KR102336095B1 - Dc/dc 컨버터 - Google Patents

Dc/dc 컨버터 Download PDF

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요시오미 시이나
마사유키 우노
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에이블릭 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 출력 전압의 노이즈에 영향을 받지 않아 오동작하지 않고 안정적인 제어를 할 수 있고, 비교적 일정한 주파수로 동작을 할 수 있는 DC/DC 컨버터를 제공한다.
(해결 수단) 출력 트랜지스터의 게이트에 입력되는 신호와 동기한 제어 신호가 입력되고 온 타임 신호를 출력하는 온 타이머 회로를 갖고, 온 타이머 회로는, 제어 신호에 의해 리플 성분을 생성하여 출력하는 리플 생성 회로와, 리플 성분을 평균화한 신호를 출력하는 평균화 회로와, 평균화 회로의 신호와 제어 신호에 의해 온 타임 신호를 생성하여 출력하는 타이머 회로를 구비한 DC/DC 컨버터.

Description

DC/DC 컨버터{DC/DC CONVERTER}
본 발명은, 직류 전압을 변환하는 DC/DC 컨버터에 관한 것으로, 타이머 회로를 구비한 DC/DC 컨버터에 관한 것이다.
종래의 DC/DC 컨버터에 대해 설명한다. 도 7 은, 종래의 DC/DC 컨버터를 나타내는 회로도이다.
종래의 DC/DC 컨버터는, 콤퍼레이터 (504) 와, RS-FF 회로 (113) 와, 구동 회로 (110) 와, 참조 전압 생성 회로 (503) 와, 타이머 회로 (501) 와, NMOS 트랜지스터 (108, 109) 와, 콘덴서 (107) 와, 코일 (106) 과, 저항 (103, 104, 502) 과, 그라운드 단자 (100) 와, 출력 단자 (102) 와, 전원 단자 (101) 를 구비하고 있다.
콤퍼레이터 (504) 의 반전 입력 단자에는 출력 단자 (102) 의 출력 전압 (Vout) 이 분압된 분압 전압이 입력되고, 비반전 입력 단자에는 전원 전압과 출력 전압 (Vout) 에 의존시킨 리플 전압과 소정의 경사로 변화하는 슬로프 전압을 부가한 참조 전압이 입력되어, 비교 결과에 따른 신호를 출력한다. 분압 전압이 참조 전압보다 높을 때에는 Lo 레벨의 신호를, 분압 전압이 참조 전압보다 낮을 때에는 High 레벨의 신호를 RS-FF 회로 (113) 의 세트 단자에 출력한다. RS-FF 회로 (113) 의 리셋 단자에는 타이머 회로 (501) 로부터 출력되는 신호가 공급되고, 콤퍼레이터 (504) 의 출력 신호와 타이머 회로 (501) 의 출력 신호에 따라 RS-FF 회로 (113) 의 Q 단자로부터 출력 신호가 출력된다. 구동 회로 (110) 는, RS-FF 회로 (113) 의 신호를 받아 NMOS 트랜지스터 (108, 109) 의 온 오프를 제어하여, 출력 단자 (102) 로부터 출력 전압 (Vout) 을 발생시킨다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 공개특허공보 2011-182533호
그러나, 종래의 DC/DC 컨버터는, 출력 전압 (Vout) 으로부터 참조 전압을 작성하고 있기 때문에, 출력 전압 (Vout) 으로부터의 노이즈의 영향을 받기 쉬워 제어가 안정되기 어렵다는 과제가 있었다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어졌고, 출력 전압 (Vout) 의 노이즈에 영향을 받지 않아 오동작하지 않고 안정적인 제어를 할 수 있고, 비교적 일정한 주파수로 동작을 할 수 있는 DC/DC 컨버터를 제공한다.
종래의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 DC/DC 컨버터는 이하와 같은 구성으로 하였다.
출력 트랜지스터의 게이트에 입력되는 신호와 동기한 제어 신호가 입력되고 온 타임 신호를 출력하는 온 타이머 회로를 갖고, 온 타이머 회로는, 제어 신호에 의해 리플 성분을 생성하여 출력하는 리플 생성 회로와, 리플 성분을 평균화한 신호를 출력하는 평균화 회로와, 평균화 회로의 신호와 제어 신호에 의해 온 타임 신호를 생성하여 출력하는 타이머 회로를 구비한 DC/DC 컨버터.
본 발명의 DC/DC 컨버터는, 출력 전압 (Vout) 을 사용하지 않고 타이머 회로를 동작시킬 수 있기 때문에, 출력 전압 (Vout) 의 노이즈의 영향 등에 의해 온 시간이 어긋나는 것을 방지할 수 있다. 또, 온 타임 신호는 duty 제어가 가능하기 때문에, 일정한 동작 주파수로 DC/DC 컨버터가 동작할 수 있다.
도 1 은, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 2 는, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 온 타이머 회로의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 3 은, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 콤퍼레이터의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 4 는, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 5 는, 온 타이머 회로의 다른 구성을 나타내는 회로도이다.
도 6 은, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 다른 구성을 나타내는 회로도이다.
도 7 은, 종래의 DC/DC 컨버터의 구성을 나타내는 회로도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 은, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
본 실시형태의 DC/DC 컨버터는, 콤퍼레이터 (112) 와, RS-FF 회로 (113) 와, 의사 (擬似) 리플 회로 (114) 와, 구동 회로 (110) 와, 기준 전압 회로 (105) 와, 온 타이머 회로 (111) 와, NMOS 트랜지스터 (108, 109) 와, 콘덴서 (107) 와, 코일 (106) 과, 분압 회로를 구성하는 저항 (103) 및 저항 (104) 과, 그라운드 단자 (100) 와, 출력 단자 (102) 와, 전원 단자 (101) 를 구비하고 있다.
도 2 는, 온 타이머 회로 (111) 의 구성을 나타내는 회로도이다. 온 타이머 회로 (111) 는, 저항 (202, 201, 203) 과, 앰프 (204) 와, NMOS 트랜지스터 (205) 와, PMOS 트랜지스터 (206) 와, 리플 생성 회로 (230) 와, 평균화 회로 (240) 와, 타이머 회로 (250) 와, 입력 단자 (121) 와, 출력 단자 (124) 와, 출력 단자 (125) 를 구비하고 있다. 리플 생성 회로 (230) 는, PMOS 트랜지스터 (207) 와, 스위치 회로 (208) 와, 콘덴서 (209) 와, 저항 (210) 으로 구성한다. 평균화 회로 (240) 는, 저항 (211) 과, 콘덴서 (212) 로 구성한다. 타이머 회로 (250) 는, 인버터 (213) 와, NMOS 트랜지스터 (214) 와, 콘덴서 (215) 와, 콤퍼레이터 (216) 와, PMOS 트랜지스터 (217) 로 구성한다.
도 3 은, 콤퍼레이터 (112) 의 구성을 나타내는 회로도이다. 콤퍼레이터 (112) 는, PMOS 트랜지스터 (306, 307, 308, 309, 310, 311) 와, 정전류 회로 (312, 313, 314, 315) 와, 인버터 (316, 317) 와, 제 1 비반전 입력 단자 (301) 와, 제 1 반전 입력 단자 (302) 와, 제 2 비반전 입력 단자 (303) 와, 제 2 반전 입력 단자 (304) 와, 출력 단자 (305) 를 구비하고 있다.
다음으로, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 접속에 대해 설명한다.
콤퍼레이터 (112) 는, 제 1 반전 입력 단자는 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (122) 에 접속되고, 제 1 비반전 입력 단자는 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (123) 에 접속되고, 제 2 반전 입력 단자는 저항 (103) 과 저항 (104) 의 접속점에 접속되고, 제 2 비반전 입력 단자는 기준 전압 회로 (105) 의 정극에 접속되고, 출력 단자는 RS-FF 회로 (113) 의 세트 단자에 접속된다. 저항 (103) 의 다른 일방의 단자는 출력 단자 (102) 에 접속되고, 저항 (104) 의 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속되고, 기준 전압 회로 (105) 의 부극은 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. RS-FF 회로 (113) 는, 리셋 단자는 온 타이머 회로 (111) 의 출력 단자 (124) 에 접속되고, 출력 단자는 구동 회로 (110) 및 온 타이머 회로 (111) 의 입력 단자 (121) 에 접속된다. NMOS 트랜지스터 (108) 는, 게이트는 구동 회로 (110) 의 제 1 출력 단자에 접속되고, 드레인은 전원 단자 (101) 에 접속되고, 소스는 코일 (106) 의 일방의 단자 및 NMOS 트랜지스터 (109) 의 드레인에 접속된다. NMOS 트랜지스터 (109) 는, 게이트는 구동 회로 (110) 의 제 2 출력 단자에 접속되고, 소스는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. 콘덴서 (107) 는, 일방의 단자는 출력 단자 (102) 와 코일 (106) 의 다른 일방의 단자에 접속되고, 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다.
온 타이머 회로 (111) 의 접속에 대해 설명한다. 앰프 (204) 는, 비반전 입력 단자는 저항 (202) 과 저항 (201) 의 접속점에 접속되고, 반전 입력 단자는 NMOS 트랜지스터 (205) 의 소스와 저항 (203) 의 접속점에 접속되고, 출력 단자는 NMOS 트랜지스터 (205) 의 게이트에 접속된다. 저항 (202) 의 다른 일방의 단자는 전원 단자 (101) 에 접속되고, 저항 (201) 의 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속되고, 저항 (203) 의 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (206) 는, 게이트와 드레인은 NMOS 트랜지스터 (205) 의 드레인에 접속되고, 소스는 전원 단자 (101) 에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (207) 는, 게이트는 PMOS 트랜지스터 (206) 의 게이트에 접속되고, 드레인은 스위치 회로 (208) 에 접속되고, 소스는 전원 단자 (101) 에 접속된다. 콘덴서 (209) 는, 일방의 단자는 스위치 회로 (208) 의 다른 일방의 단자와 저항 (210) 과 저항 (211) 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. 저항 (210) 의 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속되고, 저항 (211) 의 다른 일방의 단자는 콘덴서 (212) 에 접속된다. 콘덴서 (212) 의 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. 인버터 (213) 는, 입력은 입력 단자 (121) 와 스위치 회로 (208) 의 온 오프를 제어하는 단자에 접속되고, 출력은 NMOS 트랜지스터 (214) 의 게이트에 접속된다. NMOS 트랜지스터 (214) 는, 드레인은 콘덴서 (215) 와 PMOS 트랜지스터 (217) 의 드레인에 접속되고, 소스는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. 콘덴서 (215) 의 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (217) 는, 게이트는 PMOS 트랜지스터 (207) 의 게이트에 접속되고, 소스는 전원 단자 (101) 에 접속된다. 콤퍼레이터 (216) 는, 비반전 입력 단자는 PMOS 트랜지스터 (217) 의 드레인에 접속되고, 반전 입력 단자는 콘덴서 (212) 에 접속되고, 출력은 출력 단자 (124) 에 접속된다.
콤퍼레이터 (112) 의 접속에 대해 설명한다. 정전류 회로 (312) 는, 일방의 단자는 전원 단자 (101) 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 PMOS 트랜지스터 (306) 의 소스와 PMOS 트랜지스터 (307) 의 소스에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (306) 는, 게이트는 제 1 비반전 입력 단자 (301) 에 접속되고, 드레인은 정전류 회로 (314) 와 PMOS 트랜지스터 (310) 의 게이트 및 드레인의 접속점에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (307) 는, 게이트는 제 1 반전 입력 단자 (302) 에 접속되고, 드레인은 인버터 (316) 의 입력에 접속된다. 정전류 회로 (313) 는, 일방의 단자는 전원 단자 (101) 에 접속되고, 다른 일방의 단자는 PMOS 트랜지스터 (308) 의 소스와 PMOS 트랜지스터 (309) 의 소스에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (308) 는, 게이트는 제 2 비반전 입력 단자 (303) 에 접속되고, 드레인은 정전류 회로 (314) 와 PMOS 트랜지스터 (310) 의 게이트 및 드레인의 접속점에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (309) 는, 게이트는 제 2 반전 입력 단자 (304) 에 접속되고, 드레인은 인버터 (316) 의 입력에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (310) 의 소스는 전원 단자 (101) 에 접속되고, 정전류 회로 (314) 의 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. PMOS 트랜지스터 (311) 는, 게이트는 PMOS 트랜지스터 (310) 의 게이트에 접속되고, 드레인은 인버터 (316) 의 입력에 접속되고, 소스는 전원 단자 (101) 에 접속된다. 정전류 회로 (315) 는, 일방의 단자는 인버터 (316) 의 입력에 접속되고, 다른 일방의 단자는 그라운드 단자 (100) 에 접속된다. 인버터 (317) 는, 입력은 인버터 (316) 의 출력에 접속되고, 출력은 출력 단자 (305) 에 접속된다.
다음으로, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 동작에 대해 설명한다.
전원 단자 (101) 에 전원 전압 (VDD) 이 입력되면, DC/DC 컨버터는 출력 단자 (102) 로부터 출력 전압 (Vout) 을 출력한다. 저항 (103) 과 저항 (104) 은, 출력 전압 (Vout) 을 분압하고, 분압 전압 (VFB) 을 출력한다. 콤퍼레이터 (112) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같은 4 단자 입력의 구성을 하고 있고, 제 2 비반전 입력 단자에 입력되는 기준 전압 회로 (105) 의 기준 전압 (Vref) 과, 제 2 반전 입력 단자에 입력되는 분압 전압 (VFB) 과, 제 1 반전 입력 단자에 입력되는 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (122) 로부터 출력되는 전압과, 제 1 비반전 입력 단자에 입력되는 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (123) 로부터 출력되는 전압을 비교하고, 콤퍼레이터 (112) 의 출력 단자로부터 신호 (VS) 를 출력한다. 온 타이머 회로 (111) 는, 입력 단자 (121) 에 신호 (VQ) 가 입력되고, 출력 단자 (124) 로부터 온 타임 신호 (VR) 를 출력한다. RS-FF 회로 (113) 는, R 단자에 온 타임 신호 (VR) 가 입력되고, S 단자에 신호 (VS) 가 입력되고, Q 단자로부터 신호 (VQ) 를 출력한다.
도 4 는, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 동작을 나타내는 타이밍 차트이다. 분압 전압 (VFB) 이 기준 전압 (Vref) 을 하회하면 신호 (VS) 가 High 레벨이 되어, RS-FF 회로 (113) 의 Q 단자의 신호 (VQ) 를 High 레벨이 되게 한다. 그리고, 신호 (VQ) 가 구동 회로 (110) 에 입력되어 신호 (VQ) 에 따라 NMOS 트랜지스터 (108) 를 온, NMOS 트랜지스터 (109) 를 오프시켜, 분압 전압 (VFB) (출력 전압 (Vout)) 을 상승시킨다. 온 타이머 회로 (111) 의 출력 단자 (124) 로부터 출력되는 온 타임 신호 (VR) 가 High 레벨이 되면, RS-FF 회로 (113) 에 의해 신호 (VQ) 는 Lo 레벨이 되어, NMOS 트랜지스터 (108) 를 오프, NMOS 트랜지스터 (109) 를 온시켜, 분압 전압 (VFB) (출력 전압 (Vout)) 을 저하시킨다. 신호 (VQ) 가 High 레벨인 시간을 Ton, 신호 (VQ) 가 High 레벨이 되고 나서 다시 High 레벨이 될 때까지의 시간을 TS 로 하고, 이 시간을 1 주기로 하여 이 주기에 따라 제어를 실시함으로써 출력 트랜지스터로서 동작하는 NMOS 트랜지스터 (108) 와 NMOS 트랜지스터 (109) 를 제어하여, 출력 단자 (102) 로부터 출력 전압 (Vout) 을 발생시킨다.
콤퍼레이터 (112) 는, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (122) 로부터 출력되는 전압을 콤퍼레이터 (112) 의 제 1 반전 입력 단자에 입력함으로써, 제 2 반전 입력 단자에 입력되는 분압 전압 (VFB) 과 콤퍼레이터 (112) 내에서 가산되어, 분압 전압 (VFB) 이 리플 성분을 포함하는 전압이 된다. 그리고, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (123) 로부터 출력되는 전압을 콤퍼레이터 (112) 의 제 1 비반전 입력 단자에 입력함으로써, 제 2 비반전 입력 단자에 입력되는 기준 전압 (Vref) 과 콤퍼레이터 (112) 내에서 가산되고, 이 가산된 2 개의 신호를 비교함으로써 콤퍼레이터 (112) 로부터 신호 (VS) 가 출력된다.
온 타이머 회로 (111) 의 앰프 (204) 는, 전원 전압 (VDD) 을 저항 (202) 과 저항 (201) 에 의해 분압한 전압 (V1) 이 비반전 입력 단자에 입력되어, NMOS 트랜지스터 (205) 의 소스와 저항 (203) 의 접속점이 전압 (V1) 이 되도록 NMOS 트랜지스터 (205) 의 게이트를 제어한다. 전압 (V1) 은 전원 전압 (VDD) 에 의존한 전압이기 때문에, 저항 (203) 에는 전원 전압 (VDD) 에 의존한 전류가 흐른다. 이 전류는, PMOS 트랜지스터 (206) 와 PMOS 트랜지스터 (207) 가 구성하는 커런트 미러와, PMOS 트랜지스터 (206) 와 PMOS 트랜지스터 (217) 가 구성하는 커런트 미러를 통해 리플 생성 회로 (230) 와 타이머 회로 (250) 에 동일한 크기의 전류 (I1) 로서 흐른다. 전류 (I1) 에 의해 콘덴서 (209) 가 충전되어 콘덴서 (209) 의 양단에는 전압 (Vcref0) 이 발생한다. 전류 (I1) 는 전원 전압 (VDD) 에 비례하는 전류이기 때문에 비례 계수를 K 로 하면 I1 ＝ VDD × K 로 나타내어진다. 저항 (210) 에 흐르는 전류를 I2, 저항 (210) 의 저항값을 R2 로 하면 I2 ＝ Vcref0/R2 로 나타내어진다. 스위치 회로 (208) 는 신호 (VQ) 에 의해 온 오프가 제어되어 신호 (VQ) 가 High 레벨일 때에는 스위치 회로 (208) 는 온이 되어, 전류 (I1) 에 의해 콘덴서 (209) 의 충전과 전류 (I2) 에 의한 방전이 이루어진다. 또, 신호 (VQ) 가 Lo 레벨일 때에는, 스위치 회로 (208) 는 오프가 되어 콘덴서 (209) 의 전하가 전류 (I2) 에 의해 방전된다. 충전의 전하량을 Q1, 방전의 전하량을 Q2 로 하면 Q1 ＝ I1 × Ton, Q2 ＝ I2 × TS 로 나타내어진다. Q1 ＝ Q2 가 되기 때문에 I1 × Ton ＝ I2 × TS 가 되고, Ton/TS ＝ I2/I1 ＝ Vout/VDD 가 된다. 따라서, Vout ＝ VDD × I2/I1 이 된다.
I2 ＝ Vcref0/R2 이기 때문에, Vout ＝ VDD × Vcref0/R2/I1 이 되고, Vcref0 ＝ Vout/VDD × R2 × I1 이 된다. 따라서, 전압 (Vcref0) 은, RS-FF 회로 (113) 의 출력 전압인 신호 (VQ) 와 동기하고, 리플 성분을 포함하고, 출력 전압 (Vout) 에 비례한 전압이다.
평균화 회로 (240) 의 전압 (Vcref) 은, 저항 (211) 과 콘덴서 (212) 에 의해 전압 (Vcref0) 을 평균화함으로써, 전압 (Vcref0) 으로부터 리플 성분을 제거하고 있다. 따라서, 전압 (Vcref) 은, 리플 성분을 포함하지 않는 전압 (Vcref0) 과 동등한 전압, Vcref ＝ Vout/VDD × R2 × I1 이 된다.
이렇게 하여 출력 전압 (Vout) 을 직접 사용하지 않고 출력 전압 (Vout) 에 비례하는 평균화된 전압을 생성할 수 있기 때문에, 출력 전압 (Vout) 의 노이즈 등에 의해 온 타이머 회로가 오동작하는 것을 방지하고, 원하는 온 시간에 안정적인 제어를 할 수 있다.
NMOS 트랜지스터 (214) 의 게이트는 인버터 (213) 를 통해 신호 (VQ) 가 입력되기 때문에, 신호 (VQ) 와 역의 타이밍에 온 오프 제어된다. 콤퍼레이터 (216) 의 비반전 입력 단자의 전압을 전압 (Vcap) 으로 하면, NMOS 트랜지스터 (214) 가 오프일 때 전류 (I1) 에 의해 콘덴서 (215) 가 충전되어 전압 (Vcap) 의 전압값은 상승한다. 전압 (Vcap) 이 전압 (Vcref) 보다 낮을 때에는 콤퍼레이터 (216) 의 출력 단자 (124) 의 온 타임 신호 (VR) 는 Lo 레벨이 출력되고, 전압 (Vcap) 이 전압 (Vcref) 보다 높을 때에는 콤퍼레이터 (216) 의 출력 단자 (124) 의 온 타임 신호 (VR) 는 High 레벨이 출력된다. 그리고, RS-FF 회로 (113) 에 의해 신호 (VQ) 가 Lo 레벨이 되어 NMOS 트랜지스터 (214) 를 온시켜 콘덴서 (215) 의 전하를 방전시켜, 전압 (Vcap) 의 전압을 저하시킨다.
콘덴서 (215) 의 콘덴서값을 C2 로 하면, 온 시간 (Ton) 은 Ton ＝ C2/I1 × Vcref ＝ C2 × R2 × Vout/VDD 가 되고, 온 시간 (Ton) 은 Vout/VDD 로 나타내어지는 duty 제어를 실시하는 것이 가능하다. 이렇게 하여 온 시간 (Ton) 의 식으로 나타내어지는 바와 같이, PMOS 트랜지스터 (207) 와 PMOS 트랜지스터 (217) 에 동일하게 전원 전압 (VDD) 에 비례한 전류를 흘림으로써 온 시간 (Ton) 을 duty 제어할 수 있게 되기 때문에, 양방에 전원 전압 (VDD) 에 비례한 전류를 흘릴 필요가 있다. 이와 같이 하여, 온 타이머 회로 (111) 는 duty 제어를 실시하면서 온 시간을 제어하는 것이 가능해져 일정한 주파수로 동작할 수 있고, 출력 전압 (Vout) 을 직접 사용하지 않기 때문에 출력 전압 (Vout) 의 노이즈 등으로 인해 온 시간이 어긋나 오동작하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 온 타이머 회로 (111) 의 입력 단자 (121) 에 입력되는 신호 (VQ) 는, RS-FF 회로 (113) 의 Q 단자의 신호를 사용하였지만, NMOS 트랜지스터 (108) 의 게이트에 입력되는 신호에 동기한 신호이면 다른 노드의 신호를 사용해도 된다.
또, 콤퍼레이터 (112) 는, 4 단자 입력의 콤퍼레이터를 사용하였지만, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (122) 로부터 출력되는 전압과 분압 전압 (VFB) 을 가산하고, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (123) 로부터 출력되는 전압과 기준 전압 (Vref) 을 가산하는 구성이면 이 구성에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (122) 로부터 출력되는 전압과 분압 전압 (VFB) 을 가산하는 가산기와, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (123) 로부터 출력되는 전압과 기준 전압 (Vref) 을 가산하는 가산기를 형성하고, 그들의 신호를 비교하는 2 단자 입력의 콤퍼레이터로 구성해도 된다.
또, 전류 (I2) 를 흘리는 구성으로서 저항을 사용하였지만 이 구성에 한정되지 않고 전류 (I2) 를 흘릴 수 있는 소자이면 다른 임피던스 소자나 전류원 회로를 사용해도 된다. 또, RS-FF 회로를 사용하였지만 이 구성에 한정되지 않고 다른 플립플롭 회로를 사용해도 된다. 또한, PMOS 트랜지스터 (207) 와 PMOS 트랜지스터 (217) 에 동일한 전류 (I1) 를 흘리는 것으로서 설명하였지만, 전원 전압 (VDD) 에 비례한 전류를 흘리면 되고, 완전히 동일한 전류를 흘리는 것에 한정하는 것은 아니다.
또, 상기 서술한 온 타이머 회로 (111) 의 실시형태 및 구성에 있어서는, PMOS 트랜지스터 (206, 207, 217) 의 소스 단자는, 콤퍼레이터 (112) 등의 전원 단자와 접속해도 되고, 전원 단자 (101) 와 접속해도 된다. 요컨대, 이들 실시형태에서 접속되는 전원 단자의 접속에 의해 한정되는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터는, 출력 전압 (Vout) 을 직접 사용하지 않고 타이머 회로를 동작시킬 수 있기 때문에, 출력 전압 (Vout) 의 노이즈의 영향 등에 의해 온 시간의 어긋남이나 오동작하는 것을 방지할 수 있고, 안정적인 제어를 할 수 있다. 또, 온 타임 신호는 duty 제어가 가능하기 때문에, 입출력 조건이 바뀌어도 일정한 동작 주파수로 DC/DC 컨버터가 동작할 수 있다.
도 5 는, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터의 온 타이머 회로 (111) 의 다른 예를 나타내는 회로도이다. 도 2 의 온 타이머 회로와의 차이는, PMOS 트랜지스터 (207, 217) 를 정전류 회로 (401, 402) 로 변경하고, PMOS 트랜지스터 (206), NMOS 트랜지스터 (205), 앰프 (204), 저항 (202, 201, 203) 을 삭제한 점이다. 그 밖의 회로는 도 2 의 온 타이머 회로와 동일하다.
도 5 의 온 타이머 회로의 동작에 대해 설명한다. 정전류 회로 (401) 에 흐르는 전류를 전류 (I3), 정전류 회로 (402) 에 흐르는 전류를 전류 (I4), 저항 (210) 에 흐르는 전류를 I2 로 한다.
저항 (210) 의 저항값을 R2 로 하면 I2 ＝ Vcref0/R2 로 나타내어진다. 스위치 회로 (208) 는 신호 (VQ) 에 의해 온 오프가 제어되어, 신호 (VQ) 가 High 레벨일 때 스위치 회로 (208) 는 온이 되어, 전류 (I3) 에 의해 콘덴서 (209) 의 충전과 전류 (I2) 에 의한 방전이 이루어진다. 또, 신호 (VQ) 가 Lo 레벨일 때 스위치 회로 (208) 는 오프가 되어, 콘덴서 (209) 의 전하가 전류 (I2) 에 의해 방전된다. 충전의 전하량을 Q1, 방전의 전하량을 Q2 로 하면 Q1 ＝ I3 × Ton, Q2 ＝ I2 × TS 로 나타내어진다. Q1 ＝ Q2 가 되기 때문에 I3 × Ton ＝ I2 × TS 가 되고, Ton/TS ＝ I2/I3 ＝ Vout/VDD 가 된다. 따라서, Vout ＝ VDD × I2/I3 이 된다.
I2 ＝ Vcref0/R2 이기 때문에 Vout ＝ VDD × Vcref0/R2/I3 이 되고, Vcref0 ＝ Vout/VDD × R2 × I3 이 된다. 이렇게 하여 전압 (Vcref0) 은, RS-FF 회로 (113) 의 출력 전압인 신호 (VQ) 와 동기하고, 리플 성분을 포함하고, 출력 전압 (Vout) 에 비례한 전압이다.
평균화 회로 (240) 의 전압 (Vcref) 은, 저항 (211) 과 콘덴서 (212) 에 의해 전압 (Vcref0) 을 평균화함으로써, 전압 (Vcref0) 으로부터 리플 성분을 제거하고 있다. 따라서, 전압 (Vcref) 은, 리플 성분을 포함하지 않는 전압 (Vcref0) 과 동등한 전압, Vcref ＝ Vout/VDD × R2 × I3 이 된다.
이렇게 하여 출력 전압 (Vout) 을 직접 사용하지 않고 출력 전압 (Vout) 에 비례하는 평균화된 전압을 생성할 수 있기 때문에, 출력 전압 (Vout) 의 노이즈 등에 의해 온 타이머 회로가 오동작하는 것을 방지하고, 원하는 온 시간에 안정적인 제어를 할 수 있다.
NMOS 트랜지스터 (214) 의 게이트는 인버터 (213) 를 통해 신호 (VQ) 가 입력되기 때문에 신호 (VQ) 와 역의 타이밍에 온 오프 제어된다. 콤퍼레이터 (216) 의 비반전 입력 단자의 전압을 전압 (Vcap) 으로 하면, NMOS 트랜지스터 (214) 가 오프일 때 전류 (I4) 에 의해 콘덴서 (215) 가 충전되어 전압 (Vcap) 의 전압값은 상승한다. 전압 (Vcap) 이 전압 (Vcref) 보다 낮을 때에는 콤퍼레이터 (216) 의 출력 단자 (124) 의 온 타임 신호 (VR) 는 Lo 레벨이 출력되고, 전압 (Vcap) 이 전압 (Vcref) 보다 높을 때에는 콤퍼레이터 (216) 의 출력 단자 (124) 의 온 타임 신호 (VR) 는 High 레벨이 출력된다. 그리고, RS-FF 회로 (113) 에 의해 신호 (VQ) 가 Lo 레벨이 되어 NMOS 트랜지스터 (214) 를 온시켜 콘덴서 (215) 의 전하를 방전시켜, 전압 (Vcap) 의 전압을 저하시킨다.
콘덴서 (215) 의 콘덴서값을 C2 로 하면, 온 시간 (Ton) 은 Ton ＝ C2/I4 × Vcref ＝ C2 × I3/I4 × R2 × Vout/VDD 가 되고, I3 ＝ I4 인 경우 온 시간 (Ton) 은 Ton ＝ C2 × R2 × Vout/VDD 가 되고, 온 시간 (Ton) 은 Vout/VDD 로 나타내어지는 duty 제어를 실시하는 것이 가능하다. 이렇게 하여 온 시간 (Ton) 의 식으로 나타내어지는 바와 같이, PMOS 트랜지스터 (207) 와 PMOS 트랜지스터 (217) 에 정전류를 흘림으로써 온 시간 (Ton) 을 duty 제어할 수 있게 되어, duty 제어를 실시하면서 온 시간을 제어하는 것이 가능해져 일정한 주파수로 동작할 수 있고, 출력 전압 (Vout) 을 직접 사용하지 않기 때문에 출력 전압 (Vout) 의 노이즈 등에 의해 온 시간이 어긋나 오동작하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 온 타이머 회로 (111) 의 입력 단자 (121) 에 입력되는 신호 (VQ) 는, RS-FF 회로 (113) 의 Q 단자의 신호를 사용하였지만, NMOS 트랜지스터 (108) 의 게이트에 입력되는 신호에 동기한 신호이면 다른 노드의 신호를 사용해도 된다.
또, 콤퍼레이터 (112) 는, 4 단자 입력의 콤퍼레이터를 사용하였지만, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (122) 로부터 출력되는 전압과 분압 전압 (VFB) 을 가산하고, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (123) 로부터 출력되는 전압과 기준 전압 (Vref) 을 가산하는 구성이면 이 구성에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (122) 로부터 출력되는 전압과 분압 전압 (VFB) 을 가산하는 가산기와, 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (123) 로부터 출력되는 전압과 기준 전압 (Vref) 을 가산하는 가산기를 형성하고, 그들의 신호를 비교하는 2 단자 입력의 콤퍼레이터로 구성해도 된다.
또, 전류 (I2) 를 흘리는 구성으로서 저항을 사용하였지만 이 구성에 한정되지 않고 전류 (I2) 를 흘릴 수 있는 소자이면 다른 임피던스 소자나 전류원 회로를 사용해도 된다. 또, RS-FF 회로를 사용하였지만 이 구성에 한정되지 않고 다른 플립플롭 회로를 사용해도 된다. 또한, 정전류 회로 (401) 와 정전류 회로 (402) 에 동일한 전류를 흘리는 것으로서 설명하였지만, 정전류 회로 (401) 에 비례하는 전류를 정전류 회로 (402) 에 흘리거나 상이한 전류여도 되고, 이 구성에 한정하는 것은 아니다.
또, 상기 서술한 온 타이머 회로 (111) 의 실시형태 및 구성에 있어서는, 정전류 회로 (401, 402) 의 접속은, 콤퍼레이터 (112) 등의 전원 단자와 접속해도 되고, 전원 단자 (101) 와 접속해도 된다. 요컨대, 이들 실시형태에서 접속되는 전원 단자의 접속에 의해 한정되는 것은 아니다.
이상 설명한 바와 같이, 도 5 의 온 타이머 회로를 구비한 본 실시형태의 DC/DC 컨버터는, 출력 전압 (Vout) 을 직접 사용하지 않고 타이머 회로를 동작시킬 수 있기 때문에, 출력 전압 (Vout) 의 노이즈의 영향 등에 의해 온 시간이 어긋나거나 오동작하는 것을 방지할 수 있고, 안정적인 제어를 할 수 있다. 또, 온 타임 신호는 duty 제어가 가능하기 때문에, 입출력 조건이 바뀌어도 일정한 동작 주파수로 DC/DC 컨버터가 동작할 수 있다.
도 6 은, 본 실시형태의 온 타이머 회로를 사용한 다른 DC/DC 컨버터의 예를 나타내는 회로도이다. 도 1 의 실시형태의 DC/DC 컨버터와의 차이는, 온 타이머 회로 (111) 의 출력 단자 (125) 로부터 전압 (Vcref) 을 출력하고, 콤퍼레이터 (112) 의 제 2 반전 입력 단자에 입력하고, 출력 전압 (Vout) 을 분압하는 저항 (103, 104) 을 삭제한 점이다.
도 6 의 DC/DC 컨버터의 동작에 대해 설명한다.
전원 단자 (101) 에 전원 전압 (VDD) 이 입력되면, DC/DC 컨버터는 출력 단자 (102) 로부터 출력 전압 (Vout) 을 출력한다. 콤퍼레이터 (112) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같은 4 단자 입력의 구성을 하고 있고, 제 2 비반전 입력 단자에 입력되는 기준 전압 회로 (105) 의 기준 전압 (Vref) 과, 제 2 반전 입력 단자에 입력되는 온 타이머 회로 (111) 로부터 출력되는 전압 (Vcref) 과, 제 1 반전 입력 단자에 입력되는 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (122) 로부터 출력되는 전압과, 제 1 비반전 입력 단자에 입력되는 의사 리플 회로 (114) 의 출력 단자 (123) 로부터 출력되는 전압을 비교하고, 콤퍼레이터 (112) 의 출력 단자로부터 신호 (VS) 를 출력한다. 온 타이머 회로 (111) 는, 입력 단자 (121) 에 신호 (VQ) 가 입력되고, 출력 단자 (124) 로부터 온 타임 신호 (VR) 를 출력하고, 출력 단자 (125) 로부터 전압 (Vcref) 을 출력한다. RS-FF 회로 (113) 는, R 단자에 온 타임 신호 (VR) 가 입력되고, S 단자에 신호 (VS) 가 입력되고, Q 단자로부터 신호 (VQ) 를 출력한다.
본 실시형태의 온 타이머 회로 (111) 는, 평균화 회로 (240) 는 출력 전압 (Vout) 을 직접 사용하지 않고 출력 전압 (Vout) 에 비례하는 평균화된 전압 (Vcref) 을 생성한다. 평균화 회로 (240) 의 출력 전압 (Vcref) ＝ Vout/VDD × R2 × I1 이며, I1 ＝ VDD × K 이기 때문에, Vcref ＝ Vout/VDD × R2 × VDD × K 가 되고, Vcref ＝ Vout × R2 × K 가 된다. 따라서, Vcref 와 출력 전압 (Vout) 은 비례 관계가 되고, Vout ＝ Vcref × R2 × K 가 되므로, Vcref 를 제어함으로써 원하는 출력 전압 (Vout) 이 얻어진다.
평균화 회로 (240) 의 출력 전압 (Vcref) 이 기준 전압 (Vref) 을 하회하면 신호 (VS) 가 High 레벨이 되어, RS-FF 회로 (113) 의 Q 단자의 신호 (VQ) 를 High 레벨이 되게 한다. 그리고, 신호 (VQ) 가 구동 회로 (110) 에 입력되어 신호 (VQ) 에 따라 NMOS 트랜지스터 (108) 를 온, NMOS 트랜지스터 (109) 를 오프시켜, 출력 전압 (Vout) 을 상승시킨다. 온 타이머 회로 (111) 의 출력 단자 (124) 로부터 출력되는 온 타임 신호 (VR) 가 High 레벨이 되면, RS-FF 회로 (113) 에 의해 신호 (VQ) 는 Lo 레벨이 되어, NMOS 트랜지스터 (108) 를 오프, NMOS 트랜지스터 (109) 를 온시켜, 출력 전압 (Vout) 을 저하시킨다. 신호 (VQ) 가 High 레벨인 시간을 Ton, 신호 (VQ) 가 High 레벨이 되고 나서 다시 High 레벨이 될 때까지의 시간을 TS 로 하고, 이 시간을 1 주기로 하여 이 주기에 따라 제어를 실시함으로써 출력 트랜지스터로서 동작하는 NMOS 트랜지스터 (108) 와 NMOS 트랜지스터 (109) 를 제어하여, 출력 단자 (102) 로부터 출력 전압 (Vout) 을 발생시킨다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 DC/DC 컨버터는, 출력 전압 (Vout) 을 직접 사용하지 않고 타이머 회로를 동작시킬 수 있기 때문에, 출력 전압 (Vout) 의 노이즈의 영향 등에 의해 온 시간의 어긋남이나 오동작하는 것을 방지할 수 있고, 안정적인 제어를 할 수 있다. 또, 온 타임 신호는 duty 제어가 가능하기 때문에, 입출력 조건이 바뀌어도 일정한 동작 주파수로 DC/DC 컨버터가 동작할 수 있다.
또한, 본 실시형태 및 구성의 온 타이머 회로는, 본 실시형태 및 구성의 DC/DC 컨버터에 사용되는 것으로 한정되는 것은 아니다. 본 실시형태 및 구성의 DC/DC 컨버터의 제어는, 출력 전압 (Vout) 을 일정하게 하기 때문에, 전원 전압 (VDD) 과 duty 의 관계가 Vout ＝ VDD × duty 로 되어 있고, 이와 같은 제어가 이루어지는 DC/DC 컨버터이면, 본 실시형태 및 구성의 온 타이머 회로에 의해 출력 전압 (Vout) 의 제어를 할 수 있다. 예를 들어, 포워드 방식의 DC/DC 컨버터이다.
포워드 방식의 DC/DC 컨버터의 제어는, 출력 전압 (Vout), 전원 전압 (VDD), 부하가 되는 코일의 1 차측 권선을 Np, 부하가 되는 코일의 2 차측 권선을 Ns 로 하면, Vout ＝ VDD × duty × Ns/Np 로 제어가 이루어지고, Ns/Np 는 고정 정수 (定數) 이므로, 본 실시형태 및 구성의 DC/DC 컨버터와 동일한 duty 에 의해 출력 전압 (Vout) 이 제어된다. 특히, Ns ＝ Np 인 경우에는 본 실시형태 및 구성의 DC/DC 컨버터와 동일해진다.
일반적인 포워드 방식의 DC/DC 컨버터의 구성은, 그라운드 단자에 스위치 소자가 접속되고, 상기 스위치 소자가 온 오프 동작을 함으로써, 상기 스위치 소자에 의해 부하가 되는 코일에 흐르는 전류가 제어되는 것에 의해 출력 전압 (Vout) 이 제어된다. 상기 스위치 소자를 온 오프시키는 제어 단자에는 구동 회로가 접속된다. 본 실시형태 및 구성의 RS-FF 회로의 출력 신호 (VQ) 를 상기 구동 회로에 입력함으로써, 출력 전압 (Vout) 을 발생시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태 및 구성의 온 타이머 회로는, 본 실시형태 및 구성의 DC/DC 컨버터에 사용되는 것으로 한정되는 것은 아니고, 다른 구성의 DC/DC 컨버터에 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 DC/DC 컨버터는, 의사 리플 회로 (114) 를 구비하는 구성으로서 설명하였지만, 콤퍼레이터 (112) 의 제 1 반전 입력 단자에 리플 생성 회로 (230) 의 전압 (Vcref0) 을 입력하고, 제 1 비반전 입력 단자에 평균화 회로 (240) 의 전압 (Vcref) 을 입력하는 구성으로 해도 된다. DC/DC 컨버터를 이와 같이 구성하면, 의사 리플 회로 (114) 를 형성하지 않아도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
100 : 그라운드 단자
101 : 전원 단자
102 : 출력 단자
105 : 기준 전압 회로
106 : 코일
110 : 구동 회로
111 : 온 타이머 회로
112, 216 : 콤퍼레이터
113 : RS-FF 회로
114 : 의사 리플 회로
204 : 앰프
208 : 스위치 회로
312, 313, 314, 315, 401, 402 : 정전류 회로
230 : 리플 생성 회로
240 : 평균화 회로
250 : 타이머 회로

Claims (6)

  1. 출력 트랜지스터가 출력하는 출력 전압에 따른 의사 (擬似) 리플 성분과, 상기 출력 전압에 따른 전압을 가산한 전압과, 상기 의사 리플 성분과 기준 전압을 가산한 전압의 차를 출력하는 제 1 콤퍼레이터와,
    상기 출력 트랜지스터의 게이트에 입력되는 신호와 동기한 제어 신호가 입력되고, 온 타임 신호를 출력하는 온 타이머 회로와,
    상기 온 타이머 회로의 온 타임 신호와 상기 제 1 콤퍼레이터의 출력 신호가 입력되는 플립플롭 회로와,
    상기 플립플롭 회로의 출력 신호가 입력되고, 상기 출력 트랜지스터를 제어하는 구동 회로
    를 구비한 DC/DC 컨버터로서,
    상기 온 타이머 회로는,
    상기 제어 신호에 의해 리플 성분을 생성하여 출력하는 리플 생성 회로와,
    상기 리플 성분을 평균화한 신호를 출력하는 평균화 회로와,
    상기 평균화 회로의 신호와 상기 제어 신호에 의해 상기 온 타임 신호를 생성하여 출력하는 타이머 회로
    를 구비하고,
    상기 리플 생성 회로는,
    제 1 전류원과,
    일단이 상기 제 1 전류원에 접속되고, 상기 제어 신호에 의해 제어되는 스위치 회로와,
    상기 스위치 회로의 타단에 접속되는 제 1 콘덴서와,
    상기 스위치 회로의 타단에 접속되는 임피던스 소자
    를 구비한 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타이머 회로는,
    상기 제어 신호가 입력되는 인버터와,
    게이트에 상기 인버터의 출력 단자가 접속되는 트랜지스터와,
    상기 트랜지스터의 드레인에 접속되는 제 2 콘덴서와,
    상기 트랜지스터의 드레인에 접속되는 제 2 전류원과,
    비반전 입력 단자가 상기 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 반전 입력 단자가 상기 평균화 회로의 출력 단자에 접속되는 제 2 콤퍼레이터
    를 구비한 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전류원 및 상기 제 2 전류원은 전원 전압에 비례하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 전류원은 상기 제 1 전류원의 전류값에 비례하는 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 콤퍼레이터에 입력되는 상기 출력 전압에 따른 전압은 상기 평균화 회로의 출력 전압인 것을 특징으로 하는 DC/DC 컨버터.
  6. 삭제
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