JP6001570B2 - 降圧コンバータにおけるpwm動作とpfm動作のスイッチング制御 - Google Patents
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Description
IAVE=IDC+(IPEAK−IDC)/2 (1)
IAVE=IPEAK/2 (2)
Ims1(PWM=>PFM)=IPEAK/2−IOFFSET1−IRIPPLE/2 (3)
このように、スイッチング点は理想的な点IPEAK/2をかなり下回り、そのため、コンバータは電流レベルが小さすぎてもPWMで動作したままになる。PWM回路要素はこのように小さな電流での動作に対して最適化されていないので、効率が悪くなる。
Ism2(PFM=>PWM)=IPEAK/2−IOFFSET2+IZC (4)
Ism2−Ism1=−IOFFSET2+IOFFSET1+IZC+IRIPPLE/2 (5)
IVALLEY(t)=2IAVE−IPEAK (6)
ここで、IVALLEYは時間tにおける電流値であり、IAVEはモードスイッチングを行うための特定平均電流値であり、IPEAKはt=0におけるピーク電流値である。
Is(t)=V51(t)/R (7)
ここで、Rは変換係数である。
V51(t)=−V24(t)+V24A(t)+V52(t) (8)
ここで、V24(t)=Iinductor(t)*Rdson(インダクタ電流Iinductorによって生成されるトランジスタ24の両端の電圧、電流IREFによる比較的小さな電圧降下は無視)であり、V24A(t)=(IAVE/K)(K*Rdson)(トランジスタ24Aの電圧降下)であり、V52(t)=(IAVE/K)Rは抵抗器52の両端の電圧である。
Is(t)=[I(0)+I(t)]/2 (9)
ここで、I(0)は図7の点62Aで示す放電期間開始時のピークインダクタ電流であり、I(t)はインダクタが放電するときの時間経過によるインダクタ電流の降下である。
I(0)=−mIinductor(0)+Ils+mIAVE、又は
I(0)=−(mIPEAK−Ils−mIAVE) (10)
ここで、IPEAKはt=0(図7の点64A)におけるピークインダクタ電流であり、IAVEはモードスイッチングのための特定平均電流(図7の64A〜65)であり、Ilsは固定オフセット電流(図7の65〜62A)である。
I(t)=−(mIvalley(t)−mIAVE−Ils) (11)
ここで、Ivalley(t)はインダクタ放電電流(図7の64B)であり、IAVE及びIlsは数式(10)に関連してすでに定義されている。
VSENSE=(1/CA)(t)[I(0)+I(t)]/2 (12)
VSENSE=(1/CA)(t)(−mIPEAK+mIAVE+Ils−mIvalley(t)+mIAVE+Ils)/2 (13)
VSENSE=(1/CA)(t)(Ils) (14)
そのため、ローサイドトランジスタ24の導通期間中の任意の時点でVSENSEが数式(14)に示す値まで降下する場合、平均インダクタ電流は特定されたIAVE値まで降下し、これが多数の連続したスイッチングサイクルで生じる場合はPFMに切り替えることが適切である。
Ir=V61/R
V61を(IAVE/K)Rlsで置き換えると、下記のようになる。
Ir=(IAVE/K)(Rls)/R (15)
VREF=(1/CB)(t)(Ils) (16)
Vt=Vcon(G) (17)
ここで、Vconはコンバータ内部の電圧基準の値であり、Gは抵抗性分圧器によって通常は設定されるコンバータの利得である。
Claims (21)
- 入力電源からの入力電圧V IN をレギュレート出力電圧V OUT に変換するように動作可能であり、パルス幅変調(PWM)モードとパルス周波数変調(PFM)モードとで動作可能であり、スイッチノード端と出力ノード端とを有するインダクタと共に動作可能である、降圧スイッチング電圧コンバータであって、
前記インダクタの前記スイッチノード端に結合されるように構成されるスイッチノードSWに結合されるハイサイド及びローサイドスイッチングトランジスタであって、前記ハイサイドスイッチングトランジスタが、前記入力電源に結合され、そして前記SWに結合されるように構成され、前記ローサイドスイッチングトランジスタが前記SWと回路コモン(common)との間に結合され、前記ハイサイド及びローサイドスイッチングトランジスタがPWM及びPFMモードの間に、前記インダクタがピーク電流まで増加するインダクタ充電電流を受け取るように構成する、前記ハイサイドスイッチングトランジスタがオンで前記ローサイドスイッチングトランジスタがオフの間のオン時間と、前記インダクタがオフ時間の終わりまで減少するインダクタ放電電流を供するように構成する、前記ハイサイドスイッチングトランジスタがオフで前記ローサイドスイッチングトランジスタがオンの間の前記オフ時間とを備えるスイッチングサイクルに基づいてスイッチングコントローラにより切り替え可能な、前記ハイサイド及びローサイドスイッチングトンラジスタと、
PWM及びPFMモードの間の遷移を制御するモード制御回路要素と、
を含み、
前記モード制御回路要素が、
連続するスイッチングサイクルの前記オフ時間の間に前記ローサイドスイッチングトランジスタを通るインダクタ電流を感知し、電流感知信号を生成するように構成される電流感知回路要素と、
各オフ時間の間に前記電流感知信号を積分し、インダクタ電流に対応する積分された感知信号を生成するように構成される感知積分器と、
各オフ時間の間に基準電流を積分し、積分された基準電流を生成するように構成される基準電流積分器であって、前記基準電流が予め定義された平均インダクタ電流I AVE に対応する、前記基準電流積分器と、
I VALLEY =2I AVE −I PEAK に対応する予め定められたモードスイッチング状態に従って、前記積分された感知信号と前記積分された基準信号とに応答して前記PWMモードとPFMモードとの間で切り替えるように構成されるモードスイッチング回路要素であって、I PEAK が前記オフ時間の開始時に検出されたピークインダクタ電流であり、I VALLEY がI AVE とI PEAK とにより決定されるインダクタ電流値である、前記モードスイッチング回路要素と、
を含む、コンバータ。 - 請求項1に記載のコンバータであって、
前記モードスイッチング状態が、
前記PWMモードの間に、前記インダクタ電流がI VALLEY より低く減少するときにPWM検出をシグナリングし、PWMモードからPFMモードへの切り替えが、連続するPWMスイッチングサイクルの対応する数からの連続するPWM検知信号の所定の数に少なくとも部分的に基づき、
前記PFMモードの間に、前記インダクタ電流がI VALLEY まで減少することに応答して前記オフ時間が終了され、PFMモードからPWMモードへの切り替えが、如何なるPFMスイッチングサイクルをスキップすることなしにオフ時間の後に直ちにオン時間が開始される連続するPFMスイッチングサイクルの所定の数を検出することに少なくとも部分的に基づく、コンバータ。 - 請求項1に記載のコンバータであって、
前記モードスイッチング状態が、
所定の最大出力電圧よりも大きいV OUT を検出することと、
その出力電圧が所定の電圧差よりも大きいレギュレート出力電圧V OUT と異なることを検出することと、
の少なくとも1つに少なくとも部分的に基づいてPFMからPFMに切り換えることを含む、コンバータ。 - 請求項1に記載のコンバータであって、
前記トランジスタがオンに切り替えられるときに前記第2のスイッチングトランジスタの両端に感知電圧が形成され、
前記電流感知回路要素が、オフセット感知電圧を生成するために前記感知電圧に付加されるオフセット電圧を提供するオフセット回路要素を含み、前記オフセット感知電圧が前記電流感知信号を生成するために用いられる、コンバータ。 - 請求項4に記載のコンバータであって、
前記オフセット回路要素が、前記ローサイドスイッチングトランジスタに直列に接続されるオフセットトランジスタを含み、前記ローサイドスイッチングトランジスタがオンに切り替えられるときに前記オフセットトランジスタがオンに切り替えられる、コンバータ。 - 請求項5に記載のコンバータであって、
前記ローサイドスイッチングトランジスタがRdsonのオン抵抗を有し、前記オフセットトランジスタがK*Rdsonのオン抵抗を有し、Kが少なくとも5の値を有する定数である、コンバータ。 - 請求項6に記載のコンバータであって、
前記オフセット回路要素が、前記オフセットトランジスタに直列に接続されるオフセット抵抗器を含み、前記オフセット感知電圧が前記オフセット抵抗器の端子で生成される、コンバータ。 - 請求項7に記載のコンバータであって、
前記オフセット回路要素が、前記オフセット抵抗器と前記オフセットトランジスタとを介して電流を導通させるように接続される第1の電流源を含み、前記オフセット抵抗器を介する前記電流が抵抗器オフセット電圧を生成する、コンバータ。 - 請求項8に記載のコンバータであって、
前記基準積分器が、前記抵抗器オフセット電圧に関連する基準電圧を生成し、前記基準電圧が前記基準信号に対応する基準電流を生成するために用いられる、コンバータ。 - 請求項9に記載のコンバータであって、
前記電流感知信号が電流であり、
前記電流感知回路要素が、前記オフセット感知電圧を前記電流感知信号に変換する第1の電圧−電流コンバータを含み、
前記基準回路要素が、前記基準電圧を前記基準電流に変換する第2の電圧−電流コンバータを含む、コンバータ。 - 請求項10に記載のコンバータであって、
前記基準電流積分器が、前記オフセット抵抗器の抵抗と一致する抵抗を有する基準抵抗器と、前記第1の電流源と一致する第2の電流源とを含む、コンバータ。 - 請求項11に記載のコンバータであって、
前記第1及び第2の電流源がそれぞれ、前記PWMモードとPFMモードの間で切替えるための目標インダクタ電流レベルに関連する電流出力を有する、コンバータ。 - 入力電源からの入力電圧V IN をレギュレート出力電圧V OUT に変換するためにパルス幅変調(PWM)モードとパルス周波数変調(PFM)モードとで動作可能な降圧スイッチング電圧レギュレータのPWM及びPFMスイッチングを制御する方法であって、前記レギュレータが、スイッチノード端と出力ノード端とを有するインダクタと、スイッチノードSWで前記インダクタの前記スイッチノード端に結合されるハイサイド及びローサイドトランジスタスイッチとを含み、前記ハイサイドトランジスタスイッチが前記入力電源と前記SWとの間に結合され、前記ローサイドトランジスタスイッチが前記SWと回路コモンとの間に結合され、
前記方法が、
前記PWM及びPFMモードの間に、前記インダクタがピーク電流まで増加するインダクタ充電電流を受け取るように構成する、前記ハイサイドトランジスタスイッチがオンで前記ローサイドトランジスタスイッチがオフである間のオン時間と、前記インダクタがオフ時間の終わりまで減少するインダクタ放電電流を供給するように構成する、前記ハイサイドトランジスタスイッチがオフで前記ローサイドトランジスタスイッチがオフである間の前記オフ時間とを備えるスイッチングサイクルに基づいて、前記ハイサイド及びローサイドトランジスタスイッチを切り替えるように制御することと、
電流感知電圧を生成するために、連続するスイッチングサイクルのオフ時間の間に前記ローサイドトランジスタスイッチを介するインダクタ電流を感知することと、
前記インダクタ電流に対応する積分された感知信号を生成するために、前記各オフ時間の間に前記電流感知信号を積分することと、
積分された基準信号を生成するために、各オフ時間の間に基準電流を積分することであって、前記基準電流が予め定義された平均インダクタ電流I AVE に対応する、前記基準電流を積分することと、
I VALLEY =2I AVE −I PEAK に対応する予め定められたモードスイッチング状態に従って、前記積分された感知信号と前記積分された基準信号とに応答して前記PWM動作モードとPFM動作モードとの間で切り替えることであって、I PEAK が前記オフ時間の開始時に検出されたピークインダクタ電流であり、I VALLEY がI AVE とI PEAK とにより決定されるインダクタ電流値である、前記切り替えることと、
を含む、方法。 - 請求項13に記載の方法であって、
前記電流感知信号が感知電圧であり、
前記方法が、オフセット感知電圧を生成するために前記感知電圧をオフセット電圧と混合するステップを更に含み、
前記感知電圧が前記オフセット感知電圧に関連する、方法。 - 請求項14に記載の方法であって、
前記オフセット電圧が、前記ローサイドスイッチングトランジスタのオン抵抗に関連するオン抵抗を有するレベルシフトトランジスタスイッチに第1の電流を通すことによって生成される第1の電圧成分を含む、方法。 - 請求項15に記載の方法であって、
前記オフセット電圧が、第1の抵抗に前記第1の電流を通すことによって生成される第2の電圧成分を含む、方法。 - 請求項16に記載の方法であって、
前記モードスイッチング状態が、
前記PWMモードの間に、前記インダクタ電流がI VALLEY より低く減少するときにPWM検出をシグナリングすることであって、前記PWMモードから前記PFMモードへの切り替えが、連続するPWMスイッチングサイクルの対応する数からの連続するPWM検出信号の所定の数に少なくとも部分的に基づく、前記シグナリングすることと、
前記PFMモードの間に、前記インダクタ電流がI VALLEY まで減少することに応答して前記オフ時間を終了されることであって、前記PFMモードから前記PWMモードへの切り替えが、如何なるPFMスイッチングサイクルのスキップなしのオフ時間の後に直ちにオン時間が開始される連続するPFMスイッチングサイクルの所定の数を検出することに少なくとも部分的に基づく、前記終了されることと、
含む、方法。 - 入力電源からの入力電圧V IN をレギュレート出力電圧V OUT に変換するように動作可能であり、パルス幅変調(PWM)モードとパルス周波数変調(PFM)モードにおいて動作することが可能な降圧スイッチング電圧レギュレータであって、
前記レギュレータが、
スイッチノード端と出力ノード端とを有するインダクタと、
前記インダクタの前記スイッチノード端に結合されるように構成されるスイッチノードSWに結合されるハイサイド及びローサイドスイッチングトランジスタであって、前記ハイサイドスイッチングトランジスタが前記入力電源と前記SWとの間に結合され、前記ローサイドスイッチングトランジスタが前記SWと回路コモン(common)との間に結合され、前記ハイサイド及びローサイドスイッチングトランジスタがPWM及びPFMモードの間に、前記インダクタがピーク電流まで増加するインダクタ充電電流を受け取るように構成する、前記ハイサイドスイッチングトランジスタがオンで前記ローサイドスイッチングトランジスタがオフの間のオン時間と、前記インダクタが前記オフ時間の終わりまで減少するインダクタ放電電流を提供するように構成する、前記ハイサイドスイッチングトランジスタがオフで前記ローサイドスイッチングトランジスタがオンの間のオフ時間とを備えるスイッチングサイクルに基づいてスイッチングコントローラにより切り替え可能な、前記ハイサイド及びローサイドスイッチングトンラジスタと、
前記PWMとPFMスイッチングモードとの間の遷移を制御するためのモード制御回路要素と、
を含み、
前記モード制御回路要素が、
電流感知信号を生成するために、連続するスイッチングサイクルの前記オフ時間の間に前記ローサイドスイッチングトランジスタを介するインダクタ電流を感知するように構成される電流感知回路要素と、
前記ローサイドスイッチングトランジスタがオンに切り替えられるときに始まる時間にわたり前記電流感知信号を積分し、積分された感知信号を生成するように構成される第1の感知積分器と、
各オフ時間の間に前記電流感知信号を積分し、前記インダクタ電流に対応する積分された感知信号を生成するように構成される第2の感知積分器と、
各オフ時間の間に基準電流を積分し、積分された基準信号を生成するように構成される基準電流積分器であって、前記基準電流が予め定義された平均インダクタ電流I AVE に対応する、前記基準電流積分器と、
I VALLEY =2I AVE −I PEAK に対応する予め定められたモードスイッチング状態に従って、前記積分された感知信号と前記積分された基準信号とに応答して前記PWMとPFMモードとの間で切り換えるように構成されるモードスイッチング回路要素であって、I PEAK が前記オフ時間の開始時に検出されたピークインダクタ電流であり、I VALLEY がI AVE とI PEAK とにより決定されるインダクタ電流値である、前記モードスイッチング回路要素と、
を含み、
前記モードスイッチング状態が、
前記PWMモードの間に、前記インダクタ電流がI VALLEY より低く減少するときにPWM検出をシグナリングすることであって、前記PWMモードからPFMモードへの切り替えが、連続するPWMスイッチングサイクルの対応する数からの連続するPWM検出信号の所定の数に少なくとも部分的に基づく、前記シグナリングすることと、
前記PFMモードの間に、前記インダクタ電流がI VALLEY まで減少することに応答して前記オフ時間が終了させることであって、前記PFMモードからPWMモードへの切り替えが、如何なるPFMスイッチングサイクルのスキップなしのオフ時間の後の直後に開始されるオン時間における連続するPFMスイッチングサイクルの所定の数の前記検出に少なくとも部分的に基づく、前記終了させることと、
を含む、レギュレータ。 - 請求項18に記載のレギュレータであって、
前記電流感知回路要素が、前記電流感知信号を生成するために他の電圧と組み合わされる第1のオフセット電圧を提供するためのオフセット電圧回路要素を含み、固定された基準信号が前記第1のオフセット電圧に関連する基準電圧を用いて生成される、レギュレータ。 - 請求項19に記載のレギュレータであって、
前記第1のオフセット電圧と前記基準電圧とが特定のインダクタ電流に関連する電流を用いて生成され、前記特定のインダクタ電流が前記動作モードの間を切り替えるための前記インダクタ電流のレベルを示す、レギュレータ。 - 請求項20に記載のレギュレータであって、
前記オフセット電圧回路要素が、前記電流感知信号を生成するために、前記第1のオフセット電圧と組み合わされる第2のオフセット電圧を更に提供し、前記第2のオフセット電圧が前記ローサイドスイッチングトランジスタのオン抵抗に関連するオン抵抗を有するオフセットスイッチングトランジスタの両端に生成される、レギュレータ。
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