JP5645466B2 - 電源の制御回路及び電子機器 - Google Patents

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本願は、入力電圧から所望の出力電圧を生成する電源の制御回路及び電子機器に関する。
電子機器等において、負荷への電力供給にスイッチング電源が用いられており、例えば、直流電圧を別の直流電圧に変換するDCDCコンバータが用いられている。従来、DCDCコンバータに関しては、さまざまな制御方式が提案されている(例えば、特許文献1乃至3参照)。
図1は、従来のDCDCコンバータの一例を示す。コンパレータErrCompの反転入力端子には、出力電圧Voが抵抗R1、R2で分圧された帰還電圧Fbが入力される。コンパレータErrCompの非反転入力端子には、所定の定電圧V1と所定のスロープ電圧Vsとが加算器で加算された電圧が入力される。コンパレータErrCompの出力信号は、RSフリップフロップ1のセット端子に入力される。
オン期間生成回路3には、RSフリップフロップ1から出力されるPWM信号が入力される。オン期間生成回路3は、入力電圧Vin、出力電圧Voに基づいてスイッチSW1のオン期間Tonを決める回路である。コンパレータErrCompの出力信号に応じてRSフリップフロップ1がセットされ、PWM信号がHレベルになると、オン期間生成回路3は、入力電圧Vin、出力電圧Voに基づくオン期間Tonの経過後にRSフリップフロップ1をリセットし、PWM信号をLレベルにする。このPWM信号によって、出力電圧Voが設定電圧に近付くように、スイッチSW1、SW2のオンオフ期間が、所定の周期内で割り当てられる。
PWM信号は、AST(Anti-Shoot-Through)回路2に入力される。AST回路2は、スイッチSW1、SW2が同時にオン状態になるのを防止する機能を有するドライバである。AST回路2は、PWM信号に基づいてスイッチSW1、SW2を駆動する。スイッチSW1は、例えば、PチャネルMOSFETである。同期整流動作を行うスイッチSW2は、例えば、NチャネルMOSFETである。
上記の構成により、スイッチSW1、SW2が交互にオン状態とされ、コイルLにスイッチSW1、SW2を介して電流が流れる。また、出力コンデンサCoは、コイルLと共に出力電圧Voを平滑化する。これにより、入力電圧Vinが降圧され、出力電圧Voが生成される。
図1のDCDCコンバータにおいて発振を防止するため、出力電圧Voのリップルの位相と、コイルLを流れるコイル電流ILの位相とを合わせる。一方で、安価である等の理由により、出力コンデンサCoには、ESR(等価直列抵抗)が小さいセラミックコンデンサを採用することが増えている。
出力コンデンサCoのESRが小さい場合、出力電圧Voのリップルはコイル電流ILより90°遅れ、発振が起こり易くなる。図1のDCDCコンバータでは、定電圧V1に大きさが固定のスロープ電圧Vsを加え、擬似的に位相を合わせている。
WO2005/046036号公報 特開2006−141191号公報 米国特許第6828766号明細書
DCDCコンバータの発振を抑える場合に、負荷電流による損失や入力電圧、出力電圧の影響により、出力電圧のレギュレーション(電圧変動率)が悪くなる。
本願は、出力電圧のレギュレーションを改善することが可能な電源の制御回路及び電子機器を提供することを目的とする。
本願に開示されている電源の制御回路は、前記電源の出力電圧に応じた帰還電圧と第1基準電圧との差に基づいてスイッチをオンオフ制御するスイッチング制御部と、第2基準電圧と前記帰還電圧との差に応じた電流を出力するアンプと、前記アンプの出力電流が流れる第1抵抗と、前記アンプの出力電流によって充電される第1コンデンサと、を備え、前記第1抵抗の電圧と前記第1コンデンサの電圧とに基づいて前記第1基準電圧を生成する。
開示の電源の制御回路、電子機器によれば、アンプによるフィードバックにより出力電圧のレギュレーションを改善することができる。
従来例を示す回路ブロック図である。 第1実施形態の回路ブロック図である。 第2実施形態の回路ブロック図である。 第3実施形態の回路ブロック図である。 第4実施形態の回路ブロック図である。 ACカップリングによる効果を示す図である。 コンパレータComp1による効果を説明する図(その1)である。 コンパレータComp1による効果を説明する図(その2)である。
図2は、第1実施形態の回路ブロック図である。図2では、図1と対応する部分には同一の符号を付して、説明を省略する。アンプAMPは、反転入力端子に帰還電圧Fbが入力され、非反転入力端子に基準電圧VREFが入力される。トランジスタM3のゲートには、アンプAMPの出力信号が入力される。抵抗RSは、トランジスタM3のソースに接続される。トランジスタM1、M2はカレントミラー回路を構成し、トランジスタM3を流れる電流と同一値又は所定倍の充電電流を、抵抗RDを介してコンデンサCsに流す。図2において破線で囲われた上記の構成は、基準電圧VREFと帰還電圧Fbとの差に応じた電流を出力するgmアンプ(トランスコンダクタンスアンプ)として機能する。
トランジスタM4は、ゲートにRSフリップフロップ1から出力されるPWM信号が入力され、PWM信号に基づいてコンデンサCsの充放電を切り替える。これにより、コンデンサCsは、PWM信号がHレベルとなる期間、すなわち、スイッチSW1のオン期間Tonの間に放電され、PWM信号がLレベルとなる期間、すなわち、スイッチSW1のオフ期間Toffの間に充電される。抵抗RDの一端の電圧が、内部基準電圧intrefとして、コンパレータErrCompの非反転入力端子に入力される。すなわち、gmアンプの出力電流と抵抗RDとによって生成されるオフセット電圧と、コンデンサCsの充電電圧に基づくスロープ電圧とが加えられた電圧が、内部基準電圧intrefとして、コンパレータErrCompの非反転入力端子に入力される。
このように、第1実施形態では、図1の従来例における定電圧V1とスロープ電圧Vsとに相当する電圧を、基準電圧VREFと帰還電圧Fbとを入力とするgmアンプで同時に生成する。図2の第1実施形態において、帰還電圧Fbは、
Fb=((RD/RS)+(Toff/RS・Cs))(VREF−Fb)
より、
Fb=(RD+Toff/Cs)VREF/(RS+RD+Toff/Cs)
となる。ここで、RDは抵抗RDの抵抗値、RSは抵抗RSの抵抗値、CsはコンデンサCsの容量値、ToffはスイッチSW1のオフ期間である。したがって、破線で囲われたgmアンプの相互コンダクタンスgm(この場合は1/RS)によってレギュレーションが可能となり、出力電圧Voのレギュレーションを改善することができる。
図3は、第2実施形態の回路ブロック図である。第2実施形態は、第1実施形態の構成に加えて、トランジスタM5によるカレントミラー回路、電流源Ic1、電流源Isを備える。トランジスタM2を流れる電流I1と電流源Ic1の電流とが、抵抗RDに流れ、オフセット電圧が生成される。また、トランジスタM5を流れる電流I2と電流源Isの電流とが、コンデンサCsに流れ、スロープ電圧が生成される。これらのオフセット電圧とスロープ電圧とが加算器で加算され、内部基準電圧intrefとなる。その他の構成は、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
第2実施形態では、加算器によってオフセット電圧とスロープ電圧とを加算して内部基準電圧intrefとする構成により、オフセット電圧やスロープ電圧に対する柔軟性を持たせることができる。例えば、抵抗RDに流す電流とコンデンサCsに流す電流との比を変えることで、抵抗RD、コンデンサCsの素子値の組み合わせの範囲が広がる。これにより、例えば、所望の大きさのスロープ電圧を得るためにコンデンサCsの容量値が大きくなり過ぎることや小さくなり過ぎることを防止することができる。
また、第2実施形態では、抵抗RDに電流源Ic1の電流を流すことで、オフセット電圧の最小値を設定することができる。これにより、gmアンプの応答性による遅延を軽減することができる。例えば、内部基準電圧intrefが0Vから1Vまで変化するのに10μsかかる場合に、オフセット電圧の最小値を0.5Vと設定する。これにより、内部基準電圧intrefを1Vにするのに必要な時間を、内部基準電圧intrefが0.5Vから1Vまで変化するのにかかる時間(例えば5μs)に縮めることができる。
図4は、第3実施形態の回路ブロック図である。図4の第3実施形態では、DCDCコンバータの全体構成については第1、第2実施形態と同様であるため図示を省き、また、第1、第2実施形態と対応する部分には同一の符号を付して、説明を省略する。
第3実施形態においてコンデンサCsは、抵抗RDの一端と内部基準電圧intrefの出力端子との間に接続される。電流源Ic1の電流は、抵抗RPから抵抗RDへと流れる。抵抗RDには、トランジスタM2を流れる電流と電流源Ic1の電流とに加えて、電流源Ic2の電流が流れる。また、コンデンサCsには、トランジスタM5を流れる電流と電流源Isの電流とに加えて、電流源Ic3の電流が流れる。コンパレータComp1は、反転入力端子に抵抗RPの一端の電圧Vthが入力され、非反転入力端子に内部基準電圧intrefが入力される。コンデンサCsの両端を接続するスイッチSW3は、第1、第2実施形態におけるトランジスタM4に相当し、PWM信号とコンパレータComp1の出力信号とによってオンオフ制御される。
ここで、電流源Ic1の電流は、一定の電流である。電流源Ic2の電流は、出力電圧VoのAC成分に反比例する電流である。電流源Isの電流は、スロープ電圧調整用の電流である。電流源Ic3の電流は、出力電圧VoのAC成分に反比例する電流である。抵抗RPは、コンデンサCsの充電電圧に基づくスロープ電圧の最大値を設定する電圧Vthを生成するための抵抗である。コンパレータComp1は、電圧Vthにスロープ電圧が到達するとスイッチSW3をオンしてコンデンサCsを放電するためのコンパレータである。
第3実施形態では、出力電圧VoのAC成分に反比例する電流を流す電流源Ic2、Ic3を備える。ここで、帰還電圧Fbは、抵抗R1、R2で出力電圧Voを分圧して生成されるが、負荷急変が起きた場合、出力電圧Voの変動値も分圧して帰還電圧Fbに伝わるため、負荷応答性が悪くなる。電流源Ic2、Ic3によって出力電圧VoのAC成分に反比例する電流を加える構成により、第3実施形態では、内部基準電圧intrefが出力電圧Voと反比例するように振る舞う。したがって、帰還電圧Fb側からの出力変動が内部基準電圧intrefによって補われるため、負荷応答性を改善することができる。
また、第3実施形態では、電流源Ic1と抵抗RDとの間に挿入された抵抗RPの一端の電圧Vthと、内部基準電圧intrefとを比較するコンパレータComp1を備える。内部基準電圧intrefのスロープ電圧が電圧Vthに到達すると、コンパレータComp1によって、コンデンサCsが放電される。これにより、スロープ電圧の過補償による出力電圧Voのオーバーシュートの増大を抑制することができる。
図5は、第4実施形態の回路ブロックである。第4実施形態は、第3実施形態において出力電圧VoのAC成分に反比例する電流を流す電流源Ic2、Ic3を、具体的に実現した実施形態である。第4実施形態は、一端に出力電圧Voが印加され、他端がトランジスタM1、M2、M5のゲートに接続されるコンデンサCcを備える。このように、出力電圧VoをコンデンサCcでカップリングすることで、トランジスタM2、M5のゲートがAC的に変動し、出力電圧Voに反比例する電流を流すことができる。その他の構成は、第3実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図6は、ACカップリングによる効果を示す図であり、入力電圧Vinを3.6[V]、出力電圧Voを1.2[V]、コイルLのインダクタンスを1.5[μH]、出力コンデンサCoの容量値を10[μF]に設定したときのシミュレーション結果を示す。負荷電流が0[mA]から500[mA]に急変した場合の出力電圧Voのアンダーシュートは、ACカップリング有り(実線)では18.5[mV]、ACカップリング無し(破線)では21.5[mV]であり、3[mV]改善している。負荷電流が500[mA]から0[mA]に急変した場合の出力電圧Voのオーバーシュートは、ACカップリング有り(実線)では29.5[mV]、ACカップリング無し(破線)では34.7[mV]であり、5.2[mV]改善している。また、ACカップリング有り(実線)の方が収束性も良い。このように、第4実施形態におけるACカップリングによって負荷急変時の応答性を改善することができる。
図7、図8は、コンパレータComp1による効果を説明する図であり、入力電圧Vinを3.6[V]、出力電圧Voを1.2[V]、コイルLのインダクタンスを1.5[μH]、出力コンデンサCoの容量値を10[μF]に設定したときのシミュレーション結果を示す。図7はコンパレータComp1が無い場合を示し、図8はコンパレータComp1が有る場合を示している。また、図7、図8において、コイル端電圧とは、スイッチSW1とコイルLとの接続点の電圧である。
図7に示されるように、コンパレータComp1が無い場合、内部基準電圧intrefは、帰還電圧Fbと抵抗RDの一端の電圧refとの間で変化する。時刻110[μs]において負荷電流が500[mA]から0[mA]に急変すると、時刻110[μs]から112[μs]にかけてコイル端電圧がHレベルになり、コイル電流が供給される期間が存在する。このことから、コンパレータComp1が無い場合に負荷電流が急減すると、スロープ電圧の過補償によりスイッチSW1がオンし、余分な電流を供給していることが分かる。
一方、図8に示されるように、コンパレータComp1が有る場合、内部基準電圧intrefは、帰還電圧Fb及び抵抗RPの一端の電圧Vthの何れか小さい方と、抵抗RDの一端の電圧refとの間で変化する。時刻110[μs]において負荷電流が500[mA]から0[mA]に急変すると、時刻110[μs]から111.5[μs]にかけてコンパレータComp1の出力信号がHレベルになる期間が存在する。このことから、コンパレータComp1が有る場合に負荷電流が急減すると、抵抗RPの一端の電圧Vthに内部基準電圧intrefが到達し、スイッチSW1がオンしないことが分かる。
結果として、出力電圧Voのオーバーシュートは、コンパレータComp1が無い場合(図7)に29.5[mV]であるのに対して、コンパレータComp1が有る場合(図8)には21.8[mV]であり、約8[mV]改善している。このように、第3、第4実施形態では、電流源Ic1と抵抗RDとの間に挿入された抵抗RPの一端の電圧Vthと、内部基準電圧intrefとを比較するコンパレータComp1を備えることで、スロープ電圧の過補償による出力電圧Voのオーバーシュートの増大を抑制することができる。
以上、詳細に説明したように、前記第1乃至第4を含む実施形態によれば、gmアンプによってフィードバック制御する。これにより、負荷電流による損失や入力電圧Vin、出力電圧Voによるデューティ変動があっても、帰還電圧Fb=基準電圧VREFになるよう内部基準電圧intrefを調整するため、出力電圧Voのレギュレーションを改善することができる。
また、従来よく行われているように、抵抗で出力電圧Voを分圧して帰還電圧Fbを生成すると、負荷急変が起きた場合、出力電圧Voの変動値も分圧して帰還電圧Fbに伝わるため、負荷応答性が悪くなる問題があった。これに対し、第4実施形態では、トランジスタM1、M2、M5のゲートにコンデンサCcで出力電圧Voを結合する。これにより、内部基準電圧intrefが出力電圧Voと反比例するように動き、帰還電圧Fb側からの出力変動が内部基準電圧intrefで補われ、負荷応答性を改善することができる。
尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、DCDCコンバータの構成は、前記実施形態に限られるものではない。
オン期間生成回路3は、入力電圧Vin、出力電圧Voに基づいてスイッチSW1のオン期間Tonを決める回路であるとしたが、固定のオン期間Tonを生成するようにしてもよい。オン期間生成回路3ではなく、クロック信号による固定周波数でRSフリップフロップ1をセットあるいはリセットするようにしてもよい。
gmアンプの前段に誤差増幅器を設け、帰還電圧Fbを、誤差増幅器を介してgmアンプに入力するようにしてもよい。これにより、精度をより向上することができ、レギュレーションを更に改善し得る。
その他、各実施形態が適宜組み合わされて用いられてもよいことは言うまでもない。
また、上述したDCDCコンバータと、入力電圧Vinを供給するバッテリと、出力電圧Voを供給されて動作するシステムと、を備える電子機器を構成してもよい。
尚、コンパレータErrCompは第1コンパレータの一例、フリップフロップ1、AST回路2、オン期間生成回路3はスイッチング制御部の一例、抵抗RDは第1抵抗の一例、コンデンサCsは第1コンデンサの一例、電流源Ic2は第1電流源の一例、電流源Ic3は第2電流源の一例、アンプAMPは増幅器の一例、トランジスタM3は第1トランジスタの一例、抵抗RSは第2抵抗の一例、トランジスタM1、M2、M5はカレントミラー回路の一例、コンデンサCcは第2コンデンサの一例、コンパレータComp1は第2コンパレータの一例、である。
また、帰還電圧Fbは帰還電圧の一例、内部基準電圧intrefは第1基準電圧の一例、基準電圧VREFは第2基準電圧の一例、電圧Vthは閾値電圧の一例、である。
1 RSフリップフロップ
2 AST回路
3 オン期間生成回路
AMP アンプ
Cc、Cs コンデンサ
Co 出力コンデンサ
Comp1、ErrComp コンパレータ
L コイル
M1〜M5 トランジスタ
R1、R2、RS、RD、RP 抵抗
SW1、SW2、SW3 スイッチ

Claims (6)

  1. 電源の制御回路であって、
    前記電源の出力電圧に応じた帰還電圧と第1基準電圧との差に基づいてスイッチをオンオフ制御するスイッチング制御部と、
    第2基準電圧と前記帰還電圧との差に応じた電流を出力するアンプと、
    前記アンプの出力電流が流れる第1抵抗と、
    前記アンプの出力電流によって充電される第1コンデンサと、
    を備え、
    前記第1抵抗の電圧と前記第1コンデンサの電圧とに基づいて前記第1基準電圧を生成する
    ことを特徴とする制御回路。
  2. 前記電源の出力電圧の交流成分に反比例する電流を、前記第1抵抗に流す第1電流源と、
    前記電源の出力電圧の交流成分に反比例する電流を、前記第1コンデンサに流す第2電流源と、
    を備えることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。
  3. 前記アンプは、
    非反転入力端子に前記第2基準電圧が入力され、反転入力端子に前記帰還電圧が入力される増幅器と、
    前記増幅器の出力によってゲート電圧が制御される第1トランジスタと、
    前記第1トランジスタのソースに接続される第2抵抗と、
    前記第1トランジスタを流れる電流のミラー電流を、前記第1抵抗、前記第1コンデンサに流すカレントミラー回路と、
    を含み、
    前記第1電流源、第2電流源は、
    一端に前記電源の出力電圧が印加され、他端が前記カレントミラー回路を構成するトランジスタのゲートに接続される第2コンデンサによって実現される
    ことを特徴とする請求項2に記載の制御回路。
  4. 前記スイッチング制御部は、
    前記帰還電圧と前記第1基準電圧とを比較する第1コンパレータの出力信号によってセットされるフリップフロップと、
    前記フリップフロップの出力パルスが立ち上がってから所定のオン期間の経過後に前記フリップフロップをリセットするオン期間生成回路と、
    前記フリップフロップの出力パルスに基づいて前記スイッチを駆動する駆動回路と、
    を備え、
    前記第1コンデンサは、前記フリップフロップの出力パルスに応じて充放電が切り替えられる
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の制御回路。
  5. 前記第1基準電圧と閾値電圧とを比較する第2コンパレータ
    を備え、
    前記第1コンデンサは、前記フリップフロップの出力パルスと、前記第2コンパレータの出力信号とに応じて充放電が切り替えられる
    ことを特徴とする請求項4に記載の制御回路。
  6. 電源と、前記電源の出力電圧が供給されるシステムと、前記電源の制御回路と、を含む電子機器であって、
    前記制御回路は、
    前記電源の出力電圧に応じた帰還電圧と第1基準電圧との差に基づいてスイッチをオンオフ制御するスイッチング制御部と、
    第2基準電圧と前記帰還電圧との差に応じた電流を出力するアンプと、
    前記アンプの出力電流が流れる第1抵抗と、
    前記アンプの出力電流によって充電される第1コンデンサと、
    を備え、
    前記第1抵抗の電圧と前記第1コンデンサの電圧とに基づいて前記第1基準電圧を生成する
    ことを特徴とする電子機器。
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