JP4203464B2 - Dc−dcコンバータ - Google Patents

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Description

本発明は、外部同期機能を有するカレントモード制御方式のDC−DCコンバータに関する。
近年、携帯機器をはじめとする各種電子機器において、電子回路へ電源電圧の供給を行なう電源回路にはスイッチング式のDC−DCコンバータが多用されている。これら電源回路には、機器の省エネ要望又は多機能化に伴い、複数のDC−DCコンバータを併設する際の同期運転機能、又は負荷急変等の過渡時の高速応答化が求められている。このような要望に対応するために、高速応答性に優れたカレントモード制御方式のDC−DCコンバータがある。
以下に、カレントモード制御方式のDCーDCコンバータについて、図6(a)及び(b)を参照しながら説明する。
まず、カレントモード制御方式のDCーDCコンバータの一般的な回路構成について、図6(a)を参照しながら説明する。
図6(a)に示すように、ハイサイドスイッチ11及びローサイドスイッチ12は、直列に接続されており、入力電圧Vinが印加される。ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12とが交互にオン・オフし、ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12との接続点にスイッチング電圧が発生する。
ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12との接続点に接続されたインダクタ13とコンデンサ14とによってLCフィルタを構成しており、該LCフィルタは、ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12との接続点に発生するスイッチング電圧を整流し且つ平滑化して出力電圧Voutを出力する。
誤差増幅器15は、出力電圧Voutと基準電圧Vrefとを比較し、その比較結果を増幅して誤差信号Veを出力する。ランプ信号発生回路16は、クロック信号CLKに同期した鋸波状のランプ信号Vcを出力する。演算回路17は、誤差信号Veからランプ信号Vcを減算して出力信号(Ve−Vc)を出力する。電流検出回路18は、インダクタ13に流れる電流を検出し、電流信号Viを出力する。比較器19は、演算回路17からの出力信号(Ve−Vc)と電流信号Viとを比較し、その比較結果を出力する。
RSラッチ20は、クロック信号CLKでセットされ、比較器19の出力信号(Ve−Vc)に基づいてリセットされ、ハイサイドスイッチ11及びローサイドスイッチ12に対して駆動信号を出力する。
次に、一般的なカレントモード制御方式のDC−DCコンバータの動作について説明する。
まず、RSラッチ20がクロック信号CLKによってセットされると、ハイサイドスイッチ11がオンとなると共にローサイドスイッチ12がオフになる。このとき、インダクタ13には入力電圧Vinと出力電圧Voutとの差電圧(Vin−Vout)が印加される。インダクタ13は差電圧(Vin−Vout)によって磁化されるので、インダクタ13に流れる電流は増加する。従って、このインダクタ13に流れる電流に応じた電流信号Viも上昇する。一方、ランプ信号発生回路16はランプ信号Vcをゼロから徐々に上昇させるので、演算回路17における誤差信号Veとランプ信号Vcとの演算結果である出力信号(Ve−Vc)は徐々に低下する。電流信号Viが出力信号(Ve−Vc)を上回ると、比較器19からの出力信号が反転するので、その反転された出力信号によってRSラッチ20はリセットされる。これにより、ハイサイドスイッチ11はターンオフすると共にローサイドスイッチ12はターンオンする。
ハイサイドスイッチ11がオフであると共にローサイドスイッチ12がオンであるとき、インダクタ13には出力電圧Voutが逆方向に印加される。このため、インダクタ13は電圧(−Vout)によって消磁されるので、インダクタ13に流れる電流は減少する。この状態は、クロック信号CLKによってRSラッチ20が再びセットされて、ハイサイドスイッチ11がターンオンすると共にローサイドスイッチ12がターンオフするまで継続する。以上の動作を繰り返しながら出力電圧Voutは供給される。
次に、出力電圧Voutを安定化させる動作について説明する。
出力電圧Voutが所望値よりも高くなろうとすると、誤差増幅器15は誤差信号Veを低下させる。このため、電流信号Viが演算回路17からの出力信号(Ve−Vc)を上回るレベルも低下していくので、その結果、インダクタ13に流れる電流を減少させるようになる。すなわち、出力へ供給する電力を抑制することにより、出力電圧Voutを低下させるようになる。逆に、出力電圧Voutが低下していくと、前述の動作と反対の動作が行なわれるので、出力電圧Voutを上昇させるようになる。
なお、図6(b)は、前述した出力電圧Voutの安定化動作におけるクロック信号CLK、ランプ信号Vc、演算回路17からの出力信号(Ve−Vc)、及び電流信号Viの動作波形を示している。
以上のような制御動作において、ランプ信号発生回路16からのランプ信号Vcが無い場合には、ハイサイドスイッチ11のオン時間がスイッチング周期の50%以上になると、制御動作が不安定になるという現象が知られている。このような不安定現象を回避する技術として、電流信号Viが比較される誤差信号Veにランプ信号Vcを重畳させるスロープ補償と呼ばれる技術が提案されている。スロープ補償については、例えば特許文献1においては、ランプ信号の傾きを出力電圧から設定する技術が開示されており、また、特許文献2においては、ランプ信号の傾きを入出力電圧から設定する技術が開示されている。
USP4,674,020 特開平6−189528
しかしながら、前述の従来技術によると、クロック信号CLKに同期してランプ信号Vcを発生させているが、スロープ補償が必要なタイミングは、本来、1スイッチング周期内の50%以降である。クロック信号CLKに同期して1スイッチング周期の最初からランプ信号Vcを増加させると、1スイッチング周期が長い場合には、電流信号Viと比較される出力信号(Ve−Vc)が1スイッチング周期の終わりには低下し過ぎることになる。すなわち、ハイサイドスイッチ11のオン時間が長くなる低入力電圧時には電流信号Viが低く抑えられてしまうので、充分な電力を出力に供給できなくなる。逆に、低入力電圧時の出力電力を確保しようとすると、高入力電圧時に必要以上の出力電力が供給されてしまう。
このような点に鑑みると、必要とされる1スイッチング周期の後半、実際には各素子の特性バラツキ等をも考慮すると、1スイッチング周期の40%ぐらいからランプ信号Vcを増加させ始めることが望ましい。DC−DCコンバータの内部においてクロック信号CLKを発生させる場合には、1スイッチング周期の40%からランプ信号Vcを増加させるような設定を行なうことは容易であるが、DC−DCコンバータの外部からクロック信号CLKが入力されてくる場合、すなわちDC−DCコンバータに外部同期機能が必要な場合には、前述の従来の技術では、1スイッチング周期の40%からランプ信号CLKを増加させるような設定を行なうこと困難である。
前記に鑑み、本発明の目的は、外部同期機能を有するカレントモード制御方式のDC−DCコンバータにおいて、スロープ補償に必要なランプ信号の増加を、1スイッチング周期における例えば40%といった所定の割合の時点から開始させることが可能なDC−DCコンバータを提供することである。
前記の目的を達成するために、本発明の第1のDC−DCコンバータは、入力電圧を受け、入力電圧から連続的な所定の周期を有したスイッチング電圧を生成して出力するスイッチング手段と、スイッチング手段からのスイッチング電圧をインダクタに受け、インダクタに発生する電圧を整流し平滑化した出力電圧を出力する出力電圧生成手段と、ランプ信号を生成して出力するランプ信号発生手段と、インダクタに流れる電流に応じた電流信号と、出力電圧に応じた誤差信号と、ランプ信号発生手段からのランプ信号とを用いた演算を行なって、スイッチング手段の動作を制御する制御信号を生成してスイッチング手段に出力する制御手段とを備え、ランプ信号発生手段は、所定の周期を有したクロック信号を分周して、第1の周期と第2の周期とを有した分周信号を出力する分周回路と、分周信号に基づいて、第1の周期には、第1の周期の開始時に放電した後に定電流充電を行なうと共に、第2の周期には、第1の周期において充電された電圧を保持する、第1の静電容量を持つ第1のコンデンサ及び第2の静電容量を持つ第2のコンデンサよりなる第1の直列回路と、分周信号に基づいて、第2の周期には、第2の周期の開始時に放電した後に定電流充電を行なうと共に、第1の周期には、第2の周期において充電された電圧を保持する、第1の静電容量と等しい容量である第3の静電容量を持つ第3のコンデンサ及び第2の静電容量と等しい容量である第4の静電容量を持つ第4のコンデンサよりなる第2の直列回路とを少なくとも含み、第1の直列回路の電圧が第4のコンデンサの電圧に到達するまでの期間と、第2の直列回路の電圧が第2のコンデンサの電圧に到達するまでの期間とにおいては、一定値に保持されたランプ信号を出力することを特徴とする。
本発明の第1のDC−DCコンバータによると、外部同期型のカレントモード制御方式のDC−DCコンバータにおいて、任意の外部クロック信号に対して、該クロック信号の周期における所定の割合の期間経過後に増加する、スロープ補償のためのランプ信号を発生させることが可能である。これにより、高入力電圧時の出力電力供給能力を過大にすることなく、低入力電圧時の出力電力を確保することができる。
本発明の第1のDC−DCコンバータにおいて、第1の静電容量は、第2の静電容量よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、スロープ補償に必要なランプ信号の発生を1スイッチング周期の50%未満に設定することができる。
本発明の第2のDC−DCコンバータは、入力電圧を受け、入力電圧から連続的な所定の周期を有したスイッチング電圧を生成して出力するスイッチング手段と、スイッチング手段からのスイッチング電圧をインダクタに受け、インダクタに発生する電圧を整流し平滑化した出力電圧を出力する出力電圧生成手段と、ランプ信号を生成して出力するランプ信号発生手段と、インダクタに流れる電流に応じた電流信号と、出力電圧に応じた誤差信号と、ランプ信号発生手段からのランプ信号とを用いた演算を行なって、スイッチング手段の動作を制御する制御信号を生成してスイッチング手段に出力する制御手段とを備え、ランプ信号発生手段は、所定の周期を有したクロック信号を分周して、第1の周期と第2の周期とを有した分周信号を出力する分周回路と、分周信号に基づいて、第1の周期には、第1の電流値で定電流充電を行なうと共に、第2の周期には、第2の電流値で定電流放電を行なう、第1の静電容量を持つ第1のコンデンサと、分周信号に基づいて、第1の周期には、第2の電流値で定電流放電を行なうと共に、第2の周期には、第1の電流値で定電流充電を行なう、第1の静電容量と等しい容量である第2の静電容量を持つ第2のコンデンサとを少なくとも含み、第1の周期における第1のコンデンサの電圧が第2のコンデンサの電圧に到達するまでの期間と、第2の周期における第2のコンデンサの電圧が第1のコンデンサの電圧に到達するまでの期間とにおいて、一定値に保持されたランプ信号を出力することを特徴とする。
本発明の第2のDC−DCコンバータによると、外部同期型のカレントモード制御方式のDC−DCコンバータにおいて、任意の外部クロック信号に対して、該クロック信号の周期における所定の割合の期間経過後に増加する、スロープ補償のためのランプ信号を発生させることが可能である。これにより、高入力電圧時の出力電力供給能力を過大にすることなく、低入力電圧時の出力電力を確保することができる。
本発明の第2のDC−DCコンバータにおいて、第1の電流値は、第2の電流値よりも小さいことが好ましい。
このようにすると、スロープ補償に必要なランプ信号の発生を1スイッチング周期の50%未満に設定することができる。
本発明の第2のDC−DCコンバータにおいて、ランプ信号発生手段は、第1の周期における第1のコンデンサの定電流充電前に、第1のコンデンサを放電すると共に、第2の周期における第2のコンデンサの定電流充填前に、第2のコンデンサを放電することが好ましい。
こようにすると、スロープ補償のためのランプ信号の発生を周期の後半に設定することが可能になる。
本発明の第1又は第2のDC−DCコンバータにおいて、ランプ信号を出力するランプ信号発生手段を複数備えており、複数のランプ信号発生手段の各々から出力されるランプ信号を加算した信号が制御手段に出力されることが好ましい。
このようにすると、周期の後半にランプ信号の傾きを大きくすることが可能になるので、周期の後半においてスロープ補償を強くすることができる。
本発明のDC−DCコンバータによれば、クロック信号に同期してスイッチング動作するカレントモード制御方式において、スロープ補償に必要なランプ信号の増加を、1スイッチング周期の例えば40%といった所定の割合の時刻から開始させることができる。これにより、高入力電圧時の出力電力供給能力を過大にすることなく、低入力電圧時の出力電力を確保することができる。
以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
(第1の実施形態)
以下に、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータについて、図1及び図2を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成図を示している。
図1に示すように、ハイサイドスイッチ11及びローサイドスイッチ12(スイッチング手段)は、直列に接続されており、入力電圧Vinが印加される。ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12とが交互にオン・オフし、ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12との接続点にスイッチング電圧が発生する。
ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12との接続点に接続されたインダクタ13とコンデンサ14とによってLCフィルタ(出力電圧生成手段)が構成されており、該LCフィルタは、ハイサイドスイッチ11とローサイドスイッチ12との接続点に発生するスイッチング電圧を整流し且つ平滑化して出力電圧Voutを出力する。
誤差増幅器15は、出力電圧Voutと基準電圧Vrefとを比較し、その比較結果を増幅して誤差信号Veを出力する。ランプ信号発生回路(ランプ信号発生手段)100は、クロック信号CLKに同期した鋸波状のランプ信号Vcを出力する。演算回路17は、誤差信号Veからランプ信号Vcを減算して出力信号(Ve−Vc)を出力する。電流検出回路18は、インダクタ13に流れる電流を検出し、電流信号Viを出力する。比較器19は、演算回路17からの出力信号(Ve−Vc)と電流信号Viとを比較し、その比較結果を出力する。
RSラッチ20は、クロック信号CLKでセットされ、比較器19の出力信号(Ve−Vc)に基づいてリセットされ、ハイサイドスイッチ11及びローサイドスイッチ12に対して駆動信号(制御信号)を出力する。なお、ここでは、例えば、演算回路17、比較器19、及びRSラッチ20によって制御手段が構成され、該制御手段は、誤差増幅器15からの誤差信号Ve、インダクタ13に流れる電流に応じた電流信号Vi、及びランプ信号発生回路100からのランプ信号Vcとを用いた演算を行なって、スイッチング手段の動作を制御する制御信号(駆動信号)を出力する。
以下に、図1に示したDC−DCコンバータの動作について、図2を参照しながら説明する。
まず、RSラッチ20がクロック信号CLKを受けてセットされると、ハイサイドスイッチ11がオンになると共に、ローサイドスイッチ12がオフになる。このとき、インダクタ13には入力電圧Vinと出力電圧Voutとの差電圧(Vin−Vout)が印加される。インダクタ13は差電圧(Vin−Vout)によって磁化されるので、インダクタ13に流れる電流は増加する。従って、インダクタ13に流れる電流に応じた電流信号Viも上昇する。電流信号Viが演算回路17からの出力信号(Ve−Vc)を上回ると、比較器19からの出力信号が反転するので、その反転された出力信号によってRSラッチ20はリセットされる。このため、ハイサイドスイッチ11をターンオフすると共に、ローサイドスイッチ12をターンオンする。
ハイサイドスイッチ11がオフであると共にローサイドスイッチ12がオンであるとき、インダクタ13には出力電圧Voutが逆方向に印加される。このため、インダクタ13は電圧(−Vout)によって消磁されるので、インダクタ13に流れる電流は減少する。この状態は、クロック信号CLKによってRSラッチ20が再びセットされて、ハイサイドスイッチ11がターンオンすると共にローサイドスイッチ12がターンオフするまで継続する。以上の動作を繰り返しながら出力電圧Voutは供給される。
また、出力電圧Voutが所望値よりも高くなろうとすると、誤差増幅器15は誤差信号Veを低下させる。このため、電流信号Viが演算回路17からの出力信号(Ve−Vc)を上回るレベルも低下していくので、その結果、インダクタ13に流れる電流を減少させるようになる。すなわち、出力へ供給する電力を抑制することにより、出力電圧Voutを低下させるようになる。一方、出力電圧Voutが所望値よりも低くなろうとすると、前述の動作と反対の動作が行なわれるので、出力電圧Voutを上昇させるようになる。このようにして、出力電圧Voutは所望値となるように安定化される。
以下に、図1に示したランプ信号発生回路100の構成について説明する。
図1のランプ信号発生回路100において、分周回路101はクロック信号CLKの周波数を半分の周波数に分周し、クロック信号CLKの周期の2倍の周期を持つ分周信号CLK1を出力する。第1の定電流回路102は分周信号CLK1を受け、分周信号が“H”レベルのときに定電流Icを流す。第1の立上りエッジ検出回路103は分周信号CLK1を受け、分周信号CLK1の立上りエッジに同期してワンショットパルスを出力する。第1のRSラッチ104は、第1の立上りエッジ検出回路103からのワンショットパルスを受けてセットされる。第1のNチャンネルFET105及び第2のNチャンネルFET106は直列に接続されており、それぞれのゲートに第1のRSラッチ104からの出力信号を受ける。第1の静電容量を有する第1のコンデンサ107及び第2の静電容量を有する第2のコンデンサ108は直列に接続されており、第1のコンデンサ107は第1のNチャンネルFET105のドレイン−ソース間に接続されており、第2のコンデンサ108は第2のNチャンネルFET106のドレイン−ソース間に接続されている。第1のNチャンネルFET105及び第1のコンデンサ107は第1の定電流回路102に接続されており、第2のNチャンネルFET106及び第2のコンデンサ108は接地されている。第1の比較器109は、第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の直列回路の電圧Vc1と基準電圧Vr1とを比較し、その比較結果を出力する。ここで、基準電圧Vr1は、例えば0.1Vのような接地電位に近い値に設定する。第1の比較器109からの出力に基づいて第1のRSラッチ104はリセットされる。なお、第2のコンデンサ108の電圧をVc2とする。
また、図1のランプ信号発生回路100において、インバータ110は、分周回路101からの分周信号CLK1を受け、分周信号CLK1を反転して出力する。第2の定電流回路111は、第2の定電流回路102と同様に、定電流Icを流す回路であり、インバータ110からの出力信号を受け、その出力信号が“H”レベル、すなわち分周信号CLK1が“L”レベルのときに定電流Icを流す。第2の立上りエッジ検出回路112は、インバータ110からの出力信号の立上りエッジに同期してワンショットパルスを出力する。第2のRSラッチ113は、第2の立上りエッジ検出回路112からのワンショットパルスを受けてセットされる。第3のNチャンネルFET114及び第4のNチャンネルFET115は直列に接続されており、それぞれのゲートに第2のRSラッチ113からの出力信号をゲートに受ける。第1の静電容量と等しい容量である第3の静電容量を有する第3のコンデンサ116は第3のNチャンネルFET114のドレイン−ソース間に接続されており、第2の静電容量と等しい容量である第4の静電容量を有する第4のコンデンサ117は第4のNチャンネルFET115のドレイン−ソース間に接続されている。第3のNチャンネルFET114及び第3のコンデンサ116は、第2の定電流回路111に接続されており、第4のNチャンネルFET115及び第4のコンデンサ117は接地されている。第2の比較器118は、第3のコンデンサ116及び第4のコンデンサ117の直列回路の電圧Vc3と基準電圧Vr1とを比較し、その比較結果を出力する。第2の比較器118からの出力に基づいて第2のRSラッチ113はリセットされる。なお、第4のコンデンサ117の電圧をVc4とする。
また、図1のランプ信号発生回路100において、第3の比較器119は第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の直列回路の電圧Vc1と第4のコンデンサ117の電圧Vc4とを比較し、その比較結果を出力する。また、第4の比較器120は第3のコンデンサ116及び第4のコンデンサ117の直列回路の電圧Vc3と第2のコンデンサ108の電圧Vc2とを比較し、その比較結果を出力する。ORゲート121は、第3の比較器119の出力と第4の比較器120の出力とを受け、出力Vgcを生成し出力する。第5のNチャンネルFET122は、ゲートにORゲート121の出力Vgcを受け、ソースは接地されている。第5のコンデンサ123は、第5のNチャンネルFET122のドレイン−ソース間に接続されている。第3の定電流回路124は、第5のNチャンネルFET122のドレインに接続されている。そして、第5のNチャンネルFET122のドレイン電圧、つまり、第5のコンデンサ123の電圧がランプ信号Vcとして出力される。
以下に、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータにおける特徴部分であるランプ信号発生回路100の動作について、図1及び図2を参照しながら説明する。なお、図2はランプ信号発生回路100の動作を表し、具体的にはランプ信号発生回路100における各部の動作、つまり、クロック信号CLK、分周信号CLK1、電圧Vc1、電圧Vc4、電圧Vc2、電圧Vc3、出力Vgc、及びランプ信号Vcの動作波形図を示している。
図2に示すように、クロック信号CLKは所定の周期で“H”レベルと“L”レベルとを繰り返す。また、クロック信号CLKが分周回路101によって半分の周波数に分周された分周信号CLK1は、クロック信号CLKの周期の2倍の周期を有し、クロック信号CLKの立上りに同期して“H”レベルと“L”レベルとを繰り返す。分周信号CLK1が“H”レベルになると、その立上りエッジを検出した立上りエッジ検出回路103はワンショトパルスを出力し、第1のRSラッチ104をセットする。
セットされたRSラッチ104は出力を“H”レベルとし、第1のNチャンネルFET105及び第2のNチャンネルFET106をターンオンする。第1のNチャンネルFET105及び第2のNチャンネルFET106がオンすることにより、第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の電圧Vc1はゼロへ急速に放電される。第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の直列回路の電圧Vc1が基準電圧Vr1(=0.1V)を下回ると、第1の比較器109は出力を“H”レベルとし、第1のRSラッチ104をリセットする。
リセットされた第1のRSラッチ104は出力を“L”レベルとし、第1のNチャンネルFET105及び第2のNチャンネルFET106をターンオフする。一方、分周信号CLK1は“H”レベルであるので、第1の定電流回路102は定電流Icを供給している。従って、第1のNチャンネルFET105及び第2のNチャンネルFET106をターンオフすると、第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108は定電流Icによって充電され、第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の電圧Vc1は直線的に増加する。ここで、第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の静電容量をそれぞれC1,C2とすると、電圧Vc1及び第2のコンデンサ108の電圧Vc2は、それぞれ下記式(1)及び式(2)によって表される。
Vc1=Ic×t×(1/C1+1/C2) ・・・(1)
Vc2=Ic×t/C2 ・・・(2)
分周信号CLK1が“L”レベルになると、第1の定電流回路102は動作を停止し、定電流Icを供給しなくなり、第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の電圧Vc1は変化せずに保持される。ここで、このときの電圧Vc1及び電圧Vc2は、クロック信号CLKの周期をTsとすると、それぞれ下記式(3)及び(4)によって表される。
Vc1=Ic×Ts×(1/C1+1/C2) ・・・(3)
Vc2=Ic×Ts/C2 ・・・(4)
一方、分周信号CLK1がインバータ110によって反転した後における第2の定電流回路111、第2の立上りエッジ検出回路112、第2のRSラッチ113、第3のNチャンネルFET114及び第4のNチャンネルFET115、第3のコンデンサ116及び第4のコンデンサ117、並びに第2の比較器118の構成及び動作は、前述した第1の定電流回路102、第1の立上りエッジ検出回路103、第1のRSラッチ104、第1のNチャンネルFET105及び第2のNチャンネルFET106、第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108、並びに第1の比較器109の構成及び動作と基本的には同様である。しかし、分周信号CLK1がインバータ110を介して反転されて入力されることにより、分周信号CLK1が“H”レベルで第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108が充電されている間には、第3のコンデンサ116及び第4のコンデンサ117の直列回路の電圧Vc3、及び第4のコンデンサ117の電圧Vc4の値は保持される。反対に、分周信号CLK1が“L”レベルで第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の電圧が保持されている間には、第3のコンデンサ116及び第4のコンデンサ117の直列回路の電圧Vc3、並びに第4のコンデンサVc4は充電される。このように、第3のコンデンサ116及び第4のコンデンサ117の直列回路の電圧Vc3、並びに第4のコンデンサ117の電圧Vc4は、それぞれ、第1のコンデンサ107及び第2のコンデンサ108の直列回路の電圧Vc1、並びに第2のコンデンサ108の電圧Vc2とは位相の点で異なるが、それぞれ電圧Vc1及びVc2と同様に変化する。
ところで、第3の比較器119から“H”レベルが出力される場合とは、電圧Vc1<電圧Vc4の場合であり、図2に示すように、分周信号CLK1が“H”レベルのときであって、且つ上昇する電圧Vc1が電圧Vc4に至るまでの期間Tqである。期間Tqの経過時には、下記式(5)
Ic×Tq×(1/C1+1/C2)=Ic×Ts/C2 ・・・(5)
が成立するので、期間Tqは下記式(6)で表される。
Tq=Ts×C1/(C1+C2) ・・・(6)
同様に、第4の比較器120から“H”レベルが出力される場合とは、電圧Vc2<電圧Vc3の場合であり、図2に示すように、分周信号CLK1が“L”レベルのときであって、且つ上昇する電圧Vc3が電圧Vc2に至るまでの期間である。このため、この期間についても前述と同様にして求められ、前述した期間Tqに等しくなる。従って、第3の比較器119の出力と第4の比較器120の出力との論理和であるORゲート121の出力Vgcは、図2に示すように、クロック信号CLKに同期して、期間Tqだけ“H”レベルとなる。さらに、ORゲート121の出力Vgcが“H”レベルの期間では、第5のNチャンネルFET122はオン状態であり、第5のコンデンサ123は地絡されるので、図2に示すように、ランプ信号Vcはゼロである。一方、ORゲート121の出力Vgcが“L”レベルの期間では、第5のコンデンサ123は第3の定電流回路124によって充電されるので、図2に示すように、ランプ信号Vcは上昇する。
ここで、ランプ信号Vcがゼロとなる期間Tqは、前述した式(6)に示したように、静電容量C1及びC2によって調整することが可能であり、クロック信号CLKの周期TsのC1/(C1+C2)倍に設定することができる。例えばTq=0.4×Tsに設定したい場合であれば、C2=1.5×C1にすればよい。
以上のように第1の実施形態によると、外部同期型のカレントモード制御方式のDC−DCコンバータにおいて、任意の外部クロック信号に対して、該クロック信号の周期における所定の割合の期間経過後に増加する、スロープ補償のためのランプ信号を発生させることが可能である。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータについて、図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成図を示している。
図3において、図1に示した第1の実施形態に係るDC−DCコンバータと同様の構成要素には同じ符号を付しており、その説明は省略する。第2の実施形態に係るDC−DCコンバータが図1に示した第1の実施形態に係るDC−DCコンバータと異なる点は、ランプ信号発生回路の構成であり、第2の実施形態に係るDC−DCコンバータにおける特徴部分である。従って、以下では、図3に示すランプ信号発生回路(ランプ信号発生手段)200の構成及び動作について説明する。
図3のランプ信号発生回路200において、分周回路201はクロック信号CLKの周波数を半分に分周し、クロック信号CLKの周期の2倍の周期を持つ分周信号CLK1を出力する。第1の定電流回路202は高電位側から定電流I1を流すと共に、第2の定電流回路203は定電流I2を接地へ流す。第2の定電流回路203はその電位が接地電位に近づくと、電流源としての機能を失って電流を流せなくなるものとする。インバータ204は分周信号CLK1を受け、分周信号CLK1を反転して出力する。第1のNチャンネルFET205及び第2のNチャンネルFET206は直列に接続されており、第1のNチャンネルFET205はドレインが第1の定電流回路202に接続されており、第2のNチャンネルFET206はソースが第2の定電流回路203に接続されている。また、第1のNチャンネルFET205は分周信号CLK1をゲートに受け、第2のNチャンネルFET206はインバータ204からの出力信号をゲートに受ける。第1の静電容量を有する第1のコンデンサ207は、第1のNチャンネルFET205と第2のNチャンネルFET206との接続点と接地との間に接続されている。なお、第1のコンデンサ207の電位をVc5とする。
また、図3のランプ信号発生回路200において、第3のNチャンネルFET208及び第4のNチャンネルFET209は直列に接続されており、第3のNチャンネルFET208はドレインが第1の定電流回路202に接続されており、第4のNチャンネルFET209はソースが第2の定電流回路203に接続されている。また、第3のNチャンネルFET208はインバータ204からの出力信号をゲートに受け、第4のNチャンネルFET209は分周信号CLK1をゲートに受ける。第1の静電容量と等しい容量である第2の静電容量を持つ第2のコンデンサ210は、第3のNチャンネルFET208と第4のNチャンネルFET209との接続点と接地との間に接続されている。なお、第2のコンデンサ210の電位をVc6とする。
また、図3のランプ信号発生回路200において、比較器211は、第1のコンデンサ207の電圧Vc5と第2のコンデンサ210の電圧Vc6とを比較し、出力Vcxを生成し出力する。XORゲート212は、分周信号CLK1と比較器211の出力Vcxとを受け、出力Vgcを生成し出力する。第5のNチャンネルFET213は、XORゲート212の出力Vgcをゲートに受け、ソースが接地されている。第3のコンデンサ214は、第5のNチャンネルFET213のドレイン−ソース間に接続されている。第3の定電流回路215は、第5のNチャンネルFET213のドレインに接続されている。そして、第5のNチャンネルFET213のドレイン電圧、つまり、第3のコンデンサ214の電圧がランプ信号Vcとして出力される。
以下に、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータにおける特徴部分であるランプ信号発生回路200の動作について、図3及び図4を参照しながら説明する。なお、図4はランプ信号発生回路200の動作を表し、具体的にはランプ信号発生回路200における各部の動作、つまり、クロック信号CLK、分周信号CLK1、電圧Vc5、電圧Vc6、電圧Vcx、出力Vgc、及びランプ信号Vcの動作波形図を示している。
図4に示すように、クロック信号CLKは所定の周期で“H”レベルと“L”レベルとを繰り返す。また、クロック信号CLKが分周回路201によって半分の周波数に分周された分周信号CLK1は、クロック信号CLKの周期の2倍の周期を有し、クロック信号CLKの立上りに同期して“H”レベルと“L”レベルとを繰り返す。分周信号CLK1が“H”レベルになると、分周信号CLK1をゲートに受ける第1のNチャンネルFET205及び第4のNチャンネルFET209はオン状態となり、分周信号CLK1がインバータ204を介してゲートに受ける第2のNチャンネルFET206及び第3のNチャンネルFET208はオフ状態となる。このため、第1のコンデンサ207は第1の定電流回路202からの定電流I1によって充電される一方、第2のコンデンサ210は第2の定電流回路203への定電流I2によって放電される。定電流I2は定電流I1よりも大きく設定されているので、第2のコンデンサ210の電圧Vc6は、分周信号CLK1が“H”レベルである期間内にゼロに到達する。
一方、分周信号CLK1が“L”レベルのときは、第1のNチャンネルFET205及び第4のNチャンネルFET209はオフ状態であり、第2のNチャンネルFET206及び第3のNチャンネルFET208はオン状態となる。このため、第1のコンデンサ207は第2の定電流回路203への定電流I2によって放電される一方、第2のコンデンサ210は第1の定電流回路202からの定電流I1によって充電される。第1のコンデンサ207の電圧Vc5は、分周信号CLK1が“L”レベルである期間内にゼロに到達する。
ここで、分周信号CLK1が“H”レベルであるとき、クロック信号CLKの周期をTsとすると、充電される第1のコンデンサ207の電圧Vc5と、放電される第2のコンデンサ210の電圧Vc6とは、それぞれ下記式(7)及び式(8)によって表される。
Vc5=I1×t/C ・・・(7)
Vc6=(I1×Ts−I2×t)/C ・・・(8)
なお、分周信号CLK1が“L”レベルであるときは、前記各式が逆、つまり、電圧Vc5が式(8)で表され、電圧Vc6が式(8)で表される。
比較器211は第1のコンデンサ207の電圧Vc5と第2のコンデンサ210の電圧Vc6とを比較し、その比較結果を出力する。従って、図4に示すように、比較器211からの出力Vcxは、クロック信号CLKに同期して逆位相で増減を繰り返す電圧Vc5と電圧Vc6とが交差する時に反転する。クロック信号CLKが立ち上がってから電圧Vc5と電圧Vc6とが交差するまでの時間Tyについては、下記式(9)
I1×Ty/C=(I1×Ts−I2×Ty)/C ・・・(9)
が成立するので、その期間Tyは下記式(10)によって表される。
Ty=Ts×I1/(I1+I2) ・・・(10)
また、図4に示すように、XORゲート212からの出力Vgcは、比較器211の出力Vcxと分周信号CLK1との排他的論理和であるので、クロック信号CLKに同期して“H”レベルとなり、期間Tyの経過後に“L”レベルとなる。また、XORゲート212の出力Vgcが“H”レベルである期間は、第5のNチャンネルFET213はオン状態であり、第3のコンデンサ214は地絡されてランプ信号Vcはゼロである。一方、XORゲート212の出力Vgcが“L”レベルである期間は、第3のコンデンサ214は第3の定電流回路215から充電されるので、ランプ信号Vcは上昇する。
ここで、ランプ信号Vcがゼロとなる期間Tyは、前述したように、第1の定電流回路202の電流値I1及び第2の定電流回路203の電流値I2によって調整することが可能であるので、クロック信号CLKの周期TsのI1/(I1+I2)倍に設定することができる。例えば、Ty=0.4×Tsに設定したい場合には、I2=1.5×I1にすればよい。
以上のように第2の実施形態によると、外部同期型のカレントモード制御方式のDC−DCコンバータにおいて、任意の外部クロック信号に対して、該クロック信号の周期における所定の割合の期間経過後に増加する、スロープ補償のためのランプ信号を発生させることが可能である。
なお、以上の第2の実施形態においては、定電流I2は定電流I1よりも大きく設定されている場合について説明した。このようにした理由は、放電電流である定電流I2が充電電流である定電流I1以下であると、周期の終わりの時点にてコンデンサに電荷が残存してコンデンサの電圧がゼロに到達しないために、期間Tyを定めることができなくなるからである。しかしながら、コンデンサを充電する前にコンデンサに残存する電荷を一旦放電すれば、コンデンサを充填する前にコンデンサの電圧をゼロに到達させることができるので、定電流I2を定電流I1よりも大きく設定することは必ずしも必要がない。つまり、例えば、分周信号CLK1が“H”レベルになることをその立上りエッジで検出し、第1のコンデンサ207を一旦急速放電した後に定電流充電する一方で、分周信号CLK1が“L”レベルになることをその立下りエッジで検出し、第2のコンデンサ210を一旦急速放電後に定電流充電するように構成することにより、定電流I2は定電流I1以下であっても構わない。また、分周信号CLK1の代わりに、比較器211の出力Vcxが“H”レベルになることをその立上りエッジで検出し、第2のコンデンサ210を一旦急速放電する一方で、出力Vcxが“L”レベルになることをその立下りエッジで検出し、第1のコンデンサ207を一旦急速放電するように構成してもよい。また、分周信号CLK1と比較器211の出力Vcxとが共に“H”レベルになることをAND検出し、第2のコンデンサ210を一旦急速放電する一方で、分周信号CLK1と比較器211との出力Vcxが共に“L”レベルになることをNOR検出し、第1のコンデンサ207を一旦急速放電するように構成してもよい。このようにすると、スロープ補償のためのランプ信号の発生を周期の後半に設定することも可能である。
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータについて、図5(a)及び(b)を参照しながら説明する。なお、図5(a)は、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成図であって、(b)は、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータにおける要部波形図である。また、図5(a)において、図1に示した第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの構成要素と同様の構成要素には同じ符号を付しており、その説明は省略する。
本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータが、図1に示したDC−DCコンバータと異なる点は、ランプ信号発生回路の構成であって、図1に示したランプ信号発生回路100に加えて、ランプ信号発生回路100と同じ構成のランプ信号発生回路(ランプ信号発生手段)300を付加している点である。このような構成により、ランプ信号Vcは、ランプ信号発生回路100が出力する第1のランプ信号Vc1とランプ信号発生回路300が出力する第2のランプ信号Vc2とが加算された信号となる。また、ランプ信号発生回路300ではその内部に占めるコンデンサの比率をランプ信号発生回路100よりも小さくしている。例えば、図5(b)に示すように、第1のランプ信号Vc1が周期の40%から上昇する波形を有するのに対して、第2のランプ信号Vc2は周期の70%から上昇する波形を有している。このようにすると、図5(b)に示すように、第1のランプ信号Vc1と第2のランプ信号Vc2とが加算されたランプ信号Vcにより、周期の後半ほどスロープ補償を強くすることができる。
以上のように第3の実施形態によると、ランプ信号Vcの傾きは周期の後半になればなる程大きいことが望ましいので、本実施形態の回路構成により、低入力電圧時の出力電力を確保するという本発明の効果をより一層発揮することができる。
本発明は、外部同期機能を有するカレントモード制御方式のDC−DCコンバータに好適である。
本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成図である。 本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータを構成するランプ信号発生回路100における各部の動作波形図である。 本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成図である。 本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータのランプ信号発生回路200における各部の動作波形図である。 (a)は、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータの回路構成図であり、(b)は、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータのランプ信号発生回路における要部の動作波形図である。 (a)は、従来のDC−DCコンバータの回路構成図であり、(b)は、従来のDC−DCコンバータの要部の動作波形図である。
符号の説明
11 ハイサイドスイッチ
12 ローサイドスイッチ
13 インダクタ
14 コンデンサ
15 誤差増幅器
17 演算回路
18 電流検出回路
19 比較器
20 RSラッチ
100 ランプ信号発生回路
101 分周回路
102 第1の定電流回路
103 第1の立上りエッジ検出回路
104 第1のRSラッチ
105 第1のNチャンネルFET
106 第2のNチャンネルFET
107 第1のコンデンサ
108 第2のコンデンサ
109 第1の比較器
110 インバータ
111 第2の定電流回路
112 第1の立上りエッジ検出回路
113 第2のRSラッチ
114 第3のNチャンネルFET
115 第4のNチャンネルFET
116 第3のコンデンサ
117 第4のコンデンサ
118 第2の比較器
119 第3の比較器
120 第4の比較器
121 ORゲート
122 第4のNチャンネルFET
123 第5のコンデンサ
124 第3の電流源回路
201 分周回路
202 第1の定電流回路
203 第2の定電流回路
204 インバータ
205 第1のNチャンネルFET
206 第2のNチャンネルFET
207 第1のコンデンサ
208 第3のNチャンネルFET
209 第4のNチャンネルFET
210 第2のコンデンサ
211 比較器
212 XORゲート
213 第5のNチャンネルFET
214 第3のコンデンサ
215 第3の定電流回路
300 ランプ信号発生回路

Claims (6)

  1. 入力電圧を受け、前記入力電圧から連続的な所定の周期を有したスイッチング電圧を生成して出力するスイッチング手段と、
    前記スイッチング手段からの前記スイッチング電圧をインダクタに受け、前記インダクタに発生する電圧を整流し平滑化した出力電圧を出力する出力電圧生成手段と、
    ランプ信号を生成して出力するランプ信号発生手段と、
    前記インダクタに流れる電流に応じた電流信号と、前記出力電圧に応じた誤差信号と、前記ランプ信号発生手段からの前記ランプ信号とを用いた演算を行なって、前記スイッチング手段の動作を制御する制御信号を生成して前記スイッチング手段に出力する制御手段とを備え、
    前記ランプ信号発生手段は、
    前記所定の周期を有したクロック信号を分周して、第1の周期と第2の周期とを有した分周信号を出力する分周回路と、
    前記分周信号に基づいて、前記第1の周期には、前記第1の周期の開始時に放電した後に定電流充電を行なうと共に、前記第2の周期には、前記第1の周期において充電された電圧を保持する、第1の静電容量を持つ第1のコンデンサ及び第2の静電容量を持つ第2のコンデンサよりなる第1の直列回路と、
    前記分周信号に基づいて、前記第2の周期には、前記第2の周期の開始時に放電した後に定電流充電を行なうと共に、前記第1の周期には、前記第2の周期において充電された電圧を保持する、前記第1の静電容量と等しい容量である第3の静電容量を持つ第3のコンデンサ及び前記第2の静電容量と等しい容量である第4の静電容量を持つ第4のコンデンサよりなる第2の直列回路とを少なくとも含み、
    前記第1の直列回路の電圧が前記第4のコンデンサの電圧に到達するまでの期間と、前記第2の直列回路の電圧が前記第2のコンデンサの電圧に到達するまでの期間とにおいては、一定値に保持された前記ランプ信号を出力することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. 前記第1の静電容量は、前記第2の静電容量よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  3. 入力電圧を受け、前記入力電圧から連続的な所定の周期を有したスイッチング電圧を生成して出力するスイッチング手段と、
    前記スイッチング手段からの前記スイッチング電圧をインダクタに受け、前記インダクタに発生する電圧を整流し平滑化した出力電圧を出力する出力電圧生成手段と、
    ランプ信号を生成して出力するランプ信号発生手段と、
    前記インダクタに流れる電流に応じた電流信号と、前記出力電圧に応じた誤差信号と、前記ランプ信号発生手段からの前記ランプ信号とを用いた演算を行なって、前記スイッチング手段の動作を制御する制御信号を生成して前記スイッチング手段に出力する制御手段とを備え、
    前記ランプ信号発生手段は、
    前記所定の周期を有したクロック信号を分周して、第1の周期と第2の周期とを有した分周信号を出力する分周回路と、
    前記分周信号に基づいて、前記第1の周期には、第1の電流値で定電流充電を行なうと共に、前記第2の周期には、第2の電流値で定電流放電を行なう、第1の静電容量を持つ第1のコンデンサと、
    前記分周信号に基づいて、前記第1の周期には、前記第2の電流値で定電流放電を行なうと共に、前記第2の周期には、前記第1の電流値で定電流充電を行なう、第1の静電容量と等しい容量である第2の静電容量を持つ第2のコンデンサとを少なくとも含み、
    前記第1の周期における前記第1のコンデンサの電圧が前記第2のコンデンサの電圧に到達するまでの期間と、前記第2の周期における前記第2のコンデンサの電圧が前記第1のコンデンサの電圧に到達するまでの期間とにおいて、一定値に保持された前記ランプ信号を出力することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  4. 前記第1の電流値は、前記第2の電流値よりも小さいことを特徴とする請求項3に記載のDC−DCコンバータ。
  5. 前記ランプ信号発生手段は、
    前記第1の周期における前記第1のコンデンサの前記定電流充電前に、前記第1のコンデンサを放電すると共に、
    前記第2の周期における前記第2のコンデンサの前記定電流充電前に、前記第2のコンデンサを放電することを特徴とする請求項3に記載のDC−DCコンバータ。
  6. 前記ランプ信号を出力する前記ランプ信号発生手段を複数備えており、
    前記複数の前記ランプ信号発生手段の各々から出力される前記ランプ信号を加算した信号が前記制御手段に出力されることを特徴とする請求項1、3又は5に記載のDC−DCコンバータ。
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