JP6672063B2 - Dcdcコンバータ - Google Patents

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Description

本発明は、DCDCコンバータに関し、特に、ヒステリシス制御方式(リップル制御方式)のDCDCコンバータに関する。
ヒステリシス制御方式のDCDCコンバータでは、出力端子に接続されるコンデンサの等価直列抵抗(ESR)により出力電圧に現れるリップル成分を利用して、スイッチング素子のオンオフ制御が行われる。
従来は、ESRの比較的大きなコンデンサが使用されていたが、DCDCコンバータが用いられる電子機器の小型化のため、セラミックコンデンサの使用のニーズが高まっている。しかし、セラミックコンデンサは、ESRが小さいため、セラミックコンデンサを用いると出力電圧にリップル成分がほとんど現れなくなり、スイッチング素子のオンオフ制御ができなくなってしまう。この対策として、擬似的にリップル成分を生成し、この擬似リップル成分を出力電圧やコンパレータ等に注入するリップル注入方式が採用されている。
かかるリップル注入方式の実現方法として、特許文献1には、コンパレータを二つの差動入力段を有する4入力のコンパレータとし、二つの差動入力段のうちの一方の差動入力段に帰還電圧と基準電圧が入力され、他方の差動入力段に擬似リップル生成回路により生成した擬似リップル電圧とこれを平滑化した電圧が入力される構成としたDCDCコンバータが提案されている。
特開2012−235563号公報
しかしながら、特許文献1で提案された構成では、重負荷時においては、擬似リップル電圧が有効に機能し、DCDCコンバータの安定動作に繋がる一方、軽負荷時においては、擬似リップル電圧は、擬似リップル生成回路の出力インピーダンスが高いことによりノイズの影響を受けやすく、むしろ誤動作を招く危険性がある。
また、コンパレータに電流を供給するバイアス回路(電流源)の電流値を変え、低消費動作モードと高速動作モードを切り替えて動作をさせる場合、電流を切り替える際に、コンパレータを構成する差動入力段の入力トランジスタの寄生容量を通じて伝わるカップリングノイズが擬似リップル電圧に伝わり、誤動作につながるという問題がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、リップル注入方式を採用したヒステリシス制御のDCDCコンバータであって、軽負荷時においても安定した動作が可能なDCDCコンバータを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明のDCDCコンバータは、一端に出力電圧が生成されるインダクタの他端と電源端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、前記出力電圧に生じるリップル成分に応じた擬似リップル電圧及びこれを平滑化した平滑電圧を生成する擬似リップル生成回路と、前記擬似リップル電圧と前記平滑電圧を比較した第1の比較結果と、前記出力電圧を分圧した帰還電圧と基準電圧を比較した第2の比較結果とを合成して、比較結果信号を出力する比較回路と、前記比較結果信号に基づき、前記第1のスイッチング素子のオンオフを制御する出力制御回路とを備えたDCDCコンバータであって、前記比較回路は、軽負荷になったことに応答して、前記第2の比較結果のみを前記比較結果信号として出力することを特徴とする。
本発明のDCDCコンバータによれば、軽負荷時に、出力電圧を分圧した帰還電圧と基準電圧を比較した第2の比較結果のみを比較結果信号として出力する構成とすることにより、比較結果信号にノイズの影響を受けやすい擬似リップル電圧と平滑電圧を比較した第1の比較結果が含まれない。したがって、軽負荷時においても、ノイズの影響を抑制し、安定した動作が可能なDCDCコンバータを提供することが可能となる。
本発明の実施形態のDCDCコンバータの回路図である。 図1のDCDCコンバータにおける擬似リップル回路の一例を示す回路図である。 図1のDCDCコンバータにおける比較回路の一例を示す回路図である。 図3の比較回路におけるコンパレータの一例を示す回路図である。 図1のDCDCコンバータにおける比較回路の他の例を示す回路図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態のDCDCコンバータ100の回路図である。
本実施形態のDCDCコンバータ100は、比較回路101と、出力制御回路102と、擬似リップル生成回路103と、スイッチング素子11及び12と、バッファ13及び14と、インダクタ15と、コンデンサ16と、抵抗素子17及び18と、基準電圧源19とを備えている。
スイッチング素子11及び12は、電源電圧VDDが供給される電源端子1と接地端子2との間に直列に接続されている。バッファ13及び14の出力は、スイッチング素子11及び12のそれぞれのゲートに供給される。
ている。
インダクタ15は、一端が出力端子3に接続され、他端がスイッチング素子11と12の接続点(「スイッチングノード」ともいう)に接続されている。コンデンサ16は、出力端子3と接地端子2との間に接続されている。
抵抗素子17と18は、出力端子3と接地端子2との間に直列に接続され、両者の接続点に出力端子3に出力される出力電圧VOUTの分圧電圧である帰還電圧VFBが生成される。
擬似リップル生成回路103は、出力端子3に出力される出力電圧VOUTに生じるリップル成分に応じた擬似リップル電圧VQR及びこれを平滑化した平滑電圧VQRSを生成する。本実施形態では、スイッチングノードに生成される電圧VSWに基づいて、電圧VQRとVQRSを生成するよう構成されている。
比較回路101は、擬似リップル電圧VQRと、平滑電圧VQRSと、帰還電圧VFBと、基準電圧源19の基準電圧VREFとを入力とし、擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSを比較した第1の比較結果と、帰還電圧VFBと基準電圧VREFを比較した第2の比較結果とを合成して、比較結果信号VCOMを出力する。
出力制御回路102は、比較回路101からの比較結果信号VCOMに基づき、バッファ13及び14を介してスイッチング素子11及び12に制御信号を供給し、スイッチング素子11及び12のオンオフを制御する。
比較回路101には、出力制御回路102からの制御信号CONTがさらに入力されている。制御信号CONTは、軽負荷になると第1の状態(例えばHIGHレベル)となり、スイッチング素子11及び12がいずれもオフしている状態からスイッチング素子11がオンする、すなわち重負荷になると第2の状態(例えばLOWレベル)となる信号である。
比較回路101は、制御信号CONTが第1の状態となったことに応答して、第2の比較結果のみを比較結果信号VCOMとして出力する。その後、比較回路101は、制御信号CONTが第2の状態となったことに応答して、第1の比較結果と第2の比較結果とを合成して、比較結果信号VCOMを出力する。
ここで、擬似リップル生成回路103の具体的な構成例について、図2を用いて説明する。
図2の擬似リップル生成回路103は、抵抗素子21〜23と、容量素子24〜26とを備えている。抵抗素子21は、一端に電圧VSWを受け、他端が容量素子24の一端に接続されている。容量素子24の他端は、接地端子2に接続されている。
抵抗素子22は、一端が抵抗素子21と容量素子24の接続点に、他端が容量素子25の一端に接続され、容量素子25の他端は、接地端子2に接続されている。抵抗素子23は、一端が抵抗素子22の他端に、他端が容量素子26の一端に接続され、容量素子26の他端は、接地端子2に接続されている。
かかる構成により、抵抗素子21の他端から擬似リップル電圧VQRを、抵抗素子23の他端から擬似リップル電圧VQRを平滑化した平滑電圧VQRSを得ることができる。このように、擬似リップル生成回路103は、抵抗素子と容量素子を多く含んで構成されるため、出力インピーダンスが高く、そのため、擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSは、ノイズの影響を受けやすい。
以上のように、本実施形態のDCDCコンバータ100によれば、軽負荷時に、ノイズの影響を受けやすい擬似リップル電圧と平滑電圧を比較した第1の比較結果が比較結果信号に含まれない。したがって、軽負荷時においても、ノイズの影響を抑制し、安定したDutyで動作することが可能となる。
次に、DCDCコンバータ100における比較回路101の一例として、比較回路101aを図3に示す。
比較回路101aは、4入力のコンパレータ31と、スイッチ32とを備えている。
コンパレータ31は、二つの差動入力段を有しており、一方の(第1の)差動入力段の反転入力端子に擬似リップル電圧VQRが、非反転入力端子に平滑電圧VQRSが入力され、もう一方の(第2の)差動入力段の反転入力端子に帰還電圧VFBが、非反転入力端子に基準電圧VREFが入力されて、比較結果信号VCOMを出力する。
スイッチ32は、擬似リップル電圧VQRが供給される信号線S1と平滑電圧VQRSが供給される信号線S2の間に接続され、制御信号CONTにより、オンオフが制御される。
かかる構成の比較回路101aは、制御信号CONTが第1の状態(HIGHレベル)、すなわち軽負荷になると、スイッチ32がオンとなり、信号線S1と信号線S2とが短絡される。したがって、擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSとが同電位となる。
擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSとが同電位となることから、コンパレータ31の一方の差動入力段において、擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSの比較動作は行われるものの、両者が同電位であるため、第1の比較結果は、実質的に第2の比較結果に合成されないこととなる。したがって、帰還電圧VFBと基準電圧VREFを比較した第2の比較結果のみが比較結果信号VCOMとして出力される。
その後、制御信号CONTが第2の状態(LOWレベル)になると、スイッチ32がオフとなり、擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSが異なる電圧となるため、第1の比較結果と第2の比較結果が合成された信号が比較結果信号VCOMとして出力される。
このような比較回路101aにおいて、コンパレータ31を、軽負荷時と重負荷時とで低消費動作モードと高速動作モードとを切り替えて動作するように構成した場合の具体的な構成例を図4に示す。
図4のコンパレータ31は、PMOSトランジスタ311〜316と、電流源317〜322と、スイッチ323及び324と、インバータ325とを備えている。
PMOSトランジスタ311と312により第1の差動入力段が構成され、PMOSトランジスタ313と314により第2の差動入力段が構成されている。第1の差動入力段には、擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSが入力され、第2の差動入力段には、帰還電圧VFBと基準電圧VREFが入力されている。
また、電源端子1と接地端子2との間に直列接続されたPMOSトランジスタ315及び電流源321と、これと並列に接続されたPMOSトランジスタ316及び電流源322とにより出力段が構成されている。PMOSトランジスタ315と316はゲートが共通接続され、PMOSトランジスタ315はゲートとドレインが共通接続されている。PMOSトランジスタ315のドレインは、PMOSトランジスタ311と313のドレインに接続され、PMOSトランジスタ316のドレインは、PMOSトランジスタ312と314のドレインに接続されている。そして、PMOSトランジスタ316のドレインに比較結果信号VCOMが生成される。
電流源317は、電源端子1と第1の差動入力段の動作電流入力ノードNin1との間に接続され、電流源318は、電源端子1に一端が接続されている。スイッチ323は、電流源318の他端と動作電流入力ノードNin1との間に接続されており、制御信号CONTをインバータ325により反転した信号によりオンオフ制御される。
電流源319は、電源端子1と第2の差動入力段の動作電流入力ノードNin2との間に接続され、電流源320は、電源端子1に一端が接続されている。スイッチ324は、電流源320の他端と動作電流入力ノードNin2との間に接続されており、制御信号CONTをインバータ325で反転した信号によりオンオフ制御される。
軽負荷になると、すなわち制御信号CONTが第1の状態(HIGHレベル)になると、上述のとおり図3に示すスイッチ32がオンとなり、信号線S1と信号線S2とが短絡されるとともに、スイッチ323及び324は、第1の状態(HIGHレベル)である制御信号CONTの反転信号によりいずれもオフとなる。これにより、第1の差動入力段の動作電流入力ノードNin1には、電流源317のみから動作電流が供給され、第2の差動入力段の動作電流入力ノードNin2には、電流源319のみから動作電流が供給される状態となる。したがって、軽負荷時には、消費電力を抑えた低消費動作モードとすることができる。
また、スイッチ323をオフに切り替えることにより、第1の差動入力段の寄生容量を通じてカップリングノイズが擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSに伝わるが、このとき、図3に示すスイッチ32がオンとなって、信号線S1と信号線S2とが短絡する。したがって、擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSとが同電位となることから、コンパレータ31がカップリングノイズの影響で誤動作することを防止することができる。
一方、重負荷になると、すなわち制御信号CONTが第2の状態(LOWレベル)になると、図3に示すスイッチ32がオフとなるとともに、スイッチ323及び324は、第2の状態(LOWレベル)である制御信号CONTの反転信号によりいずれもオンとなる。これにより、第1の差動入力段の動作電流入力ノードNin1には、電流源317と318の二つの電流源から動作電流が供給され、第2の差動入力段の動作電流入力ノードNin2には、電流源319と320の二つの電流源から動作電流が供給される状態となる。したがって、重負荷時には、高速動作モードとすることができる。
次に、DCDCコンバータ100における比較回路101の他の例として、比較回路101bを図5に示す。
比較回路101bは、コンパレータ33及び34と、スイッチ35とを備えている。比較回路101bは、さらに、電源端子1とコンパレータ33の動作電流入力ノードN33inとの間に直列に接続された電流源36及びスイッチ37と、電源端子1とコンパレータ34の動作電流入力ノードN34inとの間に接続された電流源38とを備えている。スイッチ37は、制御信号CONTをインバータ39により反転した信号によりオンオフ制御される。
コンパレータ33は、二つの差動入力段を有する4入力のコンパレータであり、一方の(第1の)差動入力段の反転入力端子に擬似リップル電圧VQRが、非反転入力端子に平滑電圧VQRSが入力され、もう一方の(第2の)差動入力段の反転入力端子に帰還電圧VFBが、非反転入力端子に基準電圧VREFが入力されている。そして、擬似リップル電圧VQRと平滑電圧VQRSを比較した結果と、帰還電圧VFBと基準電圧VREFを比較した結果とを合成して、比較信号VCOM1(上記第1の比較結果と第2の比較結果とを合成した信号に相当する信号)を出力する。
コンパレータ34は、一つの差動入力段を有する2入力のコンパレータであり、差動入力段の反転入力端子に帰還電圧VFBが、非反転入力端子に基準電圧VREFが入力され、これらを比較し、比較信号VCOM2(上記第2の比較結果に相当する信号)を出力する。
スイッチ35は、制御信号CONTが第1の状態(HIGHレベル)のとき、コンパレータ34の出力を選択し、制御信号CONTが第1の状態(LOWレベル)のとき、コンパレータ33の出力を選択するように構成されている。
かかる構成の比較回路101bは、制御信号CONTが第1の状態(HIGHレベル)、すなわち軽負荷になると、スイッチ35がコンパレータ34の出力である比較信号VCOM2を選択し、この比較信号VCOM2を比較結果信号VCOMとして出力する。
その後、制御信号CONTが第2の状態(LOWレベル)になると、スイッチ35がコンパレータ33の出力である比較信号VCOM1を選択し、比較回路101bは、この比較信号VCOM1を比較結果信号VCOMとして出力する。
さらに、本比較回路101bでは、コンパレータ33の動作電流となる電流源36の電流値がコンパレータ34の動作電流となる電流源38の電流値よりも大きく設定されている。そして、軽負荷になると、すなわち制御信号CONTが第1の状態(HIGHレベル)になると、制御信号CONTの反転信号により、スイッチ37がオフとなることから、コンパレータ33には動作電流が供給されなくなる。したがって、制御信号CONTが第1の状態(HIGHレベル)のときには低消費動作モード、制御信号CONTが第2の状態(LOWレベル)のときには高速動作モードに切り替わって動作することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態では、本発明を通常のヒステリシス制御方式のDCDCコンバータに適用した例を説明したが、ヒステリシス制御方式の一種であるCOT(コンスタントオンタイム)制御方式のDCDCコンバータに適用することももちろん可能である。
また、上記実施形態では、出力電圧VOUTに生じるリップル成分に応じた擬似リップル電圧VQRとこれを平滑化した平滑電圧VQRSを生成する方法として、スイッチングノードに生成される電圧VSWに基づいて生成する例を示したが、これに限らず、例えば、スイッチング素子11のゲート電圧に基づいて生成するようにしても構わない。
また、上記実施形態では、説明の簡略化のため、スイッチング素子11及び12がいずれもオフしている状態からスイッチング素子11がオンすることを「重負荷になる」とし、重負荷となると図3のスイッチ32をオフ、図4のスイッチ323及び32をオン、図5のスイッチ37をオンとすると説明したが、軽負荷状態の間においてスイッチング素子11及び12がいずれもオフしている状態からスイッチング素子11がオンとなった場合に、各スイッチが上記のようになるよう構成することも、本発明に含まれる。
101、101a、101b 比較回路
102 出力制御回路
103 擬似リップル生成回路
31、31a、33、34 コンパレータ

Claims (7)

  1. 一端に出力電圧が生成されるインダクタの他端と電源端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、
    前記出力電圧に生じるリップル成分に応じた擬似リップル電圧及びこれを平滑化した平滑電圧を生成する擬似リップル生成回路と、
    前記擬似リップル電圧と前記平滑電圧を比較した第1の比較結果と、前記出力電圧を分圧した帰還電圧と基準電圧を比較した第2の比較結果とを合成して、比較結果信号を出力する比較回路と、
    前記比較結果信号に基づき、前記第1のスイッチング素子のオンオフを制御する出力制御回路と、を備え、
    前記比較回路は、第1の反転入力端子に前記擬似リップル電圧が入力され、第1の非反転入力端子に前記平滑電圧が入力され、第2の反転入力端子に前記帰還電圧が入力され、第2の非反転入力端子に前記基準電圧が入力され、前記比較結果信号を出力する4入力のコンパレータを有し、軽負荷になったことに応答して、前記擬似リップル電圧と前記平滑電圧とを同電位にして、前記第2の比較結果のみを前記比較結果信号として出力することを特徴とするDCDCコンバータ。
  2. 前記コンパレータは、前記擬似リップル電圧と前記平滑電圧が入力される第1の差動入力段と、前記帰還電圧と前記基準電圧が入力される第2の差動入力段と、前記第1の差動入力段の第1の動作電流入力ノードに電流を供給する第1及び第2の電流源と、前記第2の差動入力段の第2の動作電流入力ノードに電流を供給する第3及び第4の電流源とを有し、
    前記軽負荷になったことに応答して、前記第2の電流源から前記第1の動作電流入力ノードへの電流供給及び前記第4の電流源から前記第2の動作電流入力ノードへの電流供給を停止することを特徴とする請求項1に記載のDCDCコンバータ。
  3. 前記第1のスイッチング素子に直列に接続された第2のスイッチング素子をさらに備え、
    前記出力制御回路は、前記第2のスイッチング素子のオンオフを制御し、
    前記比較回路は、前記軽負荷になった後、前記第1及び第2のスイッチング素子がいずれもオフしている状態から前記第1のスイッチング素子がオンしたことに応答して、前記第1の比較結果と前記第2の比較結果とを合成して、比較結果信号を出力する請求項1または2に記載のDCDCコンバータ。
  4. 一端に出力電圧が生成されるインダクタの他端と電源端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、
    前記出力電圧に生じるリップル成分に応じた擬似リップル電圧及びこれを平滑化した平滑電圧を生成する擬似リップル生成回路と、
    前記擬似リップル電圧と前記平滑電圧を比較した第1の比較結果と、前記出力電圧を分圧した帰還電圧と基準電圧を比較した第2の比較結果とを合成して、比較結果信号を出力する比較回路と、
    前記比較結果信号に基づき、前記第1のスイッチング素子のオンオフを制御する出力制御回路と、を備え、
    前記比較回路は、第1の反転入力端子に前記擬似リップル電圧が入力され、第1の非反転入力端子に前記平滑電圧が入力され、第2の反転入力端子に前記帰還電圧が入力され、第2の非反転入力端子に前記基準電圧が入力され、第1の比較信号を出力する4入力の第1のコンパレータと、反転入力端子に前記帰還電圧が入力され、非反転入力端子に前記基準電圧が入力され、第2の比較信号を出力する2入力の第2のコンパレータとを有し、
    軽負荷になったことに応答して、前記第2の比較信号を前記比較結果信号として出力することを特徴とするDCDCコンバータ。
  5. 前記第1のコンパレータの動作電流は、前記第2のコンパレータの動作電流より大きいことを特徴とする請求項4に記載のDCDCコンバータ。
  6. 前記軽負荷になったことに応答して、前記第1のコンパレータへの前記動作電流の供給
    を停止することを特徴とする請求項5に記載のDCDCコンバータ。
  7. 前記第1のスイッチング素子に直列に接続された第2のスイッチング素子をさらに備え、
    前記出力制御回路は、前記第2のスイッチング素子のオンオフを制御し、
    前記比較回路は、前記軽負荷になった後、前記第1及び第2のスイッチング素子がいずれもオフしている状態から前記第1のスイッチング素子がオンしたことに応答して、前記第1の比較信号を前記比較結果信号として出力することを特徴とする請求項4乃至6のいずれか一項に記載のDCDCコンバータ。
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