JP3916163B2 - 電流方向検出回路及びそれを備えたスイッチングレギュレータ - Google Patents

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Description

本発明は、接地側出力トランジスタに逆方向電流が流れた場合に、これを検出することができる電流方向検出回路及びその電流方向検出回路を備えたスイッチングレギュレータに関する。
スイッチングレギュレータは、電源を入力する端子と負荷に接続され所定のDC電圧を出力する端子の間にメインスイッチング素子である電源側出力トランジスタを設け、その電源側出力トランジスタをオンオフ(道通・非導通)することにより所定のDC電圧を維持する。このものは、小型で高い電力効率を達成できるので広く使用されているが、更に電力効率を向上させるものとして、同期整流用スイッチング素子である接地側出力トランジスタを付設した同期整流型のスイッチングレギュレータが近年使用されて来ている(例えば特許文献1)。
図3に従来の同期整流型のスイッチングレギュレータの構成を示す。このスイッチングレギュレータ101は、入力電源VCCと接地電位の間に直列に設けられたP型MOSトランジスタである電源側出力トランジスタ111及びN型MOSトランジスタである接地側出力トランジスタ112と、両トランジスタ111、112の間に入力端が、出力端子OUTに出力端が、それぞれ接続された平滑用回路113と、出力端子OUTの電圧をフィードバック入力して所定のDC電圧を維持すべく、電源側出力トランジスタ111及び接地側出力トランジスタ112をオンオフ制御する制御信号A及び制御信号Bを出力するレギュレータ制御回路115と、接地側出力トランジスタ112に逆方向電流が流れたときそれを検出して制御信号Fを出力する電流方向検出回路116と、制御信号Bと制御信号Fにより接地側出力トランジスタ112の制御のための出力信号Cを出力する接地側出力トランジスタ制御回路117と、を備える。ここで、出力端子OUTには外部で負荷114が接続されている。また、平滑用回路113は、電源側出力トランジスタ111と接地側出力トランジスタ112の接続点(節点D)に一端が、出力端子OUTに他端が接続された平滑用コイル140と、出力端子OUTに一端が接続され他端が接地された平滑用コンデンサ141と、から構成される。また、レギュレータ制御回路115は、出力する制御信号A及び制御信号Bがほぼ同一波形である。
電流方向検出回路116は、節点Dの電圧を反転入力端子に、接地電位を非反転入力端子にそれぞれ入力して比較するコンパレータ120により構成される。また、接地側出力トランジスタ制御回路117は、レギュレータ制御回路115の制御信号Bと電流方向検出回路116の制御信号Fを入力するAND回路130と、その電流能力を上げて出力するバッファ131と、から構成される。
次に、スイッチングレギュレータ101の動作を図4に基づいて説明する。同図において、Vはレギュレータ制御回路115の制御信号Bの電圧、Vは接地側出力トランジスタ制御回路117の出力信号Cの電圧、Iは接地側出力トランジスタ112に流れる電流、Vは節点Dの電圧である。なお、同図は負荷114が軽い場合の波形であり、負荷114が重い場合は省略している。
制御信号Bがローレベルの期間では、出力信号Cはローレベルであって接地側出力トランジスタ112をオフさせる。また、制御信号Aもローレベルであるので電源側出力トランジスタ111はオンしている。従って、接地側出力トランジスタ112に流れる電流Iはゼロであり、節点Dの電圧Vはハイレベルになっている。
制御信号Bがハイレベルになると、制御信号Aもハイレベルになるので、電源側出力トランジスタ111はオフする。そして、節点Dの電圧Vが降下して接地電位よりも下がると、制御信号Fはハイレベルとなって接地側出力トランジスタ112はオンする。これにより、先ず接地電位から節点Dに向けて正方向の電流Iが流れる。このとき、節点Dの電圧Vは、この電流Iに接地側出力トランジスタ12のオン抵抗を掛けた電圧分だけ接地電位より下がる。
その後、電流Iは徐々に直線的に減少し、これに応じて節点Dの負電圧Vも徐々に直線的に上昇する。ここで、負荷114が重い場合、電流Iは減少し始める前の初期電流値が大きいために、それが逆方向電流になるまでにハイレベルの期間が経過して制御信号Bはローレベルに戻る(図示せず)。これに対し、負荷114が軽い場合は、制御信号Bのハイレベルの期間が経過するまでに電流Iは逆方向電流になる。この逆方向電流は、接地電位に向かって出て行く電流であるので電力損失となり、スイッチングレギュレータ101の電力効率はその分だけ低くなる。そこで、逆方向電流になると、電流方向検出回路116はそれを検出してローレベルの制御信号Fを出力し、接地側出力トランジスタ112を強制的にオフして逆方向電流が流れるのを抑制しているのである。
特開2000−92824号公報
このように、負荷が軽い場合、電流Iが逆方向電流になると接地側出力トランジスタ112を強制的にオフして電力効率を高めることができる。そこで、本願発明者は、更なる電力効率の向上を検討した結果、電流方向検出回路116が接地側出力トランジスタ112の逆方向電流を検出してからそれをオフするまでには一定の遅延(図4における期間t)があり、この遅延により、逆方向電流はしばらくの間流れることに着目した。また、節点Dの電圧Vは、電源電圧から接地電位以下まで広い変動幅を有する。従って、このような変動幅の広い電圧を入力電圧とする電流方向検出回路116のコンパレータ120は、変動幅の狭い電圧を入力電圧とする通常のコンパレータに比べ回路規模が大きなものになる。
また、このスイッチングレギュレータ101では、図4に示すように、接地側出力トランジスタ112が強制的にオフになった後に発生する次第に減衰する電圧の揺れ、すなわち、リンギングにより、節点Dの電圧Vが接地電位以下になれば、電流方向検出回路116が一瞬動作し、無駄な電力を消費したりノイズを発生させたりするおそれも有る。
本発明は、以上の事由に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、スイッチングレギュレータなどに用いてその電力損失の更なる抑制が可能となり、しかも回路規模が小さい電流方向検出回路、及びそれを備えることにより電力損失が抑制され、かつ逆方向電流検出後に電流方向検出回路が再び動作することのないスイッチングレギュレータを提供することにある。
上記の課題を解決するために、請求項1に係る電流方向検出回路は、接地された入力端から出力端に電流を流す接地側出力トランジスタに、逆方向電流が流れたときそれを検出する電流方向検出回路であって、接地側出力トランジスタの制御端及び出力端にそれぞれ制御端及び出力端が接続されたモニタ用トランジスタと、モニタ用トランジスタの入力端に一端が接続され、他端が接地されたインピーダンス素子と、第1及び第2の定電流源と、 第1の定電流源と接地電位の間に介装されたダイオード接続のリファレンス用トランジスタと、第2の定電流源とインピーダンス素子の間に介装されリファレンス用トランジスタの制御端に制御端が接続されたセンス用トランジスタと、を備え、第2の定電流源とセンス用トランジスタの間の電圧を制御信号として出力して接地側出力トランジスタとモニタ用トランジスタを制御することを特徴とする。
請求項2に係るスイッチングレギュレータは、入力電源と接地電位の間に直列に設けられた電源側出力トランジスタ及び接地側出力トランジスタと、電源側出力トランジスタと接地側出力トランジスタの間に入力端が接続され、所定のDC電圧を出力する出力端子に出力端が接続された平滑用回路と、出力端子の電圧をフィードバック入力して所定のDC電圧を維持すべく電源側出力トランジスタと接地側出力トランジスタをオンオフ制御するレギュレータ制御回路と、を備えるスイッチングレギュレータにおいて、請求項1に記載の電流方向検出回路と、レギュレータ制御回路の制御信号によりオンさせた後、電流方向検出回路の制御信号が一旦立ち上がると継続してオフさせるように接地側出力トランジスタを制御する接地側出力トランジスタ制御回路と、を更に備えることを特徴とする。
本発明の電流方向検出回路は、上記のモニタ用トランジスタと、インピーダンス素子と、第1及び第2の定電流源と、リファレンス用トランジスタと、センス用トランジスタと、を有して構成されることにより、接地側出力トランジスタに流れる電流が逆方向になる少し前の状態を検出して制御信号を出力させられ、スイッチングレギュレータなどに用いてその電力損失の更なる抑制が可能となり、しかも回路規模を小さくすることができる。また、本発明のスイッチングレギュレータは、逆方向電流検出後に電流方向検出回路が再び動作することがないので、リンギングによる無駄な電力の消費やノイズ発生を抑制することができる。
以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照しながら説明する。図1は本発明の実施形態である電流方向検出回路及びそれを備えたスイッチングレギュレータの回路図である。 このスイッチングレギュレータ1は、入力電源VCCと接地電位の間に直列に設けられたP型MOSトランジスタである電源側出力トランジスタ11及びN型MOSトランジスタである接地側出力トランジスタ12と、両トランジスタ11、12の間に入力端が、出力端子OUTに出力端が、それぞれ接続された平滑用回路13と、出力端子OUTの電圧をフィードバック入力して所定のDC電圧を維持すべく、電源側出力トランジスタ11及び接地側出力トランジスタ12をオンオフ制御する制御信号A及び制御信号Bを出力するレギュレータ制御回路15と、接地側出力トランジスタ12に逆方向電流が流れたときそれを検出して制御信号Fを出力する電流方向検出回路16と、制御信号Bと制御信号Fにより接地側出力トランジスタ12を制御する出力信号Cを出力する接地側出力トランジスタ制御回路17と、を備える。ここで、出力端子OUTには外部で負荷14が接続されている。また、平滑用回路13は、電源側出力トランジスタ11と接地側出力トランジスタ12の接続点(節点D)に一端が、出力端子OUTに他端が接続された平滑用コイル40と、出力端子OUTに一端が接続され他端が接地された平滑用コンデンサ41と、から構成される。また、レギュレータ制御回路15は、出力する制御信号A及び制御信号Bがほぼ同一波形である。
電流方向検出回路16は、接地側出力トランジスタ12のゲート(制御端)及びドレイン(出力端)にそれぞれゲート(制御端)及びドレイン(出力端)が接続されたN型MOSトランジスタであるモニタ用トランジスタ20と、モニタ用トランジスタ20のソース(入力端)に一端が接続され、他端が接地されたインピーダンス素子21と、共にP型MOSトランジスタで構成される第1及び第2の定電流源22、23と、第1の定電流源22と接地電位の間に介装されたダイオード接続、すなわちドレインとゲートが接続されたN型MOSトランジスタであるリファレンス用トランジスタ24と、第2の定電流源23とインピーダンス素子21の間に介装されリファレンス用トランジスタのゲート(制御端)にゲート(制御端)が接続されたN型MOSトランジスタであるセンス用トランジスタ25と、を備える。また、電流方向検出回路16は、第1及び第2の定電流源22、23とカレントミラー回路を構成してそれらの電流値を設定するP型MOSトランジスタ26と、それに流れる電流を生成する定電流源27と、を備える。そして、電流方向検出回路16は、第2の定電流源23とセンス用トランジスタ25の間(節点F)の電圧を制御信号として出力し、接地側出力トランジスタ制御回路17を介して接地側出力トランジスタ12とモニタ用トランジスタ20を制御する。
ここで、モニタ用トランジスタ20は、接地側出力トランジスタ12の電流値に比例した比較的少ない電流を流すため、接地側出力トランジスタ12の所定値(N)分の1のサイズに設定されている。インピーダンス素子21は、流れる電流に応じて電圧を生成する素子であり、例えば抵抗素子やオン抵抗を比較的高くしたN型MOSトランジスタなどが用いられる。第1の定電流源22と第2の定電流源23は等しい定電流IREF(例えば1μA)を流す能力を有する。また、第1の定電流源22とリファレンス用トランジスタ24の接続点がハイレベルになるように、リファレンス用トランジスタ24のサイズが設定されている。そして、リファレンス用トランジスタ24とセンス用トランジスタ25のサイズは等しくしてあり、節点Eの電圧Vがほぼ接地電位以上であると節点F、すなわち電流方向検出回路16が出力する制御信号の電圧Vはハイレベルとなる。これに対し、節点Eの電圧Vがほぼ接地電位よりも下がるとセンス用トランジスタ25のオン抵抗は下がり、節点Fの電圧Vはローレベルとなる。
節点Eの電圧が接地電位以上の場合とは、具体的には、モニタ用トランジスタ20がオフとなっている場合とモニタ用トランジスタ20がオンとなっていてかつ節点Dの電圧Vが接地電位以上になっている場合である。モニタ用トランジスタ20がオフとなっている場合は、インピーダンス素子21(例えば1KΩ)に第2の定電流源23から電流が流れようとするため、節点Eの電圧は接地電位から僅かに上昇する。また、モニタ用トランジスタ20がオンとなっていてかつ節点Dの電圧Vが接地電位以上になっている場合は、節点Dからモニタ用トランジスタ20及びインピーダンス素子21を通って電流が流れるため、節点Eの電圧Vはモニタ用トランジスタ20のオン抵抗とインピーダンス素子21の抵抗で節点Dの電圧Vを分割した値になる。一方、節点Eの電圧Vが接地電位よりも下がる場合とは、具体的には、モニタ用トランジスタ20がオンとなっていてかつ節点Dの電圧Vが接地電位よりも下の電圧、すなわち負電圧になっている場合である。この場合は、接地電位からインピーダンス素子21及びモニタ用トランジスタ20を通って電流が流れるため、節点Eの電圧Vはインピーダンス素子21の抵抗とモニタ用トランジスタ20のオン抵抗で節点Dの負電圧Vを分割した値になる。
更に厳密には、モニタ用トランジスタ20がオンとなっていてかつ節点Dが負電圧になっている場合であっても、その負電圧値が小さければ、節点Eの電圧Vが接地電位以上の場合がある。すなわち、例えばモニタ用トランジスタ20のオン抵抗値及びインピーダンス素子21の抵抗値を共にRと設定すると、節点Eの電圧Vは、
=(V+IREF×R)/2
である。IREFは、前述の通り、第2の定電流源23の定電流値である。V=−IREF×RのときにVがゼロとなるので、節点Dの電圧Vが負であっても(IREF×R)よりも小さければ、節点Eの電圧Vが接地電位以上となる。このように、節点Dの電圧Vが接地電位から負方向にオフセットを持って、電流方向検出回路16により検出される。このオフセット値は、IREF又はインピーダンス素子21の抵抗値により調整することができる。これを利用して、接地側出力トランジスタ12に逆方向電流が流れる少し前にそれを検出することができるが、このことは後述する。
次に、接地側出力トランジスタ制御回路17を説明する。接地側出力トランジスタ制御回路17は、レギュレータ制御回路15の制御信号Bの反転信号と電流方向検出回路16の制御信号Fを入力するOR回路30と、制御信号Bをセット入力端子Sに、OR回路30の出力をリセット入力端子Rに入力し、非反転出力端子Qから出力するエッジ検出回路31と、エッジ検出回路31の電流能力を上げて出力するバッファ32と、から構成される。エッジ検出回路31は、セット入力端子Sの入力信号の立ち上がりエッジにより非反転出力端子Qからハイレベルを出力してその状態を維持し、リセット入力端子Rの入力信号の立ち上がりエッジにより非反転出力端子Qからローレベルを出力してその状態を維持する。
次に、スイッチングレギュレータ1の動作を電流方向検出回路16の動作を中心に図2に基づいて説明する。同図において、Vはレギュレータ制御回路15の制御信号Bの電圧、Vは接地側出力トランジスタ制御回路17の出力信号Cの電圧、Iは接地側出力トランジスタ12に流れる電流、Vは節点Dの電圧、Vは節点Eの電圧、Vは電流方向検出回路16の制御信号Fの電圧、である。なお、図におけるVの高さは拡大して示している。また、同図は負荷14が軽い場合の波形であり、負荷14が重い場合は省略している。
制御信号Bがローレベルの期間では、出力信号Cはローレベルであって接地側出力トランジスタ12及びモニタ用トランジスタ20をオフさせている。また、制御信号Aもローレベルであって電源側出力トランジスタ11はオンしている。従って、接地側出力トランジスタ12に流れる電流Iはゼロであり、節点Dの電圧Vはハイレベルになっている。また、モニタ用トランジスタ20がオフであるので、前述のように、節点Eの電圧Vは接地電位から僅かに上昇し、節点Fの電圧Vはハイレベルになっている。
制御信号Bがハイレベルになると、制御信号Aもハイレベルになるので、電源側出力トランジスタ11はオフする。そして、接地側出力トランジスタ制御回路17は、制御信号Bの立ち上がりエッジを受けてハイレベルを出力し、接地側出力トランジスタ12及びモニタ用トランジスタ20をオンさせる。接地側出力トランジスタ12のオンにより、先ず接地電位から節点Dに向けて正方向の電流Iが流れる。このとき、節点Dの電圧Vは、この電流Iに接地側出力トランジスタ12のオン抵抗を掛けた電圧分だけ接地電位より下がる。また、節点Eの電圧Vも負電圧であり、節点Fの電圧Vはローレベルになる。
その後、電流Iは徐々に直線的に減少し、これに応じて節点Dの負の電圧V及び節点Eの電圧Vも徐々に直線的に上昇する。ここで、負荷14が重い場合、電流Iは減少し始める前の初期電流値が大きいために、それが逆方向電流になるまでにハイレベルの期間が経過して制御信号Bはローレベルに戻る(図示せず)。この場合、接地側出力トランジスタ制御回路17は、入力した制御信号Bの立ち下がりエッジを受けてローレベルを出力し、接地側出力トランジスタ12及びモニタ用トランジスタ20をオフさせる(図示せず)。
これに対し、負荷14が軽い場合は、制御信号Bのハイレベルの期間が経過するまでに接地側出力トランジスタ12に流れる電流Iは逆方向電流に、節点Dの電圧Vは正電圧になろうとする。しかし、前述のように、節点Dの電圧Vは接地電位から負方向にオフセットを持って、電流方向検出回路16により検出される。つまり、電流方向検出回路16は、電流Iが逆方向になる少し前の状態を検出し、節点Fにハイレベルの制御信号を出力する。そして、接地側出力トランジスタ制御回路17は、入力した電流方向検出回路16の制御信号Fの立ち上がりエッジを受けてローレベルを出力し、接地側出力トランジスタ12を強制的にオフさせる。すなわち、接地側出力トランジスタ制御回路17は、レギュレータ制御回路15の制御信号Bによりオンさせた後、電流方向検出回路16の制御信号Fが一旦立ち上がると継続してオフさせるように接地側出力トランジスタ12を制御するのである。
こうして、電流方向検出回路16は、接地側出力トランジスタ12に逆方向電流が流れる少し前にそれを検出することで、電流方向検出回路16及び接地側出力トランジスタ制御回路17による回路遅延を補償して電力損失を抑え、もって電力効率を高くすることができる。また、電流方向検出回路16は、背景技術におけるスイッチングレギュレータ101に用いられる電流方向検出回路116に比べ、入力電圧の変動幅が小さくなるので簡単な回路構成であり、回路規模は小さくなる。
また、接地側出力トランジスタ12が強制的にオフになると、節点Dの電圧Vはリンギングを経て出力端子OUTの電圧レベルに収束して安定するが、このとき、接地側出力トランジスタ制御回路17は電流方向検出回路16の制御信号Fが一旦立ち上がると継続してオフさせるように接地側出力トランジスタ12を制御しているので、背景技術におけるスイッチングレギュレータ101のように、リンギングにより電流方向検出回路16が再び動作することはない。
なお、本発明の実施形態である電流方向検出回路は、スイッチングレギュレータのために案出したものであるが、コイルに電流を出力する接地側出力トランジスタを有する他の装置(例えばモータドライブ装置など)に用いることも可能である。
本発明の実施形態に係る電流方向検出回路及びそれを備えたスイッチングレギュレータの回路図。 同上の動作波形図。 背景技術におけるスイッチングレギュレータの回路図。 同上の動作波形図。
符号の説明
1 スイッチングレギュレータ
11 電源側出力トランジスタ
12 接地側出力トランジスタ
13 平滑用回路
14 負荷
15 レギュレータ制御回路
16 電流方向検出回路
17 接地側出力トランジスタ制御回路
20 モニタ用トランジスタ
21 インピーダンス素子
22 第1の定電流源
23 第2の定電流源
24 リファレンス用トランジスタ
25 センス用トランジスタ
CC 入力電源
OUT 出力端子

Claims (2)

  1. 接地された入力端から出力端に電流を流す接地側出力トランジスタに、逆方向電流が流れたときそれを検出する電流方向検出回路であって、
    接地側出力トランジスタの制御端及び出力端にそれぞれ制御端及び出力端が接続されたモニタ用トランジスタと、
    モニタ用トランジスタの入力端に一端が接続され、他端が接地されたインピーダンス素子と、
    第1及び第2の定電流源と、
    第1の定電流源と接地電位の間に介装されたダイオード接続のリファレンス用トランジスタと、
    第2の定電流源とインピーダンス素子の間に介装されリファレンス用トランジスタの制御端に制御端が接続されたセンス用トランジスタと、
    を備え、
    第2の定電流源とセンス用トランジスタの間の電圧を制御信号として出力して接地側出力トランジスタとモニタ用トランジスタを制御することを特徴とする電流方向検出回路。
  2. 入力電源と接地電位の間に直列に設けられた電源側出力トランジスタ及び接地側出力トランジスタと、電源側出力トランジスタと接地側出力トランジスタの間に入力端が接続され、所定のDC電圧を出力する出力端子に出力端が接続された平滑用回路と、出力端子の電圧をフィードバック入力して所定のDC電圧を維持すべく電源側出力トランジスタと接地側出力トランジスタをオンオフ制御するレギュレータ制御回路と、を備えるスイッチングレギュレータにおいて、
    請求項1に記載の電流方向検出回路と、
    レギュレータ制御回路の制御信号によりオンさせた後、電流方向検出回路の制御信号が一旦立ち上がると継続してオフさせるように接地側出力トランジスタを制御する接地側出力トランジスタ制御回路と、
    を更に備えることを特徴とするスイッチングレギュレータ。
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