KR20160064004A - Dc-dc 컨버터 - Google Patents

Dc-dc 컨버터 Download PDF

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히로유키 마스코
고스케 다카다
미치야스 데구치
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에스아이아이 세미컨덕터 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 전원 전압이 DC-DC 컨버터의 원하는 출력 전압보다 낮은 전압으로부터 정상적인 전압으로 상승했을 때에도, 출력 전압에 오버슈트가 발생하지 않는 DC-DC 컨버터를 제공하는 것.
(해결 수단) PWM 콤퍼레이터의 100 ％ DUTY 상태를 검출하는 100 ％ DUTY 검출 회로와, 전원 전압의 상승을 검출하는 전원 전압 상승 검출 회로와, 오차 증폭기의 출력 전압을 저하시키는 방전 제어 회로를 구비하고, 100 ％ DUTY 상태로서 오차 증폭기의 출력 전압이 소정의 전압보다 높을 때에 전원 전압 상승 검출 신호가 출력되면, 오차 증폭기의 출력 전압을 저하시키는 구성으로 하였다.

Description

DC-DC 컨버터{DC-DC CONVERTER}
본 발명은 정전압을 출력하는 DC-DC 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 출력 전압의 오버슈트를 방지하는 기술에 관한 것이다.
도 6 은, 종래의 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
종래의 DC-DC 컨버터는 전원 단자 (101) 와, 접지 단자 (102) 와, 기준 전압 VREF 를 출력하는 기준 전압 회로 (111) 와, 출력 단자 (103) 의 출력 전압 VOUT 를 분압하는 분압 회로 (112) 와, 분압 전압 VFB 와 기준 전압 VREF 를 비교한 결과의 전압 VERR 을 출력하는 오차 증폭기 (110) 와, 램프파 VRAMP 를 발생시키는 램프파 발생 회로 (114) 와, 전압 VERR 과 램프파 VRAMP 를 비교하여 신호 PWM 을 출력하는 PWM 콤퍼레이터 (113) 와, 출력 버퍼 (115) 와, 출력 트랜지스터 (116) 와, 소프트 스타트 회로 (119) 로 이루어진다.
종래의 DC-DC 컨버터의 동작에 대해서 설명한다.
전원 단자 (101) 에 전압 VDD 가 인가되면, 오차 증폭기 (110) 는 분압 전압 VFB 와 기준 전압 VREF 를 비교하여, 전압 VERR 을 출력한다. PWM 콤퍼레이터 (113) 는, 전압 VERR 과 램프파 VRAMP 를 비교하여, 출력 버퍼 (115) 에 신호 PWM 을 출력한다. 출력 버퍼 (115) 는, 소프트 스타트 회로 (119) 의 출력 신호의 제어하에서, 신호 PWM 을 출력 트랜지스터 (116) 에 출력한다. 소프트 스타트 회로 (119) 는, 전원 단자 (101) 에 전압 VDD 가 인가되면, 출력이 서서히 상승하는 기능을 갖는다. 따라서, 출력 버퍼 (115) 가 서서히 출력 트랜지스터 (116) 를 온함으로써, DC-DC 컨버터의 출력 전압 VOUT 의 오버슈트는 억제된다.
일본 공개특허공보 2011-55692호
그러나, 종래의 DC-DC 컨버터는, 이하와 같은 과제를 가지고 있다.
전원 전압 VDD 가 DC-DC 컨버터의 출력 설정 전압보다 낮은 경우, 오차 증폭기 (110) 가 출력하는 전압 VERR 은 전원 전압 VDD 에 가까운 값으로 되어 있어, PWM 콤퍼레이터 (113) 는 100 ％ DUTY 상태, 즉 출력 트랜지스터 (116) 는 스위칭되지 않고 항상 온 상태로 되어 있다. 이 상태에서부터 전원 전압 VDD 가 급격하게 상승하면, 전압 VERR 이 정상값으로 되돌아갈 때까지의 시간에 DC-DC 컨버터의 출력 전압 VOUT 가 오버슈트되어 버린다.
본 발명은 이상과 같은 과제를 해결하기 위해서 고안된 것으로, PWM 콤퍼레이터 (113) 가 100 ％ DUTY 상태라 하더라도, 출력 전압 VOUT 의 오버슈트를 방지할 수 있는 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다.
종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 DC-DC 컨버터는, 이하와 같은 구성으로 하였다.
PWM 콤퍼레이터의 100 ％ DUTY 상태를 검출하는 100 ％ DUTY 검출 회로와, 전원 전압의 상승을 검출하는 전원 전압 상승 검출 회로와, 오차 증폭기의 출력 전압을 저하시키는 방전 제어 회로를 구비하고, 100 ％ DUTY 상태로서 오차 증폭기의 출력 전압이 소정의 전압보다 높을 때에 전원 전압 상승 검출 신호가 출력되면, 오차 증폭기의 출력 전압을 저하시키는 DC-DC 컨버터.
본 발명의 DC-DC 컨버터는, 상기 서술한 바와 같이 구성하였기 때문에, 전원 전압이 DC-DC 컨버터의 원하는 출력 전압보다 낮은 전압으로부터 정상적인 전압으로 상승했을 때라 하더라도, 출력 전압에 오버슈트가 발생하지 않는다는 효과가 있다.
도 1 은 본 실시형태의 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 2 는 100 ％ DUTY 검출 회로의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 3 은 본 발명의 DC-DC 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4 는 본 실시형태의 DC-DC 컨버터의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 5 는 도 4 에 관련된 DC-DC 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.
도 6 은 종래의 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
도 1 은, 본 실시형태의 DC-DC 컨버터의 회로도이다.
본 실시형태의 DC-DC 컨버터 (100) 는 전원 단자 (101) 와, 접지 단자 (102) 와, 기준 전압 VREF 를 출력하는 기준 전압 회로 (111) 와, 출력 단자 (103) 의 출력 전압 VOUT 를 분압하는 분압 회로 (112) 와, 분압 전압 VFB 와 기준 전압 VREF 를 비교한 결과의 전압 VERR 을 출력하는 오차 증폭기 (110) 와, 램프파 VRAMP 를 발생시키는 램프파 발생 회로 (114) 와, 전압 VERR 과 램프파 VRAMP 를 비교하여 신호 PWM 을 출력하는 PWM 콤퍼레이터 (113) 와, 출력 버퍼 (115) 와, 출력 트랜지스터 (116) 와, 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 와, 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 와, 방전 제어 회로 (121) 와, 위상 보상 용량 Cc 와, 위상 보상 저항 Rc 를 구비한 위상 보상 회로 (117) 를 구비하고 있다.
100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 는, 입력 단자를 PWM 콤퍼레이터 (113) 의 출력 단자와 접속하고, 출력 단자를 방전 제어 회로 (121) 의 입력 단자와 접속한다.
전원 전압 상승 검출 회로 (120) 는, 전원 단자 (101) 와 접지 단자 (102) 의 사이에 직렬로 접속된 스위치 (131) 와 용량 (130) 을 구비하고, 그들의 접속점을 nodeA 로 한다.
방전 제어 회로 (121) 는, nodeA 의 전압에 의해 제어되는 스위치 (135) 와, 램프파의 파고값보다 다소 높은 제 2 기준 전압 VREF2 를 발생시키는 제 2 기준 전압 회로 (132) 와, 제 2 기준 전압 VREF2 와 전압 VERR 을 비교하는 콤퍼레이터 (133) 와, 콤퍼레이터 (133) 의 출력과 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 의 검출 신호를 입력하는 NAND (134) 를 구비한다.
스위치 (135) 는, 일단이 접지 단자 (102) 와 접속되고, 타단이 위상 보상 회로 (117) 의 용량 Cc 와 저항 Rc 의 접속점과 접속되어 있다. NAND (134) 는, 방전 제어 신호를 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 의 스위치 (131) 에 출력한다.
도 2 는, 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 의 일례를 나타내는 회로도이다.
100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 는 용량 (201) 과, 정전류 회로 (202) 와, 스위치 (203) 를 구비하고, 스위치 (203) 의 제어 단자가 입력 단자, 정전류 회로 (202) 와 스위치 (203) 의 접속점이 출력 단자이다. 정전류 회로 (202) 는, 용량 (201) 을 충전하도록 접속된다. 스위치 (203) 는, 용량 (201) 을 방전하도록 접속된다.
100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 는, 정전류 회로 (202) 에 의해 용량 (201) 이 충전되고, 스위치 (203) 에 의해 용량 (201) 이 방전된다. 스위치 (203) 는, 신호 PWM 에 의해 제어된다. 따라서, 신호 PWM 이 Hi 와 Lo 를 반복하고 있는 통상의 동작 상태에서는, 용량 (201) 은 방전되고, 출력 단자는 Lo 의 상태를 유지한다. 그리고, 신호 PWM 이 100 ％ DUTY 가 되어 Hi 를 유지하면, 용량 (201) 은 방전되지 않기 때문에, 용량 (201) 의 전압이 반전 회로의 임계값을 초과했을 때, 출력 단자는 Hi 를 출력한다. 즉, 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 는, 100 ％ DUTY 검출 상태가 된다.
다음으로, 본 실시형태의 DC-DC 컨버터의 동작을 설명한다.
도 3 은, 본 실시형태의 DC-DC 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.
시각 T1 까지는, 전원 전압 VDD 는, DC-DC 컨버터의 원하는 출력 전압 VOUTtar 보다 낮은 전압으로 되어 있어, 분압 전압 VFB 는 기준 전압 VREF 보다 낮은 전압으로 되어 있다. 오차 증폭기 (110) 의 출력 전압 VERR 은 Hi 이며, 램프파 VRAMP 와 교차하지 않기 때문에, 신호 PWM 은 Hi 상태를 유지한다. 따라서, 출력 트랜지스터 (116) 는 온 상태이므로, 출력 전압 VOUT 는 전원 전압 VDD 이다. 이 때, 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 는, 100 ％ DUTY 검출 상태이며, 출력은 Hi 가 된다. 또, 콤퍼레이터 (133) 의 반전 입력인 제 2 기준 전압 VREF2 보다 전압 VERR 은 높기 때문에, 콤퍼레이터 (133) 의 출력은 Hi 이다. 따라서, 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 의 출력과 콤퍼레이터 (133) 의 출력을 입력으로 하는 NAND (134) 의 출력은 Lo 가 되어, 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 의 스위치 (131) 는 오프로 되어 있다. 또, nodeA 는 스위치 (131) 가 온일 때의 접지 전위를 유지하고 있다.
시각 T1 에서부터 시각 T2 의 사이에서는, 전원 전압 VDD 가 서서히 상승하면, 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 의 nodeA 는, 용량 (130) 의 커플링에 의해 전원 전압 VDD 에 추종하여 상승한다. nodeA 가 상승함으로써 방전 제어 회로 (121) 의 스위치 (135) 가 nodeA 에 추종하도록 온이 되고, 위상 보상 용량 Cc 의 전하를 방전하여, 전압 VERR 을 하강시킨다.
시각 T2 에 있어서, 전압 VERR 이 기준 전압 VREF2 보다 낮은 전압이 되면, 콤퍼레이터 (133) 의 출력이 Lo 가 된다. NAND (134) 의 출력이 Hi 가 되어, 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 의 스위치 (131) 를 온시키므로, nodeA 는 접지 전위가 된다. 따라서, 방전 제어 회로 (121) 는, 스위치 (135) 가 오프되어 위상 보상 용량 Cc 의 방전을 정지시킨다. 즉, 오차 증폭기 (110) 는, 입력되는 분압 전압 VFB 에 따른 전압 VERR 을 출력한다.
시각 T3 에 있어서, 전압 VERR 이 램프파 VRAMP 와 교차하고, PWM 콤퍼레이터 (113) 의 출력 PWM 은 사각형파가 되어, DC-DC 컨버터의 스위칭 동작이 개시된다. 출력 전압 VOUT 는, 전원 전압 VDD 의 상승 중에 전압 VERR 이 정상값에 가까운 값이 되고 있기 때문에, 비교적 완만하게 원하는 출력 전압 VOUT 의 값에 가까워진다. 따라서, 전원 전압 VDD 가 정상값으로 복귀해도, 출력 전압 VOUT 에 오버슈트는 발생하지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 DC-DC 컨버터에 의하면, 전원 전압 VDD 가 DC-DC 컨버터의 원하는 출력 전압보다 낮은 전압으로부터, 즉 PWM 콤퍼레이터 (113) 가 100 ％ DUTY 상태로 되어 있는 상태로부터, 정상적인 전원 전압으로 복귀했을 때라 하더라도, 출력 전압 VOUT 의 오버슈트를 방지할 수 있다.
도 4 는, 본 실시형태의 DC-DC 컨버터의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 4 의 DC-DC 컨버터 (100) 는 전원 단자 (101) 와, 접지 단자 (102) 와, 기준 전압 VREF 를 출력하는 기준 전압 회로 (111) 와, 출력 단자 (103) 의 출력 전압 VOUT 를 분압하는 분압 회로 (112) 와, 분압 전압 VFB 와 기준 전압 VREF 를 비교한 결과의 전압 VERR 을 출력하는 오차 증폭기 (110) 와, 램프파 VRAMP 를 발생시키는 램프파 발생 회로 (114) 와, 전압 VERR 과 램프파 VRAMP 를 비교하여 신호 PWM 을 출력하는 PWM 콤퍼레이터 (113) 와, 출력 버퍼 (115) 와, 출력 트랜지스터 (116) 와, 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 와, 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 와, 방전 제어 회로 (121a) 와, 위상 보상 회로 (117) 를 구비하고 있다.
100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 는, 입력 단자를 PWM 콤퍼레이터 (113) 의 출력 단자에 접속하고, 반전 출력 단자를 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 의 스위치 (131) 의 제어 단자에 접속한다.
방전 제어 회로 (121a) 는, 램프파의 파고값보다 다소 높은 제 2 기준 전압 VREF2 를 발생시키는 제 2 기준 전압 회로 (132) 와, 제 2 기준 전압 (132) 과 전압 VERR 을 비교하는 콤퍼레이터 (133) 와, 비반전 입력 단자가 nodeA 와 접속되고, 오프셋 전압 Vos 를 갖는 반전 입력 단자가 접지 단자 (102) 와 접속된 콤퍼레이터 (136) 와, 콤퍼레이터 (133) 의 출력과 콤퍼레이터 (136) 의 출력을 AND 연산하는 AND (137) 와, AND (137) 의 출력 nodeB 에 의해 제어되는 스위치 (135) 를 구비한다.
다음으로, 도 4 의 DC-DC 컨버터의 동작을 설명한다.
도 5 는, 도 4 에 관련된 DC-DC 컨버터의 동작을 나타내는 도면이다.
시각 T1 까지는, 전원 전압 VDD 는, DC-DC 컨버터의 원하는 출력 전압 VOUTtar 보다 낮은 전압으로 되어 있어, 분압 전압 VFB 는 기준 전압 VREF 보다 낮은 전압으로 되어 있다. 오차 증폭기 (110) 의 출력 전압 VERR 은 Hi 이며, 램프파 VRAMP 와 교차하지 않기 때문에, 신호 PWM 은 Hi 상태를 유지한다. 따라서, 출력 트랜지스터 (116) 는 온 상태이므로, 출력 전압 VOUT 는 전원 전압 VDD 이다. 이 때, 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 는, 100 ％ DUTY 검출 상태이며, 반전 출력은 Lo 가 된다. 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 의 스위치 (131) 는, 100 ％ DUTY 검출 회로 (118) 의 출력 신호를 받아 오프가 된다. 또, nodeA 는 스위치 (131) 가 온일 때의 전압 접지 전위를 유지하고 있다. 즉, 방전 제어 회로 (121a) 의 콤퍼레이터 (136) 의 출력은 Lo 로 되어 있다. 또, 콤퍼레이터 (133) 의 반전 입력인 제 2 기준 전압 VREF2 보다 전압 VERR 은 높기 때문에, 콤퍼레이터 (133) 의 출력은 Hi 이다. 따라서, AND (137) 의 출력 nodeB 는 Lo 이며, 스위치 (135) 는 오프로 되어 있다.
시각 T1 에서부터 시각 T2 의 사이에서는, 전원 전압 VDD 가 서서히 상승하면, 전원 전압 상승 검출 회로 (120) 의 nodeA 의 전압은, 용량 (130) 의 커플링에 의해 전원 전압 VDD 에 추종하여 상승한다. nodeA 의 전압이 상승하여 콤퍼레이터 (136) 의 오프셋 전압 Vos 보다 높아지면, 콤퍼레이터 (136) 의 출력은 Hi 가 된다. 또, 콤퍼레이터 (133) 의 출력은, Hi 를 유지하고 있다. 즉, AND (137) 의 출력 nodeB 는 Hi 가 된다. 따라서, 방전 제어 회로 (121a) 의 스위치 (135) 가 온이 되므로, 위상 보상 용량 Cc 의 전하를 방전하여, 전압 VERR 을 하강시킨다.
시각 T2 에 있어서, 전압 VERR 이 기준 전압 VREF2 보다 낮은 전압이 되면, 콤퍼레이터 (133) 의 출력이 Lo 가 된다. AND (137) 의 출력 nodeB 는 Lo 가 되어, 위상 보상 용량 Cc 의 방전을 정지한다. 즉, 오차 증폭기 (110) 는, 입력되는 분압 전압 VFB 에 따른 전압 VERR 을 출력한다.
시각 T3 에 있어서, 전압 VERR 이 램프파 VRAMP 와 교차하고, PWM 콤퍼레이터 (113) 의 출력 PWM 은 사각형파가 되어, DC-DC 컨버터의 스위칭 동작이 개시된다. 출력 전압 VOUT 는, 전원 전압 VDD 의 상승 중에 전압 VERR 이 정상값에 가까운 값이 되고 있기 때문에, 비교적 완만하게 정상적인 출력 전압 VOUT 의 값에 가까워진다. 따라서, 전원 전압 VDD 가 정상값으로 복귀해도, 출력 전압 VOUT 에 오버슈트는 발생하지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 DC-DC 컨버터에 의하면, 전원 전압 VDD 가 DC-DC 컨버터의 원하는 출력 전압보다 낮은 전압으로부터, 즉 PWM 콤퍼레이터 (113) 가 100 ％ DUTY 상태로 되어 있는 상태로부터, 정상적인 전압으로 복귀했을 때라 하더라도, 출력 전압 VOUT 의 오버슈트를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전압 모드의 DC-DC 컨버터의 회로를 사용하여 설명하였지만, 전류 모드의 DC-DC 컨버터라 하더라도 적용할 수 있으며, 동일한 효과가 얻어진다. 전류 모드의 경우에는, 도 3 의 동작 설명의 도면에 있어서, 삼각파로 설명한 램프파 VRAMP 는, 출력 트랜지스터 (116) 의 전류를 귀환한 전압이다.
110 : 오차 증폭기
111, 132 : 기준 전압 회로
112 : 분압 회로
113 : PWM 콤퍼레이터
114 : 램프파 발생 회로
115 : 출력 버퍼
116 : 출력 트랜지스터
117 : 위상 보상 회로
118 : 100 ％ DUTY 검출 회로
120 : 전원 전압 상승 검출 회로
121, 121a : 방전 제어 회로
133, 136 : 콤퍼레이터
202 : 전류원

Claims (5)

  1. 출력 트랜지스터가 출력하는 전압을 분압한 분압 전압과 기준 전압의 차를 증폭하여 전압 VERR 을 출력하는 오차 증폭기와,
    램프파를 발생시키는 램프파 발생 회로와,
    상기 전압 VERR 과 상기 램프파를 비교하여, 신호 PWM 을 출력하는 PWM 콤퍼레이터와,
    상기 신호 PWM 이 100 ％ DUTY 가 된 것을 검출하여, 100 ％ DUTY 검출 신호를 출력하는 100 ％ DUTY 검출 회로와,
    상기 오차 증폭기의 출력 단자에 형성된 위상 보상 용량 및 위상 보상 저항과,
    전원 전압의 상승을 검출하는 전원 전압 상승 검출 회로와,
    상기 전원 전압 상승 검출 회로의 출력 신호를 받아 상기 위상 보상 용량의 전하를 방전하는 방전 제어 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 제어 회로는,
    상기 전압 VERR 이 소정의 전압보다 높을 때에 상기 100 ％ DUTY 검출 신호가 입력되면 방전 제어 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전원 전압 상승 검출 회로는,
    일단이 전원 단자와 접속된 용량과,
    일단이 상기 용량의 타단과 접속되고, 타단이 접지 단자와 접속되며, 상기 방전 제어 신호에 의해 제어되는 스위치를 구비하고,
    상기 스위치와 상기 용량의 접속점을 출력 단자로 하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 전압 상승 검출 회로는,
    일단이 전원 단자와 접속된 용량과,
    일단이 상기 용량의 타단과 접속되고, 타단이 접지 단자와 접속되며, 상기 100 ％ DUTY 검출 신호에 의해 제어되는 스위치를 구비하고,
    상기 스위치와 상기 용량의 접속점을 출력 단자로 하는 것을 특징으로 하는 DC-DC 컨버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 방전 제어 회로는,
    상기 전압 VERR 이 소정의 전압보다 높을 때에 상기 전원 전압 상승 검출 회로로부터 검출 신호가 입력되면 상기 위상 보상 용량의 전하를 방전하는 것을 특징 하는 DC-DC 컨버터.
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