KR20140109298A

KR20140109298A - 스위칭 레귤레이터 및 전자 기기

Info

Publication number: KR20140109298A
Application number: KR20140024073A
Authority: KR
Inventors: 아키히로 가와노; 미치야스 데구치
Original assignee: 세이코 인스트루 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-09-15
Also published as: TWI610528B; CN104038059A; TW201505343A; US9270162B2; CN104038059B; KR102110109B1; JP6168793B2; US20140247523A1; JP2014171332A

Abstract

(과제) 과전류 상태로부터 자동 복귀할 수 있는 전류 보호 회로를 구비한 스위칭 레귤레이터를 제공한다.
(해결 수단) 출력 전압에 기초하는 귀환 전압과 기준 전압의 차이를 증폭시켜 출력하는 오차 증폭 회로와, 오차 증폭 회로의 출력과 삼각파 발진 회로의 출력을 비교하여, 출력 트랜지스터를 제어하는 PWM 콤퍼레이터와, 출력 단자에 접속되는 부하에 흐르는 부하 전류를 감시하여, 부하 전류가 과전류로 된 것을 검출하고, 스위칭 동작을 정지시키는 과전류 검출 신호를 출력하는 과전류 검출 회로와, 과전류 검출 신호를 받아 부하 전류를 소정의 전류값으로 제어하는 부귀환 제어 회로를 구비한 스위칭 레귤레이터.

Description

스위칭 레귤레이터 및 전자 기기{SWITCHING REGULATOR AND ELECTRONIC DEVICE}

본 발명은, 정전압을 출력하는 스위칭 레귤레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 출력 단자에 과전류가 흘렀을 때에, 출력 단자로의 전류 공급을 제한하여 회로를 보호하는 과전류 보호 회로에 관한 것이다.

스위칭 레귤레이터는, 각종 전자 기기 회로의 전압 공급원으로서 사용되고 있다. 스위칭 레귤레이터의 기능은, 입력 단자의 전압 변동에 관계없이 출력 단자에 일정한 전압을 출력하는 것이지만, 출력 단자로부터 부하에 공급되는 전류가 격증하여 최대 허용 전류를 초과했을 때, 전류의 공급을 제한하여 회로를 보호하는 과전류 보호 회로도 중요하다.

도 4 에, 종래의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 블록도를 나타낸다.

종래의 스위칭 레귤레이터 제어 회로는, 삼각파 발진 회로 (1) 와, 오차 증폭 회로 (2) 와, PWM 콤퍼레이터 (3) 와, 오차 증폭기 출력 검지 회로 (4) 와, 타이머 회로 (5) 와, AND 회로 (6) 와, 기준 전압 회로 (7) 와, 버퍼 회로 (8) 로 구성된다.

기준 전압 회로 (7) 는 기준 전압 (Vref1) 을 출력하고, 삼각파 발진 회로 (1) 는 상한 레벨 (VH) 과 하한 레벨 (VL) 사이에서 진폭하는 삼각파 (Vramp) 를 출력한다. 오차 증폭 회로 (2) 는, 스위칭 레귤레이터의 출력 전압 (Vout) 의 귀환 전압 (Vfb) 과 기준 전압 (Vref1) 을 비교하여, 차전압을 증폭시켜 전압 (Verr) 을 출력한다. PWM 콤퍼레이터 (3) 는, 오차 증폭 회로 (2) 의 전압 (Verr) 과 삼각파 (Vramp) 를 비교하여, PWM 신호 (Vpwm) 를 출력한다. AND 회로 (6) 는, 타이머 회로 (5) 의 출력과 PWM 신호 (Vpwm) 의 출력을 바탕으로 제어한다. 버퍼 회로 (8) 는, AND 회로 (6) 의 출력을 전력 증폭시켜, 도시하지 않은 드라이버 트랜지스터에 출력한다. 오차 증폭기 출력 검지 회로 (4) 는, 오차 증폭 회로 (2) 의 전압 (Verr) 을 감시한다. 타이머 회로 (5) 는, 오차 증폭기 출력 검지 회로 (4) 의 출력 결과에 의해 카운트를 개시한다.

여기서, 오차 증폭기 출력 검지 회로 (4) 는, 기준 전압 (Vref2) (＞ VH) 을 출력하는 기준 전압 회로와, 오차 증폭 회로 (2) 의 전압 (Verr) 과 기준 전압 (Vref2) 을 비교하는 콤퍼레이터를 구비하고 있다. Verr ＞ Vref2 가 되는 과부하 상태일 때, 콤퍼레이터가 과부하 상태 검출 신호를 타이머 회로 (5) 에 출력한다. 타이머 회로 (5) 는 카운트를 개시하여, 일정 시간 경과 후에 과부하 상태 검출 신호를 AND 회로 (6) 에 출력한다. 그리고, AND 회로 (6) 는 드라이버 트랜지스터를 비도통이 되도록 제어를 실시한다. 출력 전압 (Vout) 은 0 V 까지 강하되기 때문에, 기준 전압 (Vref) 과 귀환 전압 (Vfb) 의 차전압이 커져, Verr ＞ Vref2 의 관계를 유지하고, 드라이버 트랜지스터는 계속해서 비도통 상태를 유지한다. 이렇게 하여, 과부하 상태로부터 출력 트랜지스터를 보호하고 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 공개특허공보 평3-52556호

그러나, 종래 기술의 스위칭 레귤레이터는, 과전류의 원인을 배제해도, 타이머 회로 (5) 를 외적으로 리셋하지 않으면 다시 스위칭 동작을 개시할 수 없다는 과제가 있었다. 또, USB 출력을 구비한 휴대형 배터리와 같은 기기에서 사용된 경우, 배터리를 벗길 수 없기 때문에 타이머 회로를 리셋할 수 없어 과전류 상태를 해제할 수 없다는 과제가 있었다.

종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 스위칭 레귤레이터는 이하와 같은 구성으로 하였다.

출력 전압에 기초하는 귀환 전압과 기준 전압의 차이를 증폭시켜 출력하는 오차 증폭 회로와, 오차 증폭 회로의 출력과 삼각파 발진 회로의 출력을 비교하여, 출력 트랜지스터를 제어하는 PWM 콤퍼레이터와, 출력 트랜지스터에 전압을 공급하는 전원과, 출력 단자에 접속되는 부하에 흐르는 부하 전류를 감시하여, 부하 전류가 과전류로 된 것을 검출하고, 스위칭 동작을 정지시키는 과전류 검출 신호를 출력하는 과전류 검출 회로와, 전류 검출 신호를 받아 부하 전류를 소정의 전류값으로 제어하는 부귀환 제어 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.

본 발명의 스위칭 레귤레이터는, 부하 전류로부터 과전류를 검출하여 부하 전류를 부하 저항에 관계없이 일정 전류값으로 제한할 수 있다. 또, 과전류가 해제된 것을 자동으로 검출하여 통상 상태로 복귀할 수 있다.

도 1 은, 본 실시형태의 스위칭 레귤레이터를 나타내는 회로도이다.
도 2 는, 본 실시형태의 스위칭 레귤레이터의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 3 은, 본 실시형태의 스위칭 레귤레이터의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 4 는, 종래의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 블록도이다.

이하, 본 실시형태에 관하여 도면을 참조하여 설명한다.

실시예

도 1 은, 본 실시형태의 스위칭 레귤레이터의 회로도이다. 본 실시형태의 스위칭 레귤레이터는, 스위칭 레귤레이터 제어 회로 (11) 와, 드라이버 트랜지스터 (12) 와, 코일 (13) 과, 다이오드 (14) 와, 출력 콘덴서 (15) 와, 과전류 검출 회로 (18) 와, 부귀환 제어 회로 (19) 와, 출력 단자 (31) 와, 외부 단자 (32) 와, VSS 단자 (100) 로 구성된다.

과전류 검출 회로 (18) 는, 타이머 회로 (51) 와, 콤퍼레이터 (50) 와, 기준 전압 회로 (53) 로 구성된다.

부귀환 제어 회로 (19) 는, 앰프 (52) 와, 기준 전압 회로 (54) 와, NMOS 트랜지스터 (21) 와, 저항 (22) 으로 구성된다.

스위칭 레귤레이터 제어 회로 (11) 는, 오차 증폭 회로 (2) 와, 기준 전압 회로 (7) 와, 삼각파 발진 회로 (1) 와, PWM 콤퍼레이터 (3) 와, AND 회로 (6) 와, 버퍼 회로 (8) 와, 저항 (47, 46) 으로 구성되어 있다.

오차 증폭 회로 (2) 는, 반전 입력 단자는 저항 (47 과 46) 의 접속점에 접속되고, 비반전 입력 단자는 기준 전압 회로 (7) 의 정극에 접속되고, 출력 단자는 PWM 콤퍼레이터 (3) 의 비반전 입력 단자에 접속된다. 저항 (46) 의 타방의 단자는 VSS 단자 (100) 에 접속되고, 저항 (47) 의 타방의 단자는 출력 단자 (31) 에 접속된다. 기준 전압 회로 (7) 의 부극은 VSS 단자 (100) 에 접속된다. PWM 콤퍼레이터 (3) 는, 반전 입력 단자는 삼각파 발진 회로 (1) 의 출력 단자에 접속되고, 출력 단자는 AND 회로 (6) 의 제 1 입력 단자에 접속된다. 앰프 (52) 는, 비반전 입력 단자는 기준 전압 회로 (54) 의 정극에 접속되고, 반전 입력 단자는 NMOS 트랜지스터 (21) 의 소스와 저항 (22) 의 접속점 (노드 (A)) 에 접속되고, 출력 단자는 NMOS 트랜지스터 (21) 의 게이트에 접속된다. 저항 (22) 의 타방의 단자는 VSS 단자 (100) 에 접속되고, 기준 전압 회로 (54) 의 부극은 VSS 단자 (100) 에 접속된다. 콤퍼레이터 (50) 는, 비반전 입력 단자는 기준 전압 회로 (53) 의 정극에 접속되고, 반전 입력 단자는 NMOS 트랜지스터 (21) 의 소스와 저항 (22) 의 접속점에 접속되고, 출력 단자는 타이머 회로 (51) 의 입력 단자에 접속된다. 타이머 회로 (51) 의 출력 단자는, AND 회로 (6) 의 제 2 입력 단자에 접속되고, 또한 기준 전압 회로 (53) 의 전압값의 전환과 앰프 (52) 의 온 오프 제어를 실시한다. NMOS 트랜지스터 (21) 의 드레인은 외부 단자 (32) 에 접속된다. 버퍼 (8) 는, 입력 단자는 AND 회로 (6) 의 출력 단자에 접속되고, 출력 단자는 드라이버 트랜지스터 (12) 의 게이트에 접속된다. 드라이버 트랜지스터 (12) 는, 드레인은 코일 (13) 의 일방의 단자와 다이오드 (14) 의 애노드의 접속점에 접속되고, 소스는 VSS 단자 (100) 에 접속된다. 코일 (13) 의 타방의 단자는, 직류 전원 (17) 의 정극에 접속된다. 출력 콘덴서 (15) 는, 일방의 단자는 다이오드 (14) 의 캐소드와 출력 단자 (31) 에 접속되고, 타방의 단자는 VSS 단자 (100) 에 접속된다. 스위칭 레귤레이터의 출력 단자 (31) 와 외부 단자 (32) 사이에 접속된 전자 기기를 부하 저항 (16) 으로 한다.

기준 전압 회로 (53) 는, 통상시에는 과전류 검출용 기준 전압 (VREF3) 을 출력하고, 과전류 검출시에는 과전류 해제용 기준 전압 (VREF4) 을 출력한다. 기준 전압 회로 (54) 는, 출력 전류 제한용 기준 전압 (VREF5) 을 출력한다.

본 실시형태의 스위칭 레귤레이터의 동작에 관하여 설명한다. 도 2 는, 제 1 실시형태의 스위칭 레귤레이터의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.

직류 전원 (17) 을 개시시키면, 직류 전원 (17) 의 전압이 코일 (13) 과 다이오드 (14) 를 통해 출력 단자 (31) 에 전달되고, 출력 단자 (31) 의 출력 전압 (Vout) 이 개시되어 간다. 저항 (47) 과 저항 (46) 은, 출력 전압 (Vout) 을 분압하여 귀환 전압 (VFB) 을 발생시킨다. 오차 증폭 회로 (2) 는, 귀환 전압 (VFB) 과 기준 전압 회로 (7) 의 전압을 기초로 전압 (Verr) 을 출력한다. PWM 콤퍼레이터 (3) 는, 전압 (Verr) 과 삼각파 발진 회로 (1) 가 출력하는 삼각파를 비교하여 구형파를 출력한다. 구형파는, AND 회로 (6), 버퍼 (8) 를 통해 드라이버 트랜지스터 (12) 의 게이트에 입력되고, 드라이버 트랜지스터 (12) 의 온 오프를 제어한다. 전압 (Verr) 은, 구형파의 duty 를 제어할 수 있고, 이 duty 에 기초하여 드라이버 트랜지스터 (12) 를 온 오프 제어함으로써, 출력 단자 (31) 에 정전압을 발생시킬 수 있다. 이 상태를 통상 상태라고 한다. 도 2 의 t0 내지 t1 의 기간에서는, 부하 저항 (16) 에 일정한 저항이 발생하여 통상 상태를 유지하고 있다.

t1 에서 t2 의 기간은, 부하 저항 (16) 의 저항값이 내려간 중부하 1 의 상태를 나타내고 있다. 부하 저항 (16) 의 저항값이 내려감으로써, 부하 저항 (16) 에 흐르는 부하 전류가 증가하므로, 노드 (A) 의 전압은 상승한다. 노드 (A) 의 전압이 상승하여 기준 전압 (VREF3) 을 상회하면, 콤퍼레이터 (50) 로부터 과전류 검출 신호가 출력된다. 타이머 회로 (51) 는, 카운트를 개시하여 일정 시간 경과 후에 과전류 검출 신호를 출력한다. 이 과전류 검출 신호에 의해, 기준 전압 회로 (53) 의 전압은 VREF4 로 변경되고, AND 회로 (6) 와 버퍼 회로 (8) 를 통해 드라이버 트랜지스터 (12) 는 오프되고, 앰프 (52) 는 동작을 개시한다.

t2 에서 t3 의 기간은, 과전류 검출 신호 출력 후의 과전류 상태를 나타내고 있다. 노드 (A) 의 전압은, 앰프 (52) 가 NMOS 트랜지스터 (21) 를 제어함으로써 기준 전압 (VREF5) 으로 저하된다. 그리고, NMOS 트랜지스터 (21) 의 게이트-소스 사이 전압이 작아지고, NMOS 트랜지스터 (21) 의 온 저항이 증가하므로 부하 전류가 제한된다. NMOS 트랜지스터 (21) 에 흐르는 전류는, 기준 전압 (VREF5) 과 저항 (22) 으로 정해지는 전류 이상은 흐르지 않아, 저항 (22) 의 저항값을 R22 로 하면 VREF5/R22 의 전류값 이하로 제한된다. 이렇게 하여, 과전류시의 부하 전류는, 부하 저항 (16) 의 값에 관계없이 일정 전류값으로 제한되므로 과전류를 방지할 수 있다.

t3 에서 t4 의 기간은, 부하 저항 (16) 이 개방 혹은 저항값이 증가한 중부하 2 상태를 나타내고 있다. 부하 저항 (16) 의 저항값이 올라감으로써, 부하 저항 (16) 에 흐르는 부하 전류가 저하되지만, 앰프 (52) 의 제어에 의해 얼마 동안은 VREF5/R22 의 부하 전류로 유지되고, 노드 (A) 의 전압도 기준 전압 (VREF5) 으로 유지된다. 또한, 부하 저항 (16) 에 흐르는 부하 전류가 저하되고, 노드 (A) 의 전압이 기준 전압 (VREF4) 을 하회하면, 콤퍼레이터 (50) 의 과전류 검출 신호가 반전된다. 그리고, 기준 전압 회로 (53) 의 전압은 기준 전압 (VREF3) 으로 변경되고, 앰프 (52) 의 동작은 정지되고, AND 회로 (6) 의 출력 제한이 해제된다. 따라서, 스위칭 레귤레이터는 통상적인 제어가 실시되고, 앰프 (52) 의 동작이 정지됨으로써 부하 전류의 제어가 정지된다.

t4 이후에는, 스위칭 레귤레이터는, 통상으로 동작하는 통상 상태로 복귀한다. 이와 같이 하여, 본 실시형태의 스위칭 레귤레이터는, 과전류를 검출하여 부하 전류를 제한한 후, 과전류가 해제된 것을 자동으로 검출하여 통상적인 제어로 복귀할 수 있다.

도 3 은, 본 실시형태의 스위칭 레귤레이터의 다른 예를 나타내는 회로도이다. 도 1 의 회로와의 차이는, NMOS 트랜지스터 (21) 를 PMOS 트랜지스터 (61) 로 변경한 점이다. 즉, 앰프 (52) 와, 기준 전압 회로 (54) 와, PMOS 트랜지스터 (61) 에서 부귀환 제어 회로 (19) 를 구성하는 앰프 (52) 는, 반전 입력 단자는 외부 단자 (32) 와 저항 (22) 의 접속점에 접속되고, PMOS 트랜지스터 (61) 의 게이트에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (61) 의 드레인은 코일 (13) 에 접속되고, 소스는 직류 전원 (17) 의 정극에 접속된다. 그 이외에는, 도 1 의 회로와 동일하다.

도 3 의 스위칭 레귤레이터의 동작에 관하여 설명한다.

t1 에서 t2 의 기간은, 부하 저항 (16) 의 저항값이 내려감으로써, 부하 저항 (16) 에 흐르는 부하 전류가 증가하므로, 노드 (A) 의 전압이 상승한다. 노드 (A) 의 전압이 상승하여 기준 전압 (VREF3) 을 상회하면, 콤퍼레이터 (50) 로부터 과전류 검출 신호가 출력된다. 타이머 회로 (51) 는, 카운트를 개시하여 일정 시간 경과 후에 과전류 검출 신호를 출력한다. 이 과전류 검출 신호에 의해, 기준 전압 회로 (53) 의 전압은 VREF4 로 변경되고, AND 회로 (6) 와 버퍼 회로 (8) 를 통해 드라이버 트랜지스터 (12) 는 오프되고, 앰프 (52) 는 동작을 개시한다.

t2 에서 t3 의 기간은, 과전류 검출 신호 출력 후의 과전류 상태를 나타내고 있다. 노드 (A) 의 전압은, 앰프 (52) 가 PMOS 트랜지스터 (61) 를 제어함으로써 기준 전압 (VREF5) 으로 저하된다. 그리고, PMOS 트랜지스터 (61) 의 게이트-소스 사이 전압이 작아지고, NMOS 트랜지스터 (21) 의 온 저항이 증가하므로 부하 전류가 제한된다. PMOS 트랜지스터 (61) 에 흐르는 전류는, 기준 전압 (VREF5) 과 저항 (22) 으로 정해지는 전류 이상은 흐르지 않아, VREF5/R22 의 전류값 이하로 제한된다. 이렇게 하여, 과전류시의 부하 전류는, 부하 저항 (16) 의 값에 관계없이 일정 전류값으로 제한되므로 과전류를 방지할 수 있다.

t3 에서 t4 의 기간은, 부하 저항 (16) 이 개방 혹은 저항값이 증가한 중부하 2 상태를 나타내고 있다. 부하 저항 (16) 의 저항값이 올라감으로써, 부하 저항 (16) 에 흐르는 부하 전류가 저하되지만, 앰프 (52) 의 제어에 의해 얼마 동안은 VREF5/R22 의 부하 전류로 유지되고, 노드 (A) 의 전압도 기준 전압 (VREF5) 으로 유지된다. 또한, 부하 저항 (16) 에 흐르는 부하 전류가 저하되고, 노드 (A) 의 전압이 기준 전압 (VREF4) 을 하회하면, 콤퍼레이터 (50) 의 과전류 검출 신호가 반전된다. 그리고, 기준 전압 회로 (53) 의 전압은 기준 전압 (VREF3) 으로 변경되고, 앰프 (52) 의 동작은 정지되고, AND 회로 (6) 의 출력 제한이 해제된다. 따라서, 스위칭 레귤레이터는 통상 제어가 실시되고, 앰프 (52) 의 동작이 정지됨으로써 부하 전류의 제어가 정지된다.

또한, 본 실시형태는, 승압 타입의 스위칭 레귤레이터를 사용하여 설명했지만, 강압 타입이나 승강압 타입으로도 사용할 수 있고, 스위칭 레귤레이터 타입에 한정되지는 않는다.

또 타이머 회로 (51) 는, 신호의 지연 시간을 적절히 설정하면 되고, 특별히 필요가 없으면 삭제해도 된다.

이상으로, 본 실시형태의 스위칭 레귤레이터는, 부하 전류로부터 과전류를 검출하고, 부하 전류를 부하 저항에 관계없이 일정 전류값으로 제한할 수 있어, 과전류로부터 출력 트랜지스터를 보호할 수 있다. 또, 과전류가 해제된 것을 자동으로 검출하여 통상 상태로 복귀할 수 있다.

1 … 삼각파 발진 회로
2 … 오차 증폭 회로
3 … PWM 콤퍼레이터
4 … 오차 증폭기 출력 검지 회로
5, 51 … 타이머 회로
7, 53, 54 … 기준 전압 회로
8 … 버퍼 회로
11 … 스위칭 레귤레이터 제어 회로
12 … 드라이버 트랜지스터
15 … 출력 콘덴서
16 … 부하 저항
17 … 직류 전원
18 … 과전류 검출 회로
19 … 부귀환 제어 회로
31 … 출력 단자
32 … 외부 단자

Claims

출력 전압에 기초하는 귀환 전압과 기준 전압의 차이를 증폭시켜 출력하는 오차 증폭 회로와,
상기 오차 증폭 회로의 출력과 삼각파 발진 회로의 출력을 비교하여, 출력 트랜지스터를 제어하는 PWM 콤퍼레이터와,
출력 단자에 접속되는 부하에 흐르는 부하 전류를 감시하여, 상기 부하 전류가 과전류로 된 것을 검출하고, 스위칭 동작을 정지시키는 과전류 검출 신호를 출력하는 과전류 검출 회로와,
상기 과전류 검출 신호를 받아, 상기 부하 전류를 소정의 전류값으로 제어하는 부귀환 제어 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
제 1 항에 있어서,
상기 과전류 검출 회로는,
통상 상태에서는 과전류 검출용 기준 전압을 출력하고, 과전류 상태에서는 과전류 해제용 기준 전압을 출력하는 제 1 기준 전압 회로와,
상기 부하 전류에 기초하는 전압과 상기 과전류 검출용 기준 전압 또는 상기 과전류 해제용 기준 전압을 비교하여, 과전류 상태를 검출하면, 상기 과전류 검출 신호를 출력하는 콤퍼레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
제 1 항에 있어서,
상기 부귀환 제어 회로는,
상기 부하 전류를 조정하는 부하 전류 제한용 트랜지스터와,
부하 전류 제한용 기준 전압을 출력하는 제 2 기준 전압 회로와,
상기 부하 전류에 기초하는 전압과 상기 부하 전류 제한용 기준 전압을 비교하여, 상기 부하 전류 제한용 트랜지스터를 제어하는 신호를 출력하는 앰프를 구비한 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
제 3 항에 있어서,
상기 부하 전류 제한용 트랜지스터는, 전원과 상기 출력 트랜지스터 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
전원과,
상기 전원의 전원 전압을 조정하여 정전압을 출력하는 제 1 항에 기재된 스위칭 레귤레이터를 구비한, 전자 기기.