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JP2006060977A - 電源制御用半導体集積回路およびスイッチング電源装置 - Google Patents

電源制御用半導体集積回路およびスイッチング電源装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 軽負荷時に逆流を検出してロウ側のスイッチ素子をオフさせる逆流防止回路を備えたスイッチング電源制御用ICもしくはそれを用いたスイッチング電源装置において、温度が変化しても最適なタイミングでロウ側のスイッチ素子をオフさせて電力効率の向上を図る。
【解決手段】 コンパレータ(CMP1)を有する逆流検出回路(23)を備えたスイッチング電源制御用IC(20)もしくはそれを用いたスイッチング電源装置において、コンパレータ(CMP1)に入力される逆流検出用の参照電圧もしくはコンパレータの入力オフセットに温度依存性を持たせるようにした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、スイッチング・レギュレータの逆流防止技術さらには温度変化に伴う逆流検出ポイントの変動を防止する技術に関し、例えば同期整流型のスイッチング・レギュレータおいてスイッチング・トランジスタをPWM駆動する電源制御用IC(半導体集積回路)および該電源制御用ICを使用したスイッチング電源装置に利用して有効な技術に関する。
降圧型スイッチング・レギュレータには、特許文献1の図11に示すように、電池などから供給される直流電源電圧が印加される電圧入力端子VINと接地点GNDとの間に直列形態に接続されたスイッチ素子SW1および逆方向ダイオードD1と、前記スイッチ素子SW1とダイオードD1との接続ノードn1と出力端子VOUTとの間に接続されたインダクタ(コイル)L1とから構成され、スイッチ素子SW1をオン、オフ動作させてインダクタL1を介して容量性負荷CLに電流を供給することで所望の電圧を出力するダイオード整流型のスイッチング・レギュレータと、特許文献1の図12に示すように、ダイオードの代わりにスイッチ素子SW2を用い電圧入力端子側のスイッチ素子SW1と相補的にオン、オフさせる同期整流型のスイッチング・レギュレータがある。
ダイオード整流型のスイッチング・レギュレータにおいては、スイッチ素子SW1がオフ状態のときは接地点GNDからダイオードD1を通してインダクタンス素子L1へ電流が流れるが、このときの順方向電圧VFで損失が発生する。これに対し、ダイオードD1をスイッチSW2に置き換えた同期整流型のスイッチング・レギュレータでは、スイッチ素子SW1とSW2とを相補的にオン、オフ制御するつまりダイオードD1に電流が流れるタイミングでロウ側のスイッチ素子SW2をオンさせることで損失を低減することができる。
ところが、同期整流型のスイッチング・レギュレータにあっては、負荷が軽くなったときにロウ側のスイッチ素子SW2に重負荷のときとは逆に接地点へ向かう電流が流れ、電力効率が低下するという欠点がある。そこで、この逆向きの電流を検出してロウ側のスイッチ素子SW2をオフさせるようにした発明が提案されている。このような発明としては、特許文献1や特許文献2に開示されているものがある。
特開2002−281743号公報 特開2000−092824号公報
上記先願の逆流検出回路は、逆流検出用の抵抗や比較用の電圧を発生する定電圧源とコンパレータとを設けて検出を行なうようにしているが、検出用の抵抗やスイッチ素子のオン抵抗、比較用の電圧の温度変化については考慮していなかった。そのため、周囲温度の変化により逆流検出ポイントがずれて最適なタイミングでロウ側のスイッチ素子をオフさせることができず、電力効率が低下する。また、コンパレータは、それを構成する素子の温度依存性により高温になると動作速度がおそくなるため、実際に逆流を検出してからロウ側のスイッチ素子をオフさせるまでの遅れ時間が長くなり、電力効率が低下するという課題があることが明らかになった。
この発明の目的は、軽負荷時に逆流を検出してロウ側のスイッチ素子をオフさせる逆流防止回路を備えたスイッチング電源制御用ICもしくはそれを用いたスイッチング電源装置において、温度が変化しても最適なタイミングでロウ側のスイッチ素子をオフさせて電力効率の向上を図ることにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、コンパレータを有する逆流検出回路を備えたスイッチング電源制御用ICもしくはそれを用いたスイッチング電源装置において、コンパレータに入力される逆流検出用の参照電圧もしくはコンパレータの入力オフセットに温度依存性を持たせるようにしたものである。
より具体的には、逆流検出に抵抗を用いる場合にはその検出用の抵抗の温度特性を、またインダクタに電流を流すスイッチ素子の端子間電圧を監視して逆流を検出する場合にはスイッチ素子のオン抵抗の温度特性を補償するように、比較用の参照電圧を発生する定電圧源もしくはコンパレータの入力オフセットに温度依存性を持たせる。さらに、コンパレータの動作速度が温度によって変化する場合にはその動作速度の変化を補償するように、参照電圧もしくはコンパレータの入力オフセットに温度依存性を持たせるようにする。
上記した手段によれば、逆流検出用の抵抗やインダクタに電流を流すスイッチ素子のオン抵抗が周囲の温度変化によって変動したとしても参照電圧もしくはコンパレータの入力オフセットの温度依存性によって検出ポイントを補償することができる。また、コンパレータの動作速度が温度によって変化したとしても参照電圧もしくはコンパレータの入力オフセットの温度依存性によって検出ポイントを補償することができるようになり、これによって最適なタイミングでロウ側のスイッチ素子をオフさせて電力効率を向上させることができる。
ここで、上記コンパレータの入力オフセットに温度依存性を持たせる方法としては、入力をそれぞれレベルシフトする一対のMOSトランジスタを設け、それらのトランジスタのサイズ比を適切に設定する方法や、コンパレータを構成する差動トランジスタ対のサイズ比を適切に設定する方法がある。いずれの場合もMOSトランジスタのしきい値電圧が素子サイズによって異なる温度特性を有することを利用するものである。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、本発明に従うと、軽負荷時に逆流を検出してロウ側のスイッチ素子をオフさせる逆流防止回路を備えたスイッチング電源制御用ICもしくはそれを用いたスイッチング電源装置において、温度が変化しても最適なタイミングでロウ側のスイッチ素子をオフさせて電力効率を向上させることができる。
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明を適用したスイッチング電源制御用ICとそれを用いた降圧型のスイッチング・レギュレータの第1の実施例を示す。なお、特に制限されるものでないが、この実施例においては、図1において一点鎖線20で囲まれた部分の回路は、単結晶シリコンのような1個の半導体基板上に半導体集積回路として構成されている。
図1において、10は12Vのような直流電源、20はスイッチング電源制御用IC、L1は電圧変換用コイル、Q1はスイッチング電源制御用IC20によりオン、オフ制御されコイルL1に電流を流し込むパワーFET(電界効果トランジスタ)からなるスイッチング・トランジスタ、Q2は直流電源10からの電圧が入力される電源電圧端子と接地点との間に前記スイッチング・トランジスタQ1と直列に接続された同じくパワーFETからなる同期整流用トランジスタ、C1は出力端子OUTと接地点との間に接続された平滑用コンデンサである。直流電源10は電池あるいはDC/DCコンバータ、AC/DCコンバータのいずれであっても良い。
この実施例のスイッチング・レギュレータにおいては、トランジスタQ1とQ2を相補的にオン、オフさせるようなPWM駆動パルスがスイッチング電源制御用IC20により生成されるようになっており、トランジスタQ1がオンされるとコイルL1に直流電源10からの電流が流されて平滑用コンデンサC1が充電され、スイッチング・トランジスタQ1がオフされると代わってトランジスタQ2がオンされ、このオンされたトランジスタQ2を通してコイルL1に電流が流され、Q1の制御端子に入力される駆動パルスのパルス幅が出力電圧に応じて制御されることで、直流電源10の電圧よりも低い例えば1.8Vのような直流電圧Voutが発生される。
また、この実施例のスイッチング・レギュレータにおいては、出力端子OUTと接地点との間にフィードバック制御のため出力電圧Voutを検出する抵抗R1,R2が直列形態で接続されている。
スイッチング電源制御用IC20には、上記抵抗R1,R2によりVoutを分圧した電圧VFBと参照電圧Vref1を入力としそれらの電位差に応じた電圧を出力する誤差アンプ21と、該誤差アンプ21の出力EAOと図示しない発振回路などからなる三角波形成回路から供給される三角波TAWとを入力とし電位差に応じたパルス幅を有し前記トランジスタQ1,Q2のゲート端子に印加されるPWM駆動パルスPpwmを生成するPWMコンパレータ22が設けられている。
さらに、制御用IC20には、前記同期整流用トランジスタQ2のドレイン電圧およびソース電圧を入力としそれらの電位差に基づいて逆方向の電流が流れているか判定する逆流検出回路23と、該逆流検出回路23の出力と前記PWM駆動パルスPpwmとを入力とし逆流が検出されたときに前記同期整流用トランジスタQ2のゲート端子への駆動パルスPpwmの供給を遮断して逆向きの電流が流れないようにするNANDゲート回路24とが設けられている。逆流検出回路23内の電圧源Vrefは、検出電圧を等価回路的に示したものである。
図2には逆流検出回路23の具体例が示されている。この実施例の逆流検出回路23は、電源電圧端子Vccと接地点との間に直列に接続された定電流源CS1およびPチャネルMOSトランジスタM1と、同じく電源電圧端子Vccと接地点との間に直列に接続された定電流源CS2、抵抗R0およびPチャネルMOSトランジスタM2と、上記トランジスタM1のソース端子の電圧が非反転入力端子に、また上記定電流源CS2と抵抗R0との接続ノードの電位が反転入力端子にそれぞれ印加されたコンパレータCMP1とから構成されている。定電流源CS1,CS2は同一の電流Icを流すように設定される。
そして、上記MOSトランジスタM1のゲート端子に前記コイルL1が接続されている接続ノードの電位が印加され、MOSトランジスタM2はゲートとドレイン結合されダイオードとして動作し、接地電位をM2のしきい値電圧分だけ高い方へシフトした電圧をコンパレータCMP1の反転入力端子に与えている。なお、抵抗R0はコンパレータCMP1の入力オフセットを微調整するための素子である。
この実施例では、0.7V前後のMOSトランジスタM1,M2のしきい値電圧を数mV程度調整するためのものであるため、抵抗R0の抵抗値の温度変動による端子間電圧の変動量は、MOSトランジスタM1,M2のしきい値電圧の温度変動量に比べると無視できるほど小さいものとすることができる。レベルシフト用のMOSトランジスタM1,M2を設けているのは、この実施例では、コンパレータCMP1の低い方の電源電圧が接地電位であるため、入力信号VLXのレベルを、動作速度が速くかつノイズによる誤動作の少ない動作範囲の中心側に持って行くためである。
この実施例の逆流検出回路23は、レベルシフト用のMOSトランジスタM1のゲート幅W1とゲート長L1との比W1/L1よりもM2のゲート幅W2とゲート長L2との比W2/L2の方が大きくされている。これは、MOSトランジスタM1,M2のサイズ比(ゲート長L1,L2を等しくしたときはゲート幅の比W1:W2)を例えば1:2のような値に設定することにより、温度補償した電圧がコンパレータCMP2に入力されるようにするためである。つまり、図2の逆流検出回路23においては、MOSトランジスタM1,M2のサイズを異ならせることによって生じるMOSトランジスタM1,M2のしきい値電圧差で、図1の電圧源Vrefを実現するとともに、M1,M2のしきい値電圧の温度依存性で電圧源Vrefの温度補償を行なうようになっている。
図1の電圧源Vrefの温度補償を行なう必要性およびMOSトランジスタM1,M2のサイズをM1よりもM2を大きくすることにより逆流検出ポイントの温度補償を行なえる理由を、以下に説明する。
図3は、スイッチング・トランジスタQ1と同期整流用トランジスタQ2との接続ノードすなわちコイルL1の端子電圧VLXの変化のうち、Q1がオンでQ2がオフの状態からQ1がオフでQ2がオンの状態へ移行する過程でのコイル端電圧VLXの変化を示す。図3において、T1はQ1がオンからオフになるタイミング、T2はQ2がオフからオンになるタイミング、T3〜T6は逆流の検出タイミングである。また、実線Aは室温(25℃)におけるコイル端電圧VLXの変化、一点鎖線Bは高温(85℃)におけるコイル端電圧VLXの変化を示す。実線Aと一点鎖線BはQ2がオフからオンになるタイミングT2まではほぼ一致している。
同期整流用トランジスタQ2のソース・ドレイン間が逆バイアスにされるT2−T3の期間にQ2をオンさせているのは、この期間にQ2をオフさせるとQ2に寄生する基体ダイオードを通して逆電流が流れて損失が大きくなるためである。従って、理論的には、Q2のドレイン電圧すなわちコイル端電圧VLXが0VのタイミングT6でQ2をオフさせるのが最も効率が良い。ところが、図2に示されているようなコンパレータCMP1は、入力がしきい値を切ってから出力が変化するまでに応答遅れがある。そこで、実際の回路では、応答遅れΔt分だけ早いタイミングT4で逆流を検出できるように、検出電圧Vd1(図2のVref)が設定される。
しかるに、温度が変化して例えば85℃になると一点鎖線Bのようにコイル端電圧VLXが25℃の場合(実線A)とずれることになる。しかも、コンパレータCMP1は構成素子の温度特性によって高温になるほど動作速度が遅くなるため、検出電圧をVd1に設定したとしても図3に示されているように、85℃でのコンパレータCMP1の応答遅れΔt(85°)は25℃での応答遅れΔt(25°)よりも大きくなり、実際の検出ポイントはタイミングT5よりもΔt(85°)だけ遅いT7となる。
そのため、検出電圧Vd1を逆流検出ポイントとしたのでは、85℃ではQ2のオフタイミングがT6よりもΔtdだけ遅れてしまう。そこで、85℃での逆流検出ポイントを図3のタイミングT5よりもΔtdだけ早いタイミングT3にできるように、検出電圧をVd2にずらすのが望ましい。図2の逆流検出回路23においては、MOSトランジスタM1,M2のしきい値電圧の温度依存性で電圧源Vrefすなわち逆流検出ポイントの温度補償を行なうようにしている。
図4に、上記MOSトランジスタM1,M2のゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの関係が示されている。図4において、実線で示されているのは室温(25℃)におけるゲート電圧−ドレイン電流特性、破線で示されているのは低温(−40℃)におけるゲート電圧−ドレイン電流特性、一点鎖線で示されているのは高温(85℃)におけるゲート電圧−ドレイン電流特性である。また、右側の3本の特性線がサイズの小さなMOSトランジスタM1に関するもの、左側の3本の特性線がサイズの大きなMOSトランジスタM2に関するものである。同図において、横軸と交わる点がM1,M2の各温度でのしきい値電圧Vthである。
図4より、図3の回路においては、定電流源CS1,CS2によりレベルシフト用のMOSトランジスタM1,M2に電流Icを流した状態におけるしきい値電圧Vthは、温度が−40℃から85℃へ変化すると、ΔVth(-40°)とΔVth(85°)だけそれぞれ変化することが分かる。この電位差によって図2の検出電圧Vrefの温度補償が行なわれる。具体的には、MOSトランジスタM1,M2のサイズ比を適宜設定することによって検出電圧Vrefを周囲の温度に応じて1000ppm〜4000ppmの範囲で変化させて温度補償を行なわせることができる。
図5は、本発明を適用したスイッチング電源制御用ICを用いたスイッチング・レギュレータの他の構成例を示す。このうち、(A)は昇圧型のスイッチング・レギュレータの他の構成例を、また(B)は負電圧発生用のスイッチング・レギュレータの構成例を示す。同図において、図1と同一の回路や素子には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図5(A)のレギュレータは、図1のレギュレータにおけるスイッチング・トランジスタQ1の位置にコイルL1を接続し、コイルL1の位置にスイッチング・トランジスタQ1を接続した構成とされており、スイッチング・トランジスタQ1をオンさせて電流を流してコイルL1にエネルギーを蓄積した後、Q1をオフさせ同期整流用トランジスタQ2をオンさせるとコイルの蓄積エネルギーがQ2を介して出力端子側へ電流を流して平滑容量C1を充電させる。これを繰り返すことで、入力電圧Vinよりも高い電圧Voutを発生させることができる。
図5(B)のレギュレータは、図1のレギュレータにおける同期整流用トランジスタQ2の位置にコイルL1を接続し、コイルL1の位置に同期整流用トランジスタQ2を接続した構成とされており、スイッチング・トランジスタQ1をオンさせてコイルL1に電流を流した後、Q1をオフさせ同期整流用トランジスタQ2をオンさせるとコイルL1に流れ続けようとする電流がQ2を通して流されることで平滑容量C1から電荷を引き抜き、負の出力電圧Voutを発生させることができる。
図5(A)と(B)のいずれのレギュレータにおいても、図1の実施例の逆流検出回路および逆流防止回路を適用することができ、それによって同様な効果を得ることができる。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、前記実施例では、逆流検出回路23にレベルシフト用のMOSトランジスタM1,M2を設けているが、図1に示されている電圧源Vrefとして定電圧回路を用い、その生成電圧が所望の温度依存性を有するように定電圧回路を構成しても良い。温度依存性を有する定電圧回路は公知であるので、具体的な回路の例示と説明は省略する。
また、前記実施例では、同期整流用トランジスタQ2のソース電圧とドレイン電圧を逆流検出回路23に入力して逆流を検出しているが、スイッチング・トランジスタQ1のソース電圧とドレイン電圧を逆流検出回路23に入力して逆流を検出するように構成しても良い。さらに、スイッチング・トランジスタQ1および同期整流用トランジスタQ2と直列に接続した抵抗もしくはコイルL1と直列に接続した抵抗を設けて、その抵抗の両端子の電圧を逆流検出回路23に入力して逆流を検出するように構成しても良い。あるいはコイルL1の両端子の電圧を逆流検出回路23に入力して逆流を検出するように構成しても良い。
さらに、前記実施例では、逆流検出回路23にサイズの異なるレベルシフト用のMOSトランジスタM1,M2を設けているが、M1,M2を設けずに、逆流検出回路23の差動アンプからなるコンパレータCMP1を構成する一対の差動トランジスタのサイズを異ならせることによりコンパレータに所望の入力オフセットを与えかつそのオフセットが温度補償されるように構成しても良い。また、実施例では、MOSトランジスタのしきい値電圧の温度特性を利用して温度依存性のある電圧を発生させて逆流を検出しているが、ダイオードまたは抵抗の温度特性を利用して温度依存性のある電圧を発生させるようにしても良い。
また、前記実施例では、レベルシフト用のMOSトランジスタM2とコンパレータCMP1の反転入力端子との間にオフセット調整用の抵抗R0を設けているが、このオフセット調整用の抵抗R0はレベルシフト用のMOSトランジスタM1とコンパレータCMP1の非反転入力端子との間に設けても良い。さらに、前記実施例では、スイッチング・トランジスタQ1と同期整流用トランジスタQ2と検出用抵抗R1,R2が外付けの素子としてスイッチング電源制御用IC20に接続されるように構成されているが、スイッチング・トランジスタQ1や同期整流用トランジスタQ2、検出用抵抗R1,R2等もオンチップの素子としてIC20と同一の半導体基板上に形成するようにしても良い。
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるPWM変調方式の同期整流型スイッチング・レギュレータに適用した場合を説明したが、本発明はPFM(パルス周波数変調)方式の同期整流型スイッチング・レギュレータにも利用することができる。
本発明を適用したスイッチング電源制御用ICとそれを用いた降圧型のスイッチング・レギュレータの一実施例を示す回路構成図である。 本発明を適用したスイッチング電源制御用ICに設けられる逆流検出回路の具体的な回路例を示す回路構成図である。 実施例のスイッチング電源制御用ICを用いたスイッチング・レギュレータにおけるコイル端電圧の変化を示す波形図である。 実施例の逆流検出回路のレベルシフト用MOSトランジスタの特性と温度依存性を示す特性図である。 (A)は実施例のスイッチング電源制御用ICを適用した昇圧型のスイッチング・レギュレータの構成例、(B)は実施例のスイッチング電源制御用ICを適用した負電圧発生用のスイッチング・レギュレータの構成例を示す回路構成図である。
符号の説明
10 直流電源
20 スイッチング電源制御用IC
21 誤差アンプ
22 PWMコンパレータ
23 逆流検出回路
24 逆流防止回路
CMP1 逆流検出用コンパレータ

Claims (5)

  1. 電圧変換用のインダクタに流れる電流を制御するスイッチング・トランジスタおよび同期整流用トランジスタの駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路と、コンパレータを有し前記インダクタに逆向きの電流が流れているか検出する逆流検出回路とを備えた電源制御用半導体集積回路であって、
    前記コンパレータに入力される逆流検出用の参照電圧もしくはコンパレータの入力オフセットが、温度変化に伴う検出ポイントの電位変化を補償するような温度依存性を有するように構成されていることを特徴とする電源制御用半導体集積回路。
  2. 電圧変換用のインダクタに流れる電流を制御するスイッチング・トランジスタおよび同期整流用トランジスタの駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路と、コンパレータを有し前記インダクタに逆向きの電流が流れているか検出する逆流検出回路とを備えた電源制御用半導体集積回路であって、
    前記コンパレータに入力される逆流検出用の参照電圧もしくはコンパレータの入力オフセットが、温度変化に伴う前記コンパレータの動作速度の変化を補償するような温度依存性を有するように構成されていることを特徴とする電源制御用半導体集積回路。
  3. 前記コンパレータの入力側に一対のMOSトランジスタとこれらのMOSトランジスタに所定の電流を流す電流源とからなるレベルシフト回路が設けられ、
    前記一対のMOSトランジスタの素子サイズが異なることによりそのしきい値電圧が互いに異なる温度特性を有するようにされ、
    前記コンパレータの入力オフセットが、温度変化に伴う検出ポイントの電位変化を補償するような温度依存性、または温度変化に伴う前記コンパレータの動作速度の変化を補償するような温度依存性を有するように構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電源制御用半導体集積回路。
  4. 前記逆流検出回路は、前記同期整流用トランジスタのソース電圧およびドレイン電圧を入力として逆流を検出するように構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電源制御用半導体集積回路。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の電源制御用半導体集積回路と、電圧変換用のインダクタと、前記駆動パルス生成回路により生成された駆動パルスによって駆動され前記インダクタに流れる電流を制御するスイッチング・トランジスタおよび同期整流用トランジスタと、出力端子と基準電位点との間に接続され出力電圧を平滑する容量素子とを備えてなることを特徴とするスイッチング電源装置。
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