JP2017139925A - スイッチングレギュレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】効率を犠牲にすることなく消費電流が少ないスイッチングレギュレータを提供する。【解決手段】スイッチングレギュレータ100は、パワーFET2、インダクタ3と、ショットキーダイオード4と、コンデンサ5と、基準電圧回路6と、フィードバック抵抗7及び8と、比較器10と、オン時間制御回路11と、R−Sフリップフロップ回路12と、出力制御回路13と、ドライバー回路14と、タイマー回路15を備え、軽負荷モードの場合にタイマー回路によって比較器の動作電流を削減する構成とした。【選択図】図1

Description

本発明はスイッチングレギュレータに関し、特に軽負荷時において消費電流を削減する技術に関する。
電子機器は、低消費電力が要求される。特に、スマートホン、携帯機器、ウェアラブル機器等はバッテリー駆動のため、低消費電力はより一層強く要求される。スイッチングレギュレータは、様々な電子機器の電圧供給源として用いられている。スイッチングレギュレータは、出力端子から負荷に供給する電流が低電流から大電流まで幅広く変化しても、効率を高く維持する要求がある。
図6は、従来のスイッチングレギュレータの回路図である。従来のスイッチングレギュレータ600は、フィードバック抵抗7及び8と、基準電圧回路6と、比較器60と、R−Sフリップフロップ回路62と、オン時間制御回路61と、出力制御回路63と、ドライバー回路64と、パワーFET2と、インダクタ3と、ショットキーダイオード4と、コンデンサ5から構成されている(例えば、特許文献1参照)。
出力端子OUTから負荷電流が連続で流れる重負荷モードの場合、パワーFET2とショットキーダイオード4は、出力電圧VOUTと電源電圧VINの比に合致するように、交互にオンとオフを繰り返す。この重負荷モードでは、パワーFET2とショットキーダイオード4がスイッチングレギュレータ600の中で主に電力を消費する部分になる。
従って、スイッチングレギュレータ600は、パワーFET2のオン対抗を小さくし、ショットキーダイオード4のフォワード電圧Vfを小さくすることで、低消費電力および高効率を実現する事が出来る。
米国特許第8476887号明細書
しかしながら、出力端子OUTから負荷電流が不連続で流れる軽負荷モードの場合、比較器60の電力消費が主な電力損失となる。
比較器60は、通常数uAオーダーから数十uAオーダーの電流を消費するのが一般的である。従って、出力端子OUTから流れる負荷電流が1uA以下や数uAの軽負荷モードの場合に効率を高く維持することが困難であった。
また、比較器60の消費電流を小さくした場合、遅延が大きくなるので、出力電圧VOUTのリップル電圧が大きくなるという課題がある。
従来の課題を解決するために、本発明の比較器では以下のような構成とした。
基準電圧とフィードバック電圧とを比較する比較器と、
パワーFETのオン時間を制御するオン時間制御回路と、
前記比較器の信号と前記オン時間制御回路の信号に応じて、前記パワーFETを制御する信号を出力するR−Sフリップフロップ回路と、
前記パワーFETを制御する信号を受けて、所定の時間をカウントするタイマー回路を備え、
前記タイマー回路は、前記パワーFETがオンした時にカウントを開始し、前記所定の時間経過後にカウントアップ信号を出力し、
前記比較器は、前記カウントアップ信号を受けて動作電流を低消費電流モードへ切替える、ことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
本発明のスイッチングレギュレータによれば、タイマー回路を備え、軽負荷モードの場合にタイマー回路によって比較器の動作電流を削減するようにしたので、効率を犠牲にすることなく消費電流を削減することが出来る。
第一の実施形態のスイッチングレギュレータの一例を示す回路図である。 第一の実施形態のスイッチングレギュレータの他の例を示す回路図である。 第二の実施形態のスイッチングレギュレータの一例を示す回路図である。 本実施形態のスイッチングレギュレータの軽負荷モード時のノードSWの電圧とタイマー回路の出力信号を示すタイミングチャートである。 本実施形態のスイッチングレギュレータの重負荷モード時のノードSWの電圧とタイマー回路の出力信号を示すタイミングチャートである。 従来のスイッチングレギュレータの回路図の一例である。
図1は、第一の実施形態のスイッチングレギュレータの一例を示す回路図である。
本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、パワーFET2、インダクタ3と、ショットキーダイオード4と、コンデンサ5と、基準電圧回路6と、フィードバック抵抗7及び8と、比較器10と、オン時間制御回路11と、R−Sフリップフロップ回路12と、出力制御回路13と、ドライバー回路14と、タイマー回路15を備えている。
フィードバック抵抗7及び8は、出力端子OUTとGND端子の間に接続されている。比較器10は、入力端子がフィードバック抵抗7及び8の出力端子と基準電圧回路6に接続されている。R−Sフリップフロップ回路12は、セット端子Sに比較器10の出力電圧が入力され、リセット端子Rにオン時間制御回路11の出力端子が接続され、出力端子Qがオン時間制御回路11の入力端子と出力制御回路13の入力端子に接続されている。ドライバー回路14は、入力端子に出力制御回路13の出力端子が接続され、出力端子がパワーFET2のゲートに接続されている。パワーFET2は、ソースが入力端子INに接続され、ドレインがインダクタ3の一方の端子とショットキーダイオード4のカソードに接続されている。出力端子OUTは、インダクタ3の他方の端子とコンデンサ5の一方の端子に接続されている。ショットキーダイオード4の他方の端子は、GND端子に接続されている。コンデンサ5の他方の端子は、GND端子に接続されている。
次に、本実施形態のスイッチングレギュレータ100の動作について説明する。
入力端子INに電圧が入力されると、スイッチングレギュレータ100は、出力端子OUTから出力電圧VOUTを出力する。フィードバック抵抗7及び8は、出力電圧VOUTを分圧し、フィードバック端子VFBを出力する。基準電圧回路6は、基準電圧VREFを出力する。比較器10は、フィードバック電圧VFBと基準電圧VREFの電圧を比較した信号を出力する。オン時間制御回路11は、R−Sフリップフロップ回路12の出力信号からパワーFET2がオンしている時間を決定する信号を出力する。R−Sフリップフロップ回路12及び出力制御回路13は、比較器10の出力信号とオン時間制御回路11の出力信号からハイサイドのパワーFET2のドライブ信号を生成し、出力制御回路13、ドライバー回路14を介してパワーFET2のゲートに出力する。
出力電圧VOUTが下がって、フィードバック電圧VFBが基準電圧VREFを下回ると、比較器10はR−Sフリップフロップ回路12のS端子にセット信号を出力する。R−Sフリップフロップ回路12は、Q端子にハイレベルの信号を出力する。出力制御回路13は、ローレベルの信号を出力し、ドライバー回路14を介してパワーFET2のゲートを制御してオンさせる。オン時間制御回路11は、R−Sフリップフロップ回路12のQ端子のハイレベルの信号を受けて、所定の時間後にR−Sフリップフロップ回路12のR端子にハイレベルのリセット信号を出力する。R−Sフリップフロップ回路12は、Q端子にローレベルの信号を出力する。出力制御回路13は、ハイレベルの信号を出力し、ドライバー回路14を介してパワーFET2のゲートを制御してオフさせる。
スイッチングレギュレータ100は、この動作を繰り返して、出力端子OUTから所望の出力電圧VOUTを出力する。
タイマー回路15は、パワーFET2がオンする出力制御回路13のローレベルの信号を受けて、カウントを開始する。そして、タイマー回路15は、所定時間経過後にカウントアップすると、比較器10に信号を出力する。比較器10は、タイマー回路15の信号を受けると、低消費電流動作へ移行する。タイマー回路15は、所定時間経過前に出力制御回路13のローレベルの信号を受けると、カウンタはリセットされ、再度カウントを開始する。従って、比較器10は、低消費電流動作へ移行することなく、通常電流動作を継続する。
本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、上述のように動作するタイマー回路15を備えたので、重負荷など通常の動作では、比較器10は高速動作状態である通常電流で動作し、軽負荷の動作になると、比較器10は低消費電流で動作する。従って、本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、効率を犠牲にすることなく消費電流を削減することが出来る。
なお、タイマー回路15は、パワーFET2がオンするタイミングでカウントを開始すば良く、入力される信号は出力制御回路13の信号に限定されるものではない。
図2は、第一の実施形態のスイッチングレギュレータの他の例を示す回路図である。
図1においては、比較器10は、タイマー回路15の出力する信号によって、通常電流と低消費電流の動作を切替える構成とした。本実施形態のスイッチングレギュレータ200は、比較器10の代わりに、通常電流で動作する比較器20と、低消費電流で動作する比較器21と、スイッチ回路22を備えている。
比較器20は、タイマー回路15がカウントアップしない、スイッチングレギュレータ200が重負荷など通常の動作で、動作する。このとき、比較器21は動作を停止し、スイッチ回路22は比較器20の出力端子とR−Sフリップフロップ回路12のS端子を接続する。
タイマー回路15が所定時間経過後にカウントアップ信号を出力すると、比較器20の動作を停止し、比較器21の動作を開始し、スイッチ回路22は比較器21の出力端子とR−Sフリップフロップ回路12のS端子を接続する。
このように構成した本実施形態のスイッチングレギュレータ200は、スイッチングレギュレータ100と同様に、効率を犠牲にすることなく消費電流を削減することが出来る。
更に、スイッチングレギュレータ200は、通常電流で動作する比較器20と低消費電流で動作する比較器21を別々に備えたので、通常電流と低消費電流の差を大きくしても、比較器の設計が容易になる、という効果がある。
なお、以上の説明で、通常の動作で比較器21は動作を停止するとしたが、比較器21は常に動作するようにしても良い。このようにすると、比較器21を動作させるための時間が不要になるので、通常動作から低消費電流動作に早く切替えることが可能になる。なた、通常の動作では、比較器21の消費電流は非常に小さいので、回路全体の消費電流に影響を及ぼさない。
従って、本実施形態のスイッチングレギュレータ200は、効率を犠牲にすることなく消費電流を削減することが出来る。
なお、本実施形態のスイッチングレギュレータのタイマー回路15は、同期整流型スイッチングレギュレータに適用しても、同様の効果を奏する。
図3は、第二の実施形態のスイッチングレギュレータの一例を示す回路図である。
本実施形態のスイッチングレギュレータ300は、同期整流型である。
スイッチングレギュレータ300は、新たに、出力制御回路33と、ドライバー回路34と、ローサイドのパワーFET32と、流電流検出回路30を備えている。流電流検出回路30は、ノードSWの電圧を監視して、軽負荷時にインダクタンス3を流れる電流が重負荷時と逆の向きの電流になることを検知し、検出信号を出力制御回路33に出力する。流電流検出回路30は、更に、タイマー回路15のカウントアップ信号が入力され、動作電流が制御される。
スイッチングレギュレータ300の動作は、一般的な同期整流型のスイッチングレギュレータと同じなので省略する。
出力制御回路33の出力する信号によってタイマー回路15がカウント動作を開始すると、流電流検出回路30は、その信号を受けて動作電流を通常の動作電流にして、逆流検出動作を行う。そして、タイマー回路15がカウントアップ信号を出力すると、その時は逆流検出動作が不要になるので、動作電流を小さくするか、もしくはゼロにする。
このように構成した流電流検出回路30を備えたので、スイッチングレギュレータ300は、更に消費電流を削減することが可能である。
図4は、軽負荷モード時のノードSWの電圧とタイマー回路の出力信号を示すタイミングチャートである。
タイマー回路15は、パワーFET2がオンするタイミングT1でカウントを開始し、所定の時間(T2−T1)でカウントアップし、出力はローレベルになる。
図5に、重負荷モード時のノードSWの電圧とタイマー回路の出力信号を示すタイミングチャートである。
タイマー回路15は、パワーFET2がオンするタイミングT1でカウントを開始し、所定の時間(T2−T1)でカウントアップする前に、リセットされるので、カウントアップすることなく、出力はハイレベルを維持する。
以上に説明したように、本発明のスイッチングレギュレータによれば、タイマー回路を備え、軽負荷モードの場合にタイマー回路によって比較器の動作電流を削減するようにしたので、効率を犠牲にすることなく消費電流を削減することが出来る。
10、20、21 比較器
11 オン時間制御回路
12 R−Sフリップフロップ
13、33 出力制御回路
15 タイマー回路
30 逆流電流検出回路

Claims (3)

  1. 基準電圧とフィードバック電圧とを比較する比較器と、
    パワーFETのオン時間を制御するオン時間制御回路と、
    前記比較器の信号と前記オン時間制御回路の信号に応じて、前記パワーFETを制御する信号を出力するR−Sフリップフロップ回路と、
    前記パワーFETを制御する信号を受けて、所定の時間をカウントするタイマー回路を備え、
    前記タイマー回路は、前記パワーFETがオンした時にカウントを開始し、前記所定の時間経過後にカウントアップ信号を出力し、
    前記比較器は、前記カウントアップ信号を受けて動作電流を低消費電流モードへ切替える、
    ことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
  2. 前記比較器は、
    通常の動作電流で駆動される第一の比較器と、
    通常の動作電流より小さい動作電流で駆動される第二の比較器と、
    前記第一の比較器の出力端子と前記第二の比較器の出力端子を切替えて前記R−Sフリップフロップ回路の入力端子に接続するスイッチ回路と、を備え、
    前記カウントアップ信号を受けて、前記第一の比較器は動作電流の供給を停止され、前記スイッチ回路は前記第二の比較器の出力端子を前記R−Sフリップフロップ回路の入力端子に接続する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチングレギュレータ。
  3. 前記スイッチングレギュレータは、逆流電流検出回路を備えた同期整流型であって、
    前記逆流電流検出回路は、前記カウントアップ信号を受けて動作電流の供給を停止される、
    ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチングレギュレータ。
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