JP5354662B2 - スイッチングレギュレータ - Google Patents
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Description
定電圧を出力するために用いられているカレントモード型スイッチングレギュレータにおいて、一次電源(電池)からの突入電流及び出力電圧のオーバーシュートを低減させるため、差増幅回路100の出力電圧をある一定時間をかけて緩やかに立ち上げている。この時間をソフトスタート時間とし、数mSから10mS内に通常設定されている。また、負荷RLと並列に接続されているコンデンサCと抵抗RESRの直列回路は、スイッチングノイズを除去するために設けられている。
上記ソフトスタート回路500は、図6に示すように、電池からの電圧Vinが入力されることにより、コンデンサ36が充電され、pnp型バイポーラトランジスタ37がオン状態からオフ状態となることで、エラーアンプの出力電圧が徐々に上昇し、この出力電圧の上昇に比例して、コイルLのスイッチング電流が増加することにより、緩やかにスイッチングレギュレータの出力電圧Voutを上昇させている。
このとき、単純に、出力電圧Voutを設定電圧までの上昇時間、すなわち、ソフトスタート時間のみを単純に短縮すると、一次電源からの突入電流及び出力電圧のオーバーシュートの低減を行えなくなる可能性がある。
また、スイッチングレギュレータは、携帯電子機器において、搭載されている電池の寿命を延ばすために、安定化電源の動作を停止する待機モードが機能として設けられている。
上記待機モードから、安定化電源の動作を行う動作モードへの高速切替えは、不必要な電流を消費しないため、高い頻度の待機モード動作を可能とする際における節電効果は大きい。
すなわち、本発明においては、基準電圧をランプ状に上昇させることにより、エラーアンプのランプ電圧が上昇しても、基準電圧がスイッチングレギュレータの最終出力電圧(起動後の通常動作における定電圧値)と比較して小さいために、出力電圧の電圧値を抑制してオーバーシュートとならない。
本実施形態においては、従来例と異なる構成として、ランプ電圧発生回路3とクランプアンプ2とエラーアンプ100を備えたソフトスタート部1が設けられている。
本実施形態において、ソフトスタート信号SSは、ソフトスタート時間の全区間で上昇率が一定ではなく、ソフトスタート時間を複数に分割、例えば4つの期間に分割し、それぞれの領域において上昇率(dV/dt)を変化するように、ランプ電圧発生回路3により制御されている。すなわち、時間が経過する後の期間ほど、段階的にソフトスタート信号SSの電圧値の上昇率を増加させている。
エラーアンプ100は、分圧電圧VFBと基準電圧VREFを入力し、PWMコンパレータ101の反転入力端子に入力される電圧Vcを出力する。
クランプアンプ2は、入力されるソフトスタート信号SSの電圧値の上昇に従い、電圧Vcをクランプする。
この図において、エラーアンプ100は、pチャネル型のMOSトランジスタM1、M2と、nチャネル型のMOSトランジスタM3、M4、M5と、定電流源30と、コンデンサC1とから構成されている。
MOSトランジスタM1は、ソースが定電流原30を介して電源に接続され、ゲートに電圧VFBが印加されている。MOSトランジスタM2は、ソースが定電流原30を介して電源に接続され、ゲートに電圧VREFが印加されている。MOSトランジスタM3は、ドレインがMOSトランジスタM1のドレインに接続され、ゲートが自身のドレインに接続され、ソースが接地されている。MOSトランジスタM4は、ドレインがMOSトランジスタM2のドレインに接続され、ゲートがMOSトランジスタM3のゲートに接続され、ソースが接地されている。MOSトランジスタM5は、ゲートがMOSトランジスタM4のドレインに接続され、ドレインがコンデンサC11を介して自身のゲートに接続されている。
MOSトランジスタM22は、ソースが定電流原32を介して電源に接続され、ゲートにソフトスタート信号SSが印加されている。MOSトランジスタM21は、ソースが定電流原32を介して電源に接続され、ゲートに定電流源31を介して電源が接続されている。MOSトランジスタM23は、ドレインがMOSトランジスタM21のドレインに接続され、ゲートが自身のドレインに接続され、ソースが接地されている。MOSトランジスタM24は、ドレインがMOSトランジスタM22のドレインに接続され、ゲートがMOSトランジスタM23のゲートに接続され、ソースが接地されている。MOSトランジスタM25は、ゲートがMOSトランジスタM24のドレインに接続され、ドレインがコンデンサC12を介して自身のゲートに接続されている。上記定電流源30(電流IBA)、31(電流IBC)及び32(電流IBB)は、出力負荷回路として用いられている。
また、MOSトランジスタM5のドレインと、MOSトランジスタM25のドレインとは接続されており、エラーアンプ100とクランプアンプ2との出力として電圧Vcを出力する。
従って、ソフトスタート部1は、スイッチングレギュレータの起動時において、時間の経過とともに段階的に電圧Vcの電圧値の上昇率(dV/dt)を増加させ、PWMコンパレータ101の反転入力端子にこの電圧Vcを出力する。
これにより、最初の期間において、スイッチングレギュレータの出力電圧を低く抑え、突入電流やオーバーシュートなどを抑制することができ、期間を経過する毎に除々にソフトスタート信号SSの上昇率を増加させることにより、ソフトスタート時間を低減している。
ランプ電圧発生回路3は、バンドギャップリファレンス電源11と、pチャネル型のMOSトランジスタM9、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、s1、s2及びs3と、nチャネル型のMOSトランジスタM1、M2及びM3と、コンパレータCMP1、CMP2及びCMP3と、コンデンサC1及びC2と、抵抗R11、R12、R13、R14、R15、R16、RA及びRBと、定電流源50とから構成されている。
また、MOSトランジスタM9、M10、M11、M12、M13、M14、M15及びM16のゲートは、MOSトランジスタM11のドレインと接続されている。すなわち、MOSトランジスタM9、M10、M12、M13、M14、M15及びM16と、MOSトランジスタM11とはカレントミラーを構成し、MOSトランジスタM9、M10、M12、M13、M14、M15及びM16には、MOSトランジスタM11に流れる電流に対応した定電流が流れる。
MOSトランジスタM15は、ドレインがMOSトランジスタM3のドレインに接続されている。MOSトランジスタM3は、ゲートに対して、例えばUVLO(Undervoltage Lockout 、図示せず)が出力する制御信号PRDYが印加され、ソースに電圧V1が印加されている。
MOSとランジスタs3は、ゲートがコンパレータCMP3の出力端子に接続され、ドレインがコンデンサC2の一方の端子に接続されている。コンデンサC2は、他方の端子がMOSトランジスタM3のソースに接続されている。
MOSトランジスタM13は、ドレインがMOSトランジスタs2のソースに接続されている。
MOSトランジスタs2は、ゲートがコンパレータCMP2の出力端子に接続され、ドレインがコンデンサC2の一方の端子に接続されている。
MOSトランジスタM12は、ドレインがMOSトランジスタs1のソースに接続されている。
MOSトランジスタs1は、ゲートがコンパレータCMP1の出力端子に接続され、ドレインがコンデンサC2の一方の端子に接続されている。
MOSトランジスタM2は、ドレインがコンデンサC1の一方の端子に接続され、ゲートに制御信号PRDYが印加され、ソースが接地されている。コンデンサC1は、他方の端子が接地されている。
すなわち、バンドギャップリファレンス電源11は、+側端子が抵抗R11の一方の端子と接続され、−側端子が接地されている。
抵抗R11は他方の端子が接続点A1において、抵抗R12の一方の端子と接続されている。抵抗R12は他方の端子が接続点A2において、抵抗R13の一方の端子と接続されている。抵抗R13は他方の端子が接続点A3において、抵抗R14の一方の端子と接続されている。抵抗R14は他方の端子が接地されている。これにより、各コンパレータCMP1、CMP2及びCMP3に対する第1の閾値Vt1(接続点A3)、第2の閾値Vt2(接続点A2)、第3の閾値Vt3(接続点A1)を生成している。
コンパレータCMP3は、反転入力端子(−)が接続点A4に接続され、非反転入力端子(+)が接続点A1に接続されている。
コンパレータCMP2は、反転入力端子(−)が接続点A4に接続され、非反転入力端子(+)が接続点A2に接続されている。
コンパレータCMP1は、反転入力端子(−)が接続点A4に接続され、非反転入力端子(+)が接続点A3に接続されている。
スイッチングレギュレータが起動されると制御信号PRDYが「H」レベルから「L」レベルに変化する。
これにより、MOSトランジスタM2及びトランジスタM3がオン状態からオフ状態となり、MOSトランジスタM16に流れる定電流により、コンデンサC1に対する充電が開始され、またMOSトランジスタM15に流れる定電流により、コンデンサC2の充電が開始される(時刻t0)。
制御信号PRDYが「H」レベルから「L」レベルに変化した時刻t0において、基準電圧VREFとソフトスタート信号SSとは、共に0Vである。
このとき、ソフトスタート信号SSの電圧値は、MOSトランジスタM15にのみにより充電され、電圧の上昇率がα1である。
これにより、MOSトランジスタs1がオン状態となり、MOSトランジスタM15に流れる定電流と、MOSトランジスタM12に流れる定電流とが加算された電流値により、コンデンサC2が充電されることになる。
この結果、ソフトスタート信号SSの電圧値は、MOSトランジスタM15及びM12により充電されるため、電圧の上昇率がα2(>α1)に変化する。
これにより、MOSトランジスタs2がオン状態となり、MOSトランジスタM15に流れる定電流と、MOSトランジスタM12に流れる定電流と、MOSトランジスタM13に流れる定電流とが加算された電流値により、コンデンサC2が充電されることになる。
この結果、ソフトスタート信号SSの電圧値は、MOSトランジスタM15、M12及びM13により充電されるため、電圧の上昇率がα3(>α2>α1)に変化する。
これにより、MOSトランジスタs3がオン状態となり、MOSトランジスタM15に流れる定電流と、MOSトランジスタM12に流れる定電流と、MOSトランジスタM13に流れる定電流と、MOSトランジスタM14に流れる定電流とが加算された電流値により、コンデンサC2が充電されることになる。
この結果、ソフトスタート信号SSの電圧値は、MOSトランジスタM15、M12、M13及びM14により充電されるため、電圧の上昇率がα4(>α3>α2>α1)に変化する。
2…クランプアンプ
3…ランプ電圧発生回路
11…バンドギャップリファレンス電源
100…誤差増幅回路
101…PWMコンパレータ
102…SRラッチ
103…バッファ回路
105…アンプ
B…電池
CMP1,CMP2,CMP3…コンパレータ
Claims (5)
- 入力端子に入力された入力電圧を、所定の出力電圧に変換して出力端子から出力するスイッチングレギュレータにおいて、
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子のスイッチングにより充放電が行われ、前記入力電圧を前記出力電圧に変換するコイルと、
前記スイッチング素子のスイッチングを行うスイッチ回路と、
前記スイッチ回路のスイッチングにより前記入力電圧による充電が行われるコイルと、 前記出力電圧及び基準電圧の電圧差を増幅して誤差信号を出力する誤差増幅器と、
スイッチングレギュレータが起動された際、出力するランプ電圧により前記誤差信号をクランプし、予め設定した時間にて前記ランプ電圧を前記誤差信号の電圧値とするソフトスタート回路と、
三角波を発生する三角波発生器と、
前記ランプ電圧と前記三角波との電圧比較を行い、該比較結果を示すパルス信号を前記スイッチ回路に出力して前記スイッチ回路のスイッチング制御を行う制御回路部と
を有し、
前記ソフトスタート回路が、スイッチングレギュレータが起動されると、前記基準電圧を前記予め設定した時間にて、予め設定された電圧値まで上昇させ、かつ当該設定した時間を複数の領域に分割し、領域毎に異なる傾きにより前記ランプ電圧を上昇させることを特徴とするスイッチングレギュレータ。 - 前記ソフトスタート回路が、スイッチングレギュレータの起動の際、前記基準電圧を予め設定した角度により上昇させ、当該基準電圧を、入力される電圧が閾値を超えると定電流を流す定電流源を、異なる閾値が設定された定電流源として複数有し、前記基準電圧が上昇するに従い、前記定電流源の閾値を超え、動作する定電流源が増加することにより、動作している前記定電流源の電流値を加算して、電圧に変換することにより、前記設定した時間内の前記領域毎に異なる傾きを生成することを特徴とする請求項1に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記ソフトスタート回路が、スイッチングレギュレータの起動の際、基準電圧用定電流源の電流により第1のコンデンサの充電を開始し、前記基準電圧を除々に上昇させていくことを特徴とする請求項2に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記定電流源各々にそれぞれスイッチング素子が直列に接続され、前記定電流源に対応したコンパレータが設けられており、各コンパレータの一方の入力端子に異なる閾値の電圧が入力され、他方の電圧に前記基準電圧が入力され、基準電圧が閾値を超えるとコンパレータから、当該コンパレータに対応する前記スイッチング素子に対してオン信号が出力され、定電流源から電流が出力されることを特徴とする請求項3に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記各定電流源の出力電流が加算されて、第2のコンデンサに充電されることにより、前記ランプ電圧を生成することを特徴とする請求項3または請求項4に記載されたスイッチングレギュレータ。
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