JP5771982B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
直流電圧が入力される電圧入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに間歇的に電流を流す駆動用スイッチング素子と、出力側からのフィードバック電圧に応じて周波数が変化する一定パルス幅の駆動パルスを生成して前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御するとともに前記駆動用スイッチング素子のオフ時間(またはオン時間)が所定時間以下とならないように規定する制御回路とを備え、入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置において、
前記制御回路は、
前記駆動用スイッチング素子をオン(またはオフ)させるタイミングを与える信号を生成し出力するトリガ信号生成回路と、
前記駆動用スイッチング素子の駆動パルスのパルス幅を規定する固定オン時間(または固定オフ時間)を計時する第1計時手段と、
前記駆動用スイッチング素子の最小オフ時間(または最小オン時間)を計時する第2計時手段と、
前記フィードバック電圧に基づいて前記負荷の急激な変化を検出する負荷急変検出回路と、
を備え、前記トリガ信号生成回路の出力と前記第1計時手段の出力と前記第2計時手段の出力に基づいて前記駆動パルスを生成し、前記負荷急変検出回路が前記負荷の急激な増加(または減少)を検出した場合に、前記駆動パルスの前記オン時間(またはオフ時間)に対応したパルス幅を延長するようにした。
上記のような手段によれば、負荷急変検出回路が負荷の急激な変化を検出した場合には、駆動パルスのパルス幅が延長されることとなるため、固定オン時間制御する場合にスイッチング素子が比較的長い時間オン状態とされ、インダクタにエネルギーが蓄積される時間が長くされ、負荷の急激な増加に高速に応答することができる。また、固定オフ時間制御する場合にスイッチング素子が比較的長い時間オフ状態とされ、インダクタからエネルギーが放出される時間が長くされ、負荷の急激な減少に高速に応答することができる。
これにより、比較的簡単な回路によってトリガ信号生成回路および負荷急変検出回路を構成することができ、回路規模の大幅な増加を回避しつつ負荷の急激な変化に高速に応答可能なスイッチング電源装置を実現することができる。
これにより、制御回路の回路構成を簡単にすることができ、回路の占有面積の低減を図ることができる。
直流電圧が入力される電圧入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに間歇的に電流を流す駆動用スイッチング素子と、出力側からのフィードバック電圧に応じて周波数が変化する一定パルス幅の駆動パルスを生成して前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御するとともに前記駆動用スイッチング素子のオフ時間(またはオン時間)が所定時間以下とならないように規定する制御回路とを備え、入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
前記フィードバック電圧と所定の参照電圧とを比較して、前記駆動用スイッチング素子をオン(またはオフ)させるタイミングを与える信号を出力するコンパレータと、
前記駆動用スイッチング素子の駆動パルスのパルス幅を規定する固定オン時間(または固定オフ時間)を計時する第1計時手段と、
前記駆動用スイッチング素子の最小オフ時間(または最小オン時間)を計時する第2計時手段と、
前記コンパレータの出力と前記第1計時手段の出力と前記第2計時手段の出力に基づいて前記駆動パルスを生成し出力する駆動パルス生成回路と、
を備え、前記駆動パルス生成回路は、前記コンパレータの出力が第1のレベルから第2のレベルに変化したことに応じて前記駆動用スイッチング素子をオン(またはオフ)させるとともに前記第1計時手段を起動して前記固定オン時間(または固定オフ時間)の経過後に前記駆動用スイッチング素子をオフ(またはオン)させる一方、負荷が急激に増加(または減少)することに応じて前記第2のレベルが前記固定オン時間(または固定オフ時間)よりも長い時間継続している場合には前記コンパレータの出力により前記第1計時手段の出力が無効とされることで前記駆動用スイッチング素子のオン時間(またはオフ時間)を延長するように構成したものである。
図1は、本発明を適用したスイッチング・レギュレータ方式のDC−DCコンバータの一実施形態を示す。
この実施形態のDC−DCコンバータは、インダクタとしてのコイルL1、直流入力電圧Vinが印加される電圧入力端子INと上記コイルL1の一方の端子との間に接続されコイルL1に向かって駆動電流を流し込むハイ側の駆動用スイッチング素子M1、コイルL1の一方の端子と接地点の間に接続されたロウ側の整流用スイッチング素子M2を備える。駆動用スイッチング素子M1はPチャネルMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)もしくはNチャネルMOSFETから、また整流用スイッチング素子M2はNチャネルMOSFETから構成することができる。
ここで、特に限定されるものではないが、DC−DCコンバータを構成する回路および素子のうち、スイッチング制御回路20およびスイッチング素子M1,M2は半導体チップ上に形成して半導体集積回路(電源制御用IC)として構成し、コイルL1とコンデンサC1はこのICに設けられている外部端子に外付け素子として接続するように構成することができる。
そして、出力電圧Voutが回復すると、負荷急変検出回路22の出力がロウレベルに変化して、ANDゲートG1を開き、固定オン時間タイマ回路23の出力パルスをフリップフロップ25へ入力可能とする。その結果、再び期間T1と同様な固定オン時間タイマと最小オフ時間タイマに規定された駆動パルスによるスイッチング制御が行われるようになる。
本実施例のスイッチング制御回路20は、トリガ信号生成回路21として出力のフィードバック電圧VFBと所定の参照電圧Vref1とを比較して大小に応じた電圧を出力するコンパレータCMP1を、また、負荷急変検出回路22としてフィードバック電圧VFBと所定の参照電圧Vref2とを比較して大小に応じた電圧を出力するコンパレータCMP2を用いたものである。ここで、Vref2はVref1よりも低い電圧、すなわちVref1>Vref2である。
図4に示すスイッチング制御回路20は、フィードバック電圧VFBと参照電圧Vrefを比較するコンパレータCMPの出力を直接ANDゲートG1に入力することによって、このコンパレータCMPに、図1や図3におけるトリガ信号生成回路21と負荷急変検出回路22の両方の機能を持たせるようにしたものである。
他の構成および動作は図1のスイッチング制御回路20と同様であり、タイミングチャートも、図2の出力電圧Voutを示す波形(B)においてVref1とVref2が一致する点を除き同一であるので、詳しい構成および動作の説明は省略する。
本実施例は、電流モード制御方式のDC−DCコンバータに本発明を適用したもので、スイッチング制御回路20を構成するトリガ信号生成回路21として、コイル(インダクタ)L1に流れる電流を検出するインダクタ電流検出回路ICDと、出力のフィードバック電圧VFBと基準となる電圧Vref1との電位差に比例した電圧を出力する誤差アンプAMPと、上記インダクタ電流検出回路ICDの出力電圧と誤差アンプAMPの出力電圧とを比較するコンパレータCMP1とにより構成された回路を使用したものである。
他の構成および動作は図1のスイッチング制御回路20と同様であるので、説明を省略する。本実施例においても、負荷が急に重くなった場合にはスイッチング素子M1が比較的長い時間オン状態(M2はオフ状態)とされ、コイル(インダクタ)L1にエネルギーが蓄積される時間が長くされ、負荷の急激な増加に応答することができる。
本実施例は、スイッチング制御回路20を構成するトリガ信号生成回路21として、出力のフィードバック電圧VFBと基準となる電圧Vref1との電位差に比例した電圧を生成する誤差アンプAMPと、該誤差アンプAMPの出力電圧に応じて発振周波数が変化する電圧制御発振器VCOとにより構成された回路を使用したものである。
他の構成および動作は図1のスイッチング制御回路20と同様であるので、説明を省略する。本実施例においても、負荷が急に重くなった場合にはスイッチング素子M1が比較的長い時間オン状態(M2はオフ状態)とされ、コイル(インダクタ)L1にエネルギーが蓄積される時間が長くされ、負荷の急激な増加に応答することができる。
また、前記実施形態では、負荷急変検出回路22が負荷の急激な変化を検出した場合に、固定オン時間タイマ回路23の出力のフリップフロップ25への供給を許可したり遮断したりするANDゲートG1を設けているが、このようなANDゲートG1を設ける代わりに、負荷急変検出回路22の出力を固定オン時間タイマ回路23へ直接供給してタイマを動作させないようにしたり、タイマがタイムアップしても出力を変化させないように構成しても良い。
また、以上の説明では、本発明を降圧型のDC−DCコンバータに適用した例を説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、昇圧型あるいは負電圧を発生する反転型のDC−DCコンバータなどにも適用することができる。
21 トリガ信号生成回路
22 負荷急変検出回路
23 固定オン時間タイマ回路(第1計時手段)
24 最小オフ時間タイマ回路(第2計時手段)
25 RSフリップフロップ(駆動パルス生成回路)
L1 コイル(インダクタ)
C1 平滑用コンデンサ
M1 駆動用スイッチング素子
M2 同期整流用スイッチング素子
Claims (10)
- 直流電圧が入力される電圧入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに間歇的に電流を流す駆動用スイッチング素子と、出力側からのフィードバック電圧に応じて周波数が変化する一定パルス幅の駆動パルスを生成して前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御するとともに前記駆動用スイッチング素子のオフ時間が所定時間以下とならないように規定する制御回路とを備え、入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
前記駆動用スイッチング素子をオンさせるタイミングを与える信号を生成し出力するトリガ信号生成回路と、
前記駆動用スイッチング素子の駆動パルスのパルス幅を規定する固定オン時間を計時する第1計時手段と、
前記駆動用スイッチング素子の最小オフ時間を計時する第2計時手段と、
前記フィードバック電圧に基づいて前記負荷の急激な変化を検出する負荷急変検出回路と、
前記トリガ信号生成回路と前記第1計時手段と前記第2計時手段の出力に基づいて前記駆動パルスを生成し出力する駆動パルス生成回路と、
を備え、前記負荷急変検出回路が前記負荷の急激な増加を検出した場合に、前記第1計時手段から出力されるオン時間の終了を示す信号が前記駆動パルス生成回路へ供給されるのを禁止して、前記駆動パルスの前記オン時間に対応したパルス幅を延長するように構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。 - 直流電圧が入力される電圧入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに間歇的に電流を流す駆動用スイッチング素子と、出力側からのフィードバック電圧に応じて周波数が変化する一定パルス幅の駆動パルスを生成して前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御するとともに前記駆動用スイッチング素子のオン時間が所定時間以下とならないように規定する制御回路とを備え、入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
前記駆動用スイッチング素子をオフさせるタイミングを与える信号を生成し出力するトリガ信号生成回路と、
前記駆動用スイッチング素子の駆動パルスのパルス幅を規定する固定オフ時間を計時する第1計時手段と、
前記駆動用スイッチング素子の最小オン時間を計時する第2計時手段と、
前記フィードバック電圧に基づいて前記負荷の急激な変化を検出する負荷急変検出回路と、
前記トリガ信号生成回路と前記第1計時手段と前記第2計時手段の出力に基づいて前記駆動パルスを生成し出力する駆動パルス生成回路と、
を備え、前記負荷急変検出回路が前記負荷の急激な減少を検出した場合に、前記第1計時手段から出力されるオフ時間の終了を示す信号が前記駆動パルス生成回路へ供給されるのを禁止して、前記駆動パルスの前記オフ時間に対応したパルス幅を延長するように構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記トリガ信号生成回路は、前記フィードバック電圧と所定の第1参照電圧とを比較する第1コンパレータを備え、
前記負荷急変検出回路は、前記フィードバック電圧と前記第1参照電圧よりも低い第2参照電圧とを比較する第2コンパレータを備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記トリガ信号生成回路は、前記フィードバック電圧と所定の第1参照電圧とを比較する第1コンパレータを備え、
前記負荷急変検出回路は、前記フィードバック電圧と前記第1参照電圧よりも高い第2参照電圧とを比較する第2コンパレータを備えることを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。 - 前記トリガ信号生成回路は、前記フィードバック電圧と所定の第1参照電圧との電位差に比例した電圧を生成する誤差アンプと、前記誤差アンプの出力とインダクタ電流に比例した信号とを比較する第1コンパレータと、を備え、
前記負荷急変検出回路は、前記フィードバック電圧と前記第1参照電圧よりも低い第2参照電圧とを比較する第2コンパレータを備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記トリガ信号生成回路は、前記フィードバック電圧と所定の第1参照電圧との電位差に比例した電圧を生成する誤差アンプと、前記誤差アンプの出力とインダクタ電流に比例した信号とを比較する第1コンパレータと、を備え、
前記負荷急変検出回路は、前記フィードバック電圧と前記第1参照電圧よりも高い第2参照電圧とを比較する第2コンパレータを備えることを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。 - 前記トリガ信号生成回路は、前記フィードバック電圧と所定の第1参照電圧との電位差に比例した電圧を生成する誤差アンプと、前記誤差アンプの出力に応じて周波数が変化する発振信号を生成する電圧制御発振器と、を備え、前記発振信号を、前記駆動用スイッチング素子をオンさせるタイミングを与える信号として出力し、
前記負荷急変検出回路は、前記フィードバック電圧と前記第1参照電圧よりも低い第2参照電圧とを比較するコンパレータを備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記トリガ信号生成回路は、前記フィードバック電圧と所定の第1参照電圧との電位差に比例した電圧を生成する誤差アンプと、前記誤差アンプの出力に応じて周波数が変化する発振信号を生成する電圧制御発振器と、を備え、前記発振信号を、前記駆動用スイッチング素子をオフさせるタイミングを与える信号として出力し、
前記負荷急変検出回路は、前記フィードバック電圧と前記第1参照電圧よりも高い第2参照電圧とを比較するコンパレータを備えることを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。 - 直流電圧が入力される電圧入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに間歇的に電流を流す駆動用スイッチング素子と、出力側からのフィードバック電圧に応じて周波数が変化する一定パルス幅の駆動パルスを生成して前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御するとともに前記駆動用スイッチング素子のオフ時間が所定時間以下とならないように規定する制御回路とを備え、入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
前記フィードバック電圧と所定の参照電圧とを比較して、前記駆動用スイッチング素子をオンさせるタイミングを与える信号を出力するコンパレータと、
前記駆動用スイッチング素子の駆動パルスのパルス幅を規定する固定オン時間を計時する第1計時手段と、
前記駆動用スイッチング素子の最小オフ時間を計時する第2計時手段と、
前記コンパレータの出力と前記第1計時手段の出力と前記第2計時手段の出力に基づいて前記駆動パルスを生成し出力する駆動パルス生成回路と、
を備え、前記駆動パルス生成回路は、前記コンパレータの出力が第1のレベルから第2のレベルに変化したことに応じて前記駆動用スイッチング素子をオンさせるとともに前記第1計時手段を起動して前記固定オン時間の経過後に前記駆動用スイッチング素子をオフさせる一方、負荷が急激に増加することに応じて前記第2のレベルが前記固定オン時間よりも長い時間継続している場合には前記コンパレータの出力により前記第1計時手段の出力が無効とされることで前記駆動用スイッチング素子のオン時間を延長するように構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。 - 直流電圧が入力される電圧入力端子と負荷が接続される出力端子との間に接続されたインダクタと、前記インダクタに間歇的に電流を流す駆動用スイッチング素子と、出力側からのフィードバック電圧に応じて周波数が変化する一定パルス幅の駆動パルスを生成して前記駆動用スイッチング素子をオン、オフ制御するとともに前記駆動用スイッチング素子のオン時間が所定時間以下とならないように規定する制御回路とを備え、入力電圧と異なる電位の電圧を出力するスイッチング電源装置であって、
前記制御回路は、
前記フィードバック電圧と所定の参照電圧とを比較して、前記駆動用スイッチング素子をオフさせるタイミングを与える信号を出力するコンパレータと、
前記駆動用スイッチング素子の駆動パルスのパルス幅を規定する固定オフ時間を計時する第1計時手段と、
前記駆動用スイッチング素子の最小オン時間を計時する第2計時手段と、
前記コンパレータの出力と前記第1計時手段の出力と前記第2計時手段の出力に基づいて前記駆動パルスを生成し出力する駆動パルス生成回路と、
を備え、前記駆動パルス生成回路は、前記コンパレータの出力が第1のレベルから第2のレベルに変化したことに応じて前記駆動用スイッチング素子をオフさせるとともに前記第1計時手段を起動して前記固定オフ時間の経過後に前記駆動用スイッチング素子をオンさせる一方、負荷が急激に減少することに応じて前記第2のレベルが前記固定オフ時間よりも長い時間継続している場合には前記コンパレータの出力により前記第1計時手段の出力が無効とされることで前記駆動用スイッチング素子のオフ時間を延長するように構成されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
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