KR20090063135A - Constant on-time regulator with increased maximum duty cycle - Google Patents

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Abstract

A switching regulator and a control method for the same are provided, which can produce switching output voltage having the reduced output ripple by using the feedback control loop. The switching regulator(100) controls the high-side switch(M1) and low-side switch(M2) by using the feedback control loop. The switching regulator runs the switch output node in order to produce the switching output voltage. The switch output node is combined with the LC filter circuit. The voltage divider produces the feedback voltage in the feedback voltage node. The on-time control circuit(128) produces the first signal for controlling the high-side switch.

Description

벅 스위칭 레귤레이터 및 방법{CONSTANT ON-TIME REGULATOR WITH INCREASED MAXIMUM DUTY CYCLE}Buck switching regulators and methods {CONSTANT ON-TIME REGULATOR WITH INCREASED MAXIMUM DUTY CYCLE}

본 출원은, 발명의 제목 "RIPPLE GENERATION IN BUCK REGULATOR USING FIXED ON-TIME CONTROL TO ENABLE THE USE OF OUTPUT CAPACITOR HAVING ANY ESR"이고 본 발명과 적어도 하나의 공동 발명자를 갖는 2006년 9월 11일 출원된 출원번호 11/530,548의 일부계속출원으로, 출원번호 11/530,548은 본 명세서에서 그 전부가 참조로서 인용되었다.This application is filed September 11, 2006, entitled “RIPPLE GENERATION IN BUCK REGULATOR USING FIXED ON-TIME CONTROL TO ENABLE THE USE OF OUTPUT CAPACITOR HAVING ANY ESR” and having the invention and at least one co-inventor In some continuing applications of No. 11 / 530,548, application number 11 / 530,548 is incorporated herein by reference in its entirety.

본 출원은, 동시출원되고 공동 허여된 발명의 제목 "CONSTANT ON-TIME REGULATOR WITH INTERNAL RIPPLE GENERATION AND IMPROVED OUTPUT VOLTAGE ACCURACY"인 Ioan Stoichita, Matthew Weng 및 Charles Vinn의 미국 특허출원번호 11/955,150과 연관되며, 이것은 본 명세서에서 그 전부가 참조로서 인용되었다.This application is related to U.S. Patent Application No. 11 / 955,150 to Ioan Stoichita, Matthew Weng and Charles Vinn, entitled “CONSTANT ON-TIME REGULATOR WITH INTERNAL RIPPLE GENERATION AND IMPROVED OUTPUT VOLTAGE ACCURACY” It is hereby incorporated by reference in its entirety.

본 발명은 스위칭 레귤레이터 또는 DC-DC 변환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 멀티-모드 온 및 오프 타임 제어를 사용하는 고정적인 온-타임 벅 레귤레이터와 결합된 제어 방안에 관한 것이다.The present invention relates to a switching regulator or a DC-DC converter, and more particularly, to a control scheme combined with a fixed on-time buck regulator using multi-mode on and off time control.

DC 전압 레귤레이터 또는 스위칭 레귤레이터는 한 DC 전압 레벨로부터 다른 DC 전압 레벨로 에너지를 변환하도록 동작한다. 이러한 종류의 스위칭 레귤레이터를 DC/DC 변환기라고도 한다. 흔히 스위칭 모드 전력 공급기라고 하는 스위칭 레귤레이터는 커패시터, 인덕터 및 변압기와 같은 저손실 부품과, 개별 패킷의 입력으로부터 출력으로 에너지를 전달하기 위해 턴온 및 턴오프되는 전력 스위치를 통해 전력 공급기 기능을 제공한다. 이 회로의 원하는 부하 범위 내에서 고정적인 출력 전압을 유지하기 위해 피드백 제어 회로를 사용하여 에너지 전달을 조정한다.The DC voltage regulator or switching regulator operates to convert energy from one DC voltage level to another DC voltage level. This type of switching regulator is also known as a DC / DC converter. Switching regulators, commonly referred to as switched-mode power supplies, provide power supply functionality through low-loss components such as capacitors, inductors, and transformers, and power switches that are turned on and off to transfer energy from the input to the output of individual packets. In order to maintain a fixed output voltage within the desired load range of this circuit, a feedback control circuit is used to regulate the energy transfer.

스위칭 레귤레이터는 입력 전압을 스텝-업 하거나 입력 전압을 스텝 다운하거나 두 가지 모두를 수행하도록 구성될 수 있다. 구체적으로는, "벅 변환기"로도 지칭되는 벅 스위칭 레귤레이터가 입력 전압을 스텝 다운하고 "부스트 변환기"로도 지칭되는 부스트 스위칭 레귤레이터가 입력 전압을 스텝 업한다. 벅-부스트 스위칭 레귤레이터 또는 벅-부스트 변환기는 스텝-업과 스텝-다운 기능 모두를 제공한다.The switching regulator can be configured to step up the input voltage, step down the input voltage, or both. Specifically, a buck switching regulator, also referred to as a "buck converter", steps down the input voltage and a boost switching regulator, also referred to as a "boost converter," steps up the input voltage. Buck-boost switching regulators or buck-boost converters provide both step-up and step-down functions.

스위칭 레귤레이터의 동작은 잘 알려져 있으며 다음과 같이 일반화된다. 전력 스위치가 턴온되어 출력 필터 회로의 인덕터에 에너지를 인가하고 인덕터를 통한 전류가 발생하게 한다. 전력 스위치가 턴오프되면, 인덕터 양단의 전압이 반전되고 출력 필터 회로의 출력 커패시터와 부하로 전하가 전달된다. 비교적 고정적인 출력 전압이 출력 커패시터에 의해 유지된다. 흔히 제 2 스위치가 동기 제어 동작을 위해 사용된다.The operation of the switching regulator is well known and is generalized as follows. The power switch is turned on to apply energy to the inductor of the output filter circuit and generate a current through the inductor. When the power switch is turned off, the voltage across the inductor is reversed and charge is transferred to the output capacitor and load of the output filter circuit. A relatively fixed output voltage is maintained by the output capacitor. Often a second switch is used for synchronous control operation.

스위칭 레귤레이터는 집적(내부) 전력 스위치 또는 외부 전력 스위치를 사용 하여 구성될 수 있다. 전력 스위치가 스위칭 레귤레이터 집적 회로(IC) 외부에 존재하면, 스위칭 레귤레이터 IC는 흔히 "스위칭 레귤레이터 제어기" 또는 변환기 제어기로 지칭되는데, 스위칭 레귤레이터 제어기가 비교적 고정적인 출력 전압을 발생시키는 출력 필터 회로에 결합되는 외부 전력 스위치를 구동하기 위한 제어 신호를 제공한다는 것을 표시한다. 스위칭 레귤레이터 제어기는 제어기의 전압 변환 기능에 따라 벅 제어기, 부스트 제어기 또는 벅-부스트 제어기로도 지칭된다.The switching regulator can be configured using an integrated (internal) power switch or an external power switch. If the power switch is external to the switching regulator integrated circuit (IC), the switching regulator IC is often referred to as a "switching regulator controller" or converter controller, where the switching regulator controller is coupled to an output filter circuit that generates a relatively fixed output voltage. Indicates that a control signal for driving an external power switch is provided. The switching regulator controller is also referred to as buck controller, boost controller or buck-boost controller, depending on the voltage conversion function of the controller.

고정된 온-타임 제어를 사용하는 벅 스위칭 레귤레이터 또는 "벅 레귤레이터"는, PFM(펄스 폭 변조) 모드에서의 가벼운 부하에 대한 우수한 효율성과, 외부 신호와의 용이한 동기화와, 비교적 큰 오프-타임의 용이한 제어와, 낮은 출력 전압으로 높은 입력 전압을 조정하기 위한 매우 작은 고정된 온 -타임과 같은 몇몇 중요한 장점으로 인해 이 분야에서 선호된다.Buck switching regulators or "buck regulators" using fixed on-time control provide excellent efficiency for light loads in PFM (pulse width modulation) mode, easy synchronization with external signals, and relatively large off-time. Some important advantages such as ease of control and very small fixed on-time for regulating the high input voltage with low output voltage are preferred in this field.

고정된 온-타임(또는 고정적인 온-타임) 레귤레이터는 리플-모드 제어를 채택하는 전압 레귤레이터의 일종이며, 자기이력(hysteretic) 레귤레이터는 리플-모드 제어를 채택하는 스위칭 레귤레이터의 또 다른 일종이다. 일반적으로, 리플-모드 레귤레이터는 출력 신호의 리플 성분에 기초하여 그 출력 전압을 조정한다. 전력 스위치에서의 스위칭 동작으로 인해, 모든 스위치-모드 레귤레이터는 스위칭된 출력 인덕터를 통해 출력 리플 전류를 발생시킨다. 이 전류 리플은, 특히 부하와 병렬로 배치되는 출력 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)으로 인해, 출력 전압 리플로서 이를 표시한다.Fixed on-time (or fixed on-time) regulators are a type of voltage regulator that employs ripple-mode control, and hysteretic regulators are another type of switching regulator that employs ripple-mode control. In general, a ripple-mode regulator adjusts its output voltage based on the ripple component of the output signal. Due to the switching operation at the power switch, all switch-mode regulators generate an output ripple current through the switched output inductor. This current ripple represents this as the output voltage ripple, especially due to the equivalent series resistance (ESR) of the output capacitor placed in parallel with the load.

자기이력 레귤레이터는 비교기를 사용하여 리플을 포함하는 조정될 출력 전 압을 자기이력 제어 밴드에 비교한다. 자기이력 상한값 위에서 자기이력 제어기는 자신의 관련 출력 인덕터를 로우(low)로 스위칭하고, 자기이력 하한값 아래에서 자기이력 제어기는 출력 인덕터를 하이(high)로 스위칭한다. 한편, 고정 온-타임 레귤레이터는 자기이력 제어기와 유사하게 동작하면서 출력 리플이 단일 기준점 아래로 떨어지면 고정된 시간 동안 출력 인덕터를 하이로 전환한다. 고정된 온-타임의 종료시에, 출력 리플이 여전히 단일 기준점 아래에 존재할지라도, 출력 인덕터는 고정된 온-타임 동안 다시 하이로 스위칭되기 전에 최소 오프-타임 동안 로우로 스위칭된다.The hysteresis regulator uses a comparator to compare the output voltage to be adjusted, including the ripple, to the hysteresis control band. Above the hysteresis upper limit, the hysteresis controller switches its associated output inductor low, and below the hysteresis lower limit, the magnetic history controller switches the output inductor high. On the other hand, a fixed on-time regulator operates similar to a hysteresis controller, turning the output inductor high for a fixed time when the output ripple falls below a single reference point. At the end of the fixed on-time, even if the output ripple is still below a single reference point, the output inductor is switched low for a minimum off-time before switching back high for a fixed on-time.

리플-모드 제어를 사용하는 전압 레귤레이터에 있어서, 출력 리플은 출력 전압 조정에 유용하지만, 출력 신호 노이즈 및 부하 전압 제한의 관점에서는 바람직하지 못하다. 실제로, 출력 리플을 최소화하고자는 요구로 인해 매우 낮은 ESR을 갖는 커패시터를 설계 및 제조하게 되었다. 출력 커패시터 ESR을 낮춤으로써 출력 리플 신호를 현저히 낮출 수 있다. 낮은 리플은 노이즈 최소화 및 감소된 부하 전압 변동의 이점을 제공하지만 리플-모드 조정을 더 어렵게 한다. 낮은 리플 크기는 비교기 전압 차이를 줄이고 정확하고 빠른 비교를 매우 어렵게 한다.For voltage regulators using ripple-mode control, output ripple is useful for output voltage regulation, but is undesirable in view of output signal noise and load voltage limitations. Indeed, the need to minimize output ripple has led to the design and manufacture of capacitors with very low ESR. By lowering the output capacitor ESR, the output ripple signal can be significantly lowered. Low ripple offers the advantages of noise minimization and reduced load voltage variation, but makes ripple-mode adjustment more difficult. The low ripple size reduces the comparator voltage difference and makes it difficult to make accurate and fast comparisons.

이로 인해, 고정된 온-타임 전압 레귤레이터의 제조자들은 출력 커패시터에 대해 최소 ESR를 부과하여 출력 전압의 최소 리플 전압 양을 보장함으로써 효율적 인 리플-모드 제어가 실현될 수 있다. 따라서, 큰 ESR을 갖는 출력 커패시터는 모든 고정된 온-타임 전압 레귤레이터와 사용되어야 한다. 경우에 따라, 출력 커패시터 자체가 충분한 ESR을 갖지 않으면, 제조자들은 요구되는 최소 양의 리플 전압을 발생시키기 위해 충분한 직렬 저항을 도입하도록 출력 커패시터와 직렬인 저항을 포함할 것을 제안한다.This allows manufacturers of fixed on-time voltage regulators to impose a minimum ESR on the output capacitor to ensure the minimum amount of ripple voltage in the output voltage so that efficient ripple-mode control can be realized. Therefore, output capacitors with large ESR must be used with all fixed on-time voltage regulators. In some cases, if the output capacitor itself does not have sufficient ESR, manufacturers propose to include a resistor in series with the output capacitor to introduce sufficient series resistance to generate the required minimum amount of ripple voltage.

높은 ESR 출력 커패시터의 요구조건에 대한 하나의 해결책은 제어 루프에 전류 피드백을 추가하는 것이다. 다른 경우에는, 가상 리플 발생기가 사용되어 인덕터 전류와 비례하는 내부 가상 리플을 발생시킨다. 이러한 해결책은 리플-모드 전압 레귤레이터의 낮은 ESR 사용을 허용하지만, 이들 해결책은 전압 레귤레이터에 복잡성과 비용을 추가시킨다.One solution to the requirements of high ESR output capacitors is to add current feedback to the control loop. In other cases, a virtual ripple generator is used to generate an internal virtual ripple that is proportional to the inductor current. This solution allows the use of low ESR in ripple-mode voltage regulators, but these solutions add complexity and cost to the voltage regulator.

출력 신호에서의 최소 양의 리플 전압의 요구조건은 고정된 온-타임 전압 레귤레이터의 인가를 출력 전압의 리플이 허용될 수 있는 경우로 제한시킨다. 또한, 통상적으로 큰 ESR을 갖는 탄탈룸 커패시터보다 저렴한 세라믹 커패시터와 같은 제로 ESR 커패시터는 최소 양의 ESR이 알맞은 제어 루프 동작을 위해 요구되기 때문에 사용될 수 없다.The requirement for a minimum amount of ripple voltage in the output signal limits the application of a fixed on-time voltage regulator to where the ripple of the output voltage can be tolerated. Also, zero ESR capacitors, such as ceramic capacitors, which are typically cheaper than tantalum capacitors with large ESRs, cannot be used because a minimum amount of ESR is required for proper control loop operation.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 벅 스위칭 레귤레이터(buck switching regulator)는 집적 회로 상에 형성되어 입력 전압을 수신하고, 벅 스위칭 레귤레이터는 피드백 제어 루프를 사용하여 하이측(high-side) 스위치와 로우측(low-side) 스위치를 제어하여 스위칭 출력 전압을 생성하는 스위치 출력 노드를 구동시킨다. 스위치 출력 노드는 집적 회로 외부의 LC 필터 회로에 결합되어 출력 노드 상에 실질적으로 일정한 크기를 갖는 조절된 출력 전압을 생성한다. 조절된 출력 전압은 벅 스위칭 레귤레이터로 피드백되어 피드백 전압 노드 상에 피드백 전압을 생성하는 전압 분할기에 공급된다. 벅 스위칭 레귤레이터는 최소 온-타임(on-time) 및 가변적인 오프-타임(off-time) 피드백 제어 루프 하에서 하이측 스위치를 제어하기 위한 제 1 신호를 생성하는 온-타임 제어 회로를 포함하며, 이때 제 1 신호는 제 1 온-타임 기간(a first on-time duration)의 만료시 또는 최대 온-타임의 만료시에 하이측 스위치를 턴오프한다. 제 1 온-타임 기간은 적어도 최소 온-타임(minimum on-time)이고 피드백 전압이 기준 전압(reference voltage)보다 낮게 유지될 때 최대 온-타임까지 확장될 수 있다. 최대 온-타임은 제 1 최대 온-타임 및 상기 제 1 최대 온-타임보다 큰 제 2의 확장된 최대 온-타임일 수 있다. 제 2의 확장된 최대 온-타임은 최소 오프-타임이 이전의 스위칭 사이클 동안 하이측 스위치에 사용되었을 때 적용된다.According to one embodiment of the invention, a buck switching regulator is formed on an integrated circuit to receive an input voltage, and the buck switching regulator uses a high-side switch and a low side using a feedback control loop. The low-side switch is controlled to drive a switch output node that produces a switching output voltage. The switch output node is coupled to an LC filter circuit outside the integrated circuit to produce a regulated output voltage having a substantially constant magnitude on the output node. The regulated output voltage is fed back to the buck switching regulator and supplied to a voltage divider that generates a feedback voltage on the feedback voltage node. The buck switching regulator includes an on-time control circuit that generates a first signal for controlling the high side switch under a minimum on-time and variable off-time feedback control loop, The first signal then turns off the high side switch upon expiration of a first on-time duration or upon expiration of maximum on-time. The first on-time period is at least minimum on-time and can be extended to a maximum on-time when the feedback voltage is kept below the reference voltage. The maximum on-time may be a first maximum on-time and a second extended maximum on-time greater than the first maximum on-time. The second extended maximum on-time applies when the minimum off-time is used for the high side switch during the previous switching cycle.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 입력 전압을 수신하고, 피드백 제어 루프를 사용하여 하이측 스위치와 로우측 스위치를 제어하여 스위칭 출력 전압을 생성하는 스위치 출력 노드를 구동하는 벅 스위칭 레귤레이터에 있어서의 방법으로서, 스위치 출력 노드는 LC 필터 회로에 결합되어 출력 노드 상에 실질적으로 일정한 크기를 갖는 조절된 출력 전압을 생성하며, 조절된 출력 전압은 벅 스위칭 레귤레이터로 피드백되어 피드백 전압 노드 상에 피드백 전압을 생성하는 전압 분할기에 공급 되고, 이 방법은, 제 1 온-타임 기간을 하이측 스위칭에 제공하는 단계 - 상기 제 1 온-타임 기간은 적어도 최소 온-타임이며 피드백 전압이 기준 전압보다 낮게 유지될 때 최대 온-타임까지 확장될 수 있고, 최대 온-타임은 제 1 최대 온-타임 또는 상기 제 1 최대 온-타임보다 큰 제 2의 확장된 최대 온-타임일 수 있음 - 와, 최소 오프-타임이 이전의 스위칭 사이클 동안 하이측 스위치에 사용되었을 때 제 2의 확장된 최대 온-타임을 적용하는 단계 및 최소 온-타임 및 가변적인 오프-타임 피드백 제어 루프 하에서 하이측 스위치를 턴오프하기 위한 제 1 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 제 1 신호는 제 1 온-타임 기간의 만료시 또는 제 1 또는 제 2 최대 온-타임의 만료시에 하이측 스위치를 턴오프한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method in a buck switching regulator for receiving an input voltage and driving a switch output node for generating a switching output voltage by controlling a high side switch and a low side switch using a feedback control loop. The switch output node is coupled to the LC filter circuit to produce a regulated output voltage having a substantially constant magnitude on the output node, which is fed back to the buck switching regulator to produce a feedback voltage on the feedback voltage node. Supplied to a voltage divider, the method providing a first on-time period for high side switching, the first on-time period being at least a minimum on-time and maximum when the feedback voltage is kept below the reference voltage. Extend to on-time, the maximum on-time being a first maximum on-time or the first maximum on-time May be a larger second extended maximum on-time-and applying a second extended maximum on-time and minimum on when the minimum off-time was used on the high side switch during the previous switching cycle. Generating a first signal for turning off the high side switch under a time and variable off-time feedback control loop. The first signal turns off the high side switch upon expiration of the first on-time period or upon expiration of the first or second maximum on-time.

본 발명은 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다.The invention will be better understood with reference to the following detailed description and the accompanying drawings.

본 발명의 원리에 따르면, 고정된 온-타임(또는 고정적인 온-타임) 및 최소 오프-타임 제어 루프를 사용하는 벅 스위칭 레귤레이터는, 스위칭 출력 전압을 사용하여 필요한 리플을 내부적으로 발생시키고 리플 전압 신호를 전압 레귤레이터의 피드백 제어 루프로 입력하는 리플 입력 회로를 포함한다. 발생될 리플의 양은 벅 레귤레이터로 통합되거나 벅 레귤레이터에 외부적으로 결합될 수 있는 피드포워드 커패시터에 의해 조절된다. 이 방식에서, 벅 레귤레이터는 임의의 등가 직렬 저항(ESR) 값을 갖는 출력 커패시터와 동작하도록 구성된다. 특히, 벅 레귤레이터에 결합되는 출력 커패시터가 큰 ESR을 가질 때, 피드포워드 커패시터가 사용되어 스위칭 출력 전압으로부터 리플을 매우 조금 또는 전혀 발생시키지 않도록 리플 입력 회로를 프로그래밍한다. 그러나, 벅 레귤레이터에 결합되는 출력 커패시터가 제로 또는 매우 적은 ESR을 갖는 경우, 피드포워드 커패시터가 사용되어 스위칭 출력 전압으로부터 필요한 리플을 발생시키도록 리플 입력 회로를 프로그래밍한다.In accordance with the principles of the present invention, a buck switching regulator using a fixed on-time (or fixed on-time) and minimum off-time control loop uses a switching output voltage to internally generate the necessary ripple and cause the ripple voltage. It includes a ripple input circuit that inputs the signal into the feedback control loop of the voltage regulator. The amount of ripple to be generated is controlled by a feedforward capacitor that can be integrated into the buck regulator or externally coupled to the buck regulator. In this manner, the buck regulator is configured to operate with an output capacitor having any equivalent series resistance (ESR) value. In particular, when the output capacitor coupled to the buck regulator has a large ESR, a feedforward capacitor is used to program the ripple input circuit to produce very little or no ripple from the switching output voltage. However, if the output capacitor coupled to the buck regulator has zero or very few ESRs, the feedforward capacitor is used to program the ripple input circuit to generate the required ripple from the switching output voltage.

리플 입력 회로를 포함하는 벅 스위칭 레귤레이터는 종래 해결책에 비해 많은 장점을 제공한다. 먼저, 본 발명의 벅 스위칭 레귤레이터는 임의의 ESR 값을 갖는 출력 커패시터를 사용할 수 있게 한다. 따라서, 세라믹 커패시터와 같은 제로 또는 낮은 ESR 값의 출력 커패시터를 사용하여 매우 낮은 출력 리플을 갖는 출력 전압을 얻을 수 있다. 한편, 리플 입력 회로는 스위칭 출력 전압을 내부적으로 사용하여 필요한 리플을 발생시켜서 발생된 리플 전압이 출력 전압에 어떠한 영향도 주지 않는다.Buck switching regulators with ripple input circuitry offer many advantages over conventional solutions. First, the buck switching regulator of the present invention enables the use of an output capacitor with any ESR value. Thus, zero or low ESR value capacitors, such as ceramic capacitors, can be used to obtain output voltages with very low output ripple. On the other hand, the ripple input circuit internally uses the switching output voltage to generate the necessary ripple so that the generated ripple voltage does not have any effect on the output voltage.

본 발명의 일 측면에 따르면, 리플 입력 회로는 스위칭 출력 전압과 피드백 전압 사이에 직렬로 접속되는 제 1 커패시터와 제 1 저항을 포함하며, 또한 출력 전압과 피드백 전압 사이에 접속되는 피드포워드 커패시터를 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 커패시터와 제 1 저항은 벅 스위칭 레귤레이터의 동일한 집적 회로상으로의 피드백 전압 분할기의 저항 분할기들과 함께 통합되며, 피드포워드 커패시터는 스위칭 레귤레이터 집적 회로의 외부에 형성된다. 다른 실시예에서, 피드포워드 커패시터는 또한 스위칭 레귤레이터 집적 회로 상에 집적된다. 집적 온-칩인 경우, 피드포워드 커패시터는 프로그래밍 가능한 커패시턴스를 갖는 커패시터로 형성되어 원하는 커패시턴스가 선택되어 발생될 리플의 원하는 양을 조절할 수 있다.According to one aspect of the invention, the ripple input circuit includes a first capacitor and a first resistor connected in series between the switching output voltage and the feedback voltage, and also includes a feedforward capacitor connected between the output voltage and the feedback voltage. do. In one embodiment, the first capacitor and the first resistor are integrated with the resistor dividers of the feedback voltage divider onto the same integrated circuit of the buck switching regulator, and the feedforward capacitor is formed outside of the switching regulator integrated circuit. In another embodiment, the feedforward capacitor is also integrated on the switching regulator integrated circuit. In the case of integrated on-chip, the feedforward capacitor is formed of a capacitor with a programmable capacitance so that the desired capacitance can be selected to adjust the desired amount of ripple to be generated.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 고정적인 온-타임 및 가변적인 오프-타임 제어 루프를 사용하는 벅 스위칭 레귤레이터는 향상된 정확도를 갖는 리플 입력 회로를 포함하며, 이것은 피드백 전압 노드와 떨어진 전압 레귤레이터의 피드백 제어 루프 내의 지점으로 리플 전압 신호를 입력한다. 이러한 방식으로, 출력 전압에서의 오류가 감소되고 출력 전압의 정확도는 크게 증가한다. 일 실시예에서, 리플 입력 회로는 피드백 전압을 수신하는 이득단을 포함하고 리플 전압 신호는 이득단의 출력 노드에서 입력된다. 피드백 전압을 증폭시키도록 이득단을 사용하고, 이득단의 바이패싱 지점에서 리플 전압 신호를 입력함으로써, 조정 출력 전압 내로 삽입된 전압 오류는 뚜렷하게 감소될 수 있다.According to another aspect of the invention, a buck switching regulator using a fixed on-time and variable off-time control loop comprises a ripple input circuit with improved accuracy, which is feedback control of a voltage regulator away from the feedback voltage node. Input the ripple voltage signal to a point in the loop. In this way, errors in the output voltage are reduced and the accuracy of the output voltage is greatly increased. In one embodiment, the ripple input circuit includes a gain stage for receiving a feedback voltage and the ripple voltage signal is input at the output node of the gain stage. By using the gain stage to amplify the feedback voltage and inputting the ripple voltage signal at the bypassing point of the gain stage, the voltage error inserted into the regulated output voltage can be significantly reduced.

일 실시예에서, 리플 입력 회로는 피드백 전압 및 제 1 기준 전압을 수신하는 동작적인 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)로서 구현된 이득단을 포함한다. 리플 입력 회로는 스위칭 출력 전압과 OTA의 출력 단자 사이에서 직렬 접속되는 제 1 커패시터 및 제 1 저항을 더 포함한다. 마지막으로, 리플 입력 회로는 출력 전압과 OTA의 출력 단자 사이에서 접속되는 피드포워드 커패시터를 포함한다. 향상된 정확도를 갖는 리플 입력 회로가 아래에서 보다 상세하게 기술될 것이다.In one embodiment, the ripple input circuit includes a gain stage implemented as an operational transconductance amplifier (OTA) that receives a feedback voltage and a first reference voltage. The ripple input circuit further includes a first capacitor and a first resistor connected in series between the switching output voltage and the output terminal of the OTA. Finally, the ripple input circuit includes a feedforward capacitor connected between the output voltage and the output terminal of the OTA. Ripple input circuits with improved accuracy will be described in more detail below.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리플 입력 회로를 포함하는 고정된 온-타임, 최소 오프-타임 벅 스위칭 레귤레이터의 개략적인 도면이다. 도 1을 참조하면, 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(10)은 출력 LC 필터 회로에 결합되는 벅 스위칭 레귤레이터(100)("벅 레귤레이터(100)")를 포함한다. 벅 레귤레이터(100)는 입력 전압(VIN)을 수신하고 인덕터(L1) 및 출력 커패시터(COUT)에 의해 형성되는 출력 LC 필터 회로에 스위칭 출력 전압(VSW)을 제공한다. 출력 LC 필터 회로는 실질적으로 고정적인 크기를 갖는 출력 전압 노드(114)에서 DC 출력 전압(VOUT)을 발생시킨다. 실제 구현에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 출력 전압(VOUT)이 부하(116)를 구동하기 위해 결합된다. 출력 커패시터(COUT)는 소정 양의 ESR을 자신과 연결시켰으며, 이는 출력 커패시터와 직렬로 접속되는 점선 저항 ESR로 표시된다. 제로 ESR을 갖는 출력 커패시터가 사용되는 경우, 저항 ESR은 제로 저항을 가지므로 단락 회로이다.1 is a schematic diagram of a fixed on-time, minimum off-time buck switching regulator including a ripple input circuit in accordance with an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the buck switching regulator system 10 includes a buck switching regulator 100 (“buck regulator 100”) coupled to an output LC filter circuit. The buck regulator 100 receives an input voltage V IN and provides a switching output voltage V SW to an output LC filter circuit formed by an inductor L1 and an output capacitor C OUT . The output LC filter circuit generates a DC output voltage V OUT at an output voltage node 114 having a substantially fixed magnitude. In a practical implementation, as shown in FIG. 1, the output voltage V OUT is coupled to drive the load 116. The output capacitor C OUT connects a certain amount of ESR with it, which is represented by a dotted line resistor ESR connected in series with the output capacitor. When an output capacitor with zero ESR is used, the resistor ESR has a zero resistance and is therefore a short circuit.

벅 레귤레이터(100)는 고정된 온-타임, 최소 오프-타임 피드백 제어 루프를 구현한다. 본 명세서에서, 고정된 온-타임은 "고정적인 온-타임"이라고도 지칭된다. 아래의 설명에서, 벅 레귤레이터의 고정된 온-타임 피드백 제어 루프를 우선 설명하고, 원하는 양의 리플을 피드백 제어 루프로 입력하는 리플 입력 회로를 설명할 것이다.The buck regulator 100 implements a fixed on-time, minimum off-time feedback control loop. In this specification, fixed on-time is also referred to as "fixed on-time". In the following description, we will first describe the fixed on-time feedback control loop of the buck regulator and describe the ripple input circuitry that inputs the desired amount of ripple into the feedback control loop.

도 1을 참조하면, 벅 레귤레이터(100)는 단자(102) 상에서 입력 전압(VIN)을 수신한다. 한 쌍의 전력 스위치(M1과 M2)가 입력 전압(VIN)(단자(102))와 PGND 단자(106)의 접지 전압 사이에 직렬로 접속된다. 이 구성에서, 벅 레귤레이터(100)는 노이즈 차단 목적을 위해 전력 스위치 및 나머지 회로에 대해 별개의 접지 접속, PGND 및 SGND를 포함한다. 노이즈 차단을 위한 별개의 접지 접속의 사용은 이 기술 분야에 잘 알려져 있으며 본 발명의 실시에는 중요하지 않다. 본 실시예에서, 전력 스위치(M1)는 PMOS 트랜지스터이고 전력 스위치(M2)는 NMOS 트랜지스터이며 구동기(134)에 의해 발생되는 구동 신호에 의해 제어된다. 스위칭 출력 전압(VSW)이 전력 스위치(M1과 M2) 사이의 공통 노드(122)에서 발생된다. 스위칭 출력 전압(VSW)은 SW 단자(104)를 통해 인덕터(L1) 및 출력 커패시터(COUT)를 포함하는 인덕터-커패시터(LC) 필터 네트워크에 결합되어, 스위칭 출력 전압(VSW)을 필터링하고 실질적으로 고정적인 크기를 갖는 출력 전압 노드(114)에서의 DC 출력 전압(VOUT)을 발생시킨다. 실제 구현에서, DC 출력 전압(VOUT)은 부하(116)를 구동하는데 사용된다.Referring to FIG. 1, the buck regulator 100 receives an input voltage V IN on a terminal 102. A pair of power switches M1 and M2 are connected in series between the input voltage V IN (terminal 102) and the ground voltage of the PGND terminal 106. In this configuration, the buck regulator 100 includes separate ground connections, PGND and SGND for the power switch and the rest of the circuit for noise isolation purposes. The use of separate ground connections for noise isolation is well known in the art and is not critical to the practice of the present invention. In this embodiment, the power switch M1 is a PMOS transistor and the power switch M2 is an NMOS transistor and is controlled by a drive signal generated by the driver 134. The switching output voltage V SW is generated at the common node 122 between the power switches M1 and M2. The switching output voltage V SW is coupled to an inductor-capacitor (LC) filter network comprising an inductor L1 and an output capacitor C OUT through the SW terminal 104 to filter the switching output voltage V SW . And generate a DC output voltage V OUT at an output voltage node 114 having a substantially fixed magnitude. In a practical implementation, the DC output voltage V OUT is used to drive the load 116.

DC 출력 전압(VOUT)은 다시 벅 레귤레이터(100)에 결합되어 스위칭 출력 전압(VSW)을 조정하기 위한 피드백 제어 루프를 형성한다. 구체적으로, 출력 전압(VOUT)은 FB 단자(108)를 통해 저항(R1 및 R2)에 의해 형성되는 전압 분할기에 결합된다. 출력 전압(VOUT)의 스텝 다운된 버전인 피드백 전압(VFB)은 오류 비교기(126)의 제 1 입력 단자(음의 입력 단자)에 결합된다. 기준 전압(VREF)(노드(138))은 오류 비교기(126)의 제 2 입력 단자(양의 입력 단자)에 결합된다. 기준 전압(VREF)은 입력 전압(VIN)에 의해 전력 공급되는 전압 기준 회로(136)에 의해 발생된다. 전압 기준 회로(136)는 잘 알려져 있으며 입력 전압(VIN)을 수신하고 원하 는 전압 크기를 갖는 기준 전압(VREF)을 발생시키는 많은 회로 구성이 가능하다.The DC output voltage V OUT is again coupled to the buck regulator 100 to form a feedback control loop for adjusting the switching output voltage V SW . Specifically, output voltage V OUT is coupled to a voltage divider formed by resistors R1 and R2 through FB terminal 108. The feedback voltage V FB , which is a stepped down version of the output voltage V OUT , is coupled to the first input terminal (negative input terminal) of the error comparator 126. Reference voltage V REF (node 138) is coupled to a second input terminal (positive input terminal) of error comparator 126. The reference voltage V REF is generated by the voltage reference circuit 136 powered by the input voltage V IN . The voltage reference circuit 136 is well known and many circuit configurations are possible for receiving an input voltage V IN and generating a reference voltage V REF having a desired voltage magnitude.

오류 비교기(126)는 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF) 사이의 차를 평가하고 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF) 사이의 차를 표시하는 출력 전압 신호(VCOMP_OUT)를 제공한다. 고정된 온-타임 제어 루프를 형성하기 위해, 출력 전압 신호(VCOMP_OUT)는 온-타이머(128)의 시작 입력 단자 및 로직 회로(132)에 결합된다. 온-타이머(128)는 시작 신호가 선언되면(asserted) 사전 결정된 온-타임 지속 시간을 제공하며 사전 결정된 온-타임 지속 시간의 끝을 표시하는 종료 출력 신호를 제공한다. 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF) 아래로 떨어지면, 출력 전압 신호(VCOMP_OUT)가 선언되고 온-타이머(128)에서 프로그래밍된 온-타임 지속 기간이 개시된다. 온-타임 지속 기간이 개시되면, 온-타이머(128)는 또한 버스(129)상의 제어 신호를 로직 회로(132)에 제공하여 로직 회로(132)가 하이-측 스위치(M1)를 턴온하도록 지시한다. 따라서 인덕터(L1)를 통한 전류가 누적(build up)될 수 있게 된다. 하이-측 스위치(M1)는 고정된 지속 기간 동안만 턴온된다. 온-타임 지속 기간이 만료되면, 온-타이머(128)는 로직 회로(132)가 하이-측 스위치(M1)를 턴오프하고 로우-측 트랜지스터(M2)를 턴온하도록 지시한다.Error comparator 126 is a feedback voltage (V FB) and a reference voltage (V REF) evaluating a difference between the feedback voltage (V FB) and a reference voltage (V REF), the output voltage signal (V COMP_OUT indicating the difference between the ). To form a fixed on-time control loop, the output voltage signal V COMP_OUT is coupled to the start input terminal of the on-timer 128 and the logic circuit 132. On-timer 128 provides a predetermined on-time duration when the start signal is asserted and provides an end output signal indicating the end of the predetermined on-time duration. When the feedback voltage V FB falls below the reference voltage V REF , the output voltage signal V COMP_OUT is declared and the on-time duration programmed in the on-timer 128 is started. When the on-time duration is initiated, the on-timer 128 also provides a control signal on the bus 129 to the logic circuit 132 to instruct the logic circuit 132 to turn on the high-side switch M1. do. Therefore, the current through the inductor L1 can be built up. The high-side switch M1 is only turned on for a fixed duration. When the on-time duration expires, on-timer 128 instructs logic circuit 132 to turn off high-side switch M1 and turn on low-side transistor M2.

최소 오프-타임 제어를 구현하기 위해, 온-타이머(128)로부터의 종료 출력 신호가 오프-타이머(130)의 시작 입력 단자에 결합된다. 따라서, 온-타임 지속 기간이 만료되면, 오프-타이머(130)에서 프로그래밍되는 오프-타임 지속 기간이 개시 된다. 오프-타이머(130)는 로직 회로(132)에 종료 출력 신호를 제공하여 오프-타임 지속 기간의 종료를 표시하는데, 이 때 피드백 전압(VFB)이기준 전압(VREF)보다 작으면 전력 트랜지스터(M1)가 다시 턴온될 수 있다. 이 방식에서, 최소 오프-타임이 피드백 제어 루프에서 구현된다.To implement minimum off-time control, an end output signal from on-timer 128 is coupled to the start input terminal of off-timer 130. Thus, when the on-time duration expires, an off-time duration programmed in off-timer 130 is initiated. The off-timer 130 provides an end output signal to the logic circuit 132 to indicate the end of the off-time duration, wherein if the feedback voltage V FB is less than the reference voltage V REF , the power transistor ( M1) may be turned on again. In this way, the minimum off-time is implemented in the feedback control loop.

오류 비교기(126)의 동작을 통해, 온-타이머(128) 및 오프-타이머(130), 로직 회로(132)는 제어 신호를 발생시켜서 구동기(134)가 전력 스위치(M1 및 M2)로 하여금 스위칭 출력 전압(VSW)을 발생시키기 위해 교대로 턴온 및 턴오프되게 한다. 본 실시예에서, 피드백 제어 루프가 수립되어, 동작 주파수를 일정하게 유지하기 위해 벅 스위칭 레귤레이터(100)의 온-타임이 상이한 입력 전압 및 상이한 출력 전압에 적응 가능하게 된다.Through operation of the error comparator 126, the on-timer 128 and the off-timer 130, the logic circuit 132, generate a control signal such that the driver 134 causes the power switches M1 and M2 to switch. It is turned on and off alternately to generate the output voltage V SW . In this embodiment, a feedback control loop is established such that the on-time of the buck switching regulator 100 is adaptable to different input voltages and different output voltages to keep the operating frequency constant.

도 2는 도 1의 벅 스위칭 레귤레이터 시스템에서 구현되는 고정적인 온-타임 및 최소 오프-타임 피드백 제어 루프 동작을 도시하는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 피드백 제어 루프의 시작시에 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF)에 대해 비교된다(단계 204). 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF)보다 작은 경우, 제어 루프는 고정된 온-타임 동안 하이-측 스위치(M1)를 턴온한다(그리고 로우-측 스위치(M2)는 턴오프한다)(단계 206). 고정된 온-타임 후에, 하이-측 스위치(M1)는 최소 오프-타임 동안 턴오프된다(그리고 로우-측 스위치(M2)는 턴온된다)(단계 208). 그 후, 제어 루프는 비교 단계(204)로 복귀한다. 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF)보다 크 거나 같은 경우, 아무런 동작도 취해지지 않으며 하이-측 스위치(M1)는 턴오프로 유지되고 로우-측 스위치(M2)는 턴온으로 유지된다. 그러나, 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF)보다 여전히 작은 경우, 하이-측 스위치(M1)는 고정된 온-타임 동안 다시 턴온된다(단계 206). 제어 루프는 피드백 전압(VFB)을 로직 전압(VREF) 또는 그 이상으로 유지하도록 연속적으로 동작한다.FIG. 2 is a flow diagram illustrating the fixed on-time and minimum off-time feedback control loop operation implemented in the buck switching regulator system of FIG. 1. Referring to FIG. 2, at the start of the feedback control loop, the feedback voltage V FB is compared against the reference voltage V REF (step 204). If the feedback voltage V FB is less than the reference voltage V REF , the control loop turns on the high-side switch M1 for a fixed on-time (and the low-side switch M2 turns off). (Step 206). After the fixed on-time, the high-side switch M1 is turned off for the minimum off-time (and the low-side switch M2 is turned on) (step 208). The control loop then returns to comparison step 204. If the feedback voltage V FB is greater than or equal to the reference voltage V REF , no action is taken and the high-side switch M1 remains turned off and the low-side switch M2 remains turned on. . However, if the feedback voltage V FB is still smaller than the reference voltage V REF , the high-side switch M1 is turned on again for a fixed on-time (step 206). The control loop operates continuously to maintain the feedback voltage V FB at or above the logic voltage V REF .

도 2에 흐름도에 의해 도시된 바와 같이, 도 1의 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(10)은 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF)과 같거나 이보다 클 때 오프-타임을 최소 오프-타임(min-off)으로부터 공칭 오프-타임으로 증가시켜서 오프-타임을 조절할 것이다. 연속적 전류 모드의 경우, 벅 레귤레이터의 동작 주파수는 안정적이며 듀티 사이클은 다음과 같이 주어진다.As shown by the flowchart in FIG. 2, the buck switching regulator system 10 of FIG. 1 has a minimum off-time (off-time) when the feedback voltage V FB is equal to or greater than the reference voltage V REF . min-off from nominal off-time to control off-time. In continuous current mode, the buck regulator's operating frequency is stable and the duty cycle is given by

Figure 112008085320460-PAT00001
Figure 112008085320460-PAT00001

여기서, ConstTon은 고정적인 온-타임이고 Contr.Toff는 오프-타임이다. 고정적인 온-타임은 다음과 같이 정의된다고 하면,Where ConstTon is fixed on-time and Contr.Toff is off-time. Fixed on-time is defined as

Figure 112008085320460-PAT00002
Figure 112008085320460-PAT00002

스위칭 출력 전압의 주파수는 VIN의 함수로서 일정하다. 고정적인 스위칭 출력 전압 의 주파수가 동일한 애플리케이션에서 바람직하다.The frequency of the switching output voltage is constant as a function of V IN . The frequency of the fixed switching output voltage is desirable in the same application.

도 1을 참조하면, 벅 스위칭 레귤레이터(100)는, 피드백 커패시터(CFF)와 함께 작동하는 리플 입력 회로(120)를 포함하여, 스위칭 출력 전압으로부터 주어진 양의 리플을 발생시키고 리플 전압 신호를 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(10)의 피드백 제어 루프로 입력한다. 리플 입력 회로와 피드포워드 커패시터(CFF)를 포함하여, 본 발명의 벅 레귤레이터(100)는 임의의 ESR 값을 갖는 출력 커패시터(COUT)에 결합될 수 있다. 즉, 세라믹 커패시터와 같은 제로-ESR 커패시터가 출력 커패시터(COUT)로서 사용되어 출력 전압(VOUT)에서의 리플 전압이 최소화될 수 있다. 한편, 본 발명의 리플 입력 회로와 피드포워드 커패시터는 피드백 제어 루프를 위해 필요한 리플을 제공한다. 다른 한편, 큰 ESR을 갖는 커패시터를 사용하는 경우, 본 발명의 리플 입력 회로는 리플 발생이 필요치 않으므로 피드포워드 커패시터에 의해 비활성화될 수 있다.Referring to FIG. 1, the buck switching regulator 100 includes a ripple input circuit 120 operating with a feedback capacitor C FF to generate a given amount of ripple from the switching output voltage and buck the ripple voltage signal. Input into the feedback control loop of the switching regulator system 10. Including the ripple input circuit and feedforward capacitor C FF , the buck regulator 100 of the present invention may be coupled to an output capacitor C OUT having any ESR value. That is, a zero-ESR capacitor such as a ceramic capacitor can be used as the output capacitor C OUT to minimize the ripple voltage at the output voltage V OUT . On the other hand, the ripple input circuit and feedforward capacitor of the present invention provide the necessary ripple for the feedback control loop. On the other hand, when using a capacitor with a large ESR, the ripple input circuit of the present invention can be deactivated by the feedforward capacitor since no ripple occurs.

리플 입력 회로(120)는 스위칭 출력 전압(VSW)(노드 122)과 피드백 전압 (VFB)(노드(124)) 사이에 직렬로 접속되는 제 1 커패시터(CINJ) 및 저항(RINJ)을 포함한다. 이 실시예에서, 제 1 커패시터(CINJ)는 스위칭 출력 전압 노드(SW)에 접속된 하나의 단자와 저항(RINJ)에 접속된 다른 단자를 구비하며, 저항(RINJ)은 커패시터(CINJ)와 피드백 전압 (VFB)(노드(124)) 사이에 접속된다. 다른 실시예에서, 커패 시터(CINJ) 및 저항(RINJ)의 순서가 역전될 수 있다. 리플 입력 회로(120)는 저항(R1 및 R2)의 전압 분할기와 함께 작동하여 원하는 전압 레벨 및 원하는 양의 리플을 갖는 피드백 전압(VFB)을 발생시킨다. 본 발명에 따르면, 리플 입력 회로(120)는 스위칭 출력 전압 노드(122)에 결합되어 리플 전압 신호가 스위칭 출력 전압(VSW)으로부터 발생된다. 다시 말해, 리플 전압 신호는 스위칭 출력 전압(VSW)의 분할되고(devided-down) 스위칭 출력 전압의 스위칭 주파수에 존재한다. 피드백 전압(VFB) 노드(124)에서 리플 신호가 존재한다면 그 양은 피드포워드 커패시터의 커패시턴스 값에 의해 결정된다. 피드포워드 커패시터(CFF)는 벅 레귤레이터(100)의 출력 전압(VOUT)(노드 114)과 피드포워드 FFWD 단자(110) 사이에 접속된다. 피드포워드 FFWD 단자(110)는 피드백 전압(VFB) 노드(124)에 직접적으로 접속된다. 따라서, 피드포워드 커패시터(CFF)는 출력 전압(VOUT)과 피드백 전압(VFB) 사이에 접속된다.The ripple input circuit 120 includes a first capacitor C INJ and a resistor R INJ connected in series between the switching output voltage V SW (node 122) and the feedback voltage V FB (node 124). It includes. In this embodiment, the first capacitor (C INJ) is provided with a the other terminal connected to one terminal and the resistor (R INJ) connected to the switching output voltage node (SW), the resistance (R INJ) is a capacitor (C INJ ) and a feedback voltage V FB (node 124). In another embodiment, the order of capacitor C INJ and resistor R INJ may be reversed. Ripple input circuit 120 works with the voltage dividers of resistors R1 and R2 to generate a feedback voltage V FB having a desired voltage level and a desired amount of ripple. According to the present invention, the ripple input circuit 120 is coupled to the switching output voltage node 122 so that a ripple voltage signal is generated from the switching output voltage V SW . In other words, the ripple voltage signal is at the switching frequency of the switching output voltage which is divided-down of the switching output voltage V SW . If a ripple signal is present at the feedback voltage (V FB ) node 124, the amount is determined by the capacitance value of the feedforward capacitor. The feedforward capacitor C FF is connected between the output voltage V OUT (node 114) of the buck regulator 100 and the feedforward FFWD terminal 110. The feedforward FFWD terminal 110 is directly connected to the feedback voltage (V FB ) node 124. Thus, the feedforward capacitor C FF is connected between the output voltage V OUT and the feedback voltage V FB .

리플 전압 신호는 커패시터(CINJ)와 피드포워드 커패시터(CFF)에 의해 분할된다. 스위칭 출력 전압(VSW)이 커패시터(CINJ)에 인가되면, 커패시터(CINJ)는 미분기(differentiator)로서 동작한다. 스위칭 출력 전압(VSW)이 충분히 신속하게 스위칭하는 경우, 커패시터(CINJ)는 단락 회로로서 동작한다. 이 방식에서, 스위칭 출력 전압(VSW)은 리플 전압 신호를 발생시키도록 분할된다. 일 실시예에서, 리플 전압은 대략 20mV의 피크-피크 전압을 갖는다.The ripple voltage signal is divided by the capacitor C INJ and the feedforward capacitor C FF . When the switching output voltage (V SW) is applied to the capacitor (C INJ), the capacitor (C INJ) operates as a differentiator (differentiator). When the switching output voltage V SW switches fast enough, the capacitor C INJ operates as a short circuit. In this manner, the switching output voltage V SW is divided to generate a ripple voltage signal. In one embodiment, the ripple voltage has a peak-peak voltage of approximately 20 mV.

피드포워드 커패시터(CFF)는 저항(R1 및 R2)과 병렬로 결합되고 커패시터(CINJ)를 갖는 용량성 분할기로서 동작한다. 따라서, 리플 전압 신호의 피크-피크 전압은 피드포워드 커패시터(CFF)의 커패시턴스 값의 함수로서 이루어진다. 따라서, 피드포워드 커패시터(CFF)의 커패시턴스 값은, 벅 레귤레이터(100)로 하여금 임의의 ESR 값을 갖는 출력 커패시터(COUT)와 동작하도록 리플 입력 회로를 프로그래밍하는 데 사용된다.Feedforward capacitor C FF is coupled in parallel with resistors R1 and R2 and operates as a capacitive divider with capacitor C INJ . Thus, the peak-peak voltage of the ripple voltage signal is made as a function of the capacitance value of the feedforward capacitor C FF . Thus, the capacitance value of the feedforward capacitor C FF is used to program the ripple input circuit to cause the buck regulator 100 to operate with an output capacitor C OUT having any ESR value.

더 구체적으로는, 피드포워드 커패시터(CFF)는 출력 전압(VOUT)과 피드백 전압(VFB) 사이에 결합되는 AC이다. 커패시터(CFF)의 커패시턴스가 매우 큰 경우, 커패시터(CFF)는 출력 전압(VOUT) 노드(114)에 나타날 수 있는 AC 신호에 대한 단락 회로이다. 이와 같이, 리플 입력 회로는 큰 피드포워드 커패시터(CFF)에 의해 단락되고 리플 입력 회로에 의해 발생되는 어떠한 리플 신호도 피드백 전압(VFB) 노드에 입력되지 않는다. 대신, 리플 전압 성분을 갖는 출력 전압(VOUT)은 FB 단자(108)를 통해 피드백 제어 루프의 전압 분할기에 결합된다. 따라서, 피드백 전압(VFB)은 필요한 리플을 갖는 출력 전압 신호(VOUT)로부터 발생된다.More specifically, the feedforward capacitor C FF is AC coupled between the output voltage V OUT and the feedback voltage V FB . If the capacitance of capacitor C FF is very large, capacitor C FF is a short circuit for the AC signal that may appear at output voltage V OUT node 114. As such, the ripple input circuit is shorted by a large feedforward capacitor C FF and no ripple signal generated by the ripple input circuit is input to the feedback voltage V FB node. Instead, the output voltage V OUT with the ripple voltage component is coupled to the voltage divider of the feedback control loop through the FB terminal 108. Thus, the feedback voltage V FB is generated from the output voltage signal V OUT with the required ripple.

한편, 커패시터(CFF)의 커패시턴스가 매우 작거나 제로이면, 커패시터(CFF)는 출력 전압(VOUT) 노드(114)상에 나타날 수 있는 AC 신호에 대해 개방 회로이다. 이 경우, 커패시터(CINJ 및 RINJ)의 리플 입력 회로에 의해 발생되는 리플 신호는 피드백 전압(VFB) 노드(124)로 전달되고 최대 리플 양이 피드백 제어 루프에 제공된다.On the other hand, if the capacitance of the capacitor C FF is very small or zero, the capacitor C FF is open circuit for AC signals that may appear on the output voltage V OUT node 114. In this case, the ripple signal generated by the ripple input circuits of the capacitors C INJ and R INJ is passed to the feedback voltage V FB node 124 and a maximum amount of ripple is provided to the feedback control loop.

따라서 실제 구현에서는, 충분히 큰 ESR을 갖는 출력 커패시터(COUT)가 사용되는 경우, 리플 입력 회로(120)가 피드백 제어 루프에 대해 어떠한 리플 전압 신호도 발생시킬 필요가 없다. 리플 입력 회로로부터 리플 전압이 요구되지 않는 경우, 큰 커패시턴스 값을 갖는 피드포워드 커패시터(CFF)가 사용되는데, 여기서 큰 피드포워드 커패시터(CFF)는 리플 입력 회로의 커패시터(CINJ)의 효과를 필수적으로 단락시키고 리플 입력 회로에 의해 발생되는 리플 신호는 피드포워드 커패시터(CFF)에 의해 상쇄된다.Thus, in practical implementations, when an output capacitor C OUT with a sufficiently large ESR is used, the ripple input circuit 120 does not need to generate any ripple voltage signal for the feedback control loop. If no ripple voltage is required from the ripple input circuit, a feed forward capacitor C FF having a large capacitance value is used, where the large feed forward capacitor C FF has the effect of the capacitor C INJ of the ripple input circuit. Essentially shorting and the ripple signal generated by the ripple input circuit is canceled by the feedforward capacitor C FF .

한편, 작거나 제로 ESR을 갖는 출력 커패시터(COUT)가 사용되는 경우, 리플 입력 회로(120)는 피드백 제어 루프를 위해 필요한 리플 전압 신호를 제공하도록 적응된다. 따라서, 작은 커패시턴스 값을 갖는 피드포워드 커패시터(CFF)가 사용되어, 스위칭 출력 전압(VSW)으로부터 리플 입력 회로(120)에 의해 발생되는 리플 신호가 피드백 전압 노드(124)에 전달될 수 있게 한다.On the other hand, when an output capacitor C OUT having a small or zero ESR is used, the ripple input circuit 120 is adapted to provide the ripple voltage signal required for the feedback control loop. Thus, a feed forward capacitor C FF having a small capacitance value is used so that the ripple signal generated by the ripple input circuit 120 from the switching output voltage V SW can be transmitted to the feedback voltage node 124. do.

따라서, 피드포워드 커패시터(CFF)는 리플 입력 회로(120)에 의해 제공될 리 플 전압 양을 조절하도록 동작한다. 일 실시예에서, 피드포워드 커패시터(CFF)SMS 220pF 내지 2.2nF 범위의 커패시턴스 값을 갖는다. 따라서, 벅 레귤레이터(100)는 단순히 피드포워드 커패시터에 대해 대응 커패시턴스 값을 선택하여 임의의 ESR 값을 값는 출력 커패시터와 동작할 수 있다. 리플 입력 회로를 갖는 용량성 분할기로서 사용될 뿐만 아니라, 피드포워드 커패시터는 또한 피드백 제어 루프에 제로를 제공하여 과도 응답의 안정성을 향상시키는 기능을 한다.Thus, the feedforward capacitor C FF operates to adjust the amount of ripple voltage to be provided by the ripple input circuit 120. In one embodiment, the feedforward capacitor (C FF ) SMS has capacitance values ranging from 220 pF to 2.2 nF. Thus, the buck regulator 100 can simply select the corresponding capacitance value for the feedforward capacitor and operate with the output capacitor to value any ESR value. In addition to being used as a capacitive divider with a ripple input circuit, the feedforward capacitor also functions to provide zero to the feedback control loop to improve the stability of the transient response.

또한, 리플 입력 회로에 의해 발생되는 리플 전압 신호는 인덕터(L1)를 구동하기 위해 결합되는 스위칭 출력 전압(VSW)의 AC 버전이므로, 리플 전압 신호는 입력 전압(Vin)에 직접 비례한다. 제어 루프 안정성 관점에서는 클 리플을 갖는 것이 좋지만 정확성(부하 조정, 출력 전압 리플) 관점에서는 입력 전압이 변할 때 최소 효과를 가지도록 최소화되어야 한다.In addition, the ripple voltage signal generated by the ripple input circuit is an AC version of the switching output voltage V SW coupled to drive the inductor L1, so the ripple voltage signal is directly proportional to the input voltage V in . In terms of control loop stability, it is better to have a ripple, but in terms of accuracy (load regulation, output voltage ripple), it should be minimized to have minimal effect when the input voltage changes.

본 실시예에서, 피드포워드 커패시터(CFF)는 벅 레귤레이터(100)의 집적 회로 외부에 형성되어, 피드포워드 커패시터의 상이한 커패시턴스 값이 출력 커패시터(COUT)의 ESR 특성과 조화되도록 사용되게 한다. 따라서, 입력된 리플 전압의 양은 피드포워드 커패시턴스(CFF)에 의해 미세 튜닝될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는, 리플 입력 회로와 피드포워드 커패시터(CFF) 모두가 벅 레귤레이터 집적 회로로 통합되어 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(10)의 외부 부품의 수를 감소시킬 수 있다. 통합되면, 피드포워드 커패시터(CFF)는 출력 커패시터의 ESR 값의 주어진 범 위에 대해 적합한 커패시턴스 값을 가질 수 있다.In this embodiment, the feedforward capacitor C FF is formed outside the integrated circuit of the buck regulator 100 so that the different capacitance values of the feedforward capacitor are used to match the ESR characteristics of the output capacitor C OUT . Therefore, the amount of the input ripple voltage can be fine tuned by the feedforward capacitance C FF . However, in other embodiments, both the ripple input circuit and the feedforward capacitor C FF can be integrated into the buck regulator integrated circuit to reduce the number of external components of the buck switching regulator system 10. When integrated, the feedforward capacitor C FF may have a suitable capacitance value for a given range of ESR values of the output capacitor.

본 발명의 리플 입력 회로와 피드포워드 커패시터를 포함하는 벅 레귤레이터는 종래 해결책에 비해 많은 장점을 실현한다. 예를 들어, 한 종래 해결책은 남아 있는 적은 양의 리플 전압을 증폭하여 출력 전압(VOUT)으로부터 리플 전압을 발생시킨다. 리플 신호가 매우 적을 때, 리플을 복제하고 노이즈 신호로부터 리플 신호를 미분하는 것은 매우 어렵다. 이와 반대로, 본 발명의 리플 입력 회로는 스위칭 출력 전압으로부터 리플 신호를 발생시킨다. 따라서, 간단한 회로가 사용되어 스위칭 출력 전압을 분할할 수 있고 리플 신호가 노이즈 없이 발생될 수 있다.The buck regulator including the ripple input circuit and feedforward capacitor of the present invention realizes many advantages over conventional solutions. For example, one conventional solution amplifies the small amount of ripple voltage remaining to generate a ripple voltage from the output voltage V OUT . When the ripple signal is very small, it is very difficult to duplicate the ripple and differentiate the ripple signal from the noise signal. In contrast, the ripple input circuit of the present invention generates a ripple signal from the switching output voltage. Thus, a simple circuit can be used to divide the switching output voltage and the ripple signal can be generated without noise.

개선된 출력 전압 정확도Improved Output Voltage Accuracy

도 1의 벅 레귤레이터(100)에서, DC 출력 전압 VOUT은 실질적으로 고정적인 크기를 가지며 실질적으로 전압 리플이 없는 전압이다. 리플 입력 회로(120)로부터의 리플 전압 신호는 피드백 전압 노드 VFB 노드(124)에 입력된다. 리플 입력 회로에 의해 형성된 제어 루프는 이득이 낮으므로 정확성이 제한된다. 동작시에, 리플 전압 신호의 평균 DC 전압(중간 포인트)은 비교기 기준 전압 VREF과 같아야 한다. 그러나, 리플 전압이 피드백 전압 VFB에 입력되면, 상측(high-side) 스위치를 턴온시키는 지연 시간과 같은 다양한 요인 때문에 리플 신호의 평균 DC 전압은 기준 전압 VREF으로부터 오프셋된다. 이에 따라, 출력 전압 VOUT은 벅 레귤레이터의 정확성에 영향을 주는 DC 오프셋 전압 성분을 갖는다.In the buck regulator 100 of FIG. 1, the DC output voltage V OUT is a voltage having a substantially fixed magnitude and substantially free of voltage ripple. The ripple voltage signal from the ripple input circuit 120 is input to the feedback voltage node V FB node 124. The control loop formed by the ripple input circuit has low gain and therefore accuracy is limited. In operation, the average DC voltage (middle point) of the ripple voltage signal should be equal to the comparator reference voltage V REF . However, when the ripple voltage is input to the feedback voltage V FB , the average DC voltage of the ripple signal is offset from the reference voltage V REF due to various factors such as the delay time of turning on the high-side switch. Accordingly, the output voltage V OUT has a DC offset voltage component that affects the accuracy of the buck regulator.

도 3은 도 1의 일정 온-타임(constant on-time) 전압 레귤레이터의 피드백 전압 VFB을 도시하는 전압 파형이다. 도 3을 참조하면, 파형(190)은 리플이 입력된 피드백 전압 VFB이다. 도 3의 파형 도시는 전력 스위치의 "온(on)" 저항이 0이라고 가정한다. 시간 0에서, 상측 스위치(M1)는 일정 온-타임 tON 동안 온 상태이다. 피크 투 피크 리플 ΔV1은 다음과 같다.3 is a voltage waveform showing the feedback voltage V FB of the constant on-time voltage regulator of FIG. 1. Referring to FIG. 3, the waveform 190 is a feedback voltage V FB input with ripple. The waveform diagram of FIG. 3 assumes that the "on" resistance of the power switch is zero. At time zero, the upper switch M1 is on for a constant on-time t ON . The peak-to-peak ripple ΔV 1 is as follows.

Figure 112008085320460-PAT00003
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일정 온-타임 이후에, 상측 스위치는 턴오프되고 피드백 전압 VFB은 감소한다. 피드백 전압 VFB이 기준 전압 VREF(라인 194)까지 떨어지면, 상측 스위치(M1)는 전파 지연 tdelay 이후에 다시 턴온할 것이다. 피드백 전압 VFB이 기준 전압 VREF 미만으로 떨어지는 전압량 ΔV2은 다음과 같다.After a certain on-time, the upper switch turns off and the feedback voltage V FB decreases. When the feedback voltage V FB drops to the reference voltage V REF (line 194), the upper switch M1 will turn on again after the propagation delay t delay . The voltage amount ΔV 2 at which the feedback voltage V FB falls below the reference voltage V REF is as follows.

Figure 112008085320460-PAT00004
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상측 스위치를 턴온할 때의 지연 시간 때문에, 평균 피드백 전압 AVG_VFB(라인 192)는 기준 전압 VREF(라인 194)으로부터 오프셋된다. 평균 피드백 전압 AVG_VFB 과 기준 전압 VREF의 차이는 ½ΔV1-ΔV2으로 주어지는 오류 전압 VERR2이다. 전압 오류 VERR2와 피드백 분배율을 곱하여 출력 전압 VOUT의 오류를 계산한다. 따라서, 출력 전압 VOUT에 나타나는 잔여 DC 전압 오류는 전압 오류 VERR2의 형태로 피드백 단자에서 나타나는 오류의 (VOUT/VREF)배이다. 따라서, 출력 전압 VOUT은 확대된 전압 오류를 통합하고 부정확해진다. 예컨대, 만일 오류 전압 VERR2이 10 mV이면, 출력 전압 VOUT은 1.8 V이고, 기준 전압 VREF은 0.9 V이며, 출력 전압에서 보이는 DC 잔여 전압 오류는 10 mV(1.8/0.9)=20 mV가 되어, 출력 전압 VOUT에서 오프셋 전압이 20 mV가 된다.Because of the delay time when the upper switch is turned on, the average feedback voltage AVG_V FB (line 192) is offset from the reference voltage V REF (line 194). The difference between the average feedback voltage AVG_V FB and the reference voltage V REF is the error voltage V ERR2, which is given by ½ΔV 1 -ΔV 2 . The error in the output voltage V OUT is calculated by multiplying the voltage error V ERR2 by the feedback divider . Thus, the residual DC voltage error that appears at the output voltage V OUT is (V OUT / V REF ) times the error that appears at the feedback terminal in the form of voltage error V ERR2 . Thus, the output voltage V OUT incorporates magnified voltage error and becomes inaccurate. For example, if the error voltage V ERR2 is 10 mV, the output voltage V OUT is 1.8 V, the reference voltage V REF is 0.9 V, and the DC residual voltage error seen at the output voltage is 10 mV (1.8 / 0.9) = 20 mV. The offset voltage is 20 mV at the output voltage V OUT .

또한, 시간 값 tON 및 tdelay이 독립적인 파라미터라는 사실은 DC 출력 전압 VOUT의 부정확성을 야기한다. 또한, 전압 ΔV1 및 ΔV2은 입력 전압 VIN 및 출력 전압 VOUT에 따라 변하고, 이로써 라인 조정이 저하된다. 마지막으로, 실제 구현에서, "온" 저항은 0이 아니다. 따라서, 출력 전압 VOUT은 부하에 따라 변할 것이다. 이들 요인은 바람직하지 않은 조정된 출력 전압 VOUT의 부정확성에 기여한다.In addition, the fact that the time values t ON and t delay are independent parameters leads to inaccuracies in the DC output voltage V OUT . Further, the voltages ΔV 1 and ΔV 2 change depending on the input voltage V IN and the output voltage V OUT , thereby degrading line regulation. Finally, in a practical implementation, the "on" resistance is not zero. Thus, the output voltage V OUT will vary with the load. These factors contribute to the inaccuracy of the undesirable regulated output voltage V OUT .

본 발명의 다른 측면에 따르면, 일정 온-타임 및 가변적인 오프-타임 제어 루프를 사용하는 벅 스위칭 레귤레이터는 정확성이 개선된 리플 입력 회로를 통합하는데, 여기서 리플 입력 회로는 피드백 전압 노드와 별도로 피드백 제어 루프 내 의 지점에 리플 전압 신호를 입력한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 출력 전압 정확성이 개선된 리플 입력 제어 방식을 통합하는 일정 온-타임 전압 레귤레이터의 개략도이다. 논의를 간단하게 하기 위해 도 1 및 도 4에서 동일한 구성요소에는 동일한 참조 번호가 주어진다.According to another aspect of the invention, a buck switching regulator using constant on-time and variable off-time control loops incorporates an improved accuracy ripple input circuit, where the ripple input circuit is feedback control separate from the feedback voltage node. Input the ripple voltage signal to a point in the loop. 4 is a schematic diagram of a constant on-time voltage regulator incorporating a ripple input control scheme with improved output voltage accuracy in accordance with one embodiment of the present invention. To simplify the discussion, the same components are given the same reference numerals in FIGS. 1 and 4.

도 4를 참조하면, 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(400)은 출력 LC 필터 회로에 결합된 벅 스위칭 레귤레이터(400)("벅 레귤레이터(400)")를 포함한다. 벅 레귤레이터(400)는 입력 전압 VIN을 수신하고, 인덕터(L1)와 출력 커패시터 COUT로 형성된 출력 LC 필터 회로에 스위칭 출력 전압 VSW(단자 404)을 공급한다. 출력 LC 필터 회로는 실질적으로 고정적인 크기를 가진 출력 전압 노드(414)에서 DC 출력 전압 VOUT을 생성한다. 실제 구현에서, 도 4에 도시된 바와 같이 출력 전압 VOUT은 구동 부하(416)에 결합된다. 출력 커패시터 COUT는, 출력 커패시터와 직렬로 접속된 점선 저항 ESR로 나타낸, ESR의 특정량과 관련된다. ESR이 0인 출력 커패시터를 사용하면, 저항 ESR은 0 저항을 가지므로 단락 회로이다.Referring to FIG. 4, the buck switching regulator system 400 includes a buck switching regulator 400 (“buck regulator 400”) coupled to the output LC filter circuit. The buck regulator 400 receives an input voltage V IN and supplies a switching output voltage V SW (terminal 404) to an output LC filter circuit formed of an inductor L1 and an output capacitor C OUT . The output LC filter circuit produces a DC output voltage V OUT at an output voltage node 414 having a substantially fixed magnitude. In a practical implementation, the output voltage V OUT is coupled to the drive load 416 as shown in FIG. 4. The output capacitor C OUT is related to a specific amount of ESR, represented by a dotted line resistor ESR connected in series with the output capacitor. Using an output capacitor with zero ESR, the resistor ESR has a zero resistance and is therefore a short circuit.

벅 레귤레이터(400)는 일정 온-타임, 가변적인 오프-타임 피드백 제어 루프를 구현한다. 벅 레귤레이터(400)의 일정 온-타임 피드백 제어 루프는 도 1의 벅 레귤레이터(100)와 동일한 방식으로 동작하므로, 더 설명하지 않을 것이다. 벅 레귤레이터(400)는 개선된 출력 전압 정확성을 제공하는 리플 입력 회로(420)를 포함한다. 피드백 제어 루프에 바람직한 리플량을 입력하고 출력 전압 정확성을 강화하 는 리플 입력 회로(420)의 구성 및 동작은 상세히 후술될 것이다.The buck regulator 400 implements a constant on-time, variable off-time feedback control loop. The constant on-time feedback control loop of the buck regulator 400 operates in the same manner as the buck regulator 100 of FIG. 1 and will not be further described. Buck regulator 400 includes a ripple input circuit 420 that provides improved output voltage accuracy. The configuration and operation of the ripple input circuit 420 for inputting the desired amount of ripple into the feedback control loop and for enhancing output voltage accuracy will be described in detail later.

벅 스위칭 레귤레이터(400)는, 스위칭 출력 전압으로부터 주어진 리플량을 생성하고 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(40)의 피드백 제어 루프에 리플 전압 신호를 입력하기 위해 피드포워드(feedforward) 커패시터 CFF와 함께 리플 입력 회로(420)를 포함한다. 보다 구체적으로, 리플 입력 회로(420)에서, 피드백 전압 VFB과 별도로 피드백 제어 루프 내의 지점에 리플 전압 신호가 입력된다. 출력 전압 VOUT 상의 리플 전압 신호에 기인하는 전압 오류의 영향은 현저히 감소하며, 이는 보다 상세히 후술될 것이다.The buck switching regulator 400 includes a ripple input circuit with a feedforward capacitor C FF to generate a given amount of ripple from the switching output voltage and input a ripple voltage signal into the feedback control loop of the buck switching regulator system 40. 420. More specifically, in the ripple input circuit 420, a ripple voltage signal is input at a point in the feedback control loop separately from the feedback voltage V FB . The effect of voltage error due to the ripple voltage signal on the output voltage V OUT is significantly reduced, which will be described in more detail below.

리플 입력 회로(420)는 벅 레귤레이터(400)의 피드백 전압 노드(424)와 오류 비교기(426) 사이에 삽입된 증폭기(450)를 포함한다. 증폭기(450)는 비반전 입력 단자 상의 피드백 전압 VFB과 반전 입력 단자 상의 기준 전압 VREF을 수신하도록 결합된다. 증폭기(450)는 피드백 전압 VFB과 기준 전압 VREF의 차이를 나타내는 출력 전압 VX을 증폭기의 출력 단자(452)에서 생성한다. 보다 구체적으로, 노드(414) 상의 출력 전압 VOUT은 피드백 단자(FB)(408)를 통해 저항 R1 및 R2로 형성된 전압 분배기로 피드백된다. 바람직한 전압 레벨을 가진 피드백 전압 VFB은 저항 R1 및 R2로 이루어진 전압 분배기의 출력 노드(424)에서 생성된다. 출력 전압 VOUT의 아래 분배 전압인 피드백 전압 VFB은 증폭기(450)에서의 기준 전압 VREF과 비교되어 출력 전압 VX이 생성된다.The ripple input circuit 420 includes an amplifier 450 inserted between the feedback voltage node 424 of the buck regulator 400 and the error comparator 426. Amplifier 450 is coupled to receive feedback voltage V FB on the non-inverting input terminal and reference voltage V REF on the inverting input terminal. The amplifier 450 generates an output voltage V X at the output terminal 452 of the amplifier that represents the difference between the feedback voltage V FB and the reference voltage V REF . More specifically, output voltage V OUT on node 414 is fed back to a voltage divider formed of resistors R1 and R2 through feedback terminal (FB) 408. The feedback voltage V FB with the desired voltage level is produced at the output node 424 of the voltage divider consisting of resistors R1 and R2. The feedback voltage V FB, which is the division voltage below the output voltage V OUT , is compared with the reference voltage V REF at the amplifier 450 to produce the output voltage V X.

이어서 출력 전압 VX이 오류 비교기(426)의 반전 입력 단자에 결합되어, 오류 비교기(426)의 비반전 입력 단자에 결합된 제 2 기준 전압 VREF2과 비교된다. 기준 발생기(436)는 기준 전압 VREF 및 VREF2을 발생시킨다. 제 2 기준 전압 VREF2은 오류 비교기(426)와 증폭기(450)를 적합한 공통 모드 레벨로 바이어싱하도록 선택된 DC 전압이다. 오류 비교기(426)는 출력 전압 VX과 제 2 기준 전압 VREF2의 차이를 구하고, 전압 VX와 VREF2의 차이를 나타내는 출력 전압 신호 VCOMP_OUT를 발생시킨다. 출력 전압 VCOMP_OUT은 제어 회로(432)에 결합되어 벅 레귤레이터(400)의 일정 온-타임, 가변적인 오프-타임 제어 루프를 완료한다. 제어 회로(432)는 제어 로직 회로뿐만 아니라, 일정 온-타임 및 가변적인 오프-타임 제어 루프를 실행하는 타이머도 포함한다.The output voltage V X is then coupled to the inverting input terminal of the error comparator 426 and compared to the second reference voltage V REF2 coupled to the non-inverting input terminal of the error comparator 426. Reference generator 436 generates reference voltages V REF and V REF2 . The second reference voltage V REF2 is a DC voltage selected to bias the error comparator 426 and amplifier 450 to a suitable common mode level. The error comparator 426 finds the difference between the output voltage V X and the second reference voltage V REF2 , and generates an output voltage signal V COMP_OUT indicating the difference between the voltage V X and V REF2 . Output voltage V COMP_OUT is coupled to control circuit 432 to complete the constant on-time, variable off-time control loop of buck regulator 400. The control circuit 432 includes not only control logic circuits, but also timers for executing constant on-time and variable off-time control loops.

본 실시예에서, 증폭기(450)는 트랜스컨덕턴스 (Gm) 증폭기와 같은 큰 출력 임피던스를 갖는 증폭기이다. 또한, 증폭기(450)는 높은 DC 이득 및 1의 AC 이득을 갖는 증폭기이어야 한다. 일 실시예에서, 증폭기(450)는 높은 출력 임피던스를 갖는 낮은-Gm 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)이다. 증폭기(450)가 높은 출력 임피던스를 갖는 경우, 증폭기는, 증폭기 출력 단자로부터 오류 비교기로 입력되는 리플 전압 신호의 피드포워드 전송을 가능하게 한다. 증폭기(450)가 OTA로서 구현되는 경우, 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(40)은 추가 증폭기 없이 벅 스위칭 레귤레 이터 시스템(10)에서 달성되는 피드백 제어 루프의 우수한 과도 응답 및 안정성을 보존할 수 있다. 낮은-Gm OTA는 위상 보존을 열화시키지 않고 매우 낮은 주파수에서만 이득을 추가하고 더 높은 주파수에서 1의 이득을 갖는다.In this embodiment, the amplifier 450 is an amplifier with a large output impedance, such as a transconductance (Gm) amplifier. In addition, the amplifier 450 must be an amplifier having a high DC gain and an AC gain of one. In one embodiment, amplifier 450 is a low-Gm operational transconductance amplifier (OTA) with high output impedance. If the amplifier 450 has a high output impedance, the amplifier enables feedforward transmission of the ripple voltage signal input from the amplifier output terminal to the error comparator. If the amplifier 450 is implemented as an OTA, the buck switching regulator system 40 can preserve the good transient response and stability of the feedback control loop achieved in the buck switching regulator system 10 without additional amplifiers. Low-Gm OTA adds gain only at very low frequencies and has a gain of 1 at higher frequencies without degrading phase preservation.

리플 입력 회로(420)는 스위칭 출력 전압(VSW)(노드 422)와 증폭기(450)의 출력 단자(452) 사이에 직렬 접속되는 저항(RINJ) 및 제 1 커패시터(CINJ)를 더 포함한다. 벅 레귤레이터(400)의 피드포워드 FFWD 단자(410)는 증폭기(450)의 출력 단자(452)에도 접속된다. 증폭기(450)의 출력 단자(452)는 피드백 제어 루프의 리플 입력 노드가 되고, 리플 입력 노드(452)는 피드백 전압 노드(424)로부터 분리되어 떨어진다. 증폭기(450)는 리플 전압 신호가 출력 단자(452)에 투입되게 하는 높은 출력 임피던스를 갖는다. 피드포워드 커패시터(CFF)가 출력 전압(VOUT)(노드 414)와 벅 레귤레이터(100)의 피드포워드 FFWD 단자(410) 사이에 접속되는 경우, 피드포워드 커패시터(CFF)는 출력 전압(VOUT)(노드 414) 및 리플 입력 노드(452) 사이에 접속된다. 리플 입력 노드(452)에서 생성되는 리플 신호가 존재한다면 그 양은 피드포워드 커패시터(CFF)의 커패시턴스 값에 의해 결정된다.The ripple input circuit 420 further includes a resistor R INJ and a first capacitor C INJ connected in series between the switching output voltage V SW (node 422) and the output terminal 452 of the amplifier 450. do. The feedforward FFWD terminal 410 of the buck regulator 400 is also connected to the output terminal 452 of the amplifier 450. The output terminal 452 of the amplifier 450 becomes the ripple input node of the feedback control loop, and the ripple input node 452 is separated from the feedback voltage node 424. The amplifier 450 has a high output impedance that causes a ripple voltage signal to be input to the output terminal 452. When the feed forward capacitor C FF is connected between the output voltage V OUT (node 414) and the feed forward FFWD terminal 410 of the buck regulator 100, the feed forward capacitor C FF is connected to the output voltage V OUT ) (node 414) and ripple input node 452. If there is a ripple signal generated at the ripple input node 452, the amount is determined by the capacitance value of the feedforward capacitor C FF .

리플 입력 회로(420)는 스위칭 출력 전압 노드(422)에 결합되어 리플 전압 신호가 스위칭 출력 전압(VSW)으로부터 생성된다. 다시 말해, 리플 전압 신호는 스위칭 출력 전압(VSW)의 분할된 신호이며 스위칭 출력 전압의 스위칭 주파수에 존재한다. 리플 입력 회로 및 피드포워드 커패시터(CFF)를 포함시킴으로써, 본 발명의 벅 레귤레이터(400)는 임의의 ESR 값을 갖는 출력 커패시터(COUT)에 결합될 수 있다. 즉, 세라믹 커패시터와 같은 0-ESR 커패시터(COUT)가 출력 커패시터(COUT)로서 사용될 수 있어서 출력 전압(VOUT)에서의 리플 전압이 최소화된다. 한편, 본 발명의 리플 입력 회로 및 피드포워드 커패시터는 피드백 제어 루프를 위해 필요한 리플을 제공한다. 다른 한편, 큰 ESR을 갖는 커패시터가 사용되는 경우, 본 발명의 리플 입력 회로는 리플 생성이 필요하지 않으므로 피드포워드 커패시터(CFF)에 의해 비활성화될 수 있다.The ripple input circuit 420 is coupled to the switching output voltage node 422 so that a ripple voltage signal is generated from the switching output voltage V SW . In other words, the ripple voltage signal is a divided signal of the switching output voltage V SW and is present at the switching frequency of the switching output voltage. By including a ripple input circuit and a feedforward capacitor C FF , the buck regulator 400 of the present invention can be coupled to an output capacitor C OUT having any ESR value. That is, a 0-ESR capacitor C OUT , such as a ceramic capacitor, can be used as the output capacitor C OUT to minimize the ripple voltage at the output voltage V OUT . On the other hand, the ripple input circuit and feedforward capacitor of the present invention provide the necessary ripple for the feedback control loop. On the other hand, when a capacitor having a large ESR is used, the ripple input circuit of the present invention can be deactivated by the feedforward capacitor C FF since no ripple generation is required.

리플 입력 회로(420)에 의해 생성되는 리플 전압 신호는 저항(RINJ)의 저항, 커패시터(CINJ) 및 피드포워드 커패시터(CFF)의 커패시턴스에 의해 결정된다. 저항(RINJ) 및 커패시터(CINJ)는 저대역 통과 필터로서 기능하여, 커패시터(CINJ)와 커패시터(CFF) 사이에서 용량적으로 분할되는 노드(452)에서의 리플 전압을 생성한다. 더 구체적으로, 리플 전압 신호의 크기는 (온-타임)*(VIN-VOUT)/RINJ/(CINJ+CFF)로 주어진다. 이 방식에서, 스위칭 출력 전압(VSW)은 리플 전압 신호를 생성하기 위해 분할된다. 일 실시예에서, 리플 전압은 대략 20mV의 피크-대-피크 크기를 갖는다.The ripple voltage signal generated by the ripple input circuit 420 is determined by the resistance of the resistor R INJ , the capacitance of the capacitor C INJ , and the capacitance of the feedforward capacitor C FF . Resistor R INJ and capacitor C INJ function as low pass filters, producing a ripple voltage at node 452 that is capacitively divided between capacitor C INJ and capacitor C FF . More specifically, the magnitude of the ripple voltage signal is given by (on-time) * (V IN -V OUT ) / R INJ / (C INJ + C FF ). In this way, the switching output voltage V SW is divided to produce a ripple voltage signal. In one embodiment, the ripple voltage has a peak-to-peak magnitude of approximately 20 mV.

피드포워드 커패시터(CFF)는 커패시터(CINJ)를 갖는 용량성 분할기로서 기능한다. 따라서, 리플 전압 신호의 피크-대-피크 전압은 피드포워드 커패시터(CFF)의 커 패시턴스 값의 함수로서 구성된다. 따라서, 피드포워드 커패시터(CFF)의 커패시턴스 값이 사용되어 리플 입력 회로를 프로그래밍하여 벅 레귤레이터(400)가 임의의 ESR 값을 갖는 출력 커패시터(COUT)과 함께 동작하게 한다. 더 구체적으로, 피드포워드 커패시터(CFF)는 출력 전압(VOUT)과 전압(VX) 사이에 결합되는 AC이다. 커패시터(CFF)의 커패시턴스가 매우 큰 경우, 커패시터(CFF)는 출력 전압(VOUT) 노드(414)에 나타날 수 있는 AC 신호에 대해 단락 회로이다. 이와 같이, 리플 입력 회로는 큰 피드포워드 커패시터(CFF)에 의해 단락되며, 리플 입력 회로에 의해 생성되는 리플 신호가 리플 입력 노드(452)로 입력되지 않는다. 대신, 리플 전압 구성요소를 사용하여 출력 전압(VOUT)가 FB 단말(408)을 통해 피드백 제어 루프의 전압 분할기에 결합된다. 따라서, 피그백 전압(VFB)는 필요한 리플을 갖는 출력 전압 신호(VOUT)로부터 생성된다.The feedforward capacitor C FF functions as a capacitive divider with a capacitor C INJ . Thus, the peak-to-peak voltage of the ripple voltage signal is configured as a function of the capacitance value of the feedforward capacitor C FF . Thus, the capacitance value of the feedforward capacitor C FF is used to program the ripple input circuit so that the buck regulator 400 operates with the output capacitor C OUT having any ESR value. More specifically, the feedforward capacitor C FF is AC coupled between the output voltage V OUT and the voltage V X. If the capacitance of capacitor C FF is very large, capacitor C FF is a short circuit for an AC signal that may appear at output voltage V OUT node 414. As such, the ripple input circuit is shorted by a large feedforward capacitor C FF , and no ripple signal generated by the ripple input circuit is input to the ripple input node 452. Instead, the output voltage V OUT is coupled to the voltage divider of the feedback control loop through the FB terminal 408 using a ripple voltage component. Thus, the pigback voltage V FB is generated from the output voltage signal V OUT with the required ripple.

한편, 커패시터(CFF)의 커패시턴스가 매우 작거나 0이면, 커패시터(CFF)는 출력 전압(VOUT) 노드(114) 상에 나타날 수 있는 AC 신호에 대한 개방 회로이다. 이 경우에, 커패시터(CINJ 및 RINJ)의 리플 입력 회로에 의해 생성되는 리플 신호가 리플 입력 노드(452)로 전달되어 최대 량의 리플이 피드백 제어 루프로 제공된다.On the other hand, if the capacitance of capacitor C FF is very small or zero, capacitor C FF is an open circuit for the AC signal that may appear on output voltage V OUT node 114. In this case, the ripple signal generated by the ripple input circuits of the capacitors C INJ and R INJ is passed to the ripple input node 452 so that the maximum amount of ripple is provided to the feedback control loop.

따라서, 실제 구현에서, 충분히 큰 ESR을 갖는 출력 커패시터(COUT)가 사용되는 경우, 피드백 제어 루프에 대한 임의의 리플 전압 신호를 생성하는 리플 입력 회로(420)가 필요치 않다. 리플 입력 회로로부터 리플 전압 신호가 요구되지 않는 경우, 큰 커패시턴스 값을 갖는 피드포워드 커패시터(CFF)가 사용되는데, 큰 피드포워드 커패시터(CFF)는 리플 입력 회로의 커패시터(CINJ) 효과를 본질적으로 단락시키고(shorts out) 리플 입력 회로에 의해 생성되는 리플 신호가 피드포워드 커패시터(CFF)에 의해 무효화된다.Thus, in practical implementations, when an output capacitor C OUT with a sufficiently large ESR is used, no ripple input circuit 420 is generated that generates any ripple voltage signal for the feedback control loop. If it does not require the ripple voltage signal from the ripple input circuit, there is a feed-forward capacitor (C FF) having a large capacitance value using a large feed-forward capacitor (C FF) is essentially a capacitor (C INJ) effect of ripple input circuit The ripple signal generated by the ripple input circuit is shorted out and is invalidated by the feedforward capacitor C FF .

다른 한편, 작거나 0인 ESR을 갖는 출력 커패시터(COUT)가 사용되는 경우, 리플 입력 회로(420)는 피드백 제어 루프를 위해 필요한 리플 전압 신호를 제공하는 것에 의존한다. 따라서, 작은 커패시턴스 값을 갖는 피드포워드 커패시터(CFF)가 사용되어 스위칭 출력 전압(VSW)으로부터 리플 입력 회로(420)에 의해 생성되는 리플 신호가 리플 입력 노드(452)를 통과할 수 있게 한다. 이 방식에서, 피드포워드 커패시터(CFF)는 리플 입력 회로(420)에 의해 제공될 리플 전압의 양을 조절하도록 동작한다. 일 실시예에서, 피드포워드 커패시터(CFF)는 220pF 내지 2.2nF 범위의 커패시턴스 값을 갖는다.On the other hand, when an output capacitor C OUT having a small or zero ESR is used, the ripple input circuit 420 relies on providing the necessary ripple voltage signal for the feedback control loop. Thus, a feedforward capacitor C FF having a small capacitance value is used to allow the ripple signal generated by the ripple input circuit 420 from the switching output voltage V SW to pass through the ripple input node 452. . In this manner, the feedforward capacitor CFF operates to adjust the amount of ripple voltage to be provided by the ripple input circuit 420. In one embodiment, the feedforward capacitor CFF has a capacitance value in the range of 220 pF to 2.2 nF.

따라서, 벅 레귤레이터(400)는 간단히 피드포워드 커패시터에 대한 대응하는 커패시턴스 값을 선택함으로써 임의의 ESR 값을 갖는 출력 커패시터와 동작할 수 있다. 벅 레귤레이터(400)의 리플 입력 회로(420)는 전술한 리플 입력 회로(420) 벅 레귤레이터(100)와 동일한 많은 장점을 실현하며 여기서 추가로 설명하지 않을 것이다.Thus, the buck regulator 400 can operate with an output capacitor having any ESR value by simply selecting the corresponding capacitance value for the feed forward capacitor. The ripple input circuit 420 of the buck regulator 400 realizes many of the same advantages as the ripple input circuit 420 buck regulator 100 described above and will not be described further herein.

구성되는 바와 같이, 리플 입력 회로(420)는 벅 레귤레이터(400)이 피드백 제어 루프를 수정한다. 동작에서, 전압(VX)이 기준 전압(VREF2) 이하로 떨어지면, 하이-사이드 스위치(M1)가 고정된 온-타임(tON)동안 턴온된다. 고정된 온-타임(tON) 후에, 하이-사이드 스위치(M1)가 턴오프되고 로우-사이드 스위치(M2)가 적어도 최소 오프-타임 동안 턴온된다. 전압(VX)이 기준 전압(VREF2) 이하로 떨어지면, 하이-사이드 스위치(M1)가 다시 턴온된다. 리플 입력 회로(420)는 리플 전압 신호를 증폭기(450)의 출력 전압(VX)으로 입력한다. 즉, 리플 전압 신호는 증폭기(450)의 이득단 후에 입력된다.As configured, the ripple input circuit 420 allows the buck regulator 400 to modify the feedback control loop. In operation, when the voltage V X falls below the reference voltage V REF2 , the high-side switch M1 is turned on for a fixed on-time t ON . After a fixed on-time t ON , the high-side switch M1 is turned off and the low-side switch M2 is turned on for at least the minimum off-time. When the voltage V X falls below the reference voltage V REF2 , the high-side switch M1 is turned on again. The ripple input circuit 420 inputs a ripple voltage signal to the output voltage V X of the amplifier 450. That is, the ripple voltage signal is input after the gain stage of the amplifier 450.

벅 레귤레이터(100)의 경우에서와 같이, 오류 비교기(426)의 입력에서의 전압(VX)의 전압 파형은 VREF2에 대해 비대칭적일 것이며, 입력 전압(VIN), 출력 전압(VOUT) 및 부하 전류와 함께 변할 것이다. 그러나, 부정확한 비교기 입력은 피드백 전압 노드(424) 대신에 리플 입력 노드(452)로 이동되었다. 피드백 전압 노드(424)에서의 최종 전압 오류는 증폭기(450)의 이득에 의해 분할되는 리플 입력 노드에서의 전압 오류와 동일하다. 증폭기(450)의 이득단를 삽입함으로써, 출력 전압(VOUT)에서의 DC 오류가 크게 감소된다. 더 구체적으로, 피드백 전압 노드에서의 오프셋 오류는 이제 전압(VX)의 평균 DC 전압의 오프셋 오류의 1/A배인데, 여기서 A는 증폭기(450)의 DC 이득이다. 출력 전압(VOUT)은 증폭기(450)의 DC 이득만큼 현저 하게 감소되는 DC 오류를 경험하며, 출력 전압은 높은 정확도로 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 증폭기(450)의 DC 이득(A)은 600이상이다. 따라서, 오류 전압(VERR2)이 10mV이면, 출력 전압(VOUT)에서 나타나는 DC 상주 전압 오류는 단지 16㎶가 되며, 오류를 현저히 감소시키며 정확도를 현저히 향상시킨다.As in the case of buck regulator 100, the voltage waveform of voltage V X at the input of error comparator 426 will be asymmetrical with respect to V REF2 , and the input voltage V IN , output voltage V OUT . And will change with the load current. However, an incorrect comparator input was moved to the ripple input node 452 instead of the feedback voltage node 424. The final voltage error at the feedback voltage node 424 is equal to the voltage error at the ripple input node divided by the gain of the amplifier 450. By inserting the gain stage of the amplifier 450, the DC error at the output voltage V OUT is greatly reduced. More specifically, the offset error at the feedback voltage node is now 1 / A times the offset error of the average DC voltage of voltage V X , where A is the DC gain of amplifier 450. The output voltage V OUT experiences a DC error that is significantly reduced by the DC gain of the amplifier 450, and the output voltage can be adjusted with high accuracy. In one embodiment, the DC gain A of the amplifier 450 is greater than 600. Therefore, if the error voltage V ERR2 is 10 mV, the DC resident voltage error appearing at the output voltage V OUT becomes only 16 kV, which significantly reduces the error and significantly improves the accuracy.

대안적인 실시예Alternative embodiments

몇몇 애플리케이션에서, 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(40)은 불연속 도전 모드(DCM)에서 동작하도록 적용될 수 있다. DCM에서, 저 측면 스위치(M2)는 반대 방향으로 전류를 전도시키도록 허용되지 않는다. 전류가 역으로 흐를 때, 저 측면 스위치(M2)는 턴오프되고 출력 커패시터는 전압(VX)이 레퍼런스 전압(VREF2) 아래로 드롭될 때까지 부하 전류를 공급하고, 그 지점에서 고 측면 스위치(M1)가 재차 턴온된다.In some applications, the buck switching regulator system 40 can be adapted to operate in discrete conduction mode (DCM). In DCM, the low side switch M2 is not allowed to conduct current in the opposite direction. When the current flows in reverse, the low side switch M2 turns off and the output capacitor supplies the load current until the voltage V X drops below the reference voltage V REF2 , at which point the high side switch M1 is turned on again.

그러나, 매우 가벼운 부하 조건 하에서, 피드백 전압(VFB)은 긴 시간 주기 동안 레퍼런스 전압(VREF)보다 클 수 있다. 이러한 주기 동안, 증폭기(450)는 전압 VX을 전압 VREF2보다 훨씬 높은 전압 레벨로 풀링한다. 그 다음에, 부하 스텝이 생성될 때, VX은 피드백 제어 루프가 고 측면 스위치를 재차 턴온하기 이전에 다량의 전압만큼 감소해야 한다. 본 발명의 대란적인 실시예에 따르면, 클램프 회로는 VX의 전압 스윙을 제한하도록 리플 입력 회로에 부가되어, 변화하는 부하 조건 하에서 DCM에서 동작하는 벅 레귤레이터의 과도 응답을 증가시킨다. However, under very light load conditions, the feedback voltage V FB may be greater than the reference voltage V REF for a long period of time. During this period, amplifier 450 pulls voltage V X to a voltage level much higher than voltage V REF2 . Then, when a load step is generated, V X must decrease by a large amount of voltage before the feedback control loop turns high and the side switch turns on again. According to an alternative embodiment of the present invention, a clamp circuit is added to the ripple input circuit to limit the voltage swing of V X , increasing the transient response of the buck regulator operating in DCM under varying load conditions.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 향상된 출력 전압 정밀도를 갖는 리플 입력 제어 방안을 포함하는 고정적인 온-타임 전압 레귤레이터의 개략적인 도면이다. 설명을 간략화하기 위해 도 4 및 도 5에서 유사한 요소는 유사한 참조 부호로서 제시되어 있다. 도 5를 참조하면, 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(50) 내의 벅 레귤레이터(500)는 클램프 회로(560)의 추가를 제외하고 도 4의 벅 레귤레이터(400)와 동일한 방식으로 구성된다. 따라서, 벅 레귤레이터(500)는 클램핑 동작을 제외하고 벅 레귤레이터(400)와 동일한 방식으로 동작하며 상세한 동작은 더 기술되지 않을 것이다. 클램프 회로(560)는 리플 입력 노드(552)에 결합되고 노드(552)에서의 전압 VX을 레퍼런스 전압 VREF2보다 높은 양 ΔVX으로 제한하도록 동작한다. 따라서, 전압 VX은 가벼운 부하 조건에서도 VREF2 + ΔVX 이상으로 증가하지 않을 것이다. 부하 스텝이 발생할 때, 전압 VX은 피드백 제어 루프가 고 측면 스위치를 턴온하도록 작동하기 이전에 전압 양 ΔVX만큼 단지 감소해야 한다. 일 실시예에서, 전압 양 ΔVX은 약 15eV이다.5 is a schematic diagram of a fixed on-time voltage regulator including a ripple input control scheme with improved output voltage precision according to another embodiment of the present invention. Similar elements are shown by like reference numerals in FIGS. 4 and 5 to simplify the description. Referring to FIG. 5, the buck regulator 500 in the buck switching regulator system 50 is configured in the same manner as the buck regulator 400 of FIG. 4 except for the addition of the clamp circuit 560. Thus, the buck regulator 500 operates in the same manner as the buck regulator 400 except for the clamping operation and the detailed operation will not be described further. Clamp circuit 560 is coupled to ripple input node 552 and operates to limit voltage V X at node 552 to an amount ΔV X higher than reference voltage V REF2 . Thus, the voltage V X will not increase above V REF2 + ΔV X even under light load conditions. When a load step occurs, the voltage V X should only decrease by the amount of voltage ΔV X before the feedback control loop operates to turn on the high side switch. In one embodiment, the voltage amount ΔV X is about 15 eV.

도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 벅 레귤레이터(400 및 500)의 집적 회로에 대해 외부적으로 피드포워드 커패시터 CFF가 형성되어 피드포워드 커패시터의 상이한 커패시턴스 값이 출력 커패시터 COUT의 ESR 특성과 통합하도록 사용될 수 있다. 따라서 입력된 리플 전압의 양은 피드포워드 커패시터 CFF에 의해 미세 조정될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 리플 입력 회로 및 피드포워드 커패시터 CFF는 벅 스위칭 레귤레이터 시스템(40 및 50)에서 외부적인 구성요소의 수를 감소시키도록 벅 레귤레이터 집적 회로에 집적될 수 있다. 집적될 때, 피드포워드 커패시터 CFF는 출력 커패시터의 ESR 값의 소정의 범위에 대해 적합한 커패시턴스 값을 가질 수 있다.4 and 5, the feed forward capacitor C FF is formed externally to the integrated circuits of the buck regulators 400 and 500 so that different capacitance values of the feed forward capacitor result in an ESR characteristic of the output capacitor C OUT . It can be used to integrate with. Thus, the amount of input ripple voltage can be fine tuned by the feedforward capacitor C FF . However, in other embodiments, the ripple input circuit and feedforward capacitor C FF may be integrated in the buck regulator integrated circuit to reduce the number of external components in the buck switching regulator systems 40 and 50. When integrated, the feedforward capacitor C FF may have a capacitance value suitable for a given range of ESR values of the output capacitor.

또한, 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 증폭기(400, 500)를 포함하는 리플 입력 회로 및 저항 R1/R2의 전압 분할기는 벅 레귤레이터(400, 500)의 통일한 집적 회로 상에서 집적되는 것으로서 도시되어 있다. 또한, 클램프 회로(560)는 벅 레귤레이터(500)의 통일한 집적 회로 상에서 집적되는 것으로서 도시되어 있다. 본 실시예에서, 리플 입력 회로의 하나 이상의 구성요소는 벅 레귤레이터의 집적 회로로부터 오프 칩 형성될 수 있다. 단일의 집적 회로 상에서의 회로 요소의 통합 양은 설계 선택의 문제이다. 본 발명의 리플 입력 회로의 구현은 임의의 특정한 정도의 통합으로 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 전압 분할기 R1/R2 및 OTA는 벅 레귤레이터의 집적 회로로부터 오프 칩 형성된다. 실제로, 임의의 전압 분할기 R1/R2, 피드포워드 커패시터 CFF, 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기, 입력 커패시터 CINJ, 저항 RINJ 및 클램프 회로는 벅 레귤레이터로부터 온 칩 또는 오프 칩 형성될 수 있다. 정확한 통합의 정도는 본 발명의 실시에 중요한 것은 아니다.4 and 5, the ripple input circuit including the amplifiers 400, 500 and the voltage divider of resistors R1 / R2 are integrated on a unified integrated circuit of the buck regulators 400, 500. It is shown as. Clamp circuit 560 is also shown as being integrated on a unified integrated circuit of buck regulator 500. In this embodiment, one or more components of the ripple input circuit can be off chip formed from the integrated circuit of the buck regulator. The amount of integration of circuit elements on a single integrated circuit is a matter of design choice. The implementation of the ripple input circuit of the present invention is not limited to any particular degree of integration. In one embodiment, voltage dividers R1 / R2 and OTA are off chip formed from the integrated circuit of the buck regulator. In practice, any voltage divider R1 / R2, feedforward capacitor C FF , operational transconductance amplifier, input capacitor C INJ , resistor R INJ and clamp circuit may be formed on chip or off chip from the buck regulator. The degree of precise integration is not critical to the practice of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4(클램프 회로를 갖지 않음) 및 도 5의 고정적인 온-타임 전압 레귤레이터에 통합될 수 있는 연산 트랜스컨덕턴스 증폭 기 및 클램프의 트랜지스터 레벨 회로도이다. 도 6을 참조하면, 트랜지스터 M1, M2, M3 및 M4는 피드백 전압 VFB 및 레퍼런스 전압 VREF을 수신하고 출력 전압 VX을 생성하는 연산 트랜스컨덕턴스 증폭기(OTA)(600)를 형성한다. OTA(600)는 리플 전압 신호가 출력 전압 VX 상으로 입력될 수 있도록 출력 노드(602)에서 고 출력 임피던스를 갖는다.6 is a transistor level circuit diagram of an operational transconductance amplifier and clamp that can be incorporated into the fixed on-time voltage regulator of FIGS. 4 (without clamp circuit) and FIG. 5 according to one embodiment of the invention. Referring to FIG. 6, transistors M1, M2, M3, and M4 form an operational transconductance amplifier (OTA) 600 that receives a feedback voltage V FB and a reference voltage V REF and generates an output voltage V X. OTA 600 has a high output impedance at output node 602 such that a ripple voltage signal can be input onto output voltage V X.

도 6에서, OTA(600)는 클램프 회로(620)와 통합되어 도시되어 있다. 클램프 회로(620)는 선택적이며 도 4의 OTA의 구현에서 사용되지 않는다. 클램프 회로(620)는 도 5의 실시예를 참조하여 도시된 바와 같이, 출력 전압 VX의 클램핑이 요구될 때 통합된다. 클램프 회로(620)는 출력 전압 VX을 클램프 전압 VClamp와 비교하는 증폭기(622)를 포함한다. 증폭기(622)로부터의 출력 신호는 NPN 바이폴라 트랜지스터 Q1의 베이스 단자를 구동한다. 트랜지스터 Q1은 클램프 전압 VClamp 레벨에서 출력 전압 VX을 유지하도록 출력 전압 VX 및 접지 전압 양단에 접속된다. 일 실시예에서, 클램프 전압 VClamp은 VREF2 + ΔVX에서 설정된다. 도 7은 도 6의 클램프 회로(620)를 구현하도록 사용될 수 있는 클램프 회로의 트랜지스터 레벨 회로도이다.In FIG. 6, OTA 600 is shown integrated with clamp circuit 620. Clamp circuit 620 is optional and not used in the implementation of the OTA of FIG. 4. The clamp circuit 620 is integrated when clamping of the output voltage V X is required, as shown with reference to the embodiment of FIG. 5. The clamp circuit 620 includes an amplifier 622 that compares the output voltage V X with the clamp voltage V Clamp . The output signal from amplifier 622 drives the base terminal of NPN bipolar transistor Q1. Transistor Q1 is connected across output voltage V X and ground voltage to maintain output voltage V X at clamp voltage V Clamp level. In one embodiment, the clamp voltage V Clamp is set at V REF2 + ΔV X. FIG. 7 is a transistor level circuit diagram of a clamp circuit that may be used to implement the clamp circuit 620 of FIG. 6.

멀터모드 온 및 오프 시간 제어Multer mode on and off time control

전술한 벅 레귤레이터에서, 고 측면 및 저 측면 스윙의 스위칭을 제어하도록 고정적인 온-타임 제어 및 가변적인 오프-타임 제어 방안이 적용된다. 보다 구체적 으로, 상기 수학식(2)에 의해 제시된 고정적인 온-타임은 입력 전압 VIN의 함수이다. 벅 레귤레이터의 동작 주파수가 안정한 동안 오프-타임이 최소 오프-타임으로부터 증가하는 양으로 조정됨에 따라 듀티 사이클이 변화한다. 이러한 동작 범위 하에서, 피드백 전압이 고정적인 온-타임의 종단에서 레퍼런스 전압 VREF보다 낮은 경우이더라도, 고 측면 스위치가 턴오프되고 저 측면 스위치는 고 측면 스위치가 재차 턴온될 수 있기 전에 최소 오프-타임 동안 턴온된다. 최소 오프 시간의 요건은 제어 회로에 대해 충분한 설정된 시간, 특히 오류 비교기에 대해 설정된 시간을 보증하는 것이다. 몇몇 경우에, 피드백 전압이 레퍼런스 전압에 도달할 때까지 고 측면 스위치가 턴온을 유지하는 것이 바람직하다.In the buck regulator described above, fixed on-time control and variable off-time control schemes are applied to control the switching of the high side and low side swings. More specifically, the fixed on-time presented by equation (2) is a function of the input voltage V IN . The duty cycle changes as the off-time is adjusted to an increasing amount from the minimum off-time while the buck regulator's operating frequency is stable. Under this operating range, even if the feedback voltage is lower than the reference voltage V REF at a fixed on-time end, the high side switch is turned off and the low side switch has a minimum off-time before the high side switch can be turned on again. Is turned on. The requirement of the minimum off time is to guarantee a sufficient set time for the control circuit, in particular for the error comparator. In some cases, it is desirable for the high side switch to remain on until the feedback voltage reaches the reference voltage.

또한, 이상적으로, 벅 레귤레이터는 100% 듀티 사이클까지 도달할 수 있다 하더라도, 최소 온-타임 요건은 벅 레귤레이터의 듀티 사이클을 제한한다. 스우치를 턴온 및 오프하는 지연 시간은 듀티 사이클을 또한 제한한다. 또한, 전류 제한 또는 불연속 도전 모드와 같이, 저 측면 스위치에 상에 현재의 감지가 요구되면, 현재의 감지 기능을 수행하도록 충분한 시간이 제공되어야 한다. 그 다음에 성취 가능한 최대 듀티 사이클은 다음과 같이 제한된다.Also, ideally, although the buck regulator can reach up to 100% duty cycle, the minimum on-time requirement limits the buck regulator's duty cycle. The delay time to turn on and off the squelch also limits the duty cycle. In addition, if current sensing is required on the low side switch, such as current limiting or discontinuous conduction mode, sufficient time must be provided to perform the current sensing function. The maximum duty cycle achievable is then limited as follows.

Figure 112008085320460-PAT00005
Figure 112008085320460-PAT00005

온-타임 tON을 증가시킴으로써 최대 듀티 사이클을 증가시키는 것이 가능한 한편, 온-타임 tON을 증가시키는 것은 바람직하지 않는 결과를 가질 수 있다. 첫 번째로, 증가된 온-타임은 보다 높은 인덕터 전류 리플을 초래하여 항상 실용적이지는 않을 수 있다. 두 번째로, 온-타임은 너무 오래 동안 확장하도록 허용될 수 없다. 피드백 전압 VFB이 레퍼런스 전압 VREF보다 높게 상승될 때까지 온-타임이 확장될 수 있도록 하지만, 이러한 조건은 단락 회로 조건이 존재할 때 바람직하지 않은 결과를 초래할 수 있다. 단락 조건 하에서, 피드백 전압은 레퍼런스 전압보다 높게 증가할 수 없으며 고 측면 스위치는 턴오프되지 않아, 인덕터 전류가 극히 높게 된다. 마지막으로, 온-타임이 너무 많이 확장되면, 불량한 과도 응답이 초래될 수 있다. 적은 전류로부터 많은 전류로 부하 전류가 스테핑하는 상황을 고려한다. 전류 스텝이 피드백 전압 VFB을 레퍼런스 전압 VREF보다 낮게 드롭하도록 하므로, 레귤레이터 제어 루프는 가능한 한 많은 온-타임 tON을 증가시키도록 시도한다. 온-타임 tON이 너무 길게 증가되면, 인덕터 전류는 부하 전류보다 높게 진행할 것이고 고 측면 스위치가 마지막으로 턴오프되고 저 측면 스위치가 턴온될 때 인덕터에 저장된 에너지는 출력 전압이 그 타겟을 오버슈트(overshoot)하도록 할 것이다.On-the other hand it is possible, on increasing the maximum duty cycle by increasing the time t ON - increasing the time t ON may have undesirable results. First, increased on-time can result in higher inductor current ripple and may not always be practical. Secondly, on-time cannot be allowed to expand for too long. Although the on-time can be extended until the feedback voltage V FB rises above the reference voltage V REF , this condition can have undesirable consequences when short circuit conditions exist. Under short conditions, the feedback voltage cannot increase above the reference voltage and the high side switch is not turned off, resulting in extremely high inductor current. Finally, if the on-time is extended too much, poor transient response can result. Consider the situation where the load current is stepped from less current to more current. Because the current step causes the feedback voltage V FB to drop below the reference voltage V REF , the regulator control loop attempts to increase as much on-time t ON as possible. If the on-time t ON is increased too long, the inductor current will go higher than the load current and when the high side switch is last turned off and the low side switch is turned on, the energy stored in the inductor will cause the output voltage to overshoot its target. will overshoot).

본 발명에 따르면, 벅 스위칭 레귤레이터는 고정적인 온-타임(on-time), 가변적인 오프-타임(off-time) 제어 루프를 구현하는 멀티-모드 온 및 오프 타임 제어 방안을 실시한다. 멀티-모드 온 및 오프 타임 제어 방안은 도 1, 도 4 및 도 5의 벅 스위칭 레귤레이터에서 구현되어 벅 스위칭 레귤레이터가 높은 듀티 싸이클 로 동작하도록 한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 벅 스위칭 레귤레이터에서 멀티-모드 온 및 오프 타임 제어 방안을 구현하는 온 및 오프 타임 제어 회로의 로직도이다. 일 실시예에서, 온-타임 제어 회로(800)는 벅 레귤레이터(100)의 로직 회로(132) 또는 벅 레귤레이터(400,500)의 제어 회로(432,532)에서 수행되어 본 발명에 따른 멀티-모드 온 및 오프 타임 제어 방안을 구현한다. 도 8은 단지 상이한 동작 신호와 온-타임 제어 회로의 타이머 간의 논리적 관계를 예시하도록 마련된 것일 뿐이며 온-타임 제어 회로의 문자 그대로의 구현만을 예시하려는 의도가 아님을 이해해야 것이 중요하다. 본 발명을 이해한다면, 당업자는 온-타임 제어 회로가 다양한 회로 소자를 이용하여 다수의 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 이해할 수 있다.According to the present invention, the buck switching regulator implements a multi-mode on and off time control scheme that implements a fixed on-time, variable off-time control loop. The multi-mode on and off time control scheme is implemented in the buck switching regulators of FIGS. 1, 4 and 5 to allow the buck switching regulator to operate at high duty cycles. 8 is a logic diagram of an on and off time control circuit implementing a multi-mode on and off time control scheme in a buck switching regulator in accordance with an embodiment of the present invention. In one embodiment, the on-time control circuit 800 is performed in the logic circuit 132 of the buck regulator 100 or in the control circuits 432 and 532 of the buck regulators 400 and 500 to enable multi-mode on and off in accordance with the present invention. Implement the time control scheme. It is important to understand that FIG. 8 is merely intended to illustrate the logical relationship between the different operating signals and the timers of the on-time control circuit and is not intended to merely illustrate the literal implementation of the on-time control circuit. Those skilled in the art will appreciate that on-time control circuitry may be implemented in a number of different ways using various circuit elements.

도 8을 참조하면, 온-타임 제어 회로(800)는 하이-측(high-side) 스위치를 턴온하는 Top_Switch_On 신호를 생성하는 제 1 로직 회로(810)와 하이-측 스위치를 턴오프하는 Top_Switch_Off 신호를 생성하는 제 2 로직 회로(820)를 포함한다. 멀티-모드 온 및 오프 시간 제어 방안은 다음과 같이 동작한다. 제 1 로직 회로(810)에서, 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF)보다 작고 최소 오프-시간이 도달된 경우 Top_Switch_On 신호는 어서트된다. 하이-측 스위치가 턴온되어 있을 때, Top_Switch_Off 신호는 Normal_Off 신호가 어서트되거나 또는 Force_Off 신호가 어서트되는 경우 어서트된다. 적어도 최소 온-타임(ton-min)이 도달되고 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF) 이상인 경우, Normal_Off 신호는 어서트된다. 따라서, 하이-측 스위치는 적어도 최소 온-타임(ton-min) 동안 턴온되고 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF) 이상일 때까지 온으로 유지된다. 그러나, 온-타임 제어 회로(800)는 하이-측 스위치에 대해 두 개의 최대 온-타임 제한을 부가한다. 최대 온-타임(ton_max1) 또는 최대 온-타임(ton_max2)이 도달되는 경우, Force_Off 신호가 어서트된다. Force_Off 신호가 어서트되는 경우, Top_Switch_Off 신호는 어서트되고 피드백 전압(VFB) 값과는 무관하게 하이-측 스위치는 턴오프된다. 즉, Force_Off 신호가 어서트되는 경우, 하이-측 스위치는 피드백 전압(VFB)이 기준 전압보다 작더라도 턴오프된다.Referring to FIG. 8, the on-time control circuit 800 includes a first logic circuit 810 for generating a Top_Switch_On signal for turning on a high-side switch and a Top_Switch_Off signal for turning off a high-side switch. It includes a second logic circuit 820 to generate a. The multi-mode on and off time control scheme operates as follows. In the first logic circuit 810, the Top_Switch_On signal is asserted when the feedback voltage V FB is less than the reference voltage V REF and the minimum off-time has been reached. When the high-side switch is turned on, the Top_Switch_Off signal is asserted when the Normal_Off signal is asserted or when the Force_Off signal is asserted. If at least the minimum on-time t on-min is reached and the feedback voltage V FB is greater than or equal to the reference voltage V REF , the Normal_Off signal is asserted. Thus, the high-side switch is turned on for at least the minimum on-time t on-min and remains on until the feedback voltage V FB is above the reference voltage V REF . However, the on-time control circuit 800 adds two maximum on-time limits for the high-side switch. When the maximum on-time t on_max1 or the maximum on-time t on_max2 is reached, the Force_Off signal is asserted. When the Force_Off signal is asserted, the Top_Switch_Off signal is asserted and the high-side switch is turned off regardless of the feedback voltage (V FB ) value. That is, when the Force_Off signal is asserted, the high-side switch is turned off even if the feedback voltage V FB is less than the reference voltage.

두 개의 최대 온-타임 제한은 제 1 최대 온-타임(ton_max1) 및 제 2의 연장된 최대 온-타임(ton_max2)을 제공한다. 즉, 제 2 최대 온-타임(ton_max2)은 제 1 최대 온-타임(ton_max1)보다 크다. 동작시, 제 1 최대 온-타임(ton_max1)이 적용되지만, 소정의 특정 상황 하에서, 온-타임은 제 2 최대 온-타임(ton_max2)으로 연장되도록 허용된다. 이하에서 보다 자세히 기술되는 바와 같이, 이전 스위칭 싸이클에서의 오프-타임이 최소 오프-타임이 아니었다면 제 1 최대 온-타임(ton_max1)이 선택되지만 이전 스위칭 싸이클에서의 오프-타임이 최소 오프-타임이었다면 제 2 최대 온-타임(ton_max2)이 선택된다.Two maximum on-time limits provide a first maximum on-time t on_max1 and a second extended maximum on-time t on_max2 . That is, the second maximum on-time (t on_max2) a first maximum on-time is greater than the time (t on_max1). In operation, the first maximum on-time t on_max1 is applied, but under certain specific circumstances, the on-time is allowed to extend to the second maximum on-time t on_max2 . As described in more detail below, if the off-time in the previous switching cycle was not the minimum off-time, the first maximum on-time t on_max1 is selected but the off-time in the previous switching cycle is the minimum off-time. If so, the second maximum on-time t on_max2 is selected.

멀티-모드 온 및 오프 타임 제어 방안은 다음과 같이 동작한다. 낮은 듀티 싸이클에서 중간 듀티 싸이클까지, 온-타임 제어 회로는 고정적인 온-타임을 수행하고 하이-측 스위치의 오프-타임을 제어하여 레귤레이터를 획득한다. 다음으로, 높은 튜티 싸이클에서, 오프-타임은 최소 오프-타임에 고정되고 온-타임 제어 회로는 온-타임을 제어하여 레귤레이션을 획득한다. 제한에서, ton,max/(ton,max+toff,min)의 최대 듀티 싸이클이 실현되며, 이 최대 듀티 싸이클은 ton,max가 소정의 조건하에서 큰 값으로 선택적으로 연장되도록 허용되는 경우 100%에 도달한다. 최대 온-타임 연장은 두 개의 최대 온-타임을 사용하여 구현되는데, 제 2 최대 온-타임이 큰 값을 갖는다.The multi-mode on and off time control scheme operates as follows. From the low duty cycle to the intermediate duty cycle, the on-time control circuit performs a fixed on-time and controls the off-time of the high-side switch to obtain a regulator. Next, in the high duty cycle, the off-time is fixed at the minimum off-time and the on-time control circuit controls the on-time to achieve regulation. In the limit, a maximum duty cycle of t on, max / (t on, max + t off, min ) is realized, which maximum allowable cycle allows t on, max to be selectively extended to large values under certain conditions. If it reaches 100%. Maximum on-time extension is implemented using two maximum on-times, where the second maximum on-time has a large value.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 온-타임 제어 회로의 개략도이다. 도 9를 참조하면, 최대 온-타임 제어 회로(900)는 제 1 최대 온-타임(ton_max1) 또는 제 2 최대 온-타임(ton_max2)의 만료시에 Force-Off 신호를 생성한다. 최대 온-타임 회로(900)에서, 제 1 최대 온-타임(ton_max1)은 커패시터, 전류 소스(960) 및 NMOS 트랜지스터(M11)에 의해 형성된 제 1 타이머 회로에 의해 설정된다. 동작시, 하이-측 스위치가 턴오프되면(Top_Switch_Off 신호가 어서트되는 경우), 트랜지스터(M11)는 턴온되어 커패시터(CX)를 방전시킨다. 따라서 노드(962)에서의 전압(VTMAX)은 접지 전압에 있거나 그 근처에 있다. 비교기(940)는 커패시터(CX)(노드(962))의 커패시터 전압(VTMAX)을 DC 전압(VDC)과 비교한다. 전압(VTMAX)이 DC 전 압(VDC)보다 작은 경우, 비교기(940)는 논리적 로우 레벨을 갖는 Force_Off 신호를 생성한다.9 is a schematic diagram of a maximum on-time control circuit according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 9, the maximum on-time control circuit 900 generates a Force-Off signal upon expiration of the first maximum on-time t on_max1 or the second maximum on-time t on_max2 . In the maximum on-time circuit 900, the first maximum on-time t on_max1 is set by the first timer circuit formed by the capacitor, the current source 960 and the NMOS transistor M11. In operation, when the high-side switch is turned off (when the Top_Switch_Off signal is asserted), transistor M11 is turned on to discharge capacitor C X. Thus, the voltage V TMAX at node 962 is at or near ground voltage. Comparator 940 compares capacitor voltage V TMAX of capacitor C X (node 962) with DC voltage V DC . If the voltage V TMAX is less than the DC voltage V DC , the comparator 940 generates a Force_Off signal with a logical low level.

다음으로, Top_Switch_Off 신호가 디어서트되어 하이-측 스위치를 턴온하는 경우, 트랜지스터(M11)는 턴오프되고 전류 소스(960)는 커패시터(CX)를 충전하도록 허용된다. 커패시터(CX)의 상단 극판(노드(962))에서의 전압(VTMAX)이 전압(VDC)에 도달하는 경우, 비교기(940)는 상태를 스위칭하고 논리적 하이 레벨을 갖는 Force_Off 신호를 생성한다. Force_Off 신호의 논리적 하이 레벨은 Force_Off 신호가 어서트되고 Top_Switch_Off 신호가 그에 따라 어서트된다는 것을 나타낸다. 이러한 식으로, 커패시터(CX)의 커패시턴스 또는 커패시터(Cx)가 VDC 전압으로 충전되는 시간은 제 1 최대 온-타임(ton_max1)을 확립한다.Next, when the Top_Switch_Off signal is deasserted to turn on the high-side switch, transistor M11 is turned off and current source 960 is allowed to charge capacitor C X. When the voltage V TMAX at the top pole plate (node 962) of capacitor C X reaches voltage V DC , comparator 940 switches the state and generates a Force_Off signal with a logical high level. do. The logical high level of the Force_Off signal indicates that the Force_Off signal is asserted and the Top_Switch_Off signal is asserted accordingly. In this way, the capacitance of capacitor C X or the time that capacitor Cx is charged to the VDC voltage establishes a first maximum on-time t on_max1 .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 최대 온-타임 제어 회로(900)는 소정의 조건하에서 제 2의 연장된 최대 온-타임(ton_max2)을 제공한다. 이 조건하에서, 최소 오프-타임이 이전의 스위칭 싸이클에서 사용된 경우 최대 온-타임은 제 1 최대 온-타임(ton_max1)을 초과하여 연장되도록 허용된다. 이를 위해, 최대 온-타임 제어 회로(900)는 최소 오프-타임이 이전의 스위칭 싸이클에서 사용되었을 경우 커패시터(CX)와 병렬로 커패시터(CY)를 추가하도록 동작하는 제 2 타이머 회로를 포함한다. 커패시터(CY) 및 커패시터(CX)에 의해 제공되는 전체 커패시턴스는 전압(VTMAX) 을 DC 전압(VDC)으로 충전할 때 소요되는 시간을 연장하고 따라서 최대 온-타임을 ton,max2로 연장한다. 이전의 스위칭 싸이클에서, 오프-시간이 최소 오프-시간보다 큰 경우, 최대 온-타임은 연장되지 않을 것이며 커패시터(CX)에 의해 부가되는 최대 온-타임은 유지될 것이다.According to one embodiment of the present invention, the maximum on-time control circuit 900 provides a second extended maximum on-time t on_max2 under certain conditions. Under this condition, the maximum on-time is allowed to extend beyond the first maximum on-time t on_max1 when the minimum off-time is used in the previous switching cycle. To this end, the maximum on-time control circuit 900 includes a second timer circuit that operates to add a capacitor C Y in parallel with the capacitor C X when the minimum off-time was used in a previous switching cycle. do. The total capacitance provided by capacitor C Y and capacitor C X extends the time taken to charge voltage V TMAX to DC voltage V DC and thus the maximum on-time t on, max2 To extend. In the previous switching cycles, if the off-time is greater than the minimum off-time, the maximum on-time will not be extended and the maximum on-time added by the capacitor C X will be maintained.

제 2 타이머 회로의 구성 및 동작은 도 9 및 도 10의 타이밍도를 참조하여 설명될 것이다. 제 2 타이머 회로는 최소 오프 시간이 도달되는 경우에 어서트되는 신호(toff,min_reached)를 수신하는 원샷 회로(970)를 포함한다. 원샷 회로(970)는 toff,min_reached 펄스(파형(1004))를 생성한다. toff,min_reached 펄스는 하이-측 스위치의 턴온을 나타내는 Top_Switch_On 신호와 함께 논리적으로 AND된다(AND 게이트(972)). 따라서, 하이-측 스위치가 toff,min_reached 펄스와 동시에 턴온되는 경우, 이것은, 이전의 스위칭 싸이클에서 최소 오프 시간이 사용되었음을 나타낸다. 따라서, AND 게이트(972)의 출력은 어서트된다. 하이-측 스위치가 최소 오프-타임의 종료에서 턴온되지 않는 경우, AND 게이트(972)의 출력은 어서트되지 않는다.The configuration and operation of the second timer circuit will be described with reference to the timing diagrams of FIGS. 9 and 10. The second timer circuit includes a one-shot circuit 970 that receives the signal t off, min_reached , which is asserted when the minimum off time is reached. The one shot circuit 970 generates t off, min_reached pulses (waveform 1004). The t off, min_reached pulse is logically ANDed with the Top_Switch_On signal indicating the turn-on of the high-side switch (AND gate 972). Thus, when the high-side switch is turned on simultaneously with the t off, min_reached pulse, this indicates that the minimum off time was used in the previous switching cycle. Thus, the output of AND gate 972 is asserted. If the high-side switch is not turned on at the end of the minimum off-time, the output of AND gate 972 is not asserted.

AND 게이트(972)는 셋-리셋(set-reset) 플립-플롭(974)의 셋 입력 단자를 구동시킨다. 리셋 입력 단자는 탑 스위치 오프(Top_Switch_Off) 신호에 의해 구동된다. 셋-리셋 플립 플롭(974)의 출력 신호 Q는 NMOS 트랜지스터(M12)의 게이트 단자를 구동시키도록 접속된 Increase_ton, max 신호이다. NMOS 트랜지스터(M12)의 드레인 단자는 노드(962)에 접속되는 반면 소스 단자는 커패시터 CY에 접속된다. Increase_ton, max 신호가 어서트되면, 트랜지스터(M12)는 커패시터 CY를 커패시터 CX에 병렬로 접속하도록 턴온된다. Increase_ton, max 신호가 어서트되지 않을 경우, 트랜지스터(M12)는 턴오프된다.The AND gate 972 drives the set input terminal of the set-reset flip-flop 974. The reset input terminal is driven by the Top_Switch_Off signal. The output signal Q of the set-reset flip flop 974 is an Increase_t on, max signal connected to drive the gate terminal of the NMOS transistor M12. The drain terminal of the NMOS transistor M12 is connected to the node 962 while the source terminal is connected to the capacitor C Y. When the Increase_t on, max signal is asserted, transistor M12 is turned on to connect capacitor C Y in parallel to capacitor C X. If the Increase_t on, max signal is not asserted, transistor M12 is turned off.

Increase_ton, max 신호는 AND 게이트(972)가 그 출력 신호를 어서트할 때 어서트되어 플립 플롭(974)의 출력 신호 Q를 로직 하이(logical high)로 세팅한다. 탑 스위치 오프(Top_Switch_Off) 신호가 어서트될 때, 플립 플롭(974)의 출력 신호 Q는 로직 로우로 리셋된다. 셋 입력 단자도 리셋 입력 단자도 어서트되지 않을 때, 플립 플롭(974)의 출력 신호 Q는 이전 로직 상태로 유지된다.The Increase_t on, max signal is asserted when AND gate 972 asserts its output signal to set output signal Q of flip flop 974 to logical high. When the Top_Switch_Off signal is asserted, the output signal Q of the flip flop 974 is reset to logic low. When neither the set input terminal nor the reset input terminal is asserted, the output signal Q of the flip flop 974 remains in the previous logic state.

제 2 타이머 회로의 동작은 다음과 같다. 최대 오프-타임에 도달되면(타임 A), toff, min_reached 신호가 어서트되고 원샷 회로(one-shot circuit)(970)는 toff, min_reached 펄스(파형 1004)를 생성한다. 다음, 탑 스위치 온(Top_Switch_On) 신호가 어서트되어 하이-측 스위치(파형 1002)를 동시에 턴온하며, AND 게이트(972)는 그 출력을 어서트한다. 플립 플롭(974)는 그에 따라 셋되며, Increase_ton, max 신호(파형 1006)가 어서트된다. 트랜지스터(M12)는 턴온되며 커패시터 CY는 커패시터 CX와 병렬로 접속되어 최대 온-타임을 증가시킨다. toff, min_reached 펄스로 인해, AND 게이트(972)는 toff, min_reached 펄스의 구간에 대해서만 셋 입력 단자를 어서트한다. 그러나, Increase_ton, max 신호는 탑 스위치 오프(Top_Switch_Off) 신호가 어서트되어(타 임 B) Increase_ton, max 신호를 리셋할 때까지 어서트된 채로 유지된다.The operation of the second timer circuit is as follows. When the maximum off-time is reached (time A), the t off, min_reached signal is asserted and the one-shot circuit 970 generates a t off, min_reached pulse (waveform 1004). The Top_Switch_On signal is then asserted to turn on the high-side switch (waveform 1002) at the same time, and the AND gate 972 asserts its output. Flip flop 974 is set accordingly, and the Increase_t on, max signal (waveform 1006) is asserted. Transistor M12 is turned on and capacitor C Y is connected in parallel with capacitor C X to increase the maximum on-time. Due to the t off, min_reached pulse, AND gate 972 asserts the set input terminal only for the duration of the t off, min_reached pulse. However, the Increase_t on, max signal remains asserted until the Top_Switch_Off signal is asserted (time B) to reset the Increase_t on, max signal.

한편, 다음 스위칭 사이클에서, 최소 오프-타임(minimum off-time)에 도달되지만 탑 스위치 온(Top_Switch_On) 신호는 어서트되지 않을 때(타임 C), AND 게이트(972)는 그의 출력 신호를 어서트하지 않으며 Increase_ton, max 신호는 리셋된 채로 유지된다. 즉, 최소 오프-타임에 도달되지만 하이-측 스위치는 턴온되지 않을 때, 최대 온-타임 제어 회로(900)는 이전 스위칭 사이클이 최소 오프-타임을 포함하지 않는다는 것을 결정한다. 그러한 경우, 최대 온 타입의 연장은 불필요하다.On the other hand, in the next switching cycle, when the minimum off-time is reached but the Top_Switch_On signal is not asserted (time C), AND gate 972 asserts its output signal. The Increase_t on, max signal remains reset. That is, when the minimum off-time is reached but the high-side switch is not turned on, the maximum on-time control circuit 900 determines that the previous switching cycle does not include the minimum off-time. In such a case, extension of the maximum on type is unnecessary.

최대 온-타임 제어 회로(900)는 벅 레귤레이터에서 구현될 때, 벅 레귤레이터의 동작을 개선하는 여러 이점을 제공한다. 먼저, 최대 온-타임 제어 회로(900)는 두 개의 최대 온-타임, 즉 하나는 최대 온-타임 ton_max1이며, 다른 하나는 연장된 최대 온-타임 ton_max2이다. 연장된 최대 온-타임은 보다 높은 듀티 사이클이 요구될 때의 조건하에서만 제공된다. 즉, 연장된 최대 온-타임은 이전의 스위칭 사이클이 최소 오프-타임을 사용할 때 제공된다. 로우 내지 중간 듀티 사이클에서, 벅 레귤레이터는 두 개의 최대 온-타임에 의해서는 영향을 받지 않는데, 그 이유는 상기 제어 루프가 최소 오프-타임 toff, min보다 큰 오프-타임을 제어하고 있기 때문이다. 하이 듀티 사이클에서, 벅 레귤레이터는 최소 오프-타임 toff, min을 사용하여 온-타임 ton을 제어함으로써 개시한다. 이와 관련하여, 온-타임 ton은 전형적으로 최대 온-타임 ton_max1에 도달되기 전에 피드백 전압 VFB가 기준 전압 VREF에 도달할 때까지 연 장된다. 그러나 듀티 사이클이 지속적으로 증가함에 따라, 요구되는 온-타임은 제 1 최대 온-타임 ton_max1보다 더 크게 된다. 보다 높은 듀티 사이클이 달성될 수 있도록, 제 2의 최대 온-타임 ton_max2이 소정의 조건하에서 사용된다. 최대 온-타임 ton_max이 이전 스위칭 사이클이 최소 오프-타임을 사용할 때에만 연장되기 때문에 과도 오버슈트(transient overshoots)가 방지된다. 과도 조건 동안, 최대 온-타임은 오프-타임이 전형적으로 과도 조건 동안 최소 오프-타임보다 크기 때문에 연장되지 않는다.The maximum on-time control circuit 900, when implemented in a buck regulator, provides several benefits that improve the operation of the buck regulator. First, the maximum on-time control circuit 900 has two maximum on-times, one for maximum on-time t on_max1 and the other for extended maximum on-time t on_max2 . Extended maximum on-time is only provided under conditions when higher duty cycles are required. That is, the extended maximum on-time is provided when the previous switching cycle uses the minimum off-time. In low to medium duty cycles, the buck regulator is not affected by the two maximum on-times because the control loop controls off-times greater than the minimum off-time t off, min . . In the high duty cycle, the buck regulator starts by controlling the on-time t on using the minimum off-time t off, min . In this regard, the on-time t on is typically extended until the feedback voltage V FB reaches the reference voltage V REF before the maximum on-time t on max1 is reached. However, as the duty cycle continues to increase, the required on-time is greater than the first maximum on-time t on_max1 . In order that a higher duty cycle can be achieved, a second maximum on-time t on max2 is used under certain conditions. Transient overshoots are avoided because the maximum on-time t on_max is extended only when the previous switching cycle uses the minimum off-time. During transient conditions, the maximum on-time does not extend because the off-time is typically greater than the minimum off-time during the transient condition.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 최대 온-타임 제어 회로의 개략적인 도면이다. 도 11을 참조하면, 최대 온-타임 제어 회로(1100)는 최대 온-타임 제어 회로(900)와 동일한 방식으로 구성되지만 단락 회로 조건을 방지하는 추가의 회로를 구비한다. 특히, 최대 온-타임 제어 회로(1100)는 단락 회로 조건이 존재할 때 최대 온-타임 연장이 불가능하도록 구성된다. 단락 회로 조건이 존재할 때, 출력 전류는 전류 한계치에 도달한다. 최대 온-타임 제어 회로(1100)에서, Not_In_Current_Limit 신호는 AND 게이트(1172)에 접속되어, toff, min_reached 펄스와 Top_Switch_On 펄스와 논리적으로 AND화된다. 따라서, 이전의 두 개의 조건(최소 오프-타임 도달 및 하이-측 스위치 턴온)에 부가하여, AND 게이트(1172)는 출력 전류가 전류 제한되지 않을 때에만 플립 플롭(1174)을 셋하도록 출력 신호를 어서트하여, 벅 스위칭 레귤레이터의 출력에서는 단락 회로가 존재하지 않는다는 것을 나타낸다. 이러한 방식으로, 최대 온-타임은 스위칭 레귤레이터에서 검출되는 단락 조건이 존재할 때에는 연장되지 않는다.11 is a schematic diagram of a maximum on-time control circuit according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, the maximum on-time control circuit 1100 is configured in the same manner as the maximum on-time control circuit 900 but has additional circuitry to prevent short circuit conditions. In particular, the maximum on-time control circuit 1100 is configured such that the maximum on-time extension is impossible when there is a short circuit condition. When there is a short circuit condition, the output current reaches the current limit. In the maximum on-time control circuit 1100, the Not_In_Current_Limit signal is connected to the AND gate 1172 and logically ANDed with t off, min_reached pulses and Top_Switch_On pulses. Thus, in addition to the two previous conditions (minimum off-time reached and high-side switch turn on), AND gate 1172 sets the output signal to set flip-flop 1174 only when the output current is not current limited. Asserted, there is no short circuit at the output of the buck switching regulator. In this way, the maximum on-time does not extend when there is a shorting condition detected at the switching regulator.

전술한 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위해 제공되며 제한 사항으로 의도되지는 않는다. 본 발명의 영역 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능하다. 본 발명은 첨부되는 청구범위에 의해 규정된다.The foregoing detailed description is provided to describe particular embodiments of the invention and is not intended to be limiting. Many variations and modifications are possible within the scope of the invention. The invention is defined by the appended claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리플 입력 제어 방안을 포함하는 고정된 (고정적인) 온-타임 전압 레귤레이터의 개략도.1 is a schematic diagram of a fixed (fixed) on-time voltage regulator including a ripple input control scheme in accordance with an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 전압 레귤레이터에 의해 사용되는 고정적인 온-타임 및 최소 오프-타임 제어 루프를 도시한 도면.FIG. 2 illustrates a fixed on-time and minimum off-time control loop used by the voltage regulator of FIG. 1. FIG.

도 3은 도 1의 고정적인 온-타임 전압 레귤레이터의 피드백 전압 VFB을 나타내는 전압 파형을 도시한 도면.3 shows a voltage waveform representing the feedback voltage V FB of the fixed on-time voltage regulator of FIG. 1.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 향상된 출력 전압 정확도를 갖는 리플 입력 제어 방안을 포함하는 고정적인 온-타임 전압 레귤레이터의 개략도.4 is a schematic diagram of a fixed on-time voltage regulator including a ripple input control scheme with improved output voltage accuracy in accordance with one embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 향상된 출력 전압 정확도를 갖는 리플 입력 제어 방안을 포함하는 고정적인 온-타임 전압 레귤레이터의 개략도.5 is a schematic diagram of a fixed on-time voltage regulator including a ripple input control scheme with improved output voltage accuracy in accordance with another embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4(클램프 회로 제외) 및 도 5의 고정적인 온-타임 전압 레귤레이터에 포함될 수 있는 동작적인 트랜스컨덕턴스 증폭기 및 클램프의 트랜지스터 레벨 회로 도면.FIG. 6 is a transistor level circuit diagram of an operational transconductance amplifier and clamp that may be included in the fixed on-time voltage regulator of FIGS. 4 (excluding the clamp circuit) and FIG. 5 in accordance with an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 고정적인 온-타임 전압 레귤레이터 내에 포함될 수 있는 클램프 회로의 트랜지스터 레벨 회로 도면.7 is a transistor level circuit diagram of a clamp circuit that may be included within the fixed on-time voltage regulator of FIG. 5 in accordance with an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 벅 스위칭 레귤레이터 내의 멀티-모드 온 및 오프 타임 제어 방안을 구현하기 위한 온 및 오프 타임 제어 회로의 로직도.8 is a logic diagram of an on and off time control circuit for implementing a multi-mode on and off time control scheme in a buck switching regulator in accordance with an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 온-타임 제어 회로의 개략도.9 is a schematic diagram of a maximum on-time control circuit in accordance with an embodiment of the present invention.

도 10은 도 9의 최대 온-타임 제어 회로의 동작을 나타내는 타이밍도.FIG. 10 is a timing diagram illustrating operation of the maximum on-time control circuit of FIG. 9. FIG.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 최대 온-타임 제어 회로의 개략도.11 is a schematic diagram of a maximum on-time control circuit according to another embodiment of the present invention.

Claims (12)

집적 회로 상에 형성되어 있으며 입력 전압을 수신하는 벅 스위칭 레귤레이터(buck switching regulator)로서,A buck switching regulator formed on an integrated circuit and receiving an input voltage, 상기 벅 스위칭 레귤레이터는 피드백 제어 루프를 사용하여 하이측(high-side) 스위치와 로우측(low-side) 스위치를 제어하여 스위칭 출력 전압을 생성하기 위해 스위치 출력 노드를 구동시키고, 상기 스위치 출력 노드는 출력 노드 상에 실질적으로 일정한 크기를 갖는 조절된 출력 전압(regulated output voltage)을 생성하도록 상기 집적 회로 외부의 LC 필터 회로에 결합되며, 상기 조절된 출력 전압은 상기 벅 스위칭 레귤레이터로 피드백되어 피드백 전압 노드 상에 피드백 전압을 생성하는 전압 분할기에 공급되며,The buck switching regulator drives a switch output node to generate a switching output voltage by controlling a high-side switch and a low-side switch using a feedback control loop, the switch output node being Coupled to an LC filter circuit external to the integrated circuit to produce a regulated output voltage having a substantially constant magnitude on an output node, the regulated output voltage is fed back to the buck switching regulator to provide a feedback voltage node. A voltage divider that generates a feedback voltage on the phase, 상기 벅 스위칭 레귤레이터는 최소 온-타임(on-time) 및 가변적인 오프-타임(off-time) 피드백 제어 루프 하에서 상기 하이측 스위치를 제어하기 위한 제 1 신호를 생성하는 온-타임 제어 회로를 포함하고,The buck switching regulator includes an on-time control circuit that generates a first signal for controlling the high side switch under a minimum on-time and variable off-time feedback control loop. and, 상기 제 1 신호는 제 1 온-타임 기간(a first on-time duration)의 만료시 또는 최대 온-타임의 만료시에 상기 하이측 스위치를 턴오프하며, 상기 제 1 온-타임 기간은 적어도 최소 온-타임(minimum on-time)이고 상기 피드백 전압이 기준 전압(reference voltage)보다 낮게 유지될 때 상기 최대 온-타임까지 확장되며, 상기 최대 온-타임은 제 1 최대 온-타임 및 상기 제 1 최대 온-타임보다 큰 제 2의 확장된 최대 온-타임을 포함하고,The first signal turns off the high side switch upon expiration of a first on-time duration or upon expiration of a maximum on-time, the first on-time period being at least minimum Is on-time and extends to the maximum on-time when the feedback voltage remains below a reference voltage, the maximum on-time being a first maximum on-time and the first A second extended maximum on-time greater than the maximum on-time, 상기 제 2의 확장된 최대 온-타임은 최소 오프-타임이 이전의 스위칭 사이클 동안 상기 하이측 스위치에 사용되었을 때 적용되는The second extended maximum on-time is applied when a minimum off-time is used for the high side switch during the previous switching cycle. 벅 스위칭 레귤레이터.Buck switching regulator. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 최대 온-타임은 제 1 커패시터에 의해 설정되고, 상기 제 2 최대 온-타임은 상기 제 1 커패시터와 병렬로 제 2 커패시터를 추가함으로써 설정되는The first maximum on-time is set by a first capacitor and the second maximum on-time is set by adding a second capacitor in parallel with the first capacitor. 벅 스위칭 레귤레이터.Buck switching regulator. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 최대 온-타임은 제 1 커패시턴스 값에 의해 설정되고, 상기 제 2 최대 온-타임은 상기 제 1 커패시턴스 값에 제 2 커패시턴스 값을 더함으로써 설정되는 The first maximum on-time is set by a first capacitance value and the second maximum on-time is set by adding a second capacitance value to the first capacitance value. 벅 스위칭 레귤레이터.Buck switching regulator. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2의 확장된 최대 온-타임은, 최소 오프-타임이 상기 이전의 스위칭 사이클 동안 상기 하이측에 사용되었을 때와 상기 스위칭 레귤레이터의 출력 전류가 전류 제한되지 않을 때 적용되는The second extended maximum on-time is applied when a minimum off-time is used on the high side during the previous switching cycle and when the output current of the switching regulator is not current limited. 벅 스위칭 레귤레이터.Buck switching regulator. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 온-타임 제어 회로는 상기 제 1 최대 온-타임 또는 상기 제 2 최대 온-타임의 만료시에 제 2 신호를 생성하는 최대 온-타임 제어 회로를 포함하고,The on-time control circuit comprises a maximum on-time control circuit for generating a second signal upon expiration of the first maximum on-time or the second maximum on-time, 상기 최대 온-타임 제어 회로는The maximum on-time control circuit is 제 1 노드와 그라운드 노드 사이의 제 1 트랜지스터와 병렬로 접속된 제 1 커패시터와, 상기 제 1 커패시터를 충전시키도록 결합된 전류원을 포함하는 제 1 타이머 회로 -상기 제 1 트랜지스터는 상기 제 1 신호에 의해 제어됨- 와,A first timer circuit comprising a first capacitor connected in parallel with a first transistor between a first node and a ground node, and a current source coupled to charge the first capacitor, wherein the first transistor is coupled to the first signal. Controlled by 상기 제 1 노드에서의 제 1 전압과 제 2 DC 기준 전압을 비교하여, 상기 제 1 전압이 상기 제 2 DC 기준 전압 이상일 때 어서팅되는(asserted) 제 2 신호인 출력 전압을 생성하는 비교기를 포함하며,A comparator that compares a first voltage at the first node with a second DC reference voltage to produce an output voltage that is a second signal that is asserted when the first voltage is above the second DC reference voltage; , 상기 하이측 스위치가 턴오프되면, 상기 제 1 신호는 상기 제 1 트랜지스터를 턴온하도록 어서팅되어 상기 제 1 커패시터를 방전시키고, 상기 하이측 스위치가 턴온되면, 상기 제 1 신호는 상기 제 1 트랜지스터를 턴오프하도록 디어서팅되어(deasserted) 상기 전류원에 의해 상기 제 1 커패시터를 충전될 수 있도록 하며, 이에 따라 상기 제 1 전압이 증가하고,When the high side switch is turned off, the first signal is asserted to turn on the first transistor to discharge the first capacitor, and when the high side switch is turned on, the first signal turns the first transistor on. Deasserted to turn off so that the first capacitor can be charged by the current source, thereby increasing the first voltage, 상기 제 1 최대 온-타임은 상기 제 1 전압이 상기 제 2 DC 기준 전압에 도달하는 기간을 포함하는The first maximum on-time includes a period during which the first voltage reaches the second DC reference voltage. 벅 스위칭 레귤레이터.Buck switching regulator. 제 5 항에 있어서,The method of claim 5, wherein 상기 최대 온-타임 제어 회로는 상기 제 1 노드와 상기 그라운드 노드 사이의 제 2 커패시터와 직렬로 접속된 제 2 트랜지스터를 포함하는 제 2 타이머 회로를 더 포함하되, The maximum on-time control circuit further comprising a second timer circuit comprising a second transistor connected in series with a second capacitor between the first node and the ground node, 상기 제 2 트랜지스터는 제 3 신호에 의해 제어되고, 상기 제 3 신호는 최소 오프-타임이 이전의 스위칭 사이클 동안 상기 하이측 스위치에 사용될 때 상기 제 2 트랜지스터를 턴온하도록 어서팅되며,The second transistor is controlled by a third signal, the third signal is asserted to turn on the second transistor when a minimum off-time is used in the high side switch during a previous switching cycle, 상기 제 2 트랜지스터는 상기 제 2 커패시터를 상기 제 1 커패시터와 병렬로 접속하도록 턴온되고, The second transistor is turned on to connect the second capacitor in parallel with the first capacitor, 상기 제 2 최대 온-타임은 상기 제 1 및 제 2 커패시터의 충전에 의해 상기 제 1 전압이 상기 제 2 DC 기준 전압에 도달하는 기간을 포함하는The second maximum on-time includes a period during which the first voltage reaches the second DC reference voltage by charging the first and second capacitors. 벅 스위칭 레귤레이터.Buck switching regulator. 제 6 항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제 2 타이머 회로는The second timer circuit is 상기 최소 오프-타임에 도달됨을 나타내는 최소 오프-타임 펄스를 생성하는 원샷 회로(one-shot circuit)와,A one-shot circuit for generating a minimum off-time pulse indicating that the minimum off-time is reached; 상기 최소 오프-타임 펄스 및 제 4 신호를 수신하고, 상기 제 4 신호가 상기 최소 오프-타임 펄스 동안에 어서팅될 때 어서팅되는 출력 신호를 생성하는 제 1 논리 게이트와,A first logic gate that receives the minimum off-time pulse and a fourth signal and generates an output signal that is asserted when the fourth signal is asserted during the minimum off-time pulse; 상기 제 1 논리 게이트의 상기 출력 신호를 수신하는 셋(set) 입력 단자와, 상기 제 1 신호를 수신하는 리셋(reset) 입력 단자와, 상기 제 3 신호를 생성하는 출력 단자를 갖는 셋-리셋 플립플롭을 포함하는A set-reset flip having a set input terminal for receiving the output signal of the first logic gate, a reset input terminal for receiving the first signal, and an output terminal for generating the third signal Containing the flop 벅 스위칭 레귤레이터.Buck switching regulator. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 제 1 논리 게이트는 상기 스위칭 레귤레이터의 출력 전류가 전류 제한되지 않음을 나타내는 제 5 신호를 더 수신하고, 상기 제 1 논리 게이트는 상기 제 4 신호가 상기 최소 오프-타임 펄스 동안 어서팅되고 상기 제 5 신호가 어서팅될 때 상기 출력 신호를 어서팅하는The first logic gate further receives a fifth signal indicating that the output current of the switching regulator is not current limited, wherein the first logic gate is asserted during the minimum off-time pulse and the fourth signal Asserting the output signal when 5 signals are asserted 벅 스위칭 레귤레이터.Buck switching regulator. 입력 전압을 수신하고, 피드백 제어 루프를 사용하여 하이측 스위치와 로우측 스위치를 제어하여 스위칭 출력 전압을 생성하기 위해 스위치 출력 노드를 구동시키는 벅 스위칭 레귤레이터에서의 방법 -상기 스위치 출력 노드는 LC 필터 회로에 결합되어 출력 노드 상에 실질적으로 일정한 크기를 갖는 조절된 출력 전압을 생성하며, 상기 조절된 출력 전압은 상기 벅 스위칭 레귤레이터로 피드백되어 피드백 전압 노드 상에 피드백 전압을 생성하는 전압 분할기에 공급됨- 으로서,A method in a buck switching regulator that receives an input voltage and drives a switch output node to generate a switching output voltage by controlling a high side switch and a low side switch using a feedback control loop, the switch output node being an LC filter circuit. Coupled to generate a regulated output voltage having a substantially constant magnitude on an output node, the regulated output voltage fed back to the buck switching regulator and supplied to a voltage divider that generates a feedback voltage on a feedback voltage node. As 상기 하이측 스위치에, 적어도 최소 온-타임이고 상기 피드백 전압이 기준 전압보다 낮게 유지될 때 최대 온-타임까지 확장되는 제 1 온-타임 기간을 제공하는 단계와,Providing the high side switch with a first on-time period that is at least minimum on-time and extends to a maximum on-time when the feedback voltage is maintained below a reference voltage; 상기 최대 온-타임으로서, 제 1 최대 온-타임 또는 상기 제 1 최대 온-타임보다 큰 제 2의 확장된 최대 온-타임을 제공하는 단계와,Providing, as the maximum on-time, a first maximum on-time or a second extended maximum on-time greater than the first maximum on-time; 최소 오프-타임이 이전의 스위칭 사이클 동안 상기 하이측 스위치에 사용되지 않았을 때 상기 제 1 최대 온-타임을 적용하는 단계와,Applying the first maximum on-time when a minimum off-time has not been used for the high side switch during a previous switching cycle; 최소 오프-타임이 상기 이전의 스위칭 사이클 동안 상기 하이측 스위치에 사용되었을 때 상기 제 2의 확장된 최대 온-타임을 적용하는 단계와,Applying the second extended maximum on-time when a minimum off-time was used for the high side switch during the previous switching cycle; 최소 온-타임 및 가변적인 오프-타임 피드백 제어 루프 하에서 상기 하이측 스위치를 턴오프하기 위한 제 1 신호를 생성하는 단계 -상기 제 1 신호는 상기 제 1 온-타임 기간의 만료시 또는 상기 제 1 또는 제 2 최대 온-타임의 만료시에 상기 하이측 스위치를 턴오프함- 를 포함하는Generating a first signal for turning off the high side switch under a minimum on-time and variable off-time feedback control loop, wherein the first signal is upon expiration of the first on-time period or the first Or turning off the high side switch upon expiration of a second maximum on-time. 방법.Way. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제 1 최대 온-타임을 제공하는 단계는 제 1 커패시터의 충전에 의해 상기 제 1 최대 온-타임을 제공하는 단계를 포함하고, Providing the first maximum on-time comprises providing the first maximum on-time by charging a first capacitor, 상기 제 2의 확장된 최대 온-타임을 제공하는 단계는 상기 제 1 커패시터 및 상기 제 1 커패시터와 병렬로 접속된 제 2 커패시터의 충전에 의해 상기 제 2의 확장된 최대 온-타임을 제공하는 단계를 포함하는Providing the second extended maximum on-time may include providing the second extended maximum on-time by charging the first capacitor and a second capacitor connected in parallel with the first capacitor. Containing 방법.Way. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제 1 최대 온-타임을 제공하는 단계는 제 1 커패시턴스 값의 충전에 의해 상기 제 1 최대 온-타임을 제공하는 단계를 포함하고, Providing the first maximum on-time comprises providing the first maximum on-time by charging a first capacitance value, 상기 제 2의 확장된 최대 온-타임을 제공하는 단계는 상기 제 1 커패시턴스 값과 제 3 커패시턴스 값의 합인 제 2 커패시턴스 값의 충전에 의해 상기 제 2의 확장된 최대 온-타임을 제공하는 단계를 포함하는Providing the second extended maximum on-time may include providing the second extended maximum on-time by charging a second capacitance value that is a sum of the first capacitance value and a third capacitance value. Containing 방법.Way. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 제 1 최대 온-타임보다 큰 제 2의 확장된 최대 온-타임을 제공하는 단계는 최소 오프-타임이 이전의 스위칭 사이클 동안 상기 하이측 스위치에 사용될 때와 상기 스위칭 레귤레이터의 출력 전류가 전류 제한되지 않을 때 상기 제 2의 확장된 최대 온-타임을 제공하는 단계를 포함하는Providing a second extended maximum on-time greater than the first maximum on-time is such that when a minimum off-time is used for the high side switch during a previous switching cycle and the output current of the switching regulator is current limited. Providing the second extended maximum on-time when not 방법.Way.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012058007A2 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 R2 Semiconductor, Inc. Controlling a dead time of a switching voltage regulator
US20230044377A1 (en) * 2019-01-09 2023-02-09 Integrated Device Technology, Inc. Wireless Power Receiver Configurable for LDO or Buck Operation

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5723578B2 (en) * 2010-11-25 2015-05-27 ローム株式会社 Switching power supply
JP5771982B2 (en) 2010-12-27 2015-09-02 ミツミ電機株式会社 Switching power supply
JP5980514B2 (en) 2011-03-07 2016-08-31 ローム株式会社 DC / DC converter and television using the same
JP5977738B2 (en) * 2011-04-25 2016-08-24 ローム株式会社 Switching power supply device and electronic apparatus using the same
JP6023468B2 (en) 2012-05-23 2016-11-09 ローム株式会社 Switching power supply
US9287779B2 (en) * 2013-03-14 2016-03-15 Qualcomm Incorporated Systems and methods for 100 percent duty cycle in switching regulators
CN106787652B (en) * 2017-02-09 2018-09-18 电子科技大学 A kind of dynamic suitable for buck converter output DC maladjustment eliminates circuit
CN107404217B (en) * 2017-08-18 2023-06-23 杰华特微电子股份有限公司 Switching power supply control circuit and method and switching power supply
JP7102307B2 (en) * 2018-09-21 2022-07-19 ローム株式会社 DC / DC converter control circuit, power supply management circuit, SSD, DC / DC converter
US10985660B2 (en) 2018-12-10 2021-04-20 Mediatek Singapore Pte. Ltd. DC-DC converter having higher stability and output accuracy
CN113991992B (en) * 2021-10-26 2023-09-12 深圳市单源半导体有限公司 Short-circuit protection circuit and method for COT control mode DC-DC converter
CN116647098B (en) * 2023-07-25 2023-10-03 江苏应能微电子股份有限公司 Switching power supply on time control circuit and method and switching power supply

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4868750B2 (en) * 2004-03-16 2012-02-01 ローム株式会社 Switching regulator
US7084612B2 (en) * 2004-04-30 2006-08-01 Micrel, Inc. High efficiency linear regulator
US7615981B2 (en) * 2004-06-09 2009-11-10 O2Micro International Limited Boost converter with enhanced control capabilities of emulating an inductor current
JP2006025531A (en) * 2004-07-07 2006-01-26 Seiko Instruments Inc Dc/dc converter circuit
KR100757242B1 (en) 2005-09-07 2007-09-10 그로위드(주) Apparatus for controlling power supply voltage and application apparatus thereof
JP2007159275A (en) * 2005-12-06 2007-06-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd Dc-dc converter

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012058007A2 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 R2 Semiconductor, Inc. Controlling a dead time of a switching voltage regulator
WO2012058007A3 (en) * 2010-10-29 2012-07-05 R2 Semiconductor, Inc. Controlling a dead time of a switching voltage regulator
US20230044377A1 (en) * 2019-01-09 2023-02-09 Integrated Device Technology, Inc. Wireless Power Receiver Configurable for LDO or Buck Operation
US11791662B2 (en) * 2019-01-09 2023-10-17 Integrated Device Technology, Inc. Wireless power receiver configurable for LDO or buck operation

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