JP4926625B2 - スイッチングレギュレータ及びそのスイッチングレギュレータを有する半導体装置 - Google Patents
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Description
小型の電子機器に使用される高効率の電源回路としては、インダクタを用いた非絶縁型のスイッチングレギュレータが広く用いられている。スイッチングレギュレータの制御方法には、大きく2つの方法が知られている。
1つは、一定周波数のクロックパルスのデューティサイクルを変化させて出力電圧を一定に制御するPWM(pulse width modulation)制御であり、もう1つは、出力電圧誤差に応じてパルス幅が一定のクロック出力を制御して出力電圧を一定に制御するVFM(variable frequency modulation)制御である。
このようなことから、従来は、負荷条件に応じて、PWM制御とVFM制御を切り換えて制御することにより、軽負荷から重負荷まで電源効率を高めるようにしていた。
入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチングトランジスタと、
該スイッチングトランジスタのスイッチングによって前記入力電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチングトランジスタと該インダクタとの接続部の電圧と該インダクタの励起エネルギーがゼロになったことを示す所定の電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す2値の信号を生成して出力する電圧比較回路部と、
前記出力端子から出力される出力電圧と所定の基準電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
前記電圧比較回路部の出力信号に応じて、VFM制御時に前記スイッチングトランジスタをオン/オフ制御するために使用される所定のパルス幅のパルス信号を生成して出力するパルス発生回路部と、
前記出力端子から出力される出力電圧が前記所定の定電圧になるように、前記スイッチングトランジスタに対して、VFM制御又はPWM制御のいずれかを行う制御回路部と、
を備え、
前記制御回路部は、VFM制御時に、前記パルス発生回路部からのパルス信号の所定のサイクルの間に、前記出力電圧検出回路部の出力信号が、前記出力電圧が前記基準電圧よりも小さいことを示していると、VFM制御からPWM制御に切り換えるものである。
前記スイッチングレギュレータは、
入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチングトランジスタと、
該スイッチングトランジスタのスイッチングによって前記入力電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチングトランジスタと該インダクタとの接続部の電圧と該インダクタの励起エネルギーがゼロになったことを示す所定の電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す2値の信号を生成して出力する電圧比較回路部と、
前記出力端子から出力される出力電圧と所定の基準電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
前記電圧比較回路部の出力信号に応じて、VFM制御時に前記スイッチングトランジスタをオン/オフ制御するために使用される所定のパルス幅のパルス信号を生成して出力するパルス発生回路部と、
前記出力端子から出力される出力電圧が前記所定の定電圧になるように、前記スイッチングトランジスタに対して、VFM制御又はPWM制御のいずれかを行う制御回路部と、
を備え、
前記制御回路部は、VFM制御時に、前記パルス発生回路部からのパルス信号の所定のサイクルの間に、前記出力電圧検出回路部の出力信号が、前記比例電圧が前記基準電圧よりも小さいことを示していると前記出力電圧検出回路部の出力信号から前記出力端子の電圧が変化していないと判定し、VFM制御からPWM制御に切り換えるものである。
また、パルス発生回路部で生成されるパルス信号のパルス幅を任意に設定可能にしたことから、出力電流検出用抵抗を用いることなくVFM制御からPWM制御に切り換える際の負荷電流値を任意に設定することができる。
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スイッチングレギュレータの構成例を示した図である。
図1において、スイッチングレギュレータ1は、入力電圧として入力端子INに入力された入力電圧Vinを所定の定電圧に変換し、出力電圧Voutとして出力端子OUTから負荷10に出力する、インダクタを使用した非絶縁型のスイッチングレギュレータである。
スイッチングレギュレータ1は、入力電圧Vinの出力制御を行うためのスイッチング動作を行う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、NMOSトランジスタからなる同期整流用トランジスタM2とを備えている。
図2において、VFMパルス発生回路4は、PMOSトランジスタM11、NMOSトランジスタM12、コンデンサC11、定電流源11、インバータ12、NOR回路13〜16、Dフリップフロップ17、OR回路18、コンパレータ19及び所定の基準電圧Vs2を生成して出力する第2基準電圧発生回路20で構成されている。
入力電圧Vinと接地電圧GNDとの間には、定電流源11、PMOSトランジスタM11及びNMOSトランジスタM12が直列に接続され、NMOSトランジスタM12に並列にコンデンサC11が接続されている。PMOSトランジスタM11とNMOSトランジスタM12との接続部は、コンパレータ19の非反転入力端に接続され、コンパレータ19の反転入力端には基準電圧Vs2が入力されている。
図3は、VFM制御時における各信号波形例を示したタイミングチャートである。図3を参照しながら、図1のスイッチングレギュレータ1の動作について説明する。なお、図3では、パルス信号CKOの信号レベルを反転させた信号を制御信号PHSIDEに使用する場合を例にして示している。
負荷電流が少なくなるとインダクタL1に流れる電流も少なくなるため、インダクタL1に蓄えられるエネルギーも少なくなる。このことから、スイッチングトランジスタM1がオフしてから、次にスイッチングトランジスタM1がオンする前にインダクタL1のエネルギーがすべて放出されてしまう。このため、出力端子OUTに接続されているコンデンサC1の電荷がインダクタL1と同期整流用トランジスタM2を介して接地電圧GNDに放電されることにより逆電流が発生し、極端に効率が低下する。
2 VFM/PWM制御回路
3,19 コンパレータ
4 VFMパルス発生回路
5 誤差増幅回路
6 第1基準電圧発生回路
11 定電流源
12 インバータ
13〜16 NOR回路
17 Dフリップフロップ
18 OR回路
20 第2基準電圧発生回路
M1 スイッチングトランジスタ
M2 同期整流用トランジスタ
M11 PMOSトランジスタ
M12 NMOSトランジスタ
L1 インダクタ
C1,C11 コンデンサ
R1,R2 抵抗
Claims (12)
- 入力端子に入力された入力電圧を、所定の定電圧に変換して出力端子から出力するスイッチングレギュレータにおいて、
入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチングトランジスタと、
該スイッチングトランジスタのスイッチングによって前記入力電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチングトランジスタと該インダクタとの接続部の電圧と該インダクタの励起エネルギーがゼロになったことを示す所定の電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す2値の信号を生成して出力する電圧比較回路部と、
前記出力端子から出力される出力電圧と所定の基準電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
前記電圧比較回路部の出力信号に応じて、VFM制御時に前記スイッチングトランジスタをオン/オフ制御するために使用される所定のパルス幅のパルス信号を生成して出力するパルス発生回路部と、
前記出力端子から出力される出力電圧が前記所定の定電圧になるように、前記スイッチングトランジスタに対して、VFM制御又はPWM制御のいずれかを行う制御回路部と、
を備え、
前記制御回路部は、VFM制御時に、前記パルス発生回路部からのパルス信号の所定のサイクルの間に、前記出力電圧検出回路部の出力信号が、前記出力電圧が前記基準電圧よりも小さいことを示していると、VFM制御からPWM制御に切り換えることを特徴とするスイッチングレギュレータ。 - 前記制御回路部は、前記パルス発生回路部からのパルス信号の1サイクルの間に、前記出力電圧検出回路部の出力信号から前記出力端子の電圧が変化していないと判定すると、VFM制御からPWM制御に切り換えることを特徴とする請求項1記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記制御回路部は、前記電圧比較回路部の出力信号の信号レベルが変化したときに、前記出力端子の電圧変化の検出を行うことを特徴とする請求項1又は2記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記パルス発生回路部は、前記電圧比較回路部の出力信号に応じて前記パルス信号を生成し、前記出力電圧検出回路部の出力信号に応じて該生成したパルス信号を出力することを特徴とする請求項1、2又は3記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記パルス発生回路部は、前記電圧比較回路部の出力信号から前記スイッチングトランジスタと前記インダクタとの接続部の電圧が前記所定の電圧になったことを検出すると前記パルス信号を生成し、前記出力電圧検出回路部の出力信号から前記出力端子の電圧が所定値以下であることを検出すると、生成したパルス信号を出力することを特徴とする請求項4記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記パルス発生回路部は、生成するパルス信号のパルス幅が設定可能であり、前記制御回路部は、該パルス幅の設定に応じて、VFM制御からPWM制御に切り換える際の前記出力端子からの出力電流値が設定可能であることを特徴とする請求項4又は5記載のスイッチングレギュレータ。
- 入力端子に入力された入力電圧を、所定の定電圧に変換して出力端子から出力するスイッチングレギュレータを有する半導体装置において、
前記スイッチングレギュレータは、
入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチングトランジスタと、
該スイッチングトランジスタのスイッチングによって前記入力電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチングトランジスタと該インダクタとの接続部の電圧と該インダクタの励起エネルギーがゼロになったことを示す所定の電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す2値の信号を生成して出力する電圧比較回路部と、
前記出力端子から出力される出力電圧と所定の基準電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する出力電圧検出回路部と、
前記電圧比較回路部の出力信号に応じて、VFM制御時に前記スイッチングトランジスタをオン/オフ制御するために使用される所定のパルス幅のパルス信号を生成して出力するパルス発生回路部と、
前記出力端子から出力される出力電圧が前記所定の定電圧になるように、前記スイッチングトランジスタに対して、VFM制御又はPWM制御のいずれかを行う制御回路部と、
を備え、
前記制御回路部は、VFM制御時に、前記パルス発生回路部からのパルス信号の所定のサイクルの間に、前記出力電圧検出回路部の出力信号が、前記比例電圧が前記基準電圧よりも小さいことを示していると前記出力電圧検出回路部の出力信号から前記出力端子の電圧が変化していないと判定し、VFM制御からPWM制御に切り換えることを特徴とする半導体装置。 - 前記制御回路部は、前記パルス発生回路部からのパルス信号の1サイクルの間に、前記出力電圧検出回路部の出力信号から前記出力端子の電圧が変化していないと判定すると、VFM制御からPWM制御に切り換えることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
- 前記制御回路部は、前記電圧比較回路部の出力信号の信号レベルが変化したときに、前記出力端子の電圧変化の検出を行うことを特徴とする請求項7又は8記載の半導体装置。
- 前記パルス発生回路部は、前記電圧比較回路部の出力信号に応じて前記パルス信号を生成し、前記出力電圧検出回路部の出力信号に応じて該生成したパルス信号を出力することを特徴とする請求項7、8又は9記載の半導体装置。
- 前記パルス発生回路部は、前記電圧比較回路部の出力信号から前記スイッチングトランジスタと前記インダクタとの接続部の電圧が前記所定の電圧になったことを検出すると前記パルス信号を生成し、前記出力電圧検出回路部の出力信号から前記出力端子の電圧が所定値以下であることを検出すると、生成したパルス信号を出力することを特徴とする請求項10記載の半導体装置。
- 前記パルス発生回路部は、生成するパルス信号のパルス幅が設定可能であり、前記制御回路部は、該パルス幅の設定に応じて、VFM制御からPWM制御に切り換える際の前記出力端子からの出力電流値が設定可能であることを特徴とする請求項10又は11記載の半導体装置。
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