KR20170093722A - 스위칭 레귤레이터 - Google Patents

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Abstract

효율을 희생하지 않고 소비 전류가 적은 스위칭 레귤레이터를 제공한다.
타이머 회로를 구비하고, 경부하 모드의 경우에 타이머 회로에 의해 비교기의 동작 전류를 삭감하는 구성으로 했다.

Description

스위칭 레귤레이터{SWITCHING REGULATOR}
본 발명은 스위칭 레귤레이터에 관한 것이며, 특히 경부하 시에 있어서 소비 전류를 삭감하는 기술에 관한 것이다.
전자 기기는, 저소비 전력이 요구된다. 특히, 스마트폰, 휴대 기기, 웨어러블 기기 등은 배터리 구동 때문에, 저소비 전력이 보다 한층 강하게 요구된다. 스위칭 레귤레이터는, 다양한 전자 기기의 전압 공급원으로서 이용되고 있다. 스위칭 레귤레이터는, 출력 단자로부터 부하에 공급하는 전류가 저전류에서 대전류까지 폭넓게 변화해도, 효율을 높게 유지하도록 요구된다.
도 6은, 종래의 스위칭 레귤레이터의 회로도이다. 종래의 스위칭 레귤레이터(600)는, 피드백 저항(7 및 8)과, 기준 전압 회로(6)와, 비교기(60)와, R-S 플립플롭 회로(62)와, 온 시간 제어 회로(61)와, 출력 제어 회로(63)와, 드라이버 회로(64)와, 파워 FET(2)와, 인덕터(3)와, 쇼트키 다이오드(4)와, 콘덴서(5)로 구성되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
출력 단자(OUT)로부터 부하 전류가 연속으로 흐르는 중부하 모드의 경우, 파워 FET(2)와 쇼트키 다이오드(4)는, 출력 전압(VOUT)과 전원 전압(VIN)의 비에 합치하도록, 교호로 온과 오프를 반복한다. 이 중부하 모드에서는, 파워 FET(2)와 쇼트키 다이오드(4)가 스위칭 레귤레이터(600) 중에서 주로 전력을 소비하는 부분이 된다.
따라서, 스위칭 레귤레이터(600)는, 파워 FET(2)의 온 저항을 작게 하고, 쇼트키 다이오드(4)의 포워드 전압(Vf)을 작게 함으로써, 저소비 전력 및 고효율을 실현할 수 있다.
미국 특허 제8476887호 명세서
그러나, 출력 단자(OUT)로부터 부하 전류가 불연속으로 흐르는 경부하 모드의 경우, 비교기(60)의 전력 소비가 주된 전력 손실이 된다.
비교기(60)는, 통상 수 uA오더에서 수십 uA오더의 전류를 소비하는 것이 일반적이다. 따라서, 출력 단자(OUT)로부터 흐르는 부하 전류가 1uA 이하나 수 uA의 경부하 모드의 경우에 효율을 높게 유지하는 것이 곤란했다.
또, 비교기(60)의 소비 전류를 작게 한 경우, 지연이 커지므로, 출력 전압(VOUT)의 리플 전압이 커진다는 과제가 있다.
종래의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 스위칭 레귤레이터는 이하와 같이 구성된다.
기준 전압과 피드백 전압을 비교하는 비교기와,
파워 FET의 온 시간을 제어하는 온 시간 제어 회로와,
상기 비교기의 신호와 상기 온 시간 제어 회로의 신호에 따라, 상기 파워 FET를 제어하는 신호를 출력하는 R-S 플립플롭 회로와,
상기 파워 FET를 제어하는 신호를 받아, 소정의 시간을 카운트하는 타이머 회로를 구비하고,
상기 타이머 회로는, 상기 파워 FET가 온 했을 때에 카운트를 개시하고, 상기 소정의 시간 경과 후에 카운트 업 신호를 출력하고,
상기 비교기는, 상기 카운트 업 신호를 받아 동작 전류를 저소비 전류 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
본 발명의 스위칭 레귤레이터에 의하면, 타이머 회로를 구비하고, 경부하 모드의 경우에 타이머 회로에 의해 비교기의 동작 전류를 삭감하도록 했으므로, 효율을 희생하지 않고 소비 전류를 삭감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 4는 본 발명의 스위칭 레귤레이터의 경부하 모드 시의 노드(SW)의 전압과 타이머 회로의 출력 신호를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 5는 본 발명의 스위칭 레귤레이터의 중부하 모드 시의 노드(SW)의 전압과 타이머 회로의 출력 신호를 나타내는 타이밍 차트이다.
도 6은 종래의 스위칭 레귤레이터의 회로도의 일례이다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 일례를 나타내는 회로도이다.
본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)는, 파워 FET(2), 인덕터(3)와, 쇼트키 다이오드(4)와, 콘덴서(5)와, 기준 전압 회로(6)와, 피드백 저항(7 및 8)과, 비교기(10)와, 온 시간 제어 회로(11)와, R-S 플립플롭 회로(12)와, 출력 제어 회로(13)와, 드라이버 회로(14)와, 타이머 회로(15)를 구비하고 있다.
피드백 저항(7 및 8)은, 출력 단자(OUT)와 GND 단자 사이에 접속되어 있다. 비교기(10)는, 입력 단자가 피드백 저항(7 및 8)의 출력 단자와 기준 전압 회로(6)에 접속되어 있다. R-S 플립플롭 회로(12)는, 세트 단자(S)에 비교기(10)의 출력 전압이 입력되고, 리세트 단자(R)에 온 시간 제어 회로(11)의 출력 단자가 접속되며, 출력 단자(Q)가 온 시간 제어 회로(11)의 입력 단자와 출력 제어 회로(13)의 입력 단자에 접속되어 있다. 드라이버 회로(14)는, 입력 단자에 출력 제어 회로(13)의 출력 단자가 접속되며, 출력 단자가 파워 FET(2)의 게이트에 접속되어 있다. 파워 FET(2)는, 소스가 입력 단자(IN)에 접속되고, 드레인이 인덕터(3)의 한쪽의 단자와 쇼트키 다이오드(4)의 캐소드에 접속되어 있다. 출력 단자(OUT)는, 인덕터(3)의 다른 쪽의 단자와 콘덴서(5)의 한쪽의 단자에 접속되어 있다. 쇼트키 다이오드(4)의 다른 쪽의 단자는, GND 단자에 접속되어 있다. 콘덴서(5)의 다른 쪽의 단자는, GND 단자에 접속되어 있다.
다음에, 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)의 동작에 대해서 설명한다.
입력 단자(IN)에 전압이 입력되면, 스위칭 레귤레이터(100)는, 출력 단자(OUT)로부터 출력 전압(VOUT)을 출력한다. 피드백 저항(7 및 8)은, 출력 전압(VOUT)을 분압하여, 피드백 전압(VFB)을 출력한다. 기준 전압 회로(6)는, 기준 전압(VREF)을 출력한다. 비교기(10)는, 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)의 전압을 비교한 신호를 출력한다. 온 시간 제어 회로(11)는, R-S 플립플롭 회로(12)의 출력 신호로부터 파워 FET(2)가 온 하고 있는 시간을 결정하는 신호를 출력한다. R-S 플립플롭 회로(12) 및 출력 제어 회로(13)는, 비교기(10)의 출력 신호와 온 시간 제어 회로(11)의 출력 신호로부터 하이사이드의 파워 FET(2)의 드라이브 신호를 생성하고, 드라이버 회로(14)를 통하여 파워 FET(2)의 게이트에 출력한다.
출력 전압(VOUT)이 내려가, 피드백 전압(VFB)이 기준 전압(VREF)을 밑돌면, 비교기(10)는 R-S 플립플롭 회로(12)의 세트 단자(S)에 세트 신호를 출력한다. R-S 플립플롭 회로(12)는, 출력 단자(Q)에 하이 레벨의 신호를 출력한다. 출력 제어 회로(13)는, 로우 레벨의 신호를 출력하고, 드라이버 회로(14)를 통하여 파워 FET(2)의 게이트를 제어하여 온 시킨다. 온 시간 제어 회로(11)는, R-S 플립플롭 회로(12)의 출력 단자(Q)의 하이 레벨의 신호를 받아, 소정의 시간 후에 R-S 플립플롭 회로(12)의 리세트 단자(R)에 하이 레벨의 리세트 신호를 출력한다. R-S 플립플롭 회로(12)는, 출력 단자(Q)에 로우 레벨의 신호를 출력한다. 출력 제어 회로(13)는, 하이 레벨의 신호를 출력하고, 드라이버 회로(14)를 통하여 파워 FET(2)의 게이트를 제어하여 오프 시킨다.
스위칭 레귤레이터(100)는, 이 동작을 반복하여, 출력 단자(OUT)로부터 원하는 출력 전압(VOUT)을 출력한다.
타이머 회로(15)는, 파워 FET(2)가 온 하는 출력 제어 회로(13)의 로우 레벨의 신호를 받아, 카운트를 개시한다. 그리고, 타이머 회로(15)는, 소정 시간 경과 후에 카운트 업하면, 비교기(10)에 신호를 출력한다. 비교기(10)는, 타이머 회로(15)의 신호를 받으면, 저소비 전류 동작으로 이행한다. 타이머 회로(15)는, 소정 시간 경과 전에 출력 제어 회로(13)의 로우 레벨의 신호를 받으면, 카운터는 리세트되어, 재차 카운트를 개시한다. 따라서, 비교기(10)는, 저소비 전류 동작으로 이행하지 않고, 통상 전류 동작을 계속한다.
본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)는, 상술한 바와 같이 동작하는 타이머 회로(15)를 구비했으므로, 중부하 등 통상의 동작에서는, 비교기(10)는 고속 동작 상태인 통상 전류로 동작하고, 경부하의 동작이 되면, 비교기(10)는 저소비 전류로 동작한다. 따라서, 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)는, 효율을 희생하지 않고 소비 전류를 삭감할 수 있다.
또한, 타이머 회로(15)는, 파워 FET(2)가 온 하는 타이밍에서 카운트를 개시하면 되며, 입력되는 신호는 출력 제어 회로(13)의 신호에 한정되는 것은 아니다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 1에 있어서는, 비교기(10)는, 타이머 회로(15)의 출력하는 신호에 의해, 통상 전류와 저소비 전류의 동작을 전환하는 구성으로 했다. 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(200)는, 비교기(10) 대신에, 통상 전류로 동작하는 비교기(20)와, 저소비 전류로 동작하는 비교기(21)와, 스위치 회로(22)를 구비하고 있다.
비교기(20)는, 타이머 회로(15)가 카운트 업하지 않는, 스위칭 레귤레이터(200)가 중부하 등 통상의 동작 시에 동작한다. 이 때, 비교기(21)는 동작을 정지하고, 스위치 회로(22)는 비교기(20)의 출력 단자와 R-S 플립플롭 회로(12)의 세트 단자(S)를 접속한다.
타이머 회로(15)가 소정 시간 경과 후에 카운트 업 신호를 출력하면, 비교기(20)의 동작을 정지하고, 비교기(21)의 동작을 개시하며, 스위치 회로(22)는 비교기(21)의 출력 단자와 R-S 플립플롭 회로(12)의 세트 단자(S)를 접속한다.
이와 같이 구성한 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(200)는, 스위칭 레귤레이터(100)와 마찬가지로, 효율을 희생하지 않고 소비 전류를 삭감할 수 있다.
또한, 스위칭 레귤레이터(200)는, 통상 전류로 동작하는 비교기(20)와 저소비 전류로 동작하는 비교기(21)를 따로 따로 구비했으므로, 통상 전류와 저소비 전류의 차를 크게 해도, 비교기의 설계가 용이해진다는 효과가 있다.
또한, 이상의 설명에서, 통상의 동작으로 비교기(21)는 동작을 정지하는 것으로 했지만, 비교기(21)는 항상 동작하도록 해도 된다. 이와 같이 하면, 비교기(21)를 동작시키기 위한 시간이 불필요해지므로, 통상 동작에서 저소비 전류 동작으로 빠르게 전환하는 것이 가능해진다. 또, 통상의 동작에서는, 비교기(21)의 소비 전류는 매우 작기 때문에, 회로 전체의 소비 전류에 영향을 미치지 않는다.
따라서, 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(200)는, 효율을 희생하지 않고 소비 전류를 삭감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 타이머 회로(15)는, 동기 정류형 스위칭 레귤레이터에 적용해도, 동일한 효과를 나타낸다.
도 3은, 본 발명의 제2 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 일례를 나타내는 회로도이다.
본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(300)는, 동기 정류형이다.
스위칭 레귤레이터(300)는, 새롭게, 출력 제어 회로(33)와, 드라이버 회로(34)와, 로우사이드의 파워 FET(32)와, 역류 전류 검출 회로(30)를 구비하고 있다. 역류 전류 검출 회로(30)는, 노드(SW)의 전압을 감시하여, 경부하 시에 인덕턴스(3)를 흐르는 전류가 중부하 시와 반대의 방향의 전류가 되는 것을 검지하고, 검출 신호를 출력 제어 회로(33)에 출력한다. 역류 전류 검출 회로(30)는, 또한, 타이머 회로(15)의 카운트 업 신호가 입력되어, 동작 전류가 제어된다.
스위칭 레귤레이터(300)의 동작은, 일반적인 동기 정류형의 스위칭 레귤레이터와 동일하므로 생략한다.
출력 제어 회로(33)가 출력하는 신호에 의해 타이머 회로(15)가 카운트 동작을 개시하면, 역류 전류 검출 회로(30)는, 그 신호를 받아 동작 전류를 통상의 동작 전류로 하고, 역류 검출 동작을 행한다. 그리고, 타이머 회로(15)가 카운트 업 신호를 출력하면, 그 때는 역류 검출 동작이 불필요해지므로, 동작 전류를 작게 하거나, 혹은 제로로 한다.
이와 같이 구성한 역류 전류 검출 회로(30)를 구비했으므로, 스위칭 레귤레이터(300)는, 소비 전류를 더 삭감하는 것이 가능하다.
도 4는, 경부하 모드 시의 노드(SW)의 전압과 타이머 회로의 출력 신호를 나타내는 타이밍 차트이다.
타이머 회로(15)는, 파워 FET(2)가 온 하는 타이밍(T1)에서 카운트를 개시하고, 소정의 시간(T2-T1)에서 카운트 업하며, 출력은 로우 레벨이 된다.
도 5에, 중부하 모드 시의 노드(SW)의 전압과 타이머 회로의 출력 신호를 나타내는 타이밍 차트이다.
타이머 회로(15)는, 파워 FET(2)가 온 하는 타이밍(T1)에서 카운트를 개시하고, 소정의 시간(T2-T1)에서 카운트 업하기 전에, 리세트되므로, 카운트 업하지 않으며, 출력은 하이 레벨을 유지한다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 발명의 스위칭 레귤레이터에 의하면, 타이머 회로를 구비하고, 경부하 모드의 경우에 타이머 회로에 의해 비교기의 동작 전류를 삭감하도록 했으므로, 효율을 희생하지 않고 소비 전류를 삭감할 수 있다.
10, 20, 21 비교기 11 온 시간 제어 회로
12 R-S 플립플롭 회로 13, 33 출력 제어 회로
15 타이머 회로 30 역류 전류 검출 회로

Claims (3)

  1. 기준 전압과 피드백 전압을 비교하는 비교기와,
    파워 FET의 온 시간을 제어하는 온 시간 제어 회로와,
    상기 비교기의 신호와 상기 온 시간 제어 회로의 신호에 따라, 상기 파워 FET를 제어하는 신호를 출력하는 R-S 플립플롭 회로와,
    상기 파워 FET를 제어하는 신호를 받아, 소정의 시간을 카운트하는 타이머 회로를 구비하고,
    상기 타이머 회로는, 상기 파워 FET가 온 했을 때에 카운트를 개시하고, 상기 소정의 시간 경과 후에 카운트업 신호를 출력하고,
    상기 비교기는, 상기 카운트업 신호를 받아 동작 전류를 저소비 전류 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비교기는,
    통상의 동작 전류로 구동되는 제1 비교기와,
    통상의 동작 전류보다 작은 동작 전류로 구동되는 제2 비교기와,
    상기 제1 비교기의 출력 단자와 상기 제2 비교기의 출력 단자를 전환하여 상기 R-S 플립플롭 회로의 입력 단자에 접속하는 스위치 회로를 구비하고,
    상기 카운트업 신호를 받아, 상기 제1 비교기는 동작 전류의 공급이 정지되고, 상기 스위치 회로는 상기 제2 비교기의 출력 단자를 상기 R-S 플립플롭 회로의 입력 단자에 접속하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는, 역류 전류 검출 회로를 구비한 동기 정류형이며,
    상기 역류 전류 검출 회로는, 상기 카운트업 신호를 받아 동작 전류의 공급이 정지되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
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