JP2018523446A - スイッチングレギュレータ及びその制御方法 - Google Patents

スイッチングレギュレータ及びその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明では、スイッチングレギュレータを動作させる新規な方法が提示される。
【解決手段】本方法は、少なくとも2つの基準信号の生成を含む。第1の基準信号は一定のDC電圧信号であり、第2の基準信号は所定の周波数での周期的なランプ波状の波形信号である。この方法はまた、スイッチングレギュレータの出力電圧を使用してフィードバック信号を生成することを含む。本発明の1つの方法では、キャパシタはバイアス電流によって充電されるか、またはスイッチによって放電される。第1の比較器は、第1の一定のDC基準電圧信号をフィードバック信号と比較するように構成される。第2の比較器は、周期的負のランプ波状の信号をコンデンサ上の電圧信号と比較するように構成される。他の代替方法では、フィードバック信号を周期的なノコギリ波波形基準信号と比較するか、フィードバック信号を一定のDC基準信号と比較するように比較器を構成する。この動作はスイッチングレギュレータのスイッチング動作に依存する。別の方法では、周期的なランプ波状の波形基準信号は、正または負のいずれかになり得る。この方法は降圧スイッチングレギュレータ向けに提供されており、昇圧、昇降圧、フライバック、フォワード、セピックなどにも利用できます。
【選択図】図1

Description

発明の詳細な説明
発明の名称
スイッチングレギュレータ及びその制御方法
本発明は、DC−DCコンバータまたはスイッチングレギュレータに関する。
本発明はまた、多相DC−DCコンバータまたは多相スイッチングレギュレータに関する。
DC−DCコンバータまたはスイッチング・レギュレータは、1つのDC電圧レベルから別のDC電圧レベルにエネルギーを変換するように動作します。スイッチングモード電源とも呼ばれるDC/DCコンバータまたはスイッチングレギュレータは、入力電源電圧を所望の出力電圧に変換するために使用されます。スイッチング・レギュレータは、入力から出力へ離散パケットでエネルギーを転送するためにオン/オフされるコンデンサ、インダクタ、トランス、パワー・スイッチなどの低損失部品を通じて電源機能を提供します。フィードバック制御回路は、一定の出力電圧を維持するためにエネルギー伝達を調整するために使用される。
スイッチングレギュレータは、入力電圧をステップアップするか、入力電圧を降圧するか、または両方を行うように構成することができます。具体的には、バックコンバータとも呼ばれるバックスイッチングレギュレータは、入力電圧を降圧します。昇圧コンバータとも呼ばれる昇圧型スイッチングレギュレータは、入力電圧を昇圧します。昇降圧スイッチング・レギュレータ、または昇降圧コンバータは、ステップアップ機能と降圧機能の両方を提供します。
典型的なバックスイッチングレギュレータの動作は周知であり、以下のように一般化される。入力電源に接続された電源スイッチをオンにして、出力フィルタ回路のインダクタにエネルギーを供給し、インダクタを流れる電流を蓄積させる。入力電源に接続された電源スイッチがオフになり、グランドに接続された第2の電源スイッチがオンになると、インダクタ両端の電圧が逆転します。比較的一定の出力電圧が維持される。入力電源からのエネルギーは、これら2つの電源スイッチを介してインダクタとコンデンサに保存され、負荷に転送されます。
典型的なスイッチングレギュレータは、負荷電流に応じて、連続導通モード(CCM)と不連続導通モード(DCM)の2つの動作モードを有する。負荷が大きいとき、インダクタ電流はスイッチング期間全体で正のままであり、スイッチングレギュレータはCCMモードにあります。負荷電流が非常に小さい場合、高効率を維持するために、スイッチングレギュレータはスイッチング周波数を下げ、DCMモードでの消費電流を低減する必要があります。
最新のスイッチングレギュレータまたはDC−DCコンバータの設計では、負荷電流が非常に軽負荷状態と非常に重負荷状態の間で急激に切り替わるとき、出力電圧の変化をできるだけ小さく保つことが課題の1つです。それが起こると、コンバータは最小オーバーシュートとアンダーシュートと高速過渡応答を提供する必要があります。
したがって、本発明の目的は、高速過渡応答を有するスイッチングレギュレータを説明することである。
本発明の別の目的は、多相スイッチングレギュレータを説明することである。
降圧スイッチングレギュレータでは、本発明によれば、2つの電圧比較器がある。第1の電圧比較器は、DC基準電圧信号およびフィードバック信号を受信する。フィードバック信号は、スイッチングレギュレータの出力電圧とインダクタ電流を使用して生成されます。第2の電圧比較器は、周期的負のランプ波状の信号と、コンデンサ上の電圧信号とを受け取る。コンデンサは、バイアス電流によって充電されるか、またはスイッチによって接地に放電される。2つの電圧比較器の出力信号は、ロジックおよびドライバブロックに結合され、ハイサイドパワースイッチおよびローサイドパワースイッチのスイッチング動作を制御する。
本発明による降圧スイッチングレギュレータの別の実施形態では、スイッチングレギュレータのスイッチング動作に応じてフィードバック信号を周期的なランプ波状の基準信号または一定のDC基準信号のいずれかと比較する少なくとも1つの比較器が構成される。この方法では、周期的なランプ波の基準信号は正または負のいずれかになります。
本発明の他の実施形態は、以下の詳細な説明から当業者に容易に明らかになるであろうし、説明のために本発明の様々な実施形態のみが示され説明されていることが理解される。この新しいレギュレータアーキテクチャは、ブースト、バックブースト、フライバック、フォワード、セピックなど、すべてのスイッチング電源レギュレータで使用できます。理解されるように、本発明は、他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、本発明から逸脱することなく、様々な明白な点で変更可能である。したがって、図面および説明は、本質的に例示的であると見なされるべきであり、限定的ではないとみなされるべきである。
本発明の前述は、本発明の開示の一部を形成する添付の図面と関連して読むとき、例示的な実施形態および請求項の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図面において、同様の参照番号は、一般に、同一の、機能的に類似の、および/または構造的に類似の要素を示す。前述及び以下の記載及び図示された開示は、本発明の例示的な実施形態を開示することに焦点を当てているが、これは例示及び実施例のみであり、本発明はそれに限定されない。以下は図面の簡単な説明を表す。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るスイッチングレギュレータの概略図である。
図2は、図1の周波数制御回路の概略図である。
図3は、図1のフィードバック生成方法の代替実施形態によるスイッチングレギュレータの概略図である。ここで、図1の電流検出抵抗器は、1は新しいRCネットワークに置き換えられます。
図4は、図1のフィードバック生成方法の代替実施形態によるスイッチングレギュレータの概略図である。ここで、図1の電流検出抵抗器は、は電流検出回路に置き換えられる。
図5は、図4の本発明のさらなる実施形態による多相スイッチングレギュレータの概略図である。
図6は、図1の本発明の別の実施形態によるスイッチングレギュレータの概略図である。
図7は、本発明の第2の実施形態に係るスイッチングレギュレータの概略図である。
図8は、図7の代替実施形態によるスイッチングレギュレータの概略図である。
本発明は、プロセスを含む多くの方法で実施することができる、装置;システム;および/または物質の組成物。本明細書では、これらの実装形態、または本発明の他の形態を、技術と呼ぶことができる。一般に、開示されたプロセスのステップの順序は、本発明の範囲内で変更することができる。
添付の図面に関連して以下に述べる詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の説明として意図されており、本発明を実施することができる唯一の実施形態を表すものではない。「例示的な」という用語は、「例、事例、または実例として役立つ」を意味し、必ずしも他の実施形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。詳細な説明は、本発明の完全な理解を提供するための特定の詳細を含む。しかしながら、当業者には、これらの特定の詳細なしに本発明を実施できることが明らかであろう。いくつかの例では、本発明の概念を不明瞭にすることを避けるために、周知の構造およびデバイスをブロック図形式で示す。これらの構造およびデバイス、ならびに他のブロック、モジュール、および回路は、様々な機能を実行するために一緒に「結合」することができる。用語「結合された」は、直接接続または適切な場合には間接接続のいずれかを意味する。
図1は、本発明によるバックスイッチングレギュレータの一実施形態を示す概略図である。図1のスイッチングレギュレータ300は、図1には降圧スイッチングレギュレータが示されている。しかしながら、本開示を通して説明された様々な概念は、ブースト、バックブースト、フライバック、フォワード、セピックなどの他のスイッチングレギュレータ、ならびに他の適切なアプリケーションに拡張されてもよい。また、制御方式は、同期および非同期スイッチングレギュレータの両方に使用できます。図1において、スイッチングレギュレータ300は、電圧増幅器110と、分圧器320と、スイッチングレギュレータコントローラ200と、2つの電力スイッチM1およびM2とを含む。FBおよびFB2信号は、出力電圧VOUTから生成された2つのフィードバック信号です。電力スイッチM1は、ノード30における入力電圧VINとノード31におけるスイッチングノードSWとの間に結合される。電源スイッチM2は、接地とスイッチングノードSWとの間に接続される。M1およびM2のゲートは、スイッチングレギュレータコントローラ200内のロジックおよびドライバ回路2に結合される。スイッチングノードSWは、等価直列抵抗(ESR)を有する出力インダクタLと出力コンデンサCOUTと電流センス抵抗Rsnsとを含む出力LRCフィルタ回路に結合される。電流センス抵抗Rsnsは、インダクタLと出力コンデンサCOUTの間に接続されています。分圧器320は、VOUT信号を受信し、フィードバック信号FB2を生成する。FB2信号の電圧レベルは、VOUT信号の電圧レベルに比例します。電圧増幅器110はフィードバック信号FB2および基準電圧VREFを感知して誤差電圧信号VEを生成する。VE信号は、フィードバック信号FB2と基準電圧VREFとの間の電圧差を示す。
図1において、スイッチングレギュレータコントローラ200は、電圧比較器1と、周波数制御回路10と、論理及びドライバ回路2とを含む。コントローラ200は、2つの電力スイッチM1およびM2に結合される。電源スイッチM1は、ハイサイド電源スイッチとも呼ばれる。電源スイッチM2は、ローサイド電源スイッチとも呼ばれる。図1図1において、電源スイッチM1はPMOSFETトランジスタであり、電源スイッチM2はNMOSFETトランジスタである。いくつかの他の用途では、電源スイッチM1はNMOSトランジスタであってもよい。電力スイッチM1およびM2は、入力電圧VIN(ノード30)と接地電位との間に直列に接続される。電源スイッチM1およびM2は交互にオンおよびオフされ、ノード31においてスイッチング出力信号SWを生成する。M1およびM2のスイッチング動作は、論理およびドライバ回路2の出力信号によって制御される。信号PGは、論理及びドライバ回路2の出力信号であり、ノード41において電力スイッチM1を制御する。信号NGは、論理およびドライバ回路2の別の出力信号であり、ノード42で電力スイッチM2を制御する。信号SWは、出力インダクタL、電流センス抵抗Rsnsおよび出力コンデンサCOUTを含むLRCフィルタ回路に直接結合され、ノード32において実質的に一定の電圧レベルを有する調整出力電圧VOUTを生成する。出力コンデンサCOUTは、等価直列抵抗ESRをさらに含む。出力電圧VOUTは負荷50を駆動するために使用され、それによってスイッチングレギュレータ300は出力電圧VOUTを一定の電圧レベルに維持するための電流を供給する。
図1において、VREFはスイッチングコンバータ300の入力信号の1つであり、VREFは一定のDC電圧信号である。VRAMPはスイッチングレギュレータコントローラ200の別の入力信号であり、VRAMPは周期的な負のランプノコギリ波信号である。VRAMPは、周波数制御回路10に結合される。フィードバック信号FBは、スイッチングレギュレータコントローラ200の別の入力信号である。FB信号は、出力電圧VOUTとインダクタ電流ILを合成することで生成できます。FB信号は、出力電圧VOUTとスイッチング信号SWとを組み合わせて生成することもできる。FB信号は三角波形で、インダクタ電流ILと同相です。
フィードバック信号FBは、様々なフィードバック生成回路で生成することができる。図1に示すフィードバック生成回路は、そのうちの1つのみであり、多くの選択肢を持つことができます。フィードバック生成回路は、通常、直接または間接的にインダクタ電流を検出することができる電流検出回路を含む。図1は、インダクタ電流を直接検出する方法を示しています。図1に示すように、抵抗器Rsnsは、インダクタLを流れる電流を直接検出するために、ノード33とノード32との間にインダクタLと直列に接続される。ノード33の信号はフィードバック信号FBである。インダクタLを流れる電流は、センス抵抗Rsnsにリップル信号を生成する。センス抵抗Rsnsの電圧は、インダクタ電流とインダクタ電流との位相に比例します。
図1の電圧比較器1は、フィードバック信号FBおよびVE信号を受信し、次いで、出力信号COMPOUTを生成する。COMPOUT信号は、論理及び駆動回路2に結合される。周波数制御回路10は、ロジック及びドライバ回路2からそれぞれ生成される第1の入力信号VRAMP及び第2の入力信号VPDを有する。周波数制御回路10は、出力信号COMPOUT2を生成する。COMPOUT2信号は、論理及び駆動回路2に結合される。
図2は、図1に示す周波数制御回路10の概略図である。周波数制御回路10は、電圧比較器11と、コンデンサCと、バイアス電流12と、インバータ19と、スイッチS1と、スイッチS2とを含む。コンデンサCの電圧信号はVCAPです。スイッチS1の制御信号はVPD信号であり、スイッチS2の制御信号はVPDb信号である。インバータ19は、VPD信号を受け取り、VPDb信号を生成する。VPDおよびVPDbは論理信号であり、それらは反対の極性を有する。VPD信号が論理ハイ状態にあるとき、VPDb信号は論理ロー状態にあり、VPD信号が論理ロー状態にあるとき、VPDb信号は論理ハイ状態にある。VPD信号が論理ハイ状態にあるとき、スイッチS1はターンオンされ、スイッチS2はターンオフされ、キャパシタCはスイッチS1を介して放電され、VCAP信号は0Vにプルダウンされる。VPDが論理ロー状態にあるとき、スイッチS1はターンオフされ、スイッチS2はターンオンされ、コンデンサCはバイアス電流12によって充電電流Ibiasによって充電され、VCAP信号はランプアップする。電圧比較器11は、2つの入力端子を有する。VCAPは比較器11の第1の入力端子に結合される。VRAMP信号は、比較器11の第2の入力端子に結合される。VRAMP信号は、周期的な負のランプ波状の信号である。コンパレータ11は、信号VCAPを信号VRAMPと比較し、その比較に基づいて出力信号COMPOUT2を生成する。COMPOUT2信号は、図1の論理およびドライバ2に結合される。論理及びドライバ信号2は、比較器1からのCOMPOUT信号及び比較器11からのCOMPOUT2信号をそれぞれ受信する。それは、PG信号およびNG信号を生成して、電力スイッチM1およびM2のスイッチング動作を制御する。
VREF信号は一定のDC電圧信号である。VRAMP信号は、周期的な負のランプ波状の信号である。
VRAMP信号の周期はTsであり、VRAMP信号の周波数は1/Tsである。正方向の斜面は非常に急峻です。VRAMPのピーク値からVRAMPの谷値までの下降時間は、VRAMPの谷値からVRAMPのピーク値までの上昇時間よりもはるかに大きい。
図1の実施形態によれば、比較器1は、VE信号とフィードバック信号FBのピークとを比較する。フィードバック信号FBがVE信号を超えると、電圧比較器1はCOMPOUT論理状態を変化させる。論理およびドライバ回路2は、COMPOUT信号を受信し、電源スイッチM1をオフにし、電源スイッチM2をオンにして、VPD信号をローに設定する。インダクタ電流は(−VOUT)/Lにほぼ等しい負の傾きでランプダウンします。電源スイッチM1はオフのままであり、電源スイッチM2は、電圧比較器11がCOMPOUT2論理状態を変化させるまでオンのままである。論理ロー信号VPDは、周波数制御回路10のスイッチS1をオフにし、スイッチS2をオンにする。コンデンサCはバイアス電流12によって充電され、したがってVCAP信号は0Vからランプアップします。VCAP信号がVRAMPを超えると、電圧比較器11はCOMPOUT2論理状態を変化させる。論理及び駆動回路2COMPOUT2信号を受信し、電源スイッチM2を外し、電源スイッチM1を接続し、VPD信号をハイに設定します。インダクタ電流は(VIN−VOUT)/Lにほぼ等しい正の傾きでランプアップします。電源スイッチM2はオフを維持し、電源スイッチM1は、電圧比較器1がCOMPOUT論理状態を変化させるまでオンのままである。論理ハイ信号VPDは、スイッチS1をオンにし、スイッチS2をオフにする。キャパシタCは、スイッチS1を介して放電される。VCAP信号は0Vにプルダウンされます。図1の抵抗Rsnsは、インダクタ電流を直接検出すると、抵抗Rsnsの電圧はインダクタ電流ILに比例し、インダクタ電流ILと同相になります。フィードバック信号FBは、出力電圧VOUT+Rsnsの電圧降下です。フィードバック信号FBは、インダクタ電流ILと同相である。
図1および図2を参照すると、電圧比較器1は、VE信号とFB信号とを比較する。COMPOUT信号を生成し、電源スイッチM1をオフにするタイミングと電源スイッチM2をオンにするタイミングを制御する。電圧比較器11は、VCAP信号とVRAMP信号とを比較し、COMPOUT2信号を生成し、電源スイッチM2をオフするタイミングと、電源スイッチM1をオンするタイミングとを制御する。電力スイッチM1およびM2のスイッチング動作は、電圧比較器1および比較器11のトリガ点にのみ依存する。
図1および図2を参照する、本発明の別の実施形態によれば、比較器1は、VE信号をフィードバック信号FBの谷と比較する。フィードバック信号FBがVE信号を下回ると、電圧比較器1はCOMPOUT論理状態を変化させる。論理およびドライバ回路2は、COMPOUT信号を受信し、電源スイッチM2をオフにし、電源スイッチM1をオンにし、VPD信号をローに設定する。インダクタ電流は(VIN‐VOUT)/Lにほぼ等しい正の傾きでランプアップします。電源スイッチM2はオフのままであり、電源スイッチM1は、電圧比較器11がCOMPOUT2論理状態を変化させるまでオンのままである。論理ロー信号VPDは、周波数制御回路10のスイッチS1をオフにし、スイッチS2をオンにする。VCAP信号が0Vからランプアップするように、コンデンサCはバイアス電流12によって充電されます。VCAP信号がVRAMPを超えると、電圧比較器11はCOMPOUT2論理状態を変化させる。論理及びドライバ回路2は、COMPOUT2信号を受信し、電源スイッチM1をオフにし、電源スイッチM2をオンにし、VPD信号をハイに設定する。インダクタ電流は(‐VOUT)/Lにほぼ等しい負の傾きでランプダウンします。電源スイッチM1はオフのままであり、電源スイッチM2は、電圧比較器1がCOMPOUT論理状態を変えるまでオンのままである。論理ハイ信号VPDは、周波数制御回路10のスイッチS1をオンにし、スイッチS2をオフにする。キャパシタCは、スイッチS1を介して放電される。VCAP信号は0Vにプルダウンされます。図1の抵抗Rsnsは、インダクタ電流を直接検出すると、抵抗Rsnsの電圧はインダクタ電流ILに比例し、インダクタ電流ILと同相になります。フィードバック信号FBは、出力電圧VOUT+Rsnsの電圧降下です。フィードバック信号FBは、インダクタ電流ILと同相である。
図3は、図1のフィードバック信号FBが新しいRCネットワークによって生成される、本発明の別の実施形態によるスイッチングレギュレータ300の概略図である。図3を参照すると、スイッチングレギュレータ300は、図1のスイッチングレギュレータと同様である。これは、電圧増幅器110と、分圧器320と、スイッチングレギュレータコントローラ200と、2つの電力スイッチM1およびM2を含み、M1およびM2は出力LCフィルタ回路に結合され、出力LCフィルタ回路は、出力インダクタLと、等価直列抵抗(ESR)を有する出力キャパシタCOUTとを含む。FBおよびFB2信号は、出力電圧VOUTから生成された2つのフィードバック信号です。分圧器320は、VOUT信号を受信し、フィードバック信号FB2を生成する。FB2信号の電圧レベルは、VOUT信号の電圧レベルに比例します。電圧増幅器110はフィードバック信号FB2および基準電圧VREFを感知して誤差電圧信号VEを生成する。VE信号は、フィードバック信号FB2と基準電圧VREFとの間の電圧差を示す。VE信号は、コントローラ200に結合される。図3は、フィードバック信号FBを生成するための新しいRCネットワークを有する。フィードバック信号FBは、図1と同様のコントローラ200内の電圧比較器1に結合される。新しいRCネットワークは、R1、R2、C1、R3、C3およびC4を含む。抵抗器R1およびR2は、ノード32の出力電圧と接地電位との間に直列に接続されている。R1およびR2の共通ノード33の信号は、コントローラ200内の電圧比較器1の入力端子に結合されたフィードバック信号FBである。コンデンサC1は、ノード32とノード33との間に抵抗R1と並列に接続される。抵抗器R2は任意であり、他の実施形態では省略することができる。キャパシタC1は任意であり、他の実施形態では省略することができる。抵抗R3およびコンデンサC3は、ノード31とノード32との間のインダクタLを介して直列に接続される。キャパシタC4は、抵抗R3の共通ノード39に接続され、またノード33においてキャパシタC3およびフィードバック電圧信号FBに接続される。フィードバック信号FBインダクタ電流ILの波形に類似したほぼ三角形の波形を有し、インダクタ電流ILと同相である。
図4は、図1の本発明の別の実施形態によるスイッチングレギュレータ300の概略図である。図4を参照すると、スイッチングレギュレータ300は、図1のスイッチングレギュレータと同様である。スイッチングレギュレータ300は、電圧増幅器110と、分圧器320と、スイッチングレギュレータコントローラ200と、2つの電力スイッチM1およびM2とを含み、M1およびM2は、出力LCフィルタ回路に結合され、出力LCフィルタ回路は、出力インダクタLと、等価直列抵抗(ESR)で接続された出力コンデンサCOUTとを含む。FB信号とFB2信号は2つのフィードバック信号です。分圧器320は、VOUT信号を受信し、フィードバック信号FB2を生成する。FB2信号の電圧レベルは、VOUT信号の電圧レベルに比例します。電圧増幅器110はフィードバック信号FB2および基準電圧VREFを感知して誤差電圧信号VEを生成する。VE信号は、フィードバック信号FB2と基準電圧VREFとの間の電圧差を示す。VE信号は、コントローラ200に結合される。図4は、電流検出回路36およびフィードバック発生器35を含む。電流検出回路36は、出力信号Isnsを生成する。Isns信号は、インダクタ電流ILに比例し、インダクタ電流ILと同相です。フィードバック発生器35は、電流センス信号Isnsおよび出力電圧VOUTを受け取り、フィードバック信号FBを生成する。フィードバック信号FBは、インダクタ電流ILと同相である。フィードバック信号FBは、コントローラ200内の電圧比較器1に結合される。
本発明の方法は、多相スイッチングレギュレータに用いることができる。図5は、図4の本発明のさらなる実施形態による三相スイッチングレギュレータ400の概略図である。他のスイッチングレギュレータは、異なる数の位相を有することができる。図5に示す多相スイッチングレギュレータは、降圧多相スイッチングレギュレータであるが、この実施形態に限定されない。同様の原理、主ブロックおよびシステム動作は、例えばブースト多相スイッチングレギュレータのような他の多相スイッチングレギュレータの場合にも行うことができる。図5に示すように、3相スイッチングレギュレータ400は、電圧増幅器110と、分圧器320と、3つのスイッチングレギュレータコントローラ201,202,203とを含む。分圧器320は、VOUT信号を受信し、フィードバック信号FB2を生成する。FB2信号の電圧レベルは、VOUT信号の電圧レベルに比例します。電圧増幅器110はフィードバック信号FB2および基準電圧VREFを感知して誤差電圧信号VEを生成する。VE信号は、フィードバック信号FB2と基準電圧VREFとの間の電圧差を示す。VE信号は、3つのコントローラに結合される。3つのコントローラは、図4のものと同様である。コントローラ201は、ハイサイドパワースイッチM1およびローサイドパワースイッチM2のスイッチング動作を制御する。電力スイッチM1およびM2は、インダクタL1に結合される。インダクタL1は、等価直列抵抗(ESR)を有する出力コンデンサCOUTに結合される。電流検出回路41は、インダクタ電流に比例する電流検出信号を生成する。フィードバック発生器61は、電流感知信号及び出力電圧VOUTを受信し、フィードバック信号FB1を生成する。フィードバック信号FB1は、インダクタL1電流と同相であり、コントローラ201に結合される。誤差電圧信号VEは、コントローラ201の入力信号である。VRAMP1はコントローラ201の別の入力信号である。コントローラ202は、ハイサイドパワースイッチM3およびローサイドパワースイッチM4のスイッチング動作を制御する。コントローラ202は、ハイサイドパワースイッチM3およびローサイドパワースイッチM4のスイッチング動作を制御する。電力スイッチM3およびM4は、インダクタL2に結合される。インダクタL2は、等価直列抵抗(ESR)を有する出力コンデンサCOUTに結合される。電流検出回路42は、インダクタ電流に比例する電流検出信号を生成する。フィードバック発生器62は、電流センス信号と出力電圧VOUTとを受け取り、フィードバック信号FB2を生成する。フィードバック信号FB2は、インダクタL2電流と同相であり、コントローラ202に結合される。誤差電圧信号VEは、コントローラ202の入力信号である。VRAMP2はコントローラ202の別の入力信号である。コントローラ203は、ハイサイドパワースイッチM5およびローサイドパワースイッチM6のスイッチング動作を制御する。電力スイッチM5およびM6は、インダクタL3に結合される。インダクタL3は、等価直列抵抗(ESR)を有する出力コンデンサCOUTに結合される。電流検出回路43は、インダクタ電流に比例する電流検出信号を生成する。フィードバック発生器63は、電流感知信号及び出力電圧VOUTを受信し、フィードバック信号FB3を生成する。フィードバック信号FB3は、インダクタL3の電流と同相であり、コントローラ203に結合される。誤差電圧信号VEは、コントローラ203の入力信号である。VRAMP3はコントローラ203の別の入力信号である。
図5において、VRAMP1、VRAMP2及びVRAMP3は、周期的な負のランプ波状の信号である。彼らは同じ期間(Ts)を持っています。VRAMP1、VRAMP2、VRAMP3のピーク値は同じです。VRAMP1、VRAMP2、VRAMP3の谷の値は同じです。VRAMP1、VRAMP2、VRAMP3の正方向の傾きは非常に急峻です。VRAMP1、VRAMP2、VRAMP3のピーク値からVRAMP1、VRAMP2、VRAMP3の谷値までの立ち下がり時間は、谷値からピーク値までの立ち上がり時間よりもはるかに大きくなります。VRAMP1とVRAMP2の間の位相シフトは120度です。VRAMP2とVRAMP3の間の位相シフトは120度です。VRAMP3とVRAMP1の間の位相シフトは120度です。VRAMP1とVRAMP2との間の時間遅延はTs/3である。VRAMP2とVRAMP3との間の時間遅延はTs/3である。VRAMP3とVRAMP1との間の時間遅延はTs/3である。スイッチングレギュレータ400は3相を含む。各相のスイッチング周波数は1/Tsです。他のスイッチングレギュレータは異なる数の位相を有し、位相間の位相シフトは異なる可能性がある。例えば、4相スイッチングレギュレータでは、2つの隣接する相の間の位相シフトは90度である。
図5に示すように、フィードバック信号を生成するために代替のフィードバック生成方法を使用することもできる。例えば、図1または図3で使用されるフィードバック生成方法を使用して、多相スイッチングレギュレータでフィードバック信号を生成することもできます。
図6は、図1に示す本発明による降圧スイッチングレギュレータの別の実施形態を示す概略図である。図6において、スイッチングレギュレータ300は、スイッチングレギュレータコントローラ200と、2つのパワースイッチM1およびM2とを含む。電力スイッチM1は、ノード30における入力電圧VINとノード31におけるスイッチングノードSWとの間に結合される。電源スイッチM2は、接地とスイッチングノードSWとの間に接続される。M1およびM2のゲートは、スイッチングレギュレータコントローラ200内のロジックおよびドライバ回路2に結合される。スイッチングノードSWは、出力インダクタLを含む出力LRCフィルタ回路に結合され、等価直列抵(ESR)を有する出力キャパシタCOUTを含み、電流検出抵抗Rsnsも含む。電流センス抵抗Rsnsは、インダクタLと出力コンデンサCOUTの間に接続されています。スイッチングレギュレータコントローラ200は、電圧比較器1と、図2に示す周波数制御回路10と、2及び論理及び駆動回路2を含む。
図6を参照すると、フィードバック信号FBは、図3に示すか、または図4に示すような別の実施形態によって生成することができる。
図7は、本発明による降圧スイッチングレギュレータの代替実施形態を示す概略図である。図7において、スイッチングレギュレータ300は、コントローラ200と、2つの電力スイッチM1およびM2とを含む。電力スイッチM1は、ノード31において入力電圧VINとスイッチングノードSWとの間に結合される。電源スイッチM2は、接地とスイッチングノードSWとの間に接続される。M1およびM2のゲートはコントローラ200に結合されている。スイッチングノードSWは出力LRCフィルタ回路に結合され、出力LRVフィルタ回路は出力インダクタLを含み、等価直列抵抗(ESR)を有する出力キャパシタCOUTも含む。フィードバック生成器320は、出力電圧VOUTを受け取り、フィードバック信号FBを生成する。フィードバック信号は、インダクタ電流と同相であり、コントローラ200に結合される。信号VREFおよびVRAMPは、コントローラ200の2つの基準信号である。VREF信号はDC電圧信号である。VRAMPは、周期的な負のランプノコギリ波信号または周期的な正のランプノコギリ波信号のいずれかです。VREF信号の電圧レベルがVRAMP信号の電圧レベルよりも大きい場合(VREFは高い基準信号であり、VRAMPは低い基準信号である)、VRAMPは周期的な正のランプ波状の信号であり、その立ち上がり時間は下降時間よりもはるかに長い。VREF信号の電圧レベルがVRAMP信号の電圧レベルよりも小さい場合(VREFは低い基準信号であり、VRAMPは高い基準信号である)、VRAMPは周期的な負のランプ波状の信号であり、その立ち上がり時間は立ち下がり時間よりもはるかに短い。通常の動作モードでは、フィードバック信号FBが下側基準信号を下回ると、コントローラはローサイドスイッチをオフにし、ハイサイドスイッチをオンにします。その間に、インダクタ電流が増加し始めます。ハイサイドスイッチは、フィードバック信号FBがより高い基準信号を超えるまでオンを維持する。フィードバック信号FBが高い基準信号を超えると、コントローラはハイサイドスイッチをオフにし、ローサイドスイッチをオンにします。その間、インダクタ電流は減少し始めます。ローサイドスイッチは、フィードバック信号FBが下側の基準信号を下回るまでオンを維持します。
図8は、本発明による降圧スイッチングレギュレータの別の実施形態を示す概略図である。図8を参照すると、スイッチングレギュレータ300は、電圧増幅器110と、フィードバックジェネレータ200と、分圧器210と、コントローラ100と、2つの電力スイッチM1およびM2とを含み、M1およびM2は、出力LCフィルタ回路、出力LCフィルタ回路は出力インダクタLを含み、等価直列抵抗(ESR)を有する出力コンデンサCOUTも含む。FBおよびFB2信号は、出力電圧VOUTから生成された2つのフィードバック信号です。分圧器210は、VOUT信号を受信し、フィードバック信号FBを生成する。FB信号の電圧レベルは、VOUT信号の電圧レベルに比例する。電圧増幅器110は、フィードバック信号FBおよび基準電圧VREFを感知し、誤差電圧信号VEを生成する。VE信号は、フィードバック信号FBと基準電圧VREFとの間の電圧差を示す。VE信号はコントローラ100に結合される。フィードバック発生器200は、出力電圧VOUTを受信し、フィードバック信号FB2を生成する。フィードバック信号FB2は、インダクタ電流と同相であり、コントローラ100に結合される。信号VEおよびVRAMPは、コントローラ200の2つの基準信号である。VE信号はDCまたはゆっくり変化する電圧信号です。VRAMPは、周期的な負のランプノコギリ波信号または周期的な正のランプノコギリ波信号のいずれかです。VE信号の電圧レベルがVRAMP信号の電圧レベルよりも大きい場合(VEはより高い基準信号であり、VRAMPはより低い基準信号である)、VRAMPは周期的な正のランプ波状の信号であり、その立ち上がり時間は立ち下がり時間よりもはるかに長い。VE信号の電圧レベルがVRAMP信号の電圧レベルよりも小さい場合(VEはより低い基準信号であり、VRAMPはより高い基準信号である)、VRAMPは周期的な負のランプ波状の信号であり、その立ち上がり時間は立ち下がり時間よりもはるかに小さい。通常動作モードでは、フィードバック信号FB2が下側基準信号を下回ると、コントローラ100は、ローサイドスイッチをオフにし、ハイサイドスイッチをオンにする。その間に、インダクタ電流が増加し始めます。ハイサイドスイッチは、フィードバック信号FB2がより高い基準信号を上回るまでオンのままである。フィードバック信号FB2が高い基準信号を上回ると、コントローラ100は、ハイサイドスイッチをオフにし、ローサイドスイッチをオンにする。その間、インダクタ電流は減少し始めます。ローサイドスイッチは、フィードバック信号FB2が下側の基準信号を下回るまでオンのままです。
本発明の他の実施形態は、以下の詳細な説明から当業者に容易に明らかになるであろうし、説明のために本発明の様々な実施形態のみが示され説明されていることが理解される。本発明の記載された実施形態は、ブースト、バックブースト、フライバック、フォワード、セピックなどのすべてのスイッチングレギュレータに使用することができる。理解されるように、本発明は、他の異なる実施形態が可能であり、そのいくつかの詳細は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な他の点で変更可能である。したがって、開示された実施形態、図面、および詳細な説明は、本質的に単なる例示であり、限定的ではないと見なされるべきである。

Claims (20)

  1. スイッチングレギュレータは、入力電圧を受けるように構成されている。また、安定した出力電圧を生成します。前記スイッチングレギュレータは、ハイサイドパワースイッチ及びローサイドパワースイッチを制御する。この動作は、フィードバック制御方式に基づいており、スイッチング出力電圧を生成するためにスイッチング・ノードを駆動します。前記スイッチ出力ノードは、LCフィルタに結合され、出力コンデンサ上に実質的に一定の大きさを有する前記調整された出力電圧を生成し、前記スイッチングレギュレータは、備え:
    定電圧基準信号と、
    所定の周波数における周期的なランプ波の基準信号と、
    フィードバック生成回路であって、前記レギュレータ出力電圧を用いて第1のフィードバック信号を生成するように構成されている。
  2. 請求項1に記載のスイッチングレギュレータ、さらに備え:
    レギュレータ出力電圧を受信し、第2のフィードバック信号を生成するように構成された分圧器と、
    前記第2のフィードバック信号と前記定電圧基準信号とを受け取り、出力信号を生成するように構成された電圧増幅器と、
    前記第1のフィードバック信号、前記周期的なランプ波の基準信号、および前記電圧増幅器の前記出力信号を受信するように構成されたコントローラと、
    前記コントローラは、前記第1のフィードバック信号と、前記周期的なランプ波の基準信号または前記電圧増幅器の出力信号のいずれかからのいずれか1つの信号とを受信する第1の比較器と、
    前記コントローラはさらに、論理およびドライバ回路を備え、前記第1のコンパレータ出力信号を受信し、前記パワースイッチの制御信号を生成するように構成され、
    前記第1のフィードバック信号はインダクタ電流と同相であり、
    前記周期的なノコギリ波の基準信号は、負または正のいずれかとすることができる。
  3. 請求項1に記載のスイッチングレギュレータ、さらに備え:
    前記第1のフィードバック信号、前記周期的なランプ波状の基準電圧信号、および前記定電圧基準信号を受信するように構成されたコントローラと、
    前記コントローラは、前記第1のフィードバック信号と、前記周期的なランプ波の基準信号または前記一定電圧基準信号のいずれかからのいずれか1つの信号とを受信する第1の比較器と、
    前記コントローラはさらに、論理およびドライバ回路を備え、前記第1のコンパレータ出力信号を受信し、前記パワースイッチの制御信号を生成するように構成され、
    前記第1のフィードバック信号はインダクタ電流と同相であり、
    前記周期的なノコギリ波の基準信号は、負または正のいずれかとすることができる。
  4. 請求項2に記載のスイッチングレギュレータにおいて、
    前記コントローラは、キャパシタをさらに備える、前記コンデンサは、前記第1の比較器出力信号に基づいて充放電され、前記コンデンサに電圧信号を生成するように構成され、
    前記第1の比較器は、前記電圧増幅器の前記出力信号と前記第1のフィードバック信号とを受け取るようにさらに構成されていることを特徴とする装置、前記第1のコンパレータ出力信号を生成することである、その出力レベルは、 前記電圧増幅器の前記出力信号と前記第1のフィードバック信号との間の電圧差を反映する。
  5. 請求項3に記載のスイッチングレギュレータにおいて、
    前記コントローラは、キャパシタをさらに備える、前記コンデンサは、前記第1の比較器出力信号に基づいて充放電され、前記コンデンサに電圧信号を生成するように構成され、
    前記第1の比較器は、前記定電圧基準信号と前記第1のフィードバック信号とを受信するようにさらに構成され。こうしてコンパレータ出力信号を生成し、その出力レベルは、前記定電圧基準信号と前記第1のフィードバック信号との間の電圧差を反映する。
  6. 請求項4に記載のスイッチングレギュレータにおいて、
    前記周期的なノコギリ波基準信号は負であり、
    前記コントローラは、第2の比較器をさらに備え、前記周期的な負のランプ波の基準信号および前記コンデンサ上の前記電圧信号を受信し、第2のコンパレータ出力信号を生成するために、その出力レベルは前記周期的な負のランプ波状の波形基準信号と前記コンデンサ上の前記電圧信号との間の電圧差を反映する。
    前記第1のコンパレータ出力信号および前記第2のコンパレータ出力信号を受信し、前記ハイサイドパワースイッチおよび前記ローサイドパワースイッチを駆動するための制御信号を生成するようにさらに構成された前記ロジックおよびドライバ回路。
  7. 請求項5に記載のスイッチングレギュレータにおいて、
    前記周期的なノコギリ波基準信号は負であり、
    前記コントローラは、第2の比較器をさらに備え、前記周期的な負のランプ波の基準信号および前記コンデンサ上の前記電圧信号を受信し、第2のコンパレータ出力信号を生成するために、その出力レベルは前記周期的な負のランプ波状の波形基準信号と前記コンデンサ上の前記電圧信号との間の電圧差を反映する。
    前記第1のコンパレータ出力信号および前記第2のコンパレータ出力信号を受信し、前記ハイサイドパワースイッチおよび前記ローサイドパワースイッチを駆動するための制御信号を生成するようにさらに構成された前記ロジックおよびドライバ回路。
  8. 請求項2に記載のスイッチングレギュレータを複数備えた多相スイッチングレギュレータ。
  9. 請求項3に記載のスイッチングレギュレータを複数備えた多相スイッチングレギュレータ。
  10. スイッチングレギュレータの制御方法は、入力電圧を受けて、ハイサイドパワースイッチとローサイドパワースイッチを制御し、出力電圧を生成するスイッチングノードを駆動するステップと、前記スイッチングノードは、LCフィルタ回路に結合され、出力コンデンサに実質的に一定の電圧を有する調整された出力電圧を生成する。前記方法は、備え:
    一定のDC基準信号を生成するステップと、
    所与の周波数で周期的な負のランプ波状の波形基準信号を生成するステップと、
    インダクタ電流と前記レギュレータ出力電圧とを組み合わせて第1のフィードバック信号を生成するステップと。
  11. 請求項10に記載の動作方法、さらに備え:
    生成する前記スイッチングレギュレータ出力電圧に比例する第2のフィードバック信号を生成し、
    電圧増幅器を使用して、前記一定DC基準信号と前記第2のフィードバック信号との間の電圧差を反映する大きさの出力信号を生成するステップと、
    前記第1のフィードバック信号を前記増幅器出力信号と比較し、第1の比較信号を生成するステップと、
    コンデンサを充電および放電することによってコンデンサ電圧信号を生成し、この動作は前記第1の比較信号に応答し、
    前記コンデンサ電圧信号を前記周期的な負のランプ波状の波形信号と比較し、第2の比較信号を生成するステップと、
    前記第1比較信号及び前記第2比較信号に応答して、前記レギュレータ出力電圧を調整する、前記ハイサイド電源スイッチ及び前記ローサイド電源スイッチを制御するステップとを含む方法。
  12. 請求項10に記載の動作方法、さらに備え:
    前記第1のフィードバック信号を前記一定のDC基準信号と比較し、第1の比較信号を生成するステップと、
    コンデンサを充電および放電することによってコンデンサ電圧信号を生成し、この動作は前記第1の比較信号に応答し、
    前記コンデンサ電圧信号を前記周期的な負のランプ波状の波形信号と比較し、第2の比較信号を生成するステップと、
    前記第1比較信号及び前記第2比較信号に応答して、前記レギュレータ出力電圧を調整する、前記ハイサイド電源スイッチ及び前記ローサイド電源スイッチを制御するステップとを含む方法。
  13. 多相スイッチングレギュレータは、複数の前記スイッチングレギュレータを含む、請求項11に記載の制御方法。
  14. 多相スイッチングレギュレータは、複数の前記スイッチングレギュレータを含む、請求項12に記載の制御方法。
  15. スイッチングレギュレータの制御方法は、入力電圧を受けて、ハイサイドパワースイッチとローサイドパワースイッチを制御し、出力電圧を生成するスイッチングノードを駆動するステップと、前記スイッチングノードは、LCフィルタ回路に結合され、出力コンデンサに実質的に一定の電圧を有する調整された出力電圧を生成する。前記方法は、備え:
    一定のDC基準信号を生成するステップと、
    所定の周波数を有する周期的なランプ波状の基準信号を生成するステップと、
    インダクタ電流と前記レギュレータ出力電圧とを組み合わせて第1のフィードバック信号を生成するステップと、
    前記第1のフィードバック信号を前記一定DC基準信号と比較し、第1の比較信号を生成するステップと、
    前記第1のフィードバック信号を前記周期的なノコギリ波信号と比較して第2の比較信号を生成するステップと、
    前記第1比較信号及び前記第2比較信号に応答して、前記レギュレータ出力電圧を調整する、前記ハイサイド電源スイッチ及び前記ローサイド電源スイッチを制御するステップとを含む方法。
  16. 請求項15に記載の制御方法であって、
    レギュレータシステムによって導入されるオフセットを補償するために、電圧増幅器によって前記DC基準信号の前記電圧レベルを調整することをさらに含み、前記スイッチングレギュレータの前記出力電圧は、所望の電圧。
  17. 多相スイッチングレギュレータは、複数の前記スイッチングレギュレータを含む、請求項15に記載の制御方法。
  18. 多相スイッチングレギュレータは、複数の前記スイッチングレギュレータを含む、請求項16に記載の制御方法。
  19. 前記スイッチングレギュレータは、バック、ブースト、バックブースト、フライバック、フォワードおよびセピックスイッチングレギュレータを含むグループに属するスイッチングレギュレータである、請求項10に記載の方法。
  20. 前記スイッチングレギュレータは、バック、ブースト、バックブースト、フライバック、フォワードおよびセピックスイッチングレギュレータを含むグループに属するスイッチングレギュレータである、請求項15に記載の方法。
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