KR20190024832A - 스위칭 레귤레이터 - Google Patents

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고스케 다카다
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에이블릭 가부시키가이샤
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Abstract

스위칭 레귤레이터는, 오차 증폭기의 출력 전압이 클램프 전압보다 높을 때 오차 증폭기의 출력 전압을 클램프 전압으로 클램프하는 클램프 회로와, 일단이 오차 증폭기의 출력 단자에 접속된 정전압 발생 회로와, 일단이 정전압 발생 회로의 타단에 접속되고, 타단이 접지 단자에 접속된 위상 보상 용량을 구비하고, 정전압 발생 회로는, 클램프 회로가 오차 증폭기의 출력 전압을 클램프하고 있을 때 위상 보상 용량의 일단의 전압을 소정의 전압분 저하시키고, 오차 증폭기의 출력 전압의 클램프 상태가 해제되면 오차 증폭기의 출력 단자의 전압을 클램프 전압으로부터 소정의 전압분 저하시킨다.

Description

스위칭 레귤레이터{SWITCHING REGULATOR}
본 발명은, 정전압을 출력하는 스위칭 레귤레이터에 관한 것이며, 특히, 출력 전압의 오버 슛의 억제 기능을 구비한 스위칭 레귤레이터에 관한 것이다.
종래의 스위칭 레귤레이터는, 출력 단자에 출력되는 출력 전압에 의거하는 전압과 기준 전압의 차를 증폭하여 출력하는 오차 증폭기와, 전원 전압이 인가되는 전원 단자와 출력 단자 사이에 접속되고, 오차 증폭기의 출력에 의거하여 출력 단자의 출력 전압을 제어하는 출력 트랜지스터와, 오차 증폭기의 출력에 접속된 클램프 회로를 구비하고, 오차 증폭기의 출력 전압이 소정의 전압보다 높을 때, 클램프 회로에 의해, 오차 증폭기의 출력을 당해 소정의 전압으로 클램프하도록 구성되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조). 이러한 구성에 의해, 전원 전압이 스위칭 레귤레이터의 원하는 출력 전압보다 낮은 전압으로부터 정상인 전압으로 급격하게 상승한 경우의 출력 전압의 오버 슛이 저감된다.
일본국 특허공개 2010-81747호 공보
상술의 종래의 스위칭 레귤레이터에서는, 전원 전압이 급격하게 상승한 후, 출력 전압이 원하는 출력 전압을 웃돌면, 오차 증폭기의 출력이 클램프된 전압으로부터 저하되어 간다. 그러나, 오차 증폭기의 출력에는, 일반적으로, 위상 보상 용량이 접속되기 때문에(특허 문헌 1에는 도시되어 있지 않다), 오차 증폭기의 출력이 정상치가 될 때까지, 어느 정도의 시간을 필요로 하게 된다. 따라서, 이 동안, 출력 트랜지스터가 계속 온이 되게 되고, 출력 전압이 제어되지 않는다. 따라서, 오버 슛을 충분히 억제하는 것은 곤란하다.
따라서, 본 발명은, 전원 전압이 스위칭 레귤레이터의 원하는 출력 전압보다 낮은 상태로부터 급격하게 정상인 전압으로 상승한 경우에, 출력 전압이 원하는 출력 전압을 웃돈 후, 빠르게 출력 트랜지스터를 스위칭시킬 수 있고, 출력 전압을 제어함으로써 오버 슛을 억제하는 것이 가능한 스위칭 레귤레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시 형태에 관련된 스위칭 레귤레이터는, 제1의 전원 단자와 출력 단자 사이에 접속된 출력 트랜지스터와, 상기 출력 단자에 출력되는 출력 전압에 의거하는 전압과 기준 전압의 차를 증폭하여 출력하는 오차 증폭기와, 램프파를 발생하는 램프파 발생 회로와, 상기 오차 증폭기의 출력 전압과 상기 램프파를 비교하여, 상기 출력 트랜지스터의 온 오프를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 콤퍼레이터와, 상기 오차 증폭기의 출력 전압이 클램프 전압보다 높을 때, 상기 오차 증폭기의 출력 전압을 상기 클램프 전압으로 클램프하는 클램프 회로와, 상기 클램프 회로가 상기 오차 증폭기의 출력 전압을 클램프하고 있을 때, 제1의 레벨의 검출 신호를 출력하고, 상기 오차 증폭기의 출력 전압을 클램프하고 있지 않을 때, 제2의 레벨의 검출 신호를 출력하는 클램프 검출 회로와, 일단이 상기 오차 증폭기의 출력 단자에 접속된 정전압 발생 회로와, 일단이 상기 정전압 발생 회로의 타단에 접속되고, 타단이 제2의 전원 단자에 접속된 위상 보상 용량을 구비하고, 상기 검출 신호가 상기 제1의 레벨일 때, 상기 위상 보상 용량의 일단의 전압을 소정의 전압분 저하시키고, 상기 검출 신호가 제1의 레벨로부터 제2의 레벨로 전환되면, 상기 오차 증폭기의 출력 단자의 전압을 상기 클램프 전압으로부터 상기 소정의 전압분 저하시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 스위칭 레귤레이터에 의하면, 전원 전압이 스위칭 레귤레이터의 원하는 출력 전압보다 낮은 전압으로부터 정상인 전압으로 급격하게 상승해도, 오차 증폭기의 출력 전압이 클램프 전압보다 높으면, 오차 증폭기의 출력 전압을 클램프 전압으로 클램프하고, 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 원하는 출력 전압을 웃돌면, 오차 증폭기의 출력 전압이 클램프 전압으로부터 소정의 전압분 저하한다. 그 때문에 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 원하는 출력 전압을 웃돈 후, 단시간에 오차 증폭기의 출력 전압이 램프파와 교차하게 된다. 따라서, 출력 트랜지스터가 스위칭하고, 이로 인해, 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 원하는 출력 전압으로 제어되게 되므로, 오버 슛을 억제하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 회로도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 클램프 회로와 클램프 검출 회로의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 제1의 구체예를 나타내는 회로도이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태의 스위칭 레귤레이터의 제2의 구체예를 나타내는 회로도이다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)의 회로도이다.
본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)는, 전원 단자(「제1의 전원 단자」라고도 한다)(101)와, 접지 단자(「제2의 전원 단자」라고도 한다)(102)와, 기준 전압(VREF)을 출력하는 기준 전압 회로(111)와, 출력 단자(103)에 출력되는 출력 전압(VOUT)을 분압하는 분압 회로(112)와, 분압 전압(VFB)과 기준 전압(VREF)을 비교한 결과의 전압(VERR)을 출력하는 오차 증폭기(110)와, 램프파(VRAMP)를 발생하는 램프파 발생 회로(114)와, 전압(VERR)과 램프파(VRAMP)를 비교하고 비교 결과로서 신호(VPWM)를 출력하는 PWM 콤퍼레이터(113)와, 출력 버퍼(115)와, 출력 트랜지스터(116)와, 클램프 회로(117)와, 클램프 검출 회로(118)와, 정전압 발생 회로(119)와, 위상 보상 용량(Cc)을 구비하고 있다. 또한, 전원 단자(101)에는 출력 전압의 발생을 위해서 전원 전압(VDD)이 인가되고, 출력 단자(103)에는 인덕터(L) 및 출력 용량(Co)이 접속된다.
클램프 회로(117)는, 클램프 단자(305)가 오차 증폭기(110)의 출력 단자에 접속되어 있다. 클램프 검출 회로(118)는, 입력에 클램프 회로(117)의 출력을 받고, 출력 단자(404)가 정전압 발생 회로(119)의 제어 단자에 접속되어 있다. 정전압 발생 회로(119)는, 클램프 검출 회로(118)의 출력 단자(404)로부터의 검출 신호(DET)를 받는 제어 단자를 구비하고, 일단이 오차 증폭기(110)의 출력 단자에 접속되어 있다. 위상 보상 용량(Cc)은, 일단이 정전압 발생 회로(119)의 타단에 접속되고, 타단이 접지 단자(102)에 접속되어 있다.
정전압 발생 회로(119)는, 제어 단자의 전압이 로우 레벨일 때, 양단의 전압차가 0V가 되고, 제어 단자의 전압이 하이 레벨일 때, 양단의 전압차가 소정의 전압(Vc)(＞0)이 되도록 구성되어 있다.
도 2는, 클램프 회로(117) 및 클램프 검출 회로(118)의 일례를 나타내는 회로도이다.
클램프 회로(117)는, 기준 전압 회로(301)와, 오차 증폭기(303)와, NMOS 트랜지스터(304)와, 클램프 단자(305)를 구비하고 있다.
클램프 단자(305), 즉 오차 증폭기(110)의 출력 단자의 전압이 기준 전압 회로(301)의 전압(「클램프 전압」이라고도 한다)(VCLP)보다 큰 경우, 오차 증폭기(303)는 NMOS 트랜지스터(304)의 게이트에 하이 레벨을 출력한다. 이로 인해, NMOS 트랜지스터(304)가 온이 되기 때문에, 클램프 단자(305)의 전압이 저하한다. 즉, 오차 증폭기(110)의 출력 단자의 전압이 클램프된다. 이때, 클램프 단자(305)의 전압은, 부귀환의 작용에 의해, 기준 전압 회로(301)의 전압과 동일한 전압, 즉 클램프 전압(VCLP)으로 클램프된다. 이와 같이, 오차 증폭기(110)의 출력 단자의 전압이 클램프 회로(117)에 의해 클램프되어 있는 상태를, 이하, 클램프 상태라고도 한다.
한편, 클램프 단자(305)의 전압이 기준 전압 회로(301)의 전압(VCLP)보다 작은 경우, 오차 증폭기(303)는, NMOS 트랜지스터(304)의 게이트에 로우 레벨을 출력한다. 이로 인해, NMOS 트랜지스터(304)가 오프가 되기 때문에, 클램프 단자(305)는 하이 임피던스가 된다. 즉, 오차 증폭기(110)의 출력 단자의 전압은 클램프 되지 않는다. 이러한 상태를, 이하, 클램프 해제 상태라고도 한다.
클램프 검출 회로(118)는, NMOS 트랜지스터(401)와, 정전류 회로(402)와, 인버터(403)와, 출력 단자(404)를 구비하고 있다. 클램프 검출 회로(118)의 입력은, NMOS 트랜지스터(401)의 게이트에 대한 신호이며, 클램프 회로(117) 내의 오차 증폭기(303)의 출력 단자에 접속되어 있다.
클램프 회로(117)는 클램프 단자(305)를 클램프하기 위해, 클램프 회로(117) 내의 오차 증폭기(303)는 하이 레벨을 출력하므로, NMOS 트랜지스터(401)는 온으로 되어 있다. 따라서, NMOS 트랜지스터(401)의 드레인 전압은 로우 레벨이 되고, 인버터(403)는 하이 레벨을 출력하고, 클램프 검출 회로(118)의 출력 단자(404)에는 하이 레벨이 출력된다. 즉, 클램프 상태에 있어서, 클램프 검출 회로(118)는, 클램프 검출 상태를 나타내는 하이 레벨의 검출 신호(DET)를 출력한다.
한편, 클램프 회로(117)는 클램프 단자(305)를 클램프하지 않기 때문에, 클램프 회로(117) 내의 오차 증폭기(303)는 로우 레벨을 출력하므로, NMOS 트랜지스터(401)는 게이트에 로우 레벨이 입력되고, 오프로 되어 있다. 따라서, NMOS 트랜지스터(401)의 드레인 전압은, 정전류 회로(402)의 전류에 의해 하이 레벨이 되고, 인버터(403)는 로우 레벨을 출력하고, 클램프 검출 회로(118)의 출력 단자(404)에 로우 레벨이 출력된다. 즉, 클램프 해제 상태일 때, 클램프 검출 회로(118)는, 클램프 비검출 상태를 나타내는 로우 레벨의 검출 신호(DET)를 출력한다.
다음에, 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)의 동작에 대해 설명한다.
도 3은, 전원 전압(VDD)이 출력 단자(103)에 출력되어야 할 원하는 출력 전압(V0)보다 낮은 상태로부터 급격하게 정상인 전압으로 상승한 경우에 있어서의 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다.
시각 T1까지는, 전원 전압(VDD)은, 스위칭 레귤레이터의 원하는 출력 전압(V0)보다 낮은 전압으로 되어 있으므로, 분압 전압(VFB)은 기준 전압(VREF)보다 낮은 전압으로 되어 있다. 오차 증폭기(110)의 출력 전압(VERR)이 클램프 전압(VCLP)보다 높은 경우, 오차 증폭기(110)의 출력 전압(VERR)은 클램프 전압(VCLP)으로 클램프된다. 클램프 전압(VCLP)은, 램프파(VRAMP)와 교차하지 않기 때문에, 신호(VPWM)는 하이 레벨을 유지한다. 따라서, 출력 트랜지스터(116)가 온 상태이기 때문에, 출력 전압(VOUT)은 전원 전압(VDD)과 동일하다. 이때, 클램프 상태가 유지되기 때문에, 클램프 검출 회로(118)는, 출력 단자(404)로부터 하이 레벨의 검출 신호(DET)를 출력한다. 이로 인해, 정전압 발생 회로(119)의 양단의 전압은 소정의 전압(Vc)이 되고, 위상 보상 용량(Cc)의 양단의 전압은 클램프 전압(VCLP)과 전압(Vc)의 차분이 된다. 즉, 위상 보상 용량(Cc)의 일단의 전압이 소정의 전압(Vc)분 저하한다.
시각 T1에 있어서, 전원 전압(VDD)이 급격하게 정상인 전압으로 복귀하면, 출력 트랜지스터(116)가 계속해서 온 상태이기 때문에, 출력 전압(VOUT)은 상승해 간다.
시각 T2에 있어서, 출력 전압(VOUT)이 원하는 출력 전압(V0)을 웃돌면, 오차 증폭기(110)는 출력 전압(VERR)을 저하시킨다. 이로 인해, 클램프 상태가 해제되어 클램프 검출 회로(118)는, 검출 신호(DET)를 하이 레벨로부터 로우 레벨로 전환한다. 이 로우 레벨의 검출 신호(DET)가 정전압 발생 회로(119)의 제어 단자에 입력됨으로써, 정전압 발생 회로(119)의 양단 전압이 0V가 되므로, 오차 증폭기(110)의 출력 전압(VERR)은, 소정의 전압(Vc)분만큼 신속히 저하한다.
여기서, 소정의 전압(Vc)은, 전압(Vc)분 저하한 후의 전압(VERR)의 전압값이 램프파(VRAMP)의 최대 전압값보다 낮아지도록, 즉 전압(Vc)분 저하한 후의 전압(VERR)이 램프파와 교차하도록 설정해도 괜찮다. 그러나, 그와 같이 설정한 경우, 회로의 편차 등에 의해 전압(VERR)이 너무 저하하여, 출력 전압(VOUT)이 원하는 출력 전압(V0)을 웃돈 후 바로 원하는 출력 전압(V0)을 크게 밑돌아 버리고, 출력 전압이 불안정해질 가능성이 있다. 이러한 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해, 소정의 전압(Vc)은, 전압(Vc)분 저하한 오차 증폭기의 출력 전압(VERR)의 전압값이 램프파(VRAMP)의 최대 전압값보다 높아지도록 설정하는 것이 바람직하다.
따라서, 상술한 바와 같이, 오차 증폭기(110)의 출력 전압(VERR)은, 소정의 전압(Vc)분만큼 급속히 저하한 후, 시각 T3에 이르기까지 더 서서히 저하되어 간다.
시각 T3에 있어서, 전압(VERR)이 램프파(VRAMP)와 교차하면, PWM 콤퍼레이터(113)가 출력하는 신호(VPWM)는 직사각형파가 된다. 따라서, 출력 전압(VOUT)이 원하는 출력 전압(V0)을 웃돈 후, 단기간에 출력 트랜지스터(116)를 스위칭시킬 수 있게 되고, 출력 전압(VOUT)이 출력 트랜지스터(116)에 의해 원하는 출력 전압으로 제어되게 되기 때문에, 출력 전압(VOUT)이 오버 슛하는 것을 억제하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)에 의하면, 전원 전압(VDD)이 스위칭 레귤레이터의 원하는 출력 전압(V0)보다 낮은 전압으로부터, 급격하게 정상인 전압으로 상승(복귀)한 경우라도, 출력 전압(VOUT)의 오버 슛을 방지할 수 있다.
이하, 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)에 있어서의 정전압 발생 회로(119)의 제1 및 제2의 구체예에 대해, 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다.
도 4 및 도 5는, 본 실시 형태의 스위칭 레귤레이터(100)에 있어서의 정전압 발생 회로(119)의 제1 및 제2의 구체예를 각각 나타내는 회로도이다. 또한, 도 4 및 도 5에 있어서, 정전압 발생 회로(119) 이외의 구성에 대해서는, 도 1에 나타내는 스위칭 레귤레이터(100)와 동일하기 때문에, 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 적절히 생략한다.
우선, 도 4에 나타내는 정전압 발생 회로(119)의 제1의 구체예는, 일단이 오차 증폭기(110)의 출력 단자에 접속되고, 타단이 위상 보상 용량(Cc)의 일단에 접속된 저항(120)과, 일단이 저항(120)의 타단에 접속되고, 타단이 접지 단자에 접속된 전류원(121)을 포함하여 구성되어 있다.
그리고, 클램프 검출 회로(118)의 출력 단자(404)로부터의 검출 신호(DET)가 하이 레벨일 때, 전류원(121)이 전류를 발생하고, 이 전류가 저항(120)에 흐름으로써, 오차 증폭기(110)의 출력 단자와 저항(120)의 타단 사이에 소정의 전압(Vc)이 발생한다. 한편, 클램프 검출 회로(118)의 출력 단자(404)로부터의 검출 신호(DET)가 로우 레벨일 때에는, 전류원(121)이 전류를 발생하지 않고, 저항(120)에 전류가 흐르지 않기 때문에, 오차 증폭기(110)의 출력 단자와 저항(120)의 타단 사이의 전압이 0V가 된다.
다음에, 도 5에 나타내는 정전압 발생 회로(119)의 제2의 구체예는, 일단이 오차 증폭기(110)의 출력 단자에 접속되고, 타단이 위상 보상 용량(Cc)의 일단에 접속된 저항(120)과, 일단이 저항(120)의 타단에 접속되고, 타단이 접지 단자에 접속된 스위치(122)를 포함하여 구성되어 있다.
그리고, 클램프 검출 회로(118)의 출력 단자(404)로부터의 검출 신호(DET)가 하이 레벨일 때, 스위치(122)가 온이 되고, 이로 인해 저항(120)에 전류가 흐름으로써, 오차 증폭기(110)의 출력 단자와 저항(120)의 타단 사이에 소정의 전압(Vc)이 발생한다. 한편, 클램프 검출 회로(118)의 출력 단자(404)로부터의 검출 신호(DET)가 로우 레벨일 때에는, 스위치(122)가 오프가 되고, 저항(120)에 전류가 흐르지 않기 때문에, 오차 증폭기(110)의 출력 단자와 저항(120)의 타단 사이의 전압이 0V가 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 변경이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 전압 모드 제어 방식의 스위칭 레귤레이터를 예로서 설명했지만, 본 발명은, 전류 모드 제어 방식의 스위칭 레귤레이터에도 적용 가능하다.
101:전원 단자 102:접지 단자
103:출력 단자 110:오차 증폭기
111:기준 전압 회로 112:분압 회로
113:PWM 콤퍼레이터 114:램프파 발생 회로
115:출력 버퍼 116:출력 트랜지스터
117:클램프 회로 118:클램프 검출 회로
119:정전압 발생 회로 120:저항
121:전류원 122:스위치
Cc:위상 보상 용량

Claims (4)

  1. 제1의 전원 단자와 출력 단자 사이에 접속된 출력 트랜지스터에 의해, 상기 출력 단자에 출력 전압을 공급하는 스위칭 레귤레이터로서,
    상기 출력 전압에 의거하는 전압과 기준 전압의 차를 증폭하여 출력하는 오차 증폭기와,
    램프파를 발생하는 램프파 발생 회로와,
    상기 오차 증폭기의 출력 전압과 상기 램프파를 비교하여, 상기 출력 트랜지스터의 온 및 오프를 제어하기 위한 제어 신호를 출력하는 콤퍼레이터와,
    상기 오차 증폭기의 출력 전압이 클램프 전압보다 높을 때, 상기 오차 증폭기의 출력 전압을 상기 클램프 전압으로 클램프하는 클램프 회로와,
    상기 클램프 회로가 상기 오차 증폭기의 출력 전압을 클램프하고 있을 때, 제1의 레벨의 검출 신호를 출력하고, 상기 오차 증폭기의 출력 전압을 클램프하고 있지 않을 때, 제2의 레벨의 검출 신호를 출력하는 클램프 검출 회로와,
    일단이 상기 오차 증폭기의 출력 단자에 접속된 정전압 발생 회로와,
    일단이 상기 정전압 발생 회로의 타단에 접속되고, 타단이 제2의 전원 단자에 접속된 위상 보상 용량을 구비하고,
    상기 정전압 발생 회로는, 상기 검출 신호가 제1의 레벨일 때, 상기 위상 보상 용량의 일단의 전압을 소정의 전압분 저하시키고, 상기 검출 신호가 제1의 레벨로부터 제2의 레벨로 전환되면, 상기 오차 증폭기의 출력 단자의 전압을 상기 클램프 전압으로부터 상기 소정의 전압분 저하시키는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정전압 발생 회로는,
    일단이 상기 오차 증폭기의 출력 단자에 접속되고, 타단이 상기 위상 보상 용량의 일단에 접속된 저항과,
    일단이 상기 저항의 타단에 접속되고, 타단이 상기 제2의 전원 단자에 접속된 전류원을 포함하고,
    상기 검출 신호가 제1의 레벨일 때, 상기 전류원이 전류를 발생하는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 정전압 발생 회로는,
    일단이 상기 오차 증폭기의 출력 단자에 접속되고, 타단이 상기 위상 보상 용량의 일단에 접속된 저항과,
    일단이 상기 저항의 타단에 접속되고, 타단이 상기 제2의 전원 단자에 접속된 스위치를 포함하고,
    상기 검출 신호가 제1의 레벨일 때, 상기 스위치가 온이 되는 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클램프 전압으로부터 상기 소정의 전압분 저하한 상기 오차 증폭기의 출력 단자의 전압의 전압값은, 상기 램프파의 최대 전압값보다 높은 것을 특징으로 하는 스위칭 레귤레이터.
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