JP6837344B2 - DC / DC converter and its control circuit, control method, in-vehicle electrical equipment - Google Patents
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Description
本発明は、DC/DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC / DC converter.
さまざまな電子機器や車両、産業機械において、ある電圧値の直流電圧を別の電圧値の直流電圧に変換するDC/DCコンバータが使用される。図1は、同期整流型の降圧(Buck)DC/DCコンバータ900の回路図である。DC/DCコンバータ900は、入力端子902に直流入力電圧VINを受け、出力端子904に降圧された出力電圧VOUTを発生する。DC/DCコンバータ900の出力段には、スイッチングトランジスタM1、同期整流トランジスタM2、インダクタ(コイル)L1、出力キャパシタC1が設けられる。
In various electronic devices, vehicles, and industrial machines, DC / DC converters that convert a DC voltage of one voltage value into a DC voltage of another voltage value are used. FIG. 1 is a circuit diagram of a synchronous rectification type buck DC /
パルス変調器910は、DC/DCコンバータ900の状態、あるいは出力端子904に接続される負荷(不図示)の状態が目標とする状態に近づくように、デューティ比、周波数、あるいはそれらの組み合わせが変化するパルス信号SPWMを生成する。ドライバ912は、パルス信号SPWMにもとづいてスイッチングトランジスタM1および同期整流トランジスタM2をスイッチングする。
The
たとえば定電圧出力のDC/DCコンバータ900においては、パルス変調器910は、出力電圧VOUTが目標電圧VOUT(REF)に近づくように、パルス信号SPWMを生成する。なお、定電流出力のDC/DCコンバータ900においては、負荷に流れる電流IOUTが目標値IREFに近づくようにパルス信号SPWMが生成されるが、以下の説明では定電圧出力のコンバータについて説明する。
For example, in a constant voltage output DC /
電子機器には、EMC(Electro-Magnetic Compatibility:電磁両立性)、すなわち電磁的に他の機器に悪影響を及ぼさない不干渉性と、他の機器から電磁的に悪影響を受けない耐性とが求められる。前者は、電磁妨害(EMI:Electro Magnetic Interference)として評価され、後者は電磁感受性(EMS:Electro Magnetic Susceptibility)として評価される。EMCに関しては、CISPR(国際無線障害特別委員会)などが、機器がクリアすべき規格を策定している。 Electronic devices are required to have EMC (Electro-Magnetic Compatibility), that is, non-interference that does not electromagnetically adversely affect other devices, and resistance that is not electromagnetically adversely affected by other devices. .. The former is evaluated as Electro Magnetic Interference (EMI), and the latter is evaluated as Electro Magnetic Susceptibility (EMS). Regarding EMC, CISPR (International Special Committee on Radio Interference) and others have established standards that equipment should clear.
DC/DCコンバータはノイズ源として知られている。したがってDC/DCコンバータを搭載した機器においては、EMC規格をクリアするために、DC/DCコンバータにおいてEMIを抑制するための対策が求められる。 DC / DC converters are known as noise sources. Therefore, in a device equipped with a DC / DC converter, measures for suppressing EMI in the DC / DC converter are required in order to clear the EMC standard.
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、ノイズ対策が可能なDC/DCコンバータの提供にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and one of the exemplary purposes of the present invention is to provide a DC / DC converter capable of noise suppression.
本発明のある態様は、DC/DCコンバータの制御回路に関する。制御回路は、スイッチング周波数を規定するための外部抵抗を接続すべき周波数設定端子と、時間とともに周期的に変動するスペクトラム拡散電圧を生成するスペクトラム拡散回路と、第1基準電圧とスペクトラム拡散電圧のうち低い方に応じた周波数設定電圧を、周波数設定端子に印加する電圧選択回路と、外部抵抗に流れる電流に応じた周波数で発振するオシレータと、オシレータが生成する発振信号に応じた周波数を有し、DC/DCコンバータの出力信号が目標電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成するパルス変調器と、を備える。 One aspect of the present invention relates to a control circuit of a DC / DC converter. The control circuit consists of a frequency setting terminal to which an external resistor for defining the switching frequency should be connected, a spectrum spread circuit that generates a spectrum spread voltage that fluctuates periodically with time, and a first reference voltage and a spectrum spread voltage. It has a voltage selection circuit that applies the frequency setting voltage according to the lower one to the frequency setting terminal, an oscillator that oscillates at a frequency corresponding to the current flowing through the external resistor, and a frequency corresponding to the oscillation signal generated by the oscillator. A pulse modulator for generating a pulse signal whose duty ratio is adjusted so that the output signal of the DC / DC converter approaches a target voltage is provided.
この態様によると、周波数設定端子の周波数設定電圧を変動させることにより、オシレータの発振周波数を変動させ、これによりスイッチング周波数をスペクトラム拡散することが可能となり、ノイズ規格をクリヤしやすくなる。 According to this aspect, by fluctuating the frequency setting voltage of the frequency setting terminal, the oscillation frequency of the oscillator is fluctuated, whereby the switching frequency can be spread spectrum, and the noise standard can be easily cleared.
スペクトラム拡散電圧のピーク電圧は、第1基準電圧より低くてもよい。これにより、スイッチング周波数が第1基準電圧でクリップされるのを防止でき、スペクトルが集中するのを防止できる。 The peak voltage of the spread spectrum voltage may be lower than the first reference voltage. As a result, the switching frequency can be prevented from being clipped by the first reference voltage, and the spectrum can be prevented from being concentrated.
制御回路は、DC/DCコンバータの起動時に、時間とともに緩やかに上昇する周波数ソフトスタート電圧を生成するソフトスタート回路をさらに備えてもよい。電圧選択回路は、第1基準電圧およびスペクトラム拡散電圧に加えて、周波数ソフトスタート電圧を受け、それらのうち最も低いひとつに応じた周波数設定電圧を、周波数設定端子に印加してもよい。
ソフトスタート期間において、スイッチング周波数が緩やかに増大し、その逆数であるスイッチング周期は短くなっていく。つまり、起動直後のデューティ比が小さい状態では、スイッチング周期が長くなるため、デューティ比とスイッチング周期の積に応じたパルス幅を最小パルス幅より大きい状態に維持することができる。これによりパルススキップを抑制でき、出力信号のリップルやオーバーシュートを抑制できる。
The control circuit may further include a soft start circuit that generates a frequency soft start voltage that gradually increases over time when the DC / DC converter is started. The voltage selection circuit may receive a frequency soft start voltage in addition to the first reference voltage and the spread spectrum voltage, and apply a frequency setting voltage corresponding to one of the lowest of them to the frequency setting terminal.
During the soft start period, the switching frequency gradually increases, and the switching cycle, which is the reciprocal of the switching frequency, becomes shorter. That is, when the duty ratio immediately after startup is small, the switching cycle becomes long, so that the pulse width corresponding to the product of the duty ratio and the switching cycle can be maintained in a state larger than the minimum pulse width. As a result, pulse skipping can be suppressed, and ripple and overshoot of the output signal can be suppressed.
スペクトラム拡散電圧は、周波数ソフトスタート電圧が第1基準電圧に到達した後に有効となってもよい。 The spread spectrum voltage may become effective after the frequency soft start voltage reaches the first reference voltage.
スペクトラム拡散回路は有効、無効が切りかえ可能であってもよい。スペクトラム拡散を行わなくてもノイズ規格をクリアできる場合には、スペクトラム拡散回路を無効化することで、周波数を安定化できる。 The spread spectrum circuit may be enabled or disabled. If the noise standard can be cleared without spreading spectrum, the frequency can be stabilized by disabling the spread spectrum circuit.
電圧選択回路は、一端が周波数設定端子と接続される第1トランジスタと、一端が第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子に第1基準電圧が印加される第2トランジスタと、一端が第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子にスペクトラム拡散電圧が印加される第3トランジスタと、を含んでもよい。
この構成によれば、第1基準電圧とスペクトラム拡散電圧のうち、低い方を、周波数設定電圧とすることができる。
In the voltage selection circuit, one end is connected to the frequency setting terminal of the first transistor, one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, and the first reference voltage is applied to the control terminal. It may include a transistor and a third transistor whose one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, and a spectrum diffusion voltage is applied to the control terminal.
According to this configuration, the lower of the first reference voltage and the spread spectrum voltage can be set as the frequency setting voltage.
電圧選択回路は、一端が周波数設定端子と接続される第1トランジスタと、第1の非反転入力にスペクトラム拡散電圧を受け、第2の非反転入力に第1基準電圧を受け、反転入力が周波数設定端子と接続され、出力が第1トランジスタの制御端子と接続される第1エラーアンプと、を含んでもよい。
この構成によれば、第1基準電圧とスペクトラム拡散電圧のうち、低い方を、周波数設定電圧とすることができる。
In the voltage selection circuit, a first transistor whose one end is connected to a frequency setting terminal and a first non-inverting input receive a spectrum diffusion voltage, a second non-inverting input receives a first reference voltage, and the inverting input has a frequency. It may include a first error amplifier, which is connected to the setting terminal and whose output is connected to the control terminal of the first transistor.
According to this configuration, the lower of the first reference voltage and the spread spectrum voltage can be set as the frequency setting voltage.
DC/DCコンバータの起動時に、目標電圧は、時間とともに緩やかに上昇する出力ソフトスタート電圧と第2基準電圧のうち低い方に応じていてもよい。周波数ソフトスタート電圧と出力ソフトスタート電圧は比例関係にあってもよい。
パルス信号のデューティ比は、出力ソフトスタート電圧に応じて増大する。一方、パルス信号の周波数は周波数ソフトスタート電圧に比例して増大し、その周期は周波数ソフトスタート電圧に反比例して減少する。したがって周波数ソフトスタート電圧と出力ソフトスタート電圧が実質的に比例関係を有するとき、パルス信号のデューティ比とパルス周期の積、すなわちパルス幅の変動を小さくすることができる。また2つのソフトスタート電圧を生成するハードウェアの一部あるいは全部を共通化できるため、回路面積の増大を抑制できる。
When the DC / DC converter is started, the target voltage may correspond to the lower of the output soft start voltage and the second reference voltage, which gradually increase with time. The frequency soft start voltage and the output soft start voltage may be in a proportional relationship.
The duty ratio of the pulse signal increases with the output soft start voltage. On the other hand, the frequency of the pulse signal increases in proportion to the frequency soft start voltage, and its period decreases in inverse proportion to the frequency soft start voltage. Therefore, when the frequency soft start voltage and the output soft start voltage have a substantially proportional relationship, the product of the duty ratio of the pulse signal and the pulse period, that is, the fluctuation of the pulse width can be reduced. Further, since a part or all of the hardware that generates the two soft start voltages can be shared, an increase in the circuit area can be suppressed.
パルス変調器は、第1の非反転入力に出力ソフトスタート電圧を受け、第2の非反転入力に第2基準電圧を受け、反転入力にDC/DCコンバータの出力信号に応じたフィードバック電圧を受ける第2エラーアンプを含んでもよい。 The pulse modulator receives an output soft start voltage at the first non-inverting input, a second reference voltage at the second non-inverting input, and a feedback voltage at the inverting input according to the output signal of the DC / DC converter. A second error amplifier may be included.
電圧選択回路は、一端が周波数設定端子と接続される第1トランジスタと、一端が第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子に第1基準電圧が印加される第2トランジスタと、一端が第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子にスペクトラム拡散電圧が印加される第3トランジスタと、一端が第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子に周波数ソフトスタート電圧が印加される第4トランジスタと、を含んでもよい。
この構成によれば、第1基準電圧、周波数ソフトスタート電圧およびスペクトラム拡散電圧のうち最も低いひとつを周波数設定電圧とすることができる。
In the voltage selection circuit, one end is connected to the frequency setting terminal of the first transistor, one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, and the first reference voltage is applied to the control terminal. The transistor, one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, the third transistor to which the spectrum diffusion voltage is applied to the control terminal, and one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end. May include a fourth transistor, which is grounded and a frequency soft start voltage is applied to the control terminals.
According to this configuration, the lowest one of the first reference voltage, the frequency soft start voltage and the spread spectrum voltage can be set as the frequency setting voltage.
本発明の別の態様もまた、DC/DCコンバータの制御回路に関する。制御回路は、スイッチング周波数を規定する外部抵抗を接続すべき周波数設定端子と、DC/DCコンバータの起動時に、時間とともに緩やかに上昇し、その後、時間とともに周期的に変動する周波数設定電圧を周波数設定端子に印加する周波数設定回路と、外部抵抗に流れる電流に応じた周波数で発振するオシレータと、オシレータが生成する発振信号に応じた周波数を有し、DC/DCコンバータの出力信号が目標電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成するパルス変調器と、を備える。 Another aspect of the present invention also relates to a control circuit of a DC / DC converter. The control circuit sets the frequency setting terminal to which an external resistor that defines the switching frequency should be connected, and the frequency setting voltage that gradually rises with time when the DC / DC converter is started and then periodically fluctuates with time. It has a frequency setting circuit applied to the terminals, an oscillator that oscillates at a frequency corresponding to the current flowing through the external resistor, and a frequency corresponding to the oscillation signal generated by the oscillator, and the output signal of the DC / DC converter approaches the target voltage. A pulse modulator that generates a pulse signal whose duty ratio is adjusted is provided.
ある態様において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。 In some embodiments, the control circuit may be integrated into a single semiconductor substrate. "Integrated integration" includes cases where all the components of a circuit are formed on a semiconductor substrate or cases where the main components of a circuit are integrated integrally, and some of them are used for adjusting circuit constants. A resistor, a capacitor, or the like may be provided outside the semiconductor substrate.
本発明の別の態様はDC/DCコンバータに関する。DC/DCコンバータは上述のいずれかの制御回路を備える。 Another aspect of the invention relates to a DC / DC converter. The DC / DC converter includes any of the above control circuits.
本発明の別の態様は、車載電装機器に関する。車載電装機器電源は、上述のDC/DCコンバータを備える。 Another aspect of the present invention relates to an in-vehicle electrical device. The in-vehicle electrical equipment power supply includes the above-mentioned DC / DC converter.
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。 It should be noted that any combination of the above components or components and expressions of the present invention that are mutually replaced between methods, devices, systems, and the like are also effective as aspects of the present invention.
さらに、この項目(課題を解決するための手段)の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。 Furthermore, the description of this item (means for solving the problem) does not explain all the essential features of the present invention, and therefore subcombinations of these features described may also be the present invention. ..
本発明のある態様によれば、DC/DCコンバータによるノイズ対策が可能となる。 According to an aspect of the present invention, noise countermeasures can be taken by a DC / DC converter.
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。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on preferred embodiments. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings shall be designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate. Further, the embodiment is not limited to the invention but is an example, and all the features and combinations thereof described in the embodiment 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ず、あるいは機能を阻害し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ず、あるいは機能を阻害し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 the present 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. It also includes cases of being indirectly connected via other members that do not affect the state or interfere with the function.
Similarly, "a state in which the member C is provided between the member A and the member B" means that the member A and the member C, or the member B and the member C are directly connected, and also electrically. It also includes the case of being indirectly connected via another member that does not affect the connection state or interfere with the function.
また、「信号A(電圧、電流)が信号B(電圧、電流)に応じている」とは、信号Aが信号Bと相関を有することを意味し、具体的には、(i)信号Aが信号Bである場合、(ii)信号Aが信号Bに比例する場合、(iii)信号Aが信号Bをレベルシフトして得られる場合、(iv)信号Aが信号Bを増幅して得られる場合、(v)信号Aが信号Bを反転して得られる場合、(vi)あるいはそれらの任意の組み合わせ、等を意味する。「応じて」の範囲は、信号A、Bの種類、用途に応じて定まることが当業者には理解される。 Further, "the signal A (voltage, current) corresponds to the signal B (voltage, current)" means that the signal A has a correlation with the signal B, and specifically, (i) the signal A. Is signal B, (ii) signal A is proportional to signal B, (iii) signal A is obtained by level-shifting signal B, (iv) signal A is obtained by amplifying signal B. If (v) signal A is obtained by inverting signal B, it means (vi) or any combination thereof, and the like. Those skilled in the art will understand that the range of "according to" is determined according to the types and uses of signals A and B.
本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。 The vertical and horizontal axes of the waveform charts and time charts referred to in the present specification are appropriately enlarged or reduced for ease of understanding, and each waveform shown is also simplified for ease of understanding. Or exaggerated or emphasized.
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に関連する課題を説明する。DC/DCコンバータ900ではその起動直後に、出力キャパシタC1への突入電流を防止するため、出力電圧VOUTを緩やかに上昇させるソフトスタート制御が行われる。図2(a)は、ソフトスタート制御を説明する図である。
(First Embodiment)
Issues related to the first embodiment will be described. Immediately after the DC /
ソフトスタート回路914は、時間とともに緩やかに変化するソフトスタート電圧VSSを生成する。パルス変調器910には、出力電圧VOUTを抵抗R11,R12によって分圧して得られるフィードバック信号VFBが入力される。パルス変調器910は、起動直後のソフトスタート期間において、フィードバック信号VFBがソフトスタート電圧VSSに追従するようにパルス信号SPWMを生成し、ソフトスタートの完了後に、フィードバック信号VFBが基準電圧VREFと一致するようにパルス信号SPWMを生成する。
The soft-
本発明者は、スイッチング周波数が高いDC/DCコンバータ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 a DC / DC converter having a high switching frequency, the present inventor has come to recognize the following problems.
図2(b)は、スイッチング周波数の高いDC/DCコンバータで生ずる問題を説明する図である。パルス信号SPWMのデューティ比は、入力電圧VINと出力電圧VOUTの比に応じて定まる。起動直後において入力電圧VINと出力電圧VOUTの比が大きいため、パルス信号SPWMのデューティ比は非常に小さくなる。パルス信号SPWMのパルス幅は、デューティ比とスイッチング周期(PWM周期)の積であるところ、スイッチング周波数の高いDC/DCコンバータでは、パルス信号SPWMのパルス幅が非常に短くなる。 FIG. 2B is a diagram illustrating a problem that occurs in a DC / DC converter having a high switching frequency. The duty ratio of the pulse signal S PWM is determined according to the ratio of the input voltage V IN and the output voltage V OUT. Since the ratio of the input voltage V IN to the output voltage V OUT is large immediately after the start-up, the duty ratio of the pulse signal S PWM becomes very small. The pulse width of the pulse signal S PWM is the product of the duty ratio and the switching cycle (PWM cycle). In a DC / DC converter having a high switching frequency, the pulse width of the pulse signal S PWM becomes very short.
パルス発生器910やドライバ912は、応答遅延を有する。スイッチングトランジスタM1を有効にターンオンすることができるパルス幅には、応答遅延に起因する下限が存在する。またパルス発生器910自体が発生できるパルス幅にも、応答遅延に起因する下限が存在する。ソフトスタート期間において、パルス信号SPWMのパルス幅が、これらの下限(最小パルス幅TMINとする)より短くなると、サイクルバイサイクルでスイッチングトランジスタM1をスイッチングさせることができず、パルスの歯抜け(パルススキップという)が発生する。スイッチングトランジスタM1がターンオンしないサイクルでは、出力電圧VOUTが上昇せず、したがってフィードバック信号VFBとソフトスタート電圧VSSの誤差が大きくなる。そうすると、次のサイクルではパルス信号SPWMのデューティ比が大きくなり、1サイクルでの出力電圧VOUTの変動幅が大きくなる。
The
このような動作によって、スイッチング周波数が高いDC/DCコンバータでは、ソフトスタート期間中の出力電圧VOUTのリップル幅が大きくなり、あるいはオーバーシュートが発生し、起動が不安定になるという問題が生ずる。この問題は特に、ソフトスタート時間が長いアプリケーションにおいて顕著となる。 Due to such an operation, in a DC / DC converter having a high switching frequency, there arises a problem that the ripple width of the output voltage V OUT during the soft start period becomes large or an overshoot occurs and the start-up becomes unstable. This problem is especially noticeable in applications with long soft start times.
以上が、第1の実施の形態に関連する課題である。 The above is the problem related to the first embodiment.
図3は、第1の実施の形態に係るDC/DCコンバータ100Aの回路図である。DC/DCコンバータ100Aは同期整流型の降圧(Buck)コンバータであり、入力端子102に直流入力電圧VINを受け、出力端子104に降圧された出力電圧VOUTを発生する。DC/DCコンバータ100Aは、出力回路110および制御回路200Aを備える。本実施の形態では、一例として定電圧出力のDC/DCコンバータを説明する。
FIG. 3 is a circuit diagram of the DC /
出力回路110は、スイッチングトランジスタM1、同期整流トランジスタM2、インダクタL1、出力キャパシタC1、抵抗R11,R12を含む。本実施の形態においてスイッチングトランジスタM1はPチャンネルMOSFETであり、同期整流トランジスタM2はNチャンネルMOSFETであり、それらは制御回路200Aに内蔵されている。
The
スイッチングトランジスタM1と同期整流トランジスタM2の接続点をスイッチング(SW)端子と称する。端子は、ピンと読み替えてもよい。インダクタL1は、SW端子と出力端子104の間に設けられる。出力キャパシタC1は、出力端子104に接続される。抵抗R11,R12は、制御対象である出力電圧VOUTを分圧して得られる検出電圧(フィードバック信号)VFBを制御回路200Aのフィードバック(FB)端子に供給する。抵抗R11,R12は制御回路200Aに内蔵されてもよい。
The connection point between the switching transistor M 1 and the synchronous rectifier transistor M 2 is referred to as a switching (SW) terminal. The terminal may be read as a pin. The inductor L 1 is provided between the SW terminal and the
制御回路200Aは、スイッチングトランジスタM1、同期整流トランジスタM2に加えて、パルス変調器210、ドライバ230、周波数設定回路220A、オシレータ260を備える。制御回路200Aは好ましくはひとつの半導体基板に一体集積化された機能IC(Integrated Circuit)である。スイッチングトランジスタM1のソースはVIN端子と、そのドレインはSW端子と接続される。また同期整流トランジスタM2のドレインはSW端子と接続され、そのソースはGND端子と接続される。イネーブル(EN)端子には、外部から制御回路200A(DC/DCコンバータ100A)の動作、停止を指示するイネーブル信号ENが入力される。
The
パルス変調器210はメインロジック218を含む。イネーブル信号ENがアサート(たとえばハイ)されると、図示しない内部の基準電圧源や基準電流源をアクティブとして、その他の回路ブロックを動作可能な状態とし、ソフトスタート回路240にソフトスタート電圧VSS1,VSS2の生成開始を指示する。ソフトスタート回路240は、動作開始の指示を受けると、時間的に緩やかに増大するソフトスタート電圧VSS1,VSS2生成する。ソフトスタート電圧VSS2(VSS1)が増大する期間(その前後を含んでもよい)をソフトスタート期間TSSと称する。
The
パルス変調器210は、DC/DCコンバータ100Aもしくは出力端子104に接続される負荷(不図示)の状態が目標値に近づくように、スイッチングトランジスタM1のオンオフを指示するパルス信号SPWM(ハイサイドパルスSH)および同期整流トランジスタM2のオンオフを指示するローサイドパルスSLを生成する。
上述のようにDC/DCコンバータ100Aは定電圧出力であり、パルス変調器210は、DC/DCコンバータ100Aの出力電圧VOUTを制御対象とする。具体的にはパルス変調器210は、FB端子にフィードバックされたフィードバック電圧VFBが、その目標値VREFに近づくように、パルス信号SPWM(SHおよびSL)生成する。
As described above, the DC /
パルス変調器210は、公知技術を用いればよく、その制御方式、構成は特に限定されない。制御方式に関しては、電圧モード、ピーク電流モード、平均電流モード、ヒステリシス制御(Bang-Bang制御)、ボトム検出オン時間固定(COT:Constant On Time)方式などを採用しうる。またパルス信号SPWMの変調方式としては、その限りではないが、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)が採用しうる。パルス変調器210の構成に関しては、エラーアンプやコンパレータを用いたアナログ回路で構成してもよいし、デジタル演算処理を行うプロセッサで構成してもよいし、アナログ回路とデジタル回路の組み合わせで構成してもよい。またパルス変調器210は、負荷の状態に応じて制御方式を切りかえてもよい。
The
パルス変調器210の動作モードは、負荷の状態に応じて可変であってもよい。たとえば重負荷状態ではパルス変調器210はPWMモードで動作し、軽負荷状態では、PFM(Pulse Frequency Modulation)モードで動作してもよい。PWMモード(特に電流連続モード)において、ハイサイドパルスSHとローサイドパルスSLは相補的な信号となる。
The operation mode of the
ドライバ230は、パルス信号SPWM(ハイサイドパルスSH)にもとづきスイッチングトランジスタM1を駆動し、ローサイドパルスSLにもとづき同期整流トランジスタM2を駆動する。
The
周波数設定端子(RT端子)には、スイッチング周波数fSWを規定するための外部抵抗RTが接続される。周波数設定回路220Aは、DC/DCコンバータ100Aの起動時に、時間とともに緩やかに上昇し、その後、一定値を維持する周波数設定電圧VRTをRT端子に印加する。
周波数設定回路220Aは、ソフトスタート回路240と電圧選択回路250を含む。ソフトスタート回路240は、DC/DCコンバータ100Aの起動時に、時間とともに緩やかに上昇する周波数ソフトスタート電圧VSS1および出力ソフトスタート電圧VSS2を生成する。周波数ソフトスタート電圧VSS1と出力ソフトスタート電圧VSS2は、比例関係を有することが好ましく、一方(たとえばVSS1)は、他方(たとえばVSS2)を分圧して生成してもよい。
The frequency setting terminal (RT terminal), the external R T resistor for defining the switching frequency f SW is connected. The frequency setting circuit 220A applies a frequency setting voltage VRT to the RT terminal, which gradually rises with time when the DC /
The frequency setting circuit 220A includes a
電圧選択回路250は、第1基準電圧VREF1と周波数ソフトスタート電圧VSS1のうち低い方に応じた電圧(周波数設定電圧)VRTを、RT端子に印加する。その結果、外部抵抗RTにはRT端子を介して電流IOSCが流れる。
IOSC=VRT/RT
The
I OSC = V RT / R T
オシレータ260は、外部抵抗RTに流れる電流IOSCに応じた周波数で発振する。オシレータ260の構成は特に限定されない。たとえばオシレータ260は、キャパシタと、電流IOSCに比例した電流でキャパシタを充電する充電回路と、キャパシタの電圧をしきい値と比較するコンパレータと、コンパレータの出力に応じてキャパシタの電圧がしきい値に達するとキャパシタの電荷を放電する放電回路と、を含んでもよい。
The
パルス変調器210は、オシレータ260が生成する発振信号SOSCと同期して動作し、したがってパルス信号SPWMは発振信号SOSCに応じた周波数を有する。
The pulse modulator 210 operates in synchronization with the oscillation signal SOSC generated by the
パルス変調器210は、DC/DCコンバータの起動時に、フィードバック信号VFBが、出力ソフトスタート電圧VSS2と第2基準電圧VREF2のうち低い方に応じた目標電圧に近づくように、パルス信号SPWMのデューティ比を調節する。
周波数ソフトスタート電圧VSS1が第1基準電圧VREF1に到達するまでの時間と、出力ソフトスタート電圧VSS2が第2基準電圧VREF2に到達するまでの時間は、実質的に等しいことが望ましい。 It is desirable that the time required for the frequency soft start voltage V SS1 to reach the first reference voltage V REF1 and the time required for the output soft start voltage V SS2 to reach the second reference voltage V REF2 are substantially equal.
以上が制御回路200AおよびDC/DCコンバータ100Aの構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the configuration of the
図4は、図3のDC/DCコンバータ100Aの動作波形図である。時刻t0にイネーブル信号ENがアサートされると、周波数ソフトスタート電圧VSS1および出力ソフトスタート電圧VSS2が上昇し始める。出力ソフトスタート電圧VSS2の上昇に追従して、出力電圧VOUTは緩やかに上昇していく。時刻t1に出力ソフトスタート電圧VSS2が第2基準電圧VREF2に達すると、それ以降、出力電圧VOUTは目標電圧VOUT(REF)に安定化される。
FIG. 4 is an operation waveform diagram of the DC /
起動開始直後において、周波数ソフトスタート電圧VSS1は低いため、オシレータ260の発振周波数すなわちDC/DCコンバータ100Aのスイッチング周波数fSWは低く、PWM周期TSWは長くなっている。周波数ソフトスタート電圧VSS1の上昇にともないスイッチング周波数fSWは上昇し、PWM周期TSWは短くなっていく。
Immediately after the start of startup, since the frequency soft start voltage VSS1 is low, the oscillation frequency of the
時刻t1とほぼ時を同じくして、出力ソフトスタート電圧VSS2が第2基準電圧VREF2に到達する。時刻t1以降、スイッチング周波数fSWは、第1基準電圧VREF1に応じた値に安定化される。 And also the time almost the time t 1, the output soft-start voltage V SS2 reaches the second reference voltage V REF2. After time t 1, the switching frequency f SW is the are stabilized to a value corresponding to the first reference voltage V REF1.
以上がDC/DCコンバータ100Aの動作である。
ソフトスタート期間TSSにおいて、スイッチング周波数fSWが緩やかに増大し、その逆数であるスイッチング周期TSWは短くなっていく。つまり、起動直後において、入出力電圧の比が大きくパルス信号SPWMのデューティ比が小さい状態では、スイッチング周期TSWが長くなる。これによりデューティ比とスイッチング周期TPの積に応じたパルス幅(スイッチングトランジスタM1のオン時間)TONを、最小パルス幅TMINより大きい状態に維持することができる。これによりパルススキップを抑制でき、出力電圧VOUTのリップルやオーバーシュートを抑制できる。
The above is the operation of the DC /
In the soft start period TSS , the switching frequency fSW gradually increases, and the switching cycle TSW, which is the reciprocal of the switching frequency fSW, becomes shorter. That is, immediately after the start-up, when the ratio of the input / output voltage is large and the duty ratio of the pulse signal S PWM is small, the switching cycle TSW becomes long. As a result, the pulse width (ON time of the switching transistor M 1 ) T ON corresponding to the product of the duty ratio and the switching period T P can be maintained in a state larger than the minimum pulse width T MIN. As a result, pulse skipping can be suppressed, and ripple and overshoot of the output voltage V OUT can be suppressed.
また、スイッチング周波数fSWを規定する周波数ソフトスタート電圧VSS1は、出力電圧VOUTを規定する出力ソフトスタート電圧VSS2が第2基準電圧VREF2に到達するのと実質的に同時に、第1基準電圧VREF1に到達する。出力電圧VOUTが目標電圧VOUT(REF)に安定化されると、負荷が動作し始めるところ、第1の実施の形態によれば、出力電圧VOUTの安定化後は、スイッチング周波数fSWを安定化できる。 Further, the frequency soft start voltage V SS1 that defines the switching frequency f SW is the first reference at substantially the same time that the output soft start voltage V SS2 that defines the output voltage V OUT reaches the second reference voltage V REF2. The voltage V REF1 is reached. When the output voltage V OUT is stabilized to the target voltage V OUT (REF) , the load starts to operate. According to the first embodiment , after the output voltage V OUT is stabilized, the switching frequency f SW Can be stabilized.
なお、周波数ソフトスタート電圧VSS1が第1基準電圧VREF1に到達する時刻は、出力ソフトスタート電圧VSS2が第2基準電圧VREF2に到達する時刻より前であってもよい。 The time when the frequency soft start voltage V SS1 reaches the first reference voltage V REF1 may be earlier than the time when the output soft start voltage V SS2 reaches the second reference voltage V REF2.
さらに、2つのソフトスタート電圧VSS1,VSS2を比例関係を有するように生成することにより、以下の利点を享受できる。パルス信号SPWMのデューティ比は、出力ソフトスタート電圧VSS2に応じて増大し、パルス信号SPWMの周波数fSWは周波数ソフトスタート電圧VSS1に比例して増大し、その周期TSWは周波数ソフトスタート電圧VSS1に反比例して減少する。したがってパルス信号SPWMのデューティ比とパルス周期TSWの積、すなわちパルス幅TONの変動を小さくすることができる。 Further, by generating the two soft start voltages V SS1 and V SS2 so as to have a proportional relationship, the following advantages can be enjoyed. The duty ratio of the pulse signal S PWM is increased in accordance with the output soft-start voltage V SS2, the frequency f SW of the pulse signal S PWM increases in proportion to the frequency soft-start voltage V SS1, frequency software that cycle T SW It decreases in inverse proportion to the start voltage V SS1. Therefore, the product of the duty ratio of the pulse signal S PWM and the pulse period T SW , that is, the fluctuation of the pulse width T ON can be reduced.
図5は、周波数ソフトスタート電圧VSS1の別の波形図である。起動開始に際し、周波数ソフトスタート電圧VSSを0V(ゼロボルト)スタートとすると、起動直後のスイッチング周波数が低く、PWM周期TSWが長くなりすぎる場合がある。そこで、図5に示すように、ソフトスタートの開始から所定時間TFIXの間、周波数ソフトスタート電圧VSS1をある下限電圧VMINに固定してもよい。この場合、下限電圧VMINに応じて、起動時のスイッチング周波数の下限、言い換えればPWM周期TSWの上限を規定することができる。この場合においても所定時間TFIXの終了後、周波数ソフトスタート電圧VSS1と出力ソフトスタート電圧VSS2の比例関係は保たれている。 FIG. 5 is another waveform diagram of the frequency soft start voltage VSS1. Upon activation start, when 0V (zero volts) starting frequency soft start voltage V SS, there is a case where the switching frequency just after the start is low, PWM cycle T SW is too long. Therefore, as shown in FIG. 5, the frequency soft start voltage V SS1 may be fixed to a certain lower limit voltage V MIN for a predetermined time TFIX from the start of the soft start. In this case, the lower limit of the switching frequency at startup, in other words, the upper limit of the PWM cycle T SW , can be defined according to the lower limit voltage V MIN. After completion of the predetermined time T FIX In this case, the frequency soft start voltage V SS1 is proportional output soft-start voltage V SS2 is maintained.
本発明は、図3のブロック図や断面図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。 The present invention extends to various devices and methods grasped as a block diagram or a cross-sectional view of FIG. 3 or derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. Hereinafter, more specific configuration examples and examples will be described not for narrowing the scope of the present invention but for helping to understand the essence and operation of the invention and clarifying them.
図6(a)、(b)は、電圧選択回路250の構成例を示す回路図である。図6(a)の電圧選択回路250は、第1トランジスタQ21〜第3トランジスタQ23を含む。第1トランジスタQ21はNPNバイポーラトランジスタであり、その一端(エミッタ)はRT端子と接続される。第2トランジスタQ22および第3トランジスタQ23は、PNPバイポーラトランジスタであり、それらの一端(エミッタ)は接地され、それらの他端(コレクタ)は第1トランジスタQ21の制御端子(ベース)と接続される。第2トランジスタQ22の制御端子(ベース)には第1基準電圧VREF1が印加され、第3トランジスタQ23の制御端子には周波数ソフトスタート電圧VSS1が印加される。第1トランジスタQ21のベースは、抵抗R21(あるいは電流源)によってバイアスされる。
6 (a) and 6 (b) are circuit diagrams showing a configuration example of the
第1トランジスタQ21のベースには、VSS1+VBEと、VREF1+VBEのうち、低い一方が現れる。第1トランジスタQ21はエミッタフォロアとして動作し、RT端子には、第1トランジスタQ21のベース電位よりVBE低い電圧、すなわち、VSS1とVREF1のうち低い一方min(VSS1,VREF1)が印加される。これによりオシレータには、IOSC=min(VSS1,VREF1)/RTが供給される。 At the base of the first transistor Q 21 , one of V SS1 + V BE and V REF1 + V BE , whichever is lower, appears. The first transistor Q 21 operates as an emitter follower, and the RT terminal has a voltage V BE lower than the base potential of the first transistor Q 21 , that is, one of V SS1 and V REF 1 , which is lower, min (V SS1 , V REF1 ). Is applied. As a result, I OSC = min (V SS1 , V REF1 ) / RT is supplied to the oscillator.
図6(b)の電圧選択回路250は、3入力のエラーアンプ(オペアンプ)EA1と、トランジスタQ31を含む。トランジスタQ31の一端(エミッタ)はRT端子と接続される。エラーアンプEA1は、2つの非反転入力端子(+)と、ひとつの反転入力端子(−)を有し、2つの非反転入力端子(+)の電圧のうち低い一方と、反転入力端子(−)の電圧の誤差を増幅する。電圧選択回路250と抵抗RTは定電流源を形成しており、RT端子には、VSS1とVREF1の低い電圧が現れ、オシレータには、IOSC=min(VSS1,VREF1)/RTが供給される。
図6(a)、(b)において、バイポーラトランジスタをFETに置換してもよく、この場合、ベース、エミッタ、コレクタを、ゲート、ソース、ドレインと読み替えればよい。 In FIGS. 6A and 6B, the bipolar transistor may be replaced with an FET, in which case the base, emitter and collector may be read as gate, source and drain.
図7は、ソフトスタート回路240の構成例を示す回路図である。ソフトスタート回路240は、スロープ電圧生成回路242、分圧回路244およびスイッチ246を含む。スロープ電圧生成回路242は、時間とともに増大するスロープ電圧VC41を発生する。たとえばスロープ電圧生成回路242は、キャパシタC41および電流源CS41を含む。キャパシタC41の一端は接地される。電流源CS41は、ソフトスタート開始信号SS_STARTのアサートに応答してアクティブとなり、キャパシタC41を定電流で充電する。キャパシタC41に生ずるスロープ電圧VC41は、時間経過とともに一定の傾きで増大する。
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration example of the
抵抗R41,R42を含む分圧回路244は、スロープ電圧VC41を分圧し、周波数ソフトスタート電圧VSS1を生成する。スイッチ246は分圧回路244と直列に設けられている。ソフトスタート期間中、スイッチ246はオンである。スイッチ246は、VSS1>VREF1となった後にオフとなる。たとえばスイッチ246は、ソフトスタート期間TSSの完了を通知するソフトスタート完了信号SS_ENDに応じて制御することができる。これにより、ソフトスタート完了後にスイッチング周波数が安定化した後、抵抗R41,R42により無駄な電力が消費されるのを防止できる。
The
スロープ電圧VC41を、出力ソフトスタート電圧VSS2として利用してもよい。あるいはスロープ電圧VC41を、別の抵抗分圧回路によって分圧し、出力ソフトスタート電圧VSS2を生成してもよい。2つのソフトスタート電圧VSS1,VSS2の生成に関して、キャパシタC41、電流源CS41を共通化できるため、回路面積を小さくできる。 The slope voltage VC41 may be used as the output soft start voltage VSS2. Alternatively, the slope voltage VC41 may be divided by another resistance voltage divider circuit to generate the output soft start voltage VSS2. Regarding the generation of the two soft start voltages V SS1 and V SS 2 , the capacitor C 41 and the current source CS 41 can be shared, so that the circuit area can be reduced.
図8は、制御回路200Aの具体的な構成例を示す回路図である。電流検出回路270は、スイッチングトランジスタM1のオン時間中に、インダクタL1に流れるコイル電流IL(言い換えればスイッチングトランジスタM1のドレイン電流IM1)を検出し、ドレイン電流IM1を示す電流検出信号VCSを生成する。電流検出回路270の構成は特に限定されず、たとえばスイッチングトランジスタM1のオン抵抗を利用してドレイン電流IM1を検出してもよいし、ドレイン電流IM1(あるいはコイル電流IL)の経路上にセンス抵抗を挿入し、センス抵抗の電圧降下を検出してもよい。電流検出回路270は、インダクタL1の両端間の電圧にもとづいてコイル電流ILを検出してもよい。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a specific configuration example of the
パルス変調器210は、ピーク電流モードのパルス幅変調器である。パルス変調器210は、エラーアンプ212、PWMコンパレータ214、スロープ補償器216、メインロジック218を備える。エラーアンプ212は、出力ソフトスタート電圧VSS2と第2基準電圧VREF2の低い一方と、フィードバック電圧VFBとの誤差を増幅し、誤差信号VERRを生成する。エラーアンプ212は3入力のオペアンプで構成してもよい。スロープ補償器216は、電流検出回路270からの電流検出信号VCSに、スロープ信号VSLOPEを重畳する。
The
PWMコンパレータ214は、誤差信号VERRと、スロープ補償後の電流検出信号VCS’を比較し、電流検出信号VCS’が誤差信号VERRに達すると、リセット信号SRESETをアサート(たとえばハイ)する。メインロジック218は、リセット信号SRESETのアサートに応答して、パルス信号SPWMを、スイッチングトランジスタM1のオフに対応するレベル(オフレベル、たとえばロー)に遷移させる。
オシレータ260は、電流IOSCに応じた周波数を有するセット信号SSETを生成する。メインロジック218はセット信号SSETのエッジに応答して、パルス信号SPWMを、スイッチングトランジスタM1のオンに対応するレベル(オンレベル、たとえばハイ)に遷移させる。ソフトスタート期間において、オシレータ260が生成するセット信号SSETの周波数は低く、その後、時間経過とともに上昇していく。
The
続いて、第1の実施の形態に関連する変形例を説明する。
周波数ソフトスタート電圧VSS1を生成するソフトスタート回路240と、出力ソフトスタート電圧VSS2を生成するソフトスタート回路240は、独立した別個の回路であってもよい。
Subsequently, a modification related to the first embodiment will be described.
The
また、ソフトスタート電圧(スロープ電圧)の生成方法は、キャパシタを充電する方式には限定されない。たとえばソフトスタート回路は、デジタル回路で構成してもよく、一例として、時間とともにカウント値が増加するデジタルカウンタと、カウント値をソフトスタート電圧に変換するD/Aコンバータと、を含んでもよい。 Further, the method of generating the soft start voltage (slope voltage) is not limited to the method of charging the capacitor. For example, the soft start circuit may be composed of a digital circuit, and as an example, a digital counter whose count value increases with time and a D / A converter that converts the count value into a soft start voltage may be included.
(第2の実施の形態)
図9は、第2の実施の形態に係るDC/DCコンバータ100Bの回路図である。この実施の形態において周波数設定回路220Bは、時間とともに周期的に変動する周波数設定電圧VRTをRT端子に印加する。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a circuit diagram of the DC /
周波数設定回路220Bは、スペクトラム拡散回路280および電圧選択回路250を含む。スペクトラム拡散回路280は、時間とともに周期的に変動するスペクトラム拡散電圧VSPSを生成する。スペクトラム拡散回路280は、起動直後のソフトスタート期間中においては非アクティブであり、その出力電圧VSPSは、第1基準電圧VREF1より高い電圧レベルに保持されている。周波数設定回路220Bは、第1基準電圧VREF1とスペクトラム拡散電圧VSPSのうち低い方に応じた周波数設定電圧VRTを、RT端子に印加する。たとえばスペクトラム拡散回路280には、ソフトスタート期間TSSの終了タイミングの近傍でアサートされるSPSON信号が入力されており、スペクトラム拡散回路280はSPSON信号のアサートに応答して、アクティブとなる。
The
スペクトラム拡散電圧VSPSのピーク電圧VPEAKは、第1基準電圧VREF1より低いことが好ましい。より好ましくはスペクトラム拡散電圧VSPSは、第1基準電圧VREF1よりわずかに低い電圧レンジで変動することが好ましい。 The peak voltage V PEAK of the spread spectrum voltage V SPS is preferably lower than the first reference voltage V REF1. More preferably, the spread spectrum voltage V SPS fluctuates in a voltage range slightly lower than the first reference voltage V REF1.
スペクトラム拡散電圧VSPSは、三角波であってもよいし、ランプ波であってもよいし、サイン波であってもよいし、その他の周期波形であってもよい。スペクトラム拡散回路280の構成は特に限定されず、所望の波形を生成可能な公知の回路を用いることができる。
The spread spectrum voltage V SPS may be a triangular wave, a ramp wave, a sine wave, or another periodic waveform. The configuration of the
スペクトラム拡散回路280は、イネーブル信号SPS_ENに応じて有効、無効が切りかえ可能である。無効の場合、スペクトラム拡散回路280の出力電圧VSPSは、SS_END信号がアサートされた後も第1基準電圧VREF1より高いレベルに固定される。これによりRT端子には常時、第1基準電圧VREF1が印加されることとなり、スペクトラム拡散の機能が無効化される。
The
以上がDC/DCコンバータ100Bの構成である。続いてその動作を説明する。図10は、図9のDC/DCコンバータ100Bの動作波形図である。時刻t0にイネーブル信号ENがアサートされると、出力ソフトスタート電圧VSS2が上昇し始める。出力ソフトスタート電圧VSS2の上昇に追従して、出力電圧VOUTは緩やかに上昇していく。時刻t1に出力ソフトスタート電圧VSS2が第2基準電圧VREF2に達すると、それ以降、出力電圧VOUTは目標電圧VOUT(REF)に安定化される。
The above is the configuration of the DC /
時刻t1より前において、スペクトラム拡散回路280は非アクティブであり、スペクトラム拡散回路280の出力電圧VSPSは、第1基準電圧VREF1より高いレベルに固定されており、RT端子には、第1基準電圧VREF1が印加されている。DC/DCコンバータ100Bのスイッチング周波数fSWは、第1基準電圧VREF1に応じて固定されている。
In before time t 1, the
時刻t1にDC/DCコンバータ100Bの起動が完了し、ソフトスタート完了信号SS_ENDがアサートされると、スペクトラム拡散回路280がアクティブとなり、RT端子には、スペクトラム拡散回路280が生成するスペクトラム拡散電圧VSPSが印加される。これにより、DC/DCコンバータ100Bのスイッチング周波数fSWは、スペクトラム拡散電圧VSPSに応じて周期的に変動する。図11は、制御回路200BにおけるRT端子の電圧VRTと、オシレータ280の発生する発振信号SOSC(クロック信号)を示す図である。
Starting of the DC /
以上が制御回路200Bの動作である。図12は、図9の制御回路200Bにおけるノイズのスペクトラムを示す図である。(i)は、図9の制御回路200Bにおいてスペクトラム拡散回路280を有効化したときのスペクトラムを、(ii)は、スペクトラム拡散回路280を無効化したときのスペクトラムを示す。
The above is the operation of the
図12から分かるように、スペクトラム拡散回路280を有効化することにより、スイッチングノイズのスペクトルを拡散することができ、ピーク強度を抑制できる。
As can be seen from FIG. 12, by enabling the
図13は、スペクトラム拡散回路280の構成例を示す回路図である。このスペクトラム拡散回路280は、三角波発生回路である。
FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration example of the
電圧源282は、スペクトラム拡散電圧VSPSのピークを規定する上側しきい値VPEAK、ボトムを規定する下側しきい値VBOTTOMを生成する。充放電回路284は、キャパシタC51の充電、放電を繰り返す。コンパレータ286は、キャパシタC51の電圧VSPSを、しきい値電圧VPEAK,VBOTTOMと比較する。充放電回路284は、コンパレータ286の出力がハイのとき放電状態、ローのとき充電状態となる。電圧源282は、コンパレータ286の出力がハイのとき、下側しきい値VBOTTOMを出力し、コンパレータ286の出力がローのとき、上側しきい値VPEAKを出力する。
The
電圧源282は、抵抗R51〜R54からなる抵抗分圧回路を備える。基準電圧VREFを分圧することにより、第1基準電圧VREF1および2つのしきい値VPEAK,VBOTTOMが生成される。これにより、VPEAK<VREF1の関係が保証される。スイッチSWH、スイッチSWLは、コンパレータ286の出力に応じて相補的にオン、オフする。スイッチSWHがオンのときVPEAKが出力され、スイッチSWLがオンのときVBOTTOMが出力される。
The
充放電回路284は、カレントミラー回路CM51,CM52および定電流源CS51を備える。定電流源CS51は、SPS_ON信号がアサートされるとオン状態となり、基準電流IREFを生成する。カレントミラー回路CM51は、定電流源CS51が生成する基準電流IREFをコピーし、充電電流ICHGを生成する。カレントミラー回路CM52は、定電流源CS51が生成する基準電流IREFをコピーし、放電電流IDISを生成する。カレントミラー回路CM52は、コンパレータ286の出力がハイのとき動作し、ローのとき停止する。IDIS>ICHGが成り立っており、コンパレータ286の出力がハイのとき、キャパシタC51はIDIS−ICHGで放電され、コンパレータ286の出力がローのとき、キャパシタC51はICHGで充電される。
The charge /
この構成によれば、図11に示すようなスペクトラム拡散電圧VSPSを生成できる。 According to this configuration, the spread spectrum voltage VSPS as shown in FIG. 11 can be generated.
図14(a)、(b)は、図9の電圧選択回路250の構成例を示す回路図である。図14(a)、(b)の電圧選択回路250は、図6(a)、(b)の電圧選択回路250と同様に構成することができる。
14 (a) and 14 (b) are circuit diagrams showing a configuration example of the
(第3の実施の形態)
図15は、第3の実施の形態に係るDC/DCコンバータ100Cの回路図である。DC/DCコンバータ100Cは、第1の実施の形態と第2の実施の形態の組み合わせと把握できる。
(Third Embodiment)
FIG. 15 is a circuit diagram of the DC /
周波数設定回路220Cは、DC/DCコンバータ100Cの起動時に、時間とともに緩やかに上昇し、その後、時間とともに周期的に変動する周波数設定電圧VRTをRT端子に印加する。
The frequency setting circuit 220C applies a frequency setting voltage VRT to the RT terminal, which gradually rises with time when the DC /
周波数設定回路220Cは、ソフトスタート回路240、スペクトラム拡散回路280、電圧選択回路250Cを含む。
The
ソフトスタート回路240は、第1の実施の形態で説明したのと同様に、周波数ソフトスタート電圧VSS1と、出力ソフトスタート電圧VSS2を生成する。電圧選択回路250Cは、第1基準電圧VREF1、スペクトラム拡散電圧VSPS、周波数ソフトスタート電圧VSS1を受け、それらのうち最も低いひとつに応じた周波数設定電圧VRTを、RT設定端子に印加する。
The
以上が制御回路200Cの構成である。続いてその動作を説明する。図16は、図15のDC/DCコンバータ100Cの動作波形図である。
The above is the configuration of the
時刻t0にイネーブル信号ENがアサートされると、周波数ソフトスタート電圧VSS1および出力ソフトスタート電圧VSS2が上昇し始める。出力ソフトスタート電圧VSS2の上昇に追従して、出力電圧VOUTは緩やかに上昇していく。 When the enable signal EN is asserted at time t 0, the frequency soft-start voltage V SS1 and outputs the soft-start voltage V SS2 begins to increase. Following the rise in the output soft start voltage V SS2 , the output voltage V OUT gradually rises.
また周波数ソフトスタート電圧VSS1の上昇に追従して、スイッチング周波数fSWが上昇していく。言い換えれば動作開始直後のスイッチング周波数fSWが低くなるため、パルス信号SPWMのパルス幅が狭くなりすぎてパルススキップが発生するのを抑制できる。 Further, the switching frequency f SW increases following the increase in the frequency soft start voltage VSS1. In other words, since the switching frequency f SW immediately after the start of operation becomes low, it is possible to suppress the pulse width of the pulse signal S PWM from becoming too narrow and the occurrence of pulse skipping.
時刻t1に出力ソフトスタート電圧VSS2が第2基準電圧VREF2に達すると、それ以降、出力電圧VOUTは目標電圧VOUT(REF)に安定化される。そしてソフトスタート期間の終了を示すSS_END信号がアサートされる。その結果、RT端子にはスペクトラム拡散電圧VSPSが印加され、周期的に変動する。スイッチング周波数fSWは周波数設定電圧VRTに追従して変動する。 When the output soft-start voltage V SS2 at time t 1 reaches the second reference voltage V REF2, thereafter, the output voltage V OUT is stabilized at the target voltage V OUT (REF). Then, the SS_END signal indicating the end of the soft start period is asserted. As a result, a spread spectrum voltage V SPS is applied to the RT terminal and fluctuates periodically. The switching frequency f SW fluctuates following the frequency set voltage VRT.
以上が制御回路200Cの動作である。これによれば、第1の実施の形態と第2の実施の形態の利点の両方を享受できる。また、ハードウェアとして電圧選択回路250を共通化できるため、回路面積の増大も抑えることができる。
The above is the operation of the
図17は、電圧選択回路250の構成例を示す回路図である。電圧選択回路250Cは、第1トランジスタQ41〜第4トランジスタQ44を含む。第1トランジスタQ41のエミッタはRT端子と接続される。第2トランジスタQ42〜第4トランジスタQ44のエミッタは、第1トランジスタQ41のベースと共通に接続され、それらのソースは接地される。第2トランジスタQ42のベースには第1基準電圧VREF1が印加され、第3トランジスタQ43のベースにはスペクトラム拡散電圧VSPSが印加され、第4トランジスタQ44のベースには周波数ソフトスタート電圧VSS1が印加される。
FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration example of the
この構成によれば、3つの電圧VSS1,VSPS,VREF1のうち最も低い電圧をRT端子に印加することができる。 According to this configuration, the lowest voltage among the three voltages V SS1 , V SPS , and V REF1 can be applied to the RT terminal.
(用途)
図18は、DC/DCコンバータ100を備える車載電装機器300のブロック図である。車載電装機器300は、DC/DCコンバータ100に加えて、バッテリ302、マイコン304、負荷306を備える。バッテリ302は、たとえば12V(あるいは24V)のバッテリ電圧VBATを生成する。DC/DCコンバータ100はバッテリ電圧VBATを入力電圧VINとして受け、負荷306に最適な電圧レベルを有する出力電圧VOUTを生成する。負荷306は特に限定されず、各種ECU(Electronic Control Unit)、オーディオ回路、カーナビゲーションシステムなどが例示される。マイコン304は、車載電装機器300を統合的に制御するホストプロセッサであり、制御回路200に対してEN信号を出力する。また制御回路200のFLG端子を監視し、制御回路200において発生する異常を検知すると、適切な保護処理を実行する。
(Use)
FIG. 18 is a block diagram of an in-vehicle
自動車などの車両には、多くの電子部品が搭載されるため、車載電装機器300には、厳しいEMCが要求される。実施の形態に係るDC/DCコンバータ100によれば、車載電装機器300に要求される規格をクリアすることが可能となる。
Since many electronic components are mounted on vehicles such as automobiles, strict EMC is required for the in-vehicle
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 above based on the embodiments. This embodiment is an example, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible for each of these components and combinations of each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such a modification will be described.
出力回路110の構成、トポロジーにはさまざまな変形が存在する。DC/DCコンバータのハイサイドのスイッチングトランジスタはNチャンネルMOSFETであってもよい。またスイッチングトランジスタM1および同期整流トランジスタM2は、制御回路200に外付けされてもよい。また同期整流トランジスタM2に代えて整流ダイオード(ショットキーダイオード)を備えるダイオード整流型のDC/DCにも本発明は適用可能である。
There are various variations in the configuration and topology of the
DC/DCコンバータは、降圧型に限定されず、昇圧型や昇降圧型にも本発明は適用可能である。また、フライバックコンバータなどのようにトランスを用いたコンバータにも本発明は適用しうる。 The DC / DC converter is not limited to the step-down type, and the present invention can be applied to the step-up type and the step-up / down type. The present invention can also be applied to a converter using a transformer such as a flyback converter.
実施の形態ではスイッチングトランジスタM1や同期整流トランジスタM2がMOSFETである場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。 In the embodiment, the case where the switching transistor M 1 and the synchronous rectifier transistor M 2 are MOSFETs has been described, but the present invention is not limited to this, and may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
抵抗R11,R12は、制御回路200に外付けされてもよい。
The resistors R 11 and R 12 may be externally attached to the
DC/DCコンバータ100の用途は車載電装機器に限定されず、小型電子機器やコンピュータなどにも利用可能である。
The application of the DC /
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 and phrases based on the embodiments, the embodiments merely indicate the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many modifications and arrangement changes are permitted without departing from the ideas of the present invention.
100…DC/DCコンバータ、102…入力端子、104…出力端子、110…出力回路、M1…スイッチングトランジスタ、M2…同期整流トランジスタ、L1…インダクタ、C1…出力キャパシタ、200…制御回路、210…パルス変調器、212…エラーアンプ、214…PWMコンパレータ、216…スロープ補償器、218…メインロジック、220…周波数設定回路、230…ドライバ、240…ソフトスタート回路、242…スロープ電圧生成回路、244…分圧回路、246…スイッチ、250…電圧選択回路、260…オシレータ、270…電流検出回路、SPWM…パルス信号、280…スペクトラム拡散回路、300…車載電装機器、302…バッテリ、304…マイコン、306…負荷。 100 ... DC / DC converter, 102 ... input terminal, 104 ... output terminal, 110 ... output circuit, M 1 ... switching transistor, M 2 ... synchronous rectifying transistor, L 1 ... inductor, C 1 ... output capacitor, 200 ... control circuit , 210 ... Pulse modulator, 212 ... Error amplifier, 214 ... PWM comparator, 216 ... Slope compensator, 218 ... Main logic, 220 ... Frequency setting circuit, 230 ... Driver, 240 ... Soft start circuit, 242 ... Slope voltage generation circuit , 244 ... voltage dividing circuit, 246 ... switch, 250 ... voltage selection circuit, 260 ... oscillator, 270 ... current detection circuit, S PWM ... pulse signal, 280 ... spectrum diffusion circuit, 300 ... in-vehicle electrical equipment, 302 ... battery, 304 ... microcomputer, 306 ... load.
Claims (15)
スイッチング周波数を規定するための外部抵抗を接続すべき周波数設定端子と、
時間とともに周期的に変動するスペクトラム拡散電圧を生成するスペクトラム拡散回路と、
第1基準電圧と前記スペクトラム拡散電圧のうち低い方に応じた周波数設定電圧を、前記周波数設定端子に印加する電圧選択回路と、
前記外部抵抗に流れる電流に応じた周波数で発振するオシレータと、
前記オシレータが生成する発振信号に応じた周波数を有し、前記DC/DCコンバータの出力信号が目標電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成するパルス変調器と、
前記DC/DCコンバータの起動時に、時間とともに緩やかに上昇する周波数ソフトスタート電圧を生成するソフトスタート回路と、
を備え、
前記電圧選択回路は、前記第1基準電圧および前記スペクトラム拡散電圧に加えて、前記周波数ソフトスタート電圧を受け、それらのうち最も低いひとつに応じた前記周波数設定電圧を、前記周波数設定端子に印加することを特徴とする制御回路。 It is a control circuit of a DC / DC converter.
A frequency setting terminal to which an external resistor to specify the switching frequency should be connected, and
A spread spectrum circuit that generates a spread spectrum voltage that fluctuates periodically over time,
A voltage selection circuit that applies a frequency setting voltage corresponding to the lower of the first reference voltage and the spread spectrum voltage to the frequency setting terminal, and
An oscillator that oscillates at a frequency corresponding to the current flowing through the external resistor,
A pulse modulator that has a frequency corresponding to the oscillation signal generated by the oscillator and generates a pulse signal whose duty ratio is adjusted so that the output signal of the DC / DC converter approaches the target voltage.
A soft-start circuit that generates a frequency soft-start voltage that gradually rises over time when the DC / DC converter is started.
Bei to give a,
The voltage selection circuit receives the frequency soft start voltage in addition to the first reference voltage and the spectrum diffusion voltage, and applies the frequency setting voltage corresponding to the lowest one of them to the frequency setting terminal. A control circuit characterized by that.
一端が前記周波数設定端子と接続される第1トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子に前記第1基準電圧が印加される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子に前記スペクトラム拡散電圧が印加される第3トランジスタと、
を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の制御回路。 The voltage selection circuit
A first transistor whose one end is connected to the frequency setting terminal,
A second transistor in which one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, and the first reference voltage is applied to the control terminal.
A third transistor in which one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, and the spread spectrum voltage is applied to the control terminal.
The control circuit according to any one of claims 1 to 4 , wherein the control circuit comprises.
一端が前記周波数設定端子と接続される第1トランジスタと、
第1の非反転入力に前記スペクトラム拡散電圧を受け、第2の非反転入力に前記第1基準電圧を受け、反転入力が前記周波数設定端子と接続され、出力が前記第1トランジスタの制御端子と接続される第1エラーアンプと、
を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の制御回路。 The voltage selection circuit
A first transistor whose one end is connected to the frequency setting terminal,
The first non-inverting input receives the spread spectrum voltage, the second non-inverting input receives the first reference voltage, the inverting input is connected to the frequency setting terminal, and the output is connected to the control terminal of the first transistor. The first error amplifier to be connected and
The control circuit according to any one of claims 1 to 4 , wherein the control circuit comprises.
前記周波数ソフトスタート電圧と前記出力ソフトスタート電圧は比例関係にあることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。 When the DC / DC converter is started, the target voltage corresponds to the lower of the output soft start voltage and the second reference voltage, which gradually increase with time.
The control circuit according to claim 1 , wherein the frequency soft start voltage and the output soft start voltage are in a proportional relationship.
一端が前記周波数設定端子と接続される第1トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子に前記第1基準電圧が印加される第2トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子に前記スペクトラム拡散電圧が印加される第3トランジスタと、
一端が前記第1トランジスタの制御端子と接続され、他端が接地され、制御端子に前記周波数ソフトスタート電圧が印加される第4トランジスタと、
を含むことを特徴とする請求項7または8に記載の制御回路。 The voltage selection circuit
A first transistor whose one end is connected to the frequency setting terminal,
A second transistor in which one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, and the first reference voltage is applied to the control terminal.
A third transistor in which one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, and the spread spectrum voltage is applied to the control terminal.
A fourth transistor in which one end is connected to the control terminal of the first transistor, the other end is grounded, and the frequency soft start voltage is applied to the control terminal.
7. The control circuit according to claim 7 or 8.
スイッチング周波数を規定する外部抵抗を接続すべき周波数設定端子と、
前記DC/DCコンバータの起動時に、時間とともに緩やかに上昇し、その後、時間とともに周期的に変動する周波数設定電圧を前記周波数設定端子に印加する周波数設定回路と、
前記外部抵抗に流れる電流に応じた周波数で発振するオシレータと、
前記オシレータが生成する発振信号に応じた周波数を有し、前記DC/DCコンバータの出力信号が目標電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成するパルス変調器と、
を備えることを特徴とする制御回路。 It is a control circuit of a DC / DC converter.
A frequency setting terminal to which an external resistor that defines the switching frequency should be connected, and
A frequency setting circuit that gradually rises with time when the DC / DC converter is started, and then applies a frequency setting voltage that periodically fluctuates with time to the frequency setting terminal.
An oscillator that oscillates at a frequency corresponding to the current flowing through the external resistor,
A pulse modulator that has a frequency corresponding to the oscillation signal generated by the oscillator and generates a pulse signal whose duty ratio is adjusted so that the output signal of the DC / DC converter approaches the target voltage.
A control circuit characterized by comprising.
前記DC/DCコンバータの起動時に、時間とともに緩やかに上昇する周波数ソフトスタート電圧を生成するステップと、
スイッチング周波数を規定する抵抗に、第1基準電圧、時間とともに周期的に変動するスペクトラム拡散電圧および前記周波数ソフトスタート電圧のうち最も低いひとつに応じた周波数設定電圧を印加するステップと、
前記抵抗に流れる電流に応じた周波数の発振信号を生成するステップと、
前記発振信号に応じた周波数を有し、前記DC/DCコンバータの出力信号が目標電圧に近づくようにデューティ比が調節されるパルス信号を生成するステップと、
前記パルス信号に応じて前記DC/DCコンバータのスイッチングトランジスタを駆動するステップと、
を備えることを特徴とする制御方法。 It is a control method of DC / DC converter.
When the DC / DC converter is started, a step of generating a frequency soft start voltage that gradually increases with time, and
A step of applying a first reference voltage, a spread spectrum voltage that periodically fluctuates with time, and a frequency setting voltage corresponding to one of the lowest frequency soft start voltages to a resistor that defines a switching frequency.
A step of generating an oscillation signal having a frequency corresponding to the current flowing through the resistor, and
A step of generating a pulse signal having a frequency corresponding to the oscillation signal and adjusting the duty ratio so that the output signal of the DC / DC converter approaches the target voltage.
A step of driving the switching transistor of the DC / DC converter in response to the pulse signal,
A control method characterized by comprising.
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