JP5316965B2 - 同期フリーホイーリングmosfetを有するブーストおよびアップ/ダウンスイッチングレギュレータ - Google Patents
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Description
この出願は、2007年7月6日に出願された仮出願番号第60/958,630号の優先権を主張し、これは全文が引用によって本明細書に援用される。
電圧調節は、一般に、特に携帯電話、ノートブックコンピュータおよび消費者製品のような電池式アプリケーションにおけるデジタル集積回路、半導体メモリ、ディスプレイモジュール、ハードディスクドライブ、RF回路、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、およびアナログ集積回路などのさまざまな超小型電子部品に電力を供給する供給電圧の変動を防ぐために必要である。
ロスを低減させる。
電流およびデューティファクタがブーストコンバータの変換率および効率に課す制約をよりよく理解するために、入力から出力へのエネルギの流れを詳細に検討しなければならない。図2Aに示されるように、ローサイドMOSFET51がオンである間、インダクタ52は電流ILで磁化され、図2Cに示されるグラフ70に示されるように、ノードVxは電圧71において接地付近にバイアスをかけられる。
負荷電流が減少する場合、MOSFET51がオンであるton中のパルス幅は減少し、ある特定の電流において、パルス幅は最小パルス幅に達する。この最小パルス幅を超えるいかなる電流低下についても、調節を維持するために、発振器周波数を減少させることによってまたはパルスを飛ばすことによって、すなわち同期整流器MOSFET51をオンにしないことによって、MOSFET51のオフ時間は増えなければならない。
音声感受性および可聴ノイズは別にして、非常に低い電流負荷条件では他の問題が生じる。具体的には、図2Dに示されたものよりも低い電流では、図2Eに示されるように、新たな、問題となる状態が生じる。tonが既に最小期間にあると仮定すると、インダクタ電流はポイント118におけるピーク値に増加し(線117)、電流がポイント120に減少すると(線119)、実際に0に達する。このポイントを超えて同期整流器MOSFET53をオンにしたままにすることによって、実際にはインダクタ電流は方向を反転させることが可能であり、出力キャパシタ55からインダクタ52に戻るように流れる。電流は、線セグメント121によって示されるようにこの状態では負であり、再び方向を変える前にピーク逆値122に達し得る。誤った方向でインダクタ52に流入する電流は、エネルギを無駄にし、全体的な効率を低下させる。この電流反転に対応して、電圧Vx=(VOUT+I・RDS)は、グラフ100における破線セグメント108によって示されるように、ポイント107においてまたはILが負であるときはいつでもVOUTよりも降下する。
先行技術の同期ブーストコンバータの動作における別の制約の組は、P−N整流器ダイオードが同期整流器MOSFETと並列に存在することに由来する。一見したところでは、このダイオードは、同期整流器として用いられるパワーMOSFET構造の設計および作製の不可避の結果であるように考えられるかもしれないが、実際には、同期ブーストコンバータの動作にとって不可避かつ必要な素子である。
先行技術のブーストスイッチングレギュレータおよび同期ブーストスイッチングレギュレータは両方とも、効率、ノイズ、安定性、過渡的性能などに悪影響を及ぼす回路トポロジに固有の数多くの制約を被る。これらの問題は、好ましくない可変周波数動作、可聴ノイズ、電流反転検出回路の必要性、電流反転を防止するために同期整流器MOSFETをオフにしたときの望ましくない発振、軽負荷動作での低品質の過渡的調節、およびデューティファクタが低く電圧変換率が1である状態での調節不能を含む。
この発明に係るDC/DCコンバータでは、インダクタおよび好ましくはMOSFETであるローサイドスイッチは、直列経路において直流入力電圧と回路接地との間に接続される。Vxノードは、直列経路においてインダクタとローサイドスイッチとの間に位置している。好ましくはMOSFETであるエネルギ伝達スイッチは、VxノードとDC/DCコンバータの出力端子との間に接続され、典型的にはキャパシタが出力端子と回路接地との間に接続される。この発明によれば、好ましくはMOSFETであるフリーホイーリングスイッチは、インダクタと並列に接続される。
図4は、この発明に従って作られたフリーホイーリングブーストコンバータおよびスイッチング電圧レギュレータの実施例を示す。示されるように、フリーホイーリングブーストコンバータ200は、ローサイドパワーMOSFET201と、インダクタ203と、キャパシタ204と、整流器ダイオード202と、ボディバイアス生成器206を含むフリーホイーリングパワーMOSFET205と、ブレーク・ビフォア・メーク(BBM)ゲートバッファ208と、パルス幅変調(PWM)コントローラ209とを備える。コンバータ200の出力からのフィードバックVFBを用いて、PWMコントローラ209の動作は、MOSFET201および205のオン時間を制御して、指定の出力電圧VOUTを調節する。インダクタ203は、入力電圧、この場合バッテリ電圧Vbattに結合される一方、ローサイドMOSFET201は接地に結合される。接地は、実際の接地またはその他の電圧であり得る回路接地であり、Vbattと接地との間の電位差は入力直流電圧を表わす。コンバータ200は負荷210を駆動する。
フリーホイーリングアップコンバータの動作と従来の非同期または同期ブーストコンバータの動作とを比較すると、いくつかの顕著な相違点が明らかである。従来のブーストコンバータでは、ブレーク・ビフォア・メーク動作は別にして、エネルギをインダクタに入れる状態と、そのエネルギを負荷および出力キャパシタに送出する状態との2つの状態しか存在しない。一定の出力電圧を維持し、インダクタの飽和を回避するために、インダクタに入れられたエネルギはサイクルごとに完全に除去されなければならない。すなわち、コンバータはエネルギバランスが取れた状態で動作しなければならない。サイクルごとに小さな残留電流が残っていると、インダクタが飽和するまでに平均電流は徐々に増加することになる。インダクタが飽和すると、インダクタがもはや電流を制御できないようにそのインダクタンスおよび交流インピーダンスは降下する。飽和したインダクタは、基本的には、パワーMOSFETの余分な電流および過熱を招く「ワイヤ」として挙動する。
フリーホイーリングブーストコンバータは、通常のブーストコンバータよりもさらにインダクタ電流を制御する。通常のブーストコンバータでは、インダクタはコンバータの入力または出力に接続される。すなわち、インダクタは、エネルギを蓄えるか、またはエネルギを負荷に伝達する。通常のブーストコンバータには、図3Bに記載されたアンクランプ誘導性スイッチングスパイクを引起すことなく入力回路および出力回路の両方からインダクタを切離す手段はない。必要以上に長くインダクタを入力に接続したままにすることによって、インダクタに過剰なエネルギが蓄えられる。このエネルギは、出力調節に影響を及ぼすことなく何らかの形で後に除去されなければならないエネルギである。過剰に長くインダクタを出力に接続したままにすることによって、余分なエネルギがインダクタから除去されるが、出力キャパシタが過充電され、出力調節が悪影響を受ける。どちらにしても、従来のブーストコンバータにおけるエネルギの流れは、変化する負荷および入力状態下では調節が低品質になる可能性がある。
図4のフリーホイーリングブーストコンバータ200の1つの起こり得る欠点は、Vxノードと出力との間で整流器ダイオード202を用いることである。インダクタ203からキャパシタ204および負荷210に流れるすべてのエネルギがこの整流器ダイオードを流れなければならないので、整流器における電力ロスは無視できるほどのものではない。伝達局面中、ダイオードにおける電力ロスはIL・Vfである。
図4の非同期フリーホイーリングブーストコンバータおよび図9の同期フリーホイーリングブーストコンバータの両方における極めて重要な構成要素は、インダクタと並列なフリーホイーリングMOSFETのボディ端子を制御するボディバイアス生成器である。フリーホイーリングMOSFETのチャネルと並列な順方向バイアスがかかったダイオードがどちらの極性においても存在する場合、回路は動作しない。昇圧動作では、Vxノードは、Vbattの値にかかわらず、接地付近からVOUTを上回る値に切換わるために自由でなければならない。したがって、フリーホイーリングMOSFETは、P−Nダイオードが順方向バイアスをかけられることができず、象限Iまたは象限IIIのいずれかにおいて電圧の振れを制限できない態様で作製されなければならない。言い換えれば、フリーホイーリングMOSFETは、オフにされたときにどちらの方向の電流も阻止できる双方向スイッチでなければならない。
図1Aおよび図1Bの先行技術のブーストコンバータでは、および図4および図9の開示されたフリーホイーリングブーストコンバータでは、整流器ダイオードはVxノードとコンバータの出力端子との間に接続される。この整流器ダイオードは、エネルギが負荷に伝達されているときはいつも順方向バイアスをかけられ、そうでなければ、逆バイアスがかかったままであり、非導通のままである。
アンクランプ誘導性スイッチング過渡事象を防止するために、ブレーク・ビフォア・メーク間隔中、順方向バイアスがかかったダイオードが存在しなければならない。ブーストまたは昇圧変換に必要なダイオード接続が降圧変換に必要なものとは異なるので、通常のアップ/ダウンコンバータの動作の妨げになることなく全範囲のバイアス状態にわたってUIS過渡事象を防止できる単一のハードワイヤードダイオード回路はない。
上述のように、図16におけるコンバータ600において適合クランピングを実現するために、フリーホイーリングダイオード614の導通はスイッチ615によって制御され、整流器ダイオード606の導通はスイッチ607によって制御される。スイッチ607および615の開閉は、VbattおよびVOUTの電圧の相対的な大きさを条件とする。好ましい実施例では、ただ1つのスイッチ、すなわち、整流器ダイオード606を制御するスイッチ607またはフリーホイーリングダイオード614を制御するスイッチ615が任意の時点で閉じられる。
電圧を昇圧するだけの能力は別にして、図1Aおよび図1Bに示されたものなどの従来のブーストコンバータの1つの主な制約は、出力端子に負荷をかけられるときはいつも、すなわち、コンバータが起動しようとしている間に負荷が接続され、電流を引込んでいるときはいつも、確実に起動できないことである。負荷が大きすぎると、回路は定常状態に達するのに十分な電流をインダクタにおいて生じさせることはない。
図24の状態図1000に示されるように、同期フリーホイーリングアップ/ダウンコンバータの定常状態動作は、磁化(円1001)、エネルギ伝達(円1002)およびフリーホイーリング(円1003)の3つの安定した状態を備える。導通しているパワーMOSFETがないブレーク・ビフォア・メーク(BBM)間隔遷移状態(ボックス1004、1005または1006)を遷移が含む限り、いかなる状態もその他の状態に遷移することができる。このようなBBM間隔中、適合クランピング(ボックス1009)は、ダイオードを回路に挿入して、必要に応じて、昇圧変換についても降圧変換についてもVxの通常の動作範囲を制限することなくアンクランプ誘導性スイッチングを防止する。
Claims (16)
- DC/DC電圧コンバータであって、
直列導通経路において第1の供給電圧と第2の供給電圧との間に接続されたインダクタおよびローサイドスイッチを備え、前記インダクタは前記第1の供給電圧に結合され、前記ローサイドスイッチは前記第2の供給電圧に結合され、Vxノードは、前記直列導通経路において前記インダクタと前記ローサイドスイッチとの間に位置し、前記DC/DC電圧コンバータはさらに、
前記Vxノードと前記コンバータの出力端子との間に接続されたエネルギ伝達スイッチと、
前記インダクタと並列に接続されたフリーホイーリングスイッチとを備え、
前記フリーホイーリングスイッチは、フリーホイーリングMOSFETおよびボディバイアス生成器を含み、
前記ボディバイアス生成器は、前記フリーホイーリングMOSFETの第1および第2の導通端子の各々とボディとに結合され、
前記ボディバイアス生成器は、前記フリーホイーリングMOSFETにおける任意のP−N接合が順方向バイアスをかけられることを防ぐために、前記フリーホイーリングMOSFETの前記第1および第2の導通端子にそれぞれ存在する電圧間の関係に応答して、前記フリーホイーリングMOSFETの前記第1および第2の導通端子のうちの1つに前記ボディを短絡するように適合される、DC/DC電圧コンバータ。 - 前記ボディバイアス生成器は、前記フリーホイーリングMOSFETの前記ボディと前記第1の導通端子との間に結合された第1のボディバイアスMOSFETと、前記フリーホイーリングMOSFETの前記ボディと前記第2の導通端子との間に結合された第2のボディバイアスMOSFETとを備え、前記第1のボディバイアスMOSFETのゲートは、前記フリーホイーリングMOSFETのソースに結合され、前記第2のボディバイアスMOSFETのゲートは、前記フリーホイーリングMOSFETの前記第1の導通端子に結合される、請求項1に記載のDC/DC電圧コンバータ。
- 前記フリーホイーリングMOSFETと並列に接続された電圧クランピング回路を備え、
前記電圧クランピング回路は、阻止ダイオードおよびクランピングスイッチの並列結合と直列に接続されたクランピングダイオードを備え、
前記阻止ダイオードおよび前記クランピングダイオードは、前記クランピングスイッチが開放の場合に、前記電圧クランピング回路を通るどちらの方向の電流の流れにも対抗するように向けられており、
前記クランピングスイッチは、比較器からの出力信号に応答し、
前記比較器のそれぞれの入力端子は、前記比較器が前記第1の供給電圧の値と前記出力端子における出力電圧の値とを比較するように接続される、請求項2に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記クランピングスイッチおよび前記阻止ダイオードは、クランピングMOSFETに不可欠であり、
ゲートバッファは、前記比較器の出力と前記クランピングMOSFETのゲート端子との間に接続される、請求項3に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記比較器および前記ゲートバッファは、前記第1の供給電圧が前記出力電圧より大きい場合に前記クランピングMOSFETをオンにし、前記第1の供給電圧が前記出力電圧よりも小さい場合にオフするように配列される、請求項4に記載のDC/DC電圧コンバータ。
- 前記エネルギ伝達スイッチは、同期整流器MOSFETおよび第2のボディバイアス生成器を含み、
前記第2のボディバイアス生成器は、第1および第2の導通端子、ならびに前記同期整流器MOSFETのボディに結合され、
前記第2のボディバイアス生成器は、前記同期整流器MOSFETにおける任意のP−N接合が順方向バイアスをかけられることを防ぐために、前記同期整流器MOSFETの前記第1および第2の導通端子にそれぞれ存在する電圧間の関係に応答して、前記同期整流MOSFETの前記第1および第2の導通端子のうちの1つに前記ボディを短絡するように適合される、請求項1に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記第2のボディバイアス生成器は、前記同期整流器MOSFETの前記ボディと前記第1の導通端子との間に結合された第3のボディバイアスMOSFET、および前記同期整流器MOSFETの前記ボディと前記第2の導通端子との間に結合された第4のボディバイアスMOSFETを含み、
前記第3のボディバイアスMOSFETのゲートは、前記同期整流器MOSFETの前記第2の導通端子に結合され、
前記第4のボディバイアスMOSFETのゲートは、前記同期整流器MOSFETの前記第1の導通端子に結合される、請求項6に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記同期整流器MOSFETに並列に接続された電圧クランピング回路をさらに備え、
前記電圧クランピング回路は、阻止ダイオードとクランピングスイッチとの並列結合に直列に接続されたクランピングダイオードを含み、
前記阻止ダイオードおよび前記クランピングダイオードは、前記クランピングスイッチが開放の場合に、前記電圧クランピング回路を通るどちらの方向の電流の流れにも対抗するように向けられており、
前記クランピングスイッチは、比較器からの出力信号に応答し、
前記比較器のそれぞれの入力端子は、前記比較器が前記第1の供給電圧の値と前記出力端子における出力電圧の値とを比較するように接続される、請求項7に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記クランピングスイッチおよび前記阻止ダイオードは、クランピングMOSFETに不可欠であり、
ゲートバッファは、前記比較器の出力端子と前記クランピングMOSFETのゲートとの間に接続される、請求項8に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記比較器および前記ゲートバッファは、前記第1の供給電圧が前記出力電圧より大きい場合に前記クランピングMOSFETをオフにし、前記第1の供給電圧が前記出力電圧よりも小さい場合にオンにされるように配列される、請求項9に記載のDC/DC電圧コンバータ。
- 前記Vxノードと適合クランピング回路との間に接続されたクランピングダイオードを備え、前記適合クランピング回路は、前記第1の供給電圧と前記出力端子における出力電圧との間の関係に応じて、前記第1の供給電圧または前記出力電圧のどちらかに前記Vxノードをクランプするように適合される、請求項1に記載のDC/DC電圧コンバータ。
- DC/DC電圧コンバータであって、
前記エネルギ伝達スイッチは、ダイオードを含む、
請求項1に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記フリーホイーリングMOSFETは、P−チャネルMOSFETを含み、
前記P−チャネルMOSFETのゲートは、前記第1の供給電圧に結合されたゲートバッファによって駆動される、請求項1に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記フリーホイーリングMOSFETは、N−チャネルMOSFETを含み、
前記N−チャネルMOSFETのゲートは、前記第1の供給電圧に結合されたゲートバッファによって駆動され、
前記ゲートバッファは、ブートストラップ回路に結合され、
前記ブートストラップ回路は、前記第1の供給電圧と前記Vxノードとの間に直列に接続された、ブートストラップダイオードおよびブートストラップキャパシタを含み、
前記ゲートバッファの電圧供給端子は、前記ブートストラップダイオードと前記ブートストラップキャパシタとの間のノードに結合される、請求項1に記載のDC/DC電圧コンバータ。 - 前記適合クランピング回路は、前記Vxノードを、前記コンバータが降圧動作モードで動作している場合には前記第1の供給電圧にクランプし、前記コンバータが昇圧モードで動作している場合には前記出力電圧にクランプする、請求項11に記載のDC/DC電圧コンバータ。
- 前記適合クランピング回路は、アナログマルチプレクサおよび比較器をさらに含み、
前記ダイオードのアノード端子は、前記Vxノードに結合され、
前記ダイオードのカソード端子は、前記アナログマルチプレクサの出力端子に結合され、
前記比較器の出力端子は、前記アナログマルチプレクサの信号入力端子に結合され、
前記比較器の第1の入力端子および前記アナログマルチプレクサの第1の電圧供給端子は、前記第1の供給電圧に結合され、
前記比較器の第2の入力端子および前記アナログマルチプレクサの第2の電圧供給端子は、前記出力電圧に結合される、請求項15に記載のDC/DC電圧コンバータ。
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