JP6993867B2 - スイッチングレギュレータ及びその制御装置 - Google Patents
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Description
(a)入力電圧を所定の出力電圧に変換して出力するハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタを備えたスイッチング手段、
(b)前記スイッチング手段のスイッチング動作によりエネルギーの蓄積と放出を切り替えるインダクタ、
(c)前記インダクタから放出されるエネルギーを受け取り、前記出力電圧を平滑する平滑手段、
(d)前記平滑手段から取りだされた前記出力電圧を出力する出力端子、
(e)前記出力電圧またはこれに応じた帰還電圧と所定の基準電圧との差に応じた誤差信号電圧を生成する誤差信号電圧生成回路、
(g)前記ハイサイドトランジスタ及び前記ローサイドトランジスタに各別に流れる電流を電圧に変換するハイサイド電圧検出手段及びローサイド電圧検出手段、
(h)前記ハイサイド電圧検出手段及びローサイド電圧検出手段から出力された検出電圧を各別に増幅するハイサイド検出電圧増幅手段及びローサイド検出電圧増幅手段、
(i)前記ハイサイド検出電圧増幅手段及び前記ローサイド検出電圧増幅手段から出力された増幅出力電圧を合算する検出電圧合算手段、
(j)前記検出電圧合算手段から出力された合算電圧を平滑するローパスフィルタ、
(k)前記ローパスフィルタの出力電圧とスロープ信号とを比較しパルスデューティ比が制御されたPWM[pulse width modulation]信号を生成するPWMコンパレータ、及び、
(l)前記PWMコンパレータのPWM出力信号で前記ハイサイドトランジスタ及びローサイドトランジスタをスイッチングさせるPWM制御回路。
図1A及び図1Bは、本発明を適用した降圧形式の電流モード制御型スイッチングレギュレータを備えた電子機器の回路構成図である。なお、各図の一点鎖線枠内に描かれた構成要素は、半導体集積回路装置に集積化された構成要素であることを示している。以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図示していない電池等の直流電源の出力電圧が、電流モード制御型スイッチングレギュレータ1の入力電圧Vinとなる。入力電圧Vinが印加される入力端子INは、ハイサイドトランジスタTH1(=出力スイッチに相当)のソースに接続される。ハイサイドトランジスタTH1のドレインと、インダクタL1及びローサイドトランジスタTL(=同期整流スイッチに相当)のドレインは、ノードN1において共通に接続されている。ローサイドトランジスタTL1のソースは、接地電位GNDに接続される。ハイサイドトランジスタTH1及びローサイドトランジスタTL1は、PWM制御回路13から出力されるハイサイドゲート信号GHとローサイドゲート信号GLに基づきオン/オフを繰り返して、インダクタL1に流すインダクタ電流Iswを制御するスイッチングトランジスタとして機能する。なお、本書において、ハイサイドトランジスタとは、降圧形式、昇圧形式に関わらず、電源電圧側に配置されるものをハイサイドトランジスタ、接地電位GND側に配置されるものをローサイドトランジスタと称する。
図6A及び図6Bは、本発明を適用した昇圧形式の電流モード制御型スイッチングレギュレータを備えた電子機器の実施形態を示す回路構成図である。なお、各図の一点鎖線枠内に描かれた構成要素は、半導体集積回路装置に集積化された構成要素であることを示している。昇圧形式の電流モード制御型スイッチングレギュレータ1aは、入力電圧Vinを昇圧して出力電圧Voutを出力端子に取り出す。図6A及び図6Bの電流モード制御型スイッチングレギュレータ1aでは、入力電圧Vinが供給される入力端子INにインダクタL2の一端が接続され、インダクタL2の他端は、ローサイドトランジスタTL2(=出力スイッチに相当)のドレインに接続される。ローサイドトランジスタTL2のドレインとハイサイドトランジスタTH2(=同期整流スイッチに相当)のソースが共通に接続されている。これらの共通の接続点はノードN1で示されている。ローサイドトランジスタTL2のソースは接地電位GNDに接続されている。ハイサイドトランジスタTH2及びローサイドトランジスタTL2は、PWM制御回路13から出力されるハイサイドゲート信号GHとローサイドゲート信号GLに基づきそれぞれオン/オフを繰り返して、インダクタL2に流すインダクタ電流Iswを制御するスイッチングトランジスタとして機能する。
2 帰還電圧生成回路
3 誤差増幅回路
4 位相補償回路
5 PWMコンパレータ
6 ハイサイド増幅手段(=第1増幅部に相当)
7 ローサイド増幅手段(=第2増幅部に相当)
8 合算手段(=合算部に相当)
9 バッファ
10 ローパスフィルタ(=平滑部に相当)
11 スロープ信号生成回路
12 オシレータ
13 PWM制御回路
C1 平滑キャパシタ
C2 キャパシタ
GH ハイサイドゲート信号
GL ローサイドゲート信号
i6,i7 検出出力電流
IH ハイサイド電流
IL ローサイド電流
IN 入力端子
Io 負荷電流
Isw スイッチング電流
L1,L2 インダクタ
N1~N5 ノード
OUT 出力端子
R1~R3 抵抗
R3 合算抵抗
RL 負荷
Son セット信号
Soff リセット信号
TH1,TH2 ハイサイドトランジスタ
TL1,TL2 ローサイドトランジスタ
Vbuf バッファ出力電圧
Verr 誤差信号
Vfb 帰還電圧
VH ハイサイド検出電圧(=第1検出信号に相当)
VHα ハイサイド増幅電圧(=第1増幅検出信号に相当)
Vin 入力電圧
VL ローサイド検出電圧(=第2検出信号に相当)
VLβ ローサイド増幅電圧(=第2増幅検出信号に相当)
Vlpf ローパスフィルタ出力電圧(=平滑検出信号に相当)
Vout 出力電圧
Vsl スロープ信号
Vsw スイッチング電圧
Vt1 基準電圧
Vsense 合成検出電圧(=合成検出信号に相当)
Claims (20)
- 出力スイッチと同期整流スイッチを備えたスイッチングレギュレータの制御主体となる制御装置であって、
前記出力スイッチに流れる電流に応じた第1検出信号と前記同期整流スイッチに流れる電流に応じた第2検出信号を合算して合算検出信号を生成する合算部と、
前記合算検出信号を平滑して平滑検出信号を生成する平滑部と、
前記平滑検出信号に応じた電流モード制御により前記出力スイッチと前記同期整流スイッチを相補的に駆動するスイッチ駆動部と、
前記第1検出信号を増幅して第1増幅検出信号を生成する第1増幅部と、
前記第2検出信号を増幅して第2増幅検出信号を生成する第2増幅部と、
を有し、
前記合算部は、前記第1増幅検出信号と前記第2増幅検出信号を合算して前記合算検出信号を生成する、制御装置。 - 前記第1増幅検出信号と前記第2増幅検出信号は、いずれも電流信号である、請求項1に記載の制御装置。
- 前記合算部は、前記第1増幅検出信号と前記第2増幅検出信号の合算電流を電圧変換して前記合算検出信号を生成する合算抵抗を含む、請求項2に記載の制御装置。
- 前記合算検出信号を前記平滑部に伝達するバッファをさらに有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の制御装置。
- 前記平滑部は、ローパスフィルタである、請求項1~4のいずれか一項に記載の制御装置。
- 前記スイッチ駆動部は、
所定の発振周波数でセット信号を生成するオシレータと、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧またはこれに応じた帰還電圧と所定の基準電圧との差に応じた誤差信号を生成する誤差増幅回路と、
前記平滑検出信号に応じたスロープ信号を生成するスロープ信号生成回路と、
前記スロープ信号と前記誤差信号とを比較してリセット信号を生成するPWM[pulse width modulation]コンパレータと、
前記セット信号と前記リセット信号に応じて前記出力スイッチと前記同期整流スイッチそれぞれの駆動信号を生成するPWM制御回路と、
を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の制御装置。 - 前記誤差増幅回路の出力端には、位相補償回路が接続される、請求項6に記載の制御装置。
- 入力電圧を所定の出力電圧に変換して出力する前記出力スイッチ及び前記同期整流スイッチを備えたスイッチ出力段と、
前記スイッチ出力段の駆動制御を行う請求項1~7のいずれか一項に記載の制御装置と、
を有する、スイッチングレギュレータ。 - 前記スイッチ出力段は、
前記出力スイッチと前記同期整流スイッチのスイッチング動作によりエネルギーの蓄積と放出を切り替えるインダクタと、
前記インダクタから放出されるエネルギーを受け取って前記出力電圧を平滑する平滑手段と、
をさらに含む、請求項8に記載のスイッチングレギュレータ。 - 前記出力スイッチ及び前記同期整流スイッチに流れる電流を各別に検出して前記第1検出信号及び前記第2検出信号を生成する第1電流検出部及び第2電流検出部をさらに有する、請求項8または9に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記第1電流検出部は前記出力スイッチのオン抵抗であり、前記第2電流検出部は前記同期整流スイッチのオン抵抗である、請求項10に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記出力スイッチに流れる電流をIH、前記出力スイッチのオン抵抗をRonH、前記第1検出信号を増幅する第1増幅部の増幅度をαとし、前記同期整流スイッチに流れる電流をIL、前記同期整流スイッチのオン抵抗をRonL、前記第2検出信号を増幅する第2増幅部の電圧増幅度をβとしたとき、IH×RonH×α=IL×RonL×βに設定される、請求項8~11のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータ。
- 入力電圧を所定の出力電圧に変換して出力する出力スイッチ及び同期整流スイッチを備えたスイッチ出力段と、
前記スイッチ出力段の駆動制御を行う制御装置と、
を有するスイッチングレギュレータであって、
前記制御装置は、
前記出力スイッチに流れる電流に応じた第1検出信号と前記同期整流スイッチに流れる電流に応じた第2検出信号を合算して合算検出信号を生成する合算部と、
前記合算検出信号を平滑して平滑検出信号を生成する平滑部と、
前記平滑検出信号に応じた電流モード制御により前記出力スイッチと前記同期整流スイッチを相補的に駆動するスイッチ駆動部と、
を有し、
前記出力スイッチに流れる電流をIH、前記出力スイッチのオン抵抗をRonH、前記第1検出信号を増幅する第1増幅部の増幅度をαとし、前記同期整流スイッチに流れる電流をIL、前記同期整流スイッチのオン抵抗をRonL、前記第2検出信号を増幅する第2増幅部の電圧増幅度をβとしたとき、IH×RonH×α=IL×RonL×βに設定される、スイッチングレギュレータ。 - 前記出力電圧は前記入力電圧よりも低い、請求項8~13のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記出力スイッチは、pチャネル形MOS[metal oxide semiconductor]電界効果トランジスタであり、前記同期整流スイッチは、nチャネル形MOS電界効果トランジスタである、請求項14に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記出力電圧は前記入力電圧よりも高い、請求項8~13のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記出力スイッチは、nチャネル形MOS電界効果トランジスタであり、前記同期整流スイッチは、pチャネル形MOS電界効果トランジスタである、請求項16に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記出力スイッチと前記同期整流スイッチは、前記制御装置が集積化された半導体集積回路装置に内蔵されている、請求項8~17のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータ。
- 前記出力スイッチと前記同期整流スイッチは、前記制御装置が集積化された半導体集積回路装置に外付けされている、請求項8~17のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータ。
- 請求項8~19のいずれか一項に記載のスイッチングレギュレータと、
前記スイッチングレギュレータから電力供給を受ける負荷と、
を有する、電子機器。
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