JP5094512B2 - Switching regulator - Google Patents
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Description
本発明は、スイッチングレギュレータに関する。 The present invention relates to a switching regulator.
従来のスイッチングレギュレータは、エラーアンプが基準電圧とスイッチングレギュレータの出力電圧に基づく電圧との誤差を増幅し、PWM[Pulse Width Modulation]コンパレータが前記エラーアンプの出力電圧と三角波とを比較してPWM信号を作成し、そのPWM信号に基づいてDC−DCコンバータ内のスイッチング素子をオン/オフ制御する構成が一般的であった(例えば、特許文献1や特許文献2を参照)。しかしながら、このような構成のスイッチングレギュレータでは、帰還部分に設けられているエラーアンプが増幅動作をするため、高速動作を行うことができなかった。
In a conventional switching regulator, an error amplifier amplifies an error between a reference voltage and a voltage based on an output voltage of the switching regulator, and a PWM [Pulse Width Modulation] comparator compares the output voltage of the error amplifier with a triangular wave to generate a PWM signal. Is generally used, and the switching element in the DC-DC converter is controlled on / off based on the PWM signal (see, for example,
また、高速動作が可能なスイッチングレギュレータとして、カレントモード制御スイッチングレギュレータが挙げられる。カレントモード制御スイッチングレギュレータとは、基準電圧とスイッチングレギュレータの出力電圧に基づく電圧との差に応じてオフセットされる可変電圧と、スイッチングレギュレータの出力電流に応じた電圧とを比較し、その比較結果に応じたデューティのパルス信号を生成し、そのパルス信号に基づいてDC−DCコンバータ内のスイッチング素子をオン/オフ制御するスイッチングレギュレータである(例えば、特許文献3を参照)。 Further, a current mode control switching regulator can be cited as a switching regulator capable of high-speed operation. The current mode control switching regulator compares the variable voltage offset according to the difference between the reference voltage and the voltage based on the output voltage of the switching regulator with the voltage according to the output current of the switching regulator. This is a switching regulator that generates a pulse signal with a corresponding duty and controls on / off of a switching element in the DC-DC converter based on the pulse signal (see, for example, Patent Document 3).
また、特許文献4には、エラーアンプやカレントモード制御を用いることなく、高速動作が可能なスイッチングレギュレータが本願出願人によって開示・提案されている。
確かに、上記のカレントモード制御スイッチングレギュレータであれば、エラーアンプを用いる構成に比べて、ある程度の高速動作が可能である。 Certainly, with the current mode control switching regulator described above, a certain degree of high-speed operation is possible compared to a configuration using an error amplifier.
しかしながら、カレントモード制御スイッチングレギュレータでは、基準電圧とスイッチングレギュレータの出力電圧に基づく電圧との差に応じてオフセットされる可変電圧を生成するための帰還がかかるために、ある一定以上の高速動作が困難である。例えば、特許文献3で開示されているカレントモード制御スイッチングレギュレータでは、トランスコンダクタンスアンプ(gmアンプ)が基準電圧とスイッチングレギュレータの出力電圧との差に応じて可変電圧のオフセットを行っており、前記gmアンプがスイッチングレギュレータの出力電圧に応じた増幅動作を行うため、ある一定以上の高速動作を行うことが困難であった。
However, in a current mode control switching regulator, feedback for generating a variable voltage that is offset according to the difference between the reference voltage and the voltage based on the output voltage of the switching regulator is applied, so that it is difficult to operate at a speed higher than a certain level. It is. For example, in a current mode control switching regulator disclosed in
なお、特許文献4に記載のスイッチングレギュレータは、エラーアンプやカレントモード制御を用いることなく、極めて高速に動作することが可能であるが、入力変動や負荷変動に伴う出力変動については、さらなる改善の余地を有していた。 Note that the switching regulator described in Patent Document 4 can operate at extremely high speed without using an error amplifier or current mode control. However, the output fluctuation caused by the input fluctuation or the load fluctuation can be further improved. Had room.
本発明は、上記の問題点に鑑み、入力変動や負荷変動に伴う出力変動を抑えつつ、スイッチングレギュレータの高速動作を可能とするスイッチングレギュレータ用制御信号生成回路、及び、高速動作が可能なスイッチングレギュレータを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a switching regulator control signal generation circuit that enables high-speed operation of a switching regulator while suppressing output fluctuation due to input fluctuation and load fluctuation, and a switching regulator capable of high-speed operation. The purpose is to provide.
上記目的を達すべく、本発明に係るスイッチングレギュレータ用制御信号生成回路は、スイッチングレギュレータの出力電圧と基準電圧とを比較する比較器と;前記比較器の出力によってセットされるフリップフロップと;前記フリップフロップがセットされてから所定のオン期間が経過すると前記フリップフロップをリセットするパルス制御回路と;前記出力電圧をモニタし、その電圧レベルが所望の目標電圧と一致するように、前記基準電圧を可変制御する基準電圧制御回路と;を有して成り、前記フリップフロップの出力パルスをスイッチング素子の制御信号として出力する構成(第1の構成)とされている。 In order to achieve the above object, a control signal generation circuit for a switching regulator according to the present invention includes a comparator that compares an output voltage of a switching regulator with a reference voltage; a flip-flop set by the output of the comparator; A pulse control circuit that resets the flip-flop when a predetermined on-period has elapsed since the signal was set; monitoring the output voltage and varying the reference voltage so that its voltage level matches a desired target voltage A reference voltage control circuit that controls the output voltage of the flip-flop as a control signal for the switching element (first configuration).
なお、上記第1の構成から成るスイッチングレギュレータ用制御信号生成回路にて、前記基準電圧制御回路は、前記出力電圧と前記目標電圧との差分を増幅して前記基準電圧を生成するアンプを有して成る構成(第2の構成)にするとよい。 In the switching regulator control signal generation circuit having the first configuration, the reference voltage control circuit includes an amplifier that amplifies a difference between the output voltage and the target voltage to generate the reference voltage. (A second configuration).
また、上記第2の構成から成るスイッチングレギュレータ用制御信号生成回路にて、前記アンプは、前記出力電圧が前記目標電圧よりも高いときには前記基準電圧を下げるように動作し、逆に、前記出力電圧が前記目標電圧よりも低いときには前記基準電圧を上げるように動作する構成(第3の構成)にするとよい。 In the switching regulator control signal generation circuit having the second configuration, the amplifier operates to lower the reference voltage when the output voltage is higher than the target voltage, and conversely, the output voltage When the voltage is lower than the target voltage, a configuration that operates to increase the reference voltage (third configuration) may be used.
また、本発明に係るスイッチングレギュレータは、DC−DCコンバータと、該DC−DCコンバータの出力電圧に応じた制御信号を生成する制御信号生成回路と、前記制御信号に基づいて前記DC−DCコンバータ内のスイッチング素子を駆動するドライバ回路とを備えたスイッチングレギュレータにおいて、前記制御信号生成回路が、上記第1〜第3いずれかの構成から成るスイッチングレギュレータ用制御信号生成回路である構成(第4の構成)とされている。 In addition, a switching regulator according to the present invention includes a DC-DC converter, a control signal generation circuit that generates a control signal according to the output voltage of the DC-DC converter, and the DC-DC converter based on the control signal. And a driver circuit for driving the switching element, wherein the control signal generation circuit is a switching regulator control signal generation circuit having any one of the first to third configurations (fourth configuration) ).
本発明によると、入力変動や負荷変動に伴う出力変動を抑えつつ、スイッチングレギュレータの高速動作を可能とするスイッチングレギュレータ用制御信号生成回路、及び、高速動作が可能なスイッチングレギュレータを実現することができるので、例えば大電流化に対応することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize a switching regulator control signal generation circuit capable of high-speed operation of a switching regulator and a switching regulator capable of high-speed operation while suppressing output fluctuation due to input fluctuation and load fluctuation. Therefore, for example, it is possible to cope with an increase in current.
まず、本発明に係るスイッチングレギュレータの特徴的構成を説明する前に、図1〜図3を参照しながら、本発明に係るスイッチングレギュレータの基本的構成及び動作について、詳細な説明を行う。 First, before describing the characteristic configuration of the switching regulator according to the present invention, the basic configuration and operation of the switching regulator according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図1は、本発明に係るスイッチングレギュレータの基本的構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a switching regulator according to the present invention.
図1に示すスイッチングレギュレータは、制御信号生成回路1と、ドライバ論理回路2と、Nチャネル型MOS[Metal Oxide Semiconductor]電界効果トランジスタ(以下、NMOS或いはNMOSトランジスタという)3及び4と、ツェナーダイオード5と、コンデンサ6と、コイル7と、出力コンデンサ8と、によって構成されている。なお、入力電圧VINは、制御信号生成回路1を形成する回路要素の駆動電圧VDDより高いものとする。図1では、入力電圧VINが+25[V]とされ、駆動電圧VDDは+5[V]とされる。また、図1では、NMOS3及び4と、コイル7と、出力コンデンサ8と、によって構成されるDC−DCコンバータが、入力電圧VINを出力電圧VOに変換する。したがって、出力電圧VOは、図1に示すスイッチングレギュレータの出力電圧でもあり、前記DC−DCコンバータの出力電圧でもある。
The switching regulator shown in FIG. 1 includes a control
制御信号生成回路1は、出力信号VOを入力とし、パルス信号(制御信号)VQを生成してドライバ論理回路2へ送出する。ドライバ論理回路2は、制御信号生成回路1から出力されるパルス信号VQに基づいてNMOS3及び4をオン/オフ制御する。
The control
NMOS3がオフされてNMOS4が相補的にオンされると、駆動電圧VDDが印加されている端子から、ショットキーダイオード5を介して、コンデンサ6に充電電流が流れ込み、コンデンサ6の両端電圧は約+5[V]になる。その後、NMOS3がオンされてNMOS4が相補的にオフされると、コンデンサ6とNMOS3との接続点の電圧は+25[V]となり、コンデンサ6とショットキーダイオード5との接続点の電圧は約+30[V]となる。そして、コンデンサ6とショットキーダイオード5との接続点に発生する約+30[V]が、ドライバ論理回路2に供給される。
When the
ドライバ論理回路2は、コンデンサ6とショットキーダイオード5との接続点から供給される+30[V]を用いて、制御信号生成回路1から出力されるパルス信号を高電位側にレベルシフトし、そのレベルシフトした信号に基づく第1のドライブ信号をNMOS3のゲートに供給するとともに、制御信号生成回路1から出力されるパルス信号を反転し、その反転した信号に基づく第2のドライブ信号をNMOS4のゲートに供給する。
The
また、NMOS3とNMOS4との接続点の電圧は、コイル7と出力コンデンサ8により平滑されて出力電圧VOとなる。
The voltage at the connection point between the
続いて、制御信号生成回路1について詳細に説明する。制御信号生成回路1は、比較器10と、基準電圧源11と、フリップフロップ12と、パルス制御回路13と、によって構成される。
Next, the control
比較器10は、出力電圧VOと基準電圧源11から出力される基準電圧VREFとを比較し、その比較出力をセット信号Vsとしてフリップフロップ12のセット端子(S)に供給する。また、パルス制御回路13は、入力電圧VIN、基準電圧VREF2、及び、フリップフロップ12の反転出力を入力とし、下記に示す(1)式を満たすように、入力電圧VINと基準電圧VREF2の比(VREF2/VIN)に応じて、制御信号生成回路1から出力されるパルス信号VQのオン期間TONを設定し、制御信号生成回路1から出力されるパルス信号VQが立ち上がってからオン期間TONが経過するとフリップフロップ12をリセットさせる周波数fの信号をリセット信号VRとして、フリップフロップ12のリセット端子(R)に供給する。そして、フリップフロップ12から出力されるパルス信号VQがドライバ論理回路2に供給される。なお、基準電圧VREF2は、バンドギャップ回路等により設定しても良いし、出力電圧VOを用いても良い。
The
制御信号生成回路1の一構成例を図2に示す。なお、図2において図1と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図2に示す制御信号生成回路1が具備するパルス制御回路13は、入力電圧VINを分圧する抵抗R1及びR2と、npn型バイポーラトランジスタQ3と、トランジスタQ3のエミッタ電流が流れる抵抗R3と、入力電圧VINの分圧と抵抗R3の両端電圧との差を増幅してトランジスタQ3のベースに供給する高速アンプAMP1と、コンデンサC1と、pnp型バイポーラトランジスタQ1及びQ2から成りトランジスタQ3のエミッタ電流と同一値または所定倍の充電電流をコンデンサC1に供給するカレントミラー回路と、フリップフロップ12の反転出力に応じてコンデンサC1の充放電を切り替えるNチャネル型MOS電界効果トランジスタQ4と、基準電圧VREF2を分圧する抵抗R4及びR5と、基準電圧VREF2の分圧とコンデンサC1の両端電圧とを比較して比較出力をフリップフロップ12のリセット端子(R)に供給する比較器COM1と、によって構成されている。
One configuration example of the control
続いて、図1に示すスイッチングレギュレータ及び図2に示す制御信号生成回路1の各部電圧又は電流のタイムチャートを図3に示し、図3を参照して図1に示すスイッチングレギュレータ及び図2に示す制御信号生成回路1の動作を説明する。
Subsequently, a time chart of each voltage or current of the switching regulator shown in FIG. 1 and the control
フリップフロップ12の出力端子(Q)からドライバ論理回路2に供給されるパルス信号VQがLowレベルであるときには、NMOS3がオフであり、NMOS4が相補的にオンであるため、コイル7を流れる電流IL及び出力電圧VOは徐々に減少する。また、このとき、フリップフロップ12の反転出力はHighレベルであるので、NMOSトランジスタQ4はオンであり、コンデンサC1の両端電圧VC1は零である。したがって、比較器COM1からフリップフロップ12のリセット端子(R)に供給されるリセット信号VRはLowレベルである。
When the pulse signal V Q supplied from the output terminal of the flip-flop 12 (Q) to the
そして、出力電圧VOが基準電圧VREFより小さくなると、比較器10からフリップフロップ12のセット端子(S)に供給されるセット信号VSがLowレベルからHighレベルに切り替わる。これにより、パルス信号VQがLowレベルからHighレベルに切り替わり、NMOS3がオンになり、NMOS4が相補的にオフになるため、出力電圧VOが基準電圧VREFより大きくなる。したがって、セット信号VSはすぐにLowレベルに戻る。また、このときフリップフロップ12の反転出力は、HighレベルからLowレベルに切り替わるので、NMOSトランジスタQ4はオフになり、コンデンサC1に充電電流が供給され始める。
When the output voltage V O becomes smaller than the reference voltage V REF, the set signal V S supplied from the
その後、フリップフロップ12の出力であるパルス信号VQがHighレベルである間は、コイル7を流れる電流IL、出力電圧VO、及び、コンデンサC1の両端電圧VC1が徐々に増加する。
Thereafter, while the pulse signal V Q is the output of the flip-
そして、コンデンサC1の両端電圧VC1が閾値VTH(抵抗R4と抵抗R5の接続点の電圧と同一値)に達すると、リセット信号VRがLowレベルからHighレベルに切り替わる。これにより、パルス信号VQがHighレベルからLowレベルに切り替わる。パルス信号VQがLowレベルになると、フリップフロップ12の反転出力がHighレベルになってNMOSトランジスタQ4がオンになり、コンデンサC1の両端電圧VC1が零になるので、リセット信号VRはすぐにLowレベルに戻る。
When the voltage across V C1 of the capacitor C1 reaches the threshold V TH (the same value as the voltage at the node between resistors R4 and R5), the reset signal V R is switched from Low level to High level. Thus, pulse signal V Q is switched from High level to Low level. When the pulse signal V Q becomes Low level, NMOS transistor Q4 is turned on the inverted output of the flip-
図1に示すスイッチングレギュレータ及び図2に示す制御信号生成回路1は、以上のような動作を行うので、パルス信号VQのオン期間TONは、コンデンサC1の充電時間と一致する。したがって、パルス信号VQのオン期間TONは、下記に示す(2)式で表すことができる。ただし、C1はコンデンサC1の静電容量を示し、iはコンデンサC1の充電電流値を示し、R1〜R5は抵抗R1〜R5それぞれの抵抗値を示している。
Control
ここで、降圧形DC−DCコンバータを有するスイッチングレギュレータでは、DC−DCコンバータ内のスイッチング素子のオン/オフ制御に用いられるパルス信号のオン期間TON(DC−DCコンバータ内のコイルにエネルギーが蓄えられる期間)は、上述の(1)式で表せるので、コンデンサC1の静電容量C1と抵抗R3の抵抗値R3の積が、パルス信号VQの周波数fとなる。これにより、たとえ入力電圧VINの値を変更しても、制御信号VQの周波数fを固定することができる。 Here, in a switching regulator having a step-down DC-DC converter, an ON period T ON of a pulse signal used for on / off control of a switching element in the DC-DC converter (energy is stored in a coil in the DC-DC converter). is period), so expressed by equation (1) above, the product of the resistance value R 3 of the capacitance C 1 and the resistor R3 of the capacitor C1, the frequency f of the pulse signal V Q. Thereby, even if the value of the input voltage V IN is changed, the frequency f of the control signal V Q can be fixed.
図1に示すスイッチングレギュレータでは、帰還部分が出力電圧VOと基準電圧VREFとの比較動作及び充電電圧VC1と基準電圧VREF2との比較動作を主に行うため、高速動作が可能となる。従って、近年、動作スピードの高速化が著しいデジタル家電やパーソナルコンピュータの電源としても十分に対応することができる。 In the switching regulator shown in FIG. 1, since the feedback part mainly performs the comparison operation between the output voltage V O and the reference voltage V REF and the comparison operation between the charging voltage V C1 and the reference voltage V REF2 , high-speed operation is possible. . Accordingly, it can be sufficiently used as a power source for digital home appliances and personal computers whose operating speed has been remarkably increased in recent years.
ところで、上記の基本的構成から成るスイッチングレギュレータにおいて、その出力電圧VOの平均値は、下記の(3)式で示すように、基準電圧VREFに対して、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVの1/2を加えた電圧値となる。なお、出力電圧VO、基準電圧VREF、及び、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVの関係については、先出の図3に示されている。 Meanwhile, in the switching regulator consisting essentially above configuration, the average value of the output voltage V O, as indicated by (3) below, with respect to the reference voltage V REF, the ripple voltage occurring in the output voltage V O The voltage value is obtained by adding 1/2 of ΔV. The relationship between the output voltage V O , the reference voltage VREF, and the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O is shown in FIG.
一方、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVは、下記の(4)式で求めることができる。なお、下記の(4)式において、パラメータL、パラメータf、及び、パラメータESRは、各々、コイル7のインダクタンス値、スイッチング素子3、4の駆動周波数、及び、出力コンデンサ8の等価直列抵抗値(ESR[Equivalent Series Resistance])を示している。また、下記の(4)式では、基準電圧VREF2として、出力電圧VOを用いた場合を示している。
On the other hand, the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O can be obtained by the following equation (4). In the following equation (4), the parameter L, the parameter f, and the parameter ESR are respectively an inductance value of the coil 7, a driving frequency of the
上記の(4)式からも分かるように、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVは、入力変動(入力電圧VINの変動)や負荷変動(出力トランジスタ3のオン期間TONの変動)に起因して、その大きさが変動するものである。従って、上記の基本的構成から成るスイッチングレギュレータでは、入力変動や負荷変動に起因して、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVが増減されると、これに依存して出力電圧VOまで変動してしまう、という問題があった。 As can be seen from the above equation (4), the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O is caused by input fluctuation (fluctuation of the input voltage V IN ) or load fluctuation (fluctuation of the ON period T ON of the output transistor 3). As a result, the size varies. Therefore, in the switching regulator having the above basic configuration, when the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O is increased or decreased due to input fluctuation or load fluctuation, the output voltage V O varies depending on this. There was a problem that.
入力変動時の挙動について具体的に説明する。先述した通り、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVの大きさは、入力電圧VINに依存する。そのため、入力電圧VINが変動すると、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVが増減され、延いては、出力電圧VOが変動する。 The behavior when the input changes will be specifically described. As described above, the magnitude of the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O depends on the input voltage V IN . Therefore, when the input voltage V IN varies, the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O is increased or decreased, and consequently the output voltage V O varies.
例えば、VO=1.8[V]、L=2.5[μH]、f=300[kHz]、ESR=15[mΩ]とした場合、VIN=25[V]であるときには、ΔV=33.4[mV]であるのに対して、VIN=5[V]であるときには、ΔV=23.0[mV]となる。すなわち、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVが10.4[mV]変動し、これに依存して出力電圧VOが5.2[mV]変動する。 For example, when V O = 1.8 [V], L = 2.5 [μH], f = 300 [kHz] and ESR = 15 [mΩ], when V IN = 25 [V], ΔV = 33.4 [mV], but when V IN = 5 [V], ΔV = 23.0 [mV]. That is, the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O varies by 10.4 [mV], and the output voltage V O varies by 5.2 [mV] depending on this.
次に、負荷変動時の挙動について具体的に説明する。先にも述べたように、上記の基本的構成から成るスイッチングレギュレータにおいて、パルス制御回路13では、パルス信号VQの周波数fを固定するように、パルス信号VQの周波数制御が行われるため、DC−DCコンバータを形成する出力トランジスタ3のオン期間TONは、入力変動や負荷変動に依ることなく、基本的に一定となるはずである。しかしながら、実際には、DC−DCコンバータを形成する同期整流トランジスタ4がオフしたときに、コイル7に流れる電流ILがゼロ値よりも大きいか否か(延いては、軽負荷であるか重負荷であるか)に応じて、出力トランジスタ3のオン期間TONが変動する。
Next, the behavior when the load fluctuates will be specifically described. As mentioned earlier, since the switching regulator consisting essentially above configuration, the
図4は、負荷変動によって出力トランジスタ3のオン期間TONが変動する様子を示したタイミングチャートである。なお、図4の上段には、上から順に、軽負荷時におけるコイル電流IL、出力トランジスタ3のゲート電圧、及び、同期整流トランジスタ4のゲート電圧が示されている。また、図4の下段には、上から順に、重負荷時におけるコイル電流IL、出力トランジスタ3のゲート電圧、及び、同期整流トランジスタ4のゲート電圧が示されている。
FIG. 4 is a timing chart showing how the ON period T ON of the
図4の上段に示すように、負荷が軽く、同期整流トランジスタ4がオフしたときに、コイル7に流れる電流ILがゼロ値よりも小さいときには、出力トランジスタ3と同期整流トランジスタ4の同時オフ期間TD(デッドタイム)において、出力トランジスタ3のゲート電圧がローレベルとならず、出力トランジスタ3のオン期間TONが実質的に延長された形となる。一方、図4の下段に示すように、負荷が重く、同期整流トランジスタ4がオフしたときに、コイル7に流れる電流ILがゼロ値よりも大きいときには、出力トランジスタ3と同期整流トランジスタ4の同時オフ期間TDにおいて、出力トランジスタ3のゲート電圧がローレベルとなるため、出力トランジスタ3のオン期間TONが延長されることはない。
As shown in the upper part of FIG. 4, the load is light, when the synchronous rectification transistor 4 is turned off, when the current I L flowing through the coil 7 is less than the zero value, simultaneous OFF period of the
従って、図4の上段と下段を比較すれば分かるように、負荷変動時(特に、軽負荷から重負荷への変更点)には、出力トランジスタ3のオン期間TONが変動するので、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVが増減され、延いては、出力電圧VOが変動する。
Therefore, as can be seen by comparing the upper stage and the lower stage of FIG. 4, the ON period T ON of the
例えば、VIN=12[V]、VO=1.2[V]、L=1.5[μH]、TON=140[nsec]、ESR=30[mΩ]、TD=30[nsec]とした場合、軽負荷時にはΔV=38.9[mV]であるのに対して、重負荷時にはΔV=32.4[mV]となる。すなわち、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVが6.5[mV]変動し、これに依存して出力電圧VOが3.2[mV]変動する。 For example, V IN = 12 [V], V O = 1.2 [V], L = 1.5 [μH], T ON = 140 [nsec], ESR = 30 [mΩ], TD = 30 [nsec] In this case, ΔV = 38.9 [mV] at a light load, whereas ΔV = 32.4 [mV] at a heavy load. That is, the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O varies by 6.5 [mV], and the output voltage V O varies by 3.2 [mV] depending on this.
このように、上記の基本的構成から成るスイッチングレギュレータでは、入力変動や負荷変動に起因して、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVが増減し、延いては、これに依存して出力電圧VOまで変動してしまう、という問題があった。 As described above, in the switching regulator having the above basic configuration, the ripple voltage ΔV generated in the output voltage V O is increased or decreased due to the input fluctuation or the load fluctuation, and as a result, the output voltage V V depends on this. There was a problem that it fluctuated to O.
以下では、上記の改善すべき点を踏まえた上で、本発明に係るスイッチングレギュレータの特徴的構成について詳細な説明を行う。 In the following, the characteristic configuration of the switching regulator according to the present invention will be described in detail based on the above points to be improved.
図5は、本発明に係るスイッチングレギュレータの特徴的構成を示す図である。なお、本図の構成は、図1とほぼ同様であり、制御信号生成回路1の内部に、基準電圧源11に代えて、基準電圧制御回路14を設けた点に特徴を有している。そこで、先述と同様の構成部分については、図1と同一の符号を付すことで重複した説明を省略し、以下では、基準電圧制御回路14の構成及び動作について、重点的な説明を行うことにする。
FIG. 5 is a diagram showing a characteristic configuration of the switching regulator according to the present invention. The configuration of this figure is substantially the same as that of FIG. 1, and is characterized in that a reference
基準電圧制御回路14は、出力電圧VOをモニタし、その電圧レベルが所望の目標電圧VTARGETと一致するように、基準電圧VREFを可変制御する手段であって、図5の例では、反転入力端(−)に入力される出力電圧VOと、非反転入力端(+)に入力される目標電圧VTARGETとの差分を増幅して基準電圧VREFを生成するアンプAMP2を有して成る構成とされている。
The reference
ここで、アンプAMP2は、図6に示すように、出力電圧VOが目標電圧VTARGETよりも高いときには基準電圧VREFを下げるように動作し、逆に、出力電圧VOが目標電圧VTARGETよりも低いときには基準電圧VREFを上げるように動作する。 Here, as shown in FIG. 6, the amplifier AMP2 operates so as to lower the reference voltage V REF when the output voltage V O is higher than the target voltage V TARGET , and conversely, the output voltage V O becomes equal to the target voltage V TARGET. When the voltage is lower than the threshold voltage, the reference voltage VREF is increased.
このように、目標電圧VTARGETを比較器10に直接入力するのではなく、アンプAMP2を用いて出力電圧VOと目標電圧VTARGETとの差分に応じた基準電圧VREFを生成し、これを比較部10に入力する構成とすることにより、常に出力電圧VOの状態をモニタしておき、出力電圧VOが低下したときには基準電圧VREFを持ち上げ、逆に、出力電圧VOが上昇したときには基準電圧VREFを下げることができるので、入力変動や負荷変動に起因して、出力電圧VOに生じるリップル電圧ΔVが増減したとしても、これに依ることなく、出力電圧VOを目標電圧VTARGETに一致させることが可能となる。
Thus, instead of directly inputting the target voltage V TARGET to the
図7及び図8は、それぞれコイル電流ILと出力電圧VOとの関係を示した図である。なお、図7は、入力電圧VINが6[V]である場合の挙動を示しており、図8は、入力電圧VINが13.2[V]である場合の挙動を示している。また、両図中の実線は、基準電圧VREFの可変制御を行う場合の挙動を示しており、両図中の破線は、基準電圧VREFの可変制御を行わない場合の挙動を示している。 7 and 8 are diagrams showing the relationship between the coil current I L and the output voltage V O , respectively. FIG. 7 shows the behavior when the input voltage V IN is 6 [V], and FIG. 8 shows the behavior when the input voltage V IN is 13.2 [V]. The solid line in both figures shows the behavior in the case of performing variable control of the reference voltage V REF, the dashed line in both figures shows the behavior of the case without the variable control of the reference voltage VREF.
図7及び図8の各々において、実線と破線を比較すれば分かるように、基準電圧VREFの可変制御を行う場合には、負荷変動(コイル電流ILの変動)に依ることなく、出力電圧VOがほぼ目標電圧VTARGET(図7及び図8の例では、0.8[V]付近)に維持されていることが分かる。また、図7及び図8を互いに比較すれば分かるように、基準電圧VREFの可変制御を行う場合には、入力変動(入力電圧VINの変動)に依ることなく、出力電圧VOがほぼ目標電圧VTARGET(図7及び図8の例では、0.8[V]付近)に維持されていることが分かる。 In each of FIGS. 7 and 8, as can be seen from the comparison solid and dashed lines, in the case of performing variable control of the reference voltage V REF, without depending on load variation (variation of the coil current I L), the output voltage It can be seen that V O is maintained substantially at the target voltage V TARGET (in the example of FIGS. 7 and 8, in the vicinity of 0.8 [V]). Further, as can be seen from a comparison between FIGS. 7 and 8, when the variable control of the reference voltage V REF is performed, the output voltage V O is almost the same regardless of the input fluctuation (the fluctuation of the input voltage V IN ). It can be seen that the target voltage V TARGET is maintained (around 0.8 [V] in the examples of FIGS. 7 and 8).
なお、上記実施形態では、ブートストラップ方式のDC−DCコンバータを有するスイッチングレギュレータについて説明したが、当然の事ながら本発明は他の構成のDC−DCコンバータを有するスイッチングレギュレータにも適用することができる。また、上記実施形態では、ブートストラップ手段として、ツェナーダイオード5及びコンデンサ6を用いているが、本発明の構成はこれに限定されるものではない。また、オン期間TONに影響がないのであれば、比較器10にヒステリシス特性を持たせるようにしても良い。
In the above-described embodiment, the switching regulator having the bootstrap DC-DC converter has been described. However, as a matter of course, the present invention can also be applied to a switching regulator having a DC-DC converter having another configuration. . Moreover, in the said embodiment, although the
その他、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。 In addition to the above embodiment, the configuration of the present invention can be variously modified without departing from the gist of the invention.
例えば、上記実施形態では、出力電圧VOと目標電圧VTARGETとの差分を増幅して基準電圧VREFを生成するアンプAMP2を用いて、基準電圧制御回路14を形成した構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、出力電圧VOをモニタし、その電圧レベルが所望の目標電圧VTARGETと一致するように、基準電圧VREFを可変制御し得る構成であれば、いかなる構成を採用しても構わない。
For example, in the above embodiment, a configuration in which the reference
本発明は、スイッチングレギュレータの高速化と出力安定化の両立を図る上で有用な技術である。 The present invention is a technique useful for achieving both high speed and stable output of a switching regulator.
1 制御信号生成回路
2 ドライバ論理回路
3、4 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
5 ツェナーダイオード
6 コンデンサ
7 コイル
8 出力コンデンサ
10 比較器
11 基準電圧源
12 フリップフロップ
13 パルス制御回路
14 基準電圧制御回路
R1〜R5 抵抗
Q1、Q2 pnp型バイポーラトランジスタ
Q3 npn型バイポーラトランジスタ
Q4 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
AMP1 高速アンプ
AMP2 アンプ
COM1 比較器
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記比較器の出力によってセットされるフリップフロップと;
前記フリップフロップがセットされてから所定のオン期間が経過すると前記フリップフロップをリセットするパルス制御回路と;
前記出力電圧をモニタし、その電圧レベルが所望の目標電圧と一致するように、前記基準電圧を可変制御する基準電圧制御回路と;
を有して成り、
前記フリップフロップの出力パルスをスイッチング素子の制御信号として出力することを特徴とするスイッチングレギュレータ用制御信号生成回路。 A comparator that compares the output voltage of the switching regulator with a reference voltage;
A flip-flop set by the output of the comparator;
A pulse control circuit that resets the flip-flop when a predetermined on-period elapses after the flip-flop is set;
A reference voltage control circuit that monitors the output voltage and variably controls the reference voltage so that the voltage level matches a desired target voltage;
Comprising
A switching regulator control signal generation circuit that outputs an output pulse of the flip-flop as a control signal of a switching element.
前記制御信号生成回路が、請求項1〜3のいずれかに記載のスイッチングレギュレータ用制御信号生成回路であることを特徴とするスイッチングレギュレータ。 A DC-DC converter, a control signal generation circuit that generates a control signal according to an output voltage of the DC-DC converter, a driver circuit that drives a switching element in the DC-DC converter based on the control signal, In a switching regulator with
A switching regulator, wherein the control signal generating circuit is the switching regulator control signal generating circuit according to claim 1.
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