JP2017093159A - Step-down dc/dc converter and control circuit, control method therefor, on-vehicle power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、降圧DC/DCコンバータに関する。 The present invention relates to a step-down 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。図1は、降圧(Buck)DC/DCコンバータの回路図である。DC/DCコンバータ100Rは、入力端子102に直流入力電圧VINを受け、出力端子104に降圧された出力電圧VOUTを発生する。DC/DCコンバータ100Rは、出力回路110および制御回路200Rを備える。出力回路110Rは主としてスイッチングトランジスタM1、インダクタL1、整流ダイオードD1、出力キャパシタC1を含む。出力キャパシタC1は出力端子104と接続される。インダクタL1の一端は、制御回路200Rのスイッチング(LX)端子と接続され、その他端は出力端子104と接続される。整流ダイオードD1のアノードは接地され、そのカソードはLX端子と接続される。
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. FIG. 1 is a circuit diagram of a step-down (Buck) DC / DC converter. The DC /
スイッチングトランジスタM1は、制御回路200Rに内蔵される。制御回路200RのVCC端子は、入力端子102と接続され、直流の入力電圧VINが供給される。スイッチングトランジスタM1は、NチャンネルMOSFETであり、そのソースがLX端子と接続され、そのドレインはVCC端子と接続される。
The switching transistor M1 is built in the
検出端子(VS)には、DC/DCコンバータ100Rあるいは出力端子104に接続される負荷(不図示)の状態(電流や電圧、電力など)を示す信号がフィードバックされる。パルス発生器202Rは、DC/DCコンバータ100Rあるいは負荷の状態が目標とする状態に近づくように、デューティ比、周波数、あるいはそれらの組み合わせが変化するパルス信号(ハイサイドパルス)S1を生成する。たとえば定電圧出力のDC/DCコンバータ100Rにおいては、パルス発生器202Rは、出力電圧VOUTに応じた電圧検出信号VSが目標値VREFに近づくように、ハイサイドパルスS1を生成する。
A signal indicating the state (current, voltage, power, etc.) of a load (not shown) connected to the DC /
ドライバ204は、ハイサイドパルスS1にもとづいてスイッチングトランジスタM1をスイッチングする。上述のようにスイッチングトランジスタM1にNチャンネルトランジスタを用いる場合、それをターンオンするために、スイッチングトランジスタM1のゲートに、ドレインおよびソースの電圧(すなわち入力電圧VIN)より高い電圧を印加する必要があり、このためにブートストラップ回路210が設けられる。ブートストラップ回路210は、ブートストラップキャパシタC2、整流素子212、トランジスタ214、ブートストラップ用電源回路220、を含む。ブートストラップキャパシタC2は、LX端子とブートストラップ(BST)端子の間に外付けされる。ブートストラップ用電源回路220は定電圧VCCBSTを生成する。整流素子212は、BST端子とブートストラップ用電源回路220の出力の間に設けられる。トランジスタ214は、LX端子と接地の間に設けられる。ドライバ204の上側電源端子には、BST端子の電圧VBSTが供給される。
The
スイッチングトランジスタM1がオフの期間、トランジスタ214がオンとなり、ブートストラップキャパシタC2の一端(LX側)が接地される。この状態で、ブートストラップキャパシタC2の他端(BST側)に、整流素子212を介して電圧VCCBSTが印加され、ブートストラップキャパシタC2の両端間が、VCCBST−VFで充電される。VFは整流素子212の順方向電圧である。ここでVCCBST−VF>VGS(TH)を満たす。VGS(TH)はスイッチングトランジスタM1のゲートソース間しきい値電圧である。
While the switching transistor M1 is off, the
スイッチングトランジスタM1のターンオン期間において、スイッチングトランジスタM1のソース電圧をVLXとすると、BST端子の電圧VBSTは、VBST=VLX+(VCCBST−VF)となる。ドライバ204は、この電圧VBSTをハイレベル電圧として、スイッチングトランジスタM1のゲートに印加する。このときスイッチングトランジスタM1のゲートソース間電圧VGSは、VGS=VBST−VLX=(VCCBST−VF)となり、VGS>VGS(TH)となるため、スイッチングトランジスタM1がターンオンする。
When the source voltage of the switching transistor M1 is V LX during the turn-on period of the switching transistor M1, the voltage V BST at the BST terminal is V BST = V LX + (V CCBST −V F ). The
パルス発生器202Rは、エラーアンプ400およびパルス幅変調器402を備える。エラーアンプ400は、電圧検出信号VSとその目標値VREFの誤差を増幅し、フィードバック信号VFBを生成する。たとえばエラーアンプ400は、トランスコンダクタンスアンプgmと、位相補償用の抵抗およびキャパシタを含みうる。パルス幅変調器402は、フィードバック信号VFBに応じたデューティ比を有するPWM信号を生成し、PWM信号に応じたハイサイドパルスS1を出力する。
The
本発明者らは、図1のDC/DCコンバータ100R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は、図1のDC/DCコンバータ100Rの動作波形図である。時刻t0より前は、DC/DCコンバータ100Rには出力電圧VOUTの目標値VOUT(REF)(たとえば5V)に対して十分に高い入力電圧VIN(たとえば12V)が供給されている。定常状態におけるスイッチングトランジスタM1のスイッチングのデューティ比Dは、入力電圧VINと出力電圧VOUTの目標値VREF(REF)比に応じて定まる。定常状態ではフィードバック信号VFBは、このデューティ比Dが得られる電圧レベルV1に安定化されている。
D=VOUT(REF)/VIN
As a result of studying the DC /
D = V OUT (REF) / V IN
時刻t0に入力電圧VINが変動し、出力電圧の目標値VOUT(REF)付近の5V(あるいはそれ以下)まで低下する(減電圧状態)。一般的なDC/DCコンバータの制御回路においては、ハイサイドパルスS1のデューティ比の上限(最大デューティ比DMAX)が設定され、最大デューティ比DMAXを超えない範囲でパルス信号S1のデューティ比が制御される。特にブートストラップ型のコンバータでは、ブートストラップキャパシタC2の電圧を充電するために、ハイサイドパルスS1のオフ期間が必要となるため、最大デューティ比DMAXは重要である。たとえば最大デューティ比DMAXは90%程度に規定される。 At time t0, the input voltage VIN changes and drops to 5 V (or lower) near the output voltage target value VOUT (REF) (lower voltage state). In a general DC / DC converter control circuit, an upper limit (maximum duty ratio D MAX ) of the duty ratio of the high side pulse S1 is set, and the duty ratio of the pulse signal S1 is within a range not exceeding the maximum duty ratio D MAX. Be controlled. In particular, in the bootstrap type converter, since the off period of the high side pulse S1 is required to charge the voltage of the bootstrap capacitor C2, the maximum duty ratio D MAX is important. For example, the maximum duty ratio D MAX is defined to be about 90%.
入力電圧VINと目標値VOUT(REF)に近接する状態においては、出力電圧VOUTは、VIN×DMAX(=5V×0.9=0.45V)に保たれ、目標値VOUT(REF)を維持できなくなっている。このときフィードバック信号VFBは、エラーアンプ400の電源電圧である電圧レベルV2に張り付いており、実質的にフィードバックがかからない状態となっている。
In a state close to the input voltage V IN and the target value V OUT (REF) , the output voltage V OUT is kept at V IN × D MAX (= 5 V × 0.9 = 0.45 V), and the target value V OUT (REF) cannot be maintained. At this time, the feedback signal V FB is stuck to the voltage level V 2 that is the power supply voltage of the
時刻t1に、入力電圧VINが通常の電圧レベル(12V)に復帰する。そうすると、フィードバック信号VFBは元の電圧レベルV1に向かって低下し始める。フィードバック電圧VFBが変化する速度は、位相補償の容量などによって制約を受けるため、フィードバック電圧VFBが元の電圧レベルV1に到達するまでに遅延時間が発生する。この応答遅れにより、VOUT(REF)/VINで決まるデューティ比よりも大きなデューティ比を有するPWM信号が生成され、その結果、出力電圧VOUTはオーバーシュートする。 At time t1, the input voltage VIN returns to the normal voltage level (12V). Then, the feedback signal V FB starts to decrease toward the original voltage level V 1 . Since the speed at which the feedback voltage V FB changes is limited by the phase compensation capacity or the like, a delay time occurs until the feedback voltage V FB reaches the original voltage level V 1 . Due to this response delay, a PWM signal having a duty ratio larger than the duty ratio determined by V OUT (REF) / V IN is generated, and as a result, the output voltage VOUT overshoots.
なおこのような問題は、スイッチングトランジスタM1がNチャンネルMOSFETであるDC/DCコンバータには限らず、PチャンネルMOSFETのコンバータにおいても生じうる。 Such a problem may occur not only in a DC / DC converter in which the switching transistor M1 is an N-channel MOSFET but also in a P-channel MOSFET converter.
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、オーバーシュートを抑制可能な降圧DC/DCコンバータあるいは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-mentioned problems, and one of exemplary purposes of an embodiment thereof is to provide a step-down DC / DC converter or a control circuit thereof capable of suppressing overshoot.
本発明のある態様は、スイッチングトランジスタを有する降圧DC/DCコンバータの制御回路に関する。制御回路は、DC/DCコンバータの出力電圧が目標値に近づくように、スイッチングトランジスタのオンオフを指示するハイサイドパルスを生成するパルス発生器と、ハイサイドパルスにもとづきスイッチングトランジスタを駆動するドライバと、を備える。パルス発生器は、出力電圧に応じた電圧検出信号とその目標値の誤差を増幅し、フィードバック信号を生成するエラーアンプと、フィードバック信号に応じたデューティ比を有するPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、PWM信号に応じたハイサイドパルスを出力するパルス幅変調器と、イネーブル状態、ディセーブル状態が切りかえ可能であり、イネーブル状態において、出力電圧がその目標値より高く定められたしきい値電圧を超えると、エラーアンプから出力されるフィードバック信号を低下させるとともに、ハイサイドパルスをオフレベルとするオーバーシュート抑制回路と、を含む。 One embodiment of the present invention relates to a control circuit for a step-down DC / DC converter having a switching transistor. The control circuit includes a pulse generator that generates a high-side pulse that instructs on / off of the switching transistor so that the output voltage of the DC / DC converter approaches a target value, a driver that drives the switching transistor based on the high-side pulse, Is provided. The pulse generator amplifies the error between the voltage detection signal corresponding to the output voltage and its target value, generates an error amplifier that generates a feedback signal, and generates a PWM (Pulse Width Modulation) signal having a duty ratio according to the feedback signal And a pulse width modulator that outputs a high-side pulse in accordance with the PWM signal, and a threshold voltage that can be switched between an enable state and a disable state, and in which the output voltage is higher than the target value in the enable state. Exceeding the above, a feedback signal output from the error amplifier is reduced, and an overshoot suppression circuit that turns off the high-side pulse is included.
オーバーシュート抑制回路のイネーブル状態において、オーバーシュートが発生すると、直ちにハイサイドパルスがオフレベルとなり、さらなる電圧上昇が抑制される。またオーバーシュートが発生すると、フィードバック信号を強制的に低下させることにより、短時間で適切なデューティ比に近づけることができ、オーバーシュートを抑制できる。 When an overshoot occurs in the enable state of the overshoot suppression circuit, the high side pulse is immediately turned off and further voltage increase is suppressed. Further, when overshoot occurs, the feedback signal is forcibly lowered, so that it can be brought close to an appropriate duty ratio in a short time, and overshoot can be suppressed.
ある態様においてパルス発生器は、降圧DC/DCコンバータの状態にもとづいてオーバーシュート抑制回路の状態を切りかえる判定回路をさらに備えてもよい。 In one aspect, the pulse generator may further include a determination circuit that switches a state of the overshoot suppression circuit based on a state of the step-down DC / DC converter.
判定回路は、PWM信号が所定の最大デューティ比を超えたときに、オーバーシュート抑制回路をイネーブル状態としてもよい。PWM信号が所定の最大デューティ比を超えた状態は、オーバーシュートが生じやすいといえるため、オーバーシュート抑制回路を動作させる状況として好適である。 The determination circuit may enable the overshoot suppression circuit when the PWM signal exceeds a predetermined maximum duty ratio. When the PWM signal exceeds a predetermined maximum duty ratio, it can be said that overshoot is likely to occur, which is suitable for operating the overshoot suppression circuit.
判定回路は、降圧DC/DCコンバータの減電圧状態においてオーバーシュート抑制回路をイネーブル状態としてもよい。減電圧状態は、入力電圧と出力電圧の目標値の差が所定値より小さい状態を含む。減電圧状態はオーバーシュートが生じやすいといえるため、オーバーシュート抑制回路を動作させる状況として好適である。 The determination circuit may enable the overshoot suppression circuit in the reduced voltage state of the step-down DC / DC converter. The reduced voltage state includes a state where the difference between the target value of the input voltage and the output voltage is smaller than a predetermined value. Since it can be said that overshoot is likely to occur in the reduced voltage state, it is suitable as a situation where the overshoot suppression circuit is operated.
あるいはオーバーシュート抑制回路は、制御回路の外部からの制御信号に応じてイネーブル状態、ディセーブル状態が切りかえられてもよい。 Alternatively, the overshoot suppression circuit may be switched between the enable state and the disable state according to a control signal from the outside of the control circuit.
オーバーシュート抑制回路は、エラーアンプの出力端子と接地の間に設けられたスイッチを含んでもよい。スイッチをオンすることで、エラーアンプの出力に接続される容量を放電でき、フィードバック信号を低下させることができる。 The overshoot suppression circuit may include a switch provided between the output terminal of the error amplifier and the ground. By turning on the switch, the capacitor connected to the output of the error amplifier can be discharged, and the feedback signal can be lowered.
オーバーシュート抑制回路は、出力電圧に応じた電圧を、所定のしきい値電圧と比較するコンパレータを含んでもよい。 The overshoot suppression circuit may include a comparator that compares a voltage corresponding to the output voltage with a predetermined threshold voltage.
パルス幅変調器は、ハイサイドパルスをオフレベルに遷移させるトリガーとなるオフ信号を生成するオフ信号生成部を含んでもよい。オーバーシュート抑制回路は、オフ信号がアサートされないサイクルが検出されると、イネーブル状態となってもよい。 The pulse width modulator may include an off signal generation unit that generates an off signal serving as a trigger for transitioning the high side pulse to an off level. The overshoot suppression circuit may be enabled when a cycle in which the off signal is not asserted is detected.
オーバーシュート抑制回路は、オフ信号がアサートされないサイクルが所定数持続すると、イネーブル状態となってもよい。 The overshoot suppression circuit may be enabled after a predetermined number of cycles in which the off signal is not asserted.
オーバーシュート抑制回路は、PWM信号またはハイサイドパルスのデューティ比が所定の最大デューティ比より大きいときに、イネーブル状態となってもよい。 The overshoot suppression circuit may be enabled when the duty ratio of the PWM signal or the high side pulse is larger than a predetermined maximum duty ratio.
パルス幅変調器は、所定の周期ごとにアサートされるオン信号を生成するオシレータと、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がフィードバック信号に達するとアサートされるオフ信号を生成するPWMコンパレータと、オン信号、オフ信号に応じてレベルが変化するPWM信号を生成するロジック回路と、を含んでもよい。オーバーシュート抑制回路は、オフ信号がアサートされないサイクルが検出されると、イネーブル状態となってもよい。 The pulse width modulator includes an oscillator that generates an ON signal that is asserted every predetermined period, a PWM comparator that generates an OFF signal that is asserted when a current detection signal indicating a current flowing through the switching transistor reaches a feedback signal, And a logic circuit that generates a PWM signal whose level changes in response to an on signal and an off signal. The overshoot suppression circuit may be enabled when a cycle in which the off signal is not asserted is detected.
パルス幅変調器は、三角波、のこぎり波、ランプ波のいずれかである周期信号を生成するオシレータと、フィードバック信号を周期信号と比較するPWMコンパレータと、を含んでもよい。オーバーシュート抑制回路は、PWMコンパレータの出力信号が遷移しないサイクルが検出されるとイネーブル状態となってもよい。 The pulse width modulator may include an oscillator that generates a periodic signal that is one of a triangular wave, a sawtooth wave, and a ramp wave, and a PWM comparator that compares the feedback signal with the periodic signal. The overshoot suppression circuit may be enabled when a cycle in which the output signal of the PWM comparator does not transition is detected.
スイッチングトランジスタはNチャンネルトランジスタであり、制御回路は、ブートストラップキャパシタを充電するブートストラップ回路をさらに備えてもよい。パルス発生器は、1サイクルの間、ハイサイドパルスがオフレベルに遷移しない状態を検出するモードコントローラを含み、当該状態が検出されるとスキップモードに移行し、スキップモードにおいて(i)複数サイクルにわたり、ハイサイドパルスをオンレベルに維持する第1期間と、(ii)ハイサイドパルスを強制的にオフレベルに遷移させるとともに、ブートストラップ回路によりブートストラップキャパシタを充電させる第2期間と、を繰り返す。 The switching transistor is an N-channel transistor, and the control circuit may further include a bootstrap circuit that charges the bootstrap capacitor. The pulse generator includes a mode controller that detects a state in which the high-side pulse does not transition to the off-level for one cycle. When the state is detected, the pulse generator shifts to the skip mode. The first period in which the high side pulse is maintained at the on level and the second period in which (ii) the high side pulse is forcibly shifted to the off level and the bootstrap capacitor is charged by the bootstrap circuit are repeated.
オーバーシュート抑制回路は、スキップモードに移行すると、アクティブとなってもよい。 The overshoot suppression circuit may become active when the skip mode is entered.
ある態様の制御回路は、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。 The control circuit of a certain aspect 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、降圧DC/DCコンバータに関する。降圧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 step-down DC / DC converter. The step-down DC / DC converter includes any of the control circuits described above.
本発明のさらに別の態様は、車載用電源装置に関する。車載用電源装置は、上述の降圧DC/DCコンバータを備える。 Yet another embodiment of the present invention relates to an in-vehicle power supply device. The in-vehicle power supply device includes the step-down DC / DC converter described above.
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、降圧DC/DCコンバータにおいて、オーバーシュートを抑制できる。 According to an aspect of the present invention, overshoot can be suppressed in a step-down DC / DC converter.
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.
(第1の実施の形態)
図3は、第1の実施の形態に係る降圧DC/DCコンバータ(単に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と同様に入力端子102に直流入力電圧VINを受け、出力端子104に降圧された出力電圧VOUTを発生する。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。本実施の形態では、一例として定電圧出力のDC/DCコンバータを説明する。
(First embodiment)
FIG. 3 is a circuit diagram of the step-down DC / DC converter (simply DC / DC converter) 100 according to the first embodiment. As in FIG. 1, the DC /
出力回路110は、図1の出力回路110Rに加えて、抵抗R11,R12を含む。抵抗R11,R12は、制御対象である出力電圧VOUTを分圧して得られる電圧検出信号VSを制御回路200の電圧検出(VS)端子に供給する。抵抗R11,R12は制御回路200に内蔵されてもよい。
The
制御回路200は、NチャンネルMOSFETであるスイッチングトランジスタM1に加えて、パルス発生器(パルス変調器ともいう)202、ドライバ204、ブートストラップ回路210を備え、ひとつの半導体基板に一体集積化された機能IC(Integrated Circuit)である。スイッチングトランジスタM1のドレインはVCC端子と、そのソースはLX端子と接続される。
The
パルス発生器202は、DC/DCコンバータ100の出力端子104の電圧VOUTが目標値VOUT(REF)に近づくように、具体的には出力電圧VOUTに応じた電圧検出信号VSがその目標値VREFに近づくようにデューティ比、周波数、あるいはそれらの組み合わせが変化するパルス信号(ハイサイドパルスともいう)S1を生成する。またパルス発生器202は、トランジスタ214を制御するためのローサイドパルスS2を生成する。ローサイドパルスS2は、ハイサイドパルスS1の相補信号であってもよい。またスイッチングトランジスタM1とトランジスタ214の同時オンを防止するようにデッドタイムが挿入されてもよい。
Specifically, the
パルス発生器202は、公知技術を用いればよく、その制御方式、構成は特に限定されない。制御方式に関しては、電圧モード、ピーク電流モード、平均電流モード、ヒステリシス制御(Bang-Bang制御)、ボトム検出オン時間固定(COT:Constant On Time)方式などを採用しうる。またハイサイドパルスS1の変調方式としては、パルス幅変調やパルス周波数変調などが採用しうる。
A known technique may be used for the
ドライバ204は、ハイサイドパルスS1にもとづいてスイッチングトランジスタM1をスイッチングする。上述のようにスイッチングトランジスタM1にNチャンネルトランジスタを用いる場合、それをターンオンするために、スイッチングトランジスタM1のゲートに、ドレインおよびソースの電圧(すなわち入力電圧VIN)より高い電圧を印加する必要があり、このためにブートストラップ回路210が設けられる。ブートストラップ回路210の構成は、図1を参照して説明した通りである。ブートストラップ用電源回路220は、定電圧VCCBSTを生成する。整流素子212は、BST端子とブートストラップ用電源回路220の出力の間に設けられる。トランジスタ214は、LX端子と接地の間に設けられる。ドライバ204の上側電源端子にはBST端子の電圧VBSTが供給され、その下側電源端子はLX端子と接続される。ドライバ216は、ブートストラップキャパシタC2の充電期間において、ローサイドパルスS2に応じてトランジスタ214をオンする。
The
スイッチングトランジスタM1がオフの期間、トランジスタ214がオンとなり、ブートストラップキャパシタC2の一端(LX側)が接地される。この状態で、ブートストラップキャパシタC2の他端(BST側)に、整流素子212を介して電圧VCCBSTが印加され、ブートストラップキャパシタC2の両端間が、VCCBST−VFで充電される。VFは整流素子212の順方向電圧である。ここでVCCBST−VF>VGS(TH)を満たす。VGS(TH)はスイッチングトランジスタM1のゲートソース間しきい値電圧である。整流素子212として、スイッチングトランジスタM1と同期してオン、オフが切り替わるスイッチを用いてもよい。
While the switching transistor M1 is off, the
スイッチングトランジスタM1のターンオン期間において、スイッチングトランジスタM1のソース電圧をVLXとすると、BST端子の電圧VBSTは、VBST=VLX+(VCCBST−VF)となる。ドライバ204は、この電圧VBSTをハイレベル電圧として、スイッチングトランジスタM1のゲートに印加する。このときスイッチングトランジスタM1のゲートソース間電圧VGSは、VGS=VBST−VLX=(VCCBST−VF)となり、VGS>VGS(TH)となるため、スイッチングトランジスタM1がターンオンする。
When the source voltage of the switching transistor M1 is V LX during the turn-on period of the switching transistor M1, the voltage V BST at the BST terminal is V BST = V LX + (V CCBST −V F ). The
パルス発生器202は、エラーアンプ400、パルス幅変調器402およびオーバーシュート抑制回路410を備える。エラーアンプ400は、電圧検出信号VSとその目標値VREFの誤差を増幅し、フィードバック信号VFBを生成する。たとえばエラーアンプ400は、トランスコンダクタンスアンプgmと、位相補償用の抵抗およびキャパシタを含みうるが、その構成は特に限定されず、別の構成のエラーアンプを用いてもよい。パルス幅変調器402は、フィードバック信号VFBに応じたデューティ比を有するPWM信号を生成し、PWM信号に応じたハイサイドパルスS1を出力する。
The
オーバーシュート抑制回路410は、イネーブル信号S5に応じて、イネーブル状態、ディセーブル状態が切りかえ可能である。イネーブル信号S5は、制御回路200の外部から受けてもよいし、制御回路200の内部で生成してもよい。
The
オーバーシュート抑制回路410はイネーブル状態において、出力電圧VOUTがその目標値VOUT(REF)より高く定められたしきい値電圧VOVPを超えると、フィードバック信号VFBを強制的に低下させるとともに、ハイサイドパルスS1をオフレベルとする。たとえばしきい値電圧VOVPは、目標値VOUT(REF)よりも数%(10%以下)高い電圧とすることが望ましい。なお一般的な過電圧保護を目的としたしきい値は、目標値VOUT(REF)よりも数十%高いレベルに設定される点に留意されたい。
In the enable state, the
オーバーシュート抑制回路410の構成は特に限定されるものではない。たとえばオーバーシュート抑制回路410は、スイッチ412およびコンパレータ414を含む。コンパレータ414は、出力電圧VOUTに応じた信号(電圧検出信号VS)を、しきい値電圧VOVPに応じたしきい値電圧VTHと比較し、VS>VOVPのとき出力S6をアサート(ハイレベル)する。スイッチ412は、エラーアンプ400の出力端子と接地の間に設けられ、コンパレータ414の出力S6がアサートされるとオンする。コンパレータ414の出力S6は、パルス幅変調器402に入力されており、パルス幅変調器402は信号S6のアサートに応答して、ハイサイドパルスS1をオフレベルに遷移させる。
The configuration of the
オーバーシュート抑制回路410のイネーブル状態、ディセーブル状態を切りかえる方法も特には限定されない。たとえば図3のオーバーシュート抑制回路410においては、ディセーブル状態を実現するために、コンパレータ414の出力S6をローレベルで固定してもよい。あるいはコンパレータ414を停止してもよい。あるいはコンパレータ414に入力されるしきい値電圧VTHを、非常に高い値に設定してもよい。
A method for switching the enable state and the disable state of the
オーバーシュート抑制回路410を常時イネーブル状態にすると、負荷変動などの要因によって出力電圧VOUTが上昇した場合にも、フィードバック信号VFBが低下し、またスイッチングトランジスタM1が強制オフし、好ましくない。そこでオーバーシュート抑制回路410は、オーバーシュートが発生しやすい状況においてイネーブル状態とすることが望ましい。
If the
パルス発生器202は、オーバーシュート抑制回路410の状態を切りかえる判定回路420をさらに備えてもよい。判定回路420は、降圧DC/DCコンバータ100の状態にもとづいて、オーバーシュートが発生しやすい状況を判定し、オーバーシュート抑制回路410を切りかえてもよい。
The
たとえば判定回路420は、PWM信号が所定の最大デューティ比を超えたときに、オーバーシュート抑制回路410をイネーブル状態としてもよい。PWM信号が所定の最大デューティ比を超えた状態は、オーバーシュートが生じやすいといえるため、オーバーシュート抑制回路を動作させる状況として好適である。
For example, the
あるいは判定回路420は、降圧DC/DCコンバータ100への入力電圧VINが低い減電圧状態においてオーバーシュート抑制回路410をイネーブル状態としてもよい。減電圧状態はオーバーシュートが生じやすいといえるため、オーバーシュート抑制回路410を動作させる状況として好適である。
Alternatively, the
そのほか判定回路420は、出力電圧VOUT(電圧検出信号VS)が変化しても、その変化がPWM信号のデューティ比に反映されない状況において、オーバーシュート抑制回路410をイネーブル状態としてもよい。
In addition, even when the output voltage V OUT (voltage detection signal V S ) changes, the
以上が第1の実施の形態に係る制御回路200の構成である。続いてその動作を説明する。図4は、図3のDC/DCコンバータ100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。
The above is the configuration of the
時刻t0より前は、DC/DCコンバータ100には出力電圧VOUTの目標値VOUT(REF)(たとえば5V)に対して十分に高い入力電圧VIN(たとえば12V)が供給されている。このときのスイッチングトランジスタM1のスイッチングのデューティ比Dは、入力電圧VINと出力電圧VOUTの目標値VREF(REF)比に応じて定まる。フィードバック信号VFBは、このデューティ比Dが得られる電圧レベルV1に安定化されている。
D=VOUT(REF)/VIN
Prior to time t0, the DC /
D = V OUT (REF) / V IN
時刻t0に入力電圧VINが変動し、出力電圧の目標値VOUT(REF)付近の5V(あるいはそれ以下)まで低下する(減電圧状態)。このとき出力電圧VOUTは、VIN×DMAX(=5V×0.9=0.45V)に保たれ、目標値VOUT(REF)を維持できなくなっている。このときフィードバック信号VFBは、エラーアンプ400の電源電圧である電圧レベルV2に張り付いており、実質的にフィードバックがかからない状態となっている。この状態において判定回路420はイネーブル信号S5をアサートし、オーバーシュート抑制回路410をイネーブル状態とし、やがて現れるであろうオーバーシュートに備える。
At time t0, the input voltage VIN changes and drops to 5 V (or lower) near the output voltage target value VOUT (REF) (lower voltage state). At this time, the output voltage V OUT is maintained at V IN × D MAX (= 5 V × 0.9 = 0.45 V), and the target value V OUT (REF) cannot be maintained. At this time, the feedback signal V FB is stuck to the voltage level V 2 that is the power supply voltage of the
時刻t1に、入力電圧VINが通常の電圧レベル(12V)に復帰する。そうすると、フィードバック信号VFBは元の電圧レベルV1に向かって低下し始める。フィードバック系の応答遅れにより、VOUT(REF)/VINで決まるデューティ比よりも大きなデューティ比を有するPWM信号が生成され、その結果、出力電圧VOUTはオーバーシュートする。出力電圧VOUTがしきい値電圧VOVPを超えるたびに、信号S6がアサートされ、スイッチ412がオンすることでフィードバック信号VFBが素早く低下する。また最大デューティ比でオンしようとするスイッチングトランジスタM1が、直ちにターンオフする。
At time t1, the input voltage VIN returns to the normal voltage level (12V). Then, the feedback signal V FB starts to decrease toward the original voltage level V 1 . Due to the response delay of the feedback system, a PWM signal having a duty ratio larger than the duty ratio determined by V OUT (REF) / V IN is generated, and as a result, the output voltage VOUT overshoots. Whenever the output voltage V OUT exceeds the threshold voltage V OVP , the signal S6 is asserted and the
以上が制御回路200の動作である。このように、オーバーシュート抑制回路410を設けたことにより、出力電圧VOUTのオーバーシュートを図2の波形図よりも抑制できる。また出力電圧VOUTがその目標値VOUT(REF)に安定化するまでの時間を短縮できる。
The above is the operation of the
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、より具体的な構成例を説明する。 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. Hereinafter, more specific configuration examples 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.
図5は、パルス発生器202の第1の構成例202dの回路図である。パルス発生器202dにおいて、パルス幅変調器402dは、オン信号生成部242、オフ信号生成部244、最大デューティ比設定部245、ロジック回路246を含む。オン信号生成部242は、スイッチングトランジスタM1のターンオンのトリガーとなるオン信号SONを生成する。オフ信号生成部244は、スイッチングトランジスタM1のターンオフのトリガーとなるオフ信号SOFFを生成する。最大デューティ比設定部245は、最大デューティ比DMAXに応じた位置にエッジを有するパルス信号SMAXDUTYを生成する。ロジック回路246は、オン信号SON、オフ信号SOFFにもとづいて、ハイサイドパルスS1を生成する。ロジック回路246は、オン信号SON、オフ信号SOFFに応答するSRフリップフロップ(あるいはラッチ)260を含んでもよい。ORゲート261は、オフ信号SOFF、パルス信号SMAXDUTY、オーバーシュート抑制回路410からの信号S6の論理和をとり、フリップフロップ260のリセット端子に供給する。これにより、通常動作時には、PWM信号SPMWのデューティ比が、最大デューティ比DMAX以下に制限される。また信号S6がアサートされると、PWM信号SPWMが直ちにオフレベルに遷移する。
FIG. 5 is a circuit diagram of a first configuration example 202 d of the
判定回路420dは、オフ信号SOFFを監視し、オフ信号SOFFがアサートされないサイクルを検出すると、オーバーシュート抑制回路410をイネーブル状態とする。これにより、スイッチングトランジスタM1が最大デューティ比でスイッチングする状態あるいは減電圧状態を検出できる。好ましくは判定回路420dは、オフ信号SOFFがアサートされないサイクルが所定数持続すると、イネーブル信号S5をアサートしてもよい。
図6は、パルス発生器202の第2の構成例202eの回路図である。パルス発生器202eは、ピーク電流モードのパルス幅変調器402eを含む。オシレータ258は、PWM周期(スイッチング周期)TPを規定するPWM(パルス幅変調)クロックPWMCLKを生成する。オシレータ258は、図5のオン信号生成部242に対応し、PWMクロックPWMCLKは、オン信号SONと把握される。
FIG. 6 is a circuit diagram of a second configuration example 202 e of the
電流センスアンプ252は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を生成する。スロープ補償器254は、フィードバック信号VFBあるいは電流検出信号VISの一方にスロープ信号VSLOPEを重畳する。PWMコンパレータ256は、電流検出信号VISがフィードバック信号VFBに達すると、アサートされるオフ信号SOFF(ICMP信号ともいう)を生成する。エラーアンプ250〜PWMコンパレータ256は、図4のオフ信号生成部244に対応する。
The
ロジック回路246は、オン信号SONのアサートに応じてオンレベル、オフ信号SOFFのアサートに応じてオフレベルに遷移するPWM信号SPWMを生成する。たとえばロジック回路246は、オン信号SON,SOFFに応答するSRフリップフロップ(あるいはラッチ)260を含んでもよい。
The
なおロジック回路246の構成は特に限定されず、当業者によれば同等の機能を有する回路を、組み合わせ回路、順序回路、それらの組み合わせによって構成しうる。
Note that the structure of the
判定回路420eは、オフ信号SOFF(ICMP)がアサートされないサイクルを検出すると、イネーブル信号S5をアサートする。
When the
図7は、パルス発生器202の第3の構成例202fの回路図である。パルス発生器202fは、電圧モードのパルス幅変調器402fを含む。オシレータ270は、PWM周期(スイッチング周期)TPを規定するPWM(パルス幅変調)クロックPWMCLKおよび三角波、のこぎり波、ランプ波のいずれかである周期信号VOSCを生成する。PWMコンパレータ274は、フィードバック信号VFBと周期信号VOSCを比較し、比較結果を示すPWM信号SPWMを生成する。ロジック回路276は、PWM信号SPWMにもとづいてハイサイドパルスS1およびローサイドパルスS2を生成する。最大デューティ比設定部278は、最大デューティ比DMAXに応じた位置にエッジを有するパルス信号SMAXDUTYを生成する。
FIG. 7 is a circuit diagram of a third configuration example 202 f of the
判定回路420fは、PWM信号SPWMまたはハイサイドパルスS1を監視し、監視対象の信号のデューティ比が所定の最大デューティ比DMAXより大きいときに、イネーブル信号S5をアサートする。たとえば判定回路420fは、PWM信号SPWMがオフレベルに遷移しないサイクルを検出すると、イネーブル信号S5をアサートしてもよい。
Judging
(第2の実施の形態)
図8は、第2の実施の形態に係る制御回路200gを備えるDC/DCコンバータ100gの回路図である。制御回路200gのパルス発生器202gはモードコントローラ600をさらに含む。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a circuit diagram of a DC /
モードコントローラ600は、1サイクル(スイッチングトランジスタM1のスイッチングの1周期)の間、ハイサイドパルスS1がオフレベルに遷移しない状態(最大デューティ状態という)を検出すると、モード制御信号S3をアサートする。モード制御信号S3のアサートは、スイッチングトランジスタM1のデューティ比が最大値を超えたこと、言い換えれば、入力電圧VINと出力電圧VOUTの差が所定値より小さくなったことを示すものと理解される。
When the
パルス発生器202は、モード制御信号S3がアサートされると、通常モードからスキップモードに移行する。スキップモードにおいて、パルス発生器202は、(i)複数サイクルにわたり、ハイサイドパルスS1をオンレベルに維持する第1期間(オン固定期間ともいう)T1と、(ii)ハイサイドパルスS1を強制的にオフレベルに遷移させるとともに、ブートストラップ回路210によりブートストラップキャパシタC2を充電させる短い第2期間(充電期間ともいう)T2と、を繰り返す。すなわち第1期間T1の間、ハイサイドパルスS1はオンレベル、ローサイドパルスS2はオフレベルに固定される。第2期間T2の間、ハイサイドパルスS1はオフレベル、ローサイドパルスS2はオンレベルにセットされる。
When the mode control signal S3 is asserted, the
第1期間T1の間、ブートストラップキャパシタC2は充電されないため、BST端子の電圧VBSTは時間と共に徐々に低下していく。したがって第1期間T1の長さは、BST端子の電圧VBSTが、スイッチングトランジスタM1のオン状態を維持できる範囲に保たれるように規定すればよい。 During the first period T 1, bootstrap capacitor C2 is because they are not charged, the voltage V BST of the BST pin gradually decreases with time. Thus the length of the first period T 1, the voltage V BST of BST terminals may be defined so as to maintain a range capable of maintaining the ON state of the switching transistor M1.
以上が制御回路200gの構成である。続いてその動作を説明する。図9は、図8のDC/DCコンバータ100g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。また図9の波形図において、理解の容易化および説明の簡潔化のために、制御回路200の応答遅延は無視している。時刻t0より前は、入力電圧VINが出力電圧VOUTより十分に高い定常状態であり、ハイサイドパルスS1のデューティ比は、D=VOUT/VINに安定化されており、通常モードで動作している。
The above is the configuration of the
時刻t0に入力電圧VINが出力電圧VOUT付近まで低下する。これにより、ハイサイドパルスS1のデューティ比が増大し、そのデューティ比は100%となる。その結果、サイクルCYC1において、ハイサイドパルスS1はオフレベルに遷移しなくなる(最大デューティ状態)。モードコントローラ600は、このサイクルCYC1を検出すると、時刻t1にモード制御信号S3をアサートし、パルス発生器202をスキップモードに移行させる。
At time t0, the input voltage VIN decreases to near the output voltage VOUT . As a result, the duty ratio of the high-side pulse S1 increases, and the duty ratio becomes 100%. As a result, in the cycle CYC1, the high side pulse S1 does not transition to the off level (maximum duty state). When the
スキップモードでは、複数サイクルにわたる第1期間T1において、スイッチングトランジスタM1のオンが維持される。そして第2期間T2になると、ハイサイドパルスS1が強制的にオフレベルとなり、ローサイドパルスS2がハイレベルとなり、ブートストラップキャパシタC2が充電されてブートストラップキャパシタC2の電圧VC2が増加する。スキップモードでは、第1期間T1と第2期間T2が交互に繰り返される。その後、入力電圧VINが再び増加すると、ハイサイドパルスS1がローレベルに遷移するようになる。そうするとスキップモードが解除され、通常モードに復帰する。 In skip mode, in the first period T 1 over a plurality of cycles, the on of the switching transistor M1 is maintained. Then comes the second period T 2, the high-side pulse S1 is forced to the off level, the low-side pulse S2 is at a high level, is bootstrapped capacitor C2 charging voltage V C2 of the bootstrap capacitor C2 is increased. In skip mode, the first period T 1 and the second period T 2 are alternately repeated. Thereafter, when the input voltage VIN increases again, the high side pulse S1 transitions to a low level. Then, the skip mode is canceled and the normal mode is restored.
以上がDC/DCコンバータ100の動作である。このDC/DCコンバータ100は、ハイサイドパルスS1のデューティ比が大きくなると、スキップモードに移行する。このスキップモードでは、スイッチングトランジスタM1のスイッチング周波数が低下し、その実効的な最大デューティ比DMAXは、
DMAX=T1/(T1+T2)
となる。従来のパルスバイパルス(サイクルバイサイクル)の最大デューティ比は、回路の応答遅延などの制約からせいぜい90%程度であった。たとえばパルス発生器202のPWM周期をTPとし、T1の長さをPWM周期TPの8倍にし、T2の長さをPWM周期TPの40%としたとき、実効的な最大デューティ比DMAXはおよそ、8/(0.4+8)×100≒95%となる。
The above is the operation of the DC /
D MAX = T 1 / (T 1 + T 2 )
It becomes. The maximum duty ratio of the conventional pulse-by-pulse (cycle-by-cycle) is at most about 90% due to restrictions such as circuit response delay. For example the PWM period of the
このように図8のDC/DCコンバータ100によれば、減電圧状態などにおいて、ハイサイドパルスS1の最大デューティ比DMAXを高めることができる。これにより、従来の回路に比べてよりシビアな減電圧状態においても、出力電圧VOUTを目標値に維持することができる。
As described above, according to the DC /
減電圧状態においてスキップモードで動作した後に、入力電圧VINが上昇すると、第1の実施の形態で説明したように、出力電圧VOUTがオーバーシュートしうる。そこで制御回路200gのオーバーシュート抑制回路410は、制御回路200gがスキップモードに移行すると、アクティブとなり、オーバーシュートに備える。すなわち判定回路420は、制御回路200gの動作モードにもとづいて、オーバーシュート抑制回路410のイネーブル状態/ディセーブル状態を切りかえる。
If the input voltage VIN rises after operating in the skip mode in the reduced voltage state, the output voltage VOUT may overshoot as described in the first embodiment. Therefore, the
第2の実施の形態によれば、モードコントローラ600とオーバーシュート抑制回路410の併用によって、スキップモードの後のオーバーシュートを抑制できる。
According to the second embodiment, the combined use of the
続いて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、第2の実施の形態に関する具体的な構成例を説明する。 Subsequently, a specific configuration example related to the second embodiment 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.
図10は、図8の制御回路200の第1の構成例200hの回路図である。図10では、オーバーシュート抑制回路410および判定回路420は省略されている。パルス発生器202hは、パルス変調器240およびモードコントローラ600hを含む。パルス変調器240は、VS端子の電圧検出信号VSが目標値VREFに近づくように、ハイサイドパルスS1およびローサイドパルスS2を生成する。パルス変調器240は、図8のエラーアンプ400およびパルス幅変調器402に対応する。
FIG. 10 is a circuit diagram of a first configuration example 200h of the
パルス変調器240は、オン信号生成部242、オフ信号生成部244、ロジック回路246を含む。オン信号生成部242は、スイッチングトランジスタM1のターンオンのトリガーとなるオン信号SONを生成する。オフ信号生成部244は、スイッチングトランジスタM1のターンオフのトリガーとなるオフ信号SOFFを生成する。ロジック回路246は、オン信号SON、オフ信号SOFFにもとづいて、ハイサイドパルスS1を生成する。図8のエラーアンプ400は、オン信号生成部242に含まれており、図示されない。
The
モードコントローラ600hは、オフ信号SOFFを監視し、オフ信号SOFFがアサートされないサイクル(周期)を検出すると、モード制御信号S3をアサートし、パルス変調器240をスキップモードに移行させる。またモードコントローラ600hは、スキップモード中のあるサイクルにおいてオフ信号SOFFがアサートされると、モード制御信号S3をネゲートし、パルス変調器240を通常モードに復帰させてもよい。
あるいはモードコントローラ600hは、オフ信号SOFFに代えて、あるいはそれに加えて、破線で示すようにハイサイドパルスS1を監視してもよい。そしてモードコントローラ600hは、ハイサイドパルスS1がオフレベルに遷移しないサイクルを検出すると、モード制御信号S3をアサートしてもよい。あるいはローサイドパルスS2が、パルス信号S1の相補信号である場合、モードコントローラ600hは、ローサイドパルスS2にもとづいて、モード制御信号S3を生成してもよい。あるいはモードコントローラ600hは、ハイサイドパルスS1あるいはローサイドパルスS2と関連するロジック回路246の内部信号を監視してもよい。
Alternatively, the
図10の制御回路200hによれば、オフ信号SOFFあるいはハイサイドパルスS1(ローサイドパルスS2)を監視することで、スイッチングトランジスタM1のデューティ比が大きいこと、言い換えれば入力電圧VINと出力電圧VOUTが近接していることを検出することができる。
According to the
パルス発生器202hのパルス変調器240は、第1期間T1に遷移後、所定のサイクル数(たとえば8)の経過後に、第2期間T2に遷移してもよい。第1期間T1の長さを、PWM制御の周期TPを単位として規定することにより、その管理が容易となり、また第1期間T1から第2期間T2の遷移のトリガーを、カウンタなどを用いて容易に生成できる。
Pulse
図11は、制御回路200の第2の構成例200iの回路図である。制御回路200iのパルス発生器202iは、ピーク電流モードのパルス変調器240iを含む。オシレータ258は、PWM周期(スイッチング周期)TPを規定するPWM(パルス幅変調)クロックPWMCLKを生成する。オシレータ258は、図10のオン信号生成部242に対応し、PWMクロックPWMCLKは、オン信号SONと把握される。
FIG. 11 is a circuit diagram of a second configuration example 200 i of the
エラーアンプ250は、電圧検出信号VSとその目標値VREFの誤差を増幅し、誤差に応じたフィードバック信号VFBを生成する。電流センスアンプ252は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を生成する。スロープ補償器254は、フィードバック信号VFBあるいは電流検出信号VISの一方にスロープ信号VSLOPEを重畳する。PWMコンパレータ256は、電流検出信号VISがフィードバック信号VFBに達すると、アサートされるオフ信号SOFF(ICMP信号ともいう)を生成する。エラーアンプ250〜PWMコンパレータ256は、図10のオフ信号生成部244に対応する。
The
ロジック回路246は、オン信号SONのアサートに応じてオンレベル、オフ信号SOFFのアサートに応じてオフレベルに遷移するパルス信号S1を生成する。たとえばロジック回路246は、オン信号SON、オフ信号SOFFに応答するSRフリップフロップ(あるいはラッチ)260を含んでもよい。ロジック部262は、フリップフロップ260の出力SPWMにもとづいて、ハイサイドパルスS1およびローサイドパルスS2を生成する。カウンタ264は、スキップモードの第1期間T1の長さを決めるために設けられる。具体的には、カウンタ264は、PWMクロックPWMCLKをカウントし、カウント値が所定数に達すると、遷移信号S4をアサートする。ロジック部262(あるいはフリップフロップ260)は、遷移信号S4に応答して、ハイサイドパルスS1およびローサイドパルスS2を変化させる。
なおロジック回路246の構成は特に限定されず、当業者によれば同等の機能を有する回路を、組み合わせ回路、順序回路、それらの組み合わせによって構成しうる。
Note that the structure of the
モードコントローラ600iは、PWMコンパレータ256の出力であるオフ信号SOFFを監視し、PWM周期TPの間、オフ信号SOFFがアサートされないときに、モード制御信号S3をアサートする。
図12は、図11の制御回路200iの動作波形図である。時刻t0より前は、入力電圧VINが出力電圧VOUTより十分に高い定常状態であり、ハイサイドパルスS1のデューティ比は、D=VOUT/VINに安定化されており、通常モードで動作している。
FIG. 12 is an operation waveform diagram of the
時刻t0に入力電圧VINが出力電圧VOUT付近まで低下する。これにより、ハイサイドパルスS1のデューティ比が増大し、そのデューティ比は100%となる。その結果、サイクルCYC1において、ハイサイドパルスS1はオフレベルに遷移しなくなる(最大デューティ状態)。モードコントローラ600は、このサイクルCYC1を検出すると、時刻t1にモード制御信号S3をアサートし、パルス発生器202をスキップモードに移行させる。
At time t0, the input voltage VIN decreases to near the output voltage VOUT . As a result, the duty ratio of the high-side pulse S1 increases, and the duty ratio becomes 100%. As a result, in the cycle CYC1, the high side pulse S1 does not transition to the off level (maximum duty state). When the
スキップモードに移行すると、カウンタ264は、PWMクロックPWMCLK(オン信号SON)をカウントする。そしてカウント数が、所定数(ここでは8)に達すると、時刻t2に遷移信号S4をアサートする。遷移信号S4のアサートを契機として第2期間T2になると、ハイサイドパルスS1が強制的にオフレベルとなり、ローサイドパルスS2がハイレベルとなる。スキップモードでは、このようにして第1期間T1と第2期間T2が交互に繰り返される。この構成によれば、ピーク電流モードにおいて、スキップモードを好適に実現できる。
When shifting to the skip mode, the
図13は、制御回路200の第3の構成例200jの回路図である。制御回路200jのパルス発生器202jは、電圧モードのパルス変調器240jを含む。オシレータ270は、PWM周期(スイッチング周期)TPを規定するPWM(パルス幅変調)クロックPWMCLKおよび三角波、のこぎり波、ランプ波のいずれかである周期信号VOSCを生成する。エラーアンプ272は、電圧検出信号VSとその目標値VREFの誤差を増幅し、フィードバック信号VFBを生成する。PWMコンパレータ274は、フィードバック信号VFBと周期信号VOSCを比較し、比較結果を示すPWM信号SPWMを生成する。ロジック回路276は、PWM信号SPWMにもとづいてハイサイドパルスS1およびローサイドパルスS2を生成する。
FIG. 13 is a circuit diagram of a third configuration example 200j of the
モードコントローラ600jは、PWMコンパレータ274から出力されるPWM信号SPWMを監視し、PWM信号SPWMが遷移しないサイクル(エッジの現れないサイクル)を検出すると、モード制御信号S3をアサートしてもよい。またロジック回路276は、スキップモードにおいて、PWMクロックPWMCLKをカウントすることにより、第1期間T1から第2期間T2への切りかえを行ってもよい。
The
続いて第2の実施の形態の変形例を説明する。
(第1変形例)
実施の形態では、スキップモードにおいてパルス変調器240は、PWM周期TPの所定サイクルごとに、第2期間T2を挿入したが、本発明はそれに限定されない。図14(a)は、第1変形例に係るパルス変調器240kの回路図である。パルス変調器240は、第1期間T1に遷移後、所定時間の経過後に第2期間T2に遷移してもよい。ロジック部280は、PWM信号SPWMにもとづいてハイサイドパルスS1およびローサイドパルスS2を生成する。パルス変調器240kは、カウンタに代えて、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)282を含み、第1期間T1に遷移後、タイマー回路282が所定時間を計測すると、遷移信号S4をアサートし、第2期間T2に遷移してもよい。
Next, a modification of the second embodiment will be described.
(First modification)
In the embodiment, the
この場合、第1期間T1の長さを、PWM周期TPに制約されることなく自由に設定できる。たとえばEMIに関連してスキップモードにおけるスイッチングノイズが問題となる場合に、スイッチング周波数を任意に決められることはEMI対策の観点から有利である。 In this case, the length of the first period T 1, can be set freely without being constrained to the PWM period T P. For example, when switching noise in the skip mode becomes a problem related to EMI, it is advantageous from the viewpoint of EMI countermeasures to arbitrarily determine the switching frequency.
(第2変形例)
図14(b)は、第2変形例に係るパルス変調器240lの回路図である。パルス変調器240は、第1期間T1に遷移後、所定時間の経過後に第2期間T2に遷移してもよい。パルス変調器240lは、第1期間T1に遷移後、ブートストラップキャパシタC2の電圧VC2が所定値VMINまで低下すると、第2期間T2に遷移してもよい。コンパレータ284は、ブートストラップキャパシタC2の電圧VC2を所定値VMINと比較し、VC2<VMINとなると、遷移信号S4をアサートする。
(Second modification)
FIG. 14B is a circuit diagram of a pulse modulator 240l according to the second modification.
最後にDC/DCコンバータ100の好適な用途の一例を説明する。図15は、車載用電源装置300の回路図である。車載用電源装置300は、バッテリ302およびDC/DCコンバータ100を備える。バッテリ302は、12Vあるいは24Vの直流電圧(バッテリ電圧)VBATを生成する。ただし、バッテリ電圧VBATは常時、定格電圧値が得られるわけではなく、幅広いレンジで変動する。DC/DCコンバータ100は、バッテリ電圧VBATを入力電圧VINとして受け、それを降圧し、負荷であるマイコン304等に供給する。車載用電源装置300では、コールドクランクと呼ばれる減電圧状態が存在し、コールドクランク時においてもDC/DCコンバータ100は正常動作することが要求される。上述のように制御回路200は、スキップモードにおいて大きなデューティ比を得ることができるため、従来よりも減電圧特性に優れているといえる。この観点から、実施の形態に係るDC/DCコンバータ100は、車載用電源装置300に好適に用いることができる。
Finally, an example of a suitable application of the DC /
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3変形例)
第1、第2の実施の形態では、ダイオード整流型のDC/DCコンバータを説明したが、同期整流型のDC/DCコンバータにも本発明は適用可能である。すなわち図2の整流ダイオードD1を省略し、トランジスタ214を同期整流トランジスタとして機能させるべく、その素子サイズを、インダクタL1のコイル電流を供給できるように大きく構成すればよい。
(Third Modification)
Although the diode rectification type DC / DC converter has been described in the first and second embodiments, the present invention can also be applied to a synchronous rectification type DC / DC converter. That is, the rectifier diode D1 in FIG. 2 is omitted, and the element size may be large so that the coil current of the inductor L1 can be supplied so that 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.
L1…インダクタ、C1…出力キャパシタ、D1…整流ダイオード、C2…ブートストラップキャパシタ、100…DC/DCコンバータ、102…入力端子、104…出力端子、110…出力回路、M1…スイッチングトランジスタ、200…制御回路、202…パルス発生器、204…ドライバ、210…ブートストラップ回路、212…整流素子、214…トランジスタ、220…ブートストラップ用電源回路、240…パルス変調器、242…オン信号生成部、244…オフ信号生成部、246…ロジック回路、250…エラーアンプ、252…電流センスアンプ、254…スロープ補償器、256…PWMコンパレータ、258…オシレータ、260…フリップフロップ、262…ロジック部、264…カウンタ、270…オシレータ、272…エラーアンプ、274…PWMコンパレータ、276…ロジック回路、280…ロジック部、282…タイマー回路、284…コンパレータ、600…モードコントローラ、300…車載用電源装置、302…バッテリ、S1…ハイサイドパルス、S2…ローサイドパルス、S3…モード制御信号。
L1 ... inductor, C1 ... output capacitor, D1 ... rectifier diode, C2 ... bootstrap capacitor, 100 ... DC / DC converter, 102 ... input terminal, 104 ... output terminal, 110 ... output circuit, M1 ... switching transistor, 200 ... control
Claims (17)
前記DC/DCコンバータの出力電圧が目標値に近づくように、前記スイッチングトランジスタのオンオフを指示するハイサイドパルスを生成するパルス発生器と、
前記ハイサイドパルスにもとづき前記スイッチングトランジスタを駆動するドライバと、
を備え、
前記パルス発生器は、
前記出力電圧に応じた電圧検出信号とその目標値の誤差を増幅し、フィードバック信号を生成するエラーアンプと、
前記フィードバック信号に応じたデューティ比を有するPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、前記PWM信号に応じた前記ハイサイドパルスを出力するパルス幅変調器と、
イネーブル状態、ディセーブル状態が切りかえ可能であり、前記イネーブル状態において、前記出力電圧がその目標値より高く定められたしきい値電圧を超えると、前記エラーアンプから出力される前記フィードバック信号を低下させるとともに、前記ハイサイドパルスをオフレベルとするオーバーシュート抑制回路と、
を含むことを特徴とする制御回路。 A control circuit for a step-down DC / DC converter having a switching transistor,
A pulse generator that generates a high-side pulse that instructs on / off of the switching transistor so that an output voltage of the DC / DC converter approaches a target value;
A driver for driving the switching transistor based on the high-side pulse;
With
The pulse generator is
An error amplifier that amplifies the error of the voltage detection signal according to the output voltage and its target value, and generates a feedback signal;
A pulse width modulator that generates a PWM (Pulse Width Modulation) signal having a duty ratio according to the feedback signal, and outputs the high-side pulse according to the PWM signal;
The enable state and the disable state can be switched, and when the output voltage exceeds a predetermined threshold voltage higher than the target value in the enable state, the feedback signal output from the error amplifier is lowered. And an overshoot suppression circuit that turns off the high-side pulse,
A control circuit comprising:
前記オーバーシュート抑制回路は、前記オフ信号がアサートされないサイクルが検出されると、前記イネーブル状態とな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。 The pulse width modulator includes an off signal generation unit that generates an off signal serving as a trigger for transitioning the high side pulse to an off level,
The control circuit according to claim 1, wherein the overshoot suppression circuit is in the enable state when a cycle in which the off signal is not asserted is detected.
所定の周期ごとにアサートされるオン信号を生成するオシレータと、
前記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が前記フィードバック信号に達するとアサートされるオフ信号を生成するPWMコンパレータと、
前記オン信号、前記オフ信号に応じてレベルが変化する前記PWM信号を生成するロジック回路と、
を含み、
前記オーバーシュート抑制回路は、前記オフ信号がアサートされないサイクルが検出されると、前記イネーブル状態とな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。 The pulse width modulator is
An oscillator that generates an on signal that is asserted every predetermined period;
A PWM comparator that generates an off signal that is asserted when a current detection signal indicating a current flowing through the switching transistor reaches the feedback signal;
A logic circuit that generates the PWM signal whose level changes in response to the ON signal and the OFF signal;
Including
The control circuit according to claim 1, wherein the overshoot suppression circuit is in the enable state when a cycle in which the off signal is not asserted is detected.
三角波、のこぎり波、ランプ波のいずれかである周期信号を生成するオシレータと、
前記フィードバック信号を前記周期信号と比較するPWMコンパレータと、
を含み、
前記オーバーシュート抑制回路は、前記PWMコンパレータの出力信号が遷移しないサイクルが検出されると前記イネーブル状態とな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。 The pulse width modulator is
An oscillator that generates a periodic signal that is either a triangular wave, a sawtooth wave, or a ramp wave;
A PWM comparator that compares the feedback signal with the periodic signal;
Including
The control circuit according to claim 1, wherein the overshoot suppression circuit enters the enable state when a cycle in which an output signal of the PWM comparator does not transition is detected.
前記制御回路は、ブートストラップキャパシタを充電するブートストラップ回路をさらに備え、
前記パルス発生器は、1サイクルの間、前記ハイサイドパルスがオフレベルに遷移しない状態を検出するモードコントローラを含み、当該状態が検出されるとスキップモードに移行し、前記スキップモードにおいて(i)複数サイクルにわたり、前記ハイサイドパルスをオンレベルに維持する第1期間と、(ii)前記ハイサイドパルスを強制的にオフレベルに遷移させるとともに、前記ブートストラップ回路により前記ブートストラップキャパシタを充電させる第2期間と、を繰り返すことを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の制御回路。 The switching transistor is an N-channel transistor;
The control circuit further comprises a bootstrap circuit that charges a bootstrap capacitor;
The pulse generator includes a mode controller that detects a state in which the high-side pulse does not transition to an off level for one cycle. When the state is detected, the pulse generator shifts to a skip mode, and in the skip mode (i) A first period in which the high side pulse is maintained at an on level over a plurality of cycles; and (ii) a first period in which the high side pulse is forcibly shifted to an off level and the bootstrap circuit is charged by the bootstrap circuit. The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit repeats two periods.
前記DC/DCコンバータの出力電圧に応じた電圧検出信号とその目標値の誤差を増幅し、フィードバック信号を生成するステップと、
前記フィードバック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、
前記PWM信号に応じたハイサイドパルスにもとづいて前記スイッチングトランジスタを駆動するステップと、
前記出力電圧がその目標値より高く定められたしきい値電圧を超えると、前記フィードバック信号を低下させるとともに、前記ハイサイドパルスをオフレベルとするステップと、
を備えることを特徴とする制御方法。 A method for controlling a step-down DC / DC converter having a switching transistor, comprising:
Amplifying an error between a voltage detection signal corresponding to the output voltage of the DC / DC converter and its target value, and generating a feedback signal;
Generating a PWM (Pulse Width Modulation) signal having a duty ratio according to the feedback signal;
Driving the switching transistor based on a high-side pulse corresponding to the PWM signal;
When the output voltage exceeds a threshold voltage set higher than its target value, the feedback signal is lowered and the high side pulse is set to an off level;
A control method comprising:
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019009548A (en) * | 2017-06-22 | 2019-01-17 | ローム株式会社 | Operational amplifier and dc/dc converter using the same |
CN109560699A (en) * | 2017-09-25 | 2019-04-02 | 恩智浦美国有限公司 | DC-DC electric power converter with overshoot protection |
JP2020188643A (en) * | 2019-05-17 | 2020-11-19 | ローム株式会社 | Dc/dc converter |
CN112816804A (en) * | 2019-11-15 | 2021-05-18 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 | High-integration pulse testing device |
WO2021171769A1 (en) * | 2020-02-25 | 2021-09-02 | ローム株式会社 | Dc/dc converter control circuit and power supply circuit |
CN114204821A (en) * | 2021-12-10 | 2022-03-18 | 杭州茂力半导体技术有限公司 | Switching converter, controller and control method thereof |
CN112816804B (en) * | 2019-11-15 | 2024-04-26 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 | Pulse testing device with high integration level |
-
2015
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Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019009548A (en) * | 2017-06-22 | 2019-01-17 | ローム株式会社 | Operational amplifier and dc/dc converter using the same |
CN109560699A (en) * | 2017-09-25 | 2019-04-02 | 恩智浦美国有限公司 | DC-DC electric power converter with overshoot protection |
CN109560699B (en) * | 2017-09-25 | 2023-11-03 | 恩智浦美国有限公司 | DC-DC power converter with overshoot protection |
JP2020188643A (en) * | 2019-05-17 | 2020-11-19 | ローム株式会社 | Dc/dc converter |
JP7327998B2 (en) | 2019-05-17 | 2023-08-16 | ローム株式会社 | DC/DC converter |
CN112816804A (en) * | 2019-11-15 | 2021-05-18 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 | High-integration pulse testing device |
CN112816804B (en) * | 2019-11-15 | 2024-04-26 | 中车株洲电力机车研究所有限公司 | Pulse testing device with high integration level |
WO2021171769A1 (en) * | 2020-02-25 | 2021-09-02 | ローム株式会社 | Dc/dc converter control circuit and power supply circuit |
CN114204821A (en) * | 2021-12-10 | 2022-03-18 | 杭州茂力半导体技术有限公司 | Switching converter, controller and control method thereof |
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