JP5304281B2 - Dc−dcコンバータおよびスイッチング制御回路 - Google Patents

Dc−dcコンバータおよびスイッチング制御回路 Download PDF

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Description

本発明は、直流電圧を変換するスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータおよびそのスイッチング制御回路に関し、特に同期整流型のDC−DCコンバータにおけるスイッチング動作に伴うスパイクノイズの低減に適用して有効な技術に関する。
入力直流電圧を変換して異なる電位の直流電圧を出力する回路としてスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータがある。かかるDC−DCコンバータには、図3に示すように、電池などの直流電源から供給される直流電源電圧Vinをインダクタ(コイル)L1に印加して電流を流しコイルにエネルギーを蓄積させる駆動用スイッチング素子M1と、該駆動用スイッチング素子がオフされているエネルギー放出期間にコイルの電流を整流する整流用スイッチング素子M2を備え、駆動用スイッチング素子と整流用スイッチング素子を相補的にオン、オフさせることで、ダイオード整流型のDC−DCコンバータに比べて電力効率を高めた同期整流型のDC−DCコンバータがある。
従来、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいては、スイッチング素子のオン、オフ動作に伴いスパイクノイズが発生することが知られている。このスパイクノイズは、コモンモードノイズ発生の原因となって周囲の回路に悪影響を及ぼす。また、スイッチング素子のオン、オフ制御信号を生成する制御回路を構成するトランジスタなどの素子に必要以上の耐圧が要求されることにもなる。そのため、スパイクノイズを低減する技術が幾つか提案されている(例えば特許文献1)。
特開2004−112958号公報
本発明者らは、図3に示すようなスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、スパイクノイズが発生する原因を詳細に検討した。電圧入力端子VINとコイルLの一方の端子との間に接続された駆動用のPチャネルトランジスタM1と、コイルLの一方の端子と接地点との間に接続された整流用NチャネルトランジスタM2は、同相のゲート駆動パルスGP1,GP2によって相補的にオン、オフ駆動される。しかも、M1とM2が同時にオン状態になって貫通電流が流れるのを防止するため、図4に示すようにデッドタイムΔtを有するように、立ち下がり時間tf1,tf2および立ち上がり時間tr1,tr2が重ならないようにパルスGP1,GP2が形成されていた。
上記のようなパルスGP1,GP2でトランジスタM1とM2をオン、オフ駆動する場合、従来は、トランジスタM1,M2のオン抵抗によるロスを小さくして効率を高めるために、M1,M2を短時間にオン、オフさせるのが望ましいと考えられており、図5に拡大して示すように、ゲート駆動パルスGP1,GP2の立ち上がり、立ち下がりが急峻にされ、かつ立ち下がり時間tf1,tf2および立ち上がり時間tr1,tr2が重ならないようにされていた。しかし、上記のようにパルスを急峻にするとスパイクノイズが発生し易くなる。しかも、このスパイクノイズは高周波であるため、コイルLと平滑コンデンサCとからなるフィルタ回路で除去することができず、入力電圧Vinにノイズとして侵入し、電源電圧を共通にする他の回路に悪影響を与える原因となるという課題があることが分かった。
なお、前述の特許文献1に記載されている技術は、スパイクノイズ検出回路を設けるとともに、コイルに電流を流す駆動用スイッチング素子(ドライバトランジスタ)と並列にオン抵抗の大きな付加トランジスタを設けてスパイクノイズを検出した際に付加トランジスタをオンさせることでノイズを低減するというものであり、回路規模が大きくなりチップサイズの増大を招くという不具合がある。
本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、スパイクノイズを低減させることができる技術を提供することにある。
また、本発明の目的は、スイッチングに伴うスパイクノイズを低減させることができるDC−DCコンバータおよびそれを構成するスイッチング制御回路を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、電圧変換用のインダクタに電流を流す駆動用スイッチング素子をオン、オフ駆動する駆動信号を生成する第1の駆動回路を備えたスイッチング制御回路であって、前記第1の駆動回路は、前記駆動用スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ移行させる際の駆動信号の遷移時間よりも、前記駆動用スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ移行させる際の駆動信号の遷移時間の方が長くなるように駆動信号を生成するように構成した。
上記のような手段によれば、駆動用スイッチング素子がオンされた際に瞬間的に流れる電流のピーク値を抑えることができるため、スイッチング・レギュレータ方式のDC-DCコンバータにおいて、駆動用スイッチングに伴うスパイクノイズを低減することができる。
また、前記スイッチング制御回路は、前記駆動用スイッチング素子がオフされている期間にコイルの電流を整流する整流用スイッチング素子の駆動信号を生成する第2の駆動回路をさらに備え、前記第2の駆動回路は、前記整流用スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ移行させる際の駆動信号の遷移時間よりも、前記整流用スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ移行させる際の駆動信号の遷移時間の方が長くなるように駆動信号を生成するように構成する。これにより、同期整流型のDC-DCコンバータにおいて、整流用スイッチング素子がオンされた際に瞬間的に流れる電流のピーク値も抑えることができるため、スイッチングに伴うスパイクノイズをさらに低減することができる。
ここで、望ましくは、前記駆動用スイッチング素子はPチャネル型電界効果トランジスタで構成され、前記整流用スイッチング素子はNチャネル型電界効果トランジスタで構成されており、前記第1の駆動回路は該駆動回路より出力される駆動信号のロウレベルからハイレベルへの遷移時間よりも、ハイレベルからロウレベルへの遷移時間の方が長く、前記第2の駆動回路は該駆動回路より出力される駆動信号のハイレベルからロウレベルへの遷移時間よりも、ロウレベルからハイレベルへの遷移時間の方が長くなるように構成する。これにより、駆動用スイッチング素子はPチャネル型電界効果トランジスタで構成され、前記整流用スイッチング素子はNチャネル型電界効果トランジスタで構成されているスイッチング・レギュレータ方式のDC-DCコンバータにおいて、スイッチング素子がオンされた際に瞬間的に流れる電流のピーク値を抑えることができる。
さらに、望ましくは、前記第1および第2の駆動回路はCMOSインバータにより構成し、第1の駆動回路としてのCMOSインバータはPチャネル型電界効果トランジスタの電流駆動力の方がNチャネル型電界効果トランジスタの電流駆動力よりも大きく、第2の駆動回路としてのCMOSインバータはNチャネル型電界効果トランジスタの電流駆動力の方がPチャネル型電界効果トランジスタの電流駆動力よりも大きくなるように、それぞれ形成する。
これにより、複雑な構成の駆動回路を使用せずに、しかも簡単な設計変更で容易にスイッチング素子がオンされた際に瞬間的に流れる電流のピーク値を抑えることができる。
さらに、望ましくは、前記第1の駆動回路より出力される駆動信号のハイレベルからロウレベルへの遷移時間および前記第2の駆動回路より出力される駆動信号のロウレベルからハイレベルへの遷移時間は、前記駆動信号の周期の5%以下となるように構成する。
これにより、PWM制御方式を適用したDC−DCコンバータにおいて、PWM制御による電圧制御範囲をそれほど狭めること無くスイッチング素子がオンされた際に瞬間的に流れる電流のピーク値を抑えることができる。
本発明に従うと、スイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータにおいて、スパイクノイズを低減することができるという効果がある。
本発明を適用した同期整流型DC−DCコンバータの一実施形態を示す回路構成図である。 実施形態のDC−DCコンバータにおける駆動用スイッチトランジスタM1と整流用スイッチトランジスタM2をオン、オフ駆動するゲート駆動信号GP1とGP2の変化の様子を示す波形図である。 一般的な同期整流型DC−DCコンバータの概略構成を示すブロック構成図である。 従来のDC−DCコンバータにおける駆動用スイッチトランジスタM1と整流用スイッチトランジスタM2をオン、オフ駆動するゲート駆動信号GP1とGP2の変化のタイミングを示すタイミングチャートである。 従来のDC−DCコンバータにおけるゲート駆動信号GP1とGP2を拡大して示す波形図である。
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明を適用したスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータの一実施形態を示す。
この実施形態のDC−DCコンバータは、インダクタとしてのコイルL1、直流入力電圧Vinが印加される電圧入力端子INと上記コイルL1の一方の端子との間に接続されコイルL1に向かって駆動電流を流し込むPチャネルMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)からなる駆動用スイッチトランジスタM1、コイルL1の一方の端子と接地点の間に接続されたNチャネルMOSFETからなる整流用スイッチトランジスタM2を備える。
また、DC−DCコンバータは、上記スイッチトランジスタM1,M2をオン、オフ駆動するするスイッチング制御回路20、上記コイルL1の他方の端子(出力端子OUT)と接地点との間に接続された平滑用コンデンサC1を備える。
特に限定されるものではないが、本実施形態では、DC−DCコンバータを構成する素子のうち、スイッチング制御回路20は半導体チップ上に形成されて半導体集積回路(電源制御用IC)として構成され、コイルL1とコンデンサC1およびスイッチング素子としてのトランジスタM1,M2はこのICに設けられている外部端子に外付け素子として接続されるようになっている。
この実施形態のDC−DCコンバータにおいては、トランジスタM1とM2を相補的にオン、オフさせるような駆動パルスGP1,GP2がスイッチング制御回路20により生成されるようになっており、定常状態では、駆動用トランジスタM1がオンされるとコイルL1に直流入力電圧Vinが印加されて出力端子OUTへ向かう電流が流されて平滑用コンデンサC1が充電される。
また、駆動用トランジスタM1がオフされると代わって整流用トランジスタM2がオンされ、このオンされた整流用トランジスタM2を通してコイルL1に電流が流される。そして、例えばスイッチング周期を一定にしてM1,M2の制御端子(ゲート端子)に入力される駆動パルスGP1,GP2のパルス幅が出力電圧に応じて制御されることで、直流入力電圧Vinを降圧した直流出力電圧Voutが発生される。
スイッチング制御回路20は、出力端子OUTからの電圧がフィードバックされる端子FBと接地点との間に直列に接続され抵抗比で出力電圧Voutを分圧する抵抗R1,R2と、該抵抗によって分圧された電圧VFBと参照電圧Vref1とを比較して電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ21と、該誤差アンプ21の出力が一方の入力端子に入力されるPWMコンパレータ22とを有する。
さらに、スイッチング制御回路20は、上記PWMコンパレータ22の出力パルスに基づいて、スイッチトランジスタM1,M2を互いのオン期間が重ならないようにオン、オフさせるための制御パルスC1とC2を生成する出力制御ロジック23と、制御パルスC1とC2を受けてスイッチトランジスタM1,M2のゲート駆動信号GP1,GP2を生成して出力するCMOSインバータからなる出力ドライバDRV1,DRV2を有する。
上記PWMコンパレータ22の他方の入力端子には、発振器を内蔵し所定の周波数の三角波もしくは鋸波のような波形信号を生成する波形生成回路24からの波形信号が入力され、フィードバック電圧VFBに応じて出力電圧が高いときは出力駆動パルスのパルス幅を狭くしフィードバック電圧VFBが低いときはパルス幅を広くするような制御を行なう。
この実施形態のDC−DCコンバータにおいては、出力ドライバDRV1,DRV2が、図2に示すように、それぞれ所望の立ち上がり時間と立ち下がり時間(遷移時間)を有するゲート駆動信号GP1,GP2を生成するように構成されている。具体的には、ゲート駆動信号GP1の立ち下がり時間をtf1、立ち上がり時間をtr1、ゲート駆動信号GP2の立ち下がり時間をtf2、立ち上がり時間をtr2とおくと、ゲート駆動信号GP1はtf1>tr1すなわち立ち下がり時間の方が立ち上がり時間よりも長く、ゲート駆動信号GP2はtf2<tr2すなわち立ち上がり時間の方が立ち下がり時間よりも長くなるように設計されている。ここで、tf1とtr1との関係では、tf1はtr1の1.5〜2倍、tr2とtf2との関係では、tr2はtf2の1.5〜2倍とするのが望ましい。
なお、tr1とtr2、tf1とtf2の関係は、tr1≒tr2、tf1≒tf2でよい。また、tf1とtr2が大きすぎるとオン抵抗成分による電力損失が多くなるので、tf1とtr2は、望ましくは1MHzに換算した場合に、スイッチング周期(駆動パルスの周期)の5%以下の範囲、さらに望ましくは2%以下の範囲で、適宜設定するのが良い。
ゲート駆動信号GP1,GP2の遷移時間としての立ち下がり時間、立ち上がり時間を上記のように設定することにより、本実施形態のDC−DCコンバータにおいては、スイッチトランジスタM1,M2がそれぞれオンされるときに瞬間的に流れる電流のピーク値を小さくすることができ、それによってスパイクノイズを減らすことができるという利点がある。また、tf1とtr2をスイッチング周期の5%以下に設定することによって、PWM制御による電圧制御範囲をそれほど狭めること無く、M1,M2がオンされた際に瞬間的に流れる電流のピーク値を抑えることができる。
次に、上記出力ドライバDRV1,DRV2において生成するゲート駆動信号GP1,GP2の立ち下がり時間と立ち上がり時間に差異をつけるための具体的な手法について説明する。
本実施形態においては、出力ドライバDRV1,DRV2は、電源電圧端子VDDと接地点GNDとの間に、PチャネルMOSFETとNチャネルトランジスタとが直列に接続されてなるCMOSインバータで構成されている。一般に、現在のCMOS製造プロセスで形成されたPチャネルMOSFETとNチャネルトランジスタを比較すると、同一サイズの場合にはPチャネルMOSFETよりもNチャネルトランジスタの方が、電流駆動力が約3倍大きいことが知られている。
そこで、論理回路などを構成する通常のCMOSインバータにおいては、PチャネルMOSFETの電流駆動力とNチャネルトランジスタの電流駆動力が同一になるように、PチャネルMOSFETのサイズがNチャネルトランジスタのサイズの約3倍になるように設計が行われる。図5に示すゲート駆動信号GP1,GP2の波形は、出力ドライバDRV1,DRV2を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルトランジスタのサイズ比が3:1になるように設計された場合のものと考えてよい。
これに対し、本実施形態においては、出力ドライバDRV1を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルトランジスタのサイズ比を3:1よりも大きな例えば5:1のような比になるように設定している。これにより、NチャネルMOSFETの電流駆動力の方がPチャネルトランジスタの電流駆動力よりも小さくなるようにされている。
図1のDC−DCコンバータにおいては、駆動用スイッチトランジスタM1がPチャネルMOSFETで構成されているため、出力ドライバDRV1から出力されるゲート駆動信号GP1のロウレベルの期間にM1がオンされるので、DRV1を構成するNチャネルMOSFETの電流駆動力が小さいと、NチャネルトランジスタがオンされてGP1がハイレベルからロウレベルへ変化する時間tr1よりも、DRV1を構成するPチャネルトランジスタがオンされてGP1がロウレベルからハイレベルへ変化する時間tf1の方が長くなるように動作する。これにより、駆動用スイッチトランジスタM1がオフからオンに切り替わる際に瞬間的に流れる電流のピーク値が小さくされる。
一方、出力ドライバDRV2を構成するPチャネルMOSFETとNチャネルトランジスタのサイズ比は、従来の3:1よりも小さな例えば3:4のような比になるように設定している。これにより、出力ドライバDRV2はPチャネルMOSFETの電流駆動力の方がNチャネルトランジスタの電流駆動力よりも小さくなるようにされている。
図1のDC−DCコンバータにおいては、整流用スイッチトランジスタM2がNチャネルMOSFETで構成されているため、出力ドライバDRV2から出力されるゲート駆動信号GP2のハイレベルの期間にM2がオンされるので、DRV2を構成するPチャネルMOSFETの電流駆動力が小さいと、DRV2のNチャネルトランジスタがオンされてGP2がハイレベルからロウレベルへ変化する時間tf2よりも、DRV2のPチャネルトランジスタがオンされてGP2がロウレベルからハイレベルへ変化する時間tr2の方が長くなるように動作する。これにより、整流用スイッチトランジスタM2がオフからオンに切り替わる際に瞬間的に流れる電流のピーク値が小さくされる。
さらに、駆動用スイッチトランジスタM1と整流用スイッチトランジスタM2を比較すると、駆動用スイッチトランジスタM1はPチャネルMOSFETであって同一サイズの場合にはNチャネルMOSFETからなる整流用スイッチトランジスタM2よりも電流駆動力が小さくなるので、M1はM2よりも大きなサイズ(約3倍)に設計される。そのため、出力ドライバDRV1を構成するトランジスタと出力ドライバDRV2を構成するトランジスタのサイズは、駆動用スイッチトランジスタM1と整流用スイッチトランジスタM2のサイズ比を考慮して設計される。駆動用スイッチトランジスタM1と整流用スイッチトランジスタM2は、出力ドライバDRV1,DRV2から見ると容量性負荷として作用するためである。
本実施形態のDC-DCコンバータにおいては、以上のように、出力ドライバDRV1を構成する各トランジスタと出力ドライバDRV2を構成する各トランジスタのサイズを設計することによって、駆動用スイッチトランジスタM1と整流用スイッチトランジスタM2がそれぞれオフからオンに切り替わる際に瞬間的に流れる電流のピークを抑えて、スパイクノイズを低減することができるという利点がある。
なお、本発明はその動作原理から、図1における整流用トランジスタM2の代わりにダイオードを使用したダイオード整流型のDC-DCコンバータに適用してもある程度効果が得られるが、スパイクノイズは駆動用スイッチトランジスタM1がオンする時と整流用スイッチトランジスタM2がオンする時の両方で発生するので、特に同期整流方式のDC−DCコンバータに適用すると効果が大きい。
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、スイッチング素子M1,M2に貫通電流が流れないようにするには、ゲート駆動信号GP1とGP2の変化の期間(tf1とtf2およびtr1とtr2)が重ならないように、GP1とGP2を生成してやるのがよいので、出力ドライバDRV1とDRV2の出力(もしくは入力)を出力制御ロジック23へフィードバックして、GP2が立ち下がったのを確認してGP1の立ち下げを開始し、GP1が立ち上がったのを確認してGP2の立ち上げを開始するように回路を構成するのが望ましい。
さらに、スイッチング素子M1,M2が同時にオフしている時間が長いと、M2に寄生するボディダイオードに電流が流れ損失が増加するので、同時にオフ状態にされる時間をできるだけ短くするのがよく、そのためには、GP2が立ち下がったら直ぐにGP1の立ち下げを開始するとともに、GP1が立ち上がったら直ぐにGP2の立ち上げを開始するように回路を構成するのが望ましい。
また、上記実施形態では、スイッチング素子M1,M2として電源制御用ICと別個に形成された外付け素子を使用するとしたが、電源制御用ICと同一の半導体チップ上に形成されたオンチップの素子を使用して電源駆動用ICとして構成するようにしても良い。さらに、前記実施形態では、フィードバック端子FBに印加される出力電圧を分圧する抵抗R1,R2をチップ上に形成したものを示したが、分圧抵抗R1,R2は外付け素子とし、外部で分圧された電圧をフィードバック端子に印加するように構成しても良い。
また、前記実施形態では、PWMコンパレータ22に入力される波形信号(三角波)を生成する回路をチップに内蔵したスイッチング制御回路を示したが、波形信号もしくはその元になる発振信号はチップ外部から与えるように構成することができる。さらに、PWMコンパレータの他にPFMコンパレータを備え、軽負荷時にはPFM制御で電圧変換動作を行なうDC−DCコンバータのスイッチング制御回路にも適用することができる。
以上の説明では、本発明を降圧型のDC−DCコンバータに適用した例を説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、昇圧型あるいは負電圧を発生する反転型のDC−DCコンバータなどにも適用することができる。
20 スイッチング制御回路
21 誤差アンプ
22 PWMコンパレータ
23 出力制御ロジック
FB フィードバック端子
R1,R2 分圧抵抗
L1 コイル(インダクタ)
C1 平滑用コンデンサ
DRV1,DRV2 出力ドライバ
M1 駆動用スイッチトランジスタ(駆動用スイッチング素子)
M2 同期整流用スイッチトランジスタ(整流用スイッチング素子)

Claims (3)

  1. 電圧変換用のインダクタに電流を流す駆動用スイッチング素子をオン、オフ駆動する駆動信号を生成する第1の駆動回路と、前記駆動用スイッチング素子がオフされている期間にコイルの電流を整流する整流用スイッチング素子の駆動信号を生成する第2の駆動回路と、を備えたスイッチング制御回路であって、
    前記駆動用スイッチング素子はPチャネル型電界効果トランジスタで構成され、前記整流用スイッチング素子はNチャネル型電界効果トランジスタで構成されており、
    前記第1の駆動回路は、該駆動回路より出力される駆動信号のロウレベルからハイレベルへの遷移時間よりも、ハイレベルからロウレベルへの遷移時間の方が長くなるように構成されることで、前記駆動用スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ移行させる際の駆動信号の遷移時間よりも、前記駆動用スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ移行させる際の駆動信号の遷移時間の方が長くなるように駆動信号を生成し、
    前記第2の駆動回路は、該駆動回路より出力される駆動信号のハイレベルからロウレベルへの遷移時間よりも、ロウレベルからハイレベルへの遷移時間の方が長くなるように構成されることで、前記整流用スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ移行させる際の駆動信号の遷移時間よりも、前記整流用スイッチング素子をオフ状態からオン状態へ移行させる際の駆動信号の遷移時間の方が長くなるように駆動信号を生成し、
    前記第1および第2の駆動回路はCMOSインバータにより構成され、第1の駆動回路としてのCMOSインバータはPチャネル型電界効果トランジスタの電流駆動力の方がNチャネル型電界効果トランジスタの電流駆動力よりも大きく、第2の駆動回路としてのCMOSインバータはNチャネル型電界効果トランジスタの電流駆動力の方がPチャネル型電界効果トランジスタの電流駆動力よりも大きくなるように、それぞれ形成されていることを特徴とするスイッチング制御回路。
  2. 前記第1の駆動回路における駆動信号のハイレベルからロウレベルへの遷移時間および前記第2の駆動回路より出力される駆動信号のロウレベルからハイレベルへの遷移時間は、前記駆動信号の周期の5%以下であることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング制御回路。
  3. 電圧変換用のインダクタと、該インダクタに電流を流す駆動用スイッチング素子と、該駆動用スイッチング素子がオフされている期間にコイルの電流を整流する整流用スイッチング素子と、出力端子に接続された平滑用コンデンサと、前記駆動用スイッチング素子と前記整流用スイッチング素子の駆動信号を生成する請求項1または2に記載のスイッチング制御回路とを備えたことを特徴とするDC−DCコンバータ。
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