回路図である。第2実施例において、各チャンネルのDC/DCコンバータは、ハイサイド側にNチャンネルMOSFETを有するブートストラップ方式で構成される。図13(a)、(b)には1チャンネル分の構成のみが示される。
(Second embodiment)
FIGS. 13A and 13B are circuit diagrams showing a second embodiment of the DC /
図13(a)のDC/DCコンバータ100は、降圧同期整流型のコンバータであり、スイッチングトランジスタM1がハイサイド側、同期整流トランジスタM2がローサイド側となる。ダイオードD2、ブートストラップキャパシタC2がブートストラップ回路を構成している。あるチャンネルにおいて、スイッチングトランジスタM1、同期整流トランジスタM2のスイッチングが停止すると、ブートストラップキャパシタC2が充電されなくなり、BST端子の電圧が低下するため、スイッチングトランジスタM1をターンオンできなくなる。このことは、あるチャンネルが非アクティブからアクティブに切りかわるとき、しばらくの間、スイッチングトランジスタM1をスイッチングできず、応答性が悪化することを意味する。図3〜図5を参照して説明したように、実施の形態に係るマルチチャンネル制御を併用すれば、すべてのチャンネルが動作することとなるため、ハイサイドトランジスタの停止を抑制できる。
The DC /
図13(b)のDC/DCコンバータ100は、昇圧同期整流型のコンバータであり、スイッチングトランジスタM1がローサイド側、同期整流トランジスタM2がハイサイド側となる。ダイオードD2、ブートストラップキャパシタC2がブートストラップ回路を構成している。あるチャンネルにおいて、スイッチングトランジスタM1、同期整流トランジスタM2のスイッチングが停止すると、ブートストラップキャパシタC2が充電されなくなり、BST端子の電圧が低下するため、同期整流トランジスタM2をターンオンできなくなる。このことは、あるチャンネルが非アクティブからアクティブに切りかわるとき、しばらくの間、同期整流トランジスタM2をスイッチングできず、すなわち同期整流トランジスタM2のボディダイオードを利用したダイオード整流回路として動作させることとなるため、効率が悪化することを意味する。図3〜図5を参照して説明したように、実施の形態に係るマルチチャンネル制御を併用すれば、すべてのチャンネルが動作することとなるため、効率の悪化を抑制できる。
The DC /
最後にDC/DCコンバータの例示的な用途を説明する。図14は、実施の形態に係るDC/DCコンバータを利用したシステム電源のブロック図である。 Finally, exemplary applications of the DC / DC converter will be described. FIG. 14 is a block diagram of a system power supply using the DC / DC converter according to the embodiment.
システム電源300は、多系統(この実施の形態では3系統)構成を有しており、系統SYS1〜SYS3ごとに異なる電源電圧VOUTを発生し、さまざまな負荷に供給可能となっている。
システム電源300は、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、リニアレギュレータの任意の組み合わせを含みうる。図14では、第1系統SYS1が降圧コンバータ410であり、第2系統SYS2が昇圧コンバータ420であり、第3系統SYS3はリニアレギュレータ(LDO:Low Drop Output)430である。リニアレギュレータは複数チャンネル分、設けられてもよい。降圧コンバータ410あるいは昇圧コンバータ420は、実施の形態で説明したDC/DCコンバータ100に対応する。図14では、DC/DCコンバータをシングルチャンネルとして示すが、マルチチャンネルマルチフェーズであってもよい。
システム電源300は、パワーマネージメントIC302と、その他の周辺回路部品を含む。パワーマネージメントIC400は、降圧コンバータ410の制御回路200、昇圧コンバータ420の制御回路200、リニアレギュレータ402、インタフェース回路404、シーケンサ406等を含む。そのほかパワーマネージメントIC400には、各種保護回路などが内蔵される。
The
インタフェース回路404は、外部のホストプロセッサとの間で、制御信号やデータを送受信するために設けられる。たとえばインタフェース回路404は、I2C(Inter IC)バスに準拠してもよい。シーケンサ406は、多系統の電源回路の起動の順序やタイミングを制御する。
The
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such modifications will be described.
(第1変形例)
実施の形態では、周期群TGに含まれるPWM周期の個数Kを、K=M/Lとしたが、本発明はそれには限定されない。図15(a)、(b)は、変形例に係るDC/DCコンバータの動作波形図である。図15(a)は、M=2、L=1の動作を示す。周期群TGはK=4であり、第1PWM周期T1〜第3PWM周期T3では第1チャンネルCH1がスイッチングされ、第2チャンネルCH2がハイインピーダンスである。第4PWM周期T4では第1チャンネルCH1がハイインピーダンスであり、第2チャンネルCH2がスイッチングされる。このように、第1チャンネルCH1を主として動作させ、その間に間欠的に第2チャンネルCH2を使用してもよい。
(First modification)
In the embodiment, the number K of PWM periods included in the period group TG is K = M / L, but the present invention is not limited to this. FIGS. 15A and 15B are operation waveform diagrams of a DC / DC converter according to a modification. FIG. 15A shows the operation of M = 2 and L = 1. The period group TG is K = 4. In the first PWM period T 1 to the third PWM period T 3 , the
図15(b)は、M=4、L=2の動作を示す。周期群TGはK=4であり、第1PWM周期T1、第2PWM周期T2では第1チャンネルCH1、第2チャンネルCH2がスイッチングされ、第3チャンネルCH3、第4チャンネルCH4がハイインピーダンスである。続く第3PWM周期T3、第4PWM周期T4では第3チャンネルCH3、第4チャンネルCH4がスイッチングされ、第1チャンネルCH1、第2チャンネルCH2がハイインピーダンスである。 FIG. 15B shows the operation of M = 4 and L = 2. The period group TG is K = 4. In the first PWM period T 1 and the second PWM period T 2 , the first channel CH1 and the second channel CH2 are switched, and the third channel CH3 and the fourth channel CH4 are high impedance. . In the subsequent third PWM cycle T 3 and fourth PWM cycle T 4 , the third channel CH3 and the fourth channel CH4 are switched, and the first channel CH1 and the second channel CH2 are high impedance.
(第2変形例)
DC/DCコンバータは、ダイオード整流型(非同期整流)であっても同期整流型であってもよい。昇圧DC/DCコンバータ、降圧DC/DCコンバータのほか、昇降圧DC/DCコンバータにも本発明は適用可能である。
(Second modification)
The DC / DC converter may be a diode rectification type (asynchronous rectification) or a synchronous rectification type. The present invention is applicable to a step-up / step-down DC / DC converter in addition to a step-up DC / DC converter and a step-down DC / DC converter.
(第3変形例)
図8の電流バランス回路220aに関して、サンプルホールド回路222に代えて、電流検出信号VISの平均値を生成する平均化回路を設けてもよい。平均化回路としては、ローパスフィルタを用いてもよい。
(Third Modification)
With respect to the
(第4変形例)
図6においてコイル電流ILの検出方法は特に限定されない。たとえば電流センス抵抗R1に代えて、スイッチングトランジスタM1のオン抵抗を利用してもよい。あるいはスイッチングトランジスタM1に比例した電流が流れるように接続されるスイッチングトランジスタM1のレプリカを設け、レプリカに流れる電流を検出してもよい。
(Fourth modification)
Detection method of the coil current I L in FIG. 6 is not particularly limited. For example, the on-resistance of the switching transistor M1 may be used in place of the current sense resistor R1. Alternatively, a replica of the switching transistor M1 connected so that a current proportional to the switching transistor M1 flows may be provided, and the current flowing through the replica may be detected.
(第5変形例)
図8の電流バランス回路220aでは、電圧信号である電流検出信号VIS1〜VISMを電流信号に変換した後に、加算、減算あるいは平均演算を行っているが、本発明はそれには限定されない。電圧信号である電流検出信号VIS1〜VISMのまま、加算、減算あるいは平均演算を行ってもよい。そのほかの信号についても同様である。
(5th modification)
In the
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments only illustrate the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many variations and modifications of the arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
100…DC/DCコンバータ、102…入力ライン、104…出力ライン、110…出力回路、M1…スイッチングトランジスタ、L1…インダクタ、C1…出力キャパシタ、D1…整流素子、200…制御回路、202…エラーアンプ、204…パルス幅変調器、206…PWMコンパレータ、208…ロジック回路、210…スロープ補償器、212…ドライバ、220…電流バランス回路、222…サンプルホールド回路、224…個別電流生成回路、226…平均電流生成回路、228…差分電流生成回路、230…重畳回路、R21…オフセット用抵抗、C21…第3キャパシタ、232…V/I変換回路、234…電流分配回路、250…マルチフェーズコントローラ、SW31…第1スイッチ、SW32…第2スイッチ、C31…第1キャパシタ、C32…第2キャパシタ、300…システム電源、400…パワーマネージメントIC、402…リニアレギュレータ、404…インタフェース回路、406…シーケンサ。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記DC/DCコンバータは、チャンネルごとに設けられたスイッチングトランジスタ、インダクタ、整流素子を有しており、
前記制御回路は、
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信号とその目標値の誤差を増幅し、誤差信号を生成するエラーアンプと、
Mチャンネルに対応するM個のパルス幅変調器であって、それぞれが、前記誤差信号に応じたデューティ比を有するPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成する、M個のパルス幅変調器と、
アクティブなチャンネル数L(1≦L≦M)を切りかえるマルチフェーズコントローラと、
を備え、
連続する少なくともひとつのPWM周期を周期群として、前記周期群に含まれる各PWM周期においては、L個のチャンネルのスイッチングトランジスタがオン、オフ制御され、残りの(M−L)個のチャンネルについては、前記スイッチングトランジスタと前記整流素子の接続点がハイインピーダンスとなるよう制御され、かつ、前記周期群の間に、M個のスイッチングトランジスタそれぞれが少なくとも1回、オン、オフ制御されることを特徴とする制御回路。 A control circuit for a DC / DC converter having a plurality of M channels (M is an integer of 2 or more),
The DC / DC converter includes a switching transistor, an inductor, and a rectifying element provided for each channel.
The control circuit includes:
An error amplifier for amplifying an error between a feedback signal corresponding to the output voltage of the DC / DC converter and its target value and generating an error signal;
M pulse width modulators corresponding to M channels, each of which generates a PWM (Pulse Width Modulation) signal having a duty ratio corresponding to the error signal;
A multi-phase controller that switches the number of active channels L (1 ≦ L ≦ M);
With
With at least one continuous PWM cycle as a cycle group, in each PWM cycle included in the cycle group, the switching transistors of L channels are on / off controlled, and the remaining (ML) channels are The connection point between the switching transistor and the rectifying element is controlled to have a high impedance, and each of the M switching transistors is controlled to be turned on and off at least once during the period group. Control circuit.
L=1であるとき、前記周期群は2個のPWM周期を含み、(i)前記周期群に含まれる第1PWM周期において、第1チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第2チャンネルがハイインピーダンスとなり、(ii)前記周期群に含まれる第2PWM周期において、前記第1チャンネルがハイインピーダンスとなり、前記第2チャンネルの前記スイッチングトランジスタがスイッチングし、
L=2であるとき、前記周期群は1個のPWM周期を含み、(i)前記周期群に含まれる1個のPWM周期において、前記第1チャンネルの前記スイッチングトランジスタ、前記第2チャンネルの前記スイッチングトランジスタがスイッチングすることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。 M = 2,
When L = 1, the period group includes two PWM periods. (I) In the first PWM period included in the period group, the switching transistor of the first channel switches, and the second channel becomes high impedance. (Ii) In the second PWM cycle included in the cycle group, the first channel becomes high impedance, and the switching transistor of the second channel is switched,
When L = 2, the period group includes one PWM period, and (i) in one PWM period included in the period group, the switching transistor of the first channel and the second channel The control circuit according to claim 1, wherein the switching transistor switches.
L=1であるとき、前記周期群は4個のPWM周期を含み、(i)前記周期群に含まれる第1PWM周期において、第1チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第2チャンネルから第4チャンネルがハイインピーダンスとなり、(ii)前記周期群に含まれる第2PWM周期において、前記第2チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第1、第3、第4チャンネルがハイインピーダンスとなり、(iii)前記周期群に含まれる第3PWM周期において、前記第3チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第1、第2、第4チャンネルがハイインピーダンスとなり、(iv)前記周期群に含まれる第4PWM周期において、前記第4チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、第1、第2、第3チャンネルがハイインピーダンスとなり、
L=2であるとき、前記周期群は2個のPWM周期を含み、(i)前記周期群に含まれる第1PWM周期において、前記第1から第4チャンネルのうち2チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、残りの2チャンネルがハイインピーダンスとなり、(ii)前記周期群に含まれる第2PWM周期において、前記残りの2チャンネルのスイッチングトランジスタがスイッチングし、前記2チャンネルがハイインピーダンスとなり、
L=4であるとき、前記周期群は1個のPWM周期を含み、(i)前記周期群に含まれる単一のPWM周期において、前記第1から第4チャンネルの前記スイッチングトランジスタがスイッチングすることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。 M = 4,
When L = 1, the period group includes four PWM periods. (I) In the first PWM period included in the period group, the switching transistor of the first channel switches, and the second channel to the fourth channel. Becomes high impedance, (ii) in the second PWM period included in the period group, the switching transistor of the second channel is switched, and the first, third, and fourth channels become high impedance, and (iii) the period group The third channel switching transistor switches in the third PWM cycle included in the first PWM channel, and the first, second, and fourth channels become high impedance. (Iv) In the fourth PWM cycle included in the cycle group, The channel switching transistor switches and , The second, third channel becomes high impedance,
When L = 2, the period group includes two PWM periods. (I) In the first PWM period included in the period group, two channel switching transistors of the first to fourth channels are switched. The remaining two channels become high impedance. (Ii) In the second PWM period included in the period group, the remaining two channels of switching transistors are switched, and the two channels become high impedance.
When L = 4, the period group includes one PWM period, and (i) the switching transistors of the first to fourth channels switch in a single PWM period included in the period group. The control circuit according to claim 1.
L=4であるとき、前記単一のPWM周期において、4チャンネルのスイッチングトランジスタが90°の位相差でスイッチングすることを特徴とする請求項4に記載の制御回路。 When L = 2, in the first PWM period, the two channel switching transistors switch with a phase difference of 180 °, and in the second PWM period, the remaining two channel switching transistors switch with a phase difference of 180 °. And
5. The control circuit according to claim 4, wherein when L = 4, the switching transistors of four channels switch with a phase difference of 90 ° in the single PWM cycle. 6.
前記制御回路は、
複数Mチャンネルそれぞれについて、対応する前記電流検出信号と、前記複数Mチャンネルの前記電流検出信号の平均値との差分に応じた補正信号を、対応する前記コンパレータの2つの入力のうち少なくとも一方に重畳する電流バランス回路
をさらに備え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。 Each of the M pulse width modulators is in a peak current mode, each of which compares a current detection signal indicating a current flowing through a corresponding switching transistor with the error signal, and according to an output of the comparator A logic circuit for transitioning the PWM signal to an off level,
The control circuit includes:
For each of a plurality of M channels, a correction signal corresponding to the difference between the corresponding current detection signal and the average value of the current detection signals of the plurality of M channels is superimposed on at least one of the two inputs of the corresponding comparator. The control circuit according to any one of claims 1 to 6, further comprising a current balance circuit.
前記DC/DCコンバータは、チャンネルごとに設けられたスイッチングトランジスタ、インダクタ、整流素子を有しており、
前記制御方法は、
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信号とその目標値の誤差を増幅し、誤差信号を生成するステップと、
アクティブなチャンネル数L(1≦L≦M)を選択するステップと、
チャンネルごとに、前記誤差信号に応じたデューティ比を有するPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成するステップと、
連続する少なくともひとつのPWM周期を周期群として、前記周期群に含まれる各PWM周期においては、L個のチャンネルのスイッチングトランジスタをオン、オフ制御し、残りの(M−L)個のチャンネルについては、前記スイッチングトランジスタと前記整流素子の接続点がハイインピーダンスとなるよう制御し、かつ、前記周期群の間に、M個のスイッチングトランジスタそれぞれが少なくとも1回、オン、オフ制御するステップと、
を備えることを特徴とする制御方法。 A method for controlling a plurality of M channels (M is an integer of 2 or more) DC / DC converter,
The DC / DC converter includes a switching transistor, an inductor, and a rectifying element provided for each channel.
The control method is:
Amplifying an error between the feedback signal corresponding to the output voltage of the DC / DC converter and its target value, and generating an error signal;
Selecting the number L of active channels (1 ≦ L ≦ M);
Generating a PWM (Pulse Width Modulation) signal having a duty ratio according to the error signal for each channel;
Using at least one continuous PWM cycle as a cycle group, in each PWM cycle included in the cycle group, the switching transistors of L channels are turned on and off, and the remaining (ML) channels are controlled. Controlling the connection point of the switching transistor and the rectifying element to be high impedance, and controlling each of the M switching transistors at least once during the period group; and
A control method comprising:
各チャンネルについて、コンパレータを用いて、対応するスイッチングトランジスタに流れる電流を示す電流検出信号を前記誤差信号と比較するステップと、
前記比較するステップの結果にもとづいて、前記PWM(Pulse Width Modulation)信号をオフレベルに遷移させるステップと、
を含み、
前記制御方法は、
複数Mチャンネルそれぞれについて、対応する前記電流検出信号と、前記複数Mチャンネルの前記電流検出信号の平均値との差分に応じた補正信号を、対応する前記コンパレータの2つの入力のうち少なくとも一方に重畳するステップをさらに備えることを特徴とする請求項14に記載の制御方法。 The step of generating the PWM signal includes:
For each channel, using a comparator, comparing a current detection signal indicating a current flowing through the corresponding switching transistor with the error signal;
Transitioning the PWM (Pulse Width Modulation) signal to an off level based on the result of the comparing step;
Including
The control method is:
For each of a plurality of M channels, a correction signal corresponding to the difference between the corresponding current detection signal and the average value of the current detection signals of the plurality of M channels is superimposed on at least one of the two inputs of the corresponding comparator. The control method according to claim 14, further comprising the step of:
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