JP2011259686A - 過渡変動抑圧機能を備えたデジタル制御式一体型dc−dcコンバータおよびその作動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】DC-DCコンバータ10はメインコンバータ出力ステージ12と並列に接続された補助コンバータ出力ステージ14を備えている。メイン出力ステージ12は定常状態作動を担い、大きなインダクタ及び低いオン抵抗のパワートランジスタを用いて、高い変換効率を達成するように設計される。補助コンバータ出力ステージ14は過渡的変動の抑制を担い、負荷の過渡的変動が生じたときにのみ作動する。補助コンバータ出力ステージ14は、メインコンバータ出力ステージ12よりも大幅に小さいインダクタ及びパワートランジスタでもって良好に動作し、チップサイズの増大を従来の2ステージ構成のものに比して格段に小さくするとともに、バランスの良い電力変換効率と動的特性を実現することができる。
【選択図】図1
Description
次式を仮定して
チップ上にデジタル制御部および二つの出力ステージを備えた完全一体型DC-DCコンバータを、本発明に従い設計し製造した。DC-DCコンバータに組み込まれたデジタルコントローラは、TSMC社製の 0.25μm 2.5V 標準セルを用いて製造した。出力ステージならびに関連するゲートドライバは、TSMC社製 0.25μm 12Vの厚い酸化物デバイスを用いて製造した。各パワートランジスタは、中央に配置されたゲートドライバを有する2つの同一のセグメントに分けられている。このレイアウトの方策は、トランジスタを構成する各フィンガに対するゲート信号のタイミングのずれを低減した。メインおよび補助コンバータの複数のスイッチングノードは、パワーステージ電流が均等に分配されるように交互に配置して提供される。表2に示されるオン抵抗は設計目標の1つの例である。実際の値は、製造技術やアプリケーションにより変化する。製造された本発明の一体型DC-DCコンバータの実施例に関し、12Vゲート・ソース間電圧(PMOSに関して-12V)の下で、シミュレートしたパワートランジスタの典型的なオン抵抗を、以下表2に示す。
Claims (11)
- メインコンバータ出力ステージと、
前記メインコンバータ出力ステージに並列に接続された補助コンバータ出力ステージと、
前記メインコンバータ出力ステージおよび前記補助コンバータ出力ステージに接続されていると共に、負荷の過渡変動が現れていないときに線形制御モードで作動する一方、負荷の過渡変動が検出されるときに非線形制御モードで作動するデジタルコントローラと、を備え、
前記デジタルコントローラは、前記負荷の過渡変動が検出されるときに出力電圧スルーレートを感知し、前記非線形制御モードから前記線形制御モードへ戻るスムースな移行を確実にするように前記線形制御モードに適用されるデューティ比の予測を決定することを特徴とするDC-DCコンバータ。 - 前記線形制御モードが比例−積分−微分制御モードである、請求項1に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記メインコンバータ出力ステージおよび前記補助コンバータ出力ステージはそれぞれハイサイドスイッチ、ローサイドスイッチおよびインダクタを備えている、請求項1又は2に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記デジタルコントローラは、負荷の過渡変動が検出されず且つ前記DC-DCコンバータが定常状態で作動されているとき、前記補助コンバータ出力ステージを作動不能にする、請求項1〜3の何れか1項に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記補助コンバータ出力ステージに設けられた補助コンバータ出力ステージパワートランジスタのオン抵抗は、前記補助コンバータ出力ステージの作動時間が前記メインコンバータステージの回復時間よりも小さくなるようにされている請求項1〜4の何れか1項に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記オン抵抗の上限が約0.5 Ωである、請求項5に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記メインコンバータ出力ステージの前記補助コンバータ出力ステージに対するインダクタンスの比(LM/LA)は、過渡変動回復の間、誘導された出力電圧アンダシュートΔVUndershootが出力電圧のオーバシュートΔVOvershoot 以下となるようにされている請求項2〜6の何れか1項に記載のDC-DCコンバータ。
- メインコンバータ出力ステージに並列に接続された補助コンバータ出力ステージ、ならびに前記メインコンバータ出力ステージおよび前記補助コンバータ出力ステージに接続され、負荷の過渡変動が現れていないときに線形制御モードで作動し、負荷の過渡変動が検出されるときに非線形制御モードで作動するデジタルコントローラを備えたDC-DCコンバータの作動方法であって、
前記デジタルコントローラにより負荷の過渡変動が検出されないときに前記DC-DCコンバータを定常状態に維持するため前記デジタルコントローラを前記線形制御モードで作動し、
前記デジタルコントローラにより負荷の過渡変動が検出されるときに前記デジタルコントローラを前記非線形制御モードで作動するように駆動し、
前記デジタルコントローラを用いて負荷ステップの検知を実行し、
前記負荷ステップの検知に基づいて前記デジタルコントローラでもって前記メインコンバータ出力ステージおよび前記補助コンバータ出力ステージの切換指令を出力し、
前記デジタルコントローラでもってデューティ比予測を実行し、前記非線形制御モードから前記線形制御モードへのスムースな移行を確実にするために予測したデューティ比を前記線形モードに適用すること、を含むことを特徴とするDC-DCコンバータの作動方法。 - 前記コンバータの出力電圧が定常状態に落ち着くまでブロック状態を適用することを更に含む、請求項8記載のDC-DCコンバータの作動方法。
- 前記線形制御モードは比例−積分−微分制御である、請求項8又は9に記載のDC-DCコンバータの作動方法。
- 前記メインコンバータ出力ステージの前記補助コンバータ出力ステージに対するインダクタンスの比率(LM/LA) は、過渡変動回復の間、誘導される出力電圧アンダシュートΔVUndershootが、常に出力電圧オーバシュートΔVOvershoot以下となるようにされている、請求項8〜10の何れか1項に記載のDC-DCコンバータの作動方法。
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