KR20170095145A

KR20170095145A - Dc－dc 컨버터

Info

Publication number: KR20170095145A
Application number: KR1020170018306A
Authority: KR
Inventors: 아키히로 가와노; 가츠야 고토
Original assignee: 에스아이아이 세미컨덕터 가부시키가이샤
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2017-08-22
Also published as: CN107086774A; JP2017143703A; TW201729527A; US20170237350A1

Abstract

(과제) 안정적으로 동작하는 보호 회로를 구비한 동기 정류형의 DC－DC 컨버터를 제공한다.
(해결 수단) 인덕터에 축적된 전기 에너지가 없어진 것을 검출하는 검출 회로, 또는 보호 회로가 이상을 검출하고 나서 소정의 시간을 계수하는 타이머 회로를 구비하고, 보호 회로가 이상 상태를 검출했을 때에, 출력 제어 회로는 하이 사이드의 스위칭 소자를 오프 상태로 하고 로우 사이드의 스위칭 소자를 온 상태로 하고, 검출 회로 또는 타이머 회로의 출력 신호에 의해, 인덕터에 축적된 전기 에너지가 없어지고 나서 출력 제어 회로는 로우 사이드의 스위칭 소자를 오프로 하는 구성으로 했다.

Description

DC－DC 컨버터{DC-DC CONVERTER}

본 발명은 전자기기에 전원을 공급하는 DC－DC 컨버터에 관한 것이다.

DC－DC 컨버터는 전원 감시 회로, 출력 감시 회로, 과열 보호 회로, 과전류 보호 회로 등, 이상 상태가 검출되었을 때에, 스위칭 동작을 정지시키는 보호 회로를 탑재한다. 특히, 동기 정류 DC－DC 컨버터에 있어서는 이상 상태가 검출되었을 때에, 하이 사이드의 스위칭 소자 및 로우 사이드의 스위칭 소자를 모두 오프 상태로 하여 동작을 정지시키고, DC－DC 컨버터의 파괴를 방지한다.

도 5 에 종래의 DC－DC 컨버터의 개략 구성도의 일례를 나타낸다. 보호 회로 (31) 이 출력 제어 회로 (15) 에 접속되어 있다. 그 보호 회로 (31) 이 이상을 검지하여 이상의 발생을 출력 제어 회로 (15) 에 통지하면, 그 출력 제어 회로 (15) 는 하이 사이드의 드라이버 (21) 와 로우 사이드의 드라이버 (22) 의 양방에 오프 신호를 보내 PMOS 트랜지스터 (2) 와 NMOS 트랜지스터 (4) 를 동시에 정지시킨다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 2004－080890호

종래의 DC－DC 컨버터에서는 PMOS 트랜지스터 (2) 와 NMOS 트랜지스터 (4) 를 동시에 정지시키면, 인덕터 (3) 에 축적된 전기 에너지가 NMOS 트랜지스터 (4) 의 드레인 (N＋) 과 Psub 기판 (P) 으로 형성되는 기생 다이오드를 통과하는 전류가 되어 방전된다. 기생 다이오드에 전류가 흐르면, NMOS 트랜지스터 (4) 의 드레인 전압이 부 전압이 된다. 따라서, 스위칭 소자의 드레인 (N＋), Psub 기판 (P), 내부 회로의 N 채널 트랜지스터의 드레인 (N＋) 으로 형성되는 기생 NPN 트랜지스터에 전류가 흘러 버린다. 그리고, N 채널 트랜지스터가 의도하지 않은 동작을 하므로, 내부 회로가 오동작하게 된다는 과제가 있었다. 예를 들어, 드라이버를 정지했음에도 불구하고, 오동작에 의해 정지 동작을 해제하여 보호 기능이 정상적으로 동작할 수 없게 된다.

본 발명은 이상과 같은 과제를 해결하기 위해서 고안된 것으로, 안정적으로 동작하는 보호 회로를 구비한 DC－DC 컨버터를 실현하는 것이다.

종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 DC－DC 컨버터는 이하와 같은 구성으로 했다.

인덕터에 축적된 전기 에너지가 없어진 것을 검출하는 검출 회로를 구비하고, 보호 회로가 이상 상태를 검출했을 때에, 출력 제어 회로는 하이 사이드의 스위칭 소자를 오프 상태로 하고 로우 사이드의 스위칭 소자를 온 상태로 하고, 검출 회로가 인덕터에 축적된 전기 에너지가 없어진 것을 검출하면 출력 제어 회로는 로우 사이드의 스위칭 소자를 오프로 한다.

또, 보호 회로가 이상을 검출하고 나서 소정의 시간을 계수하는 타이머 회로를 구비하고, 보호 회로가 이상 상태를 검출했을 때에, 출력 제어 회로는 하이 사이드의 스위칭 소자를 오프 상태로 하고 로우 사이드의 스위칭 소자를 온 상태로 하고, 타이머 회로가 소정 시간을 계수하면 출력 제어 회로는 로우 사이드의 스위칭 소자를 오프로 한다.

본 발명의 동기 정류형의 DC－DC 컨버터에 의하면 인덕터에 축적된 전기 에너지가 없어진 것을 검출하는 검출 회로, 또는 보호 회로가 이상을 검출하고 나서 소정의 시간을 계수하는 타이머 회로를 구비하고, 인덕터에 축적된 전기 에너지가 없어지고 나서 로우 사이드의 스위칭 소자를 오프하도록 하였으므로, 보호 기능 등의 내부 회로의 오동작을 방지할 수 있고, 따라서 스위칭 소자를 보호할 수 있다.

도 1 은 제 1 실시형태의 DC－DC 컨버터의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2 는 제 1 실시형태의 DC－DC 컨버터의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 3 은 제 2 실시형태의 DC－DC 컨버터의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 4 는 제 2 실시형태의 DC－DC 컨버터의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 5 는 종래의 DC－DC 컨버터의 개략 구성도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면에 기초하여 설명한다.

(제 1 실시형태)

도 1 은 제 1 실시형태의 DC－DC 컨버터의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.

제 1 실시형태의 DC－DC 컨버터는 하이 사이드의 스위칭 소자인 PMOS 트랜지스터 (2) 와 로우 사이드의 스위칭 소자인 NMOS 트랜지스터 (4) 와 인덕터 (3) 과 캐패시터 (5) 와 콤퍼레이터 (10) 과 온 시간 제어 회로 (11) 과 기준 전압 회로 (12) 와 RS 플립플롭 (13) 과 출력 제어 회로 (15) 와 보호 회로 (31) 과 분할 저항인 저항 (17 및 18) 과 하이 사이드의 드라이버 (21) 과 로우 사이드의 드라이버 (22) 와 보호 회로 (31) 과 콤퍼레이터 (41) 을 구비하고 있다. 보호 회로 (31) 은 예를 들어, 전원 감시 회로, 출력 감시 회로, 과열 보호 회로, 과전류 보호 회로 등이다.

PMOS 트랜지스터 (2) 와 NMOS 트랜지스터 (4) 는 입력 단자 (1) 로부터 입력된 직류 전류를 스위칭한다. 스위칭 동작에 의해 발생한 전압은 인덕터 (3) 와 캐패시터 (5) 로 평활되어, 출력 단자 (6) 에 출력 전압 Vout 으로서 출력된다. 출력 전압 Vout 은 저항 (17) 과 저항 (18) 으로 분압되어 콤퍼레이터 (10) 에 입력된다. 콤퍼레이터 (10) 은 분압 전압과 기준 전압 회로 (12) 가 출력하는 기준 전압을 비교하고, 비교 결과를 출력한다. RS 플립플롭 (13) 은 콤퍼레이터 (10) 의 검출 신호를 S 단자에 입력하고, 온 시간 제어 회로 (11) 의 신호를 R 단자에 입력하고, Q 단자의 Q 신호를 출력 제어 회로 (15) 에 출력한다. 출력 제어 회로 (15) 는 드라이버 (21) 와 드라이버 (22) 를 개재하여, PMOS 트랜지스터 (2) 와 스위칭 소자 (4) 를 구동하는 신호를 출력한다. 보호 회로 (31) 은 회로의 이상을 검출하고, 검출 신호를 출력 제어 회로 (15) 에 출력한다. 콤퍼레이터 (41) 은 인덕터 (3) 의 입력측의 단자 (노드 L) 의 전압을 GND 전압과 비교하고, 인덕터 (3) 에 축적된 전기 에너지가 없어진 것을 검출하여 검출 신호를 출력한다.

다음으로, 제 1 실시형태의 DC－DC 컨버터의 보호 동작에 대해 설명한다.

도 2 는 제 1 실시형태의 DC－DC 컨버터의 동작을 나타내는 그래프이다.

PMOS 트랜지스터 (2) 의 게이트를 노드 P 로 하고, NMOS 트랜지스터 (4) 의 게이트를 노드 N 으로 한다.

보호 회로 (31) 은 T1 에 있어서 과전류가 흐르는 등 이상 상태를 검출하면 출력 제어 회로 (15) 에 검출 신호를 출력한다. 출력 제어 회로 (15) 는 보호 회로 (31) 의 검출 신호를 받으면 드라이버 (21) 에 하이레벨의 신호를 출력하고, PMOS 트랜지스터 (2) 를 오프한다. 또, 출력 제어 회로 (15) 는 드라이버 (22) 에는 하이레벨의 신호를 출력하고, NMOS 트랜지스터 (4) 를 온한다. 콤퍼레이터 (41) 은 예를 들어, 보호 회로 (31) 의 검출 신호와 NMOS 트랜지스터 (4) 를 온 하는 신호로 동작을 개시한다.

NMOS 트랜지스터 (4) 가 온하므로, 노드 L 의 전압은 일단 GND 전압 이하가 되어, 인덕터 (3) 에 흐르는 전류가 서서히 감소하므로 서서히 상승한다. 그리고, 인덕터 (3) 에 흐르는 전류가 없어지고, 즉 인덕터 (3) 에 축적된 전기 에너지가 없어지면, 노드 L 의 전압이 GND 전압 이상이 되므로 (T2), 콤퍼레이터 (41) 은 검출 신호를 출력 제어 회로 (15) 에 출력한다. 출력 제어 회로 (15) 는 콤퍼레이터 (41) 의 검출 신호를 받으면 드라이버 (22) 에 로우레벨의 신호를 출력하고, NMOS 트랜지스터 (4) 를 오프한다.

이와 같이 동작함으로써, 인덕터 (3) 에 축적된 전기 에너지의 방전 전류는 NMOS 트랜지스터 (4) 의 드레인 (N＋) 과 Psub 기판 (P) 으로 형성되는 기생 다이오드에 흐르는 일이 없고, NMOS 트랜지스터 (4) 의 소스-드레인 사이를 통해 흐르므로, 기생 NPN 트랜지스터가 동작하지 않는다. 따라서, 보호 기능 등의 내부 회로의 오동작을 방지할 수 있어 스위칭 소자를 보호할 수 있다.

(제 2 실시형태)

도 3 은 제 2 실시형태의 DC－DC 컨버터의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.

제 2 실시형태의 DC－DC 컨버터는 제 1 실시형태의 회로의 보호 회로 (31) 과 콤퍼레이터 (41) 대신에 보호 회로 (51) 과 타이머 회로 (52) 를 구비한다.

보호 회로 (51) 은 회로의 이상을 검출하여 검출 신호를 출력 제어 회로 (15) 와 타이머 회로 (52) 에 출력한다. 타이머 회로 (52) 는 보호 회로 (51) 가 출력하는 검출 신호를 받아, 소정의 시간을 계수하고, 소정의 시간 경과 후에 출력 제어 회로 (15) 에 신호를 출력한다.

그 밖의 회로 동작은 제 1 실시형태와 동일하므로 생략한다.

다음으로, 제 2 실시형태의 DC－DC 컨버터의 보호 동작에 대해 설명한다.

도 4 는 제 2 실시형태의 DC－DC 컨버터의 동작을 나타내는 그래프이다.

보호 회로 (51) 은 T1 에서 과전류가 흐르는 등 이상 상태를 검출하면 출력 제어 회로 (15) 와 타이머 회로 (52) 에 검출 신호를 출력한다. 출력 제어 회로 (15) 는 보호 회로 (51) 의 검출 신호를 받으면 드라이버 (21) 에 하이레벨의 신호를 출력하고, PMOS 트랜지스터 (2) 를 오프한다. 또, 출력 제어 회로 (15) 는 드라이버 (22) 에는 하이레벨의 신호를 출력하고, NMOS 트랜지스터 (4) 를 온 한다. 타이머 회로 (52) 는 보호 회로 (51) 의 검출 신호를 받으면 계수를 개시하고, 소정의 시간 경과 후에 출력 제어 회로 (15) 에 신호를 출력한다. 출력 제어 회로 (15) 는 타이머 회로 (52) 의 신호를 받으면 드라이버 (22) 에 로우레벨의 신호를 출력하고, NMOS 트랜지스터 (4) 를 오프한다.

일반적으로, 인덕터 (3) 에 축적된 전기 에너지의 방전 시간은 간략적으로 하기 식으로 나타낼 수 있다.

Δt=L×IL/Vout

여기서, Δt 는 인덕터에 축적된 전기 에너지의 방전 시간, L 은 인덕터의 인덕턴스값, IL 은 동작시의 인덕터 전류값, Vout 은 출력 단자 (6) 의 전압이다.

타이머 회로 (52) 의 설정 시간을 인덕터 (3) 에 축적된 전기 에너지의 방전 시간보다 긴 시간으로 설정함으로써, 인덕터 (3) 에 축적된 전기 에너지의 방전 전류가 제로가 되고 나서 NMOS 트랜지스터 (4) 를 오프로 할 수 있다.

13 : RS 플립플롭
15 :출력 제어 회로
31, 51 : 보호 회로
10, 41 : 콤퍼레이터
52 : 타이머 회로

Claims

DC－DC 컨버터로서,
하이 사이드의 스위칭 소자인 PMOS 트랜지스터와,
로우 사이드의 스위칭 소자인 NMOS 트랜지스터와,
상기 PMOS 트랜지스터와 상기 NMOS 트랜지스터의 접속점과 출력 단자의 사이에 접속된 인덕터와,
상기 PMOS 트랜지스터와 상기 NMOS 트랜지스터의 제어 신호를 출력하는 출력 제어 회로와,
상기 DC－DC 컨버터의 이상을 검출한 신호를 상기 출력 제어 회로에 출력하는 보호 회로와,
상기 인덕터에 축적된 전기 에너지를 검출하는 검출 회로를 구비하고,
상기 출력 제어 회로는 상기 보호 회로가 출력하는 신호를 받아, 상기 PMOS 트랜지스터를 오프하고 상기 NMOS 트랜지스터를 온하고,
상기 검출 회로는 상기 인덕터에 축적된 전기 에너지가 없어진 것을 검출하면 상기 출력 제어 회로에 검출 신호를 출력하고,
상기 출력 제어 회로는 상기 검출 회로가 출력하는 검출 신호를 받아, 상기 NMOS 트랜지스터를 오프하는 것을 특징으로 하는 DC－DC 컨버터.
제 1 항에 있어서,
상기 검출 회로는
상기 인덕터의 입력측의 단자의 전압이 GND 전압과 비교하는 콤퍼레이터인 것을 특징으로 하는 DC－DC 컨버터.
DC－DC 컨버터로서,
하이 사이드의 스위칭 소자인 PMOS 트랜지스터와,
로우 사이드의 스위칭 소자인 NMOS 트랜지스터와,
상기 PMOS 트랜지스터와 상기 NMOS 트랜지스터의 접속점과 출력 단자의 사이에 접속된 인덕터와,
상기 PMOS 트랜지스터와 상기 NMOS 트랜지스터의 제어 신호를 출력하는 출력 제어 회로와,
상기 DC－DC 컨버터의 이상을 검출한 신호를 상기 출력 제어 회로에 출력하는 보호 회로와,
소정의 시간을 계수하는 타이머 회로를 구비하고,
상기 출력 제어 회로는 상기 보호 회로가 출력하는 신호를 받아, 상기 PMOS 트랜지스터를 오프하고 상기 NMOS 트랜지스터를 온하고,
상기 타이머 회로는 상기 보호 회로가 출력하는 신호를 받아 계수를 개시하고, 상기 소정의 시간을 계수하면 상기 출력 제어 회로에 신호를 출력하고,
상기 출력 제어 회로는 상기 타이머 회로가 출력하는 신호를 받아, 상기 NMOS 트랜지스터를 오프하는 것을 특징으로 하는 DC－DC 컨버터.
제 3 항에 있어서,
상기 소정의 시간은
상기 인덕터에 축적된 전기 에너지가 방전되는 시간보다 긴 것을 특징으로 하는 DC－DC 컨버터.