JP4387172B2 - 電源回路及びその電源回路の出力電圧変更方法 - Google Patents

電源回路及びその電源回路の出力電圧変更方法 Download PDF

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Description

本発明は、出力電圧値を変えることができるスイッチングレギュレータに関し、特に、出力電圧を上昇させる際に発生するオーバーシュートや、負荷電流の急激な変化を低減させることによって、電源回路及び負荷への悪影響を防止することができる電源回路及びその電源回路の出力電圧変更方法に関するものである。
現在、携帯電話やデジタルカメラ等、電池を電源とした携帯機器の電源回路としては、高効率でしかも小型化が可能な、インダクタを用いた非絶縁型スイッチングレギュレータ(以下、スイッチングレギュレータと呼ぶ)が広く用いられている。
一方、スイッチングレギュレータは、回路構成上、出力電圧を上昇させるときにオーバーシュート電圧が発生する。特に、スイッチングレギュレータの電源投入時には大きなオーバーシュートが発生するため、従来のスイッチングレギュレータは、図4で示すようにソフトスタート回路が設けられ、出力電圧を徐々に上昇させる方式が採用されていた。なお、図4では、入力電圧を降圧するタイプのスイッチングレギュレータを示しているが、入力電圧を昇圧するタイプのスイッチングレギュレータでもよい。
図4において、スイッチングレギュレータ100は、入力電圧Vinの出力制御を行うスイッチングトランジスタMaと、エネルギー変換用のインダクタLa及びコンデンサCaと、フライホイールダイオードDaと、スイッチングトランジスタMaのスイッチング制御を行うPWM制御回路101と、出力電圧検出用抵抗Ra及びRbとを備えている。更に、スイッチングレギュレータ100は、基準電圧Vrefを生成して出力する基準電圧発生回路102と、出力電圧Voutが出力電圧検出用抵抗Ra及びRbで分圧された分圧電圧Vdと基準電圧Vrefとの電圧比較を行うコンパレータCMPaと、電源投入時に基準電圧Vrefを徐々に上昇させてコンパレータCMPaに印加するための時定数回路を構成する抵抗Rc及びコンデンサCbと、スイッチSW1とで構成されている。
ここで、ソフトスタート回路についてのみ説明する。
スイッチSW1は、電源投入と同時にオンし、コンデンサCbが抵抗Rcを介して基準電圧Vrefで充電される。このため、コンパレータCMPaの非反転入力端の電圧Vaは、図5で示すように徐々に上昇する。スイッチングレギュレータ100の出力電圧Voutは基準電圧Vrefに比例するため、出力電圧Voutも図5で示すように徐々に上昇する。これらのことから、オーバーシュート電圧を防止することができる。また、電源制御用ICを使用した電源装置において、オーバーシュートを発生させることなく出力電圧の緩やかな立ち上がりを制御できる電源装置があった(例えば、特許文献1参照。)。
特開2000−102243号公報
しかし、電源が立ち上がった後で、出力電圧を更に上昇させる場合は、従来のソフトスタート回路は作動しないため、有害なオーバーシュート電圧が発生してしまうという問題があった。また、急激な出力電圧の上昇に伴って出力端子に接続されている容量成分への急速充電が行われるため、短時間ではあるが電源回路から過大な電流が出力される。このため、ノイズによる誤動作や、負荷やスイッチングレギュレータのスイッチングトランジスタに過大な電流が流れることによる素子の不具合や劣化を引き起こす等の悪影響が生じるという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、出力電圧を上昇させたときのオーバーシュート電圧と過大な出力電流の発生を防止することができる電源回路及びその電源回路の出力電圧変更方法を得ることを目的とする。
この発明に係る電源回路は、入力端子INと出力端子OUTとの間に設けられたインダクタにエネルギーを蓄え、そのエネルギーを放出することで入力電圧Vinを所定の電圧に変換して前記出力端子OUTから出力する、出力電圧Voutが変更可能な非絶縁型のスイッチングレギュレータをなす電源回路において、
入力された制御信号に応じてスイッチングを行い、前記入力電圧Vinの出力端子OUTへの出力制御を行うスイッチングトランジスタと、
設定された電圧の基準電圧Vrefを生成して出力する基準電圧発生回路部と、
前記出力電圧Voutを検出し、該検出した出力電圧Voutに比例した電圧Vdを生成して出力する出力電圧検出回路部と、
前記比例電圧Vdが前記基準電圧Vrefになるように前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を行う制御回路部と、
を備え、
前記基準電圧発生回路部は、起動時に出力電圧Voutが所定値まで上昇して安定した後、該出力電圧Voutを更に上昇させる場合は、基準電圧Vrefを所望の値まで段階的に上昇させて出力し、出力電圧Voutを低下させる場合、所望の値に基準電圧Vrefを低下させて出力するものである。
具体的には、前記基準電圧発生回路部は、
入力されたデジタルデータに応じた電圧の基準電圧Vrefを生成して出力するD/Aコンバータと、
該D/Aコンバータにデジタルデータを出力して、出力される基準電圧Vrefの電圧値を制御するDAC制御回路と、
を備え、
前記DAC制御回路は、D/Aコンバータに対して、前記出力電圧Voutを上昇させる場合、所望の値まで基準電圧Vrefを段階的に上昇させるようにデジタルデータを段階的に変えて生成し、前記出力電圧Voutを低下させる場合、所望の値に基準電圧Vrefを低下させるようにデジタルデータを変えて生成するようにした。
また、前記DAC制御回路は、前記出力電圧Voutを上昇させる場合、D/Aコンバータに出力するデジタルデータを1ビットずつ変化させるようにしてもよい。
また、この発明に係る電源回路の出力電圧変更方法は、入力端子INと出力端子OUTとの間に設けられたインダクタにエネルギーを蓄え、そのエネルギーを放出することで入力電圧Vinを所定の電圧に変換して前記出力端子OUTから出力する、出力電圧Voutが変更可能な非絶縁型のスイッチングレギュレータをなす電源回路の出力電圧変更方法において、
前記出力電圧Voutを検出し該検出した出力電圧Voutに比例した電圧Vdを生成し、
設定された電圧の基準電圧Vrefを生成し、
前記比例電圧Vdが前記基準電圧Vrefになるように前記入力電圧Vinの出力端子OUTへの出力制御を行い、
起動時に出力電圧Voutが所定値まで上昇して安定した後、
出力電圧Voutを更に上昇させる場合、所望の値まで基準電圧Vrefを段階的に上昇させ、
前記出力電圧Voutを低下させる場合、所望の値に基準電圧Vrefを低下させるようにした。
具体的には、前記基準電圧Vrefは、デジタルデータをD/A変換して生成され、前記出力電圧Voutを上昇させる場合、該デジタルデータを1ビットずつ変化させて所望の値まで基準電圧Vrefを段階的に上昇させるようにした。
本発明の電源回路及びその電源回路の出力電圧変更方法によれば、出力電圧を上昇させる場合は出力電圧の設定値を段階的に大きくして、出力電圧を段階的に上昇させるようにしたことから、スイッチングレギュレータ等において出力電圧を上昇させる際に発生するオーバーシュート電圧を低減することができる。
また、出力電圧上昇させる場合、上昇させる1段当たりの電圧で発生するオーバーシュート電圧が負荷や電源回路自身に悪影響を与えないレベルに留めるようにすることにより、出力電圧を上昇させる段数を少なくすることができ、出力電圧変更に要する時間を短縮することができる。
更に、出力電圧の設定をD/Aコンバータを利用した基準電圧で行い、設定電圧の1段をD/Aコンバータの1ビットに対応させるようにしたことから、D/Aコンバータの回路規模を小さくすることができる。
次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第1の実施の形態.
図1は、本発明の第1の実施の形態における電源回路の構成例を示した図である。なお、図1では、降圧タイプのスイッチングレギュレータに応用した場合を例にして示している。
図1におけるスイッチングレギュレータ1は、入力電圧Vinの出力制御を行うPMOSトランジスタからなるスイッチングトランジスタM1と、エネルギー変換用のインダクタL1及びコンデンサC1と、フライホイールダイオード(転流ダイオードともいう)D1と、出力端子OUTから出力される電圧Voutを分圧して分圧電圧Vdを生成して出力する出力電圧検出用の抵抗R1,R2とを備えている。
また、スイッチングレギュレータ1は、入力されたデジタルコードに応じた基準電圧Vrefを生成して出力するD/AコンバータDAC1と、設定されたデジタルコードをD/AコンバータDAC1に出力してD/AコンバータDAC1の動作制御を行うDAC制御回路2とを備えている。更に、スイッチングレギュレータ1は、前記分圧電圧Vdと前記基準電圧Vrefとの電圧比較を行い、該比較結果に応じた電圧を出力するコンパレータCMP1と、該コンパレータCMP1の出力電圧に応じてスイッチングトランジスタM1に対してPWM制御を行ってスイッチングトランジスタM1のスイッチング制御を行うPWM制御回路3とを備えている。
入力電圧Vinが入力される入力端子INと出力端子OUTとの間には、スイッチングトランジスタM1とインダクタL1が直列に接続されている。スイッチングトランジスタM1とインダクタL1との接続部にダイオードD1のカソードが接続され、ダイオードD1のアノードは接地電圧GNDに接続されている。出力端子OUTと接地電圧GNDとの間には、抵抗R1及びR2の直列回路、並びにコンデンサC1が並列に接続され、抵抗R1及びR2は、出力電圧Voutを分圧した分圧電圧Vdを生成してコンパレータCMP1の反転入力端に出力する。D/AコンバータDAC1は、DAC制御回路2から入力されたデジタルコードが示す電圧の基準電圧Vrefを生成してコンパレータCMP1の非反転入力端に出力する。また、出力端子OUTと接地電圧GNDとの間には、負荷10が接続されている。
このような構成において、D/AコンバータDAC1から出力される基準電圧Vrefに対応する出力電圧Voutは、インダクタL1のインダクタンスをL、スイッチングトランジスタM1がオンしている時間をTon、スイッチングトランジスタM1がオフしている時間をToffとすると下記(1)式で表すことができる。
Vout=Vin×Ton/(Ton+Toff)………………(1)
また、スイッチングレギュレータ1の目標出力電圧Vout1は、D/AコンバータDAC1からの基準電圧Vrefと出力電圧検出用の抵抗R1とR2の各抵抗値を用いて下記(2)式で表すことができる。
Vout1=Vref×(R1+R2)/R2………………(2)
なお、前記(2)式では、R1は抵抗R1の抵抗値を、R2は抵抗R2の抵抗値をそれぞれ示している。
PWM制御回路3は、スイッチングトランジスタM1のゲートに方形波を出力し、スイッチングトランジスタM1がオン/オフする時間の比を制御して、スイッチングレギュレータ1の出力電圧Voutが目標出力電圧Vout1になるように制御する。スイッチングレギュレータ1の出力電圧Voutを変更するには、前記(2)式の変数であるD/AコンバータDAC1の出力電圧Vrefか、又は出力電圧検出用抵抗R1若しくはR2の抵抗値のいずれかを変更すればよい。
ここで、図2は、D/AコンバータDAC1から出力される基準電圧Vrefの電圧を変えたときの出力電圧Voutの波形例を示した図であり、図2(a)は、基準電圧VrefをVref1から直ちにVref2に変化させた従来の場合を示し、図2(b)は、基準電圧VrefをVref1から段階的にVref2へ変化させた本第1の実施の形態の場合を示している。
図2(a)において、時間t1で、D/AコンバータDAC1からの基準電圧VrefをVref1からVref2に変更すると、スイッチングレギュレータ1の出力電圧VoutはVout1からVout2に上昇するが、このとき、出力電圧VoutがVout2を大きく超えてオーバーシュート電圧が発生する。
これは、入力端子INと出力端子OUTとの間にスイッチングトランジスタM1とインダクタL1の直列回路が接続されているためである。すなわち、スイッチングトランジスタM1がオンしているときの入力端子INと出力端子OUTとの間のインピーダンスが非常に小さい。このため、出力電圧Voutを急速に上昇させることができるが、スイッチングレギュレータ1の応答速度が比較的遅いため、制御に時間がかかり、大きなオーバーシュート電圧が発生してしまう。
これに対して、図2(b)では、時間t1から、D/AコンバータDAC1からの基準電圧Vrefを段階的にVref1からVref2に上昇させると、これに伴って、出力電圧Voutも段階的に上昇するが、1段階の電圧上昇で発生するオーバーシュート電圧は、図2(a)の場合と比較して非常に小さくすることができる。D/AコンバータDAC1から出力する基準電圧Vrefを上昇させる段数を多くして、1段当たりの出力電圧Voutの電圧変化を小さくすればするほどオーバーシュート電圧は低減するが、出力電圧VoutがVout1からVout2に達するまでの時間が長くなり不都合が生じる。このため、基準電圧Vrefを1段階上昇させたときの出力電圧Voutの電圧上昇で発生するオーバーシュート電圧が、負荷10やスイッチングレギュレータ1自体に影響を及ぼさないように、1段あたりの基準電圧Vrefの上昇値を設定するようにすればよい。
また、D/AコンバータDAC1の回路を簡素化するために、1段あたりの基準電圧Vrefの上昇値を、D/AコンバータDAC1の1ビットに割り当てるのが最も経済的である。なお、時間t2で、D/AコンバータDAC1からの基準電圧VrefをVref2からVref1に低下させる場合は、出力電圧Voutにアンダーシュートは発生しない。これは、出力電圧Voutが低下するときはスイッチングトランジスタM1がオフし、しかも、出力端子OUTに接続されているダイオードD1は逆極性に接続されていることから、負荷10側から見たスイッチングレギュレータ1のインピーダンスは非常に高くなる。このため、出力電圧Voutは、コンデンサC1を含めた負荷10の容量を放電しながら低下するため、図2(a)及び図2(b)でそれぞれ示すようにゆっくりと低下する。
このように、出力電圧Voutを上昇させる場合は、DAC制御回路2は、D/AコンバータDAC1から出力される基準電圧Vrefが段階的に上昇するように、デジタルコード段階的に変えてD/AコンバータDAC1に出力する。例えば、出力電圧Voutが1段階で上昇する電圧を100mV以下にすると問題が起きないレベルまでオーバーシュート電圧を低下させることができ、出力電圧Voutを上昇させる時間は、1段階で30μsec以上になるようにすればよい。このようにすることにより、出力電圧Voutを所定の電圧まで上昇させるのに、従来のソフトスタートでは約3msec必要であったのに対して、約1msecで行うことができる。これに対して、出力電圧Voutを低下させる場合は、DAC制御回路2は、D/AコンバータDAC1から出力される基準電圧Vrefが所望の電圧に低下するように、デジタルコードを変えてD/AコンバータDAC1に出力する。
一方、前記説明では、スイッチングレギュレータ1が降圧タイプである場合を例にして説明したが、本発明は、昇圧タイプのスイッチングレギュレータにも適用することができる。
図3は、本発明の第1の実施の形態における電源回路の他の構成例を示した図であり、図3では、昇圧タイプのスイッチングレギュレータに応用した場合を例にして示している。なお、図3では、図1と同じもの又は同様のものは図1と同じ符号で示している。
図3におけるスイッチングレギュレータ1は、NMOSトランジスタからなるスイッチングトランジスタM2と、インダクタL2と、コンデンサC2と、転流ダイオードD2と、出力端子OUTから出力される電圧Voutを分圧して分圧電圧Vdを生成し出力する出力電圧検出用の抵抗R3,R4とを備えている。
また、スイッチングレギュレータ1は、入力されたデジタルコードに応じた基準電圧Vrefを生成して出力するD/AコンバータDAC2と、設定されたデジタルコードをD/AコンバータDAC2に出力してD/AコンバータDAC2の動作制御を行うDAC制御回路12とを備えている。更に、スイッチングレギュレータ1は、前記分圧電圧Vdと前記基準電圧Vrefとの電圧比較を行い、該比較結果に応じた電圧を出力するコンパレータCMP2と、該コンパレータCMP2の出力電圧に応じてスイッチングトランジスタM2に対してPWM制御を行ってスイッチングトランジスタM2のスイッチング制御を行うPWM制御回路13とを備えている。
入力端子INと接地電圧GNDとの間には、インダクタL2とスイッチングトランジスタM2が直列に接続され、インダクタL2とスイッチングトランジスタM2との接続部と出力端子OUTとの間にはダイオードD2が接続されている。出力端子OUTと接地電圧GNDとの間には、抵抗R3及びR4の直列回路、並びにコンデンサC2が並列に接続され、抵抗R3及びR4は、出力電圧Voutを分圧した分圧電圧Vdを生成してコンパレータCMP2の反転入力端に出力する。D/AコンバータDAC2は、DAC制御回路12から入力されたデジタルコードが示す電圧の基準電圧Vrefを生成してコンパレータCMP2の非反転入力端に出力する。出力端子OUTと接地電圧GNDとの間には、負荷10が接続されている。
このような構成において、図3で示した昇圧タイプのスイッチングレギュレータ1は、NMOSトランジスタであるスイッチングトランジスタM2とインダクタL2とダイオードD2の配置が図1の降圧タイプと異なるが、出力電圧Voutを上昇させるときの入力端子INと出力端子OUTとの間のインピーダンスは、インダクタL2とダイオードD2の順方向となることから非常に低くなり、図1の降圧タイプと同様、図2(a)で示すような大きなオーバーシュート電圧が発生する。逆に、出力電圧Voutを低下させる場合は、スイッチングトランジスタM2がオフとなっており、ダイオードD2の極性も逆方向なので、負荷10から見たスイッチングレギュレータのインピーダンスはきわめて高くなり、降圧タイプで説明したように、出力電圧Voutはゆっくり低下する。
このため、図3においても、出力電圧Voutを上昇させる場合は、DAC制御回路12は、D/AコンバータDAC2から出力される基準電圧Vrefが段階的に上昇するように、デジタルコードを段階的に変えてD/AコンバータDAC2に出力する。これに対して、出力電圧Voutを低下させる場合は、DAC制御回路12は、D/AコンバータDAC2から出力される基準電圧Vrefが所望の電圧に低下するように、デジタルコードを変えてD/AコンバータDAC2に出力する。
なお、図2(b)では、基準電圧Vrefを同じ電圧幅で等間隔に上昇させるように示しているが、これは一例であり、本発明は、これに限定するものではなく、基準電圧Vrefを段階的に上昇させて出力電圧Voutを段階的に上昇させるものである。
このように、本第1の実施の形態におけるスイッチングレギュレータは、DAC制御回路が、出力電圧Voutを上昇させる場合は、D/Aコンバータから出力される基準電圧Vrefが段階的に上昇するように、デジタルコードを段階的に変えてD/Aコンバータに出力し、出力電圧Voutを低下させる場合は、D/Aコンバータから出力される基準電圧Vrefが所望の電圧に低下するように、デジタルコードを変えてD/Aコンバータに出力するようにした。このため、出力電圧を上昇させたときのオーバーシュート電圧と過大な出力電流の発生を防止することができる。
本発明の第1の実施の形態における電源回路の構成例を示した図である。 図1のD/AコンバータDAC1から出力される基準電圧Vrefの電圧を変えたときの出力電圧Voutの波形例を示した図である。 本発明の第1の実施の形態における電源回路の他の構成例を示した図である。 従来の電源回路の構成例を示した図である。 電源投入時における図4の各部の波形例を示した図である。
符号の説明
1 スイッチングレギュレータ
2,12 DAC制御回路
3,13 PWM制御回路
10 負荷
DAC1,DAC2 D/Aコンバータ
CMP1,CMP2 コンパレータ
M1,M2 スイッチングトランジスタ
L1,L2 インダクタ
C1,C2 コンデンサ
D1,D2 ダイオード
R1〜R4 抵抗

Claims (5)

  1. 入力端子INと出力端子OUTとの間に設けられたインダクタにエネルギーを蓄え、そのエネルギーを放出することで入力電圧Vinを所定の電圧に変換して前記出力端子OUTから出力する、出力電圧Voutが変更可能な非絶縁型のスイッチングレギュレータをなす電源回路において、
    入力された制御信号に応じてスイッチングを行い、前記入力電圧Vinの出力端子OUTへの出力制御を行うスイッチングトランジスタと、
    設定された電圧の基準電圧Vrefを生成して出力する基準電圧発生回路部と、
    前記出力電圧Voutを検出し、該検出した出力電圧Voutに比例した電圧Vdを生成して出力する出力電圧検出回路部と、
    前記比例電圧Vdが前記基準電圧Vrefになるように前記スイッチングトランジスタのスイッチング制御を行う制御回路部と、
    を備え、
    前記基準電圧発生回路部は、起動時に出力電圧Voutが所定値まで上昇して安定した後、該出力電圧Voutを更に上昇させる場合は、基準電圧Vrefを所望の値まで段階的に上昇させて出力し、出力電圧Voutを低下させる場合、所望の値に基準電圧Vrefを低下させて出力することを特徴とする電源回路。
  2. 前記基準電圧発生回路部は、
    入力されたデジタルデータに応じた電圧の基準電圧Vrefを生成して出力するD/Aコンバータと、
    該D/Aコンバータにデジタルデータを出力して、出力される基準電圧Vrefの電圧値を制御するDAC制御回路と、
    を備え、
    前記DAC制御回路は、D/Aコンバータに対して、前記出力電圧Voutを上昇させる場合、所望の値まで基準電圧Vrefを段階的に上昇させるようにデジタルデータを段階的に変えて生成し、前記出力電圧Voutを低下させる場合、所望の値に基準電圧Vrefを低下させるようにデジタルデータを変えて生成することを特徴とする請求項1記載の電源回路。
  3. 前記DAC制御回路は、前記出力電圧Voutを上昇させる場合、D/Aコンバータに出力するデジタルデータを1ビットずつ変化させることを特徴とする請求項2記載の電源回路。
  4. 入力端子INと出力端子OUTとの間に設けられたインダクタにエネルギーを蓄え、そのエネルギーを放出することで入力電圧Vinを所定の電圧に変換して前記出力端子OUTから出力する、出力電圧Voutが変更可能な非絶縁型のスイッチングレギュレータをなす電源回路の出力電圧変更方法において、
    前記出力電圧Voutを検出し該検出した出力電圧Voutに比例した電圧Vdを生成し、
    設定された電圧の基準電圧Vrefを生成し、
    前記比例電圧Vdが前記基準電圧Vrefになるように前記入力電圧Vinの出力端子OUTへの出力制御を行い、
    起動時に出力電圧Voutが所定値まで上昇して安定した後、
    出力電圧Voutを更に上昇させる場合、所望の値まで基準電圧Vrefを段階的に上昇させ、
    前記出力電圧Voutを低下させる場合、所望の値に基準電圧Vrefを低下させることを特徴とする電源回路の出力電圧変更方法。
  5. 前記基準電圧Vrefは、デジタルデータをD/A変換して生成され、前記出力電圧Voutを上昇させる場合、該デジタルデータを1ビットずつ変化させて所望の値まで基準電圧Vrefを段階的に上昇させることを特徴とする請求項4記載の電源回路の出力電圧変更方法。
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