KR20170123274A - Dcdc 컨버터 - Google Patents

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KR20170123274A
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KR1020170054467A
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아키히로 가와노
가츠야 고토
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에스아이아이 세미컨덕터 가부시키가이샤
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Abstract

[과제]저소비 전력이면서, 높은 안전성을 갖는 DCDC 컨버터를 제공한다.
[해결 수단]에러 앰프의 출력 전압을 감시하고, 에러 앰프의 출력 전압이 일정치 이하가 된 것을 검출하여, 과열 보호 회로와 전원 전압 감시 회로를 간헐 구동하는 구성으로 했다.

Description

DCDC 컨버터{DC-DC CONVERTER}
본 발명은, DCDC 컨버터에 관한 것이며, 특히 경부하시에 있어서 소비 전류를 삭감하는 기술에 관한 것이다.
근래, 전지를 탑재하는 전자기기에 있어서는, 저소비 전력화가 진행되고 있다. 특히 스마트폰, 휴대 기기, 웨어러블 기기 등에 있어서는, 구동 시간을 보다 길게 하기 위해, 전자기기의 저소비 전력화는, 보다 한층 강하게 요구되도록 되어 있다. 그 때문에 그 전자기기에 내장되는 반도체 집적 회로에 있어서도 소비 전력의 삭감 요구가 현저하다.
한편, 휴대 기기 등의 사람이 직접 취급하는 전자기기는, 폭발이나 감전 등 인체에 악영향을 미치지 않는 안전성이 특별히 요구된다.
예를 들면, 전지 구동의 전자기기에 내장되고, 전지 전압으로 동작하는 DCDC 컨버터는, 반도체 집적회로 내의 칩 온도가 상승하고 소정 온도 이상의 온도에 이른 경우에 동작을 멈추는 과열 보호 회로나, 전지 전압이 현저하게 저하한 경우에 내부 회로의 오동작을 막기 위한 전원 전압 감시 회로 등을 구비하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
일본국 특허공개2005-328589호 공보
그러나, DCDC 컨버터에 보호 회로나 감시 회로를 추가하면, 그 회로를 동작시키기 위한 전력이 필요하게 되고, 전자기기에 요구되는 저소비 전력화가 저해된다. 따라서, 종래의 DCDC 컨버터는, 안전성을 확보하면서, 전력 효율을 향상시키는 것이 곤란하는 과제가 있었다.
본 발명은, 이상과 같은 과제를 해결하기 위해서 고안된 것이며, 저소비 전력이면서, 높은 안전성을 갖는 DCDC 컨버터를 제공한다.
종래의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 DCDC 컨버터는 이하와 같은 구성으로 했다.
입력 단자에 입력되는 전원 전압으로부터 스위칭 소자에 의해 출력 단자에 원하는 출력 전압을 출력하는 DCDC 컨버터로서, 출력 전압을 감시하는 에러 앰프와, 에러 앰프의 출력 신호에 기초하여 스위칭 소자의 게이트에 제어 신호를 출력하는 출력 제어 회로와, 이상 상태를 검출하면 출력 제어 회로에 신호를 출력하고, 스위칭 소자를 오프시키는 보호 회로를 구비하고, 보호 회로는, 에러 앰프의 출력 신호에 기초한 신호에 따라 소정의 기간만 동작하는 간헐 동작을 행하는 구성으로 했다.
본 발명의 DCDC 컨버터는, 소정의 기간만 보호 회로를 간헐적으로 동작하는 구성으로 했기 때문에, 특히 경부하시의 소비 전류를 삭감할 수 있고, 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태의 DCDC 컨버터의 일례를 나타낸 회로도이다.
도 2는, 본 실시 형태의 DCDC 컨버터의 콤퍼레이터(20)의 동작을 나타낸 타이밍 차트이다.
(a) 중부하시의 동작
(b) 경부하시의 동작
도 3은, 본 실시 형태의 DCDC 컨버터의 과열 보호 회로의 일례를 나타낸 회로도이다.
도 4는, 본 실시 형태의 DCDC 컨버터의 전원 전압 감시 회로의 일례를 나타낸 회로도이다.
도 1은, 본 실시 형태의 DCDC 컨버터의 일례를 나타낸 회로도이다. DCDC 컨버터(100)는, 입력 단자(1)에 입력된 전원 전압(Vin)을 정전압으로 변환하고, 출력 단자(7)에 출력 전압(Vout)으로서 출력하는 동기 정류형 DCDC 컨버터이다.
본 실시 형태의 DCDC 컨버터(100)는, 제1 스위칭 소자인 PMOS 트랜지스터(3)와, 제2 스위칭 소자인 NMOS 트랜지스터(4)와, 인덕터(5)와, 출력 콘덴서(6)와, 에러 앰프(10)와, 발진 회로(11)와, 기준 전압 회로(12 및 21)와, 콤퍼레이터(13 및 20)와, 출력 제어 회로(14)와, 버퍼 회로(15 및 16)와, 분압 저항(17 및 18)과, 과열 보호 회로(22)와, 전원 전압 감시 회로(23)를 구비한다.
분압 저항(17 및 18)은, 출력 전압(Vout)에 따른 피드백 전압(Vfb)을 출력한다. 기준 전압 회로(12)는, 기준 전압(Vref1)을 출력한다. 에러 앰프(10)는, 피드백 전압(Vfb)을 기준 전압(Vref1)과 비교하고, 피드백 전압(Vfb)과 기준 전압(Vref1)의 차를 증폭한 전압(Verr)을 콤퍼레이터(13 및 20)에 출력한다. 발진 회로(11)는 일정 주기의 삼각파 신호를 출력한다. 콤퍼레이터(13)는, 발진 회로(11)의 삼각파 신호와 에러 앰프(10)의 전압(Verr)을 비교하고, 비교 결과의 신호를 출력한다. 출력 제어 회로(14)는, 콤퍼레이터(13)의 출력 신호를 받고, 버퍼 회로(15 및 16)에 제어 신호를 출력한다. 버퍼 회로(15)는 PMOS 트랜지스터(3)를 제어하고, 또 버퍼 회로(16)는 NMOS 트랜지스터(4)를 제어한다.
기준 전압 회로(21)는, 기준 전압(Vref2)을 출력한다. 콤퍼레이터(20)는, 에러 앰프(10)의 전압(Verr)을 기준 전압(Vref2)과 비교하여 제어 신호(Vcont)를 출력한다. 그리고, 에러 앰프(10)의 전압(Verr)이 기준 전압(Vref2)을 넘으면, 과열 보호 회로(22) 및 전원 전압 감시 회로(23)에 정지하도록 제어 신호(Vcont)를 출력한다.
과열 보호 회로(22)는, DCDC 컨버터의 온도를 감시하고, DCDC 컨버터가 발열하고, 과열 상태라고 판정되면 출력 제어 회로(14)에 신호를 출력한다. 과열 보호 회로(22)의 신호를 받은 출력 제어 회로(14)는, 버퍼 회로(15)를 통해 PMOS 트랜지스터(3)를 오프시킴으로써, DCDC 컨버터를 발열에 의한 파괴로부터 보호한다.
전원 전압 감시 회로(23)는, 전원 전압을 감시하고, 전원 전압이 소정의 전압보다 저하했다고 판정하면, 출력 제어 회로(14)에 신호를 출력한다. 출력 제어 회로(14)는, 전원 전압 감시 회로(23)로부터 신호를 받으면, 버퍼 회로(15)를 통해 PMOS 트랜지스터(3)를 오프한다. 전원 전압 감시 회로(23)는, 이와 같이 하여, 의도하지 않는 스위칭 동작에 의한 DCDC 컨버터의 파괴를 막는다.
다음에, 도 2의 타이밍 차트를 바탕으로, 콤퍼레이터(20)의 동작을 설명한다. 도 2(a)는 출력 단자(7)에 접속되는 부하가 무거운 중부하의 경우, 도 2(b)는 출력 단자(7)에 접속되는 부하가 가벼운 경부하의 경우를 나타내고 있다.
중부하 때는, 출력 단자(7)로부터 출력하는 전류가 증가하기 때문에, 출력 전압(Vout)이 저하, 즉, 피드백 전압(Vfb)이 저하한다. 따라서, 에러 앰프(10)의 전압(Verr)은 높아지고, 콤퍼레이터(13)의 출력은 H 기간이 긴 발진 신호가 된다. 따라서, 출력 제어 회로(14)는, L 기간이 긴 신호를 PMOS 트랜지스터(3)의 게이트에, H 기간이 긴 신호를 NMOS 트랜지스터(4)의 게이트에 출력한다.
이때 도 2(a)와 같이, 에러 앰프(10)의 전압(Verr)은, 기준 전압 회로(21)의 기준 전압(Vref2)을 항상 웃돌기 때문에, 콤퍼레이터(20)는 항상 H의 제어 신호(Vcont)를 출력한다. 이 H 신호를 받고, 과열 보호 회로(22)와 전원 전압 감시 회로(23)는 온도 및 전원 전압을 항상 감시한다.
부하가 가벼울 때는, 출력 전압(Vout)이 상승, 즉, 에러 앰프(10)의 전압(Verr)이 저하하고, 콤퍼레이터(13)의 출력은 L 기간이 긴 발진 신호가 된다. 따라서, 출력 제어 회로(14)는, H 기간이 긴 신호를 PMOS 트랜지스터(3)의 게이트에, L 기간이 긴 신호를 NMOS 트랜지스터(4)의 게이트에 출력한다.
이때, 도 2(b)와 같이, 에러 앰프(10)의 전압(Verr)은, 기준 전압 회로(21)의 기준 전압(Vref2)과 동일한 정도로까지 저하되어 있으므로, 그 대소에 따라 콤퍼레이터(20)의 제어 신호(Vcont)는 H 레벨과 L 레벨로 변화한다. 이 제어 신호(Vcont)를 받고, 과열 보호 회로(22)와 전원 전압 감시 회로(23)는 온도 및 전원 전압을 간헐적으로 감시한다.
이상 설명한 바와 같이, 콤퍼레이터(20)는, 과열 보호 회로(22) 및 전원 전압 감시 회로(23)의 동작을 간헐적으로 제어하기 때문에, 과열 보호 회로(22) 및 전원 전압 감시 회로(23)의 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
특히, 과열 보호 회로(22)에 있어서는, 경부하시에는, NMOS 트랜지스터(4)에 흐르는 전류에 의한 온도 상승에 의해 소자가 파괴하는 위험성은 없기 때문에, 과열 보호 회로(22)는 정지 상태에 있어도 된다.
과열 보호 회로(22)와 전원 전압 감시 회로(23)는 일단, 과열 상태 혹은 전원 저하 상태라고 판단하면, 과열 상태 혹은 전원 저하 상태는 아니라고 판단할 때까지 검출 동작을 계속한다. 이 동작에 의해, 과열 보호 회로(22)와 전원 전압 감시 회로(23)는, 경부하시에 간헐 동작을 하고 있어도 DCDC 컨버터를 확실히 보호할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 과열 보호 회로의 일례를 나타낸 회로도이다. 과열 보호 회로(22)는, 감온 소자(31)와, 기준 전압 회로(32)와, 감온 소자(31)의 전압과 기준 전압 회로(32)의 출력 전압을 비교함으로써 온도 검출을 행하는 콤퍼레이터(33)와, 감온 소자(31)에 전류를 공급하는 바이어스 회로(34)와, 콤퍼레이터(33)에 전류를 공급하는 바이어스 회로(35)와, 바이어스 회로(34)로부터 감온 소자(31)에의 전류 공급을 제어하는 스위치(36)와, 바이어스 회로(35)로부터 콤퍼레이터(33)에의 전류 공급을 제어하는 스위치(37)를 구비한다. 스위치(36)는, 감온 소자(31)와 바이어스 회로(34)의 사이에 설치된다. 스위치(37)는, 콤퍼레이터(33)와 바이어스 회로(35)의 사이에 설치된다.
콤퍼레이터(20)의 H 신호가 IN 단자에 입력되면, 스위치(36)와 스위치(37)는 온이 되고, 감온 소자(31) 및 콤퍼레이터(33)에 전류가 공급된다. 전류가 공급되고, 감온 소자(31)의 전압 및 콤퍼레이터(33)가 비교 가능한 상태로 안정된 후에, 콤퍼레이터(33)가 기준 전압 회로(32)의 출력 전압과 감온 소자(31)의 전압을 비교함으로써 온도 판정을 행한다. 과열 상태라고 판정되는 경우에는, 바이어스 회로(34, 35)는 감온 소자(31)와 콤퍼레이터(33)에 전류 공급을 계속하고, 온도 검출을 계속한다. 과열 상태가 아니라고 판정되는 경우에는, IN 단자에 입력되는 신호에 따라, L 신호가 되면 스위치(36) 및 스위치(37)가 오프로 되고, 감온 소자(31)와 콤퍼레이터(33)에의 전류 공급이 정지한다.
도 4는, 본 발명의 전원 전압 감시 회로의 일례를 나타낸 회로도이다. 전원 전압 감시 회로(23)는, 분압 저항(41, 42)과, 기준 전압 회로(43)와, 출력 신호를 래치하는 콤퍼레이터(44)와, 바이어스 회로(45)를 구비한다. 또 전원 전압 감시 회로(23)는 바이어스 회로(45)로부터 콤퍼레이터(44)에의 전류 공급을 제어하는 스위치(46)와, 분압 저항(41, 42)에 흐르는 전류를 차단하는 스위치(47)를 구비한다.
스위치(46, 47)가 오프된 상태에서는, 분압 저항(41, 42)으로 이루어지는 분압 저항 회로의 분압 전압은 전원 전압(Vin)에 풀업된다.
콤퍼레이터(20)가 출력하는 H 신호가 IN 단자에 입력되면, 스위치(46)와 스위치(47)는 온이 되어, 분압 저항(41, 42) 및 콤퍼레이터(44)에 전류가 공급된다. 콤퍼레이터(44)는, 분압 전압과 기준 전압 회로(43)의 기준 전압을 비교함으로써 전원 전압(Vin)을 감시한다. 분압 전압이 기준 전압치 이하의 저전압인 경우에는, 콤퍼레이터(44)는 L 신호를 OUT 단자로부터 출력한다. 그리고 저전압이 아니라고 판정될 때까지, 전원 감시를 계속한다. 분압 전압이 기준 전압치 이상이 되면, 콤퍼레이터(44)는 H 신호를 OUT 단자로부터 출력한다. 그때, 스위치(46, 47)가, 콤퍼레이터(20)로부터 IN 단자에 입력되는 신호를 바탕으로, 온·오프 동작을 행한다. 콤퍼레이터(44)는, 스위치(46)가 오프일 때에는, 온일 때의 신호를 래치함으로써 간헐 신호를 OUT 단자로부터 출력한다. 전원 전압(Vin)이 저전압인지 그렇지 않은지를 판단하기 위한 전원 전압 감시 회로(23)에 있어서의 전압은, 기준 전압 회로(43)의 기준 전압치와, 분압 저항 회로의 분압비로 결정된다.
이상의 설명에 있어서 전원 전압 감시 회로는, 전원 전압(Vin)을 감시하고, DCDC 컨버터의 동작을 정지함으로써 DCDC 컨버터를 보호한다고 했지만, DCDC 컨버터의 회로 내의 제어 회로를 구동하는 내부 전원을 감시하는 감시 회로에 적용하는 것도 가능하다.
또, 출력 전압(Vout)을 감시하고, 과전압 상태인 것을 검출하여, DCDC 컨버터의 동작을 정지하는 OVP(Over Voltage Protection) 회로에 적용하는 것도 가능하다.
또한 출력 전압(Vout)이 저하한 것을 검출하여, DCDC 컨버터의 동작을 정지하는 UVP(Under Voltage Protection) 회로에 적용하는 것도 가능하다.
10: 에러 앰프 11: 발진 회로
12, 21, 32, 43: 기준 전압 회로 13, 20, 33, 44: 콤퍼레이터
14: 출력 제어 회로 22: 과열 보호 회로
23: 전원 전압 감시 회로 31: 감온 소자
34, 35, 45: 바이어스 회로

Claims (5)

  1. 입력 단자에 입력되는 전원 전압으로부터 스위칭 소자에 의해 출력 단자에 원하는 출력 전압을 출력하는 DCDC 컨버터로서,
    상기 출력 전압을 감시하는 에러 앰프와,
    상기 에러 앰프의 출력 신호에 기초하여, 상기 스위칭 소자의 게이트에 제어 신호를 출력하는 출력 제어 회로와,
    이상 상태를 검출하면 상기 출력 제어 회로에 신호를 출력하고, 상기 스위칭 소자를 오프시키는 보호 회로를 구비하고,
    상기 보호 회로는, 상기 에러 앰프의 출력 신호에 기초한 신호에 따라, 소정의 기간만 동작하는 간헐 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 DCDC 컨버터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정의 기간은, 적어도 상기 스위칭 소자가 온되어 있는 기간인 것을 특징으로 하는 DCDC 컨버터.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 에러 앰프의 출력 신호에 기초하여 상기 보호 회로를 간헐 동작시키기 위한 제어 신호를 출력하는 콤퍼레이터를 구비한 것을 특징으로 하는 DCDC 컨버터.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호 회로는, 전원 전압이 소정의 전압 이하가 되면 상기 이상 상태를 검출하는 전원 전압 감시 회로인 것을 특징으로 하는 DCDC 컨버터.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호 회로는, 주위 온도가 소정의 온도 이상이 되면 상기 이상 상태를 검출하는 과열 보호 회로인 것을 특징으로 하는 DCDC 컨버터.
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