KR100581042B1

KR100581042B1 - 피 에프 엠 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로 및 스위칭 레귤레이터

Info

Publication number: KR100581042B1
Application number: KR1019990005410A
Authority: KR
Inventors: 스도미노루
Original assignee: 세이코 인스트루 가부시키가이샤
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2006-05-16
Also published as: KR19990072734A; JP2946091B2; TW423199B; US6281668B1; JPH11235023A

Abstract

본원 발명은 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터에서 공급전압이 높은 경우, 리플전압을 억제하기 위한 것이며, PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터의 PFM 듀티비에 공급 전압 의존성이 부여되어 공급 전압이 높은 경우에는 PFM-듀티비를 줄이도록 한다.

Description

피 에프 엠 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로 및 스위칭 레귤레이터 {SWITCHING REGULATOR CONTROL CIRCUIT OF PFM SYSTEM AND SWITCHING REGULATOR THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로를 도시한 설명도,

도 2a는 도 1에 도시한 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 작동을 설명하기 위한 설명도,

도 2b는 도 1에 도시한 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 작동을 설명하기 위한 또 다른 설명도,

도 3은 종래의 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 및 본 발명에 따른 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터에서 리플전류의 공급전압 의존성을 도시한 설명도,

도 4는 본 발명에 따른 부스트 형(boost type) 스위칭 레귤레이터 구성을 설명하기 위한 설명도,

도 5는 종래의 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로를 도시한 설명도,

도 6은 도 4에서 도시한 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 작동을 설명하기 위한 설명도,

도 7은 도 1에 도시한 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 작동을 설명하기 위한 설명도,

도 8은 도 1에 도시한 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 작동을 설명하기 위한 또 다른 설명도,

도 9는 도 1에 도시한 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 전압발생회로(100)을 도시하는 설명도,

도 10은 도 1에 도시한 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로의 전압발생회로(100)를 도시하는 설명도, 그리고

도 11은 본 발명에 따른 스텝-다운 형(step-down type) 스위칭 레귤레이터의 구성을 설명하는 설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11, 12: 분압 저항 13, 16: 비교기

17: AND 게이트 22: 스위치 소자

23: 정류소자 24: 출력 커패시터

30: 스위칭 레귤레이터 제어회로

본 발명은, 입력 전원 전압이 낮은 경우에도, 스위칭 레귤레이터(switching regulator)의 입력 전원 전압의 값에 따라 큰 전류를 부하로 공급할 수 있으며, 또한 입력 전원 전압이 높은 경우에도 리플 전압(ripple voltage)이 낮은 펄스 주파수 변조(PFM: pulse frequency modulation) 시스템의 스위칭 레귤레이터 및 스위칭 레귤레이터 제어회로에 관한 것이다.

종래의 PFM 스위칭 레귤레이터 제어회로로는 도 5의 회로도로 도시한 것과 같은 스위칭 레귤레이터 제어 회로가 널리 알려져 있다. 이에 따르면, 스위칭 레귤레이터 출력단(5)의 출력전압 Vout을 분할하는 분압 저항 (11, 12)의 노드 전압을 제1기준전압회로(10)의 기준전압값(Vref)과 비교하는 비교기(13)가 제공된다. 기준전압회로(10)의 출력전압이 Vref이고, 분압 저항(11, 12)의 노드 전압을 Va라면, Vref > Va 일 때, 비교기(13)의 출력 Vcomp는 하이(H)로 되고, 반대로 Vref < Va 일 때는 비교기의 출력 Vcomp는 로우(L)로 된다. 비교기(13)의 출력 Vcomp는 AND 게이트(17)의 입력단 중 하나로 입력되고, 또 다른 비교기(16)의 출력 Vosc가 AND 게이트(17)의 다른 하나의 입력단에 입력된다. 비교기(16)의 출력 Vosc는 발진회로(oscillator circuit: 14)에서 출력된 삼각파(Vos)를 제2기준전압회로(15)의 기준 전압값 Vref2와 비교하여, 주어진 듀티 비(duty ratio)(이하, "듀티 비"라 칭한다)를 가지는 구형파를 생성한다. 이 발진 주기에 대하여, 스위칭 레귤레이터에서 사용되는 스위치 소자가 온하는 비는 PFM-듀티비(pulse frequency modulation duty ratio)이다. 다시 말해, 출력전압이 통상의 전압보다 낮을 때, 비교기(13)의 출력 Vcomp는 하이(H)로 되며, 비교기(16)의 출력 Vosc는 AND 게이트(17)의 출력 Vand 와 동일하게 되어, 스위칭 레귤레이터에서 사용되는 스위치 소자가 출력 Vosc에 의해 온/오프 되는 결과가 된다. 한편, 출력전압이 통상의 전압보다 높을 때는 비교기(13)의 출력이 로우(L)로 되고, AND 게이트(17)의 출력 Vand가 항상 로우(L)로 되므로, 스위칭 레귤레이터에서 사용되는 스위치 소자가 오프상태를 유지하게 된다.

도 6은 도 5에 도시된 스위칭 레귤레이터의 각 부분의 전압 파형을 가로축의 시간 변화에 따라 도시한 것이다.

일반적으로 이 스위칭 레귤레이터에서는, 스위치가 온 상태를 유지하는 기간이 길어짐에 따라, 부하로 전력을 공급하는 용량이 커지게 된다. 따라서, PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터의 경우에는, 부하가 어느 정도 무거워도 PFM-듀티비는 약 50 내지 90%의 어떤 값으로 설정되어 에너지는 충분히 공급될 수 있다. 이 PFM-듀티비는 공급전압에 관계없이 항상 일정한 값으로 유지된다.

그러나, PFM 시스템의 종래의 스위칭 레귤레이터는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 즉, 공급전압에 무관하게 PFM-듀티비가 일정하게 유지되기 때문에, PFM-듀티비가 작은 값으로 설정되면, 공급전압이 낮은 경우에 스위칭에 의한 코일에서의 에너지는 작고, 그래서 큰 부하 전류가 공급될 수 없다. 또한, PFM-듀티비가 크게 설정되면, 공급전압이 높은 경우에 스위칭에 의한 코일에서의 에너지가 크고, 출력전압에 큰 리플 전압이 발생하게 된다.

본 발명은 전술한 관점에서 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본원 발명의 목적은, PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터의 PFM-듀티비에 전원 전압 의존성이 부여되어, 전원 전압이 낮을 때 PFM-듀티 비를 크게 설정하고, 전원 전압이 높을 때 PFM-듀티 비가 작도록 설정되어, 낮은 전원 전압에서도 에너지가 부하에 충분히 공급될 수 있고, 전원 전압이 높을 때 리플 전압이 억제되도록 하는 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면, PFM-듀티 비에 전원 전압 의존성이 부여되어, 전원 전압이 높을 때 리플 전압을 억제할 수 있는 PFM 시스템 스위칭 레귤레이터 제어 회로가 제공된다.
PFM-듀티 비에 전원 전압 의존성이 부여되고, PFM-듀티 비는 전원 전압이 높을 때 작게 설정됨으로써, 전원 전압이 높을 때 리플 전압을 억제한다.

이하 본원 발명의 구성 및 작용에 대해서, 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다. 도 1은 본원 발명의 실시예에 따른 스위칭 레귤레이터 제어회로를 도시한 도면이다. 기준전압회로(10), 분압저항(11, 12), 비교기(13, 16), 발진회로(14) 및 AND 게이트(17)는 종래 기술의 그것과 동일하다. 비교기(16)의 "+" 입력단에는 기준 전압으로서 주어진 전압이 입력되지 않고, 그 대신 전압 발생회로(100)의 출력전압값 Vb가 입력된다.

전압발생회로(100)의 출력전압값 Vb는 공급전압 VDD가 높아지면 낮아지고, 반대로 공급전압 VDD가 낮아지면 높아지는 공급전압의존성을 가진다. 비교기(16)의 출력 Vosc의 듀티비는 발진회로(14)로부터 출력되어 비교기(16)의 "-"입력단으로 입력되는 삼각파 Vos와 "+"입력단으로의 Vb의 전위에 의해 결정되므로, 전압 Vb가 높아지면 듀티비는 커지며, Vb가 낮아지면 듀티비는 작아지게 된다.

즉, 공급전압 VDD가 높으면(V_H), 비교기(16)의 출력 Vosc의 듀티비는 작아지고(도 8), 반면 공급전압 VDD가 낮아지면(V_L) 듀티비는 커진다(도 7). 도 2a 및 도 2b는 이러한 사실을 도시한 것이다. 실선 a는 전압 발생 회로(100)의 출력전압값 Vb1, Vb2를 나타낸 것이고, 실선 b는 비교기(16)의 출력 Vosc의 듀티비를 나타낸다. 도 2a 및 도 2b의 가로축은 공급전압 VDD를 나타낸 것이며, 이 도면은 공급전압 VDD가 커짐에 따라 전압발생회로(100)의 출력전압값이 낮아지고, 비교기(16)의 출력 Vosc의 듀티비는 감소하는 것을 보여준다. 도 9는 전압발생회로(100)의 예를 도시한 것이다. 저항기(211) 및 저항기(212)는 직렬로 접속되며, 공급전압 VDD에 대해서, Vc는 다음의 수학식 1과 같이 된다.

전압 Vc는 공급전압 VDD에 대해 비례하게 된다. OP-앰프(204)에는 Vc가 입력되고, 그 출력은 저항기(201)에 접속된다. 반전 증폭 회로는 저항기(201), 저항기(202) 및 OP-앰프(203)으로 형성된다. 기준전압회로(200)은 OP-앰프(203)에 접속된다. 기준 전압 회로(200)는 OP-앰프(203) 내에서 일정한 전압 Ve를 출력한다. OP-앰프(203)는 다음의 수학식 2와 같은 Vb를 출력한다.

따라서, Vb는 공급전압 VDD가 증가함에 따라 감소하게 된다. 도 10은 전압발생회로(100)의 다른 구성예이다.

세 개의 기준 전압 회로(300, 301, 302)는 공급전압과 관계없이 정전압 Vf, Vr1 및 Vr2를 각각 출력한다. 스위치 소자(310)는 기준전압회로(301)에 병렬 접속된다. 기준전압회로(301)는 스위치 소자(310)가 온될 때(닫힐 때), 0 V로 된다. 저 항기(311, 312)는 직렬 접속되어 공급전압 VDD이 공급되고, 이때 노드에서의 전압 Vc는 수학식 3과 같이 결정된다.

비교기(304)의 출력 Vg는 Vc = Vf 일 때에 변화된다. 스위치 소자(310)는 비교기(304)의 출력 Vg에 의해서 제어된다. 스위치 소자(310)는 비교기 (304)의 출력이 "하이(H)"일 때 온된다(닫힌다). 또한 스위치 소자(310)는 비교기(304)의 출력이 "로우(L)"일 때 오프된다(열린다). 스위치 소자(310)는 다음의 수학식 4를 만족할 때 오프로 된다. 그 결과, 출력 전압 Vb = Vr1 + Vr2 가 된다.

또한, 스위치 소자(310)은 다음의 수학식 5를 만족할 때, 온으로 되고, 그 결과 출력전압 Vb = Vr2 가 된다.

일반적으로, PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터의 듀티비는, 공급전압에 관계없이 50% 내지 90% 사이의 일정한 값이 된다. 그러나, 본 발명에서, 공급전압이 낮아지면, 듀티비는 80% 내지 90% 정도로 커지게 되고, 반면, 공급전압이 높아지면, 듀티비는 60% 이하가 된다. 이에 따라, 공급 전압이 낮을 때, 부하로 충분한 에너지가 공급되며, 공급 전압이 높을 때는, 작은 듀티비에 의해 리플전압이 작은 값으로 억제되는 효과를 얻게 된다.

본 발명과 종래의 기술에 대해서, PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터에서 리플전압의 공급 전압 의존상태는 도 3에 도시되었다. 도면에서, 가로축은 공급전압을 세로축은 리플전압을 나타낸다. 실선 c는 종래의 스위칭 레귤레이터에서의 리플전압 특성을 도시한 것이며, 실선 d는 본 발명에 따른 스위칭 레귤레이터의 리플전압 특성을 도시한 것이다. 종래의 기술에서, 듀티비는 공급전압에 대해서 일정하므로, 공급전압이 높아지면 하나의 스위칭 작동에 기인하는 에너지가 높아지므로, 리플전압이 증가하는 결과가 된다. 그러나, 본원 발명에서는 리플전압이 억제될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 부스트 형(boost type) 스위칭 레귤레이터의 구성도이다. 입력 전원(20)은 코일(21)과 접속되며, 또한, 도 1에 도시된 본원 발명의 스위칭 레귤레이터 제어회로(30)와 접속된다. 이 스위칭 레귤레이터 제어회로(30)는 스위치 소자(22)의 온/오프 작동을 제어하여 출력 전압이 전술한 바와 같이 일정한 값으로 유지되도록 한다. 정류 소자(23)는 코일(21)과 출력 커패시터(24) 사이에 접속된다. 부하(25)는 출력 커패시터와 병렬로 접속된다. 도 11은 본 발명에 따른 스텝-다운형(step-down type) 스위칭 레귤레이터의 구성도이다. 입력 전원(120)은 스위치 소자(122) 및 도 1에 도시한 본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어회로(30)과 접속된다. 스위치 소자(122)의 다른 단자는 정류소자(123) 및 코일(121)과 접속된다. 또한, 코일(121)의 다른 단자는 출력 커패시터(124) 및 부하(125)와 접속된다.

즉, 스위칭 레귤레이터 제어회로(30)의 PFM-듀티비는 공급전압(입력 전원(20)의 전압값)에 따라 변화된다.

전술한 구성에 따라서, 본 발명에 따른 PFM-시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로는, 듀티비에 공급전압 의존성 부여되므로, 공급전압이 낮은 경우에 부하에 대한 에너지 공급 능력이 증가될 수 있으며, 또한 공급전압이 높은 경우에 리플전압이 억제될 수 있다는 이점을 갖게 된다.

Claims

스위칭 소자를 갖는 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터의 스위칭 레귤레이터 제어회로에 있어서,

출력전압을 전원 전압치에 의해 변동시키는 전압발생회로;

펄스폭을 설정하는 신호를 출력하는 발진회로;

상기 발진회로의 출력과 상기 전압발생회로의 출력 전압을 입력하고, 상기 전압발생회로의 출력전압에 따라서 출력 신호의 펄스폭을 변화시키는 비교기;

스위칭 레귤레이터의 출력전압에 따라서 상기 비교기의 출력을 스위칭 소자에 출력하는 출력수단을 포함하고,

상기 전원 전압의 전압치가 높을 때 상기 스위칭 소자를 온시키는 구간을 짧게 하고, 상기 전원 전압의 전압치가 낮을 때 상기 스위칭 소자를 온시키는 구간을 길게 하는 스위칭 레귤레이터 제어회로.
제 1 항의 PFM 시스템의 스위칭 레귤레이터 제어회로를 사용하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.