WO2018025901A1 - スイッチングレギュレータ - Google Patents

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慎吾 橋口
立石 哲夫
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ローム株式会社
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    • H03F2200/351Pulse width modulation being used in an amplifying circuit

Definitions

  • the present invention relates to a power supply device, and more particularly to a switching regulator.
  • switching regulators are widely used to supply appropriate voltages to electronic circuits used inside.
  • the switching regulator has a switching regulator control circuit that generates a switching signal for controlling on / off of the switching element.
  • a PWM control method is widely used (for example, see Patent Document 1).
  • the latch unit is set by the clock signal, reset by the PWM [Pulse Width Modulation] signal, which is the comparison result between the error signal and the slope voltage, and the switching signal is output from the latch unit.
  • the conventional PWM regulator switching regulator control circuit has a problem that the minimum pulse width of the switching signal output from the latch unit, that is, the minimum on-time cannot be sufficiently shortened. Therefore, a step-down switching regulator having a conventional PWM control switching regulator control circuit cannot sufficiently increase the maximum value of the input voltage range in which the input voltage can be stepped down to the target value of the output voltage. It was.
  • an object of the present invention is to provide a PWM control switching regulator control circuit capable of shortening the minimum on-time, a switching regulator including the same, and a vehicle.
  • the switching regulator control circuit disclosed in this specification includes a slope voltage generation unit that generates a slope voltage based on a clock signal having a predetermined frequency, and a difference between a voltage corresponding to the output voltage of the switching regulator and a reference voltage.
  • An error amplifier that generates a corresponding error signal
  • a first comparator that compares the slope voltage with the error signal
  • a latch unit that is set based on the clock signal and is reset by an output signal of the first comparator, The timing at which the latch unit is set is delayed with respect to the timing at which the slope of the slope voltage starts (first configuration).
  • the switching regulator control circuit having the first configuration includes a delay unit that inputs the clock signal, and an output signal of the delay unit is supplied to a set terminal of the latch unit (second configuration). There may be.
  • the delay unit may be a second comparator that compares the clock signal with a predetermined voltage (third configuration).
  • the predetermined voltage may be the error signal (fourth configuration).
  • the predetermined voltage may be a constant voltage (fifth configuration).
  • the slope voltage generator receives a detection result of a current detector that detects a current flowing through an inductor provided in the switching regulator, and the slope voltage May be a configuration (sixth configuration) in which the voltage corresponds to the detection result of the current detection unit.
  • one of the first inversion timing at which the clock signal is inverted from a low level to a high level and the second inversion timing at which the clock signal is inverted from a high level to a low level may be employed in which the latch unit is set and the slope of the slope voltage starts at the other of the first inversion timing and the second inversion timing.
  • a switching regulator disclosed in the present specification includes a switching regulator control circuit having any one of the first to seventh configurations and a switching element that is turned on / off by the switching regulator control circuit (eighth). Configuration).
  • the vehicle disclosed in the present specification has a configuration (a ninth configuration) including the switching regulator having the eighth configuration and a battery for supplying power to the switching regulator.
  • the minimum pulse width of the switching signal that is, the minimum on-time can be shortened.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are time charts showing modified examples of the operation of the switching regulator.
  • External view showing an example of the configuration of a vehicle equipped with in-vehicle equipment FIG. 2 is a time chart showing another modification of the operation of the switching regulator of FIG.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a first embodiment of a switching regulator.
  • the switching regulator 101 according to the first embodiment is a step-down switching regulator, and includes a semiconductor integrated circuit package P11, MOS transistors Q1 and Q2, an inductor L1, an output capacitor C1, an output resistor R0, and a voltage dividing resistor. R1 and R2 and a current detection resistor Ra are provided.
  • the MOS transistor Q1 is an N-channel MOS transistor, and is an example of a switch that conducts / cuts off a current path from the input voltage application terminal to which the input voltage VIN is applied to one end of the inductor L1.
  • the drain of the MOS transistor Q1 is connected to the input voltage application terminal to which the input voltage VIN is applied.
  • the source of the MOS transistor Q1 is connected to one end of the inductor L1 and the drain of the MOS transistor Q2.
  • the MOS transistor Q2 is an N-channel MOS transistor, and is an example of a switch that conducts / cuts off a current path from the ground end to one end of the inductor L1. As described above, the drain of the MOS transistor Q2 is connected to one end of the inductor L1 and the source of the MOS transistor Q1. The source of the MOS transistor Q2 is connected to the ground terminal. A diode may be used in place of the MOS transistor Q2.
  • the other end of the inductor L1 is connected to an output voltage application terminal to which an output voltage VOUT is applied via a current detection resistor Ra.
  • the output capacitor C1 is a smoothing capacitor for reducing the ripple of the output voltage VOUT .
  • the output voltage VOUT is phase compensated by a phase compensation circuit constituted by the output capacitor C1 and the output resistor R0.
  • Dividing resistors R1 and R2 generates a feedback voltage V FB to output voltage V OUT divides and supplies the feedback voltage V FB to a semiconductor integrated circuit package P11.
  • the semiconductor integrated circuit package P11 includes a switching regulator control circuit and a driver 7.
  • the switching regulator control circuit includes an error amplifier 1, a reference voltage source 2, a resistor R3, a capacitor C2, a slope circuit 3, comparators 4 and 5, an RS flip-flop 6, a current detection amplifier SA1, and an oscillator OSC1. And a switching signal SW for controlling on / off of the MOS transistors Q1 and Q2.
  • the oscillator OSC1 generates a clock signal CLK having a predetermined frequency (for example, 2 MHz).
  • the current detection amplifier SA1 generates an information signal INF that is a signal obtained by amplifying the potential difference between both ends of the current detection resistor Ra.
  • the information signal INF is a signal having information on the current flowing through the inductor L1.
  • the error amplifier 1 generates an error signal corresponding to the difference between the feedback voltage V FB and the reference voltage V REF output from the reference voltage source 2.
  • the error signal is phase-compensated by a phase compensation circuit composed of a resistor R3 and a capacitor C2.
  • the slope circuit 3 is controlled on the basis of the clock signal CLK, receives the information signal INF output from the current detection amplifier SA1, has current information of the inductor L1, and the slope voltage reflecting the current information of the inductor L1.
  • V SLP is generated and output.
  • the slope circuit 3 a timing at which the slope of the slope voltage V SLP starts returning from the high level of the clock signal CLK to an initial value slope voltage V SLP for each switched to the low level.
  • the switching regulator 101 is a so-called current mode control type switching regulator.
  • the current information of the inductor L1 is reflected in the slope of the slope voltage V SLP .
  • the current information of the inductor L1 may be reflected in the offset amount of the slope voltage V SLP .
  • the comparator 4 compares the phase-compensated error signal Vc and the slope voltage V SLP to generate a reset signal that is a comparison signal. Since the slope voltage V SLP has a fixed period, the reset signal is a PWM signal. When the slope voltage V SLP is larger than the phase compensated error signal Vc, the reset signal becomes a high level, and when the slope voltage V SLP is equal to or less than the phase compensated error signal Vc, the reset signal becomes a low level. Become. However, in the comparator 4, a delay inevitably occurs from when the magnitude relationship between the phase-compensated error signal Vc and the slope voltage V SLP is switched to when the level of the output signal (reset signal) is switched.
  • the comparator 5 compares the phase compensated error signal Vc and the clock signal CLK to generate a set signal as a comparison signal.
  • the set signal becomes a high level
  • the clock signal CLK is equal to or less than the phase compensated error signal Vc
  • the set signal becomes a low level.
  • a delay inevitably occurs from when the magnitude relationship between the phase compensated error signal Vc and the clock signal CLK is switched to when the level of the output signal (set signal) is switched.
  • the reset signal output from the comparator 4 is supplied to the reset terminal of the RS flip-flop 6, and the set signal output from the comparator 5 is supplied to the set terminal of the RS flip-flop 6.
  • the RS flip-flop 6 switches the switching signal SW from the low level to the high level when the set signal is switched from the high level to the low level, and changes the switching signal SW from the high level to the low level when the reset signal is switched from the low level to the high level. Switch to level.
  • the switching signal SW is output from the inverting output terminal of the RS flip-flop 6.
  • the driver 7 generates the gate signal G1 of the MOS transistor Q1 and the gate signal G2 of the MOS transistor Q2 based on the switching signal SW, drives the MOS transistor Q1 by the gate signal G1, and drives the MOS transistor Q2 by the gate signal G2. .
  • the MOS transistors Q1 and Q2 are complementarily turned on and off, and when the switching signal SW is at the high level, the switch voltage V SW generated at the connection point of the MOS transistors Q1 and Q2 becomes the high level, and the switching signal SW is at the low level. When it is at the level, the switch voltage VSW becomes low level. It is preferable to provide a dead time during which both the MOS transistor Q1 and the MOS transistor Q2 are turned off when the MOS transistor Q1 and the MOS transistor Q2 are switched on / off.
  • the difference between the switching regulator 101 according to the first embodiment and the switching regulator 100 according to the comparative example is only the configuration of the semiconductor integrated circuit package.
  • the semiconductor integrated circuit package P10 included in the switching regulator 100 according to the comparative example has a configuration in which the comparator 5 is removed from the semiconductor integrated circuit package P11 included in the switching regulator 101 according to the first embodiment. Therefore, in the switching regulator 100 according to the comparative example, the clock signal CLK is supplied to the set terminal of the RS flip-flop 6.
  • FIG. 3 is a time chart showing operations of the switching regulator 101 according to the first embodiment and the switching regulator 100 according to the comparative example.
  • the switching regulator 100 due to the delay in the comparator 4, the magnitude relationship between the phase compensated error signal Vc and the slope voltage V SLP is switched, and the slope voltage V SLP is more than the phase compensated error signal Vc.
  • the switching signal SW is switched from the high level to the low level with a delay by the amount corresponding to the shaded portion shown in FIG. That is, in the switching regulator 100 according to the comparative example, the pulse width of the switching signal SW is increased by the shaded portion shown in FIG. 3, and the minimum pulse width of the switching signal SW, that is, the minimum on-time can be shortened. Can not.
  • the magnitude relationship between the phase-compensated error signal Vc and the slope voltage V SLP is switched due to the delay in the comparator 4 as in the switching regulator 100 according to the comparative example.
  • the switching signal SW is switched from the high level to the low level with a delay from the time t1 when the voltage V SLP becomes larger than the phase compensated error signal Vc by the shaded portion shown in FIG.
  • the switching regulator 101 due to the delay in the comparator 5, the magnitude relationship between the phase-compensated error signal Vc and the clock signal CLK is switched, and the clock signal CLK is equal to or smaller than the phase-compensated error signal Vc.
  • the switching signal SW is switched from the low level to the high level with a delay from the time point t0 by the hatched portion shown in FIG. Therefore, in the switching regulator 101 according to the first embodiment, the increase in the pulse width of the switching signal SW by the shaded portion shown in FIG. 3 can be canceled by the amount of the decrease in the pulse width of the switching signal SW by the shaded portion shown in FIG. . Thereby, the minimum pulse width of the switching signal SW, that is, the minimum on-time can be shortened.
  • the operations of the slope circuit 3 and the RS flip-flop 6 may be changed. Specifically, every time the slope circuit 3 switches from the low level to the high level of the clock signal CLK, the slope voltage V SLP is returned to the initial value, and the slope of the slope voltage V SLP starts.
  • the RS flip-flop 6 switches the switching signal SW from the low level to the high level when the set signal switches from the low level to the high level, and switches the switching signal SW to the high level when the reset signal switches from the low level to the high level. To low level.
  • the operations of the switching regulator 101 according to the first embodiment and the switching regulator 100 according to the comparative example are as shown in the time chart of FIG. Even when the operations of the slope circuit 3 and the RS flip-flop 6 are changed as described above, in the switching regulator 101 according to the first embodiment, an increase in the pulse width of the switching signal SW by the shaded portion shown in FIG. 4 is shown in FIG. It is possible to cancel the amount corresponding to the decrease in the pulse width of the switching signal SW due to the hatched portion. Thereby, the minimum pulse width of the switching signal SW, that is, the minimum on-time can be shortened.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of the second embodiment of the switching regulator.
  • the difference between the switching regulator 102 according to the second embodiment and the switching regulator 101 according to the first embodiment is only the configuration of the semiconductor integrated circuit package.
  • the difference between the semiconductor integrated circuit package P12 included in the switching regulator 102 according to the second embodiment and the semiconductor integrated circuit package P11 included in the switching regulator 101 according to the first embodiment is that the voltage compared with the clock signal CLK in the comparator 5 Only.
  • the comparator 5 compares the clock signal CLK with the phase compensated error signal Vc, whereas in the semiconductor integrated circuit package P12, the comparator 5 compares the clock signal CLK with the constant voltage Va.
  • the constant voltage Va may be generated inside the semiconductor integrated circuit package P12, or may be generated outside the semiconductor integrated circuit package P12 and supplied to the semiconductor integrated circuit package P12.
  • the value of the constant voltage Va is low when the clock signal CLK is at a low level, and the output signal of the comparator 5 when the clock signal CLK is at a high level. Can be adjusted to be at a high level. If the output signal of the comparator 5 is low level when the clock signal CLK is low level and the output signal of the comparator 5 is high level when the clock signal CLK is high level, the constant voltage Va is used instead. It is also possible to use a variable voltage.
  • the switching signal SW caused by the delay in the comparator 5 is caused by the increase in the pulse width of the switching signal SW caused by the delay in the comparator 4. It is possible to cancel the amount corresponding to the decrease in the SW pulse width. Thereby, the minimum pulse width of the switching signal SW, that is, the minimum on-time can be shortened.
  • the comparison target with the slope voltage V SLP in the comparator 4 is the phase-compensated error signal Vc
  • the comparison target with the clock signal CLK in the comparator 5 is a constant voltage. Va, that is, the operating points of the comparator 4 and the comparator 5 are not the same.
  • both the comparison target with the slope voltage V SLP in the comparator 4 and the comparison target with the clock signal CLK in the comparator 5 are phase-compensated error signals Vc. That is, the operating points of the comparator 4 and the comparator 5 are the same.
  • the switching regulator 101 according to the first embodiment is caused by the pulse width increase amount of the switching signal SW due to the delay in the comparator 4 and the delay in the comparator 5 than the switching regulator 102 according to the second embodiment.
  • the degree of coincidence with the pulse width reduction amount of the switching signal SW to be performed can be increased.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the third embodiment of the switching regulator.
  • the difference between the switching regulator 103 according to the third embodiment and the switching regulator 101 according to the first embodiment is only the configuration of the semiconductor integrated circuit package.
  • the difference between the semiconductor integrated circuit package P13 provided in the switching regulator 103 according to the third embodiment and the semiconductor integrated circuit package P11 provided in the switching regulator 101 according to the first embodiment is a comparator used in the semiconductor integrated circuit package P11. 5 is only replaced with the delay circuit 8 in the semiconductor integrated circuit package P13.
  • Delay circuit 8 delays and outputs clock signal CLK. Although there is no particular limitation on the circuit configuration of the delay circuit 8, for example, a general CR delay circuit can be used as the delay circuit 8. The delay amount in the delay circuit 8 may be adjusted so as to approach the delay amount in the comparator 4.
  • the increase in the pulse width of the switching signal SW caused by the delay in the comparator 4 can be canceled by the decrease in the pulse width of the switching signal SW caused by the delay in the delay circuit 8.
  • the minimum pulse width of the switching signal SW that is, the minimum on-time can be shortened.
  • the degree of coincidence between the amount of increase in the pulse width of the switching signal SW caused by the delay in the comparator 4 and the amount of decrease in the pulse width of the switching signal SW caused by the delay in the comparator 5 depends on the implementation of the delay circuit 8. This is higher than the degree of coincidence between the pulse width increase amount of the switching signal SW due to the delay in the comparator 4 and the pulse width decrease amount of the switching signal SW due to the delay in the delay circuit 8.
  • FIG. 7 is an external view showing a configuration example of a vehicle equipped with an in-vehicle device.
  • the vehicle X of this configuration example includes a battery (not shown), a primary switching regulator (not shown) that inputs a DC voltage supplied from the battery, and a secondary switching regulator (not shown) that inputs a DC voltage output from the primary switching regulator. (Not shown) and in-vehicle devices X11 to X17 are mounted.
  • the primary switching regulator is directly supplied with electric power from the battery, and the secondary switching regulator is supplied with electric power indirectly (via the primary switching regulator) from the battery.
  • the switching regulators 101 to 103 described above can be applied to a primary switching regulator or a secondary switching regulator.
  • the in-vehicle devices X11 to X17 each use either the output voltage of the primary switching regulator or the output voltage of the secondary switching regulator as the power supply voltage.
  • the in-vehicle device X11 is an engine control unit that performs control related to the engine (injection control, electronic throttle control, idling control, oxygen sensor heater control, auto cruise control, etc.).
  • the in-vehicle device X12 is a lamp control unit that performs lighting control such as HID [high intensity discharged lamp] and DRL [daytime running lamp].
  • the in-vehicle device X13 is a transmission control unit that performs control related to the transmission.
  • the in-vehicle device X14 is a body control unit that performs control related to the motion of the vehicle X (ABS [anti-lock brake system] control, EPS [electric power steering] control, electronic suspension control, etc.).
  • ABS anti-lock brake system
  • EPS electric power steering
  • electronic suspension control etc.
  • the in-vehicle device X15 is a security control unit that performs drive control such as door locks and security alarms.
  • the in-vehicle device X16 is an electronic device incorporated in the vehicle X at the factory shipment stage as a standard equipment item or a manufacturer option product such as a wiper, an electric door mirror, a power window, an electric sunroof, an electric seat, and an air conditioner.
  • the in-vehicle device X17 is an electronic device that is arbitrarily mounted on the vehicle X by the user, such as an in-vehicle A / V [audio / visual] device, a car navigation system, and an ETC [Electronic Toll Collection System].
  • the step-down switching regulator is described as an example, but a step-up switching regulator or a step-up / step-down switching regulator may be used.
  • the switching regulators 101 to 103 described in the above-described embodiments have the configuration including the delay unit (the comparator 5 or the delay circuit 8) for inputting the clock signal CLK, but the latch unit is set without including the delay unit.
  • the switching regulator may be configured such that the timing to be delayed is delayed with respect to the timing at which the slope of the slope voltage starts.
  • the slope of the slope voltage starts when the latch unit (RS flip-flop 6) is set. It can be configured to delay with respect to the timing.
  • the switching regulator 100 in which the operation of the RS flip-flop 6 is changed in this way is referred to as a switching regulator 100 'for convenience.
  • the switching regulator 100 ′ every time the slope circuit 3 switches from the low level to the high level of the clock signal CLK, the slope voltage V SLP is returned to the initial value, and the slope of the slope voltage V SLP starts.
  • the RS flip-flop 6 switches the switching signal SW from the low level to the high level when the set signal is switched from the high level to the low level, and switches the switching signal SW to the high level when the reset signal is switched from the low level to the high level. To low level.
  • the switching regulator 100 ′ can shorten the minimum pulse width of the switching signal SW, that is, the minimum on-time.
  • the switching signal SW of the switching regulator 100 shown as a comparative example in FIG. 8 is the same as the switching signal SW of the switching regulator 100 shown in FIG.
  • the present invention can be used for switching regulators used in all fields (such as home appliances, automobiles, and industrial machinery).

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Abstract

スイッチングレギュレータ制御回路は、所定周波数のクロック信号CLKに基づいてスロープ電圧VSLPを生成するスロープ回路3と、スイッチングレギュレータの出力電圧に応じた電圧VFBと基準電圧VREFとの差分に応じた誤差信号Vcを生成するエラーアンプ1と、スロープ電圧VSLPと誤差信号Vcを比較するコンパレータ4と、クロック信号CLKに基づいてセットされ、コンパレータ4の出力信号によってリセットされるRSフリップフロップ6と、を有する。RSフリップフロップ6がセットされるタイミングがスロープ電圧VSLPの傾斜が開始するタイミングに対して遅延する。

Description

スイッチングレギュレータ
 本発明は、電源装置に関し、特にスイッチングレギュレータに関する。
 様々な電子機器において、内部に使用される電子回路に適切な電圧を供給するため、スイッチングレギュレータが広く用いられている。スイッチングレギュレータは、スイッチング素子のオンオフを制御するためのスイッチング信号を生成するスイッチングレギュレータ制御回路を有している。
 スイッチングレギュレータ制御回路の制御方式として、PWM制御方式が広く用いられている(例えば特許文献1参照)。PWM制御方式のスイッチングレギュレータ制御回路では、ラッチ部が、クロック信号によってセットされ、誤差信号とスロープ電圧との比較結果であるPWM[Pulse Width Modulation]信号によってリセットされ、ラッチ部からスイッチング信号が出力される。
特開2010-220355号公報
 しかしながら、従来のPWM制御方式のスイッチングレギュレータ制御回路は、ラッチ部から出力されるスイッチング信号の最小パルス幅、すなわち最小オン時間を十分に短くすることができないという問題を有していた。したがって、従来のPWM制御方式のスイッチングレギュレータ制御回路を有する降圧型スイッチングレギュレータでは、入力電圧を出力電圧の目標値まで降圧することができる入力電圧の範囲の最大値を十分に大きくすることができなかった。
 本発明は、上記の状況に鑑み、最小オン時間を短くすることができるPWM制御方式のスイッチングレギュレータ制御回路並びにこれを備えるスイッチングレギュレータ及び車両を提供することを目的とする。
 本明細書中に開示されているスイッチングレギュレータ制御回路は、所定周波数のクロック信号に基づいてスロープ電圧を生成するスロープ電圧生成部と、スイッチングレギュレータの出力電圧に応じた電圧と基準電圧との差分に応じた誤差信号を生成するエラーアンプと、前記スロープ電圧と前記誤差信号を比較する第1コンパレータと、前記クロック信号に基づいてセットされ、前記第1コンパレータの出力信号によってリセットされるラッチ部と、を有し、前記ラッチ部がセットされるタイミングが前記スロープ電圧の傾斜が開始するタイミングに対して遅延する構成(第1の構成)である。
 また上記第1の構成のスイッチングレギュレータ制御回路において、前記クロック信号を入力する遅延部を有し、前記遅延部の出力信号が前記ラッチ部のセット端子に供給される構成(第2の構成)であってもよい。
 また上記第2の構成のスイッチングレギュレータ制御回路において、前記遅延部が前記クロック信号と所定の電圧とを比較する第2コンパレータである構成(第3の構成)であってもよい。
 また上記第3の構成のスイッチングレギュレータ制御回路において、前記所定の電圧が前記誤差信号である構成(第4の構成)であってもよい。
 また上記第3の構成のスイッチングレギュレータ制御回路において、前記所定の電圧が定電圧である構成(第5の構成)であってもよい。
 また上記第1~第5いずれかの構成のスイッチングレギュレータ制御回路において、前記スロープ電圧生成部が、前記スイッチングレギュレータに設けられるインダクタを流れる電流を検出する電流検出部の検出結果を受け取り、前記スロープ電圧が前記電流検出部の検出結果に応じた電圧である構成(第6の構成)であってもよい。
 また上記第1の構成のスイッチングレギュレータ制御回路において、前記クロック信号がローレベルからハイレベルに反転する第1反転タイミング及び前記クロック信号がハイレベルからローレベルに反転する第2反転タイミングの一方で前記ラッチ部がセットされ、前記第1反転タイミング及び前記第2反転タイミングの他方で前記スロープ電圧の傾斜が開始する構成(第7の構成)であってもよい。
 本明細書中に開示されているスイッチングレギュレータは、上記第1~第7いずれかの構成のスイッチングレギュレータ制御回路と、前記スイッチングレギュレータ制御回路によってオンオフされるスイッチング素子と、を有する構成(第8の構成)である。
 本明細書中に開示されている車両は、上記第8の構成のスイッチングレギュレータと、前記スイッチングレギュレータに電力を供給するバッテリと、を有する構成(第9の構成)である。
 本明細書中に開示されているPWM制御方式のスイッチングレギュレータ制御回路並びにこれを備えるスイッチングレギュレータ及び車両によれば、スイッチング信号の最小パルス幅、すなわち最小オン時間を短くすることができる。
スイッチングレギュレータの第1実施形態の構成を示す図 スイッチングレギュレータの比較例の構成を示す図 図1及び図2のスイッチングレギュレータの動作を示すタイムチャート 図1及び図2のスイッチングレギュレータの動作変形例を示すタイムチャート スイッチングレギュレータの第2実施形態の構成を示す図 スイッチングレギュレータの第3実施形態の構成を示す図 車載機器を搭載した車両の一構成例を示す外観図 図2のスイッチングレギュレータの他の動作変形例を示すタイムチャート
<第1実施形態>
 図1は、スイッチングレギュレータの第1実施形態の構成を示す図である。第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101は、降圧型スイッチングレギュレータであって、半導体集積回路パッケージP11と、MOSトランジスタQ1及びQ2と、インダクタL1と、出力コンデンサC1と、出力抵抗R0と、分圧抵抗R1及びR2と、電流検出用抵抗Raと、を備える。
 MOSトランジスタQ1は、Nチャネル型MOSトランジスタであって、入力電圧VINが印加されている入力電圧印加端からインダクタL1の一端に至る電流経路を導通/遮断するスイッチの一例である。MOSトランジスタQ1のドレインは、入力電圧VINが印加されている入力電圧印加端に接続されている。MOSトランジスタQ1のソースは、インダクタL1の一端及びMOSトランジスタQ2のドレインに接続されている。
 MOSトランジスタQ2は、Nチャネル型MOSトランジスタであって、接地端からインダクタL1の一端に至る電流経路を導通/遮断するスイッチの一例である。MOSトランジスタQ2のドレインは、上述の通りインダクタL1の一端及びMOSトランジスタQ1のソースに接続されている。MOSトランジスタQ2のソースは、接地端に接続されている。なお、MOSトランジスタQ2の代わりにダイオードを用いることもできる。
 インダクタL1の他端は電流検出用抵抗Raを介して出力電圧VOUTが印加されている出力電圧印加端に接続されている。
 出力コンデンサC1は出力電圧VOUTのリップルを低減するための平滑コンデンサである。また出力電圧VOUTは、出力コンデンサC1と出力抵抗R0によって構成される位相補償回路によって位相補償される。
 分圧抵抗R1及びR2は、出力電圧VOUTを分圧して帰還電圧VFBを生成し、帰還電圧VFBを半導体集積回路パッケージP11に供給する。
 半導体集積回路パッケージP11は、スイッチングレギュレータ制御回路と、ドライバ7と、を備える。スイッチングレギュレータ制御回路は、エラーアンプ1と、基準電圧源2と、抵抗R3と、コンデンサC2と、スロープ回路3と、コンパレータ4及び5と、RSフリップフロップ6と、電流検出アンプSA1と、発振器OSC1とによって構成され、MOSトランジスタQ1及びQ2のオンオフを制御するためのスイッチング信号SWを生成する。
 発振器OSC1は、所定周波数(例えば2MHz)のクロック信号CLKを生成する。電流検出アンプSA1は電流検出用抵抗Raの両端電位差を増幅した信号である情報信号INFを生成する。情報信号INFはインダクタL1を流れる電流の情報を有する信号である。
 エラーアンプ1は、帰還電圧VFBと、基準電圧源2から出力される基準電圧VREFとの差分に応じた誤差信号を生成する。誤差信号は、抵抗R3とコンデンサC2によって構成される位相補償回路によって位相補償される。
 スロープ回路3は、クロック信号CLKに基づき制御され、電流検出アンプSA1から出力される情報信号INFを受け取ることでインダクタL1の電流情報を有しており、インダクタL1の電流情報が反映されたスロープ電圧VSLPを生成して出力する。具体的には、スロープ回路3は、クロック信号CLKのハイレベルからローレベルへの切り替わる毎にスロープ電圧VSLPを初期値に戻しスロープ電圧VSLPの傾斜が開始するタイミングとする。これにより、スイッチングレギュレータ101はいわゆる電流モード制御型スイッチングレギュレータとなっている。本実施形態ではインダクタL1の電流情報をスロープ電圧VSLPの傾きに反映させるが、本実施形態とは異なりインダクタL1の電流情報をスロープ電圧VSLPのオフセット量に反映させてもよい。
 コンパレータ4は、位相補償された誤差信号Vcとスロープ電圧VSLPとを比較して比較信号であるリセット信号を生成する。スロープ電圧VSLPが固定周期であるため、リセット信号はPWM信号となる。スロープ電圧VSLPの方が位相補償された誤差信号Vcよりも大きい場合にリセット信号はハイレベルになり、スロープ電圧VSLPが位相補償された誤差信号Vc以下である場合にリセット信号はローレベルになる。ただし、コンパレータ4においては、位相補償された誤差信号Vcとスロープ電圧VSLPとの大小関係が切り替わってから出力信号(リセット信号)のレベルが切り替わる迄に不可避的に遅延が生じる。
 コンパレータ5は、位相補償された誤差信号Vcとクロック信号CLKとを比較して比較信号であるセット信号を生成する。クロック信号CLKの方が位相補償された誤差信号Vcよりも大きい場合にセット信号はハイレベルになり、クロック信号CLKが位相補償された誤差信号Vc以下である場合にセット信号はローレベルになる。ただし、コンパレータ5においては、位相補償された誤差信号Vcとクロック信号CLKとの大小関係が切り替わってから出力信号(セット信号)のレベルが切り替わる迄に不可避的に遅延が生じる。
 コンパレータ4から出力されるリセット信号はRSフリップフロップ6のリセット端子に供給され、コンパレータ5から出力されるセット信号はRSフリップフロップ6のセット端子に供給される。
 RSフリップフロップ6は、セット信号のハイレベルからローレベルへの切り替わり時にスイッチング信号SWをローレベルからハイレベルに切り替え、リセット信号のローレベルからハイレベルへの切り替わり時にスイッチング信号SWをハイレベルからローレベルに切り替える。スイッチング信号SWは、RSフリップフロップ6の反転出力端子から出力される。
 ドライバ7は、スイッチング信号SWに基づいてMOSトランジスタQ1のゲート信号G1及びMOSトランジスタQ2のゲート信号G2を生成し、ゲート信号G1によってMOSトランジスタQ1を駆動し、ゲート信号G2によってMOSトランジスタQ2を駆動する。その結果、MOSトランジスタQ1及びQ2が相補的にオンオフし、スイッチング信号SWがハイレベルであるときにMOSトランジスタQ1及ぶQ2の接続点に生じるスイッチ電圧VSWがハイレベルになり、スイッチング信号SWがローレベルであるときにスイッチ電圧VSWがローレベルになる。なお、MOSトランジスタQ1とMOSトランジスタQ2のオン/オフ切り替わり時には、MOSトランジスタQ1とMOSトランジスタQ2の双方がオフになるデッドタイムを設けることが好ましい。
<第1実施形態と比較例との比較>
 次に、上述した第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101と、図2に示す比較例に係るスイッチングレギュレータ100とを比較する。
 第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101と比較例に係るスイッチングレギュレータ100との相違点は、半導体集積回路パッケージの構成のみである。そして、比較例に係るスイッチングレギュレータ100が備える半導体集積回路パッケージP10は、第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101が備える半導体集積回路パッケージP11からコンパレータ5を取り除いた構成である。したがって、比較例に係るスイッチングレギュレータ100では、クロック信号CLKがRSフリップフロップ6のセット端子に供給される。
 図3は、第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101と比較例に係るスイッチングレギュレータ100の動作を示すタイムチャートである。
 比較例に係るスイッチングレギュレータ100では、コンパレータ4における遅延のために、位相補償された誤差信号Vcとスロープ電圧VSLPの大小関係が切り替わってスロープ電圧VSLPの方が位相補償された誤差信号Vcよりも大きくなった時点t1から図3に示す網掛け部の分だけ遅延してスイッチング信号SWがハイレベルからローベルに切り替わる。つまり、比較例に係るスイッチングレギュレータ100では、図3に示す網掛け部の分だけスイッチング信号SWのパルス幅が広くなってしまい、スイッチング信号SWの最小パルス幅、すなわち最小オン時間を短くすることができない。
 第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101においても、比較例に係るスイッチングレギュレータ100と同様に、コンパレータ4における遅延のために、位相補償された誤差信号Vcとスロープ電圧VSLPの大小関係が切り替わってスロープ電圧VSLPの方が位相補償された誤差信号Vcよりも大きくなった時点t1から図3に示す網掛け部の分だけ遅延してスイッチング信号SWがハイレベルからローベルに切り替わる。
 しかしながら、第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101では、コンパレータ5における遅延のために、位相補償された誤差信号Vcとクロック信号CLKの大小関係が切り替わってクロック信号CLKが位相補償された誤差信号Vc以下になった時点t0から図3に示す斜線部の分だけ遅延してスイッチング信号SWがローレベルからハイベルに切り替わる。したがって、第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101では、図3に示す網掛け部によるスイッチング信号SWのパルス幅増大を図3に示す斜線部によるスイッチング信号SWのパルス幅減少の分だけ打ち消すことができる。これにより、スイッチング信号SWの最小パルス幅、すなわち最小オン時間を短くすることができる。
 第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101及び比較例に係るスイッチングレギュレータ100それぞれにおいて、スロープ回路3及びRSフリップフロップ6の動作を変更してもよい。具体的には、スロープ回路3が、クロック信号CLKのローレベルからハイレベルへの切り替わる毎にスロープ電圧VSLPを初期値に戻しスロープ電圧VSLPの傾斜が開始するタイミングとする。また、RSフリップフロップ6が、セット信号のローレベルからハイレベルへの切り替わり時にスイッチング信号SWをローレベルからハイレベルに切り替え、リセット信号のローレベルからハイレベルへの切り替わり時にスイッチング信号SWをハイレベルからローレベルに切り替える。
 上記の通りスロープ回路3及びRSフリップフロップ6の動作を変更した場合、第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101と比較例に係るスイッチングレギュレータ100の動作は、図4に示すタイムチャートのようになる。上記の通りスロープ回路3及びRSフリップフロップ6の動作を変更した場合でも、第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101では、図4に示す網掛け部によるスイッチング信号SWのパルス幅増大を図4に示す斜線部によるスイッチング信号SWのパルス幅減少の分だけ打ち消すことができる。これにより、スイッチング信号SWの最小パルス幅、すなわち最小オン時間を短くすることができる。
<第2実施形態>
 図5は、スイッチングレギュレータの第2実施形態の構成を示す図である。第2実施形態に係るスイッチングレギュレータ102と第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101との相違点は、半導体集積回路パッケージの構成のみである。
 第2実施形態に係るスイッチングレギュレータ102が備える半導体集積回路パッケージP12と第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101が備える半導体集積回路パッケージP11との相違点は、コンパレータ5においてクロック信号CLKと比較される電圧のみである。
 半導体集積回路パッケージP11ではコンパレータ5がクロック信号CLKと位相補償された誤差信号Vcとを比較するのに対して、半導体集積回路パッケージP12ではコンパレータ5がクロック信号CLKと定電圧Vaとを比較する。定電圧Vaは、半導体集積回路パッケージP12の内部で生成されてもよく、半導体集積回路パッケージP12の外部で生成されて半導体集積回路パッケージP12に供給されてもよい。定電圧Vaの値は、誤差信号Vcを用いる場合と同様に、クロック信号CLKがローレベルのときにコンパレータ5の出力信号がローレベルとなり、クロック信号CLKがハイレベルのときにコンパレータ5の出力信号がハイレベルとなるように調整すればよい。なお、クロック信号CLKがローレベルのときにコンパレータ5の出力信号がローレベルとなり、クロック信号CLKがハイレベルのときにコンパレータ5の出力信号がハイレベルとなるのであれば、定電圧Vaの代わりに変動電圧を用いることも可能である。
 第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101と同様に、第2実施形態に係るスイッチングレギュレータ102においても、コンパレータ4における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅増大を、コンパレータ5における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅減少の分だけ打ち消すことができる。これにより、スイッチング信号SWの最小パルス幅、すなわち最小オン時間を短くすることができる。
 ただし、第2実施形態に係るスイッチングレギュレータ102では、コンパレータ4でのスロープ電圧VSLPとの比較対象が位相補償された誤差信号Vcであってコンパレータ5でのクロック信号CLKとの比較対象が定電圧Vaである、すなわちコンパレータ4とコンパレータ5の動作点が同一ではない。一方、第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101では、コンパレータ4でのスロープ電圧VSLPとの比較対象及びコンパレータ5でのクロック信号CLKとの比較対象の双方が位相補償された誤差信号Vcである、すなわちコンパレータ4とコンパレータ5の動作点が同一である。このため、第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101の方が第2実施形態に係るスイッチングレギュレータ102よりも、コンパレータ4における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅増大量と、コンパレータ5における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅減少量との一致度を高くすることができる。
<第3実施形態>
 図6は、スイッチングレギュレータの第3実施形態の構成を示す図である。第3実施形態に係るスイッチングレギュレータ103と第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101との相違点は、半導体集積回路パッケージの構成のみである。
 第3実施形態に係るスイッチングレギュレータ103が備える半導体集積回路パッケージP13と第1実施形態に係るスイッチングレギュレータ101が備える半導体集積回路パッケージP11との相違点は、半導体集積回路パッケージP11で用いられているコンパレータ5が半導体集積回路パッケージP13では遅延回路8に置換されていることのみである。
 遅延回路8はクロック信号CLKを遅延して出力する。遅延回路8の回路構成に特に限定はないが、例えば一般的なCR遅延回路を遅延回路8として用いることができる。遅延回路8における遅延量は、コンパレータ4における遅延量に近づくように調整すればよい。
 第3実施形態に係るスイッチングレギュレータ103では、コンパレータ4における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅増大を、遅延回路8における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅減少の分だけ打ち消すことができる。これにより、スイッチング信号SWの最小パルス幅、すなわち最小オン時間を短くすることができる。なお、遅延回路8の作り込み次第であるが、概して、コンパレータ4における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅増大量とコンパレータ5における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅減少量との一致度の方が、コンパレータ4における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅増大量と遅延回路8における遅延に起因するスイッチング信号SWのパルス幅減少量との一致度よりも高くなる。
<用途>
 次に、先に説明したスイッチングレギュレータ101~103の用途例について説明する。図7は、車載機器を搭載した車両の一構成例を示す外観図である。本構成例の車両Xは、バッテリ(不図示)と、バッテリから供給される直流電圧を入力するプライマリスイッチングレギュレータ(不図示)と、プライマリスイッチングレギュレータから出力される直流電圧を入力するセカンダリスイッチングレギュレータ(不図示)と、車載機器X11~X17と、を搭載している。プライマリスイッチングレギュレータはバッテリから直接電力が供給され、セカンダリスイッチングレギュレータはバッテリから間接的に(プライマリスイッチングレギュレータを経由して)電力が供給される。先に説明したスイッチングレギュレータ101~103はプライマリスイッチングレギュレータ又はセカンダリスイッチングレギュレータに適用することができる。
 車載機器X11~X17はそれぞれプライマリスイッチングレギュレータの出力電圧及びセカンダリスイッチングレギュレータの出力電圧のいずれかを電源電圧として用いる。
 車載機器X11は、エンジンに関連する制御(インジェクション制御、電子スロットル制御、アイドリング制御、酸素センサヒータ制御、及び、オートクルーズ制御など)を行うエンジンコントロールユニットである。
 車載機器X12は、HID[high intensity discharged lamp]やDRL[daytime running lamp]などの点消灯制御を行うランプコントロールユニットである。
 車載機器X13は、トランスミッションに関連する制御を行うトランスミッションコントロールユニットである。
 車載機器X14は、車両Xの運動に関連する制御(ABS[anti-lock brake system]制御、EPS[electric power Steering]制御、電子サスペンション制御など)を行うボディコントロールユニットである。
 車載機器X15は、ドアロックや防犯アラームなどの駆動制御を行うセキュリティコントロールユニットである。
 車載機器X16は、ワイパー、電動ドアミラー、パワーウィンドウ、電動サンルーフ、電動シート、及び、エアコンなど、標準装備品やメーカーオプション品として、工場出荷段階で車両Xに組み込まれている電子機器である。
 車載機器X17は、車載A/V[audio/visual]機器、カーナビゲーションシステム、及び、ETC[Electronic Toll Collection System]など、ユーザの任意で車両Xに装着される電子機器である。
<その他の変形例>
 なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
 例えば、上述した実施形態では降圧型スイッチングレギュレータを例に挙げて説明したが、昇圧型スイッチングレギュレータ又は昇降圧型スイッチングレギュレータであってもよい。
 また、上述した実施形態で説明したスイッチングレギュレータ101~103は、クロック信号CLKを入力する遅延部(コンパレータ5又は遅延回路8)を備える構成であったが、遅延部を備えずにラッチ部がセットされるタイミングをスロープ電圧の傾斜が開始するタイミングに対して遅延させる構成のスイッチングレギュレータであってもよい。
 例えば、図2に示す比較例に係るスイッチングレギュレータ100においてスロープ回路3及びRSフリップフロップ6の動作を変更することによって、ラッチ部(RSフリップフロップ6)がセットされるタイミングをスロープ電圧の傾斜が開始するタイミングに対して遅延させる構成にすることができる。このようにRSフリップフロップ6の動作を変更したスイッチングレギュレータ100を便宜上スイッチングレギュレータ100’と称する。
 スイッチングレギュレータ100’において、スロープ回路3が、クロック信号CLKのローレベルからハイレベルへの切り替わる毎にスロープ電圧VSLPを初期値に戻しスロープ電圧VSLPの傾斜が開始するタイミングとする。また、RSフリップフロップ6が、セット信号のハイレベルからローレベルへの切り替わり時にスイッチング信号SWをローレベルからハイレベルに切り替え、リセット信号のローレベルからハイレベルへの切り替わり時にスイッチング信号SWをハイレベルからローレベルに切り替える。これにより、図8に示すようにスイッチングレギュレータ100’は、スイッチング信号SWの最小パルス幅、すなわち最小オン時間を短くすることができる。なお、図8で比較例として示したスイッチングレギュレータ100のスイッチング信号SWは、図4で示したスイッチングレギュレータ100のスイッチング信号SWと同一である。
 このように、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
 本発明は、あらゆる分野(家電分野、自動車分野、産業機械分野など)で用いられるスイッチングレギュレータに利用することが可能である。
   1 エラーアンプ
   2 基準電圧源
   3 スロープ回路
   4、5 コンパレータ
   6 RSフリップフロップ
   7 ドライバ
   100、100’、101~103 スイッチングレギュレータ
   C1 出力コンデンサ
   C2 コンデンサ
   L1 インダクタ
   OSC1 発振器
   P10~P13 半導体集積回路パッケージ
   Q1、Q2 MOSトランジスタ
   R0 出力抵抗
   R1、R2 分圧抵抗
   R3 抵抗
   Ra 電流検出用抵抗
   SA1 電流検出アンプ
   X 車両
   X11~X17 車載機器

Claims (9)

  1.  所定周波数のクロック信号に基づいてスロープ電圧を生成するスロープ電圧生成部と、
     スイッチングレギュレータの出力電圧に応じた電圧と基準電圧との差分に応じた誤差信号を生成するエラーアンプと、
     前記スロープ電圧と前記誤差信号を比較する第1コンパレータと、
     前記クロック信号に基づいてセットされ、前記第1コンパレータの出力信号によってリセットされるラッチ部と、
     を有し、
     前記ラッチ部がセットされるタイミングが前記スロープ電圧の傾斜が開始するタイミングに対して遅延することを特徴とするスイッチングレギュレータ制御回路。
  2.  前記クロック信号を入力する遅延部を有し、
     前記遅延部の出力信号が前記ラッチ部のセット端子に供給される請求項1に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
  3.  前記遅延部が前記クロック信号と所定の電圧とを比較する第2コンパレータである請求項2に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
  4.  前記所定の電圧が前記誤差信号である請求項3に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
  5.  前記所定の電圧が定電圧である請求項3に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
  6.  前記スロープ電圧生成部が、前記スイッチングレギュレータに設けられるインダクタを流れる電流を検出する電流検出部の検出結果を受け取り、
     前記スロープ電圧が前記電流検出部の検出結果に応じた電圧である請求項1~請求項5のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
  7.  前記クロック信号がローレベルからハイレベルに反転する第1反転タイミング及び前記クロック信号がハイレベルからローレベルに反転する第2反転タイミングの一方で前記ラッチ部がセットされ、
     前記第1反転タイミング及び前記第2反転タイミングの他方で前記スロープ電圧の傾斜が開始する請求項1に記載のスイッチングレギュレータ制御回路。
  8.  請求項1~請求項7のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータ制御回路と、
     前記スイッチングレギュレータ制御回路によってオンオフされるスイッチング素子と、
     を備えることを特徴とするスイッチングレギュレータ。
  9.  請求項8に記載のスイッチングレギュレータと、
     前記スイッチングレギュレータに電力を供給するバッテリと、
     を備えることを特徴とする車両。
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