JP6253344B2 - STEP-UP / DOWN DC / DC CONVERTER, CONTROL CIRCUIT THEREOF, CONTROL METHOD, AND ELECTRONIC DEVICE USING SAME - Google Patents
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Description
本発明は、昇降圧DC/DCコンバータに関する。 The present invention relates to a step-up / step-down DC / DC converter.
直流電圧を昇圧あるいは降圧するために、昇降圧DC/DCコンバータ(スイッチングレギュレータ)が利用される。図1は、昇降圧型DC/DCコンバータの回路図である。DC/DCコンバータ100rは、入力電圧VINを昇圧または降圧することにより、その出力電圧VOUTを所定の目標レベル(以下、目標電圧という)VOUT_REFに安定化させる。
A step-up / step-down DC / DC converter (switching regulator) is used to increase or decrease the DC voltage. FIG. 1 is a circuit diagram of a step-up / step-down DC / DC converter. The DC /
DC/DCコンバータ100rは、出力回路102およびその制御回路200rを備える。出力回路102は、スイッチM1〜M4、インダクタL1および出力キャパシタC1を備える。制御回路200rは、出力電圧VOUTが目標電圧VOUT_REFに近づくようにスイッチM1〜M4をスイッチングする。
The DC /
DC/DCコンバータ100rは、降圧(Buck)モードと昇圧(Boost)モードが切りかえ可能に構成される。具体的にはDC/DCコンバータ100rは、VIN>VOUT_REFのとき降圧モード、VIN<VOUT_REFのとき昇圧モードで動作する。また、DC/DCコンバータ100rは、出力ライン106に接続される負荷(不図示)に供給される負荷電流IOUTの量に応じて、重負荷モード(PWMモードともいう)と軽負荷モード(PFMモード)が切りかえ可能となっている。つまりDC/DCコンバータ100rは、重負荷降圧モード、重負荷昇圧モード、軽負荷降圧モード、軽負荷昇圧モード、の4つのモードで動作する。
The DC /
制御回路200rは、抵抗R1、R2、PFMコントローラ210、PWMコントローラ220、プリドライバ230、モードセレクタ250を備える。
抵抗R1、R2は、出力電圧VOUTを分圧し、フィードバック電圧VFBを生成する。モードセレクタ250は、負荷電流IOUTの量に応じて、軽負荷モードと重負荷モードを切りかえる。またモードセレクタ250は、入力電圧VINと目標電圧VOUT_REFの大小関係に応じて、昇圧モードと降圧モードを切りかえる。
The
The resistors R1 and R2 divide the output voltage VOUT and generate a feedback voltage VFB . The
始めに重負荷モードについて説明する。
PWMコントローラ220は、重負荷モードにおいてアクティブとなり、フィードバック電圧VFBが基準電圧VREFに近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号SPWMを生成する。
First, the heavy load mode will be described.
The
[重負荷降圧モード]
プリドライバ230は、重負荷降圧モードにおいて、スイッチM4をオン、スイッチM3をオフに固定した状態で、パルス信号SPWMにもとづいてスイッチM1およびM2を相補的にスイッチングする。
[Heavy load step-down mode]
Predriver 230 in the heavy load buck mode, the switch M4 ON, while fixing switched off M3, complementarily switching the switches M1 and M2 on the basis of the pulse signal S PWM.
図2(a)は、図1のDC/DCコンバータ100rの重負荷降圧モードの動作波形図である。重負荷降圧モードでは、インダクタL1の一端LX1には、パルス信号SPWMに応じたスイッチング電圧VLX1が印加される。具体的にはパルス信号SPWMがハイレベルのとき、スイッチM1がオン、スイッチM2がオフし、VLX1=VINとなり、パルス信号SPWMがローレベルのとき、スイッチM1がオフ、スイッチM2がオンし、VLX1=VGNDとなる。重負荷降圧モードではスイッチM4が固定的にオンしているため、VLX2≒VOUTとなる。
FIG. 2A is an operation waveform diagram of the heavy load step-down mode of the DC /
[重負荷昇圧モード]
プリドライバ230は重負荷昇圧モードにおいて、スイッチM1をオン、スイッチM2をオフに固定した状態で、パルス信号SPWMにもとづいてスイッチM3およびM4を相補的にスイッチングする。
図2(b)は、図1のDC/DCコンバータ100rの重負荷昇圧モードの動作波形図である。重負荷昇圧モードでは、スイッチM1が固定的にオンするため、インダクタL1の一端LX1には、入力電圧VINが印加される。またインダクタL1の他端LX2には、パルス信号SPWMに応じたスイッチング電圧VLX2が印加される。具体的にはパルス信号SPWMがハイレベルのとき、スイッチM3がオン、スイッチM4がオフし、VLX2=VGNDとなり、パルス信号SPWMがローレベルのとき、スイッチM3がオフ、スイッチM4がオンし、VLX2=VOUTとなる。
[Heavy load boost mode]
In the pre-driver 230 is heavy load boost mode, the switch M1 ON, while fixing switched off M2, complementarily switching the switches M3 and M4 based on the pulse signal S PWM.
FIG. 2B is an operation waveform diagram of the heavy load boost mode of the DC /
続いて軽負荷モードについて説明する。 Next, the light load mode will be described.
[軽負荷降圧モード]
PFMコントローラ210は、軽負荷モードにおいてアクティブとなる。
軽負荷降圧モードでは、スイッチM3がオフ、スイッチM4がオンに固定された状態にて、(i)スイッチM1がオン、スイッチM2がオフの第1状態φ1、(ii)スイッチM1がオフ、スイッチM2がオンの第2状態φ2、(iii)スイッチM1、M2がともにオフする第3状態(ハイインピーダンス状態)φ3、を順に繰り返す。
[Light load step-down mode]
The
In the light load step-down mode, in a state where the switch M3 is off and the switch M4 is fixed on, (i) the first state φ1 in which the switch M1 is on and the switch M2 is off, (ii) the switch M1 is off, The second state φ2 in which M2 is on and (iii) the third state (high impedance state) φ3 in which both the switches M1 and M2 are off are repeated in order.
[軽負荷昇圧モード]
また軽負荷昇圧モードでは、スイッチM1がオン、スイッチM2がオフに固定された状態にて、(i)スイッチM3がオン、スイッチM4がオフの第1状態φ1、(ii)スイッチM3がオフ、スイッチM4がオンの第2状態φ2、(iii)スイッチM3、M4がともにオフする第3状態φ3、を順に繰り返す。
[Light load boost mode]
In the light load boosting mode, the switch M1 is on and the switch M2 is fixed off. (I) The first state φ1 in which the switch M3 is on and the switch M4 is off. (Ii) The switch M3 is off. The second state φ2 in which the switch M4 is on and (iii) the third state φ3 in which both the switches M3 and M4 are off are repeated in order.
PFMコントローラ210は、コンパレータ212およびロジック部214を含む。ロジック部214は、コンパレータ212の出力および図示しない電流検出回路からの信号にもとづき、第1状態φ1、第2状態φ2、第3状態φ3を切りかえる。
The
コンパレータ212は、第3状態φ3においてフィードバック電圧VFBを基準電圧VREFと比較し、VFB<VREFとなると、オン信号S1をアサートする。オン信号S1がアサートされると、ロジック部214は、プリドライバ230を第1状態φ1に遷移させる。
The
第1状態φ1においてインダクタL1に流れるコイル電流ILが時間とともに増大する。PFMコントローラ210は、コイル電流ILが所定のピーク値IPEAKに達すると、プリドライバ230を第2状態φ2に遷移させる。第2状態φ2では、コイル電流ILが時間ともに減少する。そしてPFMコントローラ210は、コイル電流ILが実質的にゼロとなると、プリドライバ230を第3状態φ3に遷移させる。第3状態φ3において、フィードバック電圧VFBが基準電圧VREFまで低下すると、PFMコントローラ210はプリドライバ230を第1状態φ1に遷移させる。
Coil current I L flowing through the inductor L1 increases with time in the first state .phi.1.
図3(a)、(b)は、図1のDC/DCコンバータ100rの軽負荷降圧モードおよび軽負荷昇圧モードの動作波形図である。
3A and 3B are operation waveform diagrams of the light load step-down mode and the light load step-up mode of the DC /
本発明者は、図1のDC/DCコンバータ100rについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
As a result of studying the DC /
軽負荷モードでは、図3(a)、(b)に示すように、出力キャパシタC1が充電され出力電圧VOUTが上昇する状態と、出力キャパシタC1が負荷電流IOUTにより放電され、出力電圧VOUTが低下する状態と、を繰り返す間欠動作を行う。これによりスイッチング周波数が低下し、スイッチング損失を低減することができるが、出力電圧VOUTにはリップル電圧VRIPが重畳される。 In the light load mode, as shown in FIGS. 3A and 3B, the output capacitor C1 is charged and the output voltage VOUT rises, and the output capacitor C1 is discharged by the load current IOUT. An intermittent operation of repeating the state in which OUT decreases is performed. As a result, the switching frequency is lowered and the switching loss can be reduced, but the ripple voltage V RIP is superimposed on the output voltage VOUT .
図4は、図1のDC/DCコンバータ100rの軽負荷モードにおける、目標電圧VOUT_REFと入力電圧VINの差分と、出力電圧VOUTのリップルVRIPとの関係を示す図である。VIN>VOUT_REFのとき降圧モード、VIN<VOUT_REFのとき昇圧モードとなる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the difference between the target voltage V OUT_REF and the input voltage V IN and the ripple V RIP of the output voltage V OUT in the light load mode of the DC /
図4に示すように、降圧モード、昇圧モードいずれの場合においても、VOUT_REFとVINの差分がゼロに近づくにしたがい、リップル電圧VRIPが増大する。 As shown in FIG. 4, the step-down mode, in either case up mode, the difference between V OUT_REF and V IN is in accordance with approaches zero, the ripple voltage V RIP is increased.
なおこの問題を、当業者の一般的な認識と捕らえてはならず、本発明者が独自に認識したものである。また、この問題は、第1状態φ1の長さを固定時間とするPFMコントローラ210においても同様に生じうる。
This problem should not be regarded as a general recognition of those skilled in the art, but has been uniquely recognized by the present inventor. This problem can also occur in the
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、昇降圧DC/DCコンバータにおける出力電圧のリップルの低減にある。 The present invention has been made in view of such a problem, and one of the exemplary purposes of an aspect thereof is to reduce the ripple of the output voltage in the step-up / step-down DC / DC converter.
本発明のある態様は、昇降圧DC/DCコンバータの制御回路に関する。昇降圧DC/DCコンバータは、インダクタと、入力電圧が供給される入力ラインと、負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、インダクタの一端と入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、出力ラインと接続される出力キャパシタと、を含む。制御回路は、軽負荷状態において、第1スイッチから第4スイッチの状態を指示する第1コントローラと、軽負荷状態において、第1コントローラからの指示にもとづいて第1スイッチから第4スイッチの状態を制御するプリドライバと、を備える。第1コントローラは、(a)降圧モード、(b)昇圧モード、(c)昇降圧モードが切りかえ可能であり、かつ昇降圧モードにおいて、(c−1)第1スイッチがオン、第2スイッチがオフ、第3スイッチがオン、第4スイッチがオフとなる第1状態、(c−2)第1スイッチがオフ、第2スイッチがオン、第3スイッチがオフ、第4スイッチがオンとなる第2状態、(c−3)第1スイッチがオフ、第2スイッチがオフ、第3スイッチがオフ、第4スイッチがオフとなる第3状態、を順に繰り返すよう構成される。 One embodiment of the present invention relates to a control circuit for a step-up / step-down DC / DC converter. The step-up / step-down DC / DC converter includes an inductor, an input line to which an input voltage is supplied, an output line to which a load is connected and generates an output voltage, and a first switch provided between one end of the inductor and the input line. A second switch provided between one end of the inductor and the ground line, a third switch provided between the other end of the inductor and the ground line, and provided between the other end of the inductor and the output line. A fourth switch and an output capacitor connected to the output line are included. The control circuit includes: a first controller that instructs a state of the fourth switch from the first switch in the light load state; and a state of the fourth switch from the first switch based on the instruction from the first controller in the light load state. And a pre-driver for controlling. The first controller can switch between (a) step-down mode, (b) step-up mode, and (c) step-up / step-down mode. In the step-up / step-down mode, (c-1) the first switch is turned on and the second switch is turned on Off, first state where third switch is on, fourth switch is off, (c-2) first state where first switch is off, second switch is on, third switch is off, fourth switch is on Two states, (c-3) a third switch in which the first switch is off, the second switch is off, the third switch is off, and the fourth switch is off are sequentially repeated.
この態様によると、入力電圧と出力電圧の目標レベルが近い状態において、昇降圧モードで動作させることにより、出力電圧に重畳されるリップルを低減することができる。 According to this aspect, the ripple superimposed on the output voltage can be reduced by operating in the step-up / step-down mode in a state where the target levels of the input voltage and the output voltage are close.
第1コントローラは、入力電圧が出力電圧の目標レベルより高く設定された第1しきい値より高いとき降圧モードに、入力電圧が出力電圧の目標レベルより低く設定された第2しきい値より低いとき、昇圧モードで、入力電圧が第2しきい値より高く第1しきい値より低いとき、昇降圧モードとなってもよい。 The first controller is in the step-down mode when the input voltage is higher than the first threshold value set higher than the target level of the output voltage, and the input voltage is lower than the second threshold value set lower than the target level of the output voltage. In the boost mode, when the input voltage is higher than the second threshold value and lower than the first threshold value, the step-up / step-down mode may be set.
第1コントローラは、第3状態において出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、フィードバック電圧が基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するコンパレータと、第1状態において、インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するピーク電流検出回路と、第2状態においてコイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するゼロ電流検出回路と、第1状態においてピーク電流検出信号がアサートされると第2状態に遷移し、第2状態においてゼロ電流検出信号がアサートされると第3状態に遷移し、第3状態においてオン信号がアサートされると第1状態に遷移するロジック部と、を含んでもよい。 The first controller compares a feedback voltage corresponding to the output voltage in a third state with a predetermined reference voltage, generates a ON signal that is asserted when the feedback voltage becomes lower than the reference voltage, and in the first state, an inductor A peak current detection circuit that generates a peak current detection signal that is asserted when the coil current flowing through the peak current reaches a peak current, and a zero that generates a zero current detection signal that is asserted when the coil current is substantially zero in the second state. When the peak current detection signal is asserted in the first state, the current detection circuit transits to the second state, transitions to the third state when the zero current detection signal is asserted in the second state, and turns on in the third state And a logic unit that transitions to a first state when the signal is asserted.
ロジック部は、オン信号がアサートされると第1レベルとなり、ピーク電流検出信号がアサートされると第2レベルとなる第1制御信号を生成する第1フリップフロップと、ゼロ電流検出信号がアサートされると第1レベルとなり、第1制御信号がアサートされると第2レベルとなる第2制御信号を生成する第2フリップフロップと、を含んでもよい。 The logic unit is at a first level when the ON signal is asserted, and a first flip-flop that generates a first control signal that is at the second level when the peak current detection signal is asserted, and the zero current detection signal is asserted. Then, a second flip-flop that generates a second control signal that becomes the first level and becomes the second level when the first control signal is asserted may be included.
ピーク電流検出回路は、コイル電流をピーク電流と比較し、比較結果にもとづいてピーク電流検出信号をアサートするよう構成されてもよい。
ピーク電流検出回路は、第1状態が所定時間経過すると、ピーク電流検出信号をアサートするよう構成されてもよい。
The peak current detection circuit may be configured to compare the coil current with the peak current and assert a peak current detection signal based on the comparison result.
The peak current detection circuit may be configured to assert a peak current detection signal when the first state has elapsed for a predetermined time.
第1コントローラは、昇降圧モードにおいて、(c−4)第1状態と第2状態の間に、インダクタの一端と他端に実質的に同電位を印加する第4状態を挿入してもよい。
これにより、昇降圧モードの効率を改善することができる。
In the step-up / step-down mode, the first controller may insert (c-4) a fourth state in which substantially the same potential is applied to one end and the other end of the inductor between the first state and the second state. .
Thereby, the efficiency of the step-up / step-down mode can be improved.
第4状態において、第1スイッチはオン、第2スイッチはオフ、第3スイッチはオフ、第4スイッチはオンとなってもよい。 In the fourth state, the first switch may be on, the second switch may be off, the third switch may be off, and the fourth switch may be on.
第1コントローラは、第3状態において出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、フィードバック電圧が基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するコンパレータと、第1状態において、インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するピーク電流検出回路と、第2状態においてコイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するゼロ電流検出回路と、第1状態においてピーク電流検出信号がアサートされると第4状態に遷移し、第4状態においてオン信号がネゲートされると第2状態に遷移し、第2状態においてゼロ電流検出信号がアサートされると第3状態に遷移し、第3状態においてオン信号がアサートされると第1状態に遷移するロジック部と、を含んでもよい。 The first controller compares a feedback voltage corresponding to the output voltage in a third state with a predetermined reference voltage, generates a ON signal that is asserted when the feedback voltage becomes lower than the reference voltage, and in the first state, an inductor A peak current detection circuit that generates a peak current detection signal that is asserted when the coil current flowing through the peak current reaches a peak current, and a zero that generates a zero current detection signal that is asserted when the coil current is substantially zero in the second state. When the peak current detection signal is asserted in the first state, the current detection circuit transits to the fourth state, transitions to the second state when the ON signal is negated in the fourth state, and zero current detection in the second state When the signal is asserted, the state transits to the third state. When the ON signal is asserted in the third state, A logic unit for Transition to state may include.
ロジック部は、オン信号がアサートされると第1レベルとなり、ピーク電流検出信号がアサートされると第2レベルとなる第1制御信号を生成する第1フリップフロップと、ゼロ電流検出信号がアサートされると第1レベルとなり、第1制御信号がアサートされると第2レベルとなる第2制御信号を生成する第2フリップフロップと、第1制御信号が第1レベルであり、またはオン信号がアサートされるとき第1レベルとなり、それ以外のときに第2レベルとなる第3制御信号を生成する論理ゲートと、を含んでもよい。 The logic unit is at a first level when the ON signal is asserted, and a first flip-flop that generates a first control signal that is at the second level when the peak current detection signal is asserted, and the zero current detection signal is asserted. Then, the second flip-flop generating the second control signal which becomes the first level and becomes the second level when the first control signal is asserted, and the first control signal is the first level, or the ON signal is asserted. And a logic gate that generates a third control signal that is at the first level and is at the second level at other times.
ピーク電流検出回路は、コイル電流をピーク電流と比較し、比較結果にもとづいてピーク電流検出信号をアサートするよう構成されてもよい。
ピーク電流検出回路は、第1状態が所定時間経過すると、ピーク電流検出信号をアサートするよう構成されてもよい。
The peak current detection circuit may be configured to compare the coil current with the peak current and assert a peak current detection signal based on the comparison result.
The peak current detection circuit may be configured to assert a peak current detection signal when the first state has elapsed for a predetermined time.
重負荷状態において、第1スイッチから第4スイッチの状態を指示する第2コントローラをさらに備えてもよい。プリドライバは、重負荷状態において、第2コントローラからの指示にもとづいて第1スイッチから第4スイッチの状態を制御するよう構成されてもよい。 A second controller for instructing the state of the fourth switch from the first switch in the heavy load state may be further provided. The pre-driver may be configured to control the state of the first switch to the fourth switch based on an instruction from the second controller in a heavy load state.
第2コントローラは、(d)降圧モード、(e)昇圧モード、(f)昇降圧モードが切りかえ可能であり、かつ昇降圧モードにおいて、(f−1)第1スイッチがオン、第2スイッチがオフ、第3スイッチがオフ、第4スイッチがオンとなる第5状態、(f−2)第1スイッチがオン、第2スイッチがオフ、第3スイッチがオン、第4スイッチがオフとなる第6状態、(f−3)第1スイッチがオン、第2スイッチがオフ、第3スイッチがオフ、第4スイッチがオンとなる第7状態、(f−4)第1スイッチがオフ、第2スイッチがオン、第3スイッチがオフ、第4スイッチがオンとなる第8状態、を順に繰り返すよう構成されてもよい。 The second controller can switch between (d) step-down mode, (e) step-up mode, and (f) step-up / step-down mode. In the step-up / step-down mode, (f-1) the first switch is on and the second switch is on 5th state in which the third switch is turned off and the fourth switch is turned on, (f-2) the first switch is turned on, the second switch is turned off, the third switch is turned on, and the fourth switch is turned off. 6 states, (f-3) 7th state where the first switch is on, 2nd switch is off, 3rd switch is off, 4th switch is on, (f-4) 1st switch is off, 2nd The eighth state in which the switch is turned on, the third switch is turned off, and the fourth switch is turned on may be sequentially repeated.
制御回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。
The control circuit may be integrated on a single semiconductor substrate.
“Integrated integration” includes the case where all of the circuit components are formed on a semiconductor substrate and the case where the main components of the circuit are integrated. A resistor, a capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate.
本発明の別の態様は、昇降圧DC/DCコンバータに関する。昇降圧DC/DCコンバータは、インダクタと、入力電圧が供給される入力ラインと、負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、インダクタの一端と入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、出力ラインと接続される出力キャパシタと、第1スイッチから第4スイッチを制御する上述のいずれかの制御回路と、を備える。 Another aspect of the present invention relates to a step-up / step-down DC / DC converter. The step-up / step-down DC / DC converter includes an inductor, an input line to which an input voltage is supplied, an output line to which a load is connected and generates an output voltage, and a first switch provided between one end of the inductor and the input line. A second switch provided between one end of the inductor and the ground line, a third switch provided between the other end of the inductor and the ground line, and provided between the other end of the inductor and the output line. A fourth switch; an output capacitor connected to the output line; and any one of the control circuits described above for controlling the fourth switch from the first switch.
本発明の別の態様は電子機器に関する。電子機器は、電池と、その入力ラインに電池の電圧を受ける上述の昇降圧DC/DCコンバータと、を備える。 Another embodiment of the present invention relates to an electronic device. The electronic device includes a battery and the above-described step-up / step-down DC / DC converter that receives the voltage of the battery in its input line.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明のある態様によれば、昇降圧DC/DCコンバータの出力電圧のリップルを低減できる。 According to an aspect of the present invention, the ripple of the output voltage of the step-up / step-down DC / DC converter can be reduced.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are physically directly connected, or the member A and the member B are electrically connected. The case where it is indirectly connected through another member that does not affect the state is also included.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as an electrical condition. It includes the case of being indirectly connected through another member that does not affect the connection state.
図5は、第1の実施の形態に係る昇降圧DC/DCコンバータ(以下、単にDC/DCコンバータともいう)100の構成を示す回路図である。DC/DCコンバータ100は、入力ライン104に入力された入力電圧VINを降圧または昇圧し、所定の目標電圧VOUT_REFに安定化された出力電圧VOUTを、出力ライン106に接続される負荷(不図示)に供給する。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a step-up / step-down DC / DC converter (hereinafter also simply referred to as a DC / DC converter) 100 according to the first embodiment. The DC /
DC/DCコンバータ100は、出力回路102および制御回路200を備える。出力回路102は、第1スイッチM1、第2スイッチM2、第3スイッチM3、第4スイッチM4、インダクタL1、出力キャパシタC1を含む。出力回路102の回路トポロジーは、一般的な昇降圧スイッチングレギュレータのそれと同様である。
The DC /
制御回路200は、フィードバック(FB)端子、2つのスイッチング端子LX1、LX2、接地(GND)端子、入力(IN)端子、出力(OUT)端子を有する。
The
本実施の形態において、第1スイッチM1〜第4スイッチM4は、制御回路200に一体集積化されている。
IN端子は入力ライン104と接続され、入力電圧VINが供給される。LX1端子は、インダクタL1の一端と接続され、LX2端子は、インダクタL1の他端と接続される。OUT端子は出力ライン106と接続される。出力ライン106には、出力キャパシタC1が接続される。GND端子は接地ライン108を介して接地される。
In the present embodiment, the first switch M1 to the fourth switch M4 are integrally integrated in the
The IN terminal is connected to the
第1スイッチM1は、IN端子とLX1端子の間に設けられる。第2スイッチM2は、LX2端子とGND端子の間に設けられる。第3スイッチM3は、LX2端子とGND端子の間に設けられる。第4スイッチM4は、LX2端子とOUT端子の間に設けられる。 The first switch M1 is provided between the IN terminal and the LX1 terminal. The second switch M2 is provided between the LX2 terminal and the GND terminal. The third switch M3 is provided between the LX2 terminal and the GND terminal. The fourth switch M4 is provided between the LX2 terminal and the OUT terminal.
制御回路200は、第1スイッチM1〜第4スイッチM4に加えて、第1コントローラ(PFMコントローラともいう)210、第2コントローラ(PWMコントローラ)220、プリドライバ230、モードセレクタ250、軽負荷検出部252、昇降圧セレクタ254を備える。
In addition to the first switch M1 to the fourth switch M4, the
制御回路200は、軽負荷モードと重負荷モードが切りかえ可能となっている。軽負荷検出部252は、負荷電流IOUTが小さな軽負荷状態を検出する。軽負荷検出部252の構成は特に限定されず、公知技術を用いればよい。たとえば軽負荷検出部252は、負荷電流IOUTを所定のしきい値と比較することにより軽負荷状態を検出してもよい。あるいは軽負荷検出部252は、出力ライン106に接続される負荷から、軽負荷状態を示す通知信号を受け、当該通知信号にもとづいて軽負荷状態を検出してもよい。
The
また制御回路200は、(a)降圧モード、(b)昇圧モードに加えて、(c)昇降圧モードが切りかえ可能に構成される。(a)降圧モード、(b)昇圧モードについては、図1〜図3を参照して説明した通りである。
Further, the
昇降圧セレクタ254は、入力電圧VINと目標電圧VOUT_REFの関係にもとづいて、(a)降圧モード、(b)昇圧モード、(c)昇降圧モードのうちひとつを選択する。
The step-up / down
たとえば昇降圧セレクタ254には、目標電圧VOUT_REFより高い第1しきい値VTH1=VOUT_REF+ΔV1、目標電圧VOUT_REFより低い第2しきい値VTH2=VOUT_REF−ΔV2が設定されている。昇降圧セレクタ254は、VIN>VTH1のとき、降圧モードを選択し、VIN<VTH2のとき昇圧モードを選択し、VTH2<VIN<VTH1のとき昇降圧モードを選択する。
For example, the buck-
モードセレクタ250は、軽負荷検出部252および昇降圧セレクタ254により設定されたモードにもとづいて、PFMコントローラ210、PWMコントローラ220、プリドライバ230を制御する。
The
はじめに、軽負荷モードについて説明する。
本実施の形態に係るDC/DCコンバータ100は、軽負荷状態において、以下の3つのモードのいずれかで動作する。
・軽負荷降圧モード
・軽負荷昇圧モード
・軽負荷昇降圧モード
First, the light load mode will be described.
DC /
・ Light load buck mode ・ Light load boost mode ・ Light load buck-boost mode
PFMコントローラ210は軽負荷モードにおいてアクティブとなり、第1スイッチM1から第4スイッチM4の状態を指示する。プリドライバ230は、軽負荷モードにおいて、PFMコントローラ210からの指示にもとづいて第1スイッチM1から第4スイッチM4の状態を制御する。
The
PFMコントローラ210は、(a)軽負荷降圧モード、(b)軽負荷昇圧モードに加えて、(c)軽負荷昇降圧モードが切りかえ可能に構成される。(a)軽負荷降圧モード、(b)軽負荷昇圧モードについては、図1〜図3を参照して説明した通りである。
The
PFMコントローラ210は、(c)軽負荷昇降圧モードにおいて、以下の状態φ1〜φ3を順に繰り返すよう構成される。なお、各状態の間には、いわゆるデッドタイムを挿入してもよい。
(c−1)第1状態φ
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オン
第4スイッチM4=オフ
(c−2)第2状態φ2
第1スイッチM1=オフ
第2スイッチM2=オン
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
(c−3)第3状態φ3
第1スイッチM1=オフ
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オフ
The
(C-1) First state φ
First switch M1 = ON Second switch M2 = OFF Third switch M3 = ON Fourth switch M4 = OFF (c-2) Second state φ2
First switch M1 = off Second switch M2 = on Third switch M3 = off Fourth switch M4 = on (c-3) Third state φ3
First switch M1 = off Second switch M2 = off Third switch M3 = off Fourth switch M4 = off
続いて重負荷モードについて説明する。
本実施の形態に係るDC/DCコンバータ100は、重負荷状態において、以下の3つのモードのいずれかで動作する。
・重負荷降圧モード
・重負荷昇圧モード
・重負荷昇降圧モード
Next, the heavy load mode will be described.
DC /
-Heavy load buck mode-Heavy load boost mode-Heavy load buck-boost mode
PWMコントローラ220は重負荷モードにおいてアクティブとなり、第1スイッチM1から第4スイッチM4の状態を指示する。プリドライバ230は、重負荷モードにおいて、PWMコントローラ220からの指示にもとづいて第1スイッチM1から第4スイッチM4の状態を制御する。
The
PWMコントローラ220は、(d)重負荷降圧モード、(e)重負荷昇圧モードに加えて、(f)重負荷昇降圧モードが切りかえ可能に構成される。(d)重負荷降圧モード、(e)重負荷昇圧モードについては、図1〜図3を参照して説明した通りである。
The
PWMコントローラ220は、(f)重負荷昇降圧モードにおいて、以下の状態φ5〜φ8を順に繰り返すよう構成される。
(f−1) 第5状態φ5
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
(f−2) 第6状態φ6
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オン
第4スイッチM4=オフ
(f−3) 第7状態φ7
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
(f−4) 第8状態φ8
第1スイッチM1=オフ
第2スイッチM2=オン
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
The
(F-1) Fifth state φ5
First switch M1 = ON Second switch M2 = OFF Third switch M3 = OFF Fourth switch M4 = ON (f-2) Sixth state φ6
First switch M1 = ON Second switch M2 = OFF Third switch M3 = ON Fourth switch M4 = OFF (f-3) Seventh state φ7
First switch M1 = ON Second switch M2 = OFF Third switch M3 = OFF Fourth switch M4 = ON (f-4) Eighth state φ8
First switch M1 = off Second switch M2 = on Third switch M3 = off Fourth switch M4 = on
以上が図5のDC/DCコンバータ100の構成である。続いてその動作を説明する。
図6(a)、(b)は、図5のDC/DCコンバータ100の軽負荷昇降圧モードおよび重負荷昇降圧モードの動作波形図である。
The above is the configuration of the DC /
6A and 6B are operation waveform diagrams of the light load buck-boost mode and the heavy load buck-boost mode of the DC /
軽負荷昇降圧モードにおける端子電圧VLX1は、図3(a)に示す降圧モードの端子電圧VLX1と同じであり、昇降圧モードにおける端子電圧VLX2は、図3(b)に示す昇圧モードの端子電圧VLX1と同じである。 The terminal voltage V LX1 at light load buck-boost mode is the same as the buck mode of the terminal voltage V LX1 shown in FIG. 3 (a), the terminal voltage V LX2 in buck-boost mode, boost mode shown in FIG. 3 (b) Is the same as the terminal voltage V LX1 .
図7は、図5のDC/DCコンバータ100の軽負荷モードにおける、目標電圧VOUT_REFと入力電圧VINの差分と、出力電圧VOUTのリップルVRIPとの関係を示す図である。図7には比較のために、図4のリップル電圧VRIPが破線で示される。DC/DCコンバータ100は、入力電圧VINと目標電圧VOUT_REFが等しい状況において、軽負荷昇降圧モードで動作する。以上がDC/DCコンバータ100の動作である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between the difference between the target voltage V OUT_REF and the input voltage V IN and the ripple V RIP of the output voltage V OUT in the light load mode of the DC /
実施の形態に係るDC/DCコンバータ100によれば、VOUT_REF≒VINの状態において昇降圧モードで動作させることにより、リップルVRIPを低減することができる。
According to DC /
続いて、DC/DCコンバータ100の具体的な構成例を説明する。
Next, a specific configuration example of the DC /
図8は、図5のDC/DCコンバータ100の具体的な構成例を示す回路図である。図8にはPWMコントローラ220は省略されている。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a specific configuration example of the DC /
PFMコントローラ210は、コンパレータ212、ロジック部214、ピーク電流検出回路240、ゼロ電流検出回路242を備える。コンパレータ212は、第3状態φ3において出力電圧VOUTに応じたフィードバック電圧VFBを所定の基準電圧VREFと比較し、フィードバック電圧VFBが基準電圧VREFより低くなるとアサート(たとえばハイレベル)されるオン信号S1を生成する。
The
ピーク電流検出回路240は、第1状態φ1において、インダクタL1に流れるコイル電流ILがピーク電流IPEAKに達するとアサート(たとえばハイレベル)されるピーク電流検出信号S2を生成する。たとえばピーク電流検出回路240は、第1スイッチM1のドレインソース間電圧(電圧降下)を所定のしきい値電圧と比較することにより、ILとIPEAKを比較してもよい。
Peak
ゼロ電流検出回路242は、第2状態φ2においてコイル電流ILが実質的にゼロとなるとアサート(たとえばハイレベル)されるゼロ電流検出信号S3を生成する。ゼロ電流検出回路242は、第2スイッチM2の電圧降下にもとづいてコイル電流ILが実質的にゼロとなったことを検出する降圧用のゼロ電流検出回路242aと、第3スイッチM3の電圧降下にもとづいてコイル電流ILが実質的にゼロとなったことを検出する昇圧用のゼロ電流検出回路242bと、を含む。
Zero current detection circuit 242 generates the zero current detection signal S3 coil current I L is asserted becomes substantially zero (e.g., high level) in the second state .phi.2. The zero current detection circuit 242 includes a step-down zero
なお、ピーク電流検出回路240およびゼロ電流検出回路242の構成は特に限定されない。たとえばコイル電流ILの経路上に既知の検出抵抗を挿入し、検出抵抗の電圧降下を利用してもよい。
Note that the configurations of the peak
ロジック部214は、第1状態φ1においてピーク電流検出信号S2がアサートされると第2状態φ2に遷移し、第2状態φ2においてゼロ電流検出信号S3がアサートされると第3状態φ3に遷移し、第3状態φ3においてオン信号S1がアサートされると第1状態φ1に遷移する。
The
ロジック部214は、第1フリップフロップ216、インバータ217、第2フリップフロップ218、ORゲート219を含む。
The
第1フリップフロップ216は、オン信号S1がアサートされると第1レベル(ハイレベル)となり、ピーク電流検出信号S2がアサートされると第2レベル(ローレベル)となる第1制御信号SCNT1を生成する。たとえば第1フリップフロップ216は、Dフリップフロップであり、その入力Dにはハイレベル電圧VHが、そのクロック端子CKにはオン信号S1が、そのリセット端子(反転論理)には、インバータ217により反転されたピーク電流検出信号S2が入力される。
The first flip-
ORゲート219は、ゼロ電流検出信号S3a、S3bの論理和S3を生成する。第2フリップフロップ218は、ゼロ電流検出信号S3がアサートされると第1レベル(ハイレベル)となり、第1制御信号SCNT1がアサートされると第2レベル(ローレベル)となる第2制御信号SCNT2を生成する。たとえば第2フリップフロップ218は、Dフリップフロップであり、その入力Dにはハイレベル電圧VHが、そのクロック端子CKにはゼロ電流検出信号S3が、そのリセット端子(反転論理)には、第1制御信号SCNT1が入力される。
The OR
ロジック部214は、2つの制御信号SCNT1、SCNT2の組み合わせにより、プリドライバ230の状態を指示する。なお各状態φ1〜φ3と、制御信号SCNT1、SCNT2の割り当ては限定されないが、一例を示す。
φ1: SCNT1=H,SCNT2=L
φ2: SCNT1=L,SCNT2=L
φ3: SCNT1=L,SCNT2=H
The
φ1: S CNT1 = H, S CNT2 = L
φ2: S CNT1 = L, S CNT2 = L
φ3: SCNT1 = L, SCNT2 = H
プリドライバ230は、制御信号SCNT1、SCNT2にもとづいて、第1スイッチM1〜第4スイッチM4を制御する。第4スイッチM4は、並列に接続されたPチャンネルMOSFETとNチャンネルMOSFETを含む。
たとえばプリドライバ230は、降圧用プリドライバ232、昇圧用プリドライバ234、昇圧用プリドライバ236を含む。降圧用プリドライバ232は、第1スイッチM1および第2スイッチM2を制御する。昇圧用プリドライバ234は、第3スイッチM3および第4スイッチM4aを制御する。PFMコントローラ210は、降圧モードにおいてハイレベル、昇圧モードにおいてローレベルとなる制御信号SCNT4を生成する。昇圧用プリドライバ236は、制御信号SCNT4を受け、降圧モードにおいて第4スイッチM4bを固定的にオンし、昇圧モードにおいて第4スイッチM4bを固定的にオフする。
For example, the pre-driver 230 includes a step-down
以上がDC/DCコンバータ100の具体的な構成例である。続いてその動作を説明する。図9は、図8のDC/DCコンバータ100の動作波形図である。
The above is a specific configuration example of the DC /
図8のDC/DCコンバータ100によれば、軽負荷昇降圧モードにおいて、コイル電流ILのピークを維持しながら、各状態φ1〜φ3を制御することが可能となる。
According to the DC /
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態に係るDC/DCコンバータ100によれば、VIN≒VOUTの状態で、軽負荷昇降圧モードで動作させることにより、出力電圧VOUTのリップルを低減することができるが、その反面、効率が低下するという問題が生ずる。第2の実施の形態では、リップルを低減しつつ、効率を改善可能なDC/DCコンバータ100について説明する。
(Second Embodiment)
According to the DC /
第2の実施の形態に係るDC/DCコンバータ100は、図5と同様に構成される。第2の実施の形態では、第1の実施の形態と比べて、軽負荷昇降圧モードの動作が異なっている。具体的には第2の実施の形態では、PFMコントローラ210は、軽負荷昇降圧モードにおいて、(c−4)第1状態φ1と第2状態φ2の間に、インダクタL1の一端LX1と他端LX2に実質的に同電位を印加する第4状態φ4を挿入し、4つの状態φ1〜φ4を遷移する。
The DC /
第4状態φ4において、各スイッチは以下の状態としてもよい。
(c−4)第4状態φ4
第1スイッチM1=オン
第2スイッチM2=オフ
第3スイッチM3=オフ
第4スイッチM4=オン
In the fourth state φ4, each switch may be in the following state.
(C-4) Fourth state φ4
1st switch M1 = on 2nd switch M2 = off 3rd switch M3 = off 4th switch M4 = on
図10は、第2の実施の形態における軽負荷昇降圧モードの動作波形図である。第4状態φ4では、VLX1≒VIN、VLX2≒VOUTとなり、VIN≒VOUTのとき、インダクタL1の両端の電圧VLX1、VLX2が実質的に等しくなる。 FIG. 10 is an operation waveform diagram in the light load buck-boost mode according to the second embodiment. In the fourth state φ4, V LX1 ≈V IN and V LX2 ≈V OUT , and when V IN ≈V OUT , the voltages V LX1 and V LX2 across the inductor L1 are substantially equal.
図11は、第1の実施の形態と第2実施の形態それぞれにおける効率を示す図である。(i)は第1の実施の形態の、(ii)は第2の実施の形態の効率を示す。図11に示すように、軽負荷昇降圧モードにおいて、第4状態φ4を追加することにより、効率を改善することができる。 FIG. 11 is a diagram showing the efficiency in each of the first embodiment and the second embodiment. (I) shows the efficiency of the first embodiment, and (ii) shows the efficiency of the second embodiment. As shown in FIG. 11, the efficiency can be improved by adding the fourth state φ4 in the light load buck-boost mode.
図12は、第2の実施の形態に係るDC/DCコンバータ100aの具体的な構成例を示す回路図である。図12の制御回路200aにはPWMコントローラ220は省略されている。
FIG. 12 is a circuit diagram illustrating a specific configuration example of the DC /
ロジック部214aは、第1状態φ1においてピーク電流検出信号S2がアサートされると第4状態φ4に遷移し、第4状態φ4においてオン信号S1がネゲートされると第2状態φ2に遷移し、第2状態φ2においてゼロ電流検出信号S3がアサートされると第3状態φ3に遷移し、第3状態φ3においてオン信号S1がアサートされると第1状態φ1に遷移する。
The
ロジック部214aは、図8のロジック部214に加えて論理ゲート215を備える。論理ゲート215は、第1制御信号SCNT1が第1レベル(ハイレベル)であり、またはオン信号S1がアサート(ハイレベル)されるとき第1レベル(ハイレベル)となり、それ以外のときに第2レベル(ローレベル)となる第3制御信号SCNT3を生成する。たとえば論理ゲート215は、SCNT1とS1の論理和を生成するORゲートであってもよい。
The
ロジック部214aは、3つの制御信号SCNT1、SCNT2、SCNT3の組み合わせにより、プリドライバ230の状態を指示する。なお各状態φ1〜φ4と、制御信号SCNT1〜SCNT3の割り当ては限定されないが、一例を示す。
φ1: SCNT1=H,SCNT2=L,SCNT3=H
φ4: SCNT1=L,SCNT2=L,SCNT3=H
φ2: SCNT1=L,SCNT2=L,SCNT3=L
φ3: SCNT1=L,SCNT2=H,SCNT3=L
The
φ1: SCNT1 = H, SCNT2 = L, SCNT3 = H
φ4: SCNT1 = L, SCNT2 = L, SCNT3 = H
φ2: SCNT1 = L, SCNT2 = L, SCNT3 = L
φ3: SCNT1 = L, SCNT2 = H, SCNT3 = L
降圧用プリドライバ232は、SCNT2およびSCNT3にもとづいて第1スイッチM1、第2スイッチM2を制御し、昇圧用プリドライバ234は、SCNT1およびSCNT2にもとづいて第3スイッチM3、第4スイッチM4を制御する。
The step-
以上が第2の実施の形態に係るDC/DCコンバータ100aの具体的な構成例である。続いてその動作を説明する。図13は、図12のDC/DCコンバータ100aの動作波形図である。
The above is a specific configuration example of the DC /
図13に示すように、第4状態φ4において、インダクタL1の両端が実質的に同電位となることにより、第4状態φ4の間、コイル電流ILが一定に維持される。第2の実施の形態では、第4状態φ4を挿入することにより、第1の実施の形態と比べてピーク電流IPEAKを維持しつつ、1回のスイッチング動作により出力キャパシタC1に供給される電荷量を増やすことができる。これにより、第1の実施の形態に比べて第3状態φ3を長くとることができ、スイッチング周波数を低下させ、効率を高めることができる。 As shown in FIG. 13, in the fourth state .phi.4, both ends of the inductor L1 by a substantially same potential during a fourth state .phi.4, the coil current I L is kept constant. In the second embodiment, by inserting the fourth state φ4, the charge supplied to the output capacitor C1 by one switching operation is maintained while maintaining the peak current I PEAK as compared with the first embodiment. The amount can be increased. Thereby, the third state φ3 can be made longer than in the first embodiment, the switching frequency can be lowered, and the efficiency can be increased.
続いて、DC/DCコンバータ100の用途を説明する。図14は、DC/DCコンバータ100を用いた電子機器700の一例を示す図である。電子機器700は、たとえば、携帯電話端末、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、PDA(Personal Digital Assistant)、ポータブルオーディオプレイヤなどの電池駆動型デバイスである。電子機器700は、筐体702、電池704、マイクロプロセッサ706およびDC/DCコンバータ100を備える。DC/DCコンバータ100は、その入力ライン104に電池704からの電池電圧VBATを受け、出力ライン106に接続されるマイクロプロセッサ706に、出力電圧VOUTを供給する
Next, the application of the DC /
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such modifications will be described.
(第1の変形例)
実施の形態では、ピーク電流検出回路240は、第1スイッチM1に流れる電流ILが所定のピーク電流IPEAKに達すると、ピーク電流検出信号S2をアサートする場合を説明したが、ピーク電流検出回路240の機能はこれには限定されない。たとえばピーク電流検出回路240は、第1状態φ1が所定時間経過すると、ピーク電流検出信号S2をアサートするよう構成されてもよい。この場合のピーク電流検出回路240は、アナログあるいはデジタルのタイマー回路あるいは遅延回路で構成でき、公知の技術を用いればよい。
(First modification)
In the embodiment, the peak
(第2の変形例)
第2の実施の形態において、オン信号S1がネゲートされたことを契機として、第4状態φ4から第2状態φ2に遷移する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば第4状態φ4の長さを、所定の時間に固定してもよい。
(Second modification)
In the second embodiment, a case has been described in which the transition from the fourth state φ4 to the second state φ2 is triggered by the negation of the ON signal S1, but the present invention is not limited thereto. For example, the length of the fourth state φ4 may be fixed at a predetermined time.
(第3の変形例)
DC/DCコンバータ100の負荷は、マイクロプロセッサの他、液晶ドライバ、別の電源回路、その他アナログ回路、デジタル回路であってもよい。またDC/DCコンバータ100は、電池を充電する充電回路に利用することもできる。
(Third Modification)
The load of the DC /
(第4の変形例)
第1スイッチM1〜第4スイッチM4は、ディスクリート素子であってもよく、制御回路200に外付けされてもよい。
(Fourth modification)
The first switch M1 to the fourth switch M4 may be discrete elements or may be externally attached to the
(第5の変形例)
実施の形態で説明した、各信号のアサート、ネゲートと、ハイレベル、ローレベルの対応関係は一例であり、当業者であれば任意の組み合わせで設計することができる。
(Fifth modification)
The correspondence relationship between the assertion and negation of each signal and the high level and low level described in the embodiment is an example, and those skilled in the art can design any combination.
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments only illustrate the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many variations and modifications of the arrangement are permitted without departing from the spirit of the present invention.
100…DC/DCコンバータ、102…出力回路、104…入力ライン、106…出力ライン、M1…第1スイッチ、M2…第2スイッチ、M3…第3スイッチ、M4…第4スイッチ、L1…インダクタ、C1…出力キャパシタ、R1…第1抵抗、R2…第2抵抗、200…制御回路、210…PFMコントローラ、212…コンパレータ、214…ロジック部、216…第1フリップフロップ、217…インバータ、218…第2フリップフロップ、219…ORゲート、220…PWMコントローラ、215…論理ゲート、230…プリドライバ、232…降圧用プリドライバ、234,236…昇圧用プリドライバ、240…ピーク電流検出回路、242…ゼロ電流検出回路、250…モードセレクタ、252…軽負荷検出部、254…昇降圧セレクタ、S1…オン信号、S2…ピーク電流検出信号、S3…ゼロ電流検出信号、700…電子機器、702…筐体、704…電池、706…マイクロプロセッサ。
DESCRIPTION OF
Claims (19)
前記昇降圧DC/DCコンバータは、
インダクタと、
入力電圧が供給される入力ラインと、
負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、
前記インダクタの一端と前記入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、
前記インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、
前記出力ラインと接続される出力キャパシタと、を含み、
前記制御回路は、
軽負荷状態において、前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を指示する第1コントローラと、
前記軽負荷状態において、前記第1コントローラからの指示にもとづいて前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を制御するプリドライバと、
を備え、
前記第1コントローラは、(a)降圧モード、(b)昇圧モード、(c)昇降圧モードが切りかえ可能であり、かつ前記昇降圧モードにおいて、
(c−1)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオン、前記第4スイッチがオフとなる第1状態、
(c−2)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオン、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第2状態、
(c−3)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオフとなる第3状態、
を順に繰り返すよう構成され、
前記第1コントローラは、
前記第3状態において前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するコンパレータと、
前記第1状態において、前記インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するピーク電流検出回路と、
前記第2状態において前記コイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するゼロ電流検出回路と、
前記第1状態において前記ピーク電流検出信号がアサートされると前記第2状態に遷移し、前記第2状態において前記ゼロ電流検出信号がアサートされると前記第3状態に遷移し、前記第3状態において前記オン信号がアサートされると前記第1状態に遷移するロジック部と、
を含むことを特徴とする制御回路。 A step-up / step-down DC / DC converter control circuit comprising:
The step-up / step-down DC / DC converter
An inductor;
An input line to which an input voltage is supplied;
An output line to which a load is connected and an output voltage is generated; and
A first switch provided between one end of the inductor and the input line;
A second switch provided between one end of the inductor and a ground line;
A third switch provided between the other end of the inductor and a ground line;
A fourth switch provided between the other end of the inductor and the output line;
An output capacitor connected to the output line,
The control circuit includes:
A first controller instructing a state of the fourth switch from the first switch in a light load state;
A pre-driver that controls the state of the fourth switch from the first switch based on an instruction from the first controller in the light load state;
With
The first controller can switch between (a) step-down mode, (b) step-up mode, and (c) step-up / step-down mode, and in the step-up / step-down mode,
(C-1) a first state in which the first switch is on, the second switch is off, the third switch is on, and the fourth switch is off;
(C-2) a second state in which the first switch is off, the second switch is on, the third switch is off, and the fourth switch is on;
(C-3) a third state in which the first switch is off, the second switch is off, the third switch is off, and the fourth switch is off;
Is configured to repeat in order ,
The first controller includes:
A comparator that compares a feedback voltage according to the output voltage with a predetermined reference voltage in the third state, and generates an ON signal that is asserted when the feedback voltage becomes lower than the reference voltage;
A peak current detection circuit that generates a peak current detection signal that is asserted when the coil current flowing through the inductor reaches a peak current in the first state;
A zero current detection circuit that generates a zero current detection signal that is asserted when the coil current is substantially zero in the second state;
When the peak current detection signal is asserted in the first state, the state transits to the second state, and when the zero current detection signal is asserted in the second state, the state transits to the third state. A logic unit that transitions to the first state when the on signal is asserted at
A control circuit comprising:
前記オン信号がアサートされると第1レベルとなり、前記ピーク電流検出信号がアサートされると第2レベルとなる第1制御信号を生成する第1フリップフロップと、
前記ゼロ電流検出信号がアサートされると第1レベルとなり、前記第1制御信号がアサートされると第2レベルとなる第2制御信号を生成する第2フリップフロップと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の制御回路。 The logic part is
A first flip-flop that generates a first control signal that is at a first level when the on signal is asserted and at a second level when the peak current detection signal is asserted;
A second flip-flop that generates a second control signal that is at a first level when the zero current detection signal is asserted and at a second level when the first control signal is asserted;
The control circuit according to claim 1 , comprising:
前記昇降圧DC/DCコンバータは、
インダクタと、
入力電圧が供給される入力ラインと、
負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、
前記インダクタの一端と前記入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、
前記インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、
前記出力ラインと接続される出力キャパシタと、を含み、
前記制御回路は、
軽負荷状態において、前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を指示する第1コントローラと、
前記軽負荷状態において、前記第1コントローラからの指示にもとづいて前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を制御するプリドライバと、
を備え、
前記第1コントローラは、(a)降圧モード、(b)昇圧モード、(c)昇降圧モードが切りかえ可能であり、かつ前記昇降圧モードにおいて、
(c−1)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオン、前記第4スイッチがオフとなる第1状態、
(c−2)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオン、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第2状態、
(c−3)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオフとなる第3状態、
を順に繰り返すよう構成され、
前記第1コントローラは、前記昇降圧モードにおいて、(c−4)前記第1状態と前記第2状態の間に第4状態を挿入し、前記第4状態は、(i)前記インダクタの前記一端と前記他端に実質的に同電位を印加する状態または、(ii)前記第1スイッチはオン、前記第2スイッチはオフ、前記第3スイッチはオフ、前記第4スイッチはオンとなる状態のいずれかであり、
前記第1コントローラは、
前記第3状態において前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するコンパレータと、
前記第1状態において、前記インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するピーク電流検出回路と、
前記第2状態において前記コイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するゼロ電流検出回路と、
前記第1状態において前記ピーク電流検出信号がアサートされると前記第4状態に遷移し、前記第4状態において前記オン信号がネゲートされると前記第2状態に遷移し、前記第2状態において前記ゼロ電流検出信号がアサートされると前記第3状態に遷移し、前記第3状態において前記オン信号がアサートされると前記第1状態に遷移するロジック部と、
を含むことを特徴とする制御回路。 A step-up / step-down DC / DC converter control circuit comprising:
The step-up / step-down DC / DC converter
An inductor;
An input line to which an input voltage is supplied;
An output line to which a load is connected and an output voltage is generated; and
A first switch provided between one end of the inductor and the input line;
A second switch provided between one end of the inductor and a ground line;
A third switch provided between the other end of the inductor and a ground line;
A fourth switch provided between the other end of the inductor and the output line;
An output capacitor connected to the output line,
The control circuit includes:
A first controller instructing a state of the fourth switch from the first switch in a light load state;
A pre-driver that controls the state of the fourth switch from the first switch based on an instruction from the first controller in the light load state;
With
The first controller can switch between (a) step-down mode, (b) step-up mode, and (c) step-up / step-down mode, and in the step-up / step-down mode,
(C-1) a first state in which the first switch is on, the second switch is off, the third switch is on, and the fourth switch is off;
(C-2) a second state in which the first switch is off, the second switch is on, the third switch is off, and the fourth switch is on;
(C-3) a third state in which the first switch is off, the second switch is off, the third switch is off, and the fourth switch is off;
Is configured to repeat in order,
In the step-up / step-down mode, the first controller (c-4) inserts a fourth state between the first state and the second state, and the fourth state is (i) the one end of the inductor. Or (ii) the first switch is on, the second switch is off, the third switch is off, and the fourth switch is on. Either
The first controller includes:
A comparator that compares a feedback voltage according to the output voltage with a predetermined reference voltage in the third state, and generates an ON signal that is asserted when the feedback voltage becomes lower than the reference voltage;
A peak current detection circuit that generates a peak current detection signal that is asserted when the coil current flowing through the inductor reaches a peak current in the first state;
A zero current detection circuit that generates a zero current detection signal that is asserted when the coil current is substantially zero in the second state;
When the peak current detection signal is asserted in the first state, the state transits to the fourth state, and when the on signal is negated in the fourth state, the state transits to the second state, and in the second state, the state A logic unit that transitions to the third state when a zero current detection signal is asserted and transitions to the first state when the on signal is asserted in the third state;
A control circuit comprising:
前記オン信号がアサートされると第1レベルとなり、前記ピーク電流検出信号がアサートされると第2レベルとなる第1制御信号を生成する第1フリップフロップと、
前記ゼロ電流検出信号がアサートされると第1レベルとなり、前記第1制御信号がアサートされると第2レベルとなる第2制御信号を生成する第2フリップフロップと、
前記第1制御信号が前記第1レベルであり、または前記オン信号がアサートされるとき第1レベルとなり、それ以外のときに第2レベルとなる第3制御信号を生成する論理ゲートと、
を含むことを特徴とする請求項8に記載の制御回路。 The logic part is
A first flip-flop that generates a first control signal that is at a first level when the on signal is asserted and at a second level when the peak current detection signal is asserted;
A second flip-flop that generates a second control signal that is at a first level when the zero current detection signal is asserted and at a second level when the first control signal is asserted;
A logic gate that generates a third control signal that is at the first level when the first control signal is at the first level or at which the on signal is asserted and that is at the second level otherwise;
The control circuit according to claim 8 , comprising:
前記プリドライバは、前記重負荷状態において、前記第2コントローラからの指示にもとづいて前記第1スイッチから前記第4スイッチの状態を制御するよう構成されることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の制御回路。 A second controller for instructing a state of the fourth switch from the first switch in a heavy load state;
The pre-driver, said in the heavy load state, according to claim 1 to 11, characterized in that it is configured to control the state of the fourth switch from the first switch based on an instruction from the second controller The control circuit according to any one of the above.
(f−1)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第5状態、
(f−2)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオン、前記第4スイッチがオフとなる第6状態、
(f−3)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第7状態、
(f−4)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオン、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第8状態、
を順に繰り返すよう構成されることを特徴とする請求項12に記載の制御回路。 The second controller can switch between (d) step-down mode, (e) step-up mode, and (f) step-up / step-down mode, and in the step-up / step-down mode,
(F-1) a fifth state in which the first switch is on, the second switch is off, the third switch is off, and the fourth switch is on;
(F-2) a sixth state in which the first switch is on, the second switch is off, the third switch is on, and the fourth switch is off;
(F-3) a seventh state in which the first switch is on, the second switch is off, the third switch is off, and the fourth switch is on;
(F-4) an eighth state in which the first switch is off, the second switch is on, the third switch is off, and the fourth switch is on;
The control circuit according to claim 12 , wherein the control circuit is configured to repeat in order.
インダクタと、
入力電圧が供給される入力ラインと、
負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、
前記インダクタの一端と前記入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、
前記インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、
前記出力ラインと接続される出力キャパシタと、
前記第1スイッチから前記第4スイッチを制御する請求項1から14のいずれかに記載の制御回路と、
を備えることを特徴とする昇降圧DC/DCコンバータ。 A step-up / step-down DC / DC converter,
An inductor;
An input line to which an input voltage is supplied;
An output line to which a load is connected and an output voltage is generated; and
A first switch provided between one end of the inductor and the input line;
A second switch provided between one end of the inductor and a ground line;
A third switch provided between the other end of the inductor and a ground line;
A fourth switch provided between the other end of the inductor and the output line;
An output capacitor connected to the output line;
The control circuit according to any one of claims 1 to 14 , which controls the fourth switch from the first switch;
A step-up / step-down DC / DC converter characterized by comprising:
その入力ラインに前記電池の電圧を受ける請求項15に記載の昇降圧DC/DCコンバータと、
を備えることを特徴とする電子機器。 Battery,
The step-up / step-down DC / DC converter according to claim 15 , which receives the voltage of the battery on its input line.
An electronic device comprising:
前記昇降圧DC/DCコンバータは、
インダクタと、
入力電圧が供給される入力ラインと、
負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、
前記インダクタの一端と前記入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、
前記インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、
前記出力ラインと接続される出力キャパシタと、を含み、
前記制御方法は、順に繰り返し実行される、
(c−1)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオン、前記第4スイッチがオフとなる第1ステップと、
(c−2)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオン、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第2ステップと、
(c−3)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオフとなる第3ステップと、
を備え、
前記制御方法は、
前記第3ステップにおいて前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するステップと、
前記第1ステップにおいて、前記インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するステップと、
前記第2ステップにおいて前記コイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するステップと、
をさらに備え、
前記第1ステップにおいて前記ピーク電流検出信号がアサートされると前記第2ステップに遷移するステップと、
前記第2ステップにおいて前記ゼロ電流検出信号がアサートされると前記第3ステップに遷移するステップと、
前記第3ステップにおいて前記オン信号がアサートされると前記第1ステップに遷移するステップと、
をさらに備えることを特徴とする制御方法。 A control method for a step-up / step-down DC / DC converter,
The step-up / step-down DC / DC converter
An inductor;
An input line to which an input voltage is supplied;
An output line to which a load is connected and an output voltage is generated; and
A first switch provided between one end of the inductor and the input line;
A second switch provided between one end of the inductor and a ground line;
A third switch provided between the other end of the inductor and a ground line;
A fourth switch provided between the other end of the inductor and the output line;
An output capacitor connected to the output line,
The control method is repeatedly executed in order.
(C-1) a first step in which the first switch is on, the second switch is off, the third switch is on, and the fourth switch is off;
(C-2) a second step in which the first switch is off, the second switch is on, the third switch is off, and the fourth switch is on;
(C-3) a third step in which the first switch is off, the second switch is off, the third switch is off, and the fourth switch is off;
With
The control method is:
Comparing a feedback voltage according to the output voltage with a predetermined reference voltage in the third step, and generating an ON signal that is asserted when the feedback voltage becomes lower than the reference voltage;
Generating a peak current detection signal that is asserted when the coil current flowing through the inductor reaches a peak current in the first step;
Generating a zero current detection signal that is asserted when the coil current is substantially zero in the second step;
Further comprising
Transition to the second step when the peak current detection signal is asserted in the first step;
Transition to the third step when the zero current detection signal is asserted in the second step;
Transition to the first step when the ON signal is asserted in the third step;
Furthermore, that control how to be characterized in that it comprises a.
前記第1ステップと前記第2ステップの間に挿入される、前記インダクタの前記一端と前記他端に実質的に同電位を印加する第4ステップをさらに備えることを特徴とする請求項17に記載の制御方法。 The control method is:
18. The method of claim 17 , further comprising a fourth step of applying substantially the same potential to the one end and the other end of the inductor, which is inserted between the first step and the second step. Control method.
前記昇降圧DC/DCコンバータは、
インダクタと、
入力電圧が供給される入力ラインと、
負荷が接続され、出力電圧が発生する出力ラインと、
前記インダクタの一端と前記入力ラインの間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの一端と接地ラインの間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの他端と接地ラインの間に設けられた第3スイッチと、
前記インダクタの他端と出力ラインの間に設けられた第4スイッチと、
前記出力ラインと接続される出力キャパシタと、を含み、
前記制御方法は、順に繰り返し実行される、
(c−1)前記第1スイッチがオン、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオン、前記第4スイッチがオフとなる第1ステップと、
(c−2)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオン、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオンとなる第2ステップと、
(c−3)前記第1スイッチがオフ、前記第2スイッチがオフ、前記第3スイッチがオフ、前記第4スイッチがオフとなる第3ステップと、
前記第1ステップと前記第2ステップの間に挿入される、前記インダクタの前記一端と前記他端に実質的に同電位を印加する第4ステップと、
を備え、
前記制御方法は、
前記第3ステップにおいて前記出力電圧に応じたフィードバック電圧を所定の基準電圧と比較し、前記フィードバック電圧が前記基準電圧より低くなるとアサートされるオン信号を生成するステップと、
前記第1ステップにおいて、前記インダクタに流れるコイル電流がピーク電流に達するとアサートされるピーク電流検出信号を生成するステップと、
前記第2ステップにおいて前記コイル電流が実質的にゼロとなるとアサートされるゼロ電流検出信号を生成するステップと、
前記第1ステップにおいて前記ピーク電流検出信号がアサートされると前記第4ステップに遷移するステップと、
前記第4ステップにおいて前記オン信号がネゲートされると前記第2ステップに遷移するステップと、
前記第2ステップにおいて前記ゼロ電流検出信号がアサートされると前記第3ステップに遷移するステップと、
前記第3ステップにおいて前記オン信号がアサートされると前記第1ステップに遷移するステップと、
をさらに備えることを特徴とする制御方法。 A control method for a step-up / step-down DC / DC converter,
The step-up / step-down DC / DC converter
An inductor;
An input line to which an input voltage is supplied;
An output line to which a load is connected and an output voltage is generated; and
A first switch provided between one end of the inductor and the input line;
A second switch provided between one end of the inductor and a ground line;
A third switch provided between the other end of the inductor and a ground line;
A fourth switch provided between the other end of the inductor and the output line;
An output capacitor connected to the output line,
The control method is repeatedly executed in order.
(C-1) a first step in which the first switch is on, the second switch is off, the third switch is on, and the fourth switch is off;
(C-2) a second step in which the first switch is off, the second switch is on, the third switch is off, and the fourth switch is on;
(C-3) a third step in which the first switch is off, the second switch is off, the third switch is off, and the fourth switch is off;
A fourth step of applying substantially the same potential to the one end and the other end of the inductor, inserted between the first step and the second step;
With
The control method is:
Comparing a feedback voltage according to the output voltage with a predetermined reference voltage in the third step, and generating an ON signal that is asserted when the feedback voltage becomes lower than the reference voltage;
Generating a peak current detection signal that is asserted when the coil current flowing through the inductor reaches a peak current in the first step;
Generating a zero current detection signal that is asserted when the coil current is substantially zero in the second step;
Transition to the fourth step when the peak current detection signal is asserted in the first step;
Transitioning to the second step when the ON signal is negated in the fourth step;
Transition to the third step when the zero current detection signal is asserted in the second step;
Transition to the first step when the ON signal is asserted in the third step;
Furthermore, that control how to be characterized in that it comprises a.
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