JP7300263B2 - スイッチング電源用回路 - Google Patents
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Description
グランドとは、0V(ゼロボルト)の基準電位を有する導電部を指す又は基準電位そのものを指す。各実施形態において、特に基準を設けずに示される電圧は、グランドから見た電位を表す。レベルとは電位のレベルを指し、任意の信号又は電圧についてハイレベルはローレベルよりも高い電位を有する。
任意の信号又は電圧において、ローレベルからハイレベルへの切り替わりをアップエッジと称し、ローレベルからハイレベルへの切り替わりのタイミングをアップエッジタイミングと称する。同様に、任意の信号又は電圧において、ハイレベルからローレベルへの切り替わりをダウンエッジと称し、ハイレベルからローレベルへの切り替わりのタイミングをダウンエッジタイミングと称する。
FET(電界効果トランジスタ)として構成された任意のトランジスタについて、オン状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が導通状態となっていることを指し、オフ状態とは、当該トランジスタのドレイン及びソース間が非導通状態(遮断状態)となっていることを指す。以下、オン状態、オフ状態を、単に、オン、オフと表現することもある。任意のトランジスタについて、オフ状態からオン状態への切り替わりをターンオンと表現し、オン状態からオフ状態への切り替わりをターンオフと表現する。
本発明の第1実施形態を説明する。図1は、第1実施形態に係るスイッチング電源装置AAの全体構成図である。図1のスイッチング電源装置AAは、入力電圧VINから入力電圧VINよりも低い出力電圧VOUTを生成する降圧型DC/DCコンバータとして構成されている。入力電圧VIN及び出力電圧VOUTは正の直流電圧である。スイッチング電源装置AAは、スイッチング電源用回路としての電源IC1と、電源IC1の外部に設けられたインダクタL1、出力コンデンサC1、帰還抵抗R1及びR2を備える。
信号SETがローレベルである状態でハイレベルの信号RSTが制御信号生成部18に入力されたとき(即ちリセット信号が発行されたとき)、制御信号CNTはローレベルとなり、以後、ハイレベルの信号SETが制御信号生成部18に入力されるまで(即ちセット信号が発行されるまで)制御信号CNTはローレベルに保持される。
信号SET及びRSTが共にローレベルである区間では、制御信号CNTは保持されたレベルにて維持される。制御部10において信号SET及びRSTが同時にハイレベルとなることは無い。
次に、負荷電流ILDが比較的大きい場合に制御部10にて実行可能な基本スイッチング制御について説明する。ここにおける負荷電流ILDが比較的大きい状態とは、スキップコンパレータ21の出力信号SKPがローレベルに維持される状態に対応し、この状態において、スキップコンパレータ21及びワンショットパルス生成部22は有意に機能しない。そこで、スキップコンパレータ21及びワンショットパルス生成部22の存在を無視して基本スイッチング制御を説明する。
次に、負荷電流ILDが比較的に小さいときに実行可能なパルススキップ制御について説明する。パルススキップ制御の実現にはスキップコンパレータ21が利用される。スキップコンパレータ21の反転入力端子、非反転入力端子には、夫々、誤差電圧VCMP、所定のスキップ判定電圧VTSKPが入力される。スキップ判定電圧VTSKPは所定の正の直流電圧値を有する。スキップコンパレータ21は、誤差電圧VCMPとスキップ判定電圧VTSKPとを比較して比較結果に基づくスキップ信号SKPを出力する。具体的には、スキップコンパレータ21は、スキップ判定電圧VTSKPが誤差電圧VCMPより高ければハイレベルのスキップ信号SKPを出力し、誤差電圧VCMPがスキップ判定電圧VTSKPより高ければローレベルのスキップ信号SKPを出力する。誤差電圧VCMPとスキップ判定電圧VTSKPとが一致する場合、スキップ信号SKPのレベルはローレベル及びハイレベルの何れかとなる。セット信号生成部17はスキップ信号SKPがハイレベルであるときパルススキップ制御を行うことができる。
次に、パルススキップ制御から復帰するための制御として参考復帰制御を説明する。図9は参考復帰制御の説明図である。参考復帰制御では、スキップ信号SKPのハイレベルからローレベルへの切り替わりに応答して、クロック信号CLKのマスクを解除し、以後、単純に上述の基本スイッチング制御を再開する。
そこで、パルススキップ制御から復帰するための制御として、制御部10は改良復帰制御を実行可能とされている。改良復帰制御には図1のワンショットパルス生成部22(以下、生成部22と略記され得る)が利用される。生成部22は、スキップ信号SKPにダウンエッジが生じたとき(即ちスキップ信号SKPのハイレベルからローレベルへの切り替わりがあったとき)、スキップ信号SKPのダウンエッジに応答してワンショットパルスを発生させ、ワンショットパルスを信号OSHTに含めてセット信号生成部17に出力する。尚、以下では、ワンショットパルスの生成(発生)をワンショットパルスの発行と表現することもある。
本発明の第2実施形態を説明する。第2実施形態及び後述の第3~第6実施形態は第1実施形態を基礎とする実施形態であり、第2~第6実施形態において特に述べない事項に関しては、矛盾の無い限り、第1実施形態の記載が第2~第6実施形態にも適用される。第2実施形態の記載を解釈するにあたり、第1及び第2実施形態間で矛盾する事項については第2実施形態の記載が優先されて良い(後述の第3~第6実施形態についても同様)。矛盾の無い限り、第1~第6実施形態の内、任意の複数の実施形態を組み合わせても良い。
本発明の第3実施形態を説明する。制御部10は、ワンショットパルスに同期して出力段を所定のオン時間TCONだけ出力ハイ状態とするコンスタントオンタイム制御を行うようにしても良い。即ち、第3実施形態に係る制御部10において、スキップ信号SKPのダウンエッジに応答したワンショットパルスに基づきセット信号が発行されると、制御信号生成部18は、制御信号CNTをオン時間TCONだけハイレベルとし、その後、再度のセット信号が発行されるまで制御信号CNTをローレベルに維持する。これにより、ワンショットパルスに基づき出力トランジスタM1がオン時間TCONだけオンとされた後、出力トランジスタM1がターンオフされることになる。オン時間TCONは入力電圧VIN及び出力電圧VOUTに基づき決定される時間であって良い。
本発明の第4実施形態を説明する。図14(a)に示す如く、制御部10には動作モード設定部40が設けられている。電源IC1の動作モードには通常モード及び待機モードを含む複数のモードがあり、動作モード設定部40は、スキップ信号SKPに基づき通常モード又は待機モードを動作モードに設定する。
本発明の第5実施形態を説明する。電源IC1は、スイッチング電源装置AAの起動時において、出力電圧VOUTを0Vから目標電圧VTGに向けて緩やかに上昇させていくソフトスタート動作を実現できて良い。第5実施形態では、ソフトスタート動作に関わる技術について説明する。尚、第1~第4実施形態に示した動作は、後述の信号SSENDがハイレベルとなった後の動作であると解して良い。
本発明の第6実施形態を説明する。第6実施形態では、上述の第1~第5実施形態の内の任意の実施形態に適用可能な応用技術及び変形技術等を説明する。
1 電源IC
10 制御部
11 エラーアンプ
15 スロープ電圧生成部
16 メインコンパレータ
17 セット信号生成部
18 制御信号生成部
21 スキップコンパレータ
22 ワンショットパルス生成部
M1 出力トランジスタ
M2 同期整流トランジスタ
VIN 入力電圧
VOUT 出力電圧
VFB 帰還電圧
Claims (10)
- 出力トランジスタのスイッチング動作により入力電圧から出力電圧を生成するスイッチング電源用回路において、
前記出力電圧に応じた帰還電圧と基準電圧との差分に応じた誤差電圧を生成するエラーアンプ、及び、前記出力トランジスタに流れる電流に応じたスロープ電圧を生成するスロープ電圧生成部を有して、前記誤差電圧及び前記スロープ電圧に基づき前記出力トランジスタを制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記誤差電圧と所定のスキップ判定電圧との比較結果に基づくスキップ信号を生成するスキップコンパレータを更に有し、基本区間においてクロック信号に同期して前記スイッチング動作を実行する基本スイッチング制御を行い、
前記基本区間では前記スキップ信号が第1レベルで維持され、
前記制御部は、前記基本区間にて前記基本スイッチング制御を行う状態を経て、前記スキップ信号が前記第1レベルから前記第1レベルと異なる第2レベルに変化すると前記クロック信号に同期した前記基本スイッチング制御を停止するスキップ制御を行い、その後、前記スキップ信号が前記第2レベルから前記第1レベルに遷移したとき、前記基本スイッチング制御における前記クロック信号とは非同期で前記出力トランジスタをターンオンする
、スイッチング電源用回路。 - 前記基本スイッチング制御において、前記出力電圧の供給を受ける負荷の電流が大きくなるほど前記誤差電圧が第1方向に向けて変化してゆき、且つ、前記負荷の電流が小さくなるほど前記誤差電圧が前記第1方向とは逆の第2方向に向けて変化してゆき、
前記スキップコンパレータは、前記誤差電圧の前記第2方向への変化により前記誤差電圧及び前記スキップ判定電圧間の高低関係が逆転したとき、前記スキップ信号を前記第1レベルから前記第2レベルに変化させ、且つ、前記誤差電圧の前記第1方向への変化により前記誤差電圧及び前記スキップ判定電圧間の高低関係が逆転したとき、前記スキップ信号を前記第2レベルから前記第1レベルに変化させ、
前記エラーアンプは、前記出力電圧の低下に伴って前記誤差電圧が前記第1方向に変化するよう構成されており、
前記スキップ制御の開始後、前記出力電圧の低下に伴って前記誤差電圧が前記第1方向に変化し、これによって前記スキップ信号が前記第2レベルから前記第1レベルに遷移したとき、前記制御部は、前記基本スイッチング制御における前記クロック信号とは非同期で前記出力トランジスタをターンオンする
、請求項1に記載のスイッチング電源用回路。 - 前記制御部は、前記スキップ信号の前記第2レベルから前記第1レベルへの遷移に応答して特定信号を生成する特定信号生成部を有し、前記特定信号に基づき前記出力トランジスタをターンオンする
、請求項1又は2に記載のスイッチング電源用回路。 - 前記制御部は、前記特定信号に基づき前記出力トランジスタをターンオンした後、前記誤差電圧と前記スロープ電圧との比較結果に基づき前記出力トランジスタのターンオフタイミングを決定する
、請求項3に記載のスイッチング電源用回路。 - 前記制御部は、前記基本区間にて前記基本スイッチング制御を行う状態を経て、前記スキップ信号が前記第1レベルから前記第2レベルに変化すると前記スキップ制御を行い、その後、前記スキップ信号が特定のタイミングにて前記第2レベルから前記第1レベルに遷移し、且つ、前記特定のタイミング以降、前記特定のタイミングより所定時間後のタイミングを超えて前記スキップ信号が前記第1レベルにて維持されるとき、前記特定のタイミングより前記所定時間経過後の他の区間において、第2クロック信号に同期した前記出力トランジスタのPWM制御を実行し、前記PWM制御を前記誤差電圧及び前記スロープ電圧に基づいて実行する
、請求項4に記載のスイッチング電源用回路。 - 前記制御部は、前記基本区間にて前記基本スイッチング制御を行う状態を経て、前記スキップ信号が前記第1レベルから前記第2レベルに変化すると前記スキップ制御を行い、その後、前記スキップ信号が特定のタイミングにて前記第2レベルから前記第1レベルに遷移し、且つ、前記特定のタイミングから所定時間内に前記スキップ信号の前記第2レベルから前記第1レベルへの再度の遷移があったときには、前記再度の遷移に応答した前記特定信号に基づき前記出力トランジスタを再度ターンオンする
、請求項4に記載のスイッチング電源用回路。 - 前記制御部は、前記特定信号に基づき前記出力トランジスタを所定のオン時間だけオンとした後、前記出力トランジスタをターンオフする
、請求項3に記載のスイッチング電源用回路。 - 当該スイッチング電源用回路の動作モードを設定する動作モード設定部を更に備え、
前記動作モード設定部は、前記動作モードを、前記エラーアンプ及び前記スキップコンパレータとともに前記スイッチング電源用回路内の特定の回路を動作させる第1モード、又は、前記エラーアンプ及び前記スキップコンパレータを動作させつつも前記特定の回路の動作を停止させることで前記第1モードよりも当該スイッチング電源用回路の消費電力を低減する第2モードに設定することが可能であり、
前記動作モードが前記第1モードに設定されている状態において、前記スキップ信号の前記第1レベルから第2レベルへの遷移があった後、所定の設定時間以上、前記スキップ信号が前記第2レベルに維持されているとき、前記動作モード設定部は、前記動作モードを前記第2モードに切り替える
、請求項1~7の何れかに記載のスイッチング電源用回路。 - 前記制御部は、当該スイッチング電源用回路の起動時において、前記基準電圧より低い電位から前記基準電圧より高い電位に向けて徐々に電位が上昇するソフトスタート電圧を生成するソフトスタート電圧生成部を更に有し、
前記エラーアンプは、前記ソフトスタート電圧が前記基準電圧よりも低いときには、前記帰還電圧と前記ソフトスタート電圧との差分に応じて前記誤差電圧を生成し、前記ソフトスタート電圧が前記基準電圧よりも高いときには、前記帰還電圧と前記基準電圧との差分に応じて前記誤差電圧を生成し、
前記スキップコンパレータは、前記誤差電圧が前記スキップ判定電圧より高いときに前記第1レベルの前記スキップ信号を出力し、前記誤差電圧が前記スキップ判定電圧より低いときに前記第2レベルの前記スキップ信号を出力するよう構成され、
前記制御部は、前記ソフトスタート電圧が前記基準電圧以上の所定電圧に達するまでにおいて、それ以降よりも、前記スキップ判定電圧を低く設定する
、請求項1~8の何れかに記載のスイッチング電源用回路。 - 当該スイッチング電源用回路は半導体集積回路を用いて形成される
、請求項1~9の何れかに記載のスイッチング電源用回路。
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