JP4829287B2 - Internal ripple generation type fixed on-time voltage regulator with improved output voltage accuracy - Google Patents
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Description
この出願は2006年9月11日提出の米国特許出願第11/530548号(平成19年8月22日提出の日本特許出願特願2007−216153)「任意の等価直列抵抗を伴う出力キャパシタの利用を可能にするための固定オン時間制御利用電圧調整器におけるリプル発生」と少なくとも1名の共通の発明者を有する一部継続出願であり、同出願を参照してその出願の明細書の記載内容をこの明細書に組み入れる。 No. 11/530548 filed Sep. 11, 2006 (Japanese Patent Application No. 2007-216153 filed Aug. 22, 2007) “Utilization of Output Capacitor with Arbitrary Equivalent Series Resistance” Ripple generation in a voltage regulator that uses a fixed on-time control to enable the "and is a continuation-in-part application having at least one common inventor, and the contents of the description of that application with reference to that application Is incorporated herein.
また、この出願はこの出願と同日付で提出され同一譲受人に譲渡された米国特許出願第11/955,157号(平成20年12月12日提出の日本特許出願2008− 「最大デューティサイクルを高めた一定オン時間利用電圧調整器」)と関連しており、同出願を参照してその出願の明細書の内容をこの明細書に組み入れる。 In addition, this application is filed on the same date as this application and assigned to the same assignee, U.S. Patent Application No. 11 / 955,157 (Japanese Patent Application No. 2008- filed Dec. 12, 2008-“Maximum Duty Cycle And the content of the specification of that application is incorporated herein by reference.
この発明はスイッチング型電圧調整器、すなわちDC−DC変換器に関し、より詳しくいうと、出力電圧精度改善のために任意の等価直列抵抗(ESR)を伴う出力キャパシタを備える固定オン時間制御利用型バック電圧調整器に組み入れる制御スキームに関する。 The present invention relates to a switching type voltage regulator, that is, a DC-DC converter. More specifically, the present invention relates to a fixed on-time controlled utilization type back having an output capacitor with an arbitrary equivalent series resistance (ESR) for improving output voltage accuracy. The present invention relates to a control scheme incorporated in a voltage regulator.
DC電圧調整器、すなわちスイッチング型電圧調整器は一つのDC電圧レベルをもう一つのDC電圧レベルにエネルギー変換する。これらのタイプのスイッチング型電圧調整器はDC−DC変換器とも呼ばれる。スイッチングモード電源と呼ばれることもあるスイッチング型電圧調整器は、キャパシタ、インダクタおよび変成器などの低損失回路部品と、入力側から出力側へのエネルギーの離散的パケット移送のためのオンオフ動作を行うパワースイッチとにより、電源供給機能を提供する。そのエネルギー移送の調整に饋還回路すなわち帰還回路を用い、回路の所望の負荷限界値の範囲内に一定出力電圧を維持するようにしている。 A DC voltage regulator, i.e., a switching voltage regulator, converts one DC voltage level to another DC voltage level. These types of switching voltage regulators are also called DC-DC converters. Switching voltage regulators, sometimes referred to as switching mode power supplies, are low-loss circuit components such as capacitors, inductors, and transformers, and power that performs on / off operations for discrete packet transfer of energy from the input side to the output side. A power supply function is provided by the switch. A feedback circuit or feedback circuit is used to adjust the energy transfer so as to maintain a constant output voltage within a desired load limit range of the circuit.
スイッチング型電圧調整器は、入力電圧のステップアップもしくはステップダウン、またはそれら両方の機能をもたらすように構成できる。より詳細に述べると、「バックコンバータ」とも呼ばれるバック(buck)スイッチング型電圧調整器は入力電圧をステップダウンし、「ブーストコンバータ」とも呼ばれるブーストスイッチング型電圧調整器は入力電圧をステップアップする。バック−ブーストスイッチング型電圧調整器、すなわちバック−ブースト変換器は、ステップアップ機能とステップダウン機能との両方をもたらす。 The switching voltage regulator can be configured to provide input voltage step-up and / or step-down functions. More specifically, a buck switching voltage regulator, also called a “buck converter”, steps down the input voltage, and a boost switching voltage regulator, also called a “boost converter”, steps up the input voltage. A buck-boost switching voltage regulator, or buck-boost converter, provides both step-up and step-down functions.
スイッチング型電圧調整器の動作は周知であり、次のとおり一般化して説明できる。すなわち、パワースイッチのオンへの切換時に出力フィルタ回路のインダクタにエネルギーを加えて、そのインダクタを流れる電流がビルドアップできるようにする。パワースイッチがオフになると、インダクタの両端子にかかる電圧が逆極性になり、電荷が出力フィルタ回路の出力キャパシタおよび負荷に転送される。その出力キャパシタによって出力電圧は比較的一定の電圧に維持される。同期制御動作のための第2のパワースイッチを用いることもある。 The operation of the switching voltage regulator is well known and can be generalized as follows. That is, energy is applied to the inductor of the output filter circuit when the power switch is turned on so that the current flowing through the inductor can be built up. When the power switch is turned off, the voltage applied to both terminals of the inductor is reversed in polarity, and the charge is transferred to the output capacitor and the load of the output filter circuit. The output capacitor maintains the output voltage at a relatively constant voltage. A second power switch for the synchronous control operation may be used.
スイッチング型電圧調整器は、集積化した(内部)パワースイッチまたは外部パワースイッチを用いて構成することができる。スイッチング型電圧調整器を集積回路(IC)で構成してパワースイッチをそのICに外付けした場合は、そのスイッチング電圧調整器ICは「スイッチング型電圧調整器コントローラ」または変換器コントローラと呼ばれることもあり、それによって、そのコントローラが、比較的一定の出力電圧を発生するように出力フィルタ回路に接続した外付けパワースイッチ駆動用の制御信号を生ずることを表す。スイッチング型電圧調整器コントローラは、そのコントローラの電圧変換機能に応じて、バック(buck)コントローラ、ブーストコントローラ、またはバック−ブーストコントローラと呼ばれることもある。 The switching voltage regulator can be constructed using an integrated (internal) power switch or an external power switch. When a switching voltage regulator is composed of an integrated circuit (IC) and a power switch is externally attached to the IC, the switching voltage regulator IC is sometimes called a “switching voltage regulator controller” or a converter controller. Yes, thereby representing that the controller generates a control signal for driving an external power switch connected to the output filter circuit to generate a relatively constant output voltage. A switching voltage regulator controller may also be referred to as a buck controller, a boost controller, or a buck-boost controller, depending on the voltage conversion function of the controller.
固定オン時間制御付きのバックスイッチング型電圧調整器、すなわち「バック電圧調整器」は、パルス幅変調(PWM)モード時の軽負荷動作の効率が高いこと、外部信号との同期を取りやすいこと、比較的長いオフ時間の制御が容易であること、高い入力電圧を低い出力電圧に調整するための固定のオン時間がごく短いこと、など重要な利点があるために、この業界で推賞されている。 The buck switching voltage regulator with fixed on-time control, that is, the “buck voltage regulator” has high efficiency of light load operation in the pulse width modulation (PWM) mode and is easy to synchronize with an external signal. It has been recognized in the industry for its important advantages such as easy control of relatively long off times and very short fixed on times to adjust high input voltages to low output voltages. .
固定オン時間(すなわち、一定オン時間)電圧調整器はリプルモード制御による電圧調整器の一つのタイプであり、ヒステレティック電圧調整器はリプルモード制御によるスイッチング型電圧調整器のもう一つのタイプである。概括的にいうと、リプルモード電圧調整器は出力信号の中のリプル成分に基づいて出力電圧を調整する。パワースイッチのスイッチング動作のために、スイッチング型電圧調整器は切換対象の出力インダクタを通じてリプル電流を生ずる。このリプル電流が、負荷と並列に挿入された出力キャパシタの等価直列抵抗(ESR)を主因として出力電圧リプルとなって現れる。 A fixed on-time (ie constant on-time) voltage regulator is one type of voltage regulator with ripple mode control, and a hysteretic voltage regulator is another type of switching voltage regulator with ripple mode control. . Generally speaking, the ripple mode voltage regulator adjusts the output voltage based on the ripple component in the output signal. Due to the switching operation of the power switch, the switching voltage regulator generates a ripple current through the output inductor to be switched. This ripple current appears as output voltage ripple mainly due to the equivalent series resistance (ESR) of the output capacitor inserted in parallel with the load.
ヒステレティック電圧調整器は、比較器を用いて、リプルを含む調整対象の出力電圧をヒステリシス制御電圧帯と比較する。ヒステリシス上限値以上では上記ヒステレティックコントローラが出力インダクタを低い値に切り換え、下限値以下では上記ヒステレティックコントローラが出力インダクタを高い値に切り換える。一方、固定オン時間電圧調整器は、上記ヒステレティックコントローラと同様に動作するものの、出力リプルが単一の基準点以下に下がったときは、固定時間長にわたり出力インダクタを高い値に切り換える。上記固定オン時間長の終わりの時点で出力リプルが依然として上記単一の基準点よりも低い場合は、出力インダクタを、固定のオン時間にわたり再び高い値に切り換える前に最小のオフ時間にわたり低い値に切り換える。 The hysteresis voltage regulator uses a comparator to compare the output voltage to be regulated including ripples with a hysteresis control voltage band. Above the hysteresis upper limit, the hysteretic controller switches the output inductor to a low value, and below the lower limit, the hysteretic controller switches the output inductor to a high value. On the other hand, the fixed on-time voltage regulator operates in the same manner as the above-described hysteretic controller, but switches the output inductor to a high value for a fixed time length when the output ripple falls below a single reference point. If the output ripple is still lower than the single reference point at the end of the fixed on-time length, the output inductor is lowered to a low value for a minimum off-time before switching to a high value again for a fixed on-time. Switch.
リプルモード制御による電圧調整器においては、上記出力リプルは出力電圧調整に有用ではあるものの、出力電圧の雑音成分および負荷電圧限界値の点では不都合である。したがって、出力リプルを最小に留める要求が低ESRキャパシタの設計および製造を促してきた。出力キャパシタのESRを下げると出力リプル信号を大幅に下げることができる。リプルを下げることによって、雑音を最小に抑えるとともに負荷電圧変動を低下させることができるが、リプルモードの電圧調整は困難になる。また、リプルの大きさを抑えると、比較電圧差が小さくなり、正確で迅速な比較が非常に困難になる。 In the voltage regulator based on the ripple mode control, the output ripple is useful for adjusting the output voltage, but is disadvantageous in terms of a noise component of the output voltage and a load voltage limit value. Thus, the requirement to keep output ripple to a minimum has prompted the design and manufacture of low ESR capacitors. Decreasing the ESR of the output capacitor can greatly reduce the output ripple signal. By reducing ripple, noise can be minimized and load voltage fluctuation can be reduced, but voltage adjustment in the ripple mode becomes difficult. Further, if the size of the ripple is suppressed, the comparison voltage difference becomes small, and accurate and quick comparison becomes very difficult.
そのために、固定オン時間電圧調整器のメーカーは、出力電圧に最小限のリプル電圧を確保して実効的リプルモード制御を実行できるようにするために、出力キャパシタの等価直列抵抗(ESR)を最小値に定めている。すなわち、ESR値の大きい出力キャパシタを固定オン時間電圧調整器すべてに用いることを余儀なくされる。出力キャパシタ自体のESR値が十分に大きくないときは、所要リプル電圧最小値を生ずるための直列抵抗を出力キャパシタに加えることをメーカーが示唆することもある。 To that end, manufacturers of fixed on-time voltage regulators minimize the output capacitor's equivalent series resistance (ESR) to ensure that the output voltage has a minimum ripple voltage and can perform effective ripple mode control. The value is fixed. In other words, an output capacitor having a large ESR value must be used for all the fixed on-time voltage regulators. If the ESR value of the output capacitor itself is not large enough, the manufacturer may suggest adding a series resistance to the output capacitor to produce the required ripple voltage minimum.
ESR値の大きい出力キャパシタへの上述の要求を満たす一つの手法は、制御ループに電流饋還を加えるやり方である。もう一つの手法は、バーチャルリプル発生器を用いて、インダクタ電流比例のバーチャルリプルを内部的に発生するやり方である。これらの手法によって、リプルモード電圧調整器でもESR値の小さい出力キャパシタを利用できるようになるが、電圧調整器はそれだけ複雑になりコスト高になる。 One approach that satisfies the above requirements for output capacitors with high ESR values is to add current feedback to the control loop. Another approach is to internally generate a virtual ripple proportional to the inductor current using a virtual ripple generator. Although these methods enable the ripple mode voltage regulator to use an output capacitor having a small ESR value, the voltage regulator becomes more complicated and expensive.
出力信号が最小値以上のリプル電圧成分を含むことが上述のとおり要求されるので、固定オン時間電圧調整器の用途は出力電圧中のリプル電圧成分の存在を許容する用途に限られる。また、ESR値の大きいタンタルキャパシタよりは通常コスト安のセラミックキャパシタなどESR値が零であるキャパシタは、制御ループの適切な動作に必要なESR最小値条件を満たさないので利用できない。 Since the output signal is required to include a ripple voltage component equal to or greater than the minimum value as described above, the application of the fixed on-time voltage regulator is limited to an application that allows the presence of the ripple voltage component in the output voltage. Also, a capacitor with an ESR value of zero, such as a ceramic capacitor, which is usually cheaper than a tantalum capacitor having a large ESR value, cannot be used because it does not satisfy the ESR minimum value condition necessary for proper operation of the control loop.
したがって、この発明の目的は単純な回路構成で所要リプル電圧を発生し出力電圧精度を高めたスイッチング型電圧調整器を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a switching type voltage regulator that generates a required ripple voltage with a simple circuit configuration and improves output voltage accuracy.
この発明の一つの実施例によると、集積回路の形に構成したバックスイッチング型電圧調整器は入力電圧を受け、一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを用いて第1のスイッチおよび第2のスイッチを制御し、スイッチング出力電圧の取り出しのためのスイッチ出力ノードに出力を供給するようにする。上記スイッチ出力ノードは上記集積回路に外付けしたLCフィルタに接続し、ほぼ一定値の調整ずみの出力電圧を出力ノードに出力するようにする。その調整ずみの出力電圧を、饋還電圧ノードに饋還電圧を生ずる分圧回路経由でバックスイッチング型電圧調整器に饋還する。このバックスイッチング型電圧調整器は上記饋還電圧を受けるように接続を施した第1の入力端子と第1の基準電圧を受けるように接続を施した第2の入力端子とこれら饋還電圧と第1の基準電圧との間の差を表す第1の出力電圧を生ずる出力端子とを有する高出力インピーダンス増幅器と、第2の基準電圧を受ける第1の入力端子と上記増幅器の第1の出力電圧を受ける第2の入力端子とバックスイッチング型電圧調整器の一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループ制御用の出力電圧信号を生ずる誤差比較器と、バックスイッチング型電圧調整器の集積回路上に形成した第1のキャパシタおよび第1の抵抗器であって上記増幅器の上記スイッチ出力ノードおよび出力端子の間に直列接続で挿入した第1のキャパシタおよび第1の抵抗器と、上記増幅器の上記出力ノードおよび上記出力端子の間に接続した第2のキャパシタとを含む。動作の際は第1のキャパシタおよび第2の抵抗器がスイッチング出力電力に関連づけられたリプル電圧信号を発生し、そのリプル電圧信号を増幅器の出力端子に供給し、このリプル電圧信号を一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループに用いる。このリプル電圧信号の大きさは上記第2のキャパシタの容量値の関数となる。 According to one embodiment of the present invention, a buck switching voltage regulator configured in an integrated circuit receives an input voltage and uses a constant on-time / variable off-time feedback control loop to provide a first switch and a second switch. The switch is controlled so that an output is supplied to the switch output node for taking out the switching output voltage. The switch output node is connected to an LC filter externally attached to the integrated circuit so that an adjusted output voltage having a substantially constant value is output to the output node. The adjusted output voltage is fed back to the buck switching type voltage regulator through a voltage dividing circuit that generates a feedback voltage at the feedback voltage node. The back-switching voltage regulator includes a first input terminal connected to receive the feedback voltage, a second input terminal connected to receive the first reference voltage, and the feedback voltage. A high output impedance amplifier having an output terminal for producing a first output voltage representative of a difference between the first reference voltage, a first input terminal for receiving a second reference voltage, and a first output of the amplifier; On the integrated circuit of the second input terminal that receives the voltage and an output comparator for generating the output voltage signal for controlling the constant on time / variable off time feedback control loop of the buck switching type voltage regulator, and the buck switching type voltage regulator A first capacitor and a first resistor, which are inserted in series between the switch output node and the output terminal of the amplifier, and And a second capacitor connected between said output node and said output terminal of said amplifier. In operation, the first capacitor and the second resistor generate a ripple voltage signal associated with the switching output power, and the ripple voltage signal is supplied to the output terminal of the amplifier, and the ripple voltage signal is supplied to the constant on-time. • Used for variable off-time recovery control loop. The magnitude of the ripple voltage signal is a function of the capacitance value of the second capacitor.
この発明のもう一つの側面によると、入力電圧を受けてスイッチング出力電圧をスイッチ出力ノードに生ずるように一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを用いて第1のスイッチおよび第2のスイッチを制御するバックスイッチング型電圧調整器であって、上記スイッチ出力ノードをLCフィルタ回路に接続してほぼ一定の大きさの調整ずみの電圧、すなわち饋還電圧ノードへの饋還電圧の発生のための上記バックスイッチング型電圧調整器の内部の分圧回路に饋還される調整ずみの電圧を生ずるようにしたバックスイッチング型電圧調整器における方法において、上記饋還電圧を高出力インピーダンス増幅器の第1の入力端子に供給する過程と、その増幅器の第2の入力端子に第1の基準電圧を供給する過程と、その増幅器の出力端子に上記饋還電圧と第1の基準電圧との間の差を表す第1の出力電圧を発生する過程と、スイッチング出力電圧からリプル電圧信号を生ずる過程と、その増幅器の出力端子にリプル電圧信号を注入して一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループに利用できるようにする過程と、上記増幅器の第1の出力電圧および注入したリプル電圧信号を比較器の第1の入力端子に供給する過程と、その比較器の第2の入力端子に第2の基準電圧を供給する過程と、上記増幅器の出力端子でリプル電圧信号の大きさを容量性分圧器により調整する過程とを含む方法が得られる。 According to another aspect of the invention, the first switch and the second switch are configured using a constant on-time / variable off-time feedback control loop to receive the input voltage and produce a switching output voltage at the switch output node. A buck switching type voltage regulator for controlling, wherein the switch output node is connected to an LC filter circuit to generate a regulated voltage having a substantially constant magnitude, that is, a feedback voltage to the feedback voltage node. A method in a buck switching voltage regulator that generates a regulated voltage that is fed back to a voltage dividing circuit inside the buck switching voltage regulator, wherein the feedback voltage is applied to the first output of the high output impedance amplifier. Supplying to the input terminal; supplying a first reference voltage to the second input terminal of the amplifier; and an output terminal of the amplifier. Generating a first output voltage representing the difference between the feedback voltage and the first reference voltage; generating a ripple voltage signal from the switching output voltage; and a ripple voltage signal at the output terminal of the amplifier. And supplying the first output voltage of the amplifier and the injected ripple voltage signal to the first input terminal of the comparator. And a method of supplying a second reference voltage to a second input terminal of the comparator and adjusting a magnitude of the ripple voltage signal at the output terminal of the amplifier by a capacitive voltage divider. can get.
回路構成が単純で出力電圧精度の高い電圧調整器を提供できる。 A voltage regulator with a simple circuit configuration and high output voltage accuracy can be provided.
この発明の原理によると、固定(一定)オン時間・最小オフ時間制御ループを用いたバックスイッチング型電圧調整器は、スイッチ出力電圧を用いて所要リプル電圧信号を内部で発生するとともに、そのリプル電圧信号を電圧調整器の饋還制御ループに注入するリプル注入回路を含む。発生すべきリプル電圧の大きさは、この電圧調整器と一体に組み入れることもでき外付けすることもできるフィードフォワードキャパシタによって調整する。このようにして、このバック電圧調整器は、任意の値のESRを有する出力キャパシタに適応できるように形成できる。より詳しく述べると、このバック電圧調整器に接続した出力キャパシタのESR値が大きい場合は、スイッチ出力電圧からリプルをほとんどまたは全く発生しないようにリプル注入回路をプログラムするようにフィードフォワードキャパシタを用いる。一方、上記出力キャパシタのESR値が零またはそれに近い値である場合は、スイッチ出力電圧から所要のリプル電圧を生ずるリプル注入回路をプログラムするようにフィードフォワードキャパシタを用いる。 According to the principle of the present invention, a buck switching type voltage regulator using a fixed (constant) on-time / minimum off-time control loop internally generates a required ripple voltage signal using a switch output voltage, and the ripple voltage. It includes a ripple injection circuit that injects the signal into the feedback control loop of the voltage regulator. The magnitude of the ripple voltage to be generated is adjusted by a feed-forward capacitor that can be integrated with the voltage regulator or externally attached. In this way, the buck voltage regulator can be configured to accommodate output capacitors having any value of ESR. More specifically, when the output capacitor connected to the buck voltage regulator has a large ESR value, a feedforward capacitor is used to program the ripple injection circuit so that little or no ripple is generated from the switch output voltage. On the other hand, if the ESR value of the output capacitor is zero or close to it, a feedforward capacitor is used to program a ripple injection circuit that generates a required ripple voltage from the switch output voltage.
リプル注入回路を組み入れたこの発明のバックスイッチング型電圧調整器は、従来技術によるこの種の回路に比べて多数の利点を有する。まず、このスイッチング型電圧調整器は出力キャパシタのESRが如何なる値であっても対処できる。すなわち、リプルをほとんど含まない出力電圧を生ずるようにESR値の小さいセラミックキャパシタなどの出力キャパシタを用いることを可能にする。一方、リプル注入回路により、スイッチ出力電圧を用いて、所要リプル電圧をそのリプル電圧が調整ずみ出力電圧に悪影響を及ぼさない形で内部的に発生できる。 The buck-switching voltage regulator of the present invention incorporating a ripple injection circuit has a number of advantages over this type of prior art circuit. First, this switching type voltage regulator can cope with any value of ESR of the output capacitor. That is, it is possible to use an output capacitor such as a ceramic capacitor having a small ESR value so as to generate an output voltage containing almost no ripple. On the other hand, the ripple injection circuit can generate the required ripple voltage internally using the switch output voltage in such a way that the ripple voltage is adjusted and the output voltage is not adversely affected.
この発明の一つの側面によると、リプル注入回路は、スイッチ出力電圧と饋還電圧との間に直列に接続して挿入した第1のキャパシタおよび第1の抵抗器と、出力電圧と饋還電圧との間に接続したフィードフォワードキャパシタとを併せ備える。一つの実施例では、上記第1のキャパシタおよび第1の抵抗器を、このバックスイッチング型電圧調整器の集積回路に上記抵抗器分圧回路と併せて搭載し、フィードフォワードキャパシタをそのスイッチング型電圧調整器集積回路に外付けで接続する。もう一つの実施例では、そのフィードフォワードキャパシタもスイッチング型電圧調整器集積回路に組み入れる。そのフィードフォワードキャパシタは、内付けの場合は、発生すべきリプルの所要量の調整のために所望のキャパシタンスを選択するようにプログラム可能な容量値を備えるキャパシタの形に形成できる。 According to one aspect of the present invention, a ripple injection circuit includes a first capacitor and a first resistor inserted in series between a switch output voltage and a feedback voltage, and an output voltage and a feedback voltage. And a feed forward capacitor connected between the two. In one embodiment, the first capacitor and the first resistor are mounted on the integrated circuit of the buck switching voltage regulator together with the resistor voltage dividing circuit, and the feed forward capacitor is connected to the switching voltage. Externally connected to the regulator integrated circuit. In another embodiment, the feedforward capacitor is also incorporated into the switching voltage regulator integrated circuit. The feed forward capacitor, if installed, can be formed in the form of a capacitor with a capacitance value that can be programmed to select the desired capacitance for adjustment of the required amount of ripple to be generated.
この発明のもう一つの側面によると、一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを用いるバッキングスイッチング型電圧調整器は、精度を高めたリプル注入回路、すなわち電圧調整器の饋還制御ループの中の饋還電圧ノードとは別の点にリプル電圧信号を注入するリプル注入回路を備える。この構成により、出力電圧の誤差は抑えられ、出力電圧の精度は著しく高められる。一つの実施例では、リプル注入回路に饋還電圧を受ける利得段を含み、その利得段の出力ノードにリプル電圧を注入する。饋還電圧増幅のために利得段を用い、その利得段をバイパスする点にリプル電圧信号を注入することによって、調整ずみ出力電圧に混入する電圧誤差を大幅に抑えることができる。 According to another aspect of the present invention, a backing switching voltage regulator using a constant on-time / variable off-time feedback control loop is a ripple injection circuit with improved accuracy, ie, a feedback control loop of a voltage regulator. A ripple injection circuit for injecting a ripple voltage signal at a point different from the feedback voltage node. With this configuration, an error in the output voltage is suppressed, and the accuracy of the output voltage is significantly increased. In one embodiment, the ripple injection circuit includes a gain stage that receives a feedback voltage, and the ripple voltage is injected into the output node of the gain stage. By using a gain stage to amplify the feedback voltage and injecting a ripple voltage signal at a point that bypasses the gain stage, voltage errors mixed in the adjusted output voltage can be greatly suppressed.
一つの実施例では、リプル注入回路に、饋還電圧および第1の基準電圧を受ける演算相互コンダクタンス増幅器(OTA)の形で具体化した利得段を含める。このリプル注入回路は、スイッチング出力電圧と上記OTAの出力端子との間に直列接続で挿入した第1のキャパシタおよび第1の抵抗器をさらに備える。また、このリプル注入回路は出力電圧と上記OTAの出力端子との間に挿入したフィードフォワードキャパシタを含む。精度を高めたこのリプル注入回路をさらに詳しく述べる。 In one embodiment, the ripple injection circuit includes a gain stage embodied in the form of an operational transconductance amplifier (OTA) that receives a feedback voltage and a first reference voltage. The ripple injection circuit further includes a first capacitor and a first resistor inserted in series connection between the switching output voltage and the output terminal of the OTA. The ripple injection circuit includes a feed forward capacitor inserted between the output voltage and the output terminal of the OTA. This ripple injection circuit with improved accuracy will be described in more detail.
図1はこの発明の一つの実施例によるリプル注入回路を組み入れた固定オン時間・最小オフ時間バックスイッチング型電圧調整器の概略図である。図1を参照すると、バックスイッチング型電圧調整器システム10は、出力LCフィルタ回路に接続したバックスイッチング型電圧調整器(以下、「バック電圧調整器」ともいう)100を含む。バック電圧調整器100は入力電圧VINを受けてスイッチ出力電圧VSW(端子104)をインダクタL1および出力キャパシタCOUTから成る出力LCフィルタ回路に供給する。この出力LCフィルタ回路は実質的に一定の大きさのDC出力電圧VOUTを出力電圧ノード114に生ずる。実際の具体的回路では、出力電圧VOUTは図1に示すとおり負荷116を駆動するように供給する。出力キャパシタCOUTは、図1に点線の直列回路で示すとおり、特定の値のESRを伴う。ESRが零である出力キャパシタを用いた場合は上記図1のESRの抵抗値は零であり抵抗器両端子短絡と等価になる。
FIG. 1 is a schematic diagram of a fixed on-time / minimum off-time buck switching voltage regulator incorporating a ripple injection circuit according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a buck switching
バック電圧調整器100は固定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを具体化している。この明細書では、固定オン時間を「一定オン時間」とも呼ぶ。以下の説明では、電圧調整器100の固定オン時間饋還制御ループをまず述べ、その饋還制御ループに所望の量のリプルを注入するリプル注入回路を次に述べる。
The
図1を参照すると、バック電圧調整器100は端子102に入力電圧VINを受ける。一対のパワースイッチM1およびM2をその端子102と接地電位端子PGND106との間に直列に接続する。この回路構成において、電圧調整器100は、上記パワースイッチとそれ以外の回路部分との雑音分離のために、互いに別々の接地端子PGNDおよびSGNDを含む。雑音分離用に別個の接地電位端子接続を用いることは周知であり、この発明の構成に重要ではない。この実施例では、パワースイッチM1はPMOSトランジスタで構成し、パワースイッチM2はNMOSトランジスタで構成し、それらトランジスタを駆動回路134からの駆動信号で制御する。スイッチ出力電圧VSWはこれらパワースイッチM1およびM2の共通接続ノード122に得られる。スイッチ出力電圧VSWはSW端子104経由でインダクタL1および出力キャパシタCOUTから成るLCフィルタ回路に供給し、このLCフィルタでフィルタ処理して実質的に一定振幅のDC出力電圧VOUTを出力電圧ノード114に生ずる。このDC出力電圧VOUTを負荷116の駆動に用いる。
Referring to FIG. 1, the
DC出力電圧VOUTはスイッチ出力電圧VSW調整用の饋還制御ループを構成するように電圧調整器100に饋還する。より詳細に述べると、出力電圧VOUTを抵抗器R1およびR2から成る分圧回路にFB端子108経由で饋還する。出力電圧VOUTの分圧出力である饋還電圧VFB(ノード124)を比較器126の第1の入力端子(負入力端子)に加え、比較器126の第2の入力端子(正入力端子)には基準電圧VREF(ノード138)を加える。基準電圧VREFは、入力電圧VINの供給を受ける基準電圧発生回路136で発生する。基準電圧発生回路136は周知であり、入力電圧VINを受けて所望の大きさの電圧を生ずる任意の回路で構成できる。
The DC output voltage V OUT is fed back to the
比較器126は饋還電圧VFBと基準電圧VREFとの間の差を表す誤差電圧信号VERRを生ずる。固定オン時間制御ループを形成するように、出力電圧信号VERRをオンタイマー128の開始入力端子に供給するとともに論理回路132に供給する。オンタイマー128はその開始入力信号のアサート時に所定のオン継続時間長を生じ、その所定のオン時間長の終了を表す終了出力を生ずる。饋還電圧VFBが基準電圧VREF以下に低下した場合は誤差信号VCOMP_OUTをアサートし、オンタイマー128にプログラムずみのオン時間長を始動させる。そのオン時間始動時にオンタイマー128は論理回路132へのバス129に制御信号を供給して論理回路132にハイ側スイッチM1をオン状態に切り換えさせる。これによって、インダクタL1経由の電流がビルドアップ可能になる。ハイ側スイッチM1は固定時間長だけオン状態に留まる。オン時間長が満了すると、オンタイマー128が論理回路132に指示してハイ側スイッチM1をオフにロウ側スイッチM2をオンに切り換えさせる。
最小オフ時間制御を実現するために、オンタイマー128からの終了出力信号をオフタイマー130の開始入力端子に供給する。したがって、オン時間が満了すると、オフタイマー130にプログラムされていたオフ時間長が始動する。オフタイマー130は、オフ時間長の終了を表すように終了出力信号を論理回路132に供給し、その時点で、饋還電圧VFBが基準電圧以下であればパワートランジスタM1はオン状態に戻り得る。このようにして、最小オン時間を饋還ループに実現する。
In order to realize the minimum off-time control, the end output signal from the on-timer 128 is supplied to the start input terminal of the off-
比較器126,オンタイマー128およびオフタイマー130の動作を通じて論理回路132は駆動回路134への制御信号を発生し、パワースイッチM1およびM2が交互にオンオフ状態になりスイッチ出力電圧VSWを生ずるようにする。この実施例では、饋還制御ループを、電圧調整器100のオン時間が動作周波数一定保持のために互いに異なる入力電圧および互いに異なる出力電圧に適応できるように形成する。
Through the operations of the
図2は、図1のスイッチング型電圧調整器システム10に実現した一定オン時間・最小オフ時間饋還制御ループ動作を図解する流れ図である。図2を参照すると、饋還制御ループの動作の開始時に饋還電圧VFBを基準電圧VREFと比較する(ステップ204)。饋還電圧VFBが基準電圧VREF以下であれば、制御ループは固定のオン時間にわたりハイ側スイッチM1をオンに切り換え、ロウ側スイッチM2をオフに切り換える(ステップ206)。この固定のオン時間のあと、ハイ側スイッチM1は最小オフ時間にわたりオフに切り換わり、ロウ側スイッチM2はオンに切り換わる(ステップ208)。そのあと、制御ループは比較ステップ204に戻る。饋還電圧VFBが基準電圧VREF以上であれば、何ら切換を行わず、ハイ側スイッチM1はオフ状態に留まり、ロウ側スイッチM2はオン状態に留まる。しかし、饋還電圧VFBが基準電圧VREF以下になれば、ハイ側スイッチM1は固定オン時間にわたり再びオンに切り換わる(ステップ206)。制御ループは饋還電圧VFBを基準電圧VREF以上に保つように継続して動作する。
FIG. 2 is a flow diagram illustrating the constant on-time / minimum off-time reduction control loop operation implemented in the switching
図2の流れ図に示すとおり、図1のバックスイッチング型電圧調整器システム10は、饋還電圧が基準電圧VREF以上の場合にオフ時間を最小オフ時間(minオフ)から定格オフ時間に増加させることによってオフ時間を調整する。連続電流モードの場合は、このバック電圧調整器の動作周波数は安定しており、デューティサイクルは次式、すなわち
で与えられる。ここでConstTonは一定オン時間を表し、Contr.Toffはオフ時間を表す。上記一定オン時間が次式、すなわち
ConstTon ≒ 1/Vin (式2)
で与えられるとすると、スイッチ出力電圧の周波数はVINの関数としてほぼ一定になる。用途によっては、スイッチ出力電圧の一定周波数が望ましい。
As shown in the flowchart of FIG. 2, the buck switching
Given in. Here, ConstTon represents a constant on-time, and Contr.Toff represents an off-time. The constant on-time is
ConstTon ≒ 1 / Vin (Formula 2)
, The frequency of the switch output voltage is approximately constant as a function of VIN . Depending on the application, a constant frequency of the switch output voltage is desirable.
図1に戻ると、バックスイッチング型電圧調整器100は、フィードフォワードキャパシタCFFとの連携動作によりスイッチング出力電圧から所定量のリプルを生じ、スイッチング型電圧調整器システム10の饋還制御ループにリプル電圧信号を注入するリプル注入回路120を含む。このリプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタCFFを備えることにより、この発明のバック電圧調整器100はESTの値に関わりなく出力キャパシタCOUTに接続できる。すなわち、セラミックキャパシタなどのESR零のキャパシタも出力キャパシタCOUTとして使うことができるので、出力電圧VOUTのリプル成分を最小にすることができる。一方、この発明の上記リプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタは饋還制御ループに必要なリプルをもたらすように動作する。ESRの大きいキャパシタを用いた場合は、この発明のリプル注入回路は、リプル発生が不要であるので、フィードフォワードキャパシタで不活性化できる。
Returning to FIG. 1, back switching
リプル注入回路120は、ノード122とノード124との間に互いに直列接続で挿入した第1のキャパシタCINJおよび抵抗器RINJを含む。一つの実施例では、第1のキャパシタCINJの一つの端子をスイッチング出力電圧ノードSWに接続し、もう一つの端子を抵抗器RINJに接続し、その抵抗器RINJをキャパシタCINJと饋還電圧VFB(ノード124)との間に接続する。もう一つの実施例では、キャパシタCINJと抵抗器RINJとの接続順序を逆にする。リプル注入回路120は抵抗器R1およびR2から成る分圧器と共同して所望の電圧レベルおよび所望のリプル量を備える饋還電圧VFBを生ずる。この電圧調整器においては、リプル注入回路120をスイッチ電圧出力ノード122に接続してリプル電圧信号をスイッチング出力電圧VSWから生ずるようにする。すなわち、リプル電圧信号はスイッチ出力電圧VSWの分圧出力信号であり、その電圧VSWの周波数を備える。饋還電圧VFBノード124に得られるリプル電圧信号の大きさはフィードフォワードキャパシタCFFの容量値で定まる。フィードフォワードキャパシタCFFは出力電圧VOUTノード114と電圧調整器100のフィードフォワード(FFWD)端子110との間に接続する。FFWD端子110は饋還電圧VFBノード124に直接に接続する。すなわち、フィードフォワードキャパシタCFFは出力電圧VOUTノード114と饋還電圧VFBノード124との間に接続する。
The
このリプル電圧をキャパシタCINJおよびフィードフォワードキャパシタCFFで分圧する。スイッチ出力電圧VSWをキャパシタCINJに加えると、そのキャパシタCINJは微分回路として作用する。スイッチ電圧VSWの切換速度が十分に高い場合は、キャパシタCINJは短絡回路として作用する。このようにして、スイッチ出力電圧VSWを分圧してリプル電圧信号を生ずる。一つの実施例では、リプル電圧のピークピーク値は約20mVである。 This ripple voltage is divided by the capacitor C INJ and the feed forward capacitor C FF . The addition of the switch output voltage V SW to the capacitor C INJ, the capacitor C INJ acts as a differentiating circuit. When the switching speed of the switch voltage V SW is sufficiently high, the capacitor C INJ acts as a short circuit. In this way, produce a ripple voltage signal switches the output voltage V SW divides. In one embodiment, the peak value of the ripple voltage is about 20 mV.
フィードフォワードキャパシタCFFは直列接続の抵抗器R1およびR2と並列に接続され、キャパシタCINJと協動して容量性分圧回路を構成する。したがって、リプル電圧信号のピークピーク電圧はフィードフォワードキャパシタCFFの容量値の関数になる。すなわち、フィードフォワードキャパシタCFFの容量値を、任意のESR値の出力キャパシタCOUTで電圧調整器100が動作できるようにリプル注入回路をプログラムするのに用いるのである。
The feed-forward capacitor C FF is connected in parallel with the series-connected resistors R1 and R2, and forms a capacitive voltage dividing circuit in cooperation with the capacitor C INJ . Therefore, the peak peak voltage of the ripple voltage signal is a function of the capacitance value of the feedforward capacitor CFF . That is, the capacitance value of the feed forward capacitor C FF is used to program the ripple injection circuit so that the
より詳細に述べると、フィードフォワードキャパシタCFFは出力電圧VOUTと饋還電圧VFBとをAC結合する。キャパシタCFFの容量がごく大きい場合は、キャパシタCFFは出力電圧VOUTノード114に現れるAC信号に対して短絡回路として作用する。すなわち、リプル注入回路は大容量CFFで短絡され、饋還電圧VFBノードに注入されるべきリプル電圧信号は生じない。代わりに、リプル電圧成分を含む出力電圧VOUTがFB端子108経由で饋還制御ループの分圧器に印加される。すなわち、饋還電圧VFBは所要リプルを含む出力電圧信号VOUTから発生する。 More specifically, the feedforward capacitor C FF AC couples the output voltage VOUT and the feedback voltage VFB . When the capacitance of capacitor C FF is very large, capacitor C FF acts as a short circuit for the AC signal appearing at output voltage VOUT node 114. That is, the ripple injection circuit is shorted by the large C FF, ripple voltage signal to be injected into the feedback voltage V FB node does not occur. Instead, the output voltage VOUT including the ripple voltage component is applied to the voltage divider of the feedback control loop via the FB terminal 108. That is, the feedback voltage V FB is generated from the output voltage signal VOUT including the required ripple.
一方、キャパシタCFFの容量がごく小さいか零である場合は、キャパシタCFFは出力電圧VOUTノード114に現れるAC信号に対してオープンの回路になる。その場合、キャパシタCINJおよび抵抗器RINJを含むリプル注入回路で生じたリプル信号は饋還電圧VFBノード124に通過し、リプル最大値を饋還制御ループに供給する。 On the other hand, when the capacitance of the capacitor C FF is very small or zero, the capacitor C FF becomes an open circuit with respect to the AC signal appearing at the output voltage VOUT node 114. In that case, the ripple signal generated in the ripple injection circuit including capacitor C INJ and resistor R INJ passes to feedback voltage V FB node 124 and supplies the ripple maximum value to the feedback control loop.
実際の具体的回路では、ESRの十分に大きい出力キャパシタCOUTを用いた場合は、饋還制御ループへのリプル電圧信号の発生のためのリプル注入回路120は不要である。リプル注入回路からのリプル電圧信号を必要としない場合は、容量値の大きいフィードフォワードキャパシタCFFを用い、リプル注入回路のキャパシタCINJを実質的に短絡し、リプル注入回路からのリプル電圧信号をキャパシタCFFで相殺するようにする。
In an actual concrete circuit, when the output capacitor C OUT having a sufficiently large ESR is used, the
一方、ESRがごく小さいか零である出力キャパシタCOUTを用いた場合は、リプル注入回路120を用いて饋還制御ループへの所要リプル電圧信号を生ずる。すなわち、容量値の小さいフィードフォワードキャパシタCFFを、リプル注入回路120によりスイッチ出力電圧VSWから生じたリプル信号が饋還電圧ノード124に通過できるようにするために用いる。
On the other hand, if an output capacitor C OUT with very low or zero ESR is used, the
上述のとおり、フィードフォワードキャパシタCFFはリプル注入回路120から供給すべきリプル電圧の大きさを調整するように動作する。一つの実施例では、フィードフォワードキャパシタCFFの容量値は220pF乃至2.2uFの範囲にする。そうすると、電圧調整器100は、任意のESR値の出力キャパシタで、フィードフォワードキャパシタの対応容量値を選ぶだけで動作できる。フィードフォワードキャパシタは、リプル注入回路と容量性分圧回路を構成するほかに、饋還制御ループに零をもたらすことによって過渡応答特性の安定性を改善する。
As described above, the feedforward capacitor C FF operates to adjust the magnitude of the ripple voltage to be supplied from the
さらに、リプル注入回路の発生するリプル電圧信号はインダクタL1へのスイッチ出力電圧VSWのACバージョンであるから、リプル電圧信号は入力電圧VINに比例する。制御ループ安定性の観点から見ればリプルの大きい方が望ましいが、精度(負荷調整、出力電圧リプル)の観点から見れば入力電圧は変動時の影響を最小にするようにリプルを最小にする必要がある。 Furthermore, since the ripple voltage signal generated by the ripple injection circuit is an AC version of the switch output voltage V SW to the inductor L1, the ripple voltage signal is proportional to the input voltage VIN . From the viewpoint of control loop stability, a larger ripple is desirable, but from the viewpoint of accuracy (load adjustment, output voltage ripple), the input voltage needs to be minimized so as to minimize the effect of fluctuations. There is.
この実施例では、フィードフォワードキャパシタCFFをバック電圧調整器のICに外付けしてフィードフォワードキャパシタの互いに異なる容量値を出力キャパシタCOUTのESR特性との相互調整に使えるようにする。すなわち、注入リプル電圧の大きさをフィードフォワードキャパシタCFFの容量で微調整できる。しかし、他の実施例では、リプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタCFFの両方を電圧調整器ICに組み入れてシステム10の外付け部品を減らすこともできる。そのようにICに組み入れた場合は、フィードフォワードキャパシタCFFは出力キャパシタのESR値の所定の範囲に適した容量値とする。
In this embodiment, so that use mutual adjustment of the ESR characteristics of the output capacitor C OUT mutually different capacitance value of the externally connecting to feedforward capacitor feedforward capacitor C FF in IC back regulator. That is, the magnitude of the injected ripple voltage can be finely adjusted by the capacitance of the feedforward capacitor CFF . However, in other embodiments, both the ripple injection circuit and the feed forward capacitor C FF can be incorporated into the voltage regulator IC to reduce the external components of the
リプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタを含むこの発明のバック電圧調整器は慣用のものに比べて多数の利点を有する。例えば、一つの従来技術による手法では、出力電圧VOUTからリプル電圧を発生するのに、リプル電圧のごく小さい残留値を増幅している。リプル電圧信号が実際にごく小さい場合は、リプルを複製するのも雑音信号からリプル信号を弁別するのも非常に難しい。対照的に、この発明のリプル注入回路はスイッチ出力電圧からリプル信号を発生する。したがって、スイッチ出力電圧の分圧に単純な回路を利用でき、このリプル信号を雑音の影響なしに発生できる。 The buck voltage regulator of this invention including a ripple injection circuit and a feed forward capacitor has a number of advantages over conventional ones. For example, in one conventional technique, a residual value having a very small ripple voltage is amplified in order to generate a ripple voltage from the output voltage VOUT . If the ripple voltage signal is actually very small, it is very difficult to duplicate the ripple or discriminate the ripple signal from the noise signal. In contrast, the ripple injection circuit of the present invention generates a ripple signal from the switch output voltage. Therefore, a simple circuit can be used to divide the switch output voltage, and this ripple signal can be generated without the influence of noise.
[出力電圧精度の改善]
図1のバック電圧調整器において、DC出力電圧VOUTはほぼ一定の大きさで電圧リプルのほとんどない電圧である。リプル注入回路120からのリプル電圧信号を負饋還電圧VFBノード124で注入する。このリプル注入回路が構成する制御ループは利得が小さいので精度は限られる。動作の際には、リプル電圧信号の平均DC電圧(中間値)は比較器基準電圧VREFに等しくなければならない。しかし、饋還電圧VFBにリプル電圧を注入すると、リプル信号の平均DC電圧は、ハイ側のスイッチのオンへの切換えの遅れなど種々の要因により、基準電圧VREFからずれる。その結果、出力電圧VOUTがDCオフセット電圧成分を含むことになり、それがバック電圧調整器の動作精度に影響を及ぼす。
[Improvement of output voltage accuracy]
In the buck voltage regulator of FIG. 1, the DC output voltage VOUT is a voltage having almost a constant magnitude and almost no voltage ripple. The ripple voltage signal from the
図3は図1の一定オン時間電圧調整器の饋還電圧VFBの波形図である。図3を参照すると、注入リプルを含む饋還電圧VFBの波形190が示してある。図3の波形図は、パワースイッチの「オン」抵抗を零と仮定して示してある。時点零では、ハイ側スイッチM1は一定のオン時間tONを通じてオンである。リプルのピークピーク値ΔV1は次式、すなわち、
で与えられる。
FIG. 3 is a waveform diagram of the feedback voltage V FB of the constant on-time voltage regulator of FIG. Referring to FIG. 3, the
Given in.
上記一定のオン時間の経過のあとハイ側スイッチをオフにすると、饋還電圧VFBは減少する。この饋還電圧VFBが基準電圧VREFのレベル(線194)まで低下すると、ハイ側スイッチM1が伝搬遅延tdelayのあと再びオンになる。基準電圧VREF以下に饋還電圧VFBが低下する低下値の大きさΔV2は次式、すなわち、
で与えられる。
When the high-side switch is turned off after the fixed on-time has elapsed, the feedback voltage VFB decreases. When the feedback voltage V FB decreases to the level of the reference voltage V REF (line 194), the high-side switch M1 is turned on again after the propagation delay t delay . The magnitude ΔV 2 at which the feedback voltage V FB drops below the reference voltage V REF is expressed by the following equation:
Given in.
ハイ側スイッチのオンへの切換えが遅れるために、平均饋還電圧AVG_VFB(線192)は基準電圧VREF(線194)からずれる。この平均饋還電圧AVG_VFBと基準電圧VREFとの間の差が誤差電圧VERR2、すなわち1/2ΔV1−ΔV2で与えられる誤差電圧VERR2である。この誤差電圧VERR2に饋還電圧分圧比を乗算して出力電圧VOUTの誤差を算出する。したがって、出力電圧VOUTに現れる残留DC電圧誤差は、饋還端子に電圧誤差として現れる誤差の(VOUT/VREF)倍になる。その結果、出力電圧VOUTは拡大電圧誤差を抱え込むことになり、精度が低下する。例えば、誤差電圧VERR2が10mV、出力電圧VOUTが1.8V、基準電圧VREFが0.9Vである場合は、出力電圧に表れる残留DC電圧誤差は10mV×(1.8/0.9)=20mVとなり、出力電圧VOUTにオフセット20mVが生ずる。 Due to the delay in switching on the high-side switch, the average feedback voltage AVG_V FB (line 192) deviates from the reference voltage V REF (line 194). The average feedback voltage AVG_V FB and the reference voltage difference between the error voltage V ERR2 between V REF, that is, the error voltage V ERR2 given by 1 / 2ΔV 1 -ΔV 2. The error voltage V ERR2 is multiplied by the feedback voltage division ratio to calculate the error of the output voltage VOUT . Therefore, the residual DC voltage error that appears in the output voltage V OUT is (V OUT / V REF ) times the error that appears as a voltage error at the feedback terminal. As a result, the output voltage VOUT has an enlarged voltage error, and the accuracy is lowered. For example, when the error voltage V ERR2 is 10 mV, the output voltage VOUT is 1.8 V, and the reference voltage V REF is 0.9 V, the residual DC voltage error appearing in the output voltage is 10 mV × (1.8 / 0.9 ) = 20 mV, and an offset of 20 mV is generated in the output voltage VOUT .
さらに、時間長ΔtONおよびtdelayが互いに独立のパラメータであるために、DC出力電圧VOUTの精度が低下する。また、電圧ΔV1およびΔV2が入力電圧VINおよび出力電圧VOUTに応じて変動し電圧調整機能に悪影響を及ぼす。また、実際の具体的構成では、「オン」抵抗は零ではない。したがって、出力電圧VOUTは負荷の大きさに応じて変動する。これらの要因により、調整ずみ出力電圧VOUTの精度が低下し、望ましくない結果をもたらす。 Furthermore, since the time lengths Δt ON and t delay are mutually independent parameters, the accuracy of the DC output voltage VOUT decreases. Further, the voltages ΔV 1 and ΔV 2 fluctuate according to the input voltage VIN and the output voltage VOUT , and adversely affect the voltage adjustment function. Also, in an actual specific configuration, the “on” resistance is not zero. Therefore, the output voltage V OUT varies depending on the size of the load. These factors reduce the accuracy of the adjusted output voltage VOUT , leading to undesirable results.
この発明のもう一つの側面によると、一定オン時間・可変オフ時間制御ループを用いたバックスイッチング型電圧調整器は、精度を高めたリプル注入回路、すなわち電圧調整器の饋還制御ループの中の饋還電圧ノードとは別の点にリプル電圧信号を注入するリプル注入回路を組み入れる。図4は、この発明の一つの実施例により出力電圧精度を高めたリプル注入制御スキームを組み入れた一定オン時間電圧調整器の概略図である。図4に示した構成要素のうち図1に示した構成要素と共通のものは、説明の単純化のために共通の参照数字を付けて同図に示してある。 According to another aspect of the present invention, a buck switching type voltage regulator using a constant on-time / variable off-time control loop has a ripple injection circuit with high accuracy, that is, a feedback control loop of a voltage regulator. A ripple injection circuit for injecting a ripple voltage signal at a point different from the feedback voltage node is incorporated. FIG. 4 is a schematic diagram of a constant on-time voltage regulator incorporating a ripple injection control scheme with increased output voltage accuracy according to one embodiment of the present invention. Among the components shown in FIG. 4, those common to the components shown in FIG. 1 are shown in the same drawing with common reference numerals for the sake of simplicity of explanation.
図4を参照すると、バックスイッチング型電圧調整器システム40は、出力LCフィルタ回路に接続したバックスイッチング型電圧調整器(バック電圧調整器)400を含む。バック電圧調整器400は入力電圧VINを受けて、インダクタL1および出力キャパシタCOUTから成る出力LCフィルタ回路にスイッチング電圧VSW(端子404)を供給する。出力LCフィルタ回路は出力電圧ノード414にほぼ一定の大きさのDC出力電圧VOUTを生ずる。実際の具体化回路では、出力電圧VOUTを図4に示すとおり負荷416を駆動するように供給する。出力キャパシタCOUTはある値のESR、すなわちこのキャパシタと直列接続で挿入するものとして点線で図示した抵抗ESRを伴う。ESRを零とした出力キャパシタを用いた場合は、ESRの抵抗値は零となり短絡と等価になる。
Referring to FIG. 4, the buck switching
バック電圧調整器400は一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを具体化する。バック電圧調整器400の一定オン時間饋還制御ループの動作は図1のバック電圧調整器100の動作と同じであるので、ここでは詳細しない。バック電圧調整器400は、出力電圧精度を高めるリプル注入回路420を含む。饋還制御ループに所望の量のリプルを注入して出力電圧精度を高めるリプル注入回路420の構成および動作を次に述べる。
The
バックスイッチング型電圧調整器400は、スイッチング出力電圧から一定量のリプルを生ずるとともにバックスイッチング型電圧調整器システム40の饋還制御ループにそのリプル電圧信号を注入するようにフィードフォワードキャパシタCFFと協動するリプル注入回路420を含む。より詳細に述べると、リプル注入回路420は、饋還制御ループの中の饋還電圧VFBの生ずる点とは別の点で上記リプル電圧信号を注入する。これによって、後述のとおりこのリプル電圧信号に起因する出力電圧VOUTへの電圧誤差の影響を大幅に軽減する。
The back-switching
リプル注入回路420は、バック電圧調整器400の饋還電圧ノード424と誤差比較器426との間に挿入した増幅器450を含む。増幅器450は饋還電圧VFBを非反転入力端子に、基準電圧VREFを反転入力にそれぞれ受けるように接続を施す。増幅器450は饋還電圧VFBと基準電圧VREFとの間の差を表す出力電圧VXを出力端子452に生ずる。より詳細に述べると、ノード414の出力電圧VOUTを饋還端子(FB)408経由で抵抗器R1およびR2から成る分圧回路の出力ノード424に生ずる。出力電圧VOUTの分圧出力である饋還電圧VFBを増幅器450で基準電圧VREFと比較して出力電圧VXを生ずる。
The
この出力電圧VXを誤差比較器426の反転入力端子に供給して、その比較器426の非反転入力端子への第2の基準電圧VREF2と比較する。基準電圧発生器436は基準電圧VREFおよびVREF2を発生する。第2の基準電圧VREF2は誤差比較器426および増幅器450を適切な共通モードレベルにバイアスするように選んだDC電圧である。誤差比較器426は上記出力電圧VXと第2の基準電圧VREF2との差を評価して両者間の差を表す出力電圧信号VCOMP_OUTを生ずる。出力電圧VCOMP_OUTは制御回路432に供給してバック電圧調整器400の一定オン時間・可変オフ時間制御ループを完結させる。制御回路432は、一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループを実現するためのタイマーだけでなく制御論理回路を含む。
This output voltage V X is supplied to the inverting input terminal of the
この実施例において、増幅器450は相互コンダクタンス(Gm)増幅器などの高出力インピーダンスを伴う増幅器である。また、増幅器450は、高いDC利得を備えるものの交流利得は1である増幅器である。一つの実施例では、増幅器450は高出力インピーダンスで低Gmの演算相互コンダクタンス増幅器(OTA)で構成する。増幅器450の出力インピーダンスが高い場合は、その増幅器は、その増幅器出力端子から上記誤差比較器への注入リプル電圧信号のフィードフォワード伝達を可能にする。増幅器450をOTAとして具体化してある場合は、バックスイッチング型電圧調整器システム40は、スイッチング型電圧調整器システム10で得られた良好な過渡応答特性と饋還制御ループの安定性とを、追加の増幅器を要することなく維持することができる。上記の低GmのOTAはごく低い周波数で利得だけを上げるだけの動作を行い、高い周波数では位相保存を損なうことなく利得1を有する。
In this embodiment,
リプル注入回路420は、スイッチング出力電圧VSW(ノード422)と増幅器450の出力端子452との間に直列接続の形で挿入した抵抗器RINJおよび第1のキャパシタCINJを備える。バック電圧調整器400のフィードフォワードFFWD端子410は増幅器450の出力端子452にも接続する。増幅器450の出力端子452は饋還制御ループのリプル注入ノードとなり、そのリプル注入ノード452は饋還電圧ノード424から独立している。増幅器450の出力インピーダンスは高く、それによって、リプル電圧信号の入力端子452へのリプル電圧信号の注入を可能にしている。上記フィードフォワードキャパシタCFFをバック電圧調整100の出力電圧VOUT(ノード414)とフィードフォワードFFWD端子410との間に接続した場合は、フィードフォワードキャパシタCFFを、出力電圧VOUT(ノード414)とリプル注入ノード452との間に接続する。リプル注入ノード452でリプル信号が生じた場合、そのリプル信号の量はフィードフォワードキャパシタCFFの容量値で定まる。
The
リプル注入回路420はスイッチング出力電圧ノード422に接続して、リプル電圧信号がスイッチング出力電圧VSWから生ずるようにする。すなわち、リプル電圧信号はスイッチング出力電圧VSWの分圧出力であり、そのスイッチング出力電圧のスイッチング周波数を備える。リプル注入回路とフィードフォワードキャパシタCFFとを含むことによって、この発明のバック電圧調整器400は、任意のESRを伴う出力キャパシタCOUTに接続できる。すなわち、セラミックキャパシタなどの零ESRのキャパシタを出力キャパシタCOUTとして用い、出力電圧VOUTにおけるリプル電圧を最小にすることができる。一方、この発明のリプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタは饋還制御ループに必要なリプルを供給するように動作する。ESRの大きいキャパシタを用いた場合は、この発明のリプル注入回路は、リプル発生が不要であるため、フィードフォワードキャパシタCFFで非活性状態にすることができる。
The
リプル注入回路420の発生するリプル電圧信号は、抵抗器RINJの抵抗値、キャパシタCINJの容量値およびフィードフォワードキャパシタCFFの容量値に左右される。抵抗器RINJおよびキャパシタCINJは低域フィルタとして作用し、キャパシタCINJおよびキャパシタCFFで容量性分圧されたノード452のリプル電圧を生ずる。より詳細に述べると、このリプル電圧信号の大きさは式(オン時間)*(VIN−VOUT)/RINJ/(CINJ+CFF)で与えられる。このようにして、スイッチング出力電圧VSWをリプル電圧信号の発生のために分圧する。一つの実施例では、このリプル電圧のピークピーク値は約20mVである。
The ripple voltage signal generated by the
フィードフォワードキャパシタCFFはキャパシタCINJとともに容量性分圧器を構成する。すなわち、リプル電圧信号のピークピーク電圧値はフィードフォワードキャパシタCFFの容量値の関数になる。したがって、フィードフォワードキャパシタCFFの容量値を、バック電圧調整器400が任意のESR値を伴う出力キャパシタCOUTと協動できるようにリプル注入回路をプログラムするのに用いる。より詳細に述べると、フィードフォワードキャパシタCFFを出力電圧VOUTと電圧VXとの間にAC結合で挿入する。キャパシタCFFの容量が非常に大きい場合は、キャパシタCFFは出力電圧VOUTノード414へのAC信号に対しては短絡回路になる。したがって、リプル注入回路は大容量のフィードフォワードキャパシタCFFで短絡され、上記リプル注入回路の発生したリプル信号はリプル注入ノード452には注入されない。代わりに、リプル電圧成分を含む出力電圧VOUTがFB端子408経由で饋還制御ループの分圧器に供給される。したがって、饋還電圧VFBは所要リプル含有の出力電圧信号VOUTから生ずる。
The feedforward capacitor C FF forms a capacitive voltage divider together with the capacitor C INJ . That is, the peak peak voltage value of the ripple voltage signal is a function of the capacitance value of the feedforward capacitor CFF . Therefore, the capacitance value of the feedforward capacitor C FF is used to program the ripple injection circuit so that the
一方、キャパシタCFFの容量値がごく小さいか零である場合は、キャパシタCFFは出力電圧VOUTノード114に現れるAC信号に対しては開回路になる。この場合は、キャパシタCINJおよび抵抗器RINJのリプル注入回路の発生したリプル信号はリプル注入ノード452に進み、リプルの最大値を饋還制御ループに供給する。
On the other hand, when the capacitance value of the capacitor C FF is very small or zero, the capacitor C FF becomes an open circuit for the AC signal appearing at the output voltage VOUT node 114. In this case, the ripple signal generated by the ripple injection circuit of capacitor C INJ and resistor R INJ goes to ripple
したがって、実際の具体化回路では、ESR値の十分に大きい出力キャパシタCOUTを用いると、饋還制御ループへの任意のリプル電圧信号のリプル注入回路420は不要になる。リプル注入回路からのリプル電圧信号が不要になると、容量値の大きいフィードフォワードキャパシタCFFを用い、そのキャパシタCFFでリプル注入回路のキャパシタCINJの効果を短絡し、リプル注入回路の発生したリプル信号をフィードフォワードキャパシタCFFで相殺する。
Therefore, in an actual implementation circuit, if an output capacitor C OUT having a sufficiently large ESR value is used, the
一方、ESRがごく小さいか零である出力キャパシタCOUTを用いるときは、饋還制御ループに必要なリプル電圧信号の供給をリプル注入回路420に依存する。この場合は容量値の小さいフィードフォワードキャパシタCFFを用いて、リプル注入回路420がスイッチング出力電圧VSWから発生したリプル信号をリプル注入ノード452に伝達されるようにする。このようにして、フィードフォワードキャパシタCFFは、リプル注入回路420の供給するリプル電圧の大きさを調節するように作用する。一つの実施例では、フィードフォワードキャパシタCFFの容量値は220pF乃至2.2uFの範囲にある。
On the other hand, when using the output capacitor C OUT whose ESR is very small or zero, the supply of the ripple voltage signal necessary for the feedback control loop depends on the
上述のとおり、バック電圧調整器400は、フィードフォワードキャパシタに対応の容量値を選ぶだけで、任意のESR値の出力キャパシタと協動することができる。バック電圧調整器400の中のリプル注入回路420は、バック電圧調整器100の中のリプル注入回路420の上述の利点とほぼ同じ利点をもたらすので利点についてはこれ以上の説明は省略する。
As described above, the
上述の構成に示されるとおり、リプル注入回路420はバック電圧調整器400の饋還制御ループに変形を加えたものである。動作の際には、電圧VXが基準電圧VREF2以下に低下すると、ハイ側のスイッチM1が一定のオン時間tONにわたりオンに切り換わる。この一定のオン時間tONが経過したのち、少なくとも最小オフ時間にわたりハイ側のスイッチM1がオフに切り換わり、ロウ側のスイッチM2がオンに切り換わる。電圧VXが基準電圧VREF2以下に低下すると、ハイ側スイッチM1が再びオンに切り換わる。リプル注入回路420がリプル電圧信号を増幅器450の出力電圧VXに注入する。すなわち、このリプル電圧は増幅器450の利得段よりもあとの段階で注入される。
As shown in the above configuration, the
バック電圧調整器の場合と同様に、誤差比較器426の入力における電圧VXの電圧波形は、電圧VREF2について対象となり、入力電圧VIN、出力電圧VOUTおよび負荷電流に伴って変動する。しかし、精度の低い比較器入力は、饋還電圧ノード424でなくリプル注入ノード452に移されている。饋還電圧ノード424において結果的に現れる電圧誤差は、リプル注入ノードにおける電圧誤差を増幅器450の利得で除した値に等しい。増幅器450の利得段を挿入することによって、出力電圧VOUTにおけるDC誤差は大幅に抑えられる。より詳細に述べると、饋還電圧ノードにおけるオフセット誤差は、電圧VXの平均DC電圧のオフセット誤差の1/A倍になる(ここで、Aは増幅器450のDC利得)。出力電圧COUTに伴うDC誤差は、増幅器450のDC利得によって大幅に低減された値になり、その結果、出力電圧は高い精度に向けて電圧調整することができる。一つの実施例では、増幅器450のDC利得Aは600以上である。したがって、誤差電圧VERR2が10mVである場合は、出力電圧VOUTに現れる残留DC電圧誤差はわずか16μVになり、誤差の大幅な低減と著しい精度向上を達成する。
As with the back voltage regulator, the voltage waveform of voltage V X at the input of
[代替の実施例]
用途によっては、バックスイッチング型電圧調整器システム40は不連続伝導モード(DCM)での動作に適用できよう。DCMではロウ側スイッチM2は逆方向への電流伝導は許容されない。電流が逆方向になる場合は、ロウ側スイッチM2をオフに切り換えて、出力キャパシタで負荷電流を電圧VXが基準電圧VREF2以下に低下するまで供給し、その時点でハイ側スイッチM1を再びオンに切り換えるようにする。
[Alternative example]
Depending on the application, the buck-switching
しかし、負荷がごく軽い場合は、饋還電圧VFBが長時間にわたって基準電圧VREFよりも高くなることがあり得る。その期間中は増幅器450が電圧VXを電圧VREFよりもずっと高いレベルに引き上げる。次に、負荷の急変が起こると、電圧VXは、饋還制御ループがハイ側スイッチを再びオンに切り換える前に、大幅に低下する必要がある。この発明の代替の実施例によると、電圧VXの変動を制限するようにリプル注入回路にクランプ回路を付加して、負荷条件変動中にDCMで動作しているバック電圧調整器の過渡応答特性を改善する。
However, when the load is very light, the feedback voltage V FB can be higher than the reference voltage V REF for a long time. During that period the
図5は、この発明の代替実施例による出力電圧精度改善型リプル注入制御スキームを組み入れた一定オン時間電圧調整器の概略図である。説明を単純にするために、図5における構成要素のうち図4と共通なものは共通の参照数字を付けて示してある。図5を参照すると、バックスイッチング型電圧調整器システム50の中のバック電圧調整器500は、クランプ回路560が付加されていることを除き、図4のバック電圧調整器400と同じ構成を備える。したがって、バック電圧調整器500の動作はクランピング動作を除きバック電圧調整器400と同じであるので、詳述しない。クランプ回路560はリプル注入ノード552に接続され、そのノード552の電圧VXを基準電圧VREF2よりもΔVXだけ高い値に制限する。したがって、電圧VXは軽負荷動作状態でもVREF2+ΔVXを超えることはない。負荷に変動が起こると、饋還制御ループがハイ側スイッチをオンに切り換える動作をする前に電圧VXがΔVXだけ低下する。一つの実施例では、このΔVXの値は約15mVである。
FIG. 5 is a schematic diagram of a constant on-time voltage regulator incorporating an improved output voltage accuracy ripple injection control scheme according to an alternative embodiment of the present invention. For simplicity of explanation, the components in FIG. 5 that are the same as those in FIG. 4 are shown with common reference numerals. Referring to FIG. 5, the
図4および図5に示した実施例では、フィードフォワードキャパシタCFFをバック電圧調整器400および500の集積回路に外付けにして、出力キャパシタCOUTのESR特性との整合をとれるように多様なキャパシタCFF容量値を選ぶことを可能にしている。注入リプル電圧の大きさは上述の構成におけるフィードフォワードキャパシタンスCFFにより微調整できる。しかし、他の実施例では、バックスイッチング型電圧調整器システム40および50の外付け部品の数を減らすために、リプル注入回路およびフィードフォワードキャパシタCFFの両方をバック電圧調整器集積回路に組み入れることもできる。組み入れた場合は、そのキャパシタCFFの容量値は、出力キャパシタのESR値の一定範囲の値に整合する値とする。
In the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, the feedforward capacitor C FF is externally attached to the integrated circuit of the
また、図4および図5に示した実施例では、増幅器450および550並びに抵抗器R1およびR2から成る分圧器を含むリプル注入回路は、バック電圧調整器400および500の集積回路に一体化した形で示してある。さらに、クランプ回路560はバック電圧調整器500の集積回路に一体化した形で示してある。これらの実施例において、リプル注入回路の一つ以上の構成部品をバック電圧調整器の集積回路に外付けすることもできる。一つの集積回路に組み入れるべき回路素子の量は設計上の選択事項である。この発明のリプル注入回路の具体化は集積化の特定の度合いに限定されない。一つの実施例では分圧器R1/R2および上記OTAをバック電圧調整器の集積回路に外付けする。これら分圧器R1/R2、フィードフォワードキャパシタCFF、演算相互コンダクタンス増幅器、注入キャパシタCINJ、注入抵抗器RINJおよびクランプ回路のうちの任意のいずれかをバック電圧調整器集積回路に外付けまたは内付けで接続できる。回路集積化の度合いはこの発明の実施に格別に重要ではない。
Also, in the embodiment shown in FIGS. 4 and 5, a ripple injection
図6はこの発明の一つの実施例による図4(クランプ回路なし)および図5の一定オン時間電圧調整器に組み入れ可能な演算相互コンダクタンス増幅器およびクランプ回路の回路図である。図6を参照すると、トランジスタM1、M2、M3およびM4が、饋還電圧VFBおよび基準電圧VREFを受け出力電圧VXを受ける演算相互コンダクタンス増幅器(OTA)600を構成している。OTA600は、出力電圧VXにリプル電圧信号を注入することを可能にするように出力ノード602で高い出力インピーダンスを備える。
FIG. 6 is a circuit diagram of an operational transconductance amplifier and clamp circuit that can be incorporated into the constant on-time voltage regulator of FIGS. 4 (no clamp circuit) and FIG. 5 according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, the transistors M1, M2, M3 and M4 constitute the operational transconductance amplifier (OTA) 600 which receives the output voltage V X receives a feedback voltage V FB and the reference voltage V REF. OTA600 comprises a high output impedance at the
図6においては、クランプ回路620を組み入れた形でOTA600を示してある。クランプ回路620はオプションであり、図4のOTAの具体的回路では用いられていない。クランプ回路620は、図5の実施例で示したとおり出力電圧VXのクランピングが必要な場合に、OTAに組み入れる。クランプ回路620は出力電圧VXをクランプ電圧Vclampと比較する増幅器622を含む。増幅器622からの出力信号はNPNバイポーラトランジスタQ1のベース端子に供給する。トランジスタQ1は出力電圧VXのノード602と接地電位点との間に接続され、出力電圧VXをクランプ電圧Vclampに維持する。一つの実施例ではクランプ電圧VclampをVREF+ΔVXに設定する。図7は、図6のクランプ回路620を具体化するのに利用可能なクランプ回路の回路図である。
In FIG. 6, the
[マルチモードオン時間・オフ時間制御]
上述のバック電圧調整器では、一定オン時間制御・可変オフ時間制御スキームをハイ側スイッチおよびロウ側スイッチのスイッチング動作制御に適用している。より詳細に述べると、上述の式(2)で与えられる一定オン時間は入力電圧VINの関数である。バック電圧調整器の動作周波数は、オフ時間が最小オフ時間から増加するように調整されるに伴ってデューティサイクルが変動する一方で、安定している。この動作状態では、饋還電圧VFBが一定オン時間の終わりに基準電圧VREF以下になっても、ハイ側スイッチはオフに切り換わり、ロウ側スイッチは、オン側スイッチが再びオンに切り換わる前の最小オフ時間にわたりオンに切り換わる。上記最小オフ時間は、制御回路のセットアップ時間、特に誤差比較器のセットアップに必要な時間を十分に確保するために必要となる。場合によっては、ハイ側スイッチを饋還電圧が基準電圧に到達するまでオン状態に保つほうが望ましい場合もある。
[Multi-mode on / off time control]
In the above-described buck voltage regulator, the constant on-time control / variable off-time control scheme is applied to the switching operation control of the high-side switch and the low-side switch. More specifically, the constant on-time given by equation (2) above is a function of the input voltage VIN . The operating frequency of the buck voltage regulator is stable while the duty cycle varies as the off time is adjusted to increase from the minimum off time. In this operating state, even if the feedback voltage V FB becomes equal to or lower than the reference voltage V REF at the end of the constant on-time, the high-side switch is turned off, and the low-side switch is turned on again. Switch on for the previous minimum off time. The minimum off-time is necessary to sufficiently secure the setup time of the control circuit, particularly the time required for setup of the error comparator. In some cases, it may be desirable to keep the high side switch on until the feedback voltage reaches the reference voltage.
また、バック電圧調整器は理想的な条件の下ではデューティサイクル100%に達するが、上記最小オン時間の必要性がバック電圧調整器のデューティサイクルのデューティサイクルに制限をもたらす。また、上記スイッチのオンへの切換えやオフへの切換えに伴う遅延もデューティサイクルに制限をもたらす。さらに、電流制限モードや不連続伝導モードなどの場合のように、ロウ側スイッチに電流検出が必要な場合は、その電流検出機能を確保するのに十分な時間を与えなければならない。その場合に達成可能なデューティサイクル最大値Dmaxは次式、すなわち、
Dmax=ton/(ton+toff,min)
に制限される。
Also, although the buck voltage regulator reaches a duty cycle of 100% under ideal conditions, the need for the minimum on-time places a limit on the duty cycle of the buck voltage regulator duty cycle. In addition, the delay associated with switching the switch on and switching off also limits the duty cycle. Further, when current detection is required for the low-side switch as in the current limiting mode or the discontinuous conduction mode, sufficient time must be given to ensure the current detection function. The maximum duty cycle value D max achievable in that case is given by:
D max = t on / (t on + t off, min)
Limited to
オン時間tonを増加させることによってデューティサイクルを大きくすることは可能であるが、オン時間tonの増大は望ましくない結果をもたらすことがあり得る。まず、オン時間の増大はインダクタ電流リプルの増大をもたらし、実際的であるとは限らない。次に、オン時間をあまり長くすることはできない。饋還電圧VFBが基準電圧VREF以上になるまでオン時間の延長を許容することはできるが、そのような状態は特に短絡状態がある場合は不都合な結果に直結することがあり得る。短絡状態では、饋還電圧は基準電圧以上に上昇することはできず、ハイ側スイッチはオフ状態に切り換わり得ず、インダクタ電流が極端に大きくなる。最後に、オン時間を延ばしすぎると、過渡応答特性が劣化する。負荷電流が小さい値から大きい値に急増した場合を想定してみる。電流急増は饋還電圧VFBを基準電圧VREF以下の値に低下させるので、電圧調整器ループはオン時間tonをできるだけ長くしようとする。オン時間tonを延ばしすぎると、インダクタ電流は負荷電流よりもずっと大きくなり、ハイ側スイッチのオフへの切換えおよびロウ側スイッチのオンへの切換えの際に、インダクタに蓄えられていたエネルギーのために出力電圧が目標値を行きすぎる結果になる。 While it is possible to increase the duty cycle by increasing the on-time t on, it is possible that results in increased on-time t on is undesirable. First, increasing on time results in increased inductor current ripple and is not always practical. Second, the on-time cannot be too long. Although the on-time can be extended until the feedback voltage V FB becomes equal to or higher than the reference voltage V REF , such a state can directly lead to an inconvenient result, particularly when there is a short circuit. In the short-circuit state, the feedback voltage cannot rise above the reference voltage, the high-side switch cannot be switched off, and the inductor current becomes extremely large. Finally, if the on-time is extended too much, the transient response characteristics deteriorate. Assume that the load current increases rapidly from a small value to a large value. Since the sudden increase in current reduces the feedback voltage V FB to a value below the reference voltage V REF , the voltage regulator loop tries to make the on time t on as long as possible. If the on-time t on is extended too much, the inductor current will be much larger than the load current, due to the energy stored in the inductor when the high-side switch is turned off and the low-side switch is turned on. As a result, the output voltage exceeds the target value.
この発明の一つの側面によると、バックスイッチング型電圧調整器は一定オン時間・可変オフ時間制御ループ実現のためのマルチモードオン時間・オフ時間制御スキームを具体化する。このマルチモードオン時間・オフ時間制御スキームは、バックスイッチング型電圧調整器の高デューティサイクル動作を可能にするように、図1、図4および図5のバックスイッチング型電圧調整器に組み入れることができる。図8はこの発明の一つの実施例によるバックスイッチング型電圧調整器にマルチモードオン時間・オフ時間制御スキームを具体化するオン時間・オフ時間制御回路の論理図である。一つの実施例では、オン時間制御回路800を、この発明によるマルチモードオン時間・オフ時間制御スキームを実現するように、バック電圧調整器100の論理回路132、またはバック電圧調整器400および500の制御回路432および532に具体化する。なお、図8は互いに異なる動作信号とオン時間制御回路のタイマーとの間の論理関係を図解するだけのものであって、オン時間制御回路の文字どおりの具体化の図解を意図するものではない。上述の説明に接した当業者には、このオン時間制御回路が多様な回路素子の利用により多様な方法で具体化できることが理解されよう。
According to one aspect of the present invention, the buck switching voltage regulator embodies a multi-mode on-time / off-time control scheme for realizing a constant on-time / variable off-time control loop. This multi-mode on-time / off-time control scheme can be incorporated into the buck switching voltage regulator of FIGS. 1, 4 and 5 to allow high duty cycle operation of the buck switching voltage regulator. . FIG. 8 is a logic diagram of an on-time / off-time control circuit that embodies a multi-mode on-time / off-time control scheme in a buck switching voltage regulator according to one embodiment of the present invention. In one embodiment, the on-
図8を参照すると、オン時間制御回路800は、ハイ側スイッチをオンに切り換えるTop_Switch_On信号を生ずる第1の論理回路810と、ハイ側スイッチをオフに切り換えるTop_Switch_Off信号を生ずる第2の論理回路820とを含む。このマルチモードオン時間・オフ時間制御スキームの動作は次のとおりである。第1の論理回路810では、饋還電圧VFBが基準電圧VREF以下で最小オフ時間に到達したときTop_Switch_On信号をアサートする。ハイ側スイッチがオンに切り換わった状態で、Normal_Off信号がアサートされるかForce_Off信号がアサートされると、Top_Switch_Off信号がアサートされる。最小オン時間ton_minに到達するか饋還電圧VFBが基準電圧VREF以上になったときは、Normal_Off信号がアサートされる。このようにして、ハイ側スイッチが少なくとも最小オン時間ton_minにわたってオンに切り換わり、饋還電圧VFBが基準電圧VREF以上になるまでオン状態に留まる。しかし、オン時間制御回路800はハイ側スイッチに二つの最大オン時間限界を課する。最大オン時間ton_max1または最大オン時間ton_max2に達すると、Force_Off信号がアサートされる。このForce_Off信号がアサートされると、Top_Switch_Off信号がアサートされ、饋還電圧VFBの値とは無関係にハイ側スイッチはオフに切り換わる。すなわち、Force_Off信号がアサートされると、ハイ側スイッチは、饋還電圧VFBが基準電圧以下であってもオフに切り換わる。
Referring to FIG. 8, an on-
上記二つの最大オン時間限界は、第1の最大オン時間ton_max1および第2の延長ずみの最大オン時間ton_max2を設定するように作用する。第2の最大オン時間ton_max2は第1の最大オン時間ton_max1よりも長い。動作の際には、第1の最大オン時間ton_max1を適用するが、特定の条件の下では、オン時間を第2のオン時間ton_max2に延長することを許容する。さらに後述するとおり、第1の最大オン時間ton_max1は先行スイッチングサイクルの中のオフ時間が最小オフ時間でなかった場合に選択し、第2の延長最大オン時間ton_max2は先行スイッチングサイクルの中のオフ時間が最小オフ時間であった場合に選択する。 The two maximum on-time limits act to set a first maximum on-time t on_max1 and a second extended maximum on-time t on_max2 . The second maximum on-time t on_max2 is longer than the first maximum on-time t on_max1 . In operation, the first maximum on-time t on_max1 is applied, but under certain conditions it is allowed to extend the on-time to the second on-time t on_max2 . As further described below, the first maximum on-time t on_max1 is selected when the off-time in the preceding switching cycle is not the minimum off-time, and the second extended maximum on-time t on_max2 is selected in the preceding switching cycle. Select when the off time is the minimum off time.
マルチモードオン時間・オフ時間制御スキームの動作は次のとおりである。デューティサイクルか低いか中程度の場合は、このオン時間制御回路は一定オン時間を具体化してハイ側スイッチのオフ時間を電圧調整動作を実現するように制御する。デューティサイクルが高い場合は、オフ時間を最小オフ時間に固定してオン時間制御回路でオン時間を電圧調整動作を実現するように制御する。上記限界値では、最大デューティサイクルton,max/(ton,max+toff,min)を実現する。この最大デューティサイクルは、ton,maxが特定の条件の下で大きい値まで選択的に延長を許容された場合に100%近い値になる。最大オン時間延長は、大きい値の第2の最大オン時間を含む二つの最大オン時間を用いて実現する。 The operation of the multimode on-time / off-time control scheme is as follows. When the duty cycle is low or medium, the on-time control circuit embodies a constant on-time and controls the off-time of the high-side switch so as to realize the voltage adjustment operation. When the duty cycle is high, the off time is fixed to the minimum off time, and the on time is controlled by the on time control circuit so as to realize the voltage adjustment operation. With the above limit value, the maximum duty cycle t on, max / (t on, max + t off, min ) is realized. This maximum duty cycle is close to 100% when t on, max is selectively allowed to be extended to a large value under specific conditions. The maximum on-time extension is realized using two maximum on-times including a large second maximum on-time.
図9はこの発明の一つの実施例による最大オン時間制御回路の概略図である。図9を参照すると、最大オン時間制御回路900は第1の最大オン時間ton_max1または第2の最大オン時間ton_max2の経過時点でForce_Off信号を発生する。最大オン時間制御回路900では、第1の最大オン時間ton_max1をキャパシタCXと電流源960とNMOSトランジスタM11とから成る第1のタイマー回路で設定する。動作の際には、ハイ側スイッチがオフに切り換わる(Top_Switch_Off信号がアサートされている)と、トランジスタM11がオンに切り換わってキャパシタCXを放電させる。その時点でノード962の電圧VTMAXは接地電位またはその近傍になる。比較器940はキャパシタCX(ノード962)の電圧VTMAXをDC電圧VDCと比較する。電圧VTMAXがDC電圧VDCよりも低い場合は比較器940は論理ロウのForce_Off信号を生ずる。
FIG. 9 is a schematic diagram of a maximum on-time control circuit according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, the maximum on-
Top_Switch_Off信号がアサート解除されてハイ側スイッチをオンに切り換えると、トランジスタM11はオフに切り換わり、電流源960がキャパシタCXを充電可能になる。キャパシタCXの上側端子(ノード962)の電圧VTMAXが電圧VDCに達すると、比較器940の状態が切り換わり、論理ハイのレベルのForce_Off信号を生ずる。Force_Off信号の論理ハイのレベルは、Force_Off信号がアサートされていること、したがってTop_Switch_Off信号がアサートされていることを表す。このようにして、キャパシタCXの容量、すなわちキャパシタCXを電圧VDCまで充電するための時間が第1の最大オン時間ton,max1を設定する。
When the Top_Switch_Off signal is deasserted and the high side switch is turned on, the transistor M11 is turned off, allowing the
この発明の一つの実施例によると、最大オン時間制御回路900はある条件の下では第2の、すなわち延長ずみの最大オン時間ton,max2を設定する。それらの条件の下では、最大オン時間が、先行のスイッチングサイクルで最小オフ時間が用いられていた場合は、第1の最大オン時間ton,max1を超えて延びることを許容される。それを可能にするために、最大オン時間制御回路900は、最小オフ時間が先行スイッチングサイクルで用いられていた場合にキャパシタCYをキャパシタCXに並列接続で付加するように作用する第2のタイマー回路を含む。キャパシタCYおよびキャパシタCXの容量の合計が、それらキャパシタの電圧VTMAXをDC電圧VDCまで充電する時間を長くし、それによって最大オン時間をton,max2に延長する。先行スイッチングサイクルでオフ時間が最小オフ時間よりも長かった場合は、最大オン時間は延長されず、キャパシタCXによって定まる最大オン時間が維持される。
According to one embodiment of the present invention, the maximum on-
この第2のタイマー回路の構成および動作を図9およびその関連のタイミング図である図10を参照して次に述べる。この第2のタイマー回路は、最小オフ時間到達時にアサートされる信号toff,min_reachedを受ける単安定回路970を含む。この単安定回路970はパルスtoff、min_reached(波形1004)を発生する。このパルスtoff,min_reachedと、ハイ側スイッチのオンへの切換えを表すTop_Switch_On信号との論理積をANDゲート972でとる。したがって、ハイ側スイッチがパルスtoff,min_reachと同時にオンに切り換わると、その切り換わりは、先行スイッチングサイクルで最小オフ時間が用いられたことを表す。したがって、ANDゲート972の出力がアサートされる。最小オフ時間の終わりにハイ側スイッチがオンに切り換わらなければ、ANDゲート972の出力はアサートされない。
The configuration and operation of this second timer circuit will now be described with reference to FIG. 9 and FIG. 10 which is a related timing diagram. The second timer circuit includes a
ANDゲート972の出力はフリップフロップ回路974のセット入力端子Sに加える。一方、回路974のリセット入力端子RにはTop_Switch_Off信号を加える。回路974の出力QであるIncrease_ton,max信号はNMOSトランジスタM12のゲート端子に加える。NMOSトランジスタM12のドレーン端子はノード962に接続し、ソース端子はキャパシタCYに接続する。Increase_ton,max信号がアサートされると、トランジスタM12はオンに切り換わってキャパシタCYをキャパシタCXに並列に接続する。Increase_ton,max信号がアサートされない場合は、トランジスタM12はオフ状態になる。
The output of the AND
Increase_ton,max信号は、ANDゲート972の出力がアサートされて、フリップフロップ回路974の出力Qが論理ハイのレベルになったときにアサートされる。Top_Switch_Off信号がアサートされると、フリップフロップ回路974の出力Qは論理ロウのレベルにリセットされる。回路974のセット入力にもリセット入力にもアサートがない場合は、出力Qはそれ以前の論理状態に留まる。
The Increase_ton , max signal is asserted when the output of the AND
この第2のタイマー回路の動作は次のとおりである。最小オフ時間に到達すると(時点A)、toff,min_reached信号がアサートされて、単安定回路970がパルスtoff,min_reached(波形1004)を生ずる。次に、Top_Switch_On信号がアサートされてハイ側スイッチを同時にオンに切り換えると(時点A)、ANDゲート972の出力がアサートされる。したがって、フリップフロップ回路974はセットされ、Increase_ton,max信号(波形1006)がアサートされる。その結果、トランジスタM12がオンに切り換わり、キャパシタCYがキャパシタCXに並列に接続されて最大オン時間を長くする。パルスtoff,min_reachedのために、ANDゲート972の出力はそのパルスの持続時間だけ回路974のセット入力Sに加えられる。しかし、Increase_ton,max信号は、Top_Switch_Off信号がアサートされて(時点B)Increase_ton,max信号をリセットするまで、アサートされた状態に留まる。
The operation of the second timer circuit is as follows. When the minimum off-time is reached (time A), the t off, min_reached signal is asserted and the
一方、次のスイッチングサイクルでは、最小オフ時間に到達するもののTop_Switch_On信号がアサートされていないとき(時点C)は、ANDゲート972には出力はなく、Increase_ton,max信号はリセット状態のままである。すなわち、最小オフ時間には到達しているもののハイ側スイッチがオンに切り換わっていない場合は最大オン時間制御回路900は先行スイッチングサイクルに最小オフ時間がなかったと判定する。その場合は最大オン時間の延長は不要である。
On the other hand, in the next switching cycle, when the Top_Switch_On signal is not asserted (time point C) although the minimum off-time is reached, the AND
最大オン時間制御回路900は、バック電圧調整器の中に具体化すると、その電圧調整器の動作の改善に多様な利点をもたらす。まず、最大オン時間制御回路900は二つの最大オン時間、すなわち第1の最大オン時間ton_max1および第2の、すなわち延長ずみの最大オン時間ton_max2を提供する。延長ずみの最大オン時間はより高いデューティサイクルの必要な条件のときだけ提供される。すなわち、延長ずみの最大オン時間は先行スイッチングサイクルが最小オフ時間を用いた場合だけ提供される。デューティサイクルが低いか中程度の場合は、バック電圧調整器は上記二つの最大オン時間に影響されない。すなわち、この制御ループは最小オフ時間toff,minよりも大きいオフ時間を制御しているからである。デューティサイクルがより高い場合は、バック電圧調整器は最小オフ時間toff,minを用いオン時間tonを制御することによって電圧調整動作を開始する。その領域では、オン時間tonを、通常は最大オン時間ton,max1の到達前で饋還電圧VFBが基準電圧VREFに達するまで、延長する。しかし、デューティサイクルが引き続き長くなるに伴って、所要オン時間は第1の最大オン時間ton,max1よりも大きくなる。デューティサイクルをより高くできるようにするために、特定の条件の下で第2の、すなわち延長ずみの最大オン時間ton,max2を用いる。最大オン時間ton,maxは先行スイッチングサイクルが最小オフ時間を用いたときだけ延長するので、過渡的オーバーシュートは避けられる。過渡状態の期間中は、オフ時間が最小オフ時間よりも通常長いので、最大オン時間は延長されない。
The maximum on-
図11はこの発明の代替実施例による最大オン時間制御回路の概略図である。図11を参照すると、最大オン時間制御回路1100は上述の最大オン時間制御回路900と同じ構成を備えるが、短絡状態に対する保護回路を付加してある。より詳細に述べると、この最大オン時間制御回路1100は短絡回路状態の発生時に最大オン時間延長動作をディスエーブルするように構成してある。すなわち、短絡回路状態が生ずると、出力電流は電流限界値に到達する。この最大オン時間制御回路1100では、Not_In_Current_Limit信号をANDゲート1172に送って、パルスtoff,min_reachedおよびパルスTop_Switch_Onとの間の論理積をとる。したがって、ANDゲート1172は、上述の二つの状態(最小オフ時間到達時およびハイ側スイッチのオンへの切換時)に加えて、出力電流が電流制限を受けていないときだけその出力をフリップフロップ回路1174のセット入力端子に送って、バックスイッチング型電圧調整器の出力に短絡回路がないことを表すことができる。このようにして、最大オン時間の延長をスイッチング型電圧調整器における短絡状態の検出時に回避する。
FIG. 11 is a schematic diagram of a maximum on-time control circuit according to an alternative embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, the maximum on-
上に述べてきた詳しい説明は、この発明の特定の実施例を例示するためのものであって限定を意図するものではない。この発明の範囲内で多数の変形および改変が可能である。すなわち、この発明は添付特許請求の範囲の各請求項のみによって画定される。 The detailed description set forth above is intended to be illustrative of particular embodiments of the invention and is not intended to be limiting. Many variations and modifications are possible within the scope of the invention. In other words, the present invention is defined only by the claims of the appended claims.
低コストで性能改善したスイッチング型電圧調整器の製造に利用できる。 It can be used to manufacture switching voltage regulators with improved performance at low cost.
10,40,50 バック(buck)スイッチング型電圧調整器システム
100,400,500 バックスイッチング型電圧調整器
102,104,106,108,110,112;
402,404,406,408,410,412;
502,504,506,508,510,512 端子
114,414,514 出力電圧VOUTノード
116,416,516 負荷
120,420,520 リプル注入回路
126,426,526 誤差比較回路
128 オンタイマー
130 オフタイマー
132 論理回路
134 駆動回路
432,532 制御回路
M1,M2 トランジスタパワースイッチ
136,436,536 基準電圧VREF発生回路
206 一定オン時間にわたりスイッチM1をオンにする
208 最小オフ時間にわたりスイッチM1をオフにする
10, 40, 50 buck switching
402, 404, 406, 408, 410, 412;
502, 504, 506, 508, 510, 512
Claims (23)
前記饋還電圧を受けるように接続を施した第1の入力端子と、第1の基準電圧を受けるように接続を施した第2の入力端子と、前記饋還電圧と前記第1の基準電圧との間の差を表す第1の出力電圧を生ずる出力端子とを有する高出力インピーダンス増幅器と、
第2の基準電圧を受けるように接続を施した第1の入力端子と、前記増幅器の前記第1の出力電圧を受けるように接続を施した第2の入力端子と、前記バックスイッチング型電圧調整器の一定オン時間・可変オフ時間制御ループを制御する出力電圧を生ずる誤差比較器と、
前記集積回路の内部に形成され、前記スイッチ出力ノードと前記増幅器の前記出力端子との間に直列接続で挿入した第1のキャパシタおよび第1の抵抗器と、
前記出力ノードと前記増幅器の前記出力端子との間に接続した第2のキャパシタと
を含み、前記第1のキャパシタおよび前記第1の抵抗器が前記スイッチング出力電圧に関連し前記第2のキャパシタの容量値の関数である大きさを有するリプル電圧信号を発生し、そのリプル電圧信号を、前記一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループで用いるように前記増幅器の前記出力端子に供給する
バックスイッチング型電圧調整器。 The first switch and the second switch are controlled using a constant on-time / variable off-time feedback control loop configured to receive an input voltage and to generate a switching output voltage at the switch output node configured in an integrated circuit. A back-switching type voltage regulator, wherein the switch output node is connected to an LC filter circuit externally attached to the integrated circuit, and an adjusted voltage having a substantially constant magnitude, that is, a feedback voltage node is connected to the output node. In a buck switching voltage regulator that generates a regulated voltage that is fed back to a voltage divider inside the buck switching voltage regulator that generates a return voltage,
A first input terminal connected to receive the feedback voltage, a second input terminal connected to receive the first reference voltage, the feedback voltage and the first reference voltage A high output impedance amplifier having an output terminal producing a first output voltage representative of the difference between
A first input terminal connected to receive a second reference voltage; a second input terminal connected to receive the first output voltage of the amplifier; and the buck switching voltage regulator. An error comparator that produces an output voltage that controls a constant on-time / variable off-time control loop of the detector;
A first capacitor and a first resistor formed in the integrated circuit and inserted in series between the switch output node and the output terminal of the amplifier;
A second capacitor connected between the output node and the output terminal of the amplifier, wherein the first capacitor and the first resistor are associated with the switching output voltage and of the second capacitor. Buck switching that generates a ripple voltage signal having a magnitude that is a function of a capacitance value and supplies the ripple voltage signal to the output terminal of the amplifier for use in the constant on-time / variable off-time feedback control loop. Type voltage regulator.
前記饋還電圧を高出力インピーダンス増幅器の第1の入力端子に供給する過程と、
第1の基準電圧を前記増幅器の第2の入力端子に供給する過程と、
前記増幅器の出力端子に前記饋還電圧と前記第1の基準電圧との間の差を表す第1の出力電圧を発生する過程と、
前記スイッチング出力電圧からリプル電圧信号を生ずる過程と、
前記リプル電圧信号を、前記増幅器の前記出力端子に、一定オン時間・可変オフ時間饋還制御ループで用いるように注入する過程と、
前記注入されたリプル電圧信号を含む前記増幅器の前記第1の出力信号を比較器の第1の入力端子に供給する過程と、
前記比較器の第2の入力端子に第2の基準電圧を供給する過程と、
前記増幅器の前記出力端子における前記リプル電圧信号の大きさを容量性分圧器を用いて調節する過程と
を含む方法。 A back-switching voltage regulator that controls a first switch and a second switch using a constant on-time / variable off-time feedback control loop so as to receive an input voltage and generate a switching output voltage at a switch output node. The switch output node is connected to an LC filter circuit, and a regulated voltage having a substantially constant magnitude is generated at the output node, that is, an internal voltage of the buck switching voltage regulator that generates a feedback voltage at the feedback voltage node. In a method in a back-switching voltage regulator that is adapted to produce a regulated voltage that is fed back to the voltage regulator,
Supplying the feedback voltage to a first input terminal of a high output impedance amplifier;
Supplying a first reference voltage to a second input terminal of the amplifier;
Generating a first output voltage representative of a difference between the feedback voltage and the first reference voltage at an output terminal of the amplifier;
Generating a ripple voltage signal from the switching output voltage;
Injecting the ripple voltage signal into the output terminal of the amplifier for use in a constant on-time / variable off-time feedback control loop;
Supplying the first output signal of the amplifier including the injected ripple voltage signal to a first input terminal of a comparator;
Supplying a second reference voltage to a second input terminal of the comparator;
Adjusting the magnitude of the ripple voltage signal at the output terminal of the amplifier using a capacitive voltage divider.
前記第1の基準電圧を前記増幅器の第2の入力端子に供給する過程が、前記第1の基準電圧を相互コンダクタンス値の小さい演算相互コンダクタンス増幅器の第2の入力端子に供給することを含む
請求項14記載の方法。 Supplying the feedback voltage to the first input terminal of the high output impedance amplifier includes supplying the feedback voltage to the first input terminal of the operational transconductance amplifier having a low transconductance value;
The step of supplying the first reference voltage to the second input terminal of the amplifier includes supplying the first reference voltage to the second input terminal of an operational transconductance amplifier having a low transconductance value. Item 15. The method according to Item 14.
請求項14記載の方法。 A first capacitor and a first resistor, that is, the ripple voltage is generated from the switching output voltage between the switch output node and the output terminal of the amplifier, and the ripple voltage signal is output from the output of the amplifier. 15. The method of claim 14, further comprising the step of inserting a first capacitor and a first resistor to be injected into the terminal in series connection.
前記出力電圧ノードと前記増幅器の前記出力端子との間に第2のキャパシタ、すなわちその容量値が前記リプル電圧信号の大きさを決める第2のキャパシタを設ける過程
をさらに含む請求項17記載の方法。 Adjusting the magnitude of the ripple voltage signal at the feedback voltage node with a capacitive voltage divider includes:
18. The method according to claim 17, further comprising providing a second capacitor between the output voltage node and the output terminal of the amplifier, that is, a second capacitor whose capacitance value determines the magnitude of the ripple voltage signal. .
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