JP2020058211A - Switching power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書中に開示されている発明は、スイッチング電源に関する。 The invention disclosed in this specification relates to a switching power supply.
従来、様々なアプリケーションの電源手段として、入力電圧から所望の出力電圧を生成するスイッチング電源(いわゆるDC/DCコンバータ)が用いられている。 Conventionally, a switching power supply (a so-called DC / DC converter) that generates a desired output voltage from an input voltage has been used as power supply means for various applications.
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1や特許文献2を挙げることができる。
In addition, as an example of the related art related to the above,
しかしながら、従来のスイッチング電源では、更なる効率改善の余地があった。 However, the conventional switching power supply has room for further improvement in efficiency.
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、高効率のスイッチング電源を提供することを第1の目的とする。 The first object of the invention disclosed in this specification is to provide a high-efficiency switching power supply in view of the above-mentioned problems found by the inventors of the present application.
また、従来のスイッチング電源では、出力電圧のリップル成分により出力キャパシタから耳障りなノイズ音を生じるおそれがあった。 Further, in the conventional switching power supply, there is a possibility that an unpleasant noise sound is generated from the output capacitor due to a ripple component of the output voltage.
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、ノイズ音を生じにくいスイッチング電源を提供することを第2の目的とする。 The second object of the invention disclosed in the present specification is to provide a switching power supply that does not easily generate noise sound in view of the above-described problems found by the inventors of the present application.
上記第1の目的を達成するために、本明細書中に開示されているスイッチング電源は、出力トランジスタをオン/オフしてキャパシタを充電することにより入力電圧から出力電圧を生成するスイッチング出力回路と、1回のスイッチングによる前記キャパシタへの充電電荷が下限値に制限されて前記出力電圧またはこれに応じた帰還電圧が所定の基準電圧から持ち上がったときに前記スイッチング出力回路の駆動を停止する制御回路と、前記スイッチング出力回路の駆動期間に前記下限値を可変制御する下限値設定回路と、を有する構成(第1の構成)とされている。 In order to achieve the first object, a switching power supply disclosed herein includes a switching output circuit that generates an output voltage from an input voltage by charging a capacitor by turning on / off an output transistor. A control circuit for stopping the driving of the switching output circuit when the charge on the capacitor by one switching operation is limited to a lower limit value and the output voltage or a feedback voltage corresponding thereto rises from a predetermined reference voltage; And a lower limit value setting circuit that variably controls the lower limit value during the drive period of the switching output circuit (first configuration).
なお、上記第1の構成から成るスイッチング電源において、前記下限値設定回路は、スイッチング回数が増えるほど前記下限値を引き上げる構成(第2の構成)にするとよい。 In the switching power supply having the first configuration, the lower limit value setting circuit may be configured to increase the lower limit value as the number of times of switching increases (second configuration).
また、上記の第1または第2の構成から成るスイッチング電源において、前記下限値設定回路は、負荷が重いほど前記下限値を引き上げる構成(第3の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply having the above first or second configuration, the lower limit value setting circuit may have a configuration (third configuration) in which the lower limit value is increased as the load becomes heavier.
また、上記第1〜第3いずれかの構成から成るスイッチング電源において、前記下限値設定回路は、前記スイッチング出力回路に流れるインダクタ電流の検出値と所定の基準電流値とを比較して下限値設定信号を生成する構成(第4の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply having any one of the first to third configurations, the lower limit value setting circuit compares the detection value of the inductor current flowing through the switching output circuit with a predetermined reference current value to set the lower limit value. A configuration for generating a signal (fourth configuration) may be used.
また、上記第4の構成から成るスイッチング電源において、前記下限値設定回路は、前記基準電流値を変化させて前記下限値設定信号のパルス生成タイミングを可変制御する構成(第5の構成)にするとよい。 In the switching power supply having the fourth configuration, the lower limit value setting circuit may have a configuration (fifth configuration) that variably controls the pulse generation timing of the lower limit value setting signal by changing the reference current value. Good.
また、上記第4または第5の構成から成るスイッチング電源は、前記出力電圧または前記帰還電圧と前記基準電圧との差分に応じた誤差信号を生成するエラーアンプと、所定のスイッチング周波数でパルス駆動されるオン信号を生成するオシレータと、前記誤差信号とランプ信号を比較してオフ信号を生成するPWMコンパレータと、をさらに有し、前記制御回路は、前記オン信号のパルス生成タイミングで前記出力トランジスタをオンし、前記オフ信号のパルス生成タイミングと前記下限値設定信号のパルス生成タイミングのいずれか遅い方で前記出力トランジスタをオフする構成(第6の構成)にするとよい。 Further, the switching power supply having the fourth or fifth configuration is configured such that an error amplifier that generates an error signal corresponding to a difference between the output voltage or the feedback voltage and the reference voltage is pulse-driven at a predetermined switching frequency. An oscillator that generates an ON signal, and a PWM comparator that generates an OFF signal by comparing the error signal with a ramp signal, wherein the control circuit controls the output transistor at a pulse generation timing of the ON signal. The output transistor may be turned on and turned off at the later of the pulse generation timing of the off signal and the pulse generation timing of the lower limit setting signal (sixth configuration).
また、上記第1〜第6いずれかの構成から成るスイッチング電源において、前記制御回路は、前記出力電圧または前記帰還電圧が前記基準電圧から持ち上がっているときに前記スイッチング出力回路の駆動と停止を繰り返す間欠駆動モードとなる構成(第7の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply having any one of the first to sixth configurations, the control circuit repeats driving and stopping of the switching output circuit when the output voltage or the feedback voltage rises from the reference voltage. A configuration (seventh configuration) in which the intermittent drive mode is set may be used.
また、上記第7の構成から成るスイッチング電源は、前記出力電圧または前記帰還電圧と所定の上側閾値電圧とを比較して第1比較信号を生成する第1コンパレータと、前記出力電圧または前記帰還電圧と前記上側閾値電圧よりも低い所定の下側閾値電圧とを比較して第2比較信号を生成する第2コンパレータと、をさらに有し、前記制御回路は、前記第1比較信号に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を停止する一方、前記第2比較信号に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を再開する構成(第8の構成)にするとよい。 The switching power supply having the seventh configuration includes a first comparator that compares the output voltage or the feedback voltage with a predetermined upper threshold voltage to generate a first comparison signal; And a second comparator that compares a predetermined lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage to generate a second comparison signal, wherein the control circuit is configured to perform the control in accordance with the first comparison signal. It is preferable that the driving of the switching output circuit is stopped while the driving of the switching output circuit is restarted in response to the second comparison signal (eighth configuration).
また、上記第8の構成から成るスイッチング電源において、前記上側閾値電圧及び前記下側閾値電圧は、それぞれ、前記基準電圧に1よりも大きい係数を乗じた電圧値である構成(第9の構成)にするとよい。 In the switching power supply having the eighth configuration, the upper threshold voltage and the lower threshold voltage are each a voltage value obtained by multiplying the reference voltage by a coefficient greater than 1 (a ninth configuration). It is good to
また、上記第1〜第9いずれかの構成から成るスイッチング電源において、前記スイッチング出力回路は、降圧型、昇圧型、昇降圧型、または、反転型である構成(第10の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply having any one of the first to ninth configurations, the switching output circuit may have a configuration of a step-down type, a step-up type, a step-up / step-down type, or an inversion type (tenth configuration).
また、上記第2の目的を達成するために、本明細書中に開示されているスイッチング電源は、出力トランジスタをオン/オフしてキャパシタを充電することにより入力電圧から出力電圧を生成するスイッチング出力回路と、1回のスイッチングにより前記キャパシタに供給される充電電荷の下限値を設定する下限値設定回路と、前記下限値設定回路の働きにより前記出力電圧またはこれに応じた帰還電圧が所定の基準電圧から持ち上がっているときに前記スイッチング出力回路の駆動と停止を繰り返す間欠駆動モードとなる制御回路と、を有し、前記制御回路は、前記間欠駆動モードにおける前記出力電圧のリップル周波数が前記キャパシタからノイズ音を生じない周波数となるように、前記スイッチング出力回路の駆動停止タイミング及び駆動再開タイミングの少なくとも一方を制御する構成(第11の構成)とされている。 In order to achieve the second object, a switching power supply disclosed in the present specification includes a switching output for generating an output voltage from an input voltage by charging a capacitor by turning on / off an output transistor. A circuit, a lower limit value setting circuit for setting a lower limit value of the charge to be supplied to the capacitor by one switching, and a function of the lower limit value setting circuit, the output voltage or a feedback voltage corresponding to the output voltage being a predetermined reference. A control circuit that is in an intermittent drive mode that repeats driving and stopping the switching output circuit when the voltage rises from a voltage, wherein the control circuit controls the output voltage ripple frequency in the intermittent drive mode from the capacitor. A drive stop timing of the switching output circuit and a frequency that does not generate noise noise. Is configured for controlling at least one of the dynamic recommencement timing (eleventh configuration).
なお、上記第11の構成から成るスイッチング電源において、前記制御回路は、前記スイッチング出力回路の駆動中に、前回の駆動停止タイミングから所定の上限時間が経過したときには、前記スイッチング出力回路の駆動を強制的に停止する構成(第12の構成)にするとよい。 In the switching power supply having the eleventh configuration, the control circuit forcibly drives the switching output circuit when a predetermined upper limit time has elapsed from a previous drive stop timing during driving of the switching output circuit. The configuration (the twelfth configuration) in which the operation is stopped temporarily may be used.
また、上記第11または第12の構成から成るスイッチング電源において、前記制御回路は、前記スイッチング出力回路の停止中に、前回の駆動再開タイミングから所定の上限時間が経過したときには、前記スイッチング出力回路の駆動を強制的に再開する構成(第13の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply having the eleventh or twelfth configuration, the control circuit is configured to switch the switching output circuit when a predetermined upper limit time has elapsed from the previous drive restart timing while the switching output circuit is stopped. It is preferable to adopt a configuration in which driving is forcibly restarted (a thirteenth configuration).
また、上記第12または第13の構成から成るスイッチング電源において、前記上限時間は、ヒトの可聴上限周波数の逆数よりも短い構成(第14の構成)にするとよい。 In the switching power supply having the twelfth or thirteenth configuration, the upper limit time may be set to be shorter (a fourteenth configuration) than a reciprocal of a human audible upper limit frequency.
また、上記第11の構成から成るスイッチング電源において、前記制御回路は、前記スイッチング出力回路の駆動を停止した後に前記出力電圧または前記帰還電圧の傾斜判定を行い、その判定結果に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を停止し続けるか否かを決定する構成(第15の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply having the eleventh configuration, the control circuit performs a slope determination of the output voltage or the feedback voltage after stopping the driving of the switching output circuit, and determines the switching output in accordance with the determination result. It is preferable to adopt a configuration (fifteenth configuration) for determining whether to stop driving the circuit.
また、上記第15の構成から成るスイッチング電源において、前記制御回路は、前記帰還電圧の傾斜が所定値よりも急峻な場合、前記スイッチング出力回路の駆動を強制的に再開する構成(第16の構成)にするとよい。 In the switching power supply having the fifteenth configuration, the control circuit forcibly restarts the driving of the switching output circuit when a slope of the feedback voltage is steeper than a predetermined value (a sixteenth configuration). ).
また、上記第15または第16の構成から成るスイッチング電源において、前記制御回路は、前記帰還電圧の傾斜が所定値よりも急峻でない場合、前記スイッチング出力回路の駆動再開に必要な一部の回路を除いて電力供給が遮断された省電力モードに移行する構成(第17の構成)にするとよい。 In the switching power supply having the fifteenth or sixteenth configuration, the control circuit may include a part of a circuit necessary for restarting driving of the switching output circuit when a slope of the feedback voltage is not steeper than a predetermined value. Except for this, a configuration that shifts to a power saving mode in which power supply is cut off (a seventeenth configuration) may be adopted.
また、上記第11〜第17いずれかの構成から成るスイッチング電源は、前記出力電圧または前記帰還電圧と所定の上側閾値電圧とを比較して第1比較信号を生成する第1コンパレータと、前記出力電圧または前記帰還電圧と前記上側閾値電圧よりも低い所定の下側閾値電圧とを比較して第2比較信号を生成する第2コンパレータとをさらに有し、前記制御回路は、前記第1比較信号に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を停止する一方、前記第2比較信号に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を再開する構成(第18の構成)にするとよい。 Further, the switching power supply having any one of the first to seventeenth configurations includes: a first comparator that compares the output voltage or the feedback voltage with a predetermined upper threshold voltage to generate a first comparison signal; A second comparator for comparing a voltage or the feedback voltage with a predetermined lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage to generate a second comparison signal, wherein the control circuit is configured to control the first comparison signal The driving of the switching output circuit may be stopped in response to the second comparison signal, and the driving of the switching output circuit may be restarted in response to the second comparison signal (an eighteenth configuration).
また、上記第18の構成から成るスイッチング電源において、前記上側閾値電圧及び前記下側閾値電圧は、それぞれ、前記基準電圧に1よりも大きい係数を乗じた電圧値である構成(第19の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply having the eighteenth configuration, the upper threshold voltage and the lower threshold voltage are each a voltage value obtained by multiplying the reference voltage by a coefficient larger than 1 (a nineteenth configuration). It is good to
また、上記第11〜第19いずれかの構成から成るスイッチング電源において、前記スイッチング出力回路は、降圧型、昇圧型、昇降圧型、または、反転型である構成(第20の構成)にするとよい。 In the switching power supply having any one of the first to nineteenth configurations, the switching output circuit may have a configuration of a step-down type, a step-up type, a step-up / step-down type, or an inversion type (a twentieth configuration).
本明細書中に開示されている発明によれば、高効率のスイッチング電源を提供することが可能となる。 According to the invention disclosed in this specification, it is possible to provide a highly efficient switching power supply.
また、本明細書中に開示されている発明によれば、ノイズ音を生じにくいスイッチング電源を提供することが可能となる。 Further, according to the invention disclosed in this specification, it is possible to provide a switching power supply that does not easily generate noise noise.
<スイッチング電源(基本構成)>
図1は、スイッチング電源の基本構成を示す図である。本構成例のスイッチング電源100は、入力電圧PVDDから出力電圧VOUTを生成して不図示の負荷に供給するPWM[pulse width modulation]駆動方式のDC/DCコンバータであり、スイッチング出力回路110と、帰還電圧生成回路120と、基準電圧生成回路130と、エラーアンプ140と、ランプ信号生成回路150と、オシレータ160と、PWMコンパレータ170と、制御回路180と、スイッチ駆動回路190と、を有する。
<Switching power supply (basic configuration)>
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a switching power supply. The
上記の構成要素は、スイッチング出力回路110に含まれる一部の構成要素(本図ではインダクタ113とキャパシタ114)を除き、スイッチング電源100の制御主体となる半導体集積回路装置200(いわゆる電源制御IC)に集積化するとよい。なお、半導体集積回路装置200には、上記以外にも任意の構成要素(各種保護回路など)を適宜組み込むことが可能である。
The above components, except for some components included in the switching output circuit 110 (in this figure, the
また、半導体集積回路装置200は、装置外部との電気的な接続を確立するための手段として、複数の外部端子(本図では、電源端子T1、出力端子T2、接地端子T3、並びに、帰還端子T4の4本を例示)を備えている。
The semiconductor
スイッチング出力回路110は、ハーフブリッジを形成するように接続された上側スイッチと下側スイッチをオン/オフすることにより、インダクタ電流ILを駆動して入力電圧PVDDから出力電圧VOUTを生成する降圧型のスイッチング出力段であり、出力トランジスタ111と、同期整流トランジスタ112と、インダクタ113と、キャパシタ114(出力キャパシタに相当)と、を含む。
The
出力トランジスタ111は、スイッチング出力段の上側スイッチとして機能するPMOSFET[P channel type metal oxide semiconductor field effect transistor]である。半導体集積回路装置200の内部において、出力トランジスタ111のソースは、電源端子T1(=入力電圧PVDDの印加端)に接続されている。出力トランジスタ111のドレインは、出力端子T2(=スイッチ電圧SWの印加端)に接続されている。出力トランジスタ111のゲートは、上側ゲート信号G1の印加端に接続されている。出力トランジスタ111は、上側ゲート信号G1がハイレベルであるときにオフし、上側ゲート信号G1がローレベルであるときにオンする。
The
同期整流トランジスタ112は、スイッチング出力段の下側スイッチとして機能するNMOSFET[N channel type MOSFET]である。半導体集積回路装置200の内部において、同期整流トランジスタ112のソースは、接地端子T3(=接地電圧PVSSの印加端)に接続されている。同期整流トランジスタ112のドレインは、出力端子T2に接続されている。同期整流トランジスタ112のゲートは、下側ゲート信号G2の印加端に接続されている。同期整流トランジスタ112は、下側ゲート信号G2がハイレベルであるときにオンし、下側ゲート信号G2がローレベルであるときにオフする。
The
インダクタ113とキャパシタ114は、半導体集積回路装置200に外付けされるディスクリート部品であり、スイッチ電圧SWを整流及び平滑して出力電圧VOUTを生成するLCフィルタを形成する。半導体集積回路装置200の外部において、インダクタ113の第1端は、半導体集積回路装置200の出力端子T2に接続されている。インダクタ113の第2端とキャパシタ114の第1端は、出力電圧VOUTの印加端と帰還端子T4に接続されている。キャパシタ114の第2端は、接地端に接続されている。
The
出力トランジスタ111と同期整流トランジスタ112は、上側ゲート信号G1と下側ゲート信号G2に応じて相補的にオン/オフされる。このようなオン/オフ動作により、インダクタ113の第1端には、入力電圧PVDDと接地電圧GNDとの間でパルス駆動される矩形波状のスイッチ電圧SWが生成される。上記した「相補的」という文言は、出力トランジスタ111と同期整流トランジスタ112のオン/オフ状態が完全に逆転している場合だけでなく、両トランジスタの同時オフ期間(デッドタイム)が設けられている場合も含む。
The
なお、スイッチング出力回路110の出力形式については、上記の降圧型に限らず、昇圧型、昇降圧型、並びに、反転型のいずれであっても構わない。また、スイッチング出力回路110の整流方式についても、上記の同期整流方式に限らず、下側スイッチとして整流ダイオードを用いたダイオード整流方式を採用してもよい。
The output form of the switching
また、出力トランジスタ111をNMOSFETに置換することもできる。ただし、その場合には、上側ゲート信号G1のハイレベルを入力電圧PVDDよりも高い電圧値まで引き上げるために、ブートストラップ回路やチャージポンプ回路が必要となる。
Further, the
また、出力トランジスタ111及び同期整流トランジスタ112を半導体集積回路装置200に外付けすることも可能である。その場合には、出力端子T2に代えて、上側ゲート信号G1と下側ゲート信号G2をそれぞれ外部出力するための端子が必要となる。
Further, the
特に、スイッチング出力回路110に対して高電圧が印加される場合には、出力トランジスタ111や同期整流トランジスタ112として、それぞれ、パワーMOSFET、IGBT[insulated gate bipolar transistor]、及び、SiCトランジスタなどの高耐圧素子を用いるとよい。
In particular, when a high voltage is applied to the switching
帰還電圧生成回路120は、帰還端子T4(=出力電圧VOUTの印加端)と接地端との間に直列接続された抵抗121及び122を含み、両抵抗間の接続ノードから出力電圧VOUTに応じた帰還電圧FB(=出力電圧VOUTの分圧電圧)を出力する。
The feedback
なお、出力電圧VOUTがエラーアンプ140の入力ダイナミックレンジ内に収まっている場合には、帰還電圧生成回路120を省略して出力電圧VOUTをエラーアンプ140に直接入力しても構わない。
When the output voltage VOUT falls within the input dynamic range of the
また、抵抗121及び122を半導体集積回路装置200に外付けすることもできる。その場合、抵抗121及び122相互間の接続ノードを帰還端子T4に接続すればよい。
Further, the
基準電圧生成回路130は、所定の基準電圧REF(=出力電圧VOUTの目標設定値に相当)を生成する。なお、基準電圧生成回路130としては、デジタルの基準電圧設定信号をアナログの基準電圧REFに変換するDAC[digital-to-analog converter]を用いるとよい。このような構成であれば、上記の基準電圧設定信号を用いて、起動時のソフトスタート動作を実現したり、出力電圧VOUTを調整したりすることが可能となる。
The reference
エラーアンプ140は、反転入力端(−)に印加される帰還電圧FBと、非反転入力端(+)に印加される基準電圧REFとの差分に応じた誤差信号ERRを生成する。誤差信号ERRは、帰還電圧FBが基準電圧REFよりも低いときに上昇し、帰還電圧FBが基準電圧REFよりも高いときに低下する。
The
ランプ信号生成回路150は、出力トランジスタ111のオン期間Tonに上昇する三角波状、鋸波状、若しくは、n次スロープ波状(例えばn=2)のランプ信号RAMPを生成する。なお、ランプ信号RAMPは、例えば、出力トランジスタ111のオンタイミングでゼロ値から上昇を開始し、出力トランジスタ111のオフタイミングでゼロ値にリセットされる。
The ramp
オシレータ160は、所定のスイッチング周波数fsw(=1/Tsw)でパルス駆動されるオン信号ON(=クロック信号)を生成する。
The
PWMコンパレータ170は、非反転入力端(+)に印加される誤差信号ERRと、反転入力端(−)に印加されるランプ信号RAMPを比較してオフ信号OFFを生成する。なお、オフ信号OFFは、ランプ信号RAMPが誤差信号ERRよりも低いときにハイレベルとなり、ランプ信号RAMPが誤差信号ERRよりも高いときにローレベルとなる。すなわち、オフ信号OFFのパルス生成タイミングは、誤差信号ERRが高いほど遅くなり、誤差信号ERRが低いほど早くなる。
The
制御回路180は、オン信号ONとオフ信号OFFに応じて上側制御信号S1と下側制御信号S2を生成する。具体的に述べると、制御回路180は、オン信号ONにパルスが生成されたときに、上側制御信号S1と下側制御信号S2をいずれもローレベル(=スイッチ電圧SWをハイレベルとするときの論理レベル)に立ち下げる一方、オフ信号OFFにパルスが生成されたときに、上側制御信号S1と下側制御信号S2をいずれもハイレベル(=スイッチ電圧SWをローレベルとするときの論理レベル)に立ち上げる。
The
従って、出力トランジスタ111のオン期間Ton(=スイッチ電圧SWのハイレベル期間)は、オフ信号OFFのパルス生成タイミングが遅いほど長くなり、逆に、オフ信号OFFのパルス生成タイミングが早いほど短くなる。すなわち、出力トランジスタ111のオンデューティD(=Ton/Tsw)は、誤差信号ERRが高いほど大きくなり、誤差信号ERRが低いほど小さくなる。
Therefore, the on-period Ton (= high-level period of the switch voltage SW) of the
スイッチ駆動回路190は、上側制御信号S1の入力を受け付けて上側ゲート信号G1を生成する上側ドライバ191と、下側制御信号S2の入力を受け付けて下側ゲート信号G2を生成する下側ドライバ192を含む。上側ドライバ191及び192としては、それぞれ、バッファやインバータを用いることができる。
The
なお、上記構成要素のうち、エラーアンプ140、ランプ信号生成回路150、オシレータ160、PWMコンパレータ170、制御回路180、及び、スイッチ駆動回路190は、帰還電圧FBと所定の基準電圧REFとが一致するようにスイッチング出力回路110のデューティ制御を行う出力帰還制御部として理解することができる。
Among the above components, the
<スイッチング電源(要部構成)>
図2は、スイッチング電源100の要部構成を示す図である。本構成例のスイッチング電源100は、軽負荷時の間欠駆動モード(詳細は後述)を実現するための手段として、先出の構成要素(本図では、基準電圧生成回路130、エラーアンプ140、ランプ信号生成回路150、オシレータ160、PWMコンパレータ170、及び、制御回路180を明示)に加えて、下限値設定回路700と、コンパレータ710及び720をさらに有する。以下では、新出の構成要素について重点的な説明を行う。
<Switching power supply (main part configuration)>
FIG. 2 is a diagram illustrating a main configuration of the switching
下限値設定回路700は、スイッチング出力回路110に流れるインダクタ電流ILの検出値ISNSと所定の基準電流値IREFとを比較して、スイッチング出力回路110における1回のスイッチングでキャパシタ114に供給される充電電荷の下限値を設定するための下限値設定信号IMINを生成する。より具体的に述べると、下限値設定信号IMINには、ISNS=IREFとなるタイミングでパルスが生成される。なお、入力電圧PVDDと出力電圧VOUTとの比が一定である場合、上記した充電電荷の下限値は、スイッチング出力回路110の最小オン期間Tmin(ないしは最小オンデューティDmin)として理解することもできる。
The lower limit
また、下限値設定回路700は、間欠駆動モードにおけるスイッチング出力回路110の駆動期間に、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値を可変制御する機能も備えている。この下限値可変機能については、後ほど詳細に説明する。
Further, the lower limit
コンパレータ710は、非反転入力端(+)に印加される帰還電圧FBと、反転入力端(−)に印加される上側閾値電圧VthH(例えばVthH=1.03×REF)とを比較してスリープ信号SLP(=第1比較信号に相当)を生成する。なお、スリープ信号SLPは、帰還電圧FBが上側閾値電圧VthHよりも高いときにハイレベルとなり、帰還電圧FBが上側閾値電圧VthHよりも低いときにローレベルとなる。
The
コンパレータ720は、非反転入力端(+)に印加される帰還電圧FBと、反転入力端(−)に印加される下側閾値電圧VthL(例えばVthL=1.01×REF)とを比較してレジューム信号RES(=第2比較信号に相当)を生成する。なお、レジューム信号RESは、帰還電圧FBが下側閾値電圧VthLよりも高いときにハイレベルとなり、帰還電圧FBが下側閾値電圧VthLよりも低いときにローレベルとなる。
The
制御回路180は、オン信号ONのパルス生成タイミングで、上側制御信号S1と下側制御信号S2をいずれもローレベルとすることにより、出力トランジスタ111をオンして同期整流トランジスタ112をオフする。このとき、スイッチ電圧SWは、ハイレベル(≒PVDD)となる。
The
一方、制御回路180は、オフ信号OFFのパルス生成タイミングと下限値設定信号IMINのパルス生成タイミングのいずれか遅い方で、上側制御信号S1と下側制御信号S2をいずれもハイレベルとすることにより、出力トランジスタ111をオフして同期整流トランジスタ112をオンする。このとき、スイッチ電圧SWは、ローレベル(≒PVSS)となる。すなわち、下限値設定信号IMINのパルス生成タイミングがオフ信号OFFのパルス生成タイミングよりも遅いときには、出力トランジスタ111のオフタイミングが下限値設定信号IMINによって決定されることになる。この状態は、1回のスイッチングによるキャパシタ114への充電電荷が下限値に制限されている状態に相当する。
On the other hand, the
また、制御回路180は、1回のスイッチングによるキャパシタ114への充電電荷が下限値に制限されたことにより、帰還電圧FBが基準電圧REFから持ち上がったときには、帰還電圧FBが所定の電圧範囲(VthL≦FB≦VthH)に収まるように、スイッチング出力回路110の駆動と停止を繰り返す間欠駆動モードとなる。
In addition, when the feedback voltage FB rises from the reference voltage REF, the
<間欠駆動モード>
図3は、軽負荷時における間欠駆動モードの基本動作例を示す図であり、上から順に、帰還電圧FB、スリープ信号SLP、レジューム信号RES、及び、スイッチ電圧SWがそれぞれ描写されている。
<Intermittent drive mode>
FIG. 3 is a diagram illustrating a basic operation example of the intermittent drive mode under a light load, in which a feedback voltage FB, a sleep signal SLP, a resume signal RES, and a switch voltage SW are depicted in order from the top.
先述した下限値設定回路700の働きにより、1回のスイッチングによるキャパシタ114への充電電荷が所定の下限値に制限されている場合、負荷が軽いとキャパシタ114への充電電荷がキャパシタ114からの出力電荷(=放電電荷)よりも多くなる。そのため、出力電圧VOUTが持ち上がり、帰還電圧FBが基準電圧REFよりも高くなる。そこで、制御回路180は、このような出力電圧VOUTの持ち上がりを検出してスイッチング出力回路110の駆動を停止する。
When the charge on the
本図に即して述べると、制御回路180は、帰還電圧FBが上側閾値電圧VthHよりも高くなり、スリープ信号SLPがハイレベルに立ち上がるタイミング(=時刻t102及びt104)で、スイッチング出力回路110の駆動を停止する。具体的に述べると、制御回路180は、出力トランジスタ111と同期整流トランジスタ112の双方をオフし、スイッチ電圧SWをハイインピーダンス状態(Hi−Z)とする。
Referring to this drawing, the
その後、制御回路180は、帰還電圧FBが下側閾値電圧VthLよりも低くなり、レジューム信号RESがローレベルに立ち下がるタイミング(=時刻t101、t103、t105)で、スイッチング出力回路110の駆動を再開する。
After that, the
このような間欠駆動モードを実装することにより、軽負荷時におけるスイッチング回数を減らして、スイッチングロスを低減することができるので、スイッチング電源100の効率を改善することが可能となる。
By implementing such an intermittent drive mode, the number of times of switching under a light load can be reduced and switching loss can be reduced, so that the efficiency of the switching
<下限値固定時の挙動>
図4は、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値が固定であるときの挙動を示す図であり、帰還電圧FBが描写されている。
<Behavior when the lower limit is fixed>
FIG. 4 is a diagram illustrating a behavior when the lower limit of the charge charged by one switching operation is fixed, in which a feedback voltage FB is depicted.
例えば、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値が負荷の消費電荷と比べて非常に大きい場合(=負荷が極めて軽い場合)には、スイッチング毎に出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)が急上昇する。そのため、帰還電圧FBが上側閾値電圧VthHよりも高くなったタイミング(=時刻t112)において、即座にスイッチング出力回路110の駆動を停止したとしても、実際に出力電圧VOUTの上昇が停止する頃には、出力電圧VOUTが目標値よりも高い電圧値までオーバーシュートしてしまい、最悪の場合には過電圧保護が掛かるおそれがある(図中の実線を参照)。
For example, when the lower limit value of the charge charged by one switching is much larger than the consumed charge of the load (= when the load is extremely light), the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage FB) is changed every switching. Soaring. Therefore, at the timing when the feedback voltage FB becomes higher than the upper threshold voltage VthH (= time t112), even if the driving of the switching
逆に、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値と負荷の消費電荷が非常に近い場合には、出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)の上昇が極めて緩慢となり、スイッチング出力回路110の駆動を停止するまでに非常に多くのスイッチング回数が必要となる(図中の破線を参照)。
Conversely, if the lower limit of the charge charged by one switching operation is very close to the load consumption of the load, the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage FB) rises very slowly, and the switching
このような不具合を解消すべく、下限値設定回路700は、間欠駆動モードにおけるスイッチング出力回路110の駆動期間に、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値を可変制御する機能を備えている。
In order to solve such a problem, the lower limit
<下限値可変時の挙動>
図5は、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値が可変であるときの挙動を示す図であり、帰還電圧FBが描写されている。なお、太線は下限値が可変であるときの挙動を示しており、細線は下限値が固定であるときの挙動(図4と同様の挙動)を示している。
<Behavior when the lower limit is variable>
FIG. 5 is a diagram illustrating a behavior when the lower limit value of the charge charged by one switching operation is variable, in which the feedback voltage FB is depicted. The thick line shows the behavior when the lower limit is variable, and the thin line shows the behavior when the lower limit is fixed (the same behavior as in FIG. 4).
下限値設定回路700は、間欠駆動モードにおけるスイッチング出力回路110の駆動期間(=時刻t121〜t124)に、スイッチング回数が増えるほど、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値を引き上げていく。
The lower limit
具体的に述べると、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値は、時刻t121〜t122ではQ1に設定されており、時刻t122〜t123ではQ2(>Q1)に設定されており、時刻t123〜t124ではQ3(>Q2)に設定されている。 Specifically, the lower limit value of the charge charged by one switching is set to Q1 from time t121 to t122, set to Q2 (> Q1) from time t122 to t123, and is set from time t123 to t124. Is set to Q3 (> Q2).
すなわち、スイッチング出力回路110の駆動期間(=時刻t121〜t124)において、スイッチング開始直後には、充電電荷の下限値が小さく絞られており、スイッチング回数が増していくと、充電電荷の下限値も引き上げられていく。 That is, in the drive period of the switching output circuit 110 (= time t121 to t124), immediately after the start of switching, the lower limit of the charge is narrowed down, and as the number of times of switching increases, the lower limit of the charge also increases. It will be raised.
このような下限値可変制御を行うことにより、負荷が軽いとき(=帰還電圧FBが上側閾値電圧VthHに達するまでに、それほど多くのスイッチング回数を要しないと考えられるとき)には、1回のスイッチングによる出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)の上昇を抑えてオーバーシュートを防止することができる。 By performing such a lower limit variable control, when the load is light (= when it is considered that not so many switching times are required until the feedback voltage FB reaches the upper threshold voltage VthH), one operation is performed. Overshoot can be prevented by suppressing an increase in the output voltage VOUT (and, consequently, the feedback voltage FB) due to switching.
また、負荷が重いとき(=帰還電圧FBが上側閾値電圧VthHに達するまでに、ある程度のスイッチング回数を要すると考えられるとき)には、1回のスイッチングで出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)を大きく上昇させることができるので、スイッチング回数(延いてはスイッチングロス)を減らして、スイッチング電源100の効率を高めることが可能となる。
Further, when the load is heavy (= when it is considered that a certain number of switchings are required until the feedback voltage FB reaches the upper threshold voltage VthH), the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage FB ) Can be greatly increased, so that the number of times of switching (and hence switching loss) can be reduced and the efficiency of the switching
<下限値設定回路>
図6は、下限値設定回路700の一構成例を示す図である。本構成例の下限値設定回路700は、インダクタ電流検出部701と、基準電流設定部702と、比較部703と、を含む。
<Lower limit value setting circuit>
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of the lower limit
インダクタ電流検出部701は、スイッチング出力回路110に流れるインダクタ電流ILに応じたセンス信号ISNS(=インダクタ電流ILの検出値に相当)を生成する。なお、インダクタ電流ILの検出手法については、出力トランジスタ111または同期整流トランジスタ112のドレイン・ソース間電圧を検出する手法、出力トランジスタ111または同期整流トランジスタ112に並列接続された電流検出用トランジスタのドレイン・ソース間電圧を検出する手法、若しくは、インダクタ電流ILの流れる経路上に設けられたセンス抵抗の両端間電圧を検出する手法などを採用することができる。
The inductor
基準電流設定部702は、制御回路180から入力される基準電流設定信号SETに応じて基準電流値IREF(=電流クランプ値に相当)を設定する。
The reference
比較部703は、センス信号ISNSと基準電流値IREFとを比較して下限値設定信号IMINを生成する。
Comparing
図7は、下限値設定回路700の一動作例を示す図であり、上から順に、センス信号ISNS、オン信号ON、及び、下限値設定信号IMINが描写されている。なお、センス信号ISNSと比較される基準電流値IREFとしては、設定値IREF1〜IREF3(ただしIREF1<IREF2<IREF3)のいずれかが設定されるものとする。
FIG. 7 is a diagram illustrating an operation example of the lower limit
時刻t130において、オン信号ONにパルスが生成されると、インダクタ電流ILが増大し始めるので、センス信号ISNSの信号値が大きくなっていく。 At time t130, when a pulse is generated as the ON signal ON, the inductor current IL starts to increase, so that the signal value of the sense signal ISNS increases.
まず、基準電流値IREFとして、設定値IREF1が設定されている場合を考える。この場合には、ISNS=IREF1となる時刻t131において、下限値設定信号IMINにパルスが生成される(図中のIMIN1を参照)。すなわち、出力トランジスタ111の最小オン期間Tmin1は、時刻t130〜t131となる。
First, consider a case where a set value IREF1 is set as the reference current value IREF. In this case, at time t131 when ISNS = IREF1, a pulse is generated in lower limit value setting signal IMIN (see IMIN1 in the figure). That is, the minimum ON period Tmin1 of the
次に、基準電流値IREFとして、設定値IREF2が設定されている場合を考える。この場合には、ISNS=IREF2となる時刻t132において、下限値設定信号IMINにパルスが生成される(図中のIMIN2を参照)。すなわち、出力トランジスタ111の最小オン期間Tmin2は、時刻t130〜t132となる。
Next, a case where the set value IREF2 is set as the reference current value IREF is considered. In this case, at time t132 when ISNS = IREF2, a pulse is generated in lower limit value setting signal IMIN (see IMIN2 in the figure). That is, the minimum ON period Tmin2 of the
また、基準電流値IREFとして、設定値IREF3が設定されている場合を考える。この場合には、ISNS=IREF3となる時刻t133において、下限値設定信号IMINにパルスが生成される(図中のIMIN3を参照)。すなわち、出力トランジスタ111の最小オン期間Tmin3は、時刻t130〜t133となる。
Also, consider a case where a set value IREF3 is set as the reference current value IREF. In this case, at time t133 when ISNS = IREF3, a pulse is generated in lower limit value setting signal IMIN (see IMIN3 in the figure). That is, the minimum ON period Tmin3 of the
このように、下限値設定回路700では、基準電流設定信号SETに応じて基準電流値IREFを変化させることにより、下限値設定信号IMINのパルス生成タイミング(延いては出力トランジスタ111の最小オン期間Tmin)を可変制御することができる。
As described above, in the lower limit
なお、先出の図5では、スイッチング回数に応じて1回のスイッチングによる充電電荷の下限値を引き上げていく動作を説明したが、このような動作を実現するためには、例えば、基準電流値IREFを、IREF1→IREF2→IREF3と切り替えるように、スイッチング回数に応じて基準電流設定信号SETを生成すればよい。 In FIG. 5 described above, the operation of raising the lower limit value of the charged charge by one switching in accordance with the number of switchings has been described. However, in order to realize such an operation, for example, the reference current value The reference current setting signal SET may be generated according to the number of times of switching so that IREF is switched from IREF1 to IREF2 to IREF3.
ただし、下限値可変制御の手法は、上記に限定されるものではなく、例えば、スイッチング回数ではなく負荷の重さに応じて、1回のスイッチングによる充電電荷の下限値を可変制御することも可能である。 However, the method of the lower limit variable control is not limited to the above. For example, it is possible to variably control the lower limit of the charge by one switching according to the load weight instead of the number of switching. It is.
具体的には、負荷が重いほど1回のスイッチングによる充電電荷の下限値を引き上げるように、基準電流設定信号SETを生成すればよい。 Specifically, the reference current setting signal SET may be generated so that the lower the load, the higher the lower limit of the charge charged by one switching operation.
例えば、車載用の電源ICでは、インダクタ電流の検出値(アナログ値)をデジタル信号に変換してから、ロジック回路で監視する機能が実装され始めている。このような電源ICであれば、別途の回路要素を追加することなく、負荷の重さに応じた下限値可変制御を実現することが可能となる。 For example, in a power supply IC for a vehicle, a function of converting a detection value (analog value) of an inductor current into a digital signal and then monitoring it with a logic circuit has begun to be mounted. With such a power supply IC, it is possible to realize the lower limit variable control according to the load weight without adding a separate circuit element.
<リップル周波数制限(第1実施例)>
図8は、中負荷領域における間欠駆動モードの挙動を示す図であり、上から順に、帰還電圧FBとスイッチ電圧SWが描写されている。
<Ripple frequency limitation (first embodiment)>
FIG. 8 is a diagram illustrating the behavior of the intermittent drive mode in the middle load region, in which the feedback voltage FB and the switch voltage SW are depicted in order from the top.
1回のスイッチングによる充電電荷の下限値と負荷の消費電荷とが非常に近い負荷領域(本明細書中では「中負荷領域」と呼ぶ)では、本図で示すように、スイッチング出力回路110の駆動期間(=時刻t141〜t142)における出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)の上昇が極めて緩慢となる。 In a load region where the lower limit value of the charge charged by one switching and the charge consumption of the load are very close (referred to as “medium load region” in this specification), as shown in FIG. The rise in the output voltage VOUT (and, consequently, the feedback voltage FB) in the drive period (= time t141 to t142) becomes extremely slow.
そのため、中負荷領域では、出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)のリップル周期Trpl(=時刻t141〜t143)が長くなり、その逆数であるリップル周波数Frplが低下する。 Therefore, in the middle load region, the ripple period Trpl (= time t141 to t143) of the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage FB) becomes longer, and the reciprocal, the ripple frequency Frpl, decreases.
特に、リップル周波数Frplがヒトの可聴域(一般には20Hz〜20kHz程度)に入ると、キャパシタ114から耳障りなノイズ音を生じるおそれがある。
In particular, when the ripple frequency Frpl falls within a human audible range (generally, about 20 Hz to 20 kHz), annoying noise sound may be generated from the
このような不具合を解消するために、制御回路180は、間欠駆動モードにおける出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)のリップル周波数Frplがキャパシタ114からノイズ音を生じない周波数となるように、スイッチング出力回路110の駆動停止タイミング及び駆動再開タイミングの少なくとも一方を制御する機能(=リップル周波数制限機能)を備えている。
In order to solve such a problem, the
図9は、リップル周波数制限の第1実施例を示す図であり、上から順番に、帰還電圧FB、スイッチ電圧SW、及び、カウント値CNT1が描写されている。なお、太線はリップル周波数Frplが制限されているときの挙動を示しており、細線はリップル周波数Frplが制限されていないときの挙動(図8と同様の挙動)を示している。 FIG. 9 is a diagram showing a first embodiment of ripple frequency limitation, in which a feedback voltage FB, a switch voltage SW, and a count value CNT1 are depicted in order from the top. The thick line shows the behavior when the ripple frequency Frpl is restricted, and the thin line shows the behavior when the ripple frequency Frpl is not restricted (the same behavior as in FIG. 8).
制御回路180は、間欠駆動モードにおけるスイッチング出力回路110の駆動停止タイミング(=時刻t150、t152、t154における丸印を参照)を起点として、そこからの経過時間(=カウント値CNT1)を計測する第1カウンタを備えている。
The
そして、制御回路180は、スイッチング出力回路110の駆動中に、前回の駆動停止タイミングから所定の上限時間(=リップル周期Trplの上限時間に相当)が経過したときには、帰還電圧FBが上側閾値電圧VthHを上回っていなくても、スイッチング出力回路110の駆動を強制的に停止する。
When a predetermined upper limit time (equivalent to the upper limit time of the ripple cycle Trpl) has elapsed from the previous drive stop timing during the driving of the switching
本図に即して具体的に述べる。例えば、時刻t150において、スイッチング出力回路110の駆動が停止されると、帰還電圧FBが上昇から低下に転じる。その後、時刻t151において、帰還電圧FBが下側閾値電圧VthLを下回ると、スイッチング出力回路110の駆動が再開されて、帰還電圧FBが再び上昇し始める。
This will be described in detail with reference to FIG. For example, at time t150, when driving of the switching
一方、カウント値CNT1は、スイッチング出力回路110の駆動が停止された時刻t150において、ゼロ値にリセットされた後、所定の周期でインクリメントされていく。
On the other hand, the count value CNT1 is reset to a zero value at time t150 when the driving of the switching
そして、スイッチング出力回路110の駆動中(=時刻t152)において、カウント値CNT1が上限値LMT1に達すると、帰還電圧FBが上側閾値電圧VthHを上回っていなくても、スイッチング出力回路110の駆動が強制的に停止される。
When the count value CNT1 reaches the upper limit LMT1 during the driving of the switching output circuit 110 (= time t152), the driving of the switching
その結果、出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)のリップル周期Trpl(=時刻t150〜t152)を短縮することができるので、その逆数であるリップル周波数Frplの低下を抑制することが可能となる。なお、時刻t152以降においても、上記と同様の動作が繰り返される。 As a result, the ripple period Trpl (= time t150 to t152) of the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage FB) can be shortened, so that a decrease in the ripple frequency Frpl, which is the reciprocal thereof, can be suppressed. . The same operation as above is repeated after time t152.
図10は、第1実施例におけるヒトの可聴域(可聴上限周波数FH及び可聴下限周波数FL)とリップル周波数Frplとの関係を示す図である。 FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the human audible range (the audible upper limit frequency FH and the audible lower limit frequency FL) and the ripple frequency Frpl in the first embodiment.
リップル周期Trplがヒトの可聴上限周波数FHの逆数(一般には50μs程度)よりも短くなるように、先述したカウント値CNT1の上限値LMT1を設定しておくことにより、リップル周波数Frplを可聴上限周波数FH(一般には20kHz程度)よりも高い値に維持することができる(図中のハッチング領域を参照)。従って、キャパシタ114から発生する耳障りなノイズ音を軽減ないしは防止することが可能となる。
By setting the above-mentioned upper limit LMT1 of the count value CNT1 so that the ripple cycle Trpl is shorter than the reciprocal of the human audible upper limit frequency FH (generally, about 50 μs), the ripple frequency Frpl is set to the audible upper limit frequency FH. (Generally about 20 kHz) (see the hatched area in the figure). Therefore, it is possible to reduce or prevent annoying noise generated from the
なお、本図では、説明を簡単とすべく、リップル周波数Frplとヒトの可聴域とを対比してFrpl>FHである旨の描写を行ったが、仮にリップル周波数Frplがヒトの可聴上限周波数FHを多少下回っていたとしても、キャパシタ114からノイズ音を生じない(ないしはノイズ音が軽減される)のであれば、リップル周波数制限が有効に機能していると言える。すなわち、リップル周波数Frplは、キャパシタ114からノイズ音を生じない周波数に制限されていれば足りる。
In this figure, for the sake of simplicity, the ripple frequency Frpl is compared with the human audible range to depict that Frpl> FH. However, if the ripple frequency Frpl is supposed to be the human audible upper limit frequency FH Even if the noise is slightly lower, if noise noise is not generated from the capacitor 114 (or noise noise is reduced), it can be said that the ripple frequency limitation effectively functions. That is, it is sufficient that the ripple frequency Frpl is limited to a frequency that does not generate noise noise from the
図11は、第1実施例の一変形例を示す図であり、上から順に、帰還電圧FB、スイッチ電圧SW、並びに、カウント値CNT1及びCNT2が描写されている。 FIG. 11 is a diagram illustrating a modification of the first embodiment, in which a feedback voltage FB, a switch voltage SW, and count values CNT1 and CNT2 are depicted in order from the top.
本変形例の制御回路180は、先出の第1カウンタに加えて、間欠駆動モードにおけるスイッチング出力回路110の駆動再開タイミング(=時刻t161、t163、t165における三角印を参照)を起点として、そこからの経過時間(=カウント値CNT2)を計測する第2カウンタを備えている。
The
そして、制御回路180は、スイッチング出力回路110の停止中に、前回の駆動再開タイミングから所定の上限時間が経過したときには、帰還電圧FBが下側閾値電圧VthLを下回っていなくても、スイッチング出力回路110の駆動を強制的に再開する。
Then, while the switching
本図に即して具体的に述べる。例えば、時刻t161において、スイッチング出力回路110の駆動が再開されると、帰還電圧FBが低下から上昇に転じる。その後、時刻t162において、スイッチング出力回路110の駆動が停止されると、帰還電圧FBが再び低下し始める。
This will be described in detail with reference to FIG. For example, at time t161, when the driving of the switching
一方、カウント値CNT2は、スイッチング出力回路110の駆動が再開された時刻t161において、ゼロ値にリセットされた後、所定の周期でインクリメントされていく。
On the other hand, the count value CNT2 is reset to a zero value at a time t161 when the driving of the switching
そして、スイッチング出力回路110の停止中(=時刻t163)において、カウント値CNT2が上限値LMT2に達すると、帰還電圧FBが下側閾値電圧VthLを下回っていなくても、スイッチング出力回路110の駆動が強制的に再開される。
When the count value CNT2 reaches the upper limit LMT2 while the switching
その結果、出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)のリップル周期Trpl(=時刻t161〜t163)を短縮することができるので、その逆数であるリップル周波数Frplの低下を抑制することが可能となる。なお、時刻t163以降においても、上記と同様の動作が繰り返される。 As a result, the ripple period Trpl (= time t161 to t163) of the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage FB) can be shortened, so that it is possible to suppress a decrease in the reciprocal of the ripple frequency Frpl. . The same operation as described above is repeated after time t163.
<リップル周波数制限(第2実施例)>
図12は、超軽負荷領域における間欠駆動モードの挙動を示す図であり、上から順に、帰還電圧FBとスイッチ電圧SWが描写されている。
<Ripple frequency limitation (second embodiment)>
FIG. 12 is a diagram illustrating the behavior of the intermittent drive mode in the ultra-light load region, in which the feedback voltage FB and the switch voltage SW are depicted in order from the top.
1回のスイッチングによる充電電荷の下限値が負荷の消費電荷よりも非常に大きい負荷領域(本明細書中では「超軽負荷領域」と呼ぶ)では、本図で示すように、スイッチング出力回路110の駆動停止期間(=時刻t172〜t173)における出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)の低下が極めて緩慢となる。 In a load region where the lower limit value of the charge charged by one switching operation is much larger than the load consumption of the load (referred to as “ultra light load region” in this specification), as shown in FIG. In the drive suspension period (= time t172 to t173), the decrease of the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage FB) becomes extremely slow.
そのため、超軽負荷領域では、出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)のリップル周期Trpl(=時刻t171〜t173)が長くなり、その逆数であるリップル周波数Frplが低下する。 Therefore, in the ultra-light load region, the ripple period Trpl (= time t171 to t173) of the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage FB) becomes longer, and the reciprocal thereof, the ripple frequency Frpl, decreases.
特に、リップル周波数Frplがヒトの可聴域(一般には20Hz〜20kHz程度)に入ると、キャパシタ114から耳障りなノイズ音を生じるおそれがある。
In particular, when the ripple frequency Frpl falls within a human audible range (generally, about 20 Hz to 20 kHz), annoying noise sound may be generated from the
このような不具合を解消すべく、制御回路180は、間欠駆動モードにおける出力電圧VOUT(延いては帰還電圧FB)のリップル周波数Frplがキャパシタ114からノイズ音を生じない周波数となるように、スイッチング出力回路110の駆動再開タイミングを制御する機能(=リップル周波数制限機能)を備えている。
In order to solve such a problem, the
図13は、リップル周波数制限の第2実施例を示すフローチャートである。ステップ#1でスイッチング出力回路110の駆動が停止されると、続くステップ#2では、帰還電圧FBの傾斜判定(詳細は後述)が行われる。
FIG. 13 is a flowchart showing a second embodiment of ripple frequency limitation. When the driving of the switching
そして、ステップ#3において、帰還電圧FBの傾斜が所定値よりも急峻である(=絶対値が大きい)と判定されたときには、フローがステップ#4に進められて、スイッチング出力回路110の駆動が強制的に再開(強制レジューム)される。
If it is determined in
一方、ステップ#3において、帰還電圧FBの傾斜が所定値よりも急峻でない(=絶対値が小さい)と判定されたときには、フローがステップ#5に進められて、スイッチング出力回路110の駆動停止が継続される。
On the other hand, when it is determined in
このように、制御回路180は、スイッチング出力回路110の駆動を停止した後に、帰還電圧FB(延いては出力電圧VOUT)の傾斜判定を行い、その判定結果に応じてスイッチング出力回路110の駆動を停止し続けるか否かを決定する。
As described above, after stopping the driving of the switching
なお、ステップ#3における傾斜判定の閾値は、スイッチング出力回路110の駆動停止を継続した場合に、リップル周波数Frplがヒトの可聴下限周波数FL(一般には20Hz程度)よりも低くなるのか、それとも、リップル周波数Frplがヒトの可聴下限周波数FLよりも高くなってヒトの可聴域に入るのかを判定し得る値に設定すればよい。
It should be noted that the threshold value of the inclination determination in
また、ステップ#4における駆動再開タイミングは、必ずしもステップ#3のイエス判定直後である必要はなく、リップル周波数Frplがヒトの可聴上限周波数FH(一般には20kHz程度)よりも高くなるように、適切なタイミングでスイッチング出力回路110の駆動を再開すればよい。
Further, the drive restart timing in
また、ステップ#5における駆動停止継続時には、スイッチング出力回路110の駆動再開に必要な一部の回路(レジューム用のコンパレータ720や制御回路180)を除いて電力供給が遮断された省電力モードに移行するとよい。このようなモード切替により、超軽負荷領域での効率を高めることが可能となる。
Further, when the drive stop is continued in
図14は、第2実施例におけるヒトの可聴域(可聴上限周波数FH及び可聴下限周波数FL)とリップル周波数Frplとの関係を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the human audible range (the audible upper limit frequency FH and the audible lower limit frequency FL) and the ripple frequency Frpl in the second embodiment.
スイッチング出力回路110の強制レジューム時(=図13のステップ#3で帰還電圧FBの傾斜が急峻であると判定されて、ステップ#4でスイッチング出力回路110の駆動が強制的に再開されたとき)には、リップル周波数Frplがヒトの可聴上限周波数FH(一般には20kHz程度)よりも高い値に維持される。
When the switching
一方、スイッチング出力回路110のHi−Z継続時(=図13のステップ#3で帰還電圧FBの急峻でないと判定され、ステップ#4でスイッチング出力回路110の駆動停止が継続されたとき)には、リップル周波数Frplがヒトの可聴下限周波数FL(一般には20Hz程度)よりも低い値に維持される。
On the other hand, when the switching
このように、第2実施例のリップル周波数制限によれば、リップル周波数Frplがヒトの可聴域に入らないので、キャパシタ114から発生する耳障りなノイズ音を軽減ないしは防止することが可能となる。
As described above, according to the ripple frequency limitation of the second embodiment, since the ripple frequency Frpl does not fall within the human audible range, it is possible to reduce or prevent the harsh noise sound generated from the
なお、本図では、説明を簡単とすべく、リップル周波数Frplとヒトの可聴域とを対比してFrpl<FL(ないしはFrpl>FH)である旨の描写を行ったが、仮にリップル周波数Frplがヒトの可聴下限周波数FLを多少上回っていたとしても、キャパシタ114からノイズ音を生じない(ないしはノイズ音が軽減される)のであれば、リップル周波数制限が有効に機能していると言える。すなわち、リップル周波数Frplは、キャパシタ114からノイズ音を生じない周波数に制限されていれば足りる。
In this figure, for the sake of simplicity, the ripple frequency Frpl is compared with the human audible range to illustrate that Frpl <FL (or Frpl> FH). Even if the frequency is slightly higher than the human audible lower limit frequency FL, as long as no noise sound is generated from the capacitor 114 (or the noise sound is reduced), it can be said that the ripple frequency limitation effectively functions. That is, it is sufficient that the ripple frequency Frpl is limited to a frequency that does not generate noise noise from the
例えば、超軽負荷領域のHi−Z継続時におけるリップル周波数Frplの上限値は、必ずしもヒトの可聴下限周波数FL(例えば20Hz程度)を下回っていなければならないわけではなく、キャパシタ114からノイズ音を生じない周波数が現実的な値となる。
For example, the upper limit value of the ripple frequency Frpl during the Hi-Z continuation in the ultra-light load region does not necessarily have to be lower than the human audible lower limit frequency FL (for example, about 20 Hz), and noise noise is generated from the
<傾斜判定>
図15は、図13のステップ#2及び#3における傾斜判定の第1例を示す図であり、帰還電圧FBが描写されている。
<Tilt determination>
FIG. 15 is a diagram illustrating a first example of the inclination determination in
第1例の傾斜判定では、時刻t182において、スイッチング出力回路110の駆動が停止されてから、所定の待機時間Twが経過した後、時刻t183において、帰還電圧FBの測定値Vdetが取得される。そして、上側閾値電圧VthHと測定値Vdetとの差分値(=Vdet−VthH)を待機時間Twで除することにより、帰還電圧FBの傾斜M(=(Vdet−VthH)/Tw、ただし、M<0)が算出される。
In the inclination determination of the first example, a measured value Vdet of the feedback voltage FB is acquired at time t183 after a predetermined standby time Tw has elapsed since the driving of the switching
このようにして算出された傾斜Mが急峻であるほど、スイッチング出力回路110の停止期間Tslp(=時刻t182〜t184)が短くなり、延いては、リップル周期Trpl(=時刻t181〜t184)が短くなる。
As the slope M calculated in this way is steeper, the suspension period Tslp (= time t182 to t184) of the switching
従って、帰還電圧FBの傾斜Mが所定の閾値Mth(<0)よりも急峻であるか否かを判定することにより、リップル周波数Frplがヒトの可聴下限周波数FLよりも高いか否か(=ヒトの可聴域に入るか否か)を判定することができる。 Accordingly, by determining whether the slope M of the feedback voltage FB is steeper than a predetermined threshold Mth (<0), it is determined whether the ripple frequency Frpl is higher than the human audible lower limit frequency FL (= human). Or not into the audible range of the).
なお、上記では、説明の便宜上、傾斜Mの算出値(=(Vdet−VthH)/Tw)と所定の閾値Mth(<0)を比較する旨の説明を行ったが、実際には、帰還電圧FBの測定値Vdetと所定の閾値Vth(=VthH+Mth×Tw)とを比較すればよい。 In the above description, for convenience of explanation, the calculation value of the slope M (= (Vdet−VthH) / Tw) is compared with a predetermined threshold value Mth (<0). What is necessary is just to compare the measured value Vdet of FB with a predetermined threshold value Vth (= VthH + Mth × Tw).
図16は、図13のステップ#2及び#3における傾斜判定の第2例を示す図であり、帰還電圧FBが描写されている。
FIG. 16 is a diagram illustrating a second example of the inclination determination in
本図で示したように、時刻t192において、スイッチング出力回路110の駆動が停されると、帰還電圧FBが少なからずオーバーシュートする(FB=VthH+α)。そのため、待機時間Twを適切な長さ(=−Mth/α、ただし、Mth<0)に設定することにより、先出の閾値Vthとして、上側閾値電圧VthHを流用することができる。
As shown in the figure, when driving of the switching
すなわち、第2例の傾斜判定では、時刻t192において、スイッチング出力回路110の駆動が停止されてから、所定の待機時間Tw(=−Mth/α)が経過した後、時刻t193において、帰還電圧FBの測定値Vdetが上側閾値電圧VthHよりも高いか否かを判定することにより、リップル周波数Frplがヒトの可聴下限周波数FLよりも高いか否か(ヒトの可聴域に入るか否か)を判定することが可能となる。
That is, in the inclination determination of the second example, after a predetermined standby time Tw (= −Mth / α) has elapsed since the driving of the switching
なお、第1実施例(図15)ないし第2実施例(図16)の傾斜判定を実施するためには、帰還電圧FBの測定値Vdetと所定の閾値Vthとを比較するコンパレータを一つだけ用意すれば足りるので、その構成が極めて容易である。ただし、傾斜Mの判定精度を高めるためには、比較的長い待機時間Tw(数十μs程度)が必要であることから、省電力モードへの移行タイミングが遅れる点に留意すべきである。 In order to determine the inclination of the first embodiment (FIG. 15) or the second embodiment (FIG. 16), only one comparator for comparing the measured value Vdet of the feedback voltage FB with a predetermined threshold Vth is required. Since it is sufficient to prepare, the configuration is extremely easy. However, it should be noted that since a relatively long standby time Tw (about several tens of μs) is required to increase the accuracy of determining the slope M, the transition timing to the power saving mode is delayed.
図17は、図13のステップ#2及び#3における傾斜判定の第3例を示す図であり、帰還電圧FBが描写されている。
FIG. 17 is a diagram illustrating a third example of the inclination determination in
第3実施例の傾斜判定では、時刻t202において、スイッチング出力回路110の駆動が停止されてから、所定の待機時間Tw1及びTw2(=Tw1+Tw)が経過した時刻t203及びt204において、それぞれ、帰還電圧FBの測定値Vdet1及びVdet2が取得される。
In the inclination determination of the third embodiment, the feedback voltage FB is obtained at times t203 and t204 at which predetermined standby times Tw1 and Tw2 (= Tw1 + Tw) have elapsed since the driving of the switching
また、測定値Vdet1と測定値Vdet2との差分値(=Vdet2−Vdet1)を待機時間Tw(=待機時間Tw1及びTw2の差分値)で除することにより、帰還電圧FBの傾斜M(=(Vdet2−Vdet1)/Tw、ただし、M<0)が算出される。 Further, by dividing the difference value (= Vdet2−Vdet1) between the measured value Vdet1 and the measured value Vdet2 by the standby time Tw (= the difference value between the standby times Tw1 and Tw2), the slope M of the feedback voltage FB (= (Vdet2) −Vdet1) / Tw, where M <0) is calculated.
そして、帰還電圧FBの傾斜Mが所定の閾値Mth(<0)よりも急峻であるか否かを判定することにより、リップル周波数Frplがヒトの可聴下限周波数FLよりも高いか否か(=ヒトの可聴域に入るか否か)が判定される。 By determining whether the slope M of the feedback voltage FB is steeper than a predetermined threshold value Mth (<0), it is determined whether the ripple frequency Frpl is higher than the human audible lower limit frequency FL (= human). Is included in the audible range).
このように、第3実施例の傾斜判定では、2点の測定値Vdet1及びVdet2から帰還電圧FBの傾斜Mが高精度に算出される。従って、先出の第1実施例(図15)及び第2実施例(図16)と比べて待機時間Twを短縮することができるので、省電力モードへの移行タイミングを早めることが可能となる。ただし、第3実施例の傾斜判定を実施するためには、帰還電圧FBの測定値Vdet1及びVdet2を取得する手段(多ビットのADCなど)が必要となる点に留意すべきである。 As described above, in the inclination determination of the third embodiment, the inclination M of the feedback voltage FB is calculated with high accuracy from the two measured values Vdet1 and Vdet2. Accordingly, the standby time Tw can be reduced as compared with the first embodiment (FIG. 15) and the second embodiment (FIG. 16), and the transition timing to the power saving mode can be advanced. . However, it should be noted that a means (such as a multi-bit ADC) for acquiring the measured values Vdet1 and Vdet2 of the feedback voltage FB is required in order to perform the inclination determination of the third embodiment.
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
<Other modifications>
Various technical features disclosed in this specification can be modified in various ways in addition to the above-described embodiment without departing from the spirit of the technical creation. That is, the above-described embodiment is to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and It is to be understood that all changes that fall within the meaning and range equivalent to the range are included.
本明細書中に開示されているスイッチング電源は、様々なアプリケーションの電源手段として利用することが可能である。 The switching power supply disclosed in this specification can be used as power supply means for various applications.
100 スイッチング電源
110 スイッチング出力回路
111 出力トランジスタ(PMOSFET)
112 同期整流トランジスタ(NMOSFET)
113 インダクタ
114 キャパシタ(出力キャパシタ)
120 帰還電圧生成回路
121、122 抵抗
130 基準電圧生成回路
140 エラーアンプ
150 ランプ信号生成回路
160 オシレータ
170 PWMコンパレータ
180 制御回路
190 スイッチ駆動回路
191、192 ドライバ
200 半導体集積回路装置(電源制御IC)
700 下限値設定回路
701 インダクタ電流検出部
702 基準電流設定部
703 比較部
710 コンパレータ
720 コンパレータ
T1、T2、T3、T4 外部端子
112 Synchronous rectification transistor (NMOSFET)
113
700 Lower limit
Claims (20)
1回のスイッチングによる前記キャパシタへの充電電荷が下限値に制限されて前記出力電圧またはこれに応じた帰還電圧が所定の基準電圧から持ち上がったときに前記スイッチング出力回路の駆動を停止する制御回路と、
前記スイッチング出力回路の駆動期間に前記下限値を可変制御する下限値設定回路と、
を有することを特徴とするスイッチング電源。 A switching output circuit that generates an output voltage from an input voltage by turning on / off an output transistor and charging a capacitor;
A control circuit for stopping the driving of the switching output circuit when the charge on the capacitor by one switching operation is limited to a lower limit value and the output voltage or a feedback voltage corresponding thereto rises from a predetermined reference voltage; ,
A lower limit value setting circuit that variably controls the lower limit value during a drive period of the switching output circuit;
A switching power supply comprising:
所定のスイッチング周波数でパルス駆動されるオン信号を生成するオシレータと、
前記誤差信号とランプ信号を比較してオフ信号を生成するPWMコンパレータと、
をさらに有し、
前記制御回路は、前記オン信号のパルス生成タイミングで前記出力トランジスタをオンし、前記オフ信号のパルス生成タイミングと前記下限値設定信号のパルス生成タイミングのいずれか遅い方で前記出力トランジスタをオフすることを特徴とすることを特徴とする請求項4または請求項5に記載のスイッチング電源。 An error amplifier that generates an error signal between the output voltage or the feedback voltage and the reference voltage;
An oscillator that generates an ON signal that is pulsed at a predetermined switching frequency,
A PWM comparator for comparing the error signal and the ramp signal to generate an off signal;
Further having
The control circuit turns on the output transistor at the pulse generation timing of the on signal, and turns off the output transistor at the later of the pulse generation timing of the off signal and the pulse generation timing of the lower limit setting signal. The switching power supply according to claim 4 or 5, wherein:
前記出力電圧または前記帰還電圧と前記上側閾値電圧よりも低い所定の下側閾値電圧とを比較して第2比較信号を生成する第2コンパレータと、
をさらに有し、
前記制御回路は、前記第1比較信号に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を停止する一方、前記第2比較信号に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を再開することを特徴とする請求項7に記載のスイッチング電源。 A first comparator that generates a first comparison signal by comparing the output voltage or the feedback voltage with a predetermined upper threshold voltage;
A second comparator that generates a second comparison signal by comparing the output voltage or the feedback voltage with a predetermined lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage;
Further having
8. The control circuit according to claim 7, wherein the control circuit stops driving the switching output circuit in response to the first comparison signal, and restarts driving of the switching output circuit in response to the second comparison signal. The described switching power supply.
1回のスイッチングにより前記キャパシタに供給される充電電荷の下限値を設定する下限値設定回路と、
前記下限値設定回路の働きにより前記出力電圧またはこれに応じた帰還電圧が所定の基準電圧から持ち上がっているときに前記スイッチング出力回路の駆動と停止を繰り返す間欠駆動モードとなる制御回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記間欠駆動モードにおける前記出力電圧のリップル周波数が前記キャパシタからノイズ音を生じない周波数となるように、前記スイッチング出力回路の駆動停止タイミング及び駆動再開タイミングの少なくとも一方を制御することを特徴とするスイッチング電源。 A switching output circuit that generates an output voltage from an input voltage by turning on / off an output transistor and charging a capacitor;
A lower limit value setting circuit for setting a lower limit value of the charge charged to be supplied to the capacitor by one switching;
A control circuit which is in an intermittent drive mode in which the output voltage or a feedback voltage corresponding thereto is raised from a predetermined reference voltage by the operation of the lower limit value setting circuit to repeatedly drive and stop the switching output circuit,
Has,
The control circuit controls at least one of drive stop timing and drive restart timing of the switching output circuit so that a ripple frequency of the output voltage in the intermittent drive mode is a frequency that does not generate noise noise from the capacitor. A switching power supply.
前記出力電圧または前記帰還電圧と前記上側閾値電圧よりも低い所定の下側閾値電圧とを比較して第2比較信号を生成する第2コンパレータと、
をさらに有し、
前記制御回路は、前記第1比較信号に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を停止する一方、前記第2比較信号に応じて前記スイッチング出力回路の駆動を再開することを特徴とする請求項11〜請求項17のいずれか一項に記載のスイッチング電源。 A first comparator that generates a first comparison signal by comparing the output voltage or the feedback voltage with a predetermined upper threshold voltage;
A second comparator that generates a second comparison signal by comparing the output voltage or the feedback voltage with a predetermined lower threshold voltage lower than the upper threshold voltage;
Further having
The control circuit stops driving of the switching output circuit in response to the first comparison signal, and restarts driving of the switching output circuit in response to the second comparison signal. The switching power supply according to claim 17.
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