JP5091024B2 - スイッチングレギュレータ及びその動作制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、出力電流の変動や、入力電圧の変動に対して高速に応答して出力電圧を所定の電圧で一定にすることができる、低消費電流のスイッチングレギュレータに関する。

従来のスイッチングレギュレータにおける制御用ＩＣは、スイッチングレギュレータの起動や停止によるＩＣ内部電圧の生成過渡状態において、制御の誤動作によって電源を供給するシステムの劣化を生じさせる可能性があった。このような不具合の発生を防止するために、従来のスイッチングレギュレータでは、低電圧誤動作防止回路を用いて、電源電圧が設定電圧以下になると、強制的にスイッチ素子をオフさせる制御を行っていた。この場合、電源電圧が極めて低い値になると、図４に示すように、ＩＣ内部の電源が正常な値になっていないため、電源電圧が正常に立ち上がっていることを正確に確認することができず、低電圧誤動作防止回路自体が正常な動作ができなくなるという問題があった。

そこで、異なる低電圧検出値を有する２つの低電圧誤動作防止回路を備えてこのような問題の解決を図っていた（例えば、特許文献１参照。）。該低電圧検出値の１つは、前記スイッチ素子に使用するパワーＭＯＳＦＥＴの特性によって決まる電圧であり、従来、よく使用されているものであった。もう１つの低電圧検出値は、電源電圧が極めて低い値になったことを検出するためのものであり、スイッチングレギュレータを構成するトランジスタ群のしきい値電圧で決定される電圧になっていた。すなわち、電源電圧が、スイッチングレギュレータの制御用ＩＣを構成しているトランジスタ群のしきい値電圧よりも小さい状態では、スイッチ素子を強制的にオフさせるようにしていた。このようにすることにより、電源電圧が極めて小さい状態でも、低電圧誤動作防止回路が作動して、その時の動作を強制的にオフ状態にすることができ、前記のような誤動作を防止していた。
特開２００５−７８５５７号公報

しかし、このような手法は、電源電圧が、スイッチングレギュレータを構成するトランジスタ群のしきい値電圧で決定される電圧よりも低い状態を検出することで、このような状態を検出している期間、スイッチ素子をなすパワーＭＯＳＦＥＴをオフさせる制御を行っているが、電源電圧が前記トランジスタ群のしきい値電圧よりも大きくなったときに、ＩＣの内部電源が正常な電圧になっているとは限らなかった。ＩＣの内部電源が正常な電圧になっていない場合、図５で示すように、低電圧誤動作防止回路を含むＩＣ内部にある回路が制御不能になる期間が存在し、このような期間において誤動作を引き起こしシステムの劣化を引き起こす可能性があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ＩＣの内部電源が正常な電圧になっているか否かの検出を行うことにより、低電圧誤動作防止回路を含むＩＣ内部にある回路が制御不能になることを防止することができるスイッチングレギュレータ及びその動作制御方法を得ることを目的とする。

この発明に係るスイッチングレギュレータは、入力された電源電圧を、所定の定電圧に変換して出力電圧として出力するスイッチングレギュレータにおいて、
入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチ素子と、
該スイッチ素子のスイッチングによって前記電源電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチ素子がオフして該インダクタへの充電が停止すると、該インダクタの放電を行う整流素子と、
前記出力電圧に比例した第１比例電圧が、所定の第１基準電圧になるように前記スイッチ素子のスイッチング制御を行う制御回路部と、
前記電源電圧が所定値未満であるときは、該制御回路部に対して、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせる低電圧誤動作防止回路部と、
を備え、
前記低電圧誤動作防止回路部は、前記第１基準電圧よりも小さく、前記電源電圧の立ち上がり時に前記第１基準電圧よりも立ち上がり速度が速い第２基準電圧を生成し、前記第１基準電圧が該第２基準電圧よりも小さいか、又は前記電源電圧が前記所定値未満である場合は、前記制御回路部に対して、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせるものである。

具体的には、前記低電圧誤動作防止回路部は、前記電源電圧に比例した第２比例電圧を生成し、該第２比例電圧が前記第１基準電圧未満であるとき、前記電源電圧が前記所定値未満であると判定するようにした。

また、前記低電圧誤動作防止回路部は、
前記第２基準電圧を生成して出力する第２基準電圧発生回路と、
前記第２比例電圧を生成して出力する第２比例電圧生成回路と、
前記第１基準電圧と該第２比例電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する第１電圧比較回路と、
前記第１基準電圧と前記第２基準電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する第２電圧比較回路と、
前記第１電圧比較回路及び第２電圧比較回路の各出力信号から、前記制御回路部に対する制御信号を生成して出力する制御信号生成回路と、
を備え、
前記制御信号生成回路は、前記第１電圧比較回路及び第２電圧比較回路の各出力信号から、前記第１基準電圧が前記第２基準電圧よりも小さいか、又は前記電源電圧が前記所定値未満であることを検出すると、前記制御回路部に対して、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせるように前記制御信号を生成し出力するようにした。

また、この発明に係るスイッチングレギュレータの動作制御方法は、入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチ素子と、
該スイッチ素子のスイッチングによって電源電圧による充電が行われるインダクタと、
前記スイッチ素子がオフして該インダクタへの充電が停止すると、該インダクタの放電を行う整流素子と、
を備え、
出力電圧に比例した第１比例電圧が、所定の第１基準電圧になるように前記スイッチ素子のスイッチング制御を行い、入力された前記電源電圧を、所定の定電圧に変換して前記出力電圧として出力するスイッチングレギュレータにおける動作制御方法において、
前記第１基準電圧よりも小さく、前記電源電圧の立ち上がり時に前記第１基準電圧よりも立ち上がり速度が速い第２基準電圧を生成し、
前記第１基準電圧が該第２基準電圧よりも小さいか、又は前記電源電圧が所定値未満である場合は、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせるようにした。

具体的には、前記電源電圧に比例した第２比例電圧を生成し、該第２比例電圧が前記第１基準電圧未満であるとき、前記電源電圧が前記所定値未満であると判定するようにした。

本発明のスイッチングレギュレータ及びその動作制御方法によれば、前記第１基準電圧よりも小さく、前記電源電圧の立ち上がり時に前記第１基準電圧よりも立ち上がり速度が速い第２基準電圧を生成し、前記第１基準電圧が該第２基準電圧よりも小さいか、又は前記電源電圧が所定値未満である場合は、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせるようにした。このことから、スイッチングレギュレータの制御用ＩＣにおける内部電源が正常な電圧になっているか否かの検出を正確に行うことができ、低電圧誤動作防止回路部を含む該ＩＣ内部にある回路が制御不能になることを防止することができる。

次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるスイッチングレギュレータの回路例を示した図である。
図１のスイッチングレギュレータ１は、入力端子ＩＮに入力された電源電圧Ｖｄｄを所定の定電圧に昇圧して、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力端子ＯＵＴから出力する非同期整流方式の昇圧型スイッチングレギュレータである。

図１において、スイッチングレギュレータ１は、インダクタＬ１と、ゲートに入力された制御信号に応じて電源電圧Ｖｄｄを昇圧する昇圧動作を行うためのスイッチングを行い、オンして導通状態になるとインダクタＬ１に対して電源電圧Ｖｄｄで充電を行うＮＭＯＳトランジスタからなるスイッチングトランジスタＭＮ１と、整流用のダイオードＤ１とを備えている。更に、スイッチングレギュレータ１は、所定の第１基準電圧Ｖｒ１を生成して出力する第１基準電圧発生回路２と、出力電圧検出用の抵抗Ｒ１，Ｒ２と、平滑用のコンデンサＣ１と、誤差増幅回路３と、所定の三角波信号ＴＷを生成して出力する発振回路４と、ＰＷＭコンパレータ５と、出力バッファ回路６と、低電圧誤動作防止回路７とを備えている。

電源電圧ＶｄｄとスイッチングトランジスタＭＮ１のドレインとの間にインダクタＬ１が接続され、インダクタＬ１とスイッチングトランジスタＭＮ１のドレインとの接続部にはダイオードＤ１のアノードが接続され、ダイオードＤ１のカソードは出力端子ＯＵＴに接続されている。出力端子ＯＵＴと接地電圧との間には、コンデンサＣ１が接続されると共に抵抗Ｒ１及びＲ２が直列に接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続部から分圧電圧Ｖｆｂが出力される。誤差増幅回路３において、非反転入力端には第１基準電圧Ｖｒ１が、反転入力端には分圧電圧Ｖｆｂがそれぞれ入力されており、出力端からは、入力された分圧電圧Ｖｆｂと第１基準電圧Ｖｒ１との電圧差を増幅して生成した誤差信号ＥＡｏが出力される。

ＰＷＭコンパレータ５において、反転入力端には誤差増幅回路３からの誤差信号ＥＡｏが、非反転入力端には三角波信号ＴＷがそれぞれ入力され、ＰＷＭコンパレータ５は、三角波信号ＴＷを使用して誤差増幅回路３からの誤差信号ＥＡｏをＰＷＭ変調して生成したパルス信号Ｓｐｗｍを出力する。該パルス信号Ｓｐｗｍは、出力バッファ回路６を介してスイッチングトランジスタＭＮ１のゲートに入力される。また、低電圧誤動作防止回路７は、電源電圧Ｖｄｄの監視を行い、電源電圧Ｖｄｄが所定値未満であるときにＰＷＭコンパレータ５及び出力バッファ回路６の各動作を停止させるための制御信号ＳｃをＰＷＭコンパレータ５及び出力バッファ回路６にそれぞれ出力する。

なお、スイッチングトランジスタＭＮ１はスイッチ素子を、ダイオードＤ１は整流素子を、低電圧誤動作防止回路７は低電圧誤動作防止回路部をそれぞれなす。また、第１基準電圧発生回路２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、誤差増幅回路３、発振回路４、ＰＷＭコンパレータ５及び出力バッファ回路６は制御回路部をなし、分圧電圧Ｖｆｂは第１比例電圧をなす。また、スイッチングレギュレータ１において、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１を除く各回路を１つのＩＣに集積するようにしてもよく、場合によっては、スイッチングトランジスタＭＮ１及びダイオードＤ１の少なくとも１つ、インダクタＬ１並びにコンデンサＣ１を除く各回路を１つのＩＣに集積するようにしてもよい。

図２は、低電圧誤動作防止回路７の回路例を示した図である。
図２において、低電圧誤動作防止回路７は、電源電圧Ｖｄｄを分圧して分圧電圧ＶＸを生成し出力する抵抗Ｒ１１，Ｒ１２と、前記第１基準電圧Ｖｒ１よりも小さい所定の第２基準電圧Ｖｒ２を生成して出力する第２基準電圧発生回路１２と、第１電圧比較回路１２と、第２電圧比較回路１３と、ＮＡＮＤ回路１４とで構成されている。なお、抵抗Ｒ１１及びＲ１２は第２比例電圧生成回路をなし、分圧電圧ＶＸは第２比例電圧をなす。

電源電圧Ｖｄｄと接地電圧との間には抵抗Ｒ１１及びＲ１２が直列に接続され、抵抗Ｒ１１及びＲ１２の接続部から出力された分圧電圧ＶＸは第１電圧比較回路１２の非反転入力端に入力されている。また、第１電圧比較回路１２の反転入力端及び第２電圧比較回路１３の非反転入力端にはそれぞれ第１基準電圧Ｖｒ１が入力され、第２電圧比較回路１３の反転入力端には第２基準電圧Ｖｒ２が入力されている。第１電圧比較回路１２及び第２電圧比較回路１３の各出力端は、ＮＡＮＤ回路１４の対応する入力端にそれぞれ接続され、ＮＡＮＤ回路１４の出力端から制御信号Ｓｃが出力される。

このような構成において、定常状態においては、出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなると、誤差増幅回路３からの誤差信号ＥＡｏの電圧が低下し、ＰＷＭコンパレータ５からのパルス信号Ｓｐｗｍのデューティサイクルは小さくなる。この結果、スイッチングトランジスタＭＮ１がオンする時間が短くなって、スイッチングレギュレータ１の出力電圧Ｖｏｕｔが低下するように制御される。また、スイッチングレギュレータ１の出力電圧Ｖｏｕｔが小さくなると、誤差増幅回路３からの誤差信号ＥＡｏの電圧が上昇し、ＰＷＭコンパレータ５からのパルス信号Ｓｐｗｍのデューティサイクルは大きくなる。この結果、スイッチングトランジスタＭＮ１がオンする時間が長くなって、スイッチングレギュレータ１の出力電圧Ｖｏｕｔが上昇するように制御される。このような動作を繰り返して、出力電圧Ｖｏｕｔは所定の電圧で一定になるように制御される。

次に、図３は、図１及び図２で示した低電圧誤動作防止回路７の動作例を示した図であり、図３を参照しながら起動時を例にして低電圧誤動作防止回路７の動作について説明する。
第１基準電圧Ｖｒ１は、電圧の精度を重要とした信号であり、第２基準電圧Ｖｒ２は、電源電圧Ｖｄｄの立ち上がりに伴って素早く電圧が立ち上がるようにした信号であり、第２基準電圧Ｖｒ２は、第１基準電圧Ｖｒ１よりも早く、設定された値に到達することができる。このようなことから、第１基準電圧Ｖｒ１が設定された値、すなわち第２基準電圧Ｖｒ２の電圧値以上になるまでの間は、第２電圧比較回路１３の出力信号Ｓ２はローレベルであり、ＮＡＮＤ回路１４からハイレベルの制御信号Ｓｃが出力される。ハイレベルの制御信号Ｓｃが入力されたＰＷＭコンパレータ５及び出力バッファ回路６は、スイッチングトランジスタＭＮ１を強制的にオフさせて遮断状態にする。

第１基準電圧Ｖｒ１が第２基準電圧Ｖｒ２の電圧値以上になると、第２電圧比較回路１３の出力信号Ｓ２はハイレベルになり、電源電圧Ｖｄｄが所定値にまで立ち上がっている否かを検出するための第１電圧比較回路１２の出力信号Ｓ１に応じて制御信号Ｓｃがハイレベルからローレベルに立ち下がる。すなわち、分圧電圧ＶＸが第１基準電圧Ｖｒ１以上になると第１電圧比較回路１２の出力信号Ｓ１はローレベルからハイレベルに立ち上がり、制御信号Ｓｃはハイレベルからローレベルに立ち下がる。

このように、本第１の実施の形態のスイッチングレギュレータは、低電圧誤動作防止回路７によって、電源電圧Ｖｄｄが所定値未満のときはスイッチングトランジスタＭＮ１を強制的にオフさせ、電源電圧Ｖｄｄが所定値以上になるとスイッチングトランジスタＭＮ１をＰＷＭコンパレータ５からのパルス信号Ｓｐｗｍに応じてオン／オフさせるように、ＰＷＭコンパレータ５及び出力バッファ回路６の動作制御を行うようにした。このことから、スイッチングレギュレータにおける制御用ＩＣの内部電源が立ち上がるまでの期間、スイッチングトランジスタＭＮ１をオフさせて遮断状態にすることができ、誤動作の発生を防止することができる。
また、第２基準電圧Ｖｒ２が、第１基準電圧Ｖｒ１よりも少し小さい電圧に設定され、かつ電源電圧Ｖｄｄの立ち上がりに伴って素早く立ち上がるようにすることにより、スイッチングレギュレータにおける制御用ＩＣの内部電源の立ち上がりを正確に検出することができる。

なお、前記説明では非同期整流方式の昇圧型スイッチングレギュレータを例にして説明したが、これは一例であり、本発明はこれに限定するものではなく、同期整流型の昇圧型スイッチングレギュレータや、降圧型スイッチングレギュレータや、反転型スイッチングレギュレータにも適用することができる。これらの場合、前記のような低電圧誤動作防止回路からの制御信号によってスイッチングトランジスタ、又はスイッチングトランジスタ及び同期整流用トランジスタを強制的にオフさせて遮断状態にさせるようにすればよい。

本発明の第１の実施の形態におけるスイッチングレギュレータの回路例を示した図である。 図１の低電圧誤動作防止回路７の回路例を示した図である。 電源立ち上がり時における図１及び図２の各信号の変化例を示した図である。 従来のスイッチングレギュレータにおける、電源立ち上がり時の各信号の変化例を示した図である。 従来のスイッチングレギュレータにおける、電源立ち上がり時の各信号の他の変化例を示した図である。

符号の説明

１ スイッチングレギュレータ
２ 第１基準電圧発生回路
３ 誤差増幅回路
４ 発振回路
５ ＰＷＭコンパレータ
６ 出力バッファ回路
７ 低電圧誤動作防止回路
１１ 第２基準電圧発生回路
１２ 第１電圧比較回路
１３ 第２電圧比較回路
１４ ＮＡＮＤ回路
ＭＮ１ スイッチングトランジスタ
Ｄ１ ダイオード
Ｌ１ インダクタ
Ｃ１ コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２ 抵抗

Claims (5)

1. 入力された電源電圧を、所定の定電圧に変換して出力電圧として出力するスイッチングレギュレータにおいて、
   入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチ素子と、
   該スイッチ素子のスイッチングによって前記電源電圧による充電が行われるインダクタと、
   前記スイッチ素子がオフして該インダクタへの充電が停止すると、該インダクタの放電を行う整流素子と、
   前記出力電圧に比例した第１比例電圧が、所定の第１基準電圧になるように前記スイッチ素子のスイッチング制御を行う制御回路部と、
   前記電源電圧が所定値未満であるときは、該制御回路部に対して、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせる低電圧誤動作防止回路部と、
   を備え、
   前記低電圧誤動作防止回路部は、前記第１基準電圧よりも小さく、前記電源電圧の立ち上がり時に前記第１基準電圧よりも立ち上がり速度が速い第２基準電圧を生成し、前記第１基準電圧が該第２基準電圧よりも小さいか、又は前記電源電圧が前記所定値未満である場合は、前記制御回路部に対して、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせることを特徴とするスイッチングレギュレータ。
2. 前記低電圧誤動作防止回路部は、前記電源電圧に比例した第２比例電圧を生成し、該第２比例電圧が前記第１基準電圧未満であるとき、前記電源電圧が前記所定値未満であると判定することを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
3. 前記低電圧誤動作防止回路部は、
   前記第２基準電圧を生成して出力する第２基準電圧発生回路と、
   前記第２比例電圧を生成して出力する第２比例電圧生成回路と、
   前記第１基準電圧と該第２比例電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する第１電圧比較回路と、
   前記第１基準電圧と前記第２基準電圧との電圧比較を行い、該比較結果を示す信号を生成して出力する第２電圧比較回路と、
   前記第１電圧比較回路及び第２電圧比較回路の各出力信号から、前記制御回路部に対する制御信号を生成して出力する制御信号生成回路と、
   を備え、
   前記制御信号生成回路は、前記第１電圧比較回路及び第２電圧比較回路の各出力信号から、前記第１基準電圧が前記第２基準電圧よりも小さいか、又は前記電源電圧が前記所定値未満であることを検出すると、前記制御回路部に対して、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせるように前記制御信号を生成し出力することを特徴とする請求項２記載のスイッチングレギュレータ。
4. 入力された制御信号に応じてスイッチングを行うスイッチ素子と、
   該スイッチ素子のスイッチングによって電源電圧による充電が行われるインダクタと、
   前記スイッチ素子がオフして該インダクタへの充電が停止すると、該インダクタの放電を行う整流素子と、
   を備え、
   出力電圧に比例した第１比例電圧が、所定の第１基準電圧になるように前記スイッチ素子のスイッチング制御を行い、入力された前記電源電圧を、所定の定電圧に変換して前記出力電圧として出力するスイッチングレギュレータにおける動作制御方法において、
   前記第１基準電圧よりも小さく、前記電源電圧の立ち上がり時に前記第１基準電圧よりも立ち上がり速度が速い第２基準電圧を生成し、
   前記第１基準電圧が該第２基準電圧よりも小さいか、又は前記電源電圧が所定値未満である場合は、前記スイッチ素子を強制的にオフさせて遮断状態にさせることを特徴とするスイッチングレギュレータの動作制御方法。
5. 前記電源電圧に比例した第２比例電圧を生成し、該第２比例電圧が前記第１基準電圧未満であるとき、前記電源電圧が前記所定値未満であると判定することを特徴とする請求項４記載のスイッチングレギュレータの動作制御方法。

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