JP2013172516A - Dc-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、DC−DCコンバータに関し、特に、電流モード制御のDC−DCコンバータに関するものである。 The present invention relates to a DC-DC converter, and more particularly to a current mode control DC-DC converter.
DC−DCコンバータの制御方式は、電圧モード制御と電流モード制御とに大別される。電流モード制御は、電圧モード制御に比べて、出力電圧変動に対して高速に応答するともに制御安定性に優れている特徴がある。しかしながら、電流モード制御では、インダクタの通電率が50%を超えるとインダクタ電流が不安定になることが知られている。通常、インダクタ電流の安定化のためにスロープ補償と呼ばれる手法が用いられる。 The control system of the DC-DC converter is roughly divided into voltage mode control and current mode control. The current mode control is characterized in that it responds to the output voltage fluctuation at a high speed and has excellent control stability as compared with the voltage mode control. However, in current mode control, it is known that the inductor current becomes unstable when the current-carrying rate of the inductor exceeds 50%. Usually, a technique called slope compensation is used to stabilize the inductor current.
たとえば、特開2009−153289号公報(特許文献1)に記載されるDC−DCコンバータでは、インダクタ電流の検出信号とスロープ電圧とを加算することによって得られる補償電圧と、出力電圧の帰還電圧と基準電圧との差に応じた誤差電圧とが比較される。そして、補償電圧が誤差電圧を超えたときスイッチング回路がオフ状態になる。さらにこの文献の例では、昇圧コンバータの場合に、スロープ電圧の傾きが出力電圧と入力電圧との差に比例するように設定され、降圧コンバータの場合に、スロープ電圧の傾きが出力電圧に比例するように設定される。 For example, in a DC-DC converter described in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-153289 (Patent Document 1), a compensation voltage obtained by adding an inductor current detection signal and a slope voltage, a feedback voltage of an output voltage, and The error voltage corresponding to the difference from the reference voltage is compared. When the compensation voltage exceeds the error voltage, the switching circuit is turned off. Furthermore, in the example of this document, in the case of the boost converter, the slope of the slope voltage is set to be proportional to the difference between the output voltage and the input voltage, and in the case of the step-down converter, the slope of the slope voltage is proportional to the output voltage. Is set as follows.
上記の文献と異なり、非線形のスロープ電圧を発生することによって、出力電圧が変化した際にも安定動作を補償するスロープ補償回路が提案されている。たとえば、特開2005−229744号公報(特許文献2)は、トランジスタのゲート電圧を線形に変化させることにより、当該トランジスタの電流値を2次的に変化させ、その電流値に対応するスロープ電圧を作成する技術を開示する。特開2008−72833号公報(特許文献3)は、スイッチング素子に流れる電流に比例する電流を積分することにより、2次曲線の傾斜を有するスロープ電圧を生成する技術を開示する。 Unlike the above literature, a slope compensation circuit has been proposed that compensates for stable operation even when the output voltage changes by generating a non-linear slope voltage. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2005-229744 (Patent Document 2) changes the current value of the transistor secondarily by linearly changing the gate voltage of the transistor, and sets the slope voltage corresponding to the current value. The technology to create is disclosed. Japanese Patent Laying-Open No. 2008-72833 (Patent Document 3) discloses a technique for generating a slope voltage having a slope of a quadratic curve by integrating a current proportional to a current flowing through a switching element.
上記の特開2005−229744号公報(特許文献2)および特開2008−72833号公報(特許文献3)のように非線形なスロープ電圧を生成する場合には、できるだけ簡単な回路構成で非線形の傾斜を有する所望のスロープ電圧を生成することが望ましい。 In the case of generating a non-linear slope voltage as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-229744 (Patent Document 2) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-72833 (Patent Document 3), a non-linear gradient is generated with a circuit configuration as simple as possible. It is desirable to generate a desired slope voltage having
この発明の目的は、簡単な回路構成で非線形なスロープ電圧を生成することが可能な電流モード制御方式のDC−DCコンバータを提供することである。 An object of the present invention is to provide a current mode control type DC-DC converter capable of generating a non-linear slope voltage with a simple circuit configuration.
この発明は一局面においてDC−DCコンバータであって、入力電圧が与えられる入力ノードと、接地電圧が与えられる接地ノードと、出力電圧を出力するための出力ノードと、第1のスイッチング素子と、インダクタと、スロープ電流を生成するスロープ補償回路と、制御回路とを備える。第1のスイッチング素子は、入力ノードまたは接地ノードに一端が接続される。インダクタは、第1のスイッチング素子の他端と接続される。制御回路は、インダクタを流れる電流に比例した電圧とスロープ電流に比例した電圧との合計電圧と、出力電圧に比例した電圧と所定の参照電圧との差に基づく誤差電圧との比較によって、第1のスイッチング素子をオフ状態に切替える電流モード制御を行なう。上記のスロープ補償回路は、容量素子と、第2のスイッチング素子と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、電流源回路とを含む。第2のスイッチング素子は、容量素子と並列に接続され、第1のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態となる。第1のトランジスタは、第1の主電極が入力ノードまたは接地ノードに接続される。第2のトランジスタは、ダイオード接続され、第1の主電極が容量素子を介して第1のトランジスタの第1の主電極と接続され、制御電極が第1のトランジスタの制御電極と接続される。電流源回路は、第1および第2のトランジスタの各第2の主電極と接続され、第1および第2のトランジスタのサイズの比に比例した電流を第1および第2のトランジスタにそれぞれ流す。スロープ電流は、第1のトランジスタの第2の主電極と電流源回路との接続経路から分岐した経路を通って、第1のトランジスタに流入または第1のトランジスタから流出する。 In one aspect, the present invention is a DC-DC converter, wherein an input node to which an input voltage is applied, a ground node to which a ground voltage is applied, an output node for outputting an output voltage, a first switching element, An inductor, a slope compensation circuit that generates a slope current, and a control circuit are provided. One end of the first switching element is connected to the input node or the ground node. The inductor is connected to the other end of the first switching element. The control circuit compares the error voltage based on the difference between the voltage proportional to the current flowing through the inductor and the voltage proportional to the slope current and the error voltage based on the difference between the voltage proportional to the output voltage and a predetermined reference voltage. Current mode control is performed to switch the switching elements to the OFF state. The slope compensation circuit includes a capacitive element, a second switching element, a first transistor, a second transistor, and a current source circuit. The second switching element is connected in parallel with the capacitor element, and is turned off when the first switching element is on. In the first transistor, the first main electrode is connected to the input node or the ground node. The second transistor is diode-connected, the first main electrode is connected to the first main electrode of the first transistor via the capacitor, and the control electrode is connected to the control electrode of the first transistor. The current source circuit is connected to each second main electrode of the first and second transistors, and causes a current proportional to the ratio of the sizes of the first and second transistors to flow through the first and second transistors, respectively. The slope current flows into or out of the first transistor through a path branched from the connection path between the second main electrode of the first transistor and the current source circuit.
好ましくは、電流源回路は、第3のトランジスタと、第4のトランジスタと、第5のトランジスタと、定電流源とを含む。第3のトランジスタは、入力ノードと接地ノードとの間に第1のトランジスタと直列に接続される。第4のトランジスタは、入力ノードと接地ノードとの間に第2のトランジスタと直列に接続される。第5のトランジスタは、ダイオード接続され、第3および第4のトランジスタとカレントミラーを構成する。定電流源は、第5のトランジスタに所定の電流を流す。第1および第2のトランジスタのサイズの比は、第3および第4のトランジスタのサイズの比に等しい。 Preferably, the current source circuit includes a third transistor, a fourth transistor, a fifth transistor, and a constant current source. The third transistor is connected in series with the first transistor between the input node and the ground node. The fourth transistor is connected in series with the second transistor between the input node and the ground node. The fifth transistor is diode-connected and forms a current mirror with the third and fourth transistors. The constant current source supplies a predetermined current to the fifth transistor. The size ratio of the first and second transistors is equal to the size ratio of the third and fourth transistors.
好ましくは、DC−DCコンバータは、第1のスイッチング素子と入力ノードまたは接地ノードとの間に挿入された第1の抵抗素子をさらに備える。この場合、制御回路は、第2の抵抗素子と、比較器とを含む。第2の抵抗素子は、第1の抵抗素子と第1のスイッチング素子との接続ノードに一端が接続され、他端がスロープ補償回路と接続されることによって、スロープ電流が流れる。比較器は、上記の合計電圧として第2の抵抗素子の他端の電圧を受けて、誤差電圧と比較する。第1のスイッチング素子は、比較器の出力に応じてオフ状態に切替わる。 Preferably, the DC-DC converter further includes a first resistance element inserted between the first switching element and the input node or the ground node. In this case, the control circuit includes a second resistance element and a comparator. One end of the second resistance element is connected to the connection node between the first resistance element and the first switching element, and the other end is connected to the slope compensation circuit, whereby a slope current flows. The comparator receives the voltage at the other end of the second resistance element as the total voltage and compares it with the error voltage. The first switching element is switched to an off state according to the output of the comparator.
好ましくは、制御回路は、第3のスイッチング素子と、抵抗素子と、比較器とを含む。第3のスイッチング素子は、第1のスイッチング素子がオン状態のときにオン状態となる。抵抗素子は、インダクタと第1のスイッチング素子との接続ノードに第3のスイッチング素子を介して一端が接続され、他端がスロープ補償回路と接続されることによって、第1のスイッチング素子がオン状態のときにスロープ電流が流れる。比較器は、上記の合計電圧として抵抗素子の他端の電圧を受けて、誤差電圧と比較する。この場合、第1のスイッチング素子は、比較器の出力に応じてオフ状態に切替わる。 Preferably, the control circuit includes a third switching element, a resistance element, and a comparator. The third switching element is turned on when the first switching element is turned on. One end of the resistance element is connected to the connection node between the inductor and the first switching element via the third switching element, and the other end is connected to the slope compensation circuit, so that the first switching element is turned on. A slope current flows when The comparator receives the voltage at the other end of the resistance element as the total voltage and compares it with the error voltage. In this case, the first switching element is switched to the off state according to the output of the comparator.
好ましくは、制御回路は、さらに、インダクタを流れる電流に比例した電圧が所定の上限電圧を超えたときに第1のスイッチング素子をオフ状態にする過電流制御を行なう。 Preferably, the control circuit further performs overcurrent control for turning off the first switching element when a voltage proportional to a current flowing through the inductor exceeds a predetermined upper limit voltage.
この発明によれば、簡単な回路構成で非線形なスロープ電圧(スロープ電流に比例した電圧)を生成することができる。 According to the present invention, it is possible to generate a non-linear slope voltage (voltage proportional to the slope current) with a simple circuit configuration.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
<実施の形態1>
[DC−DCコンバータ1の構成]
図1は、この発明の実施の形態1によるDC−DCコンバータ1の構成を示す回路図である。
<
[Configuration of DC-DC Converter 1]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a DC-
図1を参照して、DC−DCコンバータ1は、入力ノードND1と、接地ノードND2と、出力ノードND3と、直流電圧変換を行なう変換部10と、制御回路11と、スロープ補償回路14とを含む。入力ノードND1には入力電圧Vinが与えられ、接地ノードND2には接地電圧GNDが与えられる。出力電圧Voutを出力するための出力ノードND3と接地ノードND2との間には負荷9が接続される。
Referring to FIG. 1, DC-
(変換部10の構成)
変換部10は、いわゆる降圧チョッパと呼ばれる回路であり、入力された直流電圧Vinを降圧することによって出力電圧Voutを生成する。変換部10は、スイッチング素子としてのPMOS(Positive-channel Metal Oxide Semiconductor)トランジスタTR1と、NMOS(Negative-channel MOS)トランジスタTR2と、インダクタLと、平滑用のコンデンサC1と、インダクタ電流ILの検出用の抵抗素子R4とを含む。
(Configuration of the conversion unit 10)
The
トランジスタTR1,TR2は、この順で入力ノードND1と接地ノードND2との間に直列に接続される。インダクタLは、トランジスタTR1,TR2の接続ノードND4と出力ノードND3との間に接続される。コンデンサC1は、出力ノードND3と接地ノードND2との間に接続される。 Transistors TR1 and TR2 are connected in series between input node ND1 and ground node ND2 in this order. Inductor L is connected between connection node ND4 of transistors TR1 and TR2 and output node ND3. Capacitor C1 is connected between output node ND3 and ground node ND2.
トランジスタTR2は、同期整流素子として用いられ、トランジスタTR1がオン状態のときにオフ状態となり、トランジスタTR1がオフ状態のときにオン状態になるように制御回路11によってオン・オフが制御される。トランジスタTR2に代えてダイオードを設けてもよい。この場合、ダイオードのカソードが接続ノードND4に接続され、ダイオードのアノードが接地ノードND2に接続される。
The transistor TR2 is used as a synchronous rectifier, and is turned on / off by the
抵抗素子R4は、トランジスタTR1のソースと入力ノードND1との間に挿入される。抵抗素子R4は、トランジスタTR1がオン状態のときにインダクタLに流れるインダクタ電流ILを検出するために設けられる。 Resistance element R4 is inserted between the source of transistor TR1 and input node ND1. The resistance element R4 is provided for detecting the inductor current IL flowing through the inductor L when the transistor TR1 is in the on state.
(制御回路11の構成)
制御回路11は、インダクタLを流れるインダクタ電流ILに比例した電圧と、スロープ補償回路14が生成するスロープ電流Isに比例した電圧との合計電圧Vsumを生成する。さらに制御回路11は、出力電圧Voutに比例した電圧と所定の参照電圧Vrefとの差に基づく誤差電圧Veを生成し、誤差電圧Veと合計電圧Vsumとの比較によってトランジスタTR1をオフ状態に切替える電流モード制御を行なう。具体的に、制御回路11は、誤差アンプEAMPと、電圧シフト回路12と、抵抗素子R1と、比較器CMPと、RSフリップフロップFFと、ドライブ回路DRVとを含む。
(Configuration of control circuit 11)
The
誤差アンプEAMPは、+端子に参照電圧Vrefを受け、−端子に出力電圧Voutまたは出力電圧Voutを抵抗分圧した電圧を受け、これらの差を増幅した電圧を電圧シフト回路12に出力する。誤差アンプEAMPの後段にフィードバック補償回路(位相補償回路)を設け、フィードバック補償回路の出力を電圧シフト回路12に出力するようにしてもよい。
The error amplifier EAMP receives the reference voltage Vref at the + terminal, receives the output voltage Vout or the voltage obtained by dividing the output voltage Vout by resistance at the − terminal, and outputs a voltage obtained by amplifying the difference to the
電圧シフト回路12は、接地電圧GNDを基準とした誤差アンプEAMPの出力を、入力電圧Vinを基準とした電圧に変換するための回路である。
The
具体的に、電圧シフト回路12は、抵抗素子R2,R3と、NPN型のバイポーラトランジスタTR3と、PNP型のバイポーラトランジスタTR4と、定電流源13とを含む。抵抗素子R2、バイポーラトランジスタTR3、および抵抗素子R3は、この順で入力ノードND1と接地ノードND2との間に直列に接続される。定電流源13およびバイポーラトランジスタTR4は、この順で入力ノードND1と接地ノードND2との間に直列に接続される。バイポーラトランジスタTR3のベースが、定電流源13とバイポーラトランジスタTR4との接続ノードND7(バイポーラトランジスタTR4のエミッタ)に接続される。バイポーラトランジスタTR4のベースには、誤差アンプEAMPの出力電圧が入力される。
Specifically, the
上記構成の電圧シフト回路12によれば、誤差アンプEAMPの出力電圧(すなわち、バイポーラトランジスタTR4のベース電圧)が増加すると、バイポーラトランジスタTR4のコレクタ電流が減少するので、バイポーラトランジスタTR3のベース電流が増加する。この結果、バイポーラトランジスタTR3のコレクタ電流(すなわち、抵抗素子R2を流れる電流)が増加するので、抵抗素子R2にかかる電圧が増加する(すわなち、接続ノードND6の電位が低下する)。抵抗素子R2の電圧(すなわち、入力ノードND1と接続ノードND6との電位差)が、誤差電圧Veとして比較器CMPに入力される。
According to the
抵抗素子R1は、スロープ補償回路14が生成するスロープ電流Isを電圧に変換するためのものである。抵抗素子R1の一端は変換部10の抵抗素子R4とトランジスタTR1との接続ノードND9に接続され、抵抗素子R1の他端(ノードND5)は、スロープ補償回路14に接続される。したがって、図1の場合、スロープ電流Isは、入力ノードND1から、変換部10の抵抗素子R4、ノードND9、および抵抗素子R1を順に通って、スロープ補償回路14に流入する。抵抗素子R1の他端(ノードND5)の電位は、インダクタ電流ILによって抵抗素子R4に生じる電圧降下と、スロープ電流Isによって抵抗素子R1に生じる電圧降下との合計電圧Vsumを、入力電圧Vinから減じた値(Vin−Vsum)に等しい。
The resistance element R1 is for converting the slope current Is generated by the
なお、スロープ電流Isの大きさはマイクロアンペアオーダーであるので、インダクタ電流ILに比べて極めて小さい。したがって、スロープ電流Isによって抵抗素子R4に生じる電圧降下は無視できる。抵抗素子R1の抵抗値はインダクタLおよび負荷9のインピーダンスの大きさに比べて十分に大きいので、インダクタ電流ILは抵抗素子R1にほとんど流れない。 Since the magnitude of the slope current Is is on the order of microamperes, it is much smaller than the inductor current IL. Therefore, a voltage drop generated in the resistance element R4 due to the slope current Is can be ignored. Since the resistance value of the resistance element R1 is sufficiently larger than the impedances of the inductor L and the load 9, the inductor current IL hardly flows through the resistance element R1.
比較器CMPは、電圧シフト回路12のノードND6の電位(Vin−Ve)と、抵抗素子R1の端点(ノードND5)の電位(Vin−Vsum)とを比較し、ノードND6の電位よりもノードND5の電位(Vin−Vsum)が低くなったときにハイレベル(Hレベル)の信号を出力する。すなわち、比較器CMPは、合計電圧Vsumが誤差電圧Veを超えたときにHレベルの信号を出力する。
The comparator CMP compares the potential (Vin−Ve) of the node ND6 of the
比較器CMPは、さらに、過電流保護(OCP:Over Current Protection)のための基準電位(Vin−Vocp)と、抵抗素子R1の端点(ノードND5)の電位(Vin−Vsum)とを比較し、基準電位(Vin−Vocp)よりもノードND5の電位が低くなったときにHレベルの信号を出力する。すなわち、比較器CMPは、合計電圧Vsumが過電流保護電圧Vocpを超えたときにHレベルの信号を出力する。 The comparator CMP further compares the reference potential (Vin−Vocp) for overcurrent protection (OCP) with the potential (Vin−Vsum) of the end point (node ND5) of the resistance element R1. When the potential of the node ND5 becomes lower than the reference potential (Vin−Vocp), an H level signal is output. That is, the comparator CMP outputs an H level signal when the total voltage Vsum exceeds the overcurrent protection voltage Vocp.
RSフリップフロップFFは、セット端子Sにクロック信号CLKを受け、リセット端子Rに比較器CMPの出力を受ける。フリップフロップFFは、クロック信号CLKがHレベルに切替わったときに(クロック信号CLKの立上がりエッジで)セット状態になり、比較器CMPの出力がHレベルに切替わったときにリセット状態になる。 The RS flip-flop FF receives the clock signal CLK at the set terminal S and the output of the comparator CMP at the reset terminal R. The flip-flop FF is set when the clock signal CLK is switched to H level (at the rising edge of the clock signal CLK), and is reset when the output of the comparator CMP is switched to H level.
ドライブ回路DRVは、フリップフロップFFの反転出力/Qを増幅した信号を、トランジスタTR1,TR2の各ゲートに出力する。したがって、フリップフロップFFがセット状態のとき、トランジスタTR1がオン状態であり、トランジスタTR2がオフ状態である。フリップフロップFFがリセット状態のとき、トランジスタTR1がオフ状態であり、トランジスタTR2がオン状態である。 Drive circuit DRV outputs a signal obtained by amplifying the inverted output / Q of flip-flop FF to the gates of transistors TR1 and TR2. Therefore, when the flip-flop FF is in the set state, the transistor TR1 is in the on state and the transistor TR2 is in the off state. When the flip-flop FF is in a reset state, the transistor TR1 is in an off state and the transistor TR2 is in an on state.
なお、トランジスタTR1,TR2を介した貫通電流を防止するために、フリップフロップFFがセット状態からリセット状態に切替わったときには、ドライブ回路DRVはトランジスタTR1を先にオフし、その次にトランジスタTR2をオンするように制御することが望ましい。フリップフロップFFがリセット状態からセット状態に切替わったときには、ドライブ回路DRVは、トランジスタTR2を先にオフし、その次にトランジスタTR1をオンするように制御することが望ましい。 When the flip-flop FF is switched from the set state to the reset state in order to prevent a through current through the transistors TR1 and TR2, the drive circuit DRV first turns off the transistor TR1, and then turns on the transistor TR2. It is desirable to control to turn on. When the flip-flop FF is switched from the reset state to the set state, it is desirable that the drive circuit DRV performs control so that the transistor TR2 is turned off first and then the transistor TR1 is turned on.
(スロープ補償回路14の構成)
スロープ補償回路14は、トランジスタTR1がオン状態に切り替わったときから徐々に増加し、トランジスタTR1がオフ状態に切替わったときに0にリセットされるスロープ電流Isを生成する。電流モード制御では、インダクタの通電率が50%を超えるとインダクタ電流が不安定になることが知られており、スロープ電流Isはその安定化のために用いられる。
(Configuration of slope compensation circuit 14)
The
具体的にスロープ補償回路14は、PMOSトランジスタTR10〜TR12と、NMOSトランジスタTR13〜TR15と、コンデンサC2と、定電流源16とを含む。PMOSトランジスタTR10〜TR12と定電流源16とによって、NMOSトランジスタTR13,TR14のドレインに電流I1,I2をそれぞれ供給する電流源回路15が構成される。以下、スロープ補償回路14を構成する各構成要素間の接続について説明する。
Specifically, the
トランジスタTR13は、そのゲートとドレインとが互いに接続された、いわゆるダイオード接続のトランジスタである。トランジスタTR13のソースは、コンデンサC2を介して接地ノードND2に接続される。 The transistor TR13 is a so-called diode-connected transistor whose gate and drain are connected to each other. The source of the transistor TR13 is connected to the ground node ND2 through the capacitor C2.
トランジスタTR14のゲートは、トランジスタTR13のゲートに接続され、トランジスタTR14のソースは接地ノードND2に接続される。したがって、コンデンサC2が設けられていない場合、トランジスタTR13,TR14は通常のカレントミラーを構成する。 The gate of transistor TR14 is connected to the gate of transistor TR13, and the source of transistor TR14 is connected to ground node ND2. Therefore, when the capacitor C2 is not provided, the transistors TR13 and TR14 constitute a normal current mirror.
トランジスタTR15は、コンデンサC2と並列に接続される。トランジスタTR15のゲートには、フリップフロップFFの反転出力/Qが入力される。したがって、フリップフロップFFがリセット状態のとき(すなわち、トランジスタTR1がオフ状態のとき)トランジスタTR15が導通し、これによってコンデンサC2に蓄積された電荷が放出される。 Transistor TR15 is connected in parallel with capacitor C2. The inverted output / Q of the flip-flop FF is input to the gate of the transistor TR15. Therefore, when the flip-flop FF is in the reset state (that is, when the transistor TR1 is in the off state), the transistor TR15 becomes conductive, and thereby the electric charge accumulated in the capacitor C2 is released.
トランジスタTR11は、入力ノードND1と接地ノードND2との間にトランジスタTR13と直列に接続される。すなわち、トランジスタTR11のソースは入力ノードND1に接続され、トランジスタTR11のドレインはトランジスタTR13のドレインに接続される。 Transistor TR11 is connected in series with transistor TR13 between input node ND1 and ground node ND2. That is, the source of the transistor TR11 is connected to the input node ND1, and the drain of the transistor TR11 is connected to the drain of the transistor TR13.
トランジスタTR12は、入力ノードND1と接地ノードND2との間にトランジスタTR14と直列に接続される。すなわち、トランジスタTR12のソースは入力ノードND1に接続され、トランジスタTR12のドレインはトランジスタTR14のドレインに接続される。 Transistor TR12 is connected in series with transistor TR14 between input node ND1 and ground node ND2. That is, the source of the transistor TR12 is connected to the input node ND1, and the drain of the transistor TR12 is connected to the drain of the transistor TR14.
トランジスタTR12,TR14の接続ノードND8は、前述の抵抗素子R1の端点(ノードND5)に接続される。言い換えると、トランジスタTR12,TR14間を接続する電流経路上のノードND8から分岐し、抵抗素子R1の端点(ノードND5)に達する電流経路が設けられる。スロープ電流Isは、この電流経路を通ってトランジスタTR14に流入する。 A connection node ND8 of the transistors TR12 and TR14 is connected to the end point (node ND5) of the resistor element R1. In other words, a current path is provided that branches from the node ND8 on the current path connecting the transistors TR12 and TR14 and reaches the end point (node ND5) of the resistance element R1. The slope current Is flows into the transistor TR14 through this current path.
トランジスタTR10は、そのゲートとドレインとが互いに接続された、いわゆるダイオード接続のトランジスタである。トランジスタTR10のソースは入力ノードND1に接続され、トランジスタTR10のゲートは、トランジスタTR11,TR12の各ゲートに接続される。すなわち、トランジスタTR10,TR11,TR12はカレントミラーを構成する。 The transistor TR10 is a so-called diode-connected transistor whose gate and drain are connected to each other. The source of the transistor TR10 is connected to the input node ND1, and the gate of the transistor TR10 is connected to the gates of the transistors TR11 and TR12. That is, the transistors TR10, TR11, TR12 constitute a current mirror.
定電流源16は、トランジスタTR10のドレインと接地ノードND2との間に接続され、トランジスタTR10に定電流I0を流す。したがって、トランジスタTR10とカレントミラーを構成するトランジスタTR11,TR12には、トランジスタTR10,TR11,TR12の各サイズ(ゲート幅Wとゲート長Lとの比W/L)に応じた電流が流れる。トランジスタTR11,TR12に流れる電流をそれぞれI1,I2とし、トランジスタTR10,TR11,TR12のサイズをそれぞれW10/L10、W11/L11、W12/L12とすれば、
I0:I1:I2=W10/L10:W11/L11:W12/L12 …(1)
の関係が成立つ。トランジスタTR10〜TR12のサイズが互いに等しい場合には、
I0=I1=I2 …(2)
となる。
Constant
I0: I1: I2 = W10 / L10: W11 / L11: W12 / L12 (1)
The relationship is established. When the sizes of the transistors TR10 to TR12 are equal to each other,
I0 = I1 = I2 (2)
It becomes.
トランジスタTR11と直列接続されたトランジスタTR13には、トランジスタTR11からの電流I1が流れる。トランジスタTR12と直列接続されたトランジスタTR14には、トランジスタTR12からの電流I2とスロープ電流Isとを合計した電流が流れる。 A current I1 from the transistor TR11 flows through the transistor TR13 connected in series with the transistor TR11. A current obtained by adding the current I2 from the transistor TR12 and the slope current Is flows through the transistor TR14 connected in series with the transistor TR12.
ここで、この実施の形態のスロープ補償回路14の場合、トランジスタTR13,TR14のサイズの比を、トランジスタTR11,TR12のサイズの比に等しくする点に特徴がある。すなわち、トランジスタTR13,TR14のサイズをそれぞれW13/L13、W14/L14とすると、
W11/L11:W12/L12=W13/L13:W14/L14 …(3)
の関係が成立つ。言い換えると、電流源回路15は、トランジスタTR13,TR14のサイズの比に比例した電流I1,I2を、トランジスタTR13,TR14にそれぞれ供給する。トランジスタTR13,TR14のサイズが互いに等しい場合には、トランジスタTR11,TR12のサイズも互いに等しくなり、この場合、I1=I2の関係が成り立つ。
Here, the
W11 / L11: W12 / L12 = W13 / L13: W14 / L14 (3)
The relationship is established. In other words, the
(スロープ補償回路14の動作)
次に、スロープ補償回路14の動作について説明する。
(Operation of the slope compensation circuit 14)
Next, the operation of the
一般に、MOSトランジスタに流れる電流は、MOSトランジスタのゲート・ソース間電圧の2乗にほぼ等しい。図1のスロープ補償回路14の場合、トランジスタTR14のゲート・ソース間電圧は、トランジスタTR13のゲート・ソース間電圧とコンデンサC2の電圧との和に等しい。したがって、トランジスタTR14に流れる電流は、コンデンサC2の充電電圧に応じて変化する。
In general, the current flowing through the MOS transistor is approximately equal to the square of the gate-source voltage of the MOS transistor. In the case of the
まず、フリップフロップFFがリセット状態(変換部10に設けられたPMOSトランジスタTR1はオフ状態)の場合について説明する。この場合、フリップフロップFFの反転出力/QがHレベルとなるので、トランジスタTR15がオン状態となる。これにより、コンデンサC2に蓄積された電荷は放出され、その電圧はほぼ0になる。このとき、トランジスタTR13,TR14はカレントミラー回路を構成しているのと同じであるので、上式(3)の関係から、トランジスタTR14に流れる電流は、トランジスタTR12に流れる電流I2に等しくなり、スロープ電流Isは0になる。
First, the case where the flip-flop FF is in the reset state (the PMOS transistor TR1 provided in the
次に、フリップフロップFFがセット状態(変換部10に設けられたPMOSトランジスタTR1はオン状態)の場合について説明する。フリップフロップFFの反転出力/QがHレベルからLレベルに切替わると、スロープ補償回路14に設けられたトランジスタTR15がオフ状態に切替わるので、コンデンサC2は、定電流I1によって充電を開始する。これにより、コンデンサC2の電圧はフリップフロップFFがセット状態に切替わってからの時間に比例して増加する。トランジスタTR14に流れる電流は、電流I2から非線型的に(時間の2乗にほぼ比例して)増加するので、スロープ電流Isも0から非線型的に(時間の2乗にほぼ比例して)増加する。その後、フリップフロップFFがリセット状態に戻ると、スロープ電流Isは0に戻る。
Next, the case where the flip-flop FF is in the set state (the PMOS transistor TR1 provided in the
[DC−DCコンバータ1の動作]
図2は、図1の各部の信号波形を示す図である。図2のグラフは、上から順に、図1のフリップフロップFFに入力されるクロック信号CLKの波形、フリップフロップFFの反転出力/Q、スロープ補償回路14のコンデンサC2の電圧V(C2)、スロープ電流Is、インダクタ電流IL、比較器CMPの−端子入力(ノードND5の電位)、比較器CMPの出力を示す。以下、図1、図2を参照して、DC−DCコンバータ1の動作について説明する。
[Operation of DC-DC Converter 1]
FIG. 2 is a diagram showing signal waveforms at various parts in FIG. The graph of FIG. 2 shows, in order from the top, the waveform of the clock signal CLK input to the flip-flop FF of FIG. 1, the inverted output / Q of the flip-flop FF, the voltage V (C2) of the capacitor C2 of the
時刻t1より前の状態では、フリップフロップFFがリセット状態(変換部10に設けられたPMOSトランジスタTR1はオフ状態)である。この場合、フリップフロップFFの反転出力/QがHレベルとなるので、コンデンサC2の電圧は0となり、スロープ電流Isは0となる。変換部10に設けられたトランジスタTR1はオフ状態であるので、ノードND5の電位は入力ノードの電位Vinに等しい(合計電圧Vsumは0)。
Before the time t1, the flip-flop FF is in the reset state (the PMOS transistor TR1 provided in the
時刻t1にクロック信号CLKがLレベルからHレベルに切替わる。これによって、フリップフロップFFがセット状態になり、フリップフロップFFの反転出力/QがLレベルになる。これによりトランジスタTR15がオフ状態になるので、コンデンサC2の電圧は時間の経過に伴って0から直線的に増加し、スロープ電流Isは、時間の経過に伴って0から非線型的(ほぼ時間の2乗に比例して)増加する。さらに、トランジスタTR1がオン状態になるので、インダクタ電流ILが徐々に増加する。したがって、抵抗素子R4,R1の抵抗値をそれぞれr4,r1とすれば、ノードND5の電位は、入力電圧Vinから、抵抗素子R4による電圧降下(IL×r4)と抵抗素子R1による電圧降下(Is×r1)とを減じた値に等しい。 At time t1, the clock signal CLK is switched from the L level to the H level. As a result, the flip-flop FF is set, and the inverted output / Q of the flip-flop FF becomes L level. As a result, the transistor TR15 is turned off, so that the voltage of the capacitor C2 increases linearly from 0 as time passes, and the slope current Is increases from 0 to non-linear (almost time). Increases in proportion to the square). Further, since the transistor TR1 is turned on, the inductor current IL gradually increases. Therefore, if the resistance values of the resistance elements R4 and R1 are r4 and r1, respectively, the potential of the node ND5 is the voltage drop (IL × r4) due to the resistance element R4 and the voltage drop (Is) due to the resistance element R1 from the input voltage Vin. It is equal to a value obtained by subtracting xr1).
時刻t3で、ノードND5の電位が、ノードND6の電位(Vin−Ve)または過電流保護の電位レベル(Vin−Vocp)に達すると、比較器CMPの出力がLレベルからHレベルに切替わる。これによって、フリップフロップFFがリセット状態に戻る。時刻t4以降は、時刻t1からの繰返しである。 When the potential of the node ND5 reaches the potential of the node ND6 (Vin−Ve) or the potential level of overcurrent protection (Vin−Vocp) at time t3, the output of the comparator CMP is switched from the L level to the H level. As a result, the flip-flop FF returns to the reset state. After time t4, the process is repeated from time t1.
[実施の形態1の効果]
以上とおり、実施の形態1のDC−DCコンバータ1によれば、簡単な構成のスロープ補償回路14によって非線型のスロープ電流を生成し、生成したスロープ電流によって電流制御モード時のインダクタ電流を安定化することができる。以下、比較例のスロープ補償回路914と対比しながら、この実施の形態の場合のスロープ補償回路14の特徴について補足する。
[Effect of Embodiment 1]
As described above, according to the DC-
図3は、図1のDC−DCコンバータ1の比較例としてのDC−DCコンバータ901の構成を示す図である。図3のDC−DCコンバータ901は、スロープ補償回路の構成が図1のDC−DCコンバータ1と異なる。図3のスロープ補償回路914は、図1の電流源回路15に代えて、トランジスタTR13に電流I0(=I1)を供給する定電流源17が設けられている点で図1のスロープ補償回路14と異なる。すなわち、スロープ補償回路914は、NMOSトランジスタTR13〜TR15と、コンデンサC2と、定電流源17とを含む。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a DC-
ダイオード接続されたトランジスタTR13のソースは、コンデンサC2を介して接地ノードND2に接続される。トランジスタTR13のドレインと入力ノードND1との間にトランジスタTR13に電流I0(=I1)を流す定電流源17が設けられる。 The source of the diode-connected transistor TR13 is connected to the ground node ND2 via the capacitor C2. A constant current source 17 is provided between the drain of the transistor TR13 and the input node ND1 to flow a current I0 (= I1) to the transistor TR13.
トランジスタTR14のゲートは、トランジスタTR13のゲートに接続され、ソースは接地ノードND2に接続される。トランジスタTR14のドレインは抵抗素子R1の端点ND5に接続される。 Transistor TR14 has its gate connected to the gate of transistor TR13 and its source connected to ground node ND2. The drain of the transistor TR14 is connected to the end point ND5 of the resistance element R1.
トランジスタTR15は、コンデンサC2と並列に接続される。トランジスタTR15のゲートには、フリップフロップFFの反転出力/Qが入力される。したがって、フリップフロップFFがリセット状態のとき(すなわち、トランジスタTR1がオフ状態のとき)トランジスタTR15が導通し、これによってコンデンサC2に蓄積された電荷が放出される。 Transistor TR15 is connected in parallel with capacitor C2. The inverted output / Q of the flip-flop FF is input to the gate of the transistor TR15. Therefore, when the flip-flop FF is in the reset state (that is, when the transistor TR1 is in the off state), the transistor TR15 becomes conductive, and thereby the electric charge accumulated in the capacitor C2 is released.
図3のその他の構成は図1の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。 Other configurations in FIG. 3 are the same as those in FIG. 1, and therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is not repeated.
図4は、図3の各部の信号波形を示す図である。図4のグラフは、上から順に、図3のフリップフロップFFに入力されるクロック信号CLKの波形、フリップフロップFFの反転出力/Q、スロープ補償回路914のコンデンサC2の電圧V(C2)、スロープ電流Isの波形を示す。 FIG. 4 is a diagram showing signal waveforms at various parts in FIG. The graph of FIG. 4 shows, from the top, the waveform of the clock signal CLK input to the flip-flop FF of FIG. The waveform of current Is is shown.
時刻t1より前の状態では、フリップフロップFFがリセット状態(変換部10に設けられたPMOSトランジスタTR1はオフ状態)である。この場合、フリップフロップFFの反転出力/QがHレベルとなるので、コンデンサC2の電圧は0となる。この場合、スロープ電流Isとして、トランジスタTR13,TR14のサイズの比に比例した電流I2が流れる。トランジスタTR13,TR14のサイズが互いに等しい場合には、電流I2は定電流源17の出力電流I0に等しい。
Before the time t1, the flip-flop FF is in the reset state (the PMOS transistor TR1 provided in the
時刻t1にクロック信号CLKがLレベルからHレベルに切替わる。これによって、フリップフロップFFがセット状態になり、フリップフロップFFの反転出力/QがLレベルになる。これによりトランジスタTR15がオフ状態になるので、コンデンサC2の電圧は時間の経過に伴って0から直線的に増加し、スロープ電流Isは、時間の経過に伴って初期値のI2から非線型的(ほぼ時間の2乗に比例して)増加する。 At time t1, the clock signal CLK is switched from the L level to the H level. As a result, the flip-flop FF is set, and the inverted output / Q of the flip-flop FF becomes L level. As a result, the transistor TR15 is turned off, so that the voltage of the capacitor C2 increases linearly from 0 as time passes, and the slope current Is changes from the initial value I2 to non-linear ( It increases (in proportion to the square of time).
時刻t3で、ノードND5の電位が、ノードND6の電位(Vin−Ve)または過電流保護の電位レベル(Vin−Vocp)に達すると、比較器CMPの出力がLレベルからHレベルに切替わる。これによって、フリップフロップFFがリセット状態に戻り、スロープ電流Isが初期値のI2に戻る。時刻t4以降は、時刻t1からの繰返しである。 When the potential of the node ND5 reaches the potential of the node ND6 (Vin−Ve) or the potential level of overcurrent protection (Vin−Vocp) at time t3, the output of the comparator CMP is switched from the L level to the H level. As a result, the flip-flop FF returns to the reset state, and the slope current Is returns to the initial value I2. After time t4, the process is repeated from time t1.
このように比較例のDC−DCコンバータ901の場合には、フリップフロップFFがリセット状態の場合にスロープ電流Isの値が0に戻らない。これに対して、図1のDC−DCコンバータ1の場合には、フリップフロップFFがリセット状態の場合にスロープ電流Isの値が0に戻る。この結果、誤差電圧Veや過電流保護電圧Vocpとの比較をより精度良く行なうことができる。
As described above, in the case of the DC-
<実施の形態1の変形例>
図5は、図1のDC−DCコンバータ1の変形例としてのDC−DCコンバータ2の構成を示す回路図である。
<Modification of
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a DC-
図5のDC−DCコンバータ2の変換部10Aは、抵抗素子R4を含んでいない点で図1のDC−DCコンバータ1の変換部10と異なる。
5 is different from the
図5の制御回路11Aは、抵抗素子R5とPMOSトランジスタTR5とをさらに含む点で図1の制御回路11と異なる。抵抗素子R5およびトランジスタTR5はこの順で、入力ノードND1と接続ノードND4との間に直列に接続される。抵抗素子R1の一端は、抵抗素子R5とトランジスタTR5との接続ノードND10に接続される。すなわち、抵抗素子R1の一端はトランジスタTR1とインダクタLとの接続ノードND4にトランジスタTR5を介して接続される。トランジスタTR5のゲートにはドライブ回路DRVの出力信号が入力される。したがって、トランジスタTR5は、トランジスタTR1がオン状態のときにオン状態になる。
The
図5に示すDC−DCコンバータ2の場合には、インダクタ電流ILは、トランジスタTR1のオン抵抗を利用して検出される。そして、トランジスタTR1がオン状態のときの抵抗素子R1の他端(ノードND5)の電位によって、インダクタ電流ILに比例する電圧(トランジスタTR1のオン抵抗による電圧降下)と、スロープ電流Isに比例する電圧(抵抗素子R1による電圧降下)との合計電圧が検出される。トランジスタTR1がオフ状態のときはトランジスタTR5もオフ状態になり、抵抗素子R5がプルアップ抵抗として機能するので、ノードND5の電位は入力電圧Vinに等しくなる。図5のその他の点は図1の場合と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
In the case of the DC-
その他、図1、図5には、変換部10として、非絶縁型のDC−DCコンバータ1が示されているが、これに代えて絶縁型のDC−DCコンバータにもこの発明を適用することができる。
1 and 5 show the non-insulated DC-
<実施の形態2>
[DC−DCコンバータ3の構成]
図6は、この発明の実施の形態2によるDC−DCコンバータ3の構成を示す回路図である。実施の形態2のDC−DCコンバータ3では、変換部20として昇圧チョッパが設けられている点で実施の形態1の場合と異なる。具体的に、図6を参照して、DC−DCコンバータ3は、入力ノードND1と、接地ノードND2と、出力ノードND3と、直流電圧変換を行なう変換部20と、制御回路21と、スロープ補償回路24とを含む。
<
[Configuration of DC-DC Converter 3]
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of DC-
(変換部20の構成)
変換部20は、いわゆる昇圧チョッパと呼ばれる回路であり、入力ノードND1に入力された直流電圧Vinを昇圧することによって出力電圧Voutを生成し、生成した出力電圧Voutを出力ノードND3を介して負荷9に出力する。変換部20は、スイッチング素子としてのNMOSトランジスタTR21と、同期整流素子としてのNMOSトランジスタTR22と、インダクタLと、平滑用のコンデンサC1と、インダクタ電流ILの検出用の抵抗素子R4とを含む。
(Configuration of the conversion unit 20)
The
インダクタL、トランジスタTR21、および抵抗素子R4は、この順で入力ノードND1と接地ノードND2との間に直列に接続される。トランジスタTR22は、インダクタLとトランジスタTR21の接続ノードND4と出力ノードND3との間に接続される。コンデンサC1は、出力ノードND3と接地ノードND2との間に接続される。 Inductor L, transistor TR21, and resistance element R4 are connected in series between input node ND1 and ground node ND2 in this order. Transistor TR22 is connected between connection node ND4 and output node ND3 of inductor L and transistor TR21. Capacitor C1 is connected between output node ND3 and ground node ND2.
同期整流素子としてのトランジスタTR22に代えてダイオードを設けてもよい。この場合、ダイオードのアノードが接続ノードND4に接続され、ダイオードのカソードが出力ノードND3に接続される。 A diode may be provided in place of the transistor TR22 as a synchronous rectifying element. In this case, the anode of the diode is connected to the connection node ND4, and the cathode of the diode is connected to the output node ND3.
(制御回路21の構成)
制御回路21は、実施の形態1の場合と同様に、スロープ補償付きの電流モード制御によって、トランジスタTR21,TR22をオンおよびオフに切替える。具体的に制御回路21は、誤差アンプEAMPと、抵抗素子R1と、比較器CMPと、RSフリップフロップFFと、ドライブ回路DRVと、インバータ22とを含む。
(Configuration of control circuit 21)
As in the case of the first embodiment, the
誤差アンプEAMPは、+端子に参照電圧Vrefを受け、−端子に出力電圧Voutまたは出力電圧Voutを抵抗分圧した電圧を受け、これらの差を増幅した電圧を比較器CMPに出力する。誤差アンプEAMPの後段にフィードバック補償回路(位相補償回路)を設け、フィードバック補償回路の出力を比較器CMPに出力するようにしてもよい。 The error amplifier EAMP receives the reference voltage Vref at the + terminal, receives the output voltage Vout or the voltage obtained by dividing the output voltage Vout by resistance at the − terminal, and outputs a voltage obtained by amplifying the difference between them to the comparator CMP. A feedback compensation circuit (phase compensation circuit) may be provided after the error amplifier EAMP, and the output of the feedback compensation circuit may be output to the comparator CMP.
抵抗素子R1は、スロープ補償回路24が生成するスロープ電流Isを電圧に変換するためのものである。抵抗素子R1の一端は変換部20の抵抗素子R4とトランジスタTR21との接続ノードND9に接続され、抵抗素子R1の他端(ノードND5)は、スロープ補償回路24に接続される。したがって、図6の場合、スロープ電流Isは、スロープ補償回路24から流出し、抵抗素子R1、変換部20のノードND9、抵抗素子R4を順に通って接地ノードND2に流入する。抵抗素子R1の他端(ノードND5)の電位は、インダクタ電流ILによって抵抗素子R4に生じる電圧降下と、スロープ電流Isによって抵抗素子R1に生じる電圧降下との合計電圧Vsumに等しい。
The resistance element R1 is for converting the slope current Is generated by the
比較器CMPは、誤差アンプEAMPから出力された誤差電圧Veと、抵抗素子R1の端点(ノードND5)の電位(合計電圧Vsum)とを比較し、合計電圧Vsumが誤差電圧Veを超えたときにHレベルの信号を出力する。 The comparator CMP compares the error voltage Ve output from the error amplifier EAMP with the potential (total voltage Vsum) of the end point (node ND5) of the resistance element R1, and when the total voltage Vsum exceeds the error voltage Ve. An H level signal is output.
比較器CMPは、さらに、過電流保護(OCP:Over Current Protection)のための基準電位(過電流保護電圧Vocp)と、抵抗素子R1の端点(ノードND5)の電位(合計電圧Vsum)とを比較し、合計電圧Vsumが過電流保護電圧Vocpを超えたときにHレベルの信号を出力する。 The comparator CMP further compares the reference potential (overcurrent protection voltage Vocp) for overcurrent protection (OCP) with the potential (total voltage Vsum) of the end point (node ND5) of the resistor element R1. When the total voltage Vsum exceeds the overcurrent protection voltage Vocp, an H level signal is output.
RSフリップフロップFFは、セット端子Sにクロック信号CLKを受け、リセット端子Rに比較器CMPの出力を受ける。フリップフロップFFは、クロック信号CLKがHレベルに切替わったときに(クロック信号CLKの立上がりエッジで)セット状態になり、比較器CMPの出力がHレベルに切替わったときにリセット状態になる。 The RS flip-flop FF receives the clock signal CLK at the set terminal S and the output of the comparator CMP at the reset terminal R. The flip-flop FF is set when the clock signal CLK is switched to H level (at the rising edge of the clock signal CLK), and is reset when the output of the comparator CMP is switched to H level.
ドライブ回路DRVは、フリップフロップFFの出力Qを増幅した信号を、トランジスタTR21のゲートと、インバータ22を介してトランジスタTR22のゲートとに出力する。したがって、フリップフロップFFがセット状態のとき、トランジスタTR21がオン状態であり、トランジスタTR22がオフ状態である。フリップフロップFFがリセット状態のとき、トランジスタTR21がオフ状態であり、トランジスタTR22がオン状態である。
Drive circuit DRV outputs a signal obtained by amplifying output Q of flip-flop FF to the gate of transistor TR21 and to the gate of transistor TR22 via
(スロープ補償回路24の構成)
スロープ補償回路24は、トランジスタTR21がオン状態に切り替わったときから徐々に増加し、トランジスタTR21がオフ状態に切替わったときに0にリセットされるスロープ電流Isを生成する。
(Configuration of the slope compensation circuit 24)
The
具体的にスロープ補償回路24は、NMOSトランジスタTR30〜TR32と、PMOSトランジスタTR33〜TR35と、コンデンサC2と、定電流源36とを含む。NMOSトランジスタTR30〜TR32と定電流源36とによって、PMOSトランジスタTR33,TR34のドレインから電流I1,I2をそれぞれ引き出す電流源回路25が構成される。以下、スロープ補償回路24を構成する各構成要素間の接続について説明する。
Specifically, the
トランジスタTR33は、そのゲートとドレインとが互いに接続された、いわゆるダイオード接続のトランジスタである。トランジスタTR33のソースは、コンデンサC2を介して入力ノードND1に接続される。 The transistor TR33 is a so-called diode-connected transistor whose gate and drain are connected to each other. The source of the transistor TR33 is connected to the input node ND1 through the capacitor C2.
トランジスタTR34のゲートは、トランジスタTR33のゲートに接続され、トランジスタTR34のソースは入力ノードND1に接続される。したがって、コンデンサC2が設けられていない場合、トランジスタTR33,TR34は通常のカレントミラーを構成する。 The gate of transistor TR34 is connected to the gate of transistor TR33, and the source of transistor TR34 is connected to input node ND1. Therefore, when the capacitor C2 is not provided, the transistors TR33 and TR34 constitute a normal current mirror.
トランジスタTR35は、コンデンサC2と並列に接続される。トランジスタTR35のゲートには、フリップフロップFFの出力Qが入力される。したがって、フリップフロップFFがリセット状態のとき(すなわち、トランジスタTR21がオフ状態のとき)トランジスタTR35が導通し、これによってコンデンサC2に蓄積された電荷が放出される。 Transistor TR35 is connected in parallel with capacitor C2. The output Q of the flip-flop FF is input to the gate of the transistor TR35. Therefore, when the flip-flop FF is in the reset state (that is, when the transistor TR21 is in the off state), the transistor TR35 is turned on, whereby the charge accumulated in the capacitor C2 is released.
トランジスタTR31は、入力ノードND1と接地ノードND2との間にトランジスタTR33と直列に接続される。すなわち、トランジスタTR31のソースは接地ノードND2に接続され、トランジスタTR31のドレインはトランジスタTR33のドレインに接続される。 Transistor TR31 is connected in series with transistor TR33 between input node ND1 and ground node ND2. That is, the source of the transistor TR31 is connected to the ground node ND2, and the drain of the transistor TR31 is connected to the drain of the transistor TR33.
トランジスタTR32は、入力ノードND1と接地ノードND2との間にトランジスタTR34と直列に接続される。すなわち、トランジスタTR32のソースは接地ノードND2に接続され、トランジスタTR32のドレインはトランジスタTR34のドレインに接続される。 Transistor TR32 is connected in series with transistor TR34 between input node ND1 and ground node ND2. That is, the source of the transistor TR32 is connected to the ground node ND2, and the drain of the transistor TR32 is connected to the drain of the transistor TR34.
トランジスタTR32,TR34の接続ノードND8は、前述の抵抗素子R1の端点(ノードND5)に接続される。言い換えると、トランジスタTR32,TR34間を接続する電流経路上のノードND8から分岐し、抵抗素子R1の端点(ノードND5)に達する電流経路が設けられる。スロープ電流Isは、トランジスタTR34から流出し、この電流経路を通って抵抗素子R1に流入する。 A connection node ND8 of the transistors TR32 and TR34 is connected to the end point (node ND5) of the resistor element R1. In other words, a current path is provided that branches from the node ND8 on the current path connecting the transistors TR32 and TR34 and reaches the end point (node ND5) of the resistance element R1. The slope current Is flows out of the transistor TR34 and flows into the resistance element R1 through this current path.
トランジスタTR30は、そのゲートとドレインとが互いに接続された、いわゆるダイオード接続のトランジスタである。トランジスタTR30のソースは接地ノードND2に接続され、トランジスタTR30のゲートは、トランジスタTR31,TR32の各ゲートに接続される。すなわち、トランジスタTR30,TR31,TR32はカレントミラーを構成する。 The transistor TR30 is a so-called diode-connected transistor whose gate and drain are connected to each other. The source of transistor TR30 is connected to ground node ND2, and the gate of transistor TR30 is connected to the gates of transistors TR31 and TR32. That is, the transistors TR30, TR31, TR32 constitute a current mirror.
定電流源36は、トランジスタTR30のドレインと入力ノードND1との間に接続され、トランジスタTR30に定電流I0を流す。したがって、トランジスタTR30とカレントミラーを構成するトランジスタTR31,TR32には、トランジスタTR30,TR31,TR32の各サイズ(ゲート幅Wとゲート長Lとの比W/L)に応じた電流が流れる。トランジスタTR31,TR32に流れる電流をそれぞれI1,I2とし、トランジスタTR30,TR31,TR32のサイズをそれぞれW30/L30、W31/L31、W32/L32とすれば、
I0:I1:I2=W30/L30:W31/L31:W32/L32 …(4)
の関係が成立つ。
The constant
I0: I1: I2 = W30 / L30: W31 / L31: W32 / L32 (4)
The relationship is established.
互いに直列接続されたトランジスタTR31,TR33には、等しい電流I1が流れる。トランジスタTR34には、トランジスタTR32を流れる電流I2とスロープ電流Isとを合計した電流が流れる。 An equal current I1 flows through the transistors TR31 and TR33 connected in series with each other. A current obtained by adding the current I2 flowing through the transistor TR32 and the slope current Is flows through the transistor TR34.
ここで、この実施の形態のスロープ補償回路24の場合、トランジスタTR33,TR34のサイズの比を、トランジスタTR31,TR32のサイズの比に等しくする点に特徴がある。すなわち、トランジスタTR33,TR34のサイズをそれぞれW33/L33、W34/L34とすると、
W31/L31:W32/L32=W33/L33:W34/L34 …(5)
の関係が成立つ。言い換えると、電流源回路25は、トランジスタTR33,TR34のサイズの比に比例した電流I1,I2を、トランジスタTR33,TR34にそれぞれ流す。トランジスタTR33,TR34のサイズが互いに等しい場合には、トランジスタTR31,TR32のサイズも互いに等しくなり、この場合、I1=I2の関係が成り立つ。
Here, the
W31 / L31: W32 / L32 = W33 / L33: W34 / L34 (5)
The relationship is established. In other words, the
(スロープ補償回路24の動作)
次に、スロープ補償回路24の動作について説明する。トランジスタTR34のゲート・ソース間電圧は、トランジスタTR33のゲート・ソース間電圧とコンデンサC2の電圧との和に等しい。したがって、トランジスタTR34に流れる電流は、コンデンサC2の充電電圧に応じて変化する。
(Operation of the slope compensation circuit 24)
Next, the operation of the
まず、フリップフロップFFがリセット状態(変換部20に設けられたNMOSトランジスタTR21はオフ状態)の場合について説明する。この場合、フリップフロップFFの出力QがLレベルとなるので、トランジスタTR35がオン状態となる。これにより、コンデンサC2に蓄積された電荷は放出され、その電圧はほぼ0になる。このとき、トランジスタTR33,TR34はカレントミラー回路を構成しているのと同じであるので、上式(5)の関係から、トランジスタTR34に流れる電流は、トランジスタTR32に流れる電流I2に等しくなり、スロープ電流Isは0になる。
First, the case where the flip-flop FF is in a reset state (the NMOS transistor TR21 provided in the
次に、フリップフロップFFがセット状態(変換部20に設けられたNMOSトランジスタTR21はオン状態)の場合について説明する。フリップフロップFFの出力QがLレベルからHレベルに切替わると、スロープ補償回路24に設けられたトランジスタTR35がオフ状態に切替わるので、コンデンサC2は、定電流I1によって充電を開始する。これにより、コンデンサC2の電圧はフリップフロップFFがセット状態に切替わってからの時間に比例して増加する。トランジスタTR34に流れる電流は、電流I2から非線型的に(時間の2乗にほぼ比例して)増加するので、スロープ電流Isも0から非線型的に(時間の2乗にほぼ比例して)増加する。フリップフロップFFがリセット状態に戻ると、スロープ電流Isは0に戻る。
Next, the case where the flip-flop FF is in the set state (the NMOS transistor TR21 provided in the
以上の構成のDC−DCコンバータ3によれば、簡単な構成のスロープ補償回路24によって非線型のスロープ電流Isを生成し、生成したスロープ電流Isによって電流制御モード時のインダクタ電流を安定化することができる。
According to the DC-
なお、図5で説明したように、図6のDC−DCコンバータ3の場合にも、抵抗素子R4を設けずに、NMOSトランジスタTR21のオン抵抗を利用してインダクタ電流ILを検出することができる。
As described with reference to FIG. 5, also in the case of the DC-
<実施の形態2の変形例>
図7は、図6のスロープ補償回路24の変形例の構成を示す回路図である。図7を参照して、スロープ補償回路34は、図1に示したスロープ補償回路14の構成にさらにPMOSトランジスタTR16,TR17で構成されるカレントミラーを付加したものである。ダイオード接続されたトランジスタTR16は、入力ノードND1とノードND8との間に接続される。トランジスタTR17は、入力ノードND1と、図6のノードND5との間に接続され、そのゲートはトランジスタTR16のゲートに接続される。
<Modification of
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a modification of the
図1のスロープ補償回路14は、スロープ電流Isが流入する電流シンクであった。図7のスロープ補償回路34は、PMOSトランジスタTR16,TR17によって構成されるカレントミラーを追加することによって、スロープ電流Isを流出する電流ソースとして機能するようにしたものである。
The
なお、電流シンクとして機能する図1のスロープ補償回路14も、電流ソースとして機能する図6のスロープ補償回路24にカレントミラーを構成する2個のNMOSトランジスタを付加した回路に置き換えることができる。
The
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1,2,3 DC−DCコンバータ、10,10A,20 変換部、11,21 制御回路、12 電圧シフト回路、13,16,17,36 定電流源、14,24,34 スロープ補償回路、15,25 電流源回路、22 インバータ、C1,C2 コンデンサ、CLK クロック信号、CMP 比較器、DRV ドライブ回路、EAMP 誤差アンプ、FF フリップフロップ、GND 接地電圧、IL インダクタ電流、Is スロープ電流、L インダクタ、ND1 入力ノード、ND2 接地ノード、ND3 出力ノード、R1,R2,R3,R4,R5 抵抗素子、TR1,TR2,TR5,TR10〜TR17,TR21,TR22,TR30〜TR35 MOSトランジスタ、TR3,TR4 バイポーラトランジスタ、Vin 入力電圧、Vocp 過電流保護電圧、Vout 出力電圧、GND 接地電圧、Vsum 合計電圧。 1, 2, 3 DC-DC converter, 10, 10A, 20 converter, 11, 21 control circuit, 12 voltage shift circuit, 13, 16, 17, 36 constant current source, 14, 24, 34 slope compensation circuit, 15 , 25 Current source circuit, 22 Inverter, C1, C2 capacitor, CLK clock signal, CMP comparator, DRV drive circuit, EAMP error amplifier, FF flip-flop, GND ground voltage, IL inductor current, Is slope current, L inductor, ND1 Input node, ND2 ground node, ND3 output node, R1, R2, R3, R4, R5 resistance element, TR1, TR2, TR5, TR10 to TR17, TR21, TR22, TR30 to TR35 MOS transistor, TR3, TR4 bipolar transistor, Vin Input power , Vocp overcurrent protection voltage, Vout the output voltage, GND a ground voltage, Vsum total voltage.
Claims (5)
接地電圧が与えられる接地ノードと、
出力電圧を出力するための出力ノードと、
前記入力ノードまたは前記接地ノードに一端が接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子の他端と接続されたインダクタと、
スロープ電流を生成するスロープ補償回路と、
前記インダクタを流れる電流に比例した電圧と前記スロープ電流に比例した電圧との合計電圧と、前記出力電圧に比例した電圧と所定の参照電圧との差に基づく誤差電圧との比較によって、前記第1のスイッチング素子をオフ状態に切替える電流モード制御を行なう制御回路とを備え、
前記スロープ補償回路は、
容量素子と、
前記容量素子と並列に接続され、前記第1のスイッチング素子がオン状態のときにオフ状態となる第2のスイッチング素子と、
第1の主電極が前記入力ノードまたは前記接地ノードに接続された第1のトランジスタと、
第1の主電極が前記容量素子を介して前記第1のトランジスタの第1の主電極と接続され、制御電極が前記第1のトランジスタの制御電極と接続される、ダイオード接続された第2のトランジスタと、
前記第1および第2のトランジスタの各第2の主電極と接続され、前記第1および第2のトランジスタのサイズの比に比例した電流を前記第1および第2のトランジスタにそれぞれ流す電流源回路とを含み、
前記スロープ電流は、前記第1のトランジスタの第2の主電極と前記電流源回路との接続経路から分岐した経路を通って、前記第1のトランジスタに流入または前記第1のトランジスタから流出する、DC−DCコンバータ。 An input node to which an input voltage is applied;
A ground node to which a ground voltage is applied; and
An output node for outputting an output voltage;
A first switching element having one end connected to the input node or the ground node;
An inductor connected to the other end of the first switching element;
A slope compensation circuit for generating a slope current;
By comparing the total voltage of the voltage proportional to the current flowing through the inductor and the voltage proportional to the slope current, and the error voltage based on the difference between the voltage proportional to the output voltage and a predetermined reference voltage, the first voltage And a control circuit for performing current mode control for switching the switching element to an off state,
The slope compensation circuit is:
A capacitive element;
A second switching element connected in parallel with the capacitive element and in an off state when the first switching element is in an on state;
A first transistor having a first main electrode connected to the input node or the ground node;
A first main electrode is connected to the first main electrode of the first transistor via the capacitor, and a control electrode is connected to the control electrode of the first transistor. A transistor,
A current source circuit that is connected to each second main electrode of the first and second transistors and supplies a current proportional to a ratio of the sizes of the first and second transistors to the first and second transistors, respectively. Including
The slope current flows into or out of the first transistor through a path branched from a connection path between the second main electrode of the first transistor and the current source circuit. DC-DC converter.
前記入力ノードと前記接地ノードとの間に前記第1のトランジスタと直列に接続された第3のトランジスタと、
前記入力ノードと前記接地ノードとの間に前記第2のトランジスタと直列に接続された第4のトランジスタと、
前記第3および第4のトランジスタとカレントミラーを構成する、ダイオード接続された第5のトランジスタと、
前記第5のトランジスタに所定の電流を流す定電流源とを含み、
前記第1および第2のトランジスタのサイズの比は、前記第3および第4のトランジスタのサイズの比に等しい、請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 The current source circuit is:
A third transistor connected in series with the first transistor between the input node and the ground node;
A fourth transistor connected in series with the second transistor between the input node and the ground node;
A diode-connected fifth transistor forming a current mirror with the third and fourth transistors;
A constant current source for supplying a predetermined current to the fifth transistor,
2. The DC-DC converter according to claim 1, wherein a ratio of the sizes of the first and second transistors is equal to a ratio of the sizes of the third and fourth transistors.
前記制御回路は、
前記第1の抵抗素子と前記第1のスイッチング素子との接続ノードに一端が接続され、他端が前記スロープ補償回路と接続されることによって、前記スロープ電流が流れる第2の抵抗素子と、
前記合計電圧として前記第2の抵抗素子の前記他端の電圧を受けて、前記誤差電圧と比較する比較器とを含み、
前記第1のスイッチング素子は、前記比較器の出力に応じてオフ状態に切替わる、請求項1または2に記載のDC−DCコンバータ。 A first resistance element inserted between the first switching element and the input node or the ground node;
The control circuit includes:
A second resistance element through which the slope current flows by connecting one end to a connection node between the first resistance element and the first switching element and connecting the other end to the slope compensation circuit;
A comparator that receives the voltage at the other end of the second resistance element as the total voltage and compares the voltage with the error voltage;
The DC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein the first switching element is switched to an off state in accordance with an output of the comparator.
前記第1のスイッチング素子がオン状態のときにオン状態となる第3のスイッチング素子と、
前記インダクタと前記第1のスイッチング素子との接続ノードに前記第3のスイッチング素子を介して一端が接続され、他端が前記スロープ補償回路と接続されることによって、前記第1のスイッチング素子がオン状態のときに前記スロープ電流が流れる抵抗素子と、
前記合計電圧として前記抵抗素子の前記他端の電圧を受けて、前記誤差電圧と比較する比較器とを含み、
前記第1のスイッチング素子は、前記比較器の出力に応じてオフ状態に切替わる、請求項1または2に記載のDC−DCコンバータ。 The control circuit includes:
A third switching element that is on when the first switching element is on;
One end is connected to the connection node between the inductor and the first switching element via the third switching element, and the other end is connected to the slope compensation circuit, so that the first switching element is turned on. A resistance element through which the slope current flows when in a state;
A comparator that receives the voltage at the other end of the resistance element as the total voltage and compares it with the error voltage;
The DC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein the first switching element is switched to an off state in accordance with an output of the comparator.
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