JP6046999B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、非線形制御方式のスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a non-linear control type switching power supply apparatus.
特許文献1には、帰還電圧と基準電圧を比較するメインコンパレータの出力信号に応じてスイッチ素子のオン/オフ制御を行うことにより、入力電圧から出力電圧を生成する非線形制御方式のスイッチング電源装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a non-linear control type switching power supply device that generates an output voltage from an input voltage by performing on / off control of a switch element in accordance with an output signal of a main comparator that compares a feedback voltage with a reference voltage. It is disclosed.
また、特許文献2には、エラーアンプの出力信号をクランプするDC/DCコンバータが開示されている。 Patent Document 2 discloses a DC / DC converter that clamps an output signal of an error amplifier.
ところで、非線形制御方式のスイッチング電源装置には、エラーアンプを用いて帰還電圧と基準電圧との差分に応じた誤差電圧を生成し、これを基準電圧に代えてメインコンパレータに入力するものがある。このような構成を採用することにより、帰還電圧と基準電圧が一致するように出力帰還制御を行うことができるので、スイッチング電源装置の出力特性(ラインレギュレーション特性やロードレギュレーション特性など)を向上することが可能となる。 By the way, some non-linear control type switching power supply devices use an error amplifier to generate an error voltage corresponding to a difference between a feedback voltage and a reference voltage, and input the error voltage to a main comparator instead of the reference voltage. By adopting such a configuration, output feedback control can be performed so that the feedback voltage matches the reference voltage, so that the output characteristics (line regulation characteristics, load regulation characteristics, etc.) of the switching power supply device are improved. Is possible.
しかしながら、上記の従来構成では、負荷への出力電流がほぼ0Aとなる超軽負荷状態(無負荷に近い状態)において、帰還電圧が基準電圧を上回っている限り、エラーアンプが誤差電圧を引き下げるように動作し続けるので、誤差電圧が0V(ないしはその近傍)まで低下してしまう。 However, in the above-described conventional configuration, the error amplifier reduces the error voltage as long as the feedback voltage exceeds the reference voltage in an ultra-light load state (a state close to no load) in which the output current to the load is approximately 0 A. Therefore, the error voltage decreases to 0 V (or in the vicinity thereof).
上記の超軽負荷状態から負荷の急変(出力電流の急増)が生じると、出力電圧が急低下して帰還電圧が基準電圧を下回るので、エラーアンプは、誤差電圧を引き下げる動作から引き上げる動作に切り替わる。しかしながら、エラーアンプの応答能力には限界があり、誤差電圧が本来の電圧値(過渡応答経過後の電圧値)に復帰するまでには相応の時間を要するので、その間に出力電圧が大きく低下してしまうという課題があった。 If a sudden load change (a sudden increase in output current) occurs from the above ultra-light load state, the output voltage drops rapidly and the feedback voltage falls below the reference voltage, so the error amplifier switches from reducing the error voltage to increasing it. . However, the response capacity of the error amplifier is limited, and it takes a certain amount of time for the error voltage to return to the original voltage value (the voltage value after the transient response has elapsed). There was a problem that it would end up.
なお、特許文献1には、帰還電圧と目標電圧との差分に応じて基準電圧のオフセット調整を行うエラーアンプ(オフセット調整部)が開示されているが、その出力信号はあくまでオフセット調整信号として用いられるものであり、基準電圧に代えてメインコンパレータに入力されるものではない。この点において、特許文献1のスイッチング電源装置は、上記の従来構成とも本発明に係るスイッチング電源装置とも異なっている。 Note that Patent Document 1 discloses an error amplifier (offset adjustment unit) that performs offset adjustment of a reference voltage according to a difference between a feedback voltage and a target voltage, but its output signal is used only as an offset adjustment signal. It is not input to the main comparator in place of the reference voltage. In this respect, the switching power supply device of Patent Document 1 is different from the above-described conventional configuration and the switching power supply device according to the present invention.
また、特許文献2のDC/DCコンバータは、そもそも、非線形制御方式ではなく、線形制御方式(電流モードのPWM[pulse width modulation]制御方式)であるという点において、上記の従来構成とも本発明に係るスイッチング電源装置とも異なっている。 In addition, the DC / DC converter of Patent Document 2 originally uses the linear control method (current mode PWM [pulse width modulation] control method) instead of the non-linear control method. It is also different from the switching power supply device.
本発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、負荷急変時の出力変動を抑制することのできるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems found by the inventors of the present application, an object of the present invention is to provide a switching power supply device that can suppress output fluctuations at the time of sudden load change.
上記目的を達成するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、帰還電圧と第1基準電圧との差分に応じた誤差電圧を生成するエラーアンプと、前記帰還電圧と前記誤差電圧とを比較して比較信号を生成するメインコンパレータと、前記比較信号に応じてパルス幅固定のオン時間設定信号を生成するオン時間設定部と、前記オン時間設定信号に応じてスイッチ素子のオン/オフ制御を行うことにより入力電圧から出力電圧を生成するドライバと、前記誤差電圧と第2基準電圧とを比較して下限検出信号を生成する誤差電圧監視部と、前記下限検出信号に応じて第1電圧と第2電圧のいずれか一方を前記第1基準電圧として選択出力する第1セレクタと、前記下限検出信号に応じて第3電圧と第4電圧のいずれか一方を前記第2基準電圧として選択出力する第2セレクタと、を有する構成(第1の構成)とされている。 In order to achieve the above object, a switching power supply according to the present invention compares an error amplifier that generates an error voltage according to a difference between a feedback voltage and a first reference voltage, and the feedback voltage and the error voltage. A main comparator that generates a comparison signal, an on-time setting unit that generates an on-time setting signal having a fixed pulse width according to the comparison signal, and on / off control of the switch element according to the on-time setting signal A driver that generates an output voltage from the input voltage, an error voltage monitoring unit that generates a lower limit detection signal by comparing the error voltage and the second reference voltage, and a first voltage and a first voltage according to the lower limit detection signal. A first selector that selectively outputs one of two voltages as the first reference voltage; and one of a third voltage and a fourth voltage that is selected as the second reference voltage according to the lower limit detection signal. Is a second selector for selectively outputting, a structure having a (first configuration) Te.
なお、上記第1の構成から成るスイッチング電源装置において、前記第2電圧は前記第1電圧よりも高く、前記第3電圧は前記第1電圧よりも低く、前記第4電圧は前記第3電圧よりもさらに低い構成(第2の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the first configuration, the second voltage is higher than the first voltage, the third voltage is lower than the first voltage, and the fourth voltage is higher than the third voltage. Also, a lower configuration (second configuration) is preferable.
また、上記第2の構成から成るスイッチング電源装置において、前記第1セレクタは、前記誤差電圧が前記第4電圧を下回ったときに前記第1基準電圧を前記第1電圧から前記第2電圧に引き上げる一方、前記誤差電圧が前記第3電圧を上回ったときに前記第1基準電圧を前記第2電圧から前記第1電圧に引き下げるように、前記下限検出信号に応じて前記第1電圧と前記第2電圧の選択出力を行い、前記第2セレクタは、前記誤差電圧が前記第4電圧を下回ったときに前記第2基準電圧を前記第4電圧から前記第3電圧に引き上げる一方、前記誤差電圧が前記第3電圧を上回ったときに前記第2基準電圧を前記第3電圧から前記第4電圧に引き下げるように、前記下限検出信号に応じて前記第3電圧と前記第4電圧の選択出力を行う構成(第3の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the second configuration, the first selector raises the first reference voltage from the first voltage to the second voltage when the error voltage falls below the fourth voltage. On the other hand, when the error voltage exceeds the third voltage, the first voltage and the second voltage are reduced according to the lower limit detection signal so as to lower the first reference voltage from the second voltage to the first voltage. The second selector raises the second reference voltage from the fourth voltage to the third voltage when the error voltage falls below the fourth voltage, while the error voltage A configuration for performing selective output of the third voltage and the fourth voltage according to the lower limit detection signal so as to lower the second reference voltage from the third voltage to the fourth voltage when the voltage exceeds a third voltage. ( Better to 3 configuration).
また、上記第3の構成から成るスイッチング電源装置において、前記エラーアンプは、その駆動電流の大きさが前記下限検出信号に応じて切り替えられる構成(第4の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the third configuration, the error amplifier may have a configuration (fourth configuration) in which the drive current is switched according to the lower limit detection signal.
また、上記第1〜第4いずれかの構成から成るスイッチング電源装置において、前記オン時間設定部は、その充放電によって鋸波電圧を生成するキャパシタと、前記入力電圧に応じて前記キャパシタの充電電流を生成する電圧/電流変換部と、前記キャパシタの充放電を切り替える充放電スイッチと、前記出力電圧に応じて閾値電圧を生成する電圧/電圧変換部と、前記鋸波電圧と前記閾値電圧を比較してリセット信号を生成するオンタイムコンパレータと、前記比較信号と前記リセット信号に応じて前記オン時間設定信号のセット/リセットを行うRSフリップフロップと、を含む構成(第5の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply device having any one of the first to fourth configurations, the on-time setting unit includes a capacitor that generates a sawtooth voltage by charging and discharging, and a charging current of the capacitor according to the input voltage. A voltage / current conversion unit for generating a voltage, a charge / discharge switch for switching charge / discharge of the capacitor, a voltage / voltage conversion unit for generating a threshold voltage according to the output voltage, and comparing the sawtooth voltage with the threshold voltage And an RS flip-flop that sets / resets the ON time setting signal according to the comparison signal and the reset signal (fifth configuration). .
また、上記第5の構成から成るスイッチング電源装置において、前記オン時間設定部は前記閾値電圧をオフセットさせるオフセット部を含む構成(第6の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the fifth configuration, the on-time setting unit may include a configuration (sixth configuration) including an offset unit that offsets the threshold voltage.
また、上記第6の構成から成るスイッチング電源装置において、前記オフセット部は、前記入力電圧に応じて前記閾値電圧のオフセット量を可変制御する構成(第7の構成)にするとよい。 In the switching power supply device having the sixth configuration, the offset unit may be configured to variably control the offset amount of the threshold voltage according to the input voltage (seventh configuration).
また、上記第7の構成から成るスイッチング電源装置において、前記電圧/電流変換部は、前記入力電圧に応じて前記キャパシタの充電電流とは別系統のオフセット調整電流を生成し、前記オフセット部は、前記オフセット調整電流に応じて前記閾値電圧のオフセット量を可変制御する構成(第8の構成)にするとよい。 Further, in the switching power supply device having the seventh configuration, the voltage / current conversion unit generates an offset adjustment current of a system different from the charging current of the capacitor according to the input voltage, and the offset unit includes: A configuration (eighth configuration) in which the offset amount of the threshold voltage is variably controlled according to the offset adjustment current may be employed.
また、上記第1〜第8いずれかの構成から成るスイッチング電源装置は、前記スイッチ素子への逆流電流を検出して逆流検出信号を生成する逆流検出部をさらに有し、前記ドライバは、前記逆流検出信号に応じて前記スイッチ素子を強制的にオフさせる構成(第9の構成)にするとよい。 In addition, the switching power supply device having any one of the first to eighth configurations further includes a backflow detection unit that detects a backflow current to the switch element and generates a backflow detection signal. The switch element may be forcibly turned off in accordance with the detection signal (ninth configuration).
また、上記第1〜第9いずれかの構成から成るスイッチング電源装置は、前記出力電圧を分圧して前記帰還電圧を生成する帰還電圧生成部をさらに有する構成(第10の構成)にするとよい。 Further, the switching power supply device having any one of the first to ninth configurations may have a configuration (tenth configuration) further including a feedback voltage generation unit that divides the output voltage to generate the feedback voltage.
また、上記第1〜第10いずれかの構成から成るスイッチング電源装置は、前記帰還電圧にリップル成分を注入するリップルインジェクション部をさらに有する構成(第11の構成)にするとよい。 Further, the switching power supply device having any one of the first to tenth configurations preferably has a configuration (eleventh configuration) further including a ripple injection unit for injecting a ripple component into the feedback voltage.
また、本発明に係る電子機器は、上記第1〜第11いずれかの構成から成るスイッチング電源装置を有する構成(第12の構成)とされている。 Moreover, the electronic apparatus according to the present invention has a switching power supply device (a twelfth configuration) having any one of the first to eleventh configurations.
本発明によれば、負荷急変時の出力変動を抑制することのできるスイッチング電源装置を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the switching power supply device which can suppress the output fluctuation | variation at the time of load sudden change.
<スイッチング電源装置(第1実施形態)>
図1は、スイッチング電源装置の第1実施形態を示すブロック図である。第1実施形態のスイッチング電源装置Aは、非線形制御方式(ここではボトム検出オン時間固定方式)により入力電圧INから出力電圧OUTを生成する降圧型DC/DCコンバータである。スイッチング電源装置Aは、半導体装置1と、半導体装置1に外付けされる種々のディスクリート部品(インダクタL1、キャパシタC1及びC2、並びに、抵抗R1及びR2)とを有する。
<Switching power supply device (first embodiment)>
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a switching power supply device. The switching power supply device A of the first embodiment is a step-down DC / DC converter that generates an output voltage OUT from an input voltage IN by a non-linear control method (here, a bottom detection on-time fixed method). The switching power supply device A includes the semiconductor device 1 and various discrete components (inductors L1, capacitors C1 and C2, and resistors R1 and R2) that are externally attached to the semiconductor device 1.
半導体装置1は、外部との電気的な接続を確立する手段として、外部端子T1〜T5を有する。半導体装置1の外部において、外部端子(電源端子)T1は、入力電圧INの印加端に接続されている。外部端子(スイッチ端子)T2は、インダクタL1の第1端に接続されている。外部端子T2には、トランジスタ11及び12のオン/オフに応じて矩形波状のスイッチ電圧SWが現れる。インダクタL1の第2端、キャパシタC1の第1端、及び、抵抗R1の第1端は、いずれも出力電圧OUTの印加端に接続されている。キャパシタC1の第2端は、接地端に接続されている。抵抗R1の第2端、及び、抵抗R2の第1端は、いずれも半導体装置1の外部端子(帰還端子)T4に接続されている。抵抗R2の第2端は、接地端に接続されている。抵抗R1及びR2は、互いの接続ノードから出力電圧OUTを分圧した帰還電圧FBを出力する帰還電圧生成部として機能する。半導体装置1の外部端子(接地端子)T3は、接地端に接続されている。半導体装置1の外部端子(エラーアンプ端子)T5は、キャパシタC2を介して接地端に接続されている。なお、キャパシタC2は、半導体装置1に内蔵することも可能である。その場合、外部端子T5は不要となる。 The semiconductor device 1 has external terminals T1 to T5 as means for establishing an electrical connection with the outside. Outside the semiconductor device 1, the external terminal (power supply terminal) T1 is connected to the application terminal of the input voltage IN. The external terminal (switch terminal) T2 is connected to the first end of the inductor L1. A rectangular wave switch voltage SW appears at the external terminal T2 in accordance with the on / off state of the transistors 11 and 12. The second end of the inductor L1, the first end of the capacitor C1, and the first end of the resistor R1 are all connected to the application terminal of the output voltage OUT. The second end of the capacitor C1 is connected to the ground end. The second end of the resistor R1 and the first end of the resistor R2 are both connected to the external terminal (feedback terminal) T4 of the semiconductor device 1. A second end of the resistor R2 is connected to the ground end. The resistors R1 and R2 function as a feedback voltage generation unit that outputs a feedback voltage FB obtained by dividing the output voltage OUT from each other connection node. The external terminal (ground terminal) T3 of the semiconductor device 1 is connected to the ground terminal. The external terminal (error amplifier terminal) T5 of the semiconductor device 1 is connected to the ground terminal via the capacitor C2. The capacitor C2 can also be built in the semiconductor device 1. In that case, the external terminal T5 becomes unnecessary.
半導体装置1は、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ11及び12と、エラーアンプ13と、メインコンパレータ14と、オン時間設定部15と、逆流検出部16と、ドライバ17と、リップルインジェクション部18と、誤差電圧監視部19と、セレクタ20及び21と、を集積化したモノリシック半導体集積回路装置(いわゆるスイッチング電源IC)である。 The semiconductor device 1 includes N-channel MOS field effect transistors 11 and 12, an error amplifier 13, a main comparator 14, an on-time setting unit 15, a backflow detection unit 16, a driver 17, a ripple injection unit 18, This is a monolithic semiconductor integrated circuit device (so-called switching power supply IC) in which an error voltage monitoring unit 19 and selectors 20 and 21 are integrated.
トランジスタ11は、外部端子T1と外部端子T2との間に接続され、ドライバ17から入力されるゲート信号G1に応じてオン/オフ制御されるスイッチ素子(出力トランジスタ)である。接続関係について具体的に述べると、トランジスタ11のドレインは、外部端子T1に接続されている。トランジスタ11のソースは、外部端子T2に接続されている。トランジスタ11のゲートは、ゲート信号G1の印加端に接続されている。 The transistor 11 is a switch element (output transistor) that is connected between the external terminal T1 and the external terminal T2 and is on / off controlled according to the gate signal G1 input from the driver 17. Specifically speaking, the drain of the transistor 11 is connected to the external terminal T1. The source of the transistor 11 is connected to the external terminal T2. The gate of the transistor 11 is connected to the application terminal of the gate signal G1.
トランジスタ12は、外部端子T2と外部端子T3との間に接続され、ドライバ17から入力されるゲート信号G2に応じてオン/オフ制御されるスイッチ素子(同期整流トランジスタ)である。接続関係について具体的に述べると、トランジスタ12のドレインは外部端子T2に接続されている。トランジスタ12のソースは、外部端子T3に接続されている。トランジスタ12のゲートは、ゲート信号G2の印加端に接続されている。整流素子としては、トランジスタ12に代えてダイオードを用いても構わない。 The transistor 12 is a switching element (synchronous rectification transistor) connected between the external terminal T2 and the external terminal T3 and controlled to be turned on / off according to the gate signal G2 input from the driver 17. Specifically speaking, the drain of the transistor 12 is connected to the external terminal T2. The source of the transistor 12 is connected to the external terminal T3. The gate of the transistor 12 is connected to the application terminal for the gate signal G2. As the rectifying element, a diode may be used instead of the transistor 12.
エラーアンプ13は、反転入力端(−)に印加されるリップル注入済みの帰還電圧FBと、非反転入力端(+)に印加される基準電圧REF1との差分に応じた誤差電圧ERRを生成する。帰還電圧FBが基準電圧REF1よりも低いときには、エラーアンプ13がキャパシタC2に向けて電流を流し込むので、誤差電圧ERRが上昇する。一方、帰還電圧FBが基準電圧REF1よりも高いときには、エラーアンプ13がキャパシタC2から電流を引き込むので、誤差電圧ERRが低下する。 The error amplifier 13 generates an error voltage ERR corresponding to the difference between the ripple injected feedback voltage FB applied to the inverting input terminal (−) and the reference voltage REF1 applied to the non-inverting input terminal (+). . When the feedback voltage FB is lower than the reference voltage REF1, since the error amplifier 13 flows current toward the capacitor C2, the error voltage ERR increases. On the other hand, when the feedback voltage FB is higher than the reference voltage REF1, since the error amplifier 13 draws a current from the capacitor C2, the error voltage ERR decreases.
メインコンパレータ14は、反転入力端(−)に印加されるリップル注入済みの帰還電圧FB(出力電圧OUTの分圧電圧)と、非反転入力端(+)に印加される誤差電圧ERRとを比較して比較信号S1を生成する。帰還電圧FBが誤差電圧ERRよりも高ければ比較信号S1はローレベルとなり、帰還電圧FBが誤差電圧ERRよりも低ければ比較信号S1はハイレベルとなる。 The main comparator 14 compares the ripple injected feedback voltage FB (divided voltage of the output voltage OUT) applied to the inverting input terminal (−) and the error voltage ERR applied to the non-inverting input terminal (+). Thus, the comparison signal S1 is generated. When the feedback voltage FB is higher than the error voltage ERR, the comparison signal S1 is at a low level, and when the feedback voltage FB is lower than the error voltage ERR, the comparison signal S1 is at a high level.
オン時間設定部15は、比較信号S1に応じてパルス幅固定のオン時間設定信号S2を生成する。オン時間設定信号S2は、比較信号S1がハイレベルに立ち上がった時点でハイレベルに立ち上がり、その後、オン時間Tonが経過した時点でローレベルに立ち下がる。なお、オン時間設定部15の構成及び動作については、後ほど詳細に説明する。 The on-time setting unit 15 generates an on-time setting signal S2 having a fixed pulse width according to the comparison signal S1. The on-time setting signal S2 rises to a high level when the comparison signal S1 rises to a high level, and then falls to a low level when the on-time Ton elapses. The configuration and operation of the on-time setting unit 15 will be described in detail later.
逆流検出部16は、トランジスタ12のオン期間中にスイッチ電圧SWと接地電圧GNDとを比較することにより、トランジスタ12への逆流電流を検出して逆流検出信号S3を生成する。逆流検出信号S3は、スイッチ電圧SWが接地電圧GNDよりも低いときにローレベルとなり、スイッチ電圧SWが接地電圧GNDよりも高いときにハイレベルとなる。つまり、逆流検出信号S3は、インダクタ電流ILが接地端からトランジスタ12を介してインダクタL1に流れているときにローレベルとなり、インダクタ電流ILがインダクタL1からトランジスタ12を介して接地端に逆流したときにハイレベルとなる。 The backflow detection unit 16 compares the switch voltage SW and the ground voltage GND while the transistor 12 is on, thereby detecting a backflow current to the transistor 12 and generating a backflow detection signal S3. The backflow detection signal S3 is at a low level when the switch voltage SW is lower than the ground voltage GND, and is at a high level when the switch voltage SW is higher than the ground voltage GND. That is, the backflow detection signal S3 becomes low level when the inductor current IL flows from the ground end to the inductor L1 via the transistor 12, and when the inductor current IL flows back from the inductor L1 to the ground end via the transistor 12. High level.
ドライバ17は、オン時間設定信号S2に応じてゲート信号G1及びG2を生成し、トランジスタ11及び12の相補的(排他的)なオン/オフ制御を行うことで、入力電圧INから出力電圧OUTを生成する。なお、本明細書中で用いられる「相補的(排他的)」という文言は、トランジスタ11及び12のオン/オフ状態が完全に逆転している場合のほか、貫通電流防止の観点からトランジスタ11及び12のオン/オフ遷移タイミングに所定の遅延が与えられている場合(同時オフ期間が設けられている場合)も含む。また、ドライバ17は、逆流検出信号S3がハイレベルとなった時点(トランジスタ12への逆流電流が検出された時点)でトランジスタ12を強制的にオフさせる機能(スイッチング停止機能)を備えている。このような機能を備えることにより、トランジスタ12への逆流電流を遮断して、軽負荷時の効率を向上することが可能となる。 The driver 17 generates the gate signals G1 and G2 in response to the on-time setting signal S2, and performs complementary (exclusive) on / off control of the transistors 11 and 12, thereby changing the output voltage OUT from the input voltage IN. Generate. Note that the term “complementary (exclusive)” used in this specification refers to the transistors 11 and 12 from the viewpoint of preventing through current, in addition to the case where the on / off states of the transistors 11 and 12 are completely reversed. This includes a case where a predetermined delay is given to the 12 on / off transition timings (when a simultaneous off period is provided). The driver 17 also has a function (switching stop function) that forcibly turns off the transistor 12 when the backflow detection signal S3 becomes a high level (when a backflow current to the transistor 12 is detected). By providing such a function, it becomes possible to cut off the backflow current to the transistor 12 and improve the efficiency at light load.
リップルインジェクション部18は、ゲート信号G1やスイッチ電圧SWを用いて生成したリップル成分を外部端子T4から入力される帰還電圧FBに注入する。このようなリップルインジェクション技術を導入すれば、出力電圧OUT(延いては帰還電圧FB)のリップル成分がそれほど大きくなくても、安定したスイッチング制御を行うことができるので、キャパシタC1としてESR[equivalent series resistance]の小さい素子(積層セラミックキャパシタなど)を用いることが可能となる。 The ripple injection unit 18 injects a ripple component generated using the gate signal G1 and the switch voltage SW into the feedback voltage FB input from the external terminal T4. If such a ripple injection technique is introduced, stable switching control can be performed even if the ripple component of the output voltage OUT (and thus the feedback voltage FB) is not so large. Therefore, as the capacitor C1, ESR [equivalent series It is possible to use an element (such as a multilayer ceramic capacitor) having a low resistance].
誤差電圧監視部19は、反転入力端(−)に印加される誤差電圧ERRと、非反転入力端(+)に印加される基準電圧REF2とを比較して下限検出信号DETを生成するコンパレータである。誤差電圧ERRが基準電圧REF2よりも高ければ下限検出信号SDETはローレベルとなり、誤差電圧ERRが基準電圧REF2よりも低ければ下限検出信号DETはハイレベルとなる。 The error voltage monitoring unit 19 is a comparator that compares the error voltage ERR applied to the inverting input terminal (−) with the reference voltage REF2 applied to the non-inverting input terminal (+) to generate the lower limit detection signal DET. is there. When the error voltage ERR is higher than the reference voltage REF2, the lower limit detection signal SDET is at a low level, and when the error voltage ERR is lower than the reference voltage REF2, the lower limit detection signal DET is at a high level.
セレクタ20は、下限検出信号DETに応じて第1電圧REFaと第2電圧REFbのいずれか一方を基準電圧REF1として選択出力する。より具体的に述べると、セレクタ20は、下限検出信号DETがローレベルであるときに第1電圧REFaを基準電圧REF1として選択出力し、下限検出信号DETがハイレベルであるときに第2電圧REFbを基準電圧REF1として選択出力する。なお、第1電圧REFaは、通常時における帰還電圧FBの目標値に相当する。第2電圧REFbは、誤差電圧ERRの強制上昇時における帰還電圧FBの名目上の目標値に相当し、第1電圧REFaよりも高い電圧値(例えばREFb=REFa×1.05)に設定されている。 The selector 20 selectively outputs one of the first voltage REFa and the second voltage REFb as the reference voltage REF1 according to the lower limit detection signal DET. More specifically, the selector 20 selectively outputs the first voltage REFa as the reference voltage REF1 when the lower limit detection signal DET is at a low level, and the second voltage REFb when the lower limit detection signal DET is at a high level. Is selectively output as a reference voltage REF1. Note that the first voltage REFa corresponds to a target value of the feedback voltage FB at the normal time. The second voltage REFb corresponds to a nominal target value of the feedback voltage FB when the error voltage ERR is forcibly increased, and is set to a voltage value higher than the first voltage REFa (for example, REFb = REFa × 1.05). Yes.
セレクタ21は、下限検出信号DETに応じて第3電圧REFcと第4電圧REFdのいずれか一方を基準電圧REF2として選択出力する。より具体的に述べると、セレクタ21は、下限検出信号DETがローレベルであるときに第4電圧REFdを基準電圧REF2として選択出力し、下限検出信号DETがハイレベルであるときに第3電圧REFcを基準電圧REF2として選択出力する。なお、第3電圧REFcは、誤差電圧ERRの強制上昇解除レベルに相当し、第1電圧REFaよりも低い電圧値(例えばREFc=REFa×0.97)に設定されている。第4電圧REFdは、誤差電圧ERRの強制上昇開始レベル(誤差電圧ERRの下限値)に相当し、第3電圧REFcよりもさらに低い電圧値(例えばREFd=REFa×0.95)に設定されている。 The selector 21 selectively outputs one of the third voltage REFc and the fourth voltage REFd as the reference voltage REF2 according to the lower limit detection signal DET. More specifically, the selector 21 selectively outputs the fourth voltage REFd as the reference voltage REF2 when the lower limit detection signal DET is at a low level, and the third voltage REFc when the lower limit detection signal DET is at a high level. Is selectively output as the reference voltage REF2. Note that the third voltage REFc corresponds to a forced rise release level of the error voltage ERR, and is set to a voltage value lower than the first voltage REFa (for example, REFc = REFa × 0.97). The fourth voltage REFd corresponds to the forcibly rising start level of the error voltage ERR (lower limit value of the error voltage ERR), and is set to a voltage value lower than the third voltage REFc (for example, REFd = REFa × 0.95). Yes.
なお、上記の各電圧REFa〜REFdとしては、入力電圧INや周囲温度の変動に依存しない一定電圧(バンドギャップ電圧など)を用いることが望ましい。 As each of the voltages REFa to REFd, it is desirable to use a constant voltage (such as a band gap voltage) that does not depend on fluctuations in the input voltage IN or the ambient temperature.
図2は、重負荷時(連続モード時)におけるスイッチング動作の一例を示すタイミングチャートであり、上から順番に、出力電圧OUT、スイッチ電圧SW、インダクタ電流IL、帰還電圧FB、誤差電圧ERR、比較信号S1、オン時間設定信号S2、逆流検出信号S3、ゲート信号G1及びG2、並びに、下限検出信号DETが描写されている。 FIG. 2 is a timing chart showing an example of switching operation under heavy load (continuous mode), and in order from the top, the output voltage OUT, the switch voltage SW, the inductor current IL, the feedback voltage FB, the error voltage ERR, and the comparison The signal S1, the on time setting signal S2, the backflow detection signal S3, the gate signals G1 and G2, and the lower limit detection signal DET are depicted.
時刻t11において、帰還電圧FBが誤差電圧ERRを下回り、比較信号S1がハイレベルに立ち上がると、オン時間設定信号S2がハイレベルに立ち上がる。その後、オン時間設定信号S2は、所定のオン時間Tonが経過するまでハイレベルに維持される。 At time t11, when the feedback voltage FB falls below the error voltage ERR and the comparison signal S1 rises to a high level, the on-time setting signal S2 rises to a high level. Thereafter, the on-time setting signal S2 is maintained at a high level until a predetermined on-time Ton elapses.
時刻t11〜t12(オン時間設定信号S2のハイレベル期間)では、ゲート信号G1がハイレベルとなり、ゲート信号G2がローレベルとなるので、トランジスタ11がオンとなり、トランジスタ12がオフとなる。従って、時刻t11〜t12では、スイッチ電圧SWがほぼ入力電圧INまで上昇し、インダクタ電流ILが増大していく。 From time t11 to t12 (high level period of the on-time setting signal S2), the gate signal G1 becomes high level and the gate signal G2 becomes low level, so that the transistor 11 is turned on and the transistor 12 is turned off. Accordingly, at times t11 to t12, the switch voltage SW rises substantially to the input voltage IN, and the inductor current IL increases.
時刻t12において、ゲート信号G1がローレベルに立ち下げられ、ゲート信号G2がハイレベルに立ち上げられると、トランジスタ11がオフとなり、トランジスタ12がオンとなる。従って、スイッチ電圧SWはほぼ接地電圧GNDまで低下し、インダクタ電流ILは減少に転じる。 At time t12, when the gate signal G1 falls to the low level and the gate signal G2 rises to the high level, the transistor 11 is turned off and the transistor 12 is turned on. Therefore, the switch voltage SW decreases to almost the ground voltage GND, and the inductor current IL starts to decrease.
ここで、負荷に流れる出力電流Ioが十分に大きければ、ゲート信号G1が再びハイレベルに立ち上げられる時刻t13まで、インダクタ電流ILはゼロ値を下回ることなく負荷に向けて流れ続ける。従って、トランジスタ12への逆流電流は発生しないので、逆流検出信号S3がハイレベルに立ち上がることはない。 Here, if the output current Io flowing through the load is sufficiently large, the inductor current IL continues to flow toward the load without falling below the zero value until time t13 when the gate signal G1 rises to the high level again. Therefore, no backflow current is generated in the transistor 12, so that the backflow detection signal S3 does not rise to a high level.
その後、時刻t13において、帰還電圧FBが再び誤差電圧ERRを下回ると、比較信号S1がハイレベルに立ち上がり、上記と同様のスイッチング動作が繰り返される。 Thereafter, when the feedback voltage FB again falls below the error voltage ERR at time t13, the comparison signal S1 rises to a high level, and the same switching operation as described above is repeated.
なお、図2の重負荷時には、誤差電圧ERRが第4電圧REFdまで低下しないので、下限検出信号DETはローレベルに維持されている。 2, the error voltage ERR does not decrease to the fourth voltage REFd, so the lower limit detection signal DET is maintained at a low level.
図3は、軽負荷時(不連続モード時)におけるスイッチング動作の一例を示すタイミングチャートであり、上から順番に、出力電圧OUT、スイッチ電圧SW、インダクタ電流IL、帰還電圧FB、誤差電圧ERR、比較信号S1、オン時間設定信号S2、逆流検出信号S3、ゲート信号G1及びG2、並びに、下限検出信号DETが描写されている。 FIG. 3 is a timing chart showing an example of the switching operation at the time of light load (discontinuous mode). From the top, the output voltage OUT, the switch voltage SW, the inductor current IL, the feedback voltage FB, the error voltage ERR, The comparison signal S1, the on time setting signal S2, the backflow detection signal S3, the gate signals G1 and G2, and the lower limit detection signal DET are depicted.
トランジスタ11のオン期間(t21〜t22)が経過した後、時刻t22において、ゲート信号G1がローレベルに立ち下げられ、ゲート信号G2がハイレベルに立ち上げられると、トランジスタ11がオフとなり、トランジスタ12がオンとなる。従って、スイッチ電圧SWはほぼ接地電圧GNDまで低下し、インダクタ電流ILは減少に転じる。 After the ON period (t21 to t22) of the transistor 11 elapses, at time t22, when the gate signal G1 is lowered to a low level and the gate signal G2 is raised to a high level, the transistor 11 is turned off, and the transistor 12 Is turned on. Therefore, the switch voltage SW decreases to almost the ground voltage GND, and the inductor current IL starts to decrease.
ここで、負荷に流れる出力電流Ioが十分に大きければ、ゲート信号G1が再びハイレベルに立ち上げられる時刻t24まで、コイル電流ILはゼロ値を下回ることなく負荷に向けて流れ続ける。一方、負荷に流れる出力電流Ioが小さい軽負荷時には、インダクタL1に蓄えられているエネルギが少ないので、時刻t23において、インダクタ電流ILがゼロ値を下回り、トランジスタ12への逆流電流が発生する。このような状態では電荷を接地端に捨てていることになるので、軽負荷時における効率低下の原因となる。 Here, if the output current Io flowing through the load is sufficiently large, the coil current IL continues to flow toward the load without falling below the zero value until time t24 when the gate signal G1 rises to the high level again. On the other hand, when the output current Io flowing through the load is small and the load is light, the energy stored in the inductor L1 is small. Therefore, at time t23, the inductor current IL falls below the zero value, and a backflow current to the transistor 12 is generated. In such a state, the electric charge is thrown away to the ground terminal, which causes a reduction in efficiency at light load.
そこで、スイッチング電源装置Aは、逆流電流検出部16を用いてトランジスタ12への逆流電流を検出し、逆流検出信号S3がハイレベルに立ち上がる時刻t23でトランジスタ12を強制的にオフする構成とされている。このような構成とすることにより、軽負荷時における効率低下を解消することが可能となる。 Therefore, the switching power supply device A is configured to detect the backflow current to the transistor 12 using the backflow current detection unit 16 and forcibly turn off the transistor 12 at time t23 when the backflow detection signal S3 rises to a high level. Yes. By adopting such a configuration, it is possible to eliminate a decrease in efficiency at a light load.
なお、負荷に流れる出力電流Ioが小さくなるほど、トランジスタ11のオフ期間に出力電圧OUTが低下しにくくなるので、帰還電圧FBが基準電圧REF1(=REFa)を上回っている期間が長くなり、誤差電圧ERRの低下量が大きくなる。ただし、図3の例では、誤差電圧ERRが第4電圧REFdを下回る前に上昇に転じているので、下限検出信号DETはローレベルに維持されている。 Note that, as the output current Io flowing through the load decreases, the output voltage OUT is less likely to decrease during the off-period of the transistor 11, so that the period during which the feedback voltage FB exceeds the reference voltage REF1 (= REFa) increases. The amount of decrease in ERR increases. However, in the example of FIG. 3, since the error voltage ERR starts to rise before falling below the fourth voltage REFd, the lower limit detection signal DET is maintained at a low level.
その後、時刻t24において、帰還電圧FBが再び誤差電圧ERRを下回ると、比較信号S1がハイレベルに立ち上がり、上記と同様のスイッチング動作が繰り返される。 Thereafter, when the feedback voltage FB again falls below the error voltage ERR at time t24, the comparison signal S1 rises to a high level, and the same switching operation as described above is repeated.
図4は、超軽負荷時(不連続モード時)におけるスイッチング動作の一例を示すタイミングチャートであり、上から順番に、出力電圧OUT、スイッチ電圧SW、インダクタ電流IL、帰還電圧FB、誤差電圧ERR、比較信号S1、オン時間設定信号S2、逆流検出信号S3、ゲート信号G1及びG2、並びに、下限検出信号DETが描写されている。 FIG. 4 is a timing chart showing an example of the switching operation at the time of an ultra light load (in the discontinuous mode). In order from the top, the output voltage OUT, the switch voltage SW, the inductor current IL, the feedback voltage FB, and the error voltage ERR. The comparison signal S1, the ON time setting signal S2, the backflow detection signal S3, the gate signals G1 and G2, and the lower limit detection signal DET are depicted.
負荷への出力電流Ioがほぼ0Aとなる超軽負荷状態(無負荷に近い状態)では、トランジスタ11ないし12がオフされて以降、出力電圧OUTがほとんど低下しない状態となる。このとき、エラーアンプ13は、帰還電圧FBが基準電圧REF1(=REFa)を上回っている限り、誤差電圧ERRを引き下げるように動作し続けるので、そのままでは誤差電圧ERRが0V(ないしはその近傍)まで低下してしまう。 In an ultralight load state (a state close to no load) in which the output current Io to the load is almost 0 A, the output voltage OUT hardly decreases after the transistors 11 to 12 are turned off. At this time, as long as the feedback voltage FB exceeds the reference voltage REF1 (= REFa), the error amplifier 13 continues to operate so as to reduce the error voltage ERR, so that the error voltage ERR remains at 0 V (or in the vicinity) as it is. It will decline.
そこで、第1実施形態のスイッチング電源装置Aは、誤差電圧ERRを監視して下限検出信号DETを生成する誤差電圧監視部19と、下限検出信号DETに応じて基準電圧REF1及びREF2を切り替えるセレクタ20及び21を用いて、誤差電圧ERRの下限値を制限する構成とされている。以下、図4の例に即しつつ、図5も適宜参照しながら具体的に説明する。 Therefore, the switching power supply device A according to the first embodiment includes an error voltage monitoring unit 19 that monitors the error voltage ERR and generates a lower limit detection signal DET, and a selector 20 that switches the reference voltages REF1 and REF2 according to the lower limit detection signal DET. And 21 are used to limit the lower limit value of the error voltage ERR. Hereinafter, a specific description will be given with reference to FIG.
時刻t31〜t33を経てトランジスタ11及び12がオフされた後、時刻t34において、誤差電圧ERRが第4電圧REFdを下回り、下限検出信号DETがハイレベルに立ち上がると、基準電圧REF1が電圧REFaから電圧REFbに引き上げられると共に、基準電圧REF2が第4電圧REFdから第3電圧REFcに引き上げられる。基準電圧REF1の引き上げにより、帰還電圧FBが基準電圧REF1(=REFb)を下回る状態になると、誤差電圧ERRが上昇に転ずる。 After the transistors 11 and 12 are turned off after time t31 to t33, when the error voltage ERR falls below the fourth voltage REFd and the lower limit detection signal DET rises to a high level at time t34, the reference voltage REF1 is changed from the voltage REFa to the voltage REFa. While being raised to REFb, the reference voltage REF2 is raised from the fourth voltage REFd to the third voltage REFc. When the feedback voltage FB falls below the reference voltage REF1 (= REFb) by raising the reference voltage REF1, the error voltage ERR starts to rise.
その後、時刻t35において、誤差電圧ERRが第3電圧REFcを上回り、下限検出信号DETがローレベルに立ち下がると、基準電圧REF1が電圧REFbから電圧REFaに引き下げられると共に、基準電圧REF2が第3電圧REFcから第4電圧REFdに引き下げられる。 Thereafter, at time t35, when the error voltage ERR exceeds the third voltage REFc and the lower limit detection signal DET falls to the low level, the reference voltage REF1 is lowered from the voltage REFb to the voltage REFa, and the reference voltage REF2 is changed to the third voltage. The voltage is reduced from REFc to the fourth voltage REFd.
なお、下限検出信号DETがローレベルに立ち下がった時点で、帰還電圧FBが基準電圧REF1(=REFa)を上回っていれば、誤差電圧ERRは再び下降に転じるが、帰還電圧FBが基準電圧REF1(=REFa)を下回っていれば、誤差電圧ERRはそのまま上昇し続ける(時刻t35と時刻t37を比較参照)。 If the feedback voltage FB exceeds the reference voltage REF1 (= REFa) at the time when the lower limit detection signal DET falls to the low level, the error voltage ERR starts to decrease again, but the feedback voltage FB changes to the reference voltage REF1. If it is lower than (= REFa), the error voltage ERR continues to rise as it is (see comparison between time t35 and time t37).
その後、時刻t38において、帰還電圧FBが再び誤差電圧ERRを下回ると、比較信号S1がハイレベルに立ち上がり、上記と同様のスイッチング動作が繰り返される。 Thereafter, when the feedback voltage FB again falls below the error voltage ERR at time t38, the comparison signal S1 rises to a high level, and the same switching operation as described above is repeated.
図5は、負荷急変時(超軽負荷状態から重負荷状態への移行時)における過渡応答の一例を示すタイミングチャートであり、上から順に、出力電圧OUT、帰還電圧FB、誤差電圧ERR、下限検出信号DET、及び、出力電流Ioが描写されている。 FIG. 5 is a timing chart showing an example of a transient response at the time of sudden load change (at the time of transition from an ultralight load state to a heavy load state). From the top, the output voltage OUT, the feedback voltage FB, the error voltage ERR, and the lower limit are shown. The detection signal DET and the output current Io are depicted.
先にも述べたように、第1実施形態のスイッチング電源装置Aでは、誤差電圧監視部19とセレクタ20及び21を用いて、超軽負荷状態における誤差電圧ERRの下限値が制限されている。このような構成とすることにより、時刻txにおいて、出力電流Ioが急激に大きくなった場合であっても、誤差電圧ERRがこれに追従して素早く通常の制御レベル(=REFa)に復帰する。従って、誤差電圧ERRの下限値を制限しない構成(図中の破線を参照)と比べて、負荷急変に対する応答性が高まるので、出力電圧OUTの変動を小さく抑えることが可能となる。 As described above, in the switching power supply device A of the first embodiment, the lower limit value of the error voltage ERR in the ultralight load state is limited by using the error voltage monitoring unit 19 and the selectors 20 and 21. With such a configuration, even when the output current Io suddenly increases at the time tx, the error voltage ERR follows this and quickly returns to the normal control level (= REFa). Therefore, compared with a configuration in which the lower limit value of the error voltage ERR is not limited (see the broken line in the figure), the response to a sudden load change is enhanced, so that fluctuations in the output voltage OUT can be suppressed to a small level.
なお、エラーアンプ13は、その駆動電流の大きさが下限検出信号DETに応じて切り替えられる構成にしておくとよい。より具体的に述べると、下限検出信号DETのハイレベル期間にエラーアンプ13の駆動電流をブーストし、その電流出力能力を一時的に高める構成とすれば、下限検出信号DETのハイレベル期間にのみ、誤差電圧ERRを通常時よりも速く立ち上げることができるようになるので、負荷急変に対する応答性をさらに向上することが可能となる。エラーアンプ13の駆動電流を定常的に高めてしまうと、スイッチング電源装置Aの自己消費電流が増大するほか、出力帰還ループの位相余裕が小さくなって発振しやすくなる。一方、下限検出信号DETのハイレベル期間に限り、エラーアンプ13の駆動電流を高める構成であれば、上記の問題を生じることなく、負荷急変に対する応答性を向上することができる。 The error amplifier 13 may be configured such that the magnitude of the drive current can be switched according to the lower limit detection signal DET. More specifically, if the drive current of the error amplifier 13 is boosted during the high level period of the lower limit detection signal DET and the current output capability thereof is temporarily increased, only during the high level period of the lower limit detection signal DET. Since the error voltage ERR can be raised faster than usual, the responsiveness to a sudden load change can be further improved. If the drive current of the error amplifier 13 is steadily increased, the self-consumption current of the switching power supply device A is increased, and the phase margin of the output feedback loop is reduced, and oscillation is likely to occur. On the other hand, if the drive current of the error amplifier 13 is increased only during the high level period of the lower limit detection signal DET, the responsiveness to a sudden load change can be improved without causing the above problem.
また、第1実施形態のスイッチング電源装置Aであれば、後述する第2実施形態と異なり、エラーアンプ13のバッファ処理(エラーアンプ13をバッファとして用いるように信号入力経路を切り替える処理)を行わないので、バッファ処理の前後(不連続モードと連続モードとの切替前後)で意図しない出力変動を生じることがない。 Further, in the switching power supply device A of the first embodiment, unlike the second embodiment to be described later, buffer processing of the error amplifier 13 (processing for switching the signal input path so as to use the error amplifier 13 as a buffer) is not performed. Therefore, unintended output fluctuations do not occur before and after buffer processing (before and after switching between the discontinuous mode and the continuous mode).
また、第1実施形態のスイッチング電源装置Aであれば、後述する第3実施形態と異なり、クランパを用いて誤差電圧ERRを強制的に吊り上げる構成ではないので、エラーアンプ13がキャパシタC2から電流を最大限まで引き抜こうとしている状態にならない。従って、第3実施形態よりも迅速に誤差電圧ERRを通常の制御レベル(=REFa)まで復帰させることができる。 In addition, unlike the third embodiment described later, the switching power supply device A of the first embodiment is not configured to forcibly raise the error voltage ERR using a clamper, so that the error amplifier 13 draws a current from the capacitor C2. It will not be in the state of trying to pull out to the maximum. Therefore, the error voltage ERR can be returned to the normal control level (= REFa) more quickly than in the third embodiment.
<スイッチング電源装置(第2実施形態)>
図6は、スイッチング電源装置の第2実施形態を示すブロック図である。第2実施形態は、基本的に第1実施形態と同様の構成であり、誤差電圧監視部19とセレクタ20及び21に代えて、セレクタ22を設けた点に特徴を有する。そこで、第1実施形態と同様の構成要素については、図1と同一の符号を付すことで重複した説明を割愛し、以下では、第2実施形態の特徴部分についてのみ、重点的な説明を行う。
<Switching power supply device (second embodiment)>
FIG. 6 is a block diagram showing a second embodiment of the switching power supply device. The second embodiment has basically the same configuration as that of the first embodiment, and is characterized in that a selector 22 is provided instead of the error voltage monitoring unit 19 and the selectors 20 and 21. Therefore, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1, and redundant descriptions are omitted. In the following, only the characteristic portions of the second embodiment will be described. .
セレクタ22は、連続モード時にはエラーアンプ13の反転入力端(−)をリップルインジェクション部18の出力端に接続する一方、不連続モード時にはエラーアンプ13の反転入力端(−)をエラーアンプ13の出力端に接続する。すなわち、不連続モード時には、エラーアンプ13のバッファ処理(エラーアンプ13をバッファとして用いるように信号入力経路を切り替える処理)が行われる。 The selector 22 connects the inverting input terminal (−) of the error amplifier 13 to the output terminal of the ripple injection unit 18 in the continuous mode, while the inverting input terminal (−) of the error amplifier 13 outputs the error amplifier 13 in the discontinuous mode. Connect to the end. That is, in the discontinuous mode, buffer processing of the error amplifier 13 (processing for switching the signal input path so that the error amplifier 13 is used as a buffer) is performed.
図7は、第2実施形態における出力挙動の一例を示すタイミングチャートであり、上から順に、出力電圧OUT、誤差電圧ERR、及び、出力電流Ioが描写されている。 FIG. 7 is a timing chart showing an example of output behavior in the second embodiment, in which an output voltage OUT, an error voltage ERR, and an output current Io are depicted in order from the top.
出力電流Ioが閾値電流Ithよりも小さい不連続モード時(時刻ty以前)には、エラーアンプ13がバッファとして機能するので、誤差電圧ERRが基準電圧REFに固定される。従って、不連続モード時に誤差電圧ERRが不必要に下がり過ぎることはないので、超軽負荷状態から負荷が急に重くなった場合であっても、誤差電圧ERRを遅滞なく応答させて、出力電圧OUTの変動を抑えることが可能となる。 In the discontinuous mode in which the output current Io is smaller than the threshold current Ith (before time ty), the error amplifier 13 functions as a buffer, so that the error voltage ERR is fixed to the reference voltage REF. Accordingly, since the error voltage ERR does not unnecessarily decrease excessively in the discontinuous mode, the error voltage ERR is made to respond without delay even when the load suddenly increases from an ultra-light load state, and the output voltage It is possible to suppress fluctuations in OUT.
ただし、第2実施形態のスイッチング電源装置Aでは、バッファ処理の前後(不連続モードと連続モードとの切替前後)で、エラーアンプ13の出力制御レベル(反転入力端への信号レベル)が変化するので、急峻な負荷変動が生じていない場合であっても、出力電圧OUTに意図しない過渡変動が発生する。 However, in the switching power supply device A of the second embodiment, the output control level (signal level to the inverting input terminal) of the error amplifier 13 changes before and after buffer processing (before and after switching between the discontinuous mode and the continuous mode). Therefore, even if a steep load fluctuation does not occur, an unintended transient fluctuation occurs in the output voltage OUT.
<スイッチング電源装置(第3実施形態)>
図8は、スイッチング電源装置の第3実施形態を示すブロック図である。第3実施形態は、基本的に第1実施形態と同様の構成であり、誤差電圧監視部19とセレクタ20及び21に代えて、クランパ23を設けた点に特徴を有する。そこで、第1実施形態と同様の構成要素については、図1と同一の符号を付すことで重複した説明を割愛し、以下では、第3実施形態の特徴部分についてのみ、重点的な説明を行う。
<Switching Power Supply Device (Third Embodiment)>
FIG. 8 is a block diagram showing a third embodiment of the switching power supply device. The third embodiment has basically the same configuration as that of the first embodiment, and is characterized in that a clamper 23 is provided in place of the error voltage monitoring unit 19 and the selectors 20 and 21. Therefore, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1, and redundant descriptions are omitted. In the following, only the characteristic parts of the third embodiment will be described. .
クランパ23は、誤差電圧ERRがクランプ電圧Vclampを下回らないように、誤差電圧ERRを強制的に吊り上げるための素子ないしは回路である。 The clamper 23 is an element or a circuit for forcibly raising the error voltage ERR so that the error voltage ERR does not fall below the clamp voltage Vclamp.
図9は、第3実施形態における出力挙動の一例を示すタイミングチャートであり、上から順に、出力電圧OUT、帰還電圧FB、誤差電圧ERR、及び、出力電流Ioが描写されている。 FIG. 9 is a timing chart showing an example of the output behavior in the third embodiment, in which the output voltage OUT, the feedback voltage FB, the error voltage ERR, and the output current Io are depicted in order from the top.
第3実施形態のスイッチング電源装置Aでは、クランパ23を用いて超軽負荷状態における誤差電圧ERRの下限値が制限される。このような構成とすることにより、時刻tzにおいて、出力電流Ioが急激に大きくなった場合であっても、誤差電圧ERRの下限値を制限しない構成(図中の破線を参照)と比べて、誤差電圧ERRをより速く通常の制御レベル(=REFa)に復帰させることが可能となる。 In the switching power supply device A of the third embodiment, the lower limit value of the error voltage ERR in the ultra light load state is limited using the clamper 23. By adopting such a configuration, even when the output current Io suddenly increases at time tz, compared to a configuration that does not limit the lower limit value of the error voltage ERR (see the broken line in the figure), The error voltage ERR can be returned to the normal control level (= REFa) more quickly.
ただし、第3実施形態のスイッチング電源装置Aでは、時刻tzにおいて、エラーアンプ13がキャパシタC2から電流を最大限まで引き抜こうとしている状態となっているので、先出の第1実施形態と比べると、誤差電圧ERRの復帰に時間を要する。 However, in the switching power supply device A of the third embodiment, since the error amplifier 13 is trying to draw the current from the capacitor C2 to the maximum at the time tz, compared with the previous first embodiment. It takes time to recover the error voltage ERR.
<オン時間設定部>
図10は、オン時間設定部15の第1構成例を示すブロック図である。第1構成例のオン時間設定部15は、RSフリップフロップ151と、電圧/電流変換部152と、キャパシタ153と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ154と、電圧/電圧変換部155と、オンタイムコンパレータ156と、を含む。
<On time setting section>
FIG. 10 is a block diagram illustrating a first configuration example of the on-time setting unit 15. The on-time setting unit 15 of the first configuration example includes an RS flip-flop 151, a voltage / current conversion unit 152, a capacitor 153, an N-channel MOS field effect transistor 154, a voltage / voltage conversion unit 155, an on-time A comparator 156.
RSフリップフロップ151は、セット信号S(比較信号S1)の立上がりエッジで出力信号Q(オン時間設定信号S2)をハイレベルにセットし、リセット信号Rの立上がりエッジで出力信号Qをローレベルにリセットする。また、RSフリップフロップ151は出力信号Qを出力すると共に、これを論理反転させた反転出力信号QBも出力する。 The RS flip-flop 151 sets the output signal Q (ON time setting signal S2) to the high level at the rising edge of the set signal S (comparison signal S1), and resets the output signal Q to the low level at the rising edge of the reset signal R. To do. The RS flip-flop 151 outputs an output signal Q and also outputs an inverted output signal QB obtained by logically inverting the output signal Q.
電圧/電流変換部152は、入力電圧INを電圧/電流変換することにより、キャパシタ153の充電電流Iaを生成する。充電電流Iaの電流値は、入力電圧INの電圧値に応じて変動する。具体的には、入力電圧INが高いほど充電電流Iaは大きくなり、入力電圧INが低いほど充電電流Iaは小さくなる。 The voltage / current conversion unit 152 generates a charging current Ia for the capacitor 153 by performing voltage / current conversion on the input voltage IN. The current value of the charging current Ia varies according to the voltage value of the input voltage IN. Specifically, the charging current Ia increases as the input voltage IN increases, and the charging current Ia decreases as the input voltage IN decreases.
キャパシタ153の第1端は、電圧/電流変換部152に接続されている。キャパシタ153の第2端は、接地端に接続されている。トランジスタ154がオフされているときには、キャパシタ153が充電電流Iaによって充電され、キャパシタ153の第1端に現れる鋸波電圧Vaが入力電圧INに応じた上昇度(傾き)を持って上昇する。一方、トランジスタ154がオンされているときには、キャパシタ153がトランジスタ154を介して放電され、鋸波電圧Vaが急峻に低下する。 A first end of the capacitor 153 is connected to the voltage / current conversion unit 152. A second terminal of the capacitor 153 is connected to the ground terminal. When the transistor 154 is off, the capacitor 153 is charged by the charging current Ia, and the sawtooth voltage Va appearing at the first end of the capacitor 153 rises with a degree of increase (slope) corresponding to the input voltage IN. On the other hand, when the transistor 154 is on, the capacitor 153 is discharged through the transistor 154, and the sawtooth voltage Va rapidly decreases.
トランジスタ154は、反転出力信号QBに応じてキャパシタ153の充放電を切り替える充放電スイッチである。トランジスタ154のドレインは、キャパシタ153の第1端に接続されている。トランジスタ154のソースは、接地端に接続されている。トランジスタ154のゲートは、反転出力信号QBの印加端に接続されている。 The transistor 154 is a charge / discharge switch that switches charging / discharging of the capacitor 153 according to the inverted output signal QB. The drain of the transistor 154 is connected to the first end of the capacitor 153. The source of the transistor 154 is connected to the ground terminal. The gate of the transistor 154 is connected to the application terminal of the inverted output signal QB.
電圧/電圧変換部155は、出力電圧OUTを電圧/電圧変換することにより、出力電圧OUTに応じた閾値電圧Vbを生成する。閾値電圧Vbの電圧値は、出力電圧OUTの電圧値に応じて変動する。具体的には、出力電圧OUTが高いほど閾値電圧Vbは高くなり、出力電圧OUTが低いほど閾値電圧Vbは低くなる。 The voltage / voltage conversion unit 155 generates a threshold voltage Vb corresponding to the output voltage OUT by performing voltage / voltage conversion on the output voltage OUT. The voltage value of the threshold voltage Vb varies according to the voltage value of the output voltage OUT. Specifically, the threshold voltage Vb increases as the output voltage OUT increases, and the threshold voltage Vb decreases as the output voltage OUT decreases.
オンタイムコンパレータ156は、非反転入力端(+)に入力される鋸波電圧Vaと、反転入力端(−)に入力される閾値電圧Vbを比較してリセット信号Rを生成する。鋸波電圧Vaが閾値電圧Vbよりも高ければリセット信号Rはハイレベルとなり、鋸波電圧Vaが閾値電圧Vbよりも低ければリセット信号Rはローレベルとなる。 The on-time comparator 156 generates the reset signal R by comparing the sawtooth voltage Va input to the non-inverting input terminal (+) and the threshold voltage Vb input to the inverting input terminal (−). If the sawtooth voltage Va is higher than the threshold voltage Vb, the reset signal R is at a high level, and if the sawtooth voltage Va is lower than the threshold voltage Vb, the reset signal R is at a low level.
図11は、オン時間設定動作の一例(理想状態)を示すタイミングチャートであり、上から順に、帰還電圧FB、セット信号S、反転出力信号QB、鋸波電圧Va、リセット信号R、及び、出力信号Qが描写されている。 FIG. 11 is a timing chart showing an example of the on-time setting operation (ideal state). In order from the top, the feedback voltage FB, the set signal S, the inverted output signal QB, the sawtooth voltage Va, the reset signal R, and the output Signal Q is depicted.
トランジスタ11のオフ期間中に、帰還電圧FBが誤差電圧ERRを下回ると、セット信号Sがハイレベルに立ち上がり、出力信号Qがハイレベルに遷移される。従って、トランジスタ11がオンとなり、帰還電圧FBが上昇に転ずる。このとき、トランジスタ154は、反転出力信号QBのローレベル遷移に伴ってオフとなるので、充電電流Iaによるキャパシタ153の充電が開始される。先にも述べたように、充電電流Iaの電流値は、入力電圧INの電圧値に応じて変動する。従って、鋸波電圧Vaは、入力電圧INに応じた上昇度(傾き)を持って上昇する。 When the feedback voltage FB falls below the error voltage ERR during the off period of the transistor 11, the set signal S rises to a high level and the output signal Q changes to a high level. Therefore, the transistor 11 is turned on, and the feedback voltage FB starts to increase. At this time, the transistor 154 is turned off with the low-level transition of the inverted output signal QB, so that charging of the capacitor 153 with the charging current Ia is started. As described above, the current value of the charging current Ia varies according to the voltage value of the input voltage IN. Therefore, the sawtooth voltage Va increases with a degree of increase (slope) corresponding to the input voltage IN.
その後、鋸波電圧Vaが閾値電圧Vb(出力電圧OUTの分圧電圧)まで上昇すると、リセット信号Rがハイレベルに立ち上がり、出力信号Qがローレベルに遷移される。従って、トランジスタ11がオフとなり、帰還電圧FBが再び下降に転ずる。このとき、トランジスタ154は、反転出力信号QBのハイレベル遷移に伴ってオンとなる。従って、キャパシタ153がトランジスタ154を介して速やかに放電され、鋸波電圧Vaがローレベルに引き下げられる。 Thereafter, when the sawtooth voltage Va rises to a threshold voltage Vb (a divided voltage of the output voltage OUT), the reset signal R rises to a high level and the output signal Q changes to a low level. Therefore, the transistor 11 is turned off, and the feedback voltage FB starts to fall again. At this time, the transistor 154 is turned on with the high level transition of the inverted output signal QB. Therefore, the capacitor 153 is quickly discharged through the transistor 154, and the sawtooth voltage Va is lowered to a low level.
ドライバ17は、オン時間設定信号S2(出力信号Qに相当)に応じてゲート信号G1及びG2を生成し、これを用いてトランジスタ11及び12のオン/オフ制御を行う。その結果、外部端子T2から矩形波形状のスイッチ電圧SWが出力される。スイッチ電圧SWは、インダクタL1とキャパシタC1によって整流及び平滑され、出力電圧OUTが生成される。なお、出力電圧OUTは、抵抗R1及びR2によって分圧され、先述の帰還電圧FBが生成される。このような出力帰還制御により、スイッチング電源装置Aでは、極めて簡易な構成によって、入力電圧INから所望の出力電圧OUTが生成される。 The driver 17 generates gate signals G1 and G2 according to the on-time setting signal S2 (corresponding to the output signal Q), and performs on / off control of the transistors 11 and 12 using this. As a result, a rectangular wave switch voltage SW is output from the external terminal T2. The switch voltage SW is rectified and smoothed by the inductor L1 and the capacitor C1, and an output voltage OUT is generated. The output voltage OUT is divided by the resistors R1 and R2, and the feedback voltage FB described above is generated. With such output feedback control, the switching power supply device A generates a desired output voltage OUT from the input voltage IN with a very simple configuration.
ここで、オン時間設定部15は、オン時間Tonを固定値として設定するのではなく、入力電圧INと出力電圧OUTに応じた変動値として設定する。より具体的には、オン時間設定部15は、入力電圧INが高いほど鋸波電圧Vaの上昇度(傾き)を大きくしてオン時間Tonを短くし、入力電圧INが低いほど鋸波電圧Vaの上昇度(傾き)を小さくしてオン時間Tonを長くする。また、オン時間設定部15は、出力電圧OUTが低いほど閾値電圧Vbを引き下げてオン時間Tonを短くし、出力電圧OUTが高いほど閾値電圧Vbを引き上げてオン時間Tonを長くする。言い換えれば、オン時間設定部15は、入力電圧INに反比例して、出力電圧OUTに比例するオン時間Tonを設定する。 Here, the on-time setting unit 15 does not set the on-time Ton as a fixed value, but sets it as a fluctuation value according to the input voltage IN and the output voltage OUT. More specifically, the on-time setting unit 15 shortens the on-time Ton by increasing the degree of increase (slope) of the sawtooth voltage Va as the input voltage IN is higher, and the sawtooth voltage Va as the input voltage IN is lower. The on-time Ton is lengthened by reducing the degree of increase (inclination). Further, the ON time setting unit 15 decreases the ON time Ton by lowering the threshold voltage Vb as the output voltage OUT is lower, and increases the ON time Ton by increasing the threshold voltage Vb as the output voltage OUT is higher. In other words, the on-time setting unit 15 sets an on-time Ton proportional to the output voltage OUT in inverse proportion to the input voltage IN.
このような構成とすることにより、非線形制御方式の長所を損なうことなく、スイッチング周波数の変動を抑制することができる。従って、出力電圧精度やロードレギュレーション特性の向上、ないし、セット設計におけるEMI[electromagnetic interference]対策やノイズ対策の容易化を実現することが可能となる。また、入力電圧変動の大きいアプリケーションや、様々な出力電圧を必要とあるアプリケーションの電源手段として、スイッチング電源装置Aを支障なく適用することも可能となる。 By adopting such a configuration, fluctuations in the switching frequency can be suppressed without impairing the advantages of the nonlinear control method. Accordingly, it is possible to improve output voltage accuracy and load regulation characteristics, or to facilitate measures against EMI (electromagnetic interference) and noise in set design. Further, the switching power supply device A can be applied without any problem as a power supply means for an application having a large input voltage fluctuation or an application that requires various output voltages.
ただし、オンタイムコンパレータ156に回路遅延がある場合には、図12で示したように、鋸波電圧Vaが閾値電圧Vbを上回った後も、リセット信号Rがローレベルに維持されたままとなり、遅延時間Tdが経過した時点でようやくリセット信号Rがハイレベルに立ち上げられる。その結果、オン時間Tonが長くなり(Ton→Ton’)、延いてはオフ時間Toffも長くなるので(Toff→Toff’)、意図したスイッチング周波数が得られなくなる。特に、スイッチング周波数が速いほど周波数変動が大きくなる。 However, when there is a circuit delay in the on-time comparator 156, as shown in FIG. 12, even after the sawtooth voltage Va exceeds the threshold voltage Vb, the reset signal R remains maintained at a low level. The reset signal R is raised to the high level only when the delay time Td has elapsed. As a result, the on-time Ton becomes longer (Ton → Ton ′) and the off-time Toff also becomes longer (Toff → Toff ′), so that the intended switching frequency cannot be obtained. In particular, the faster the switching frequency, the greater the frequency variation.
図13は、オン時間設定部15の第2構成例を示すブロック図である。第2構成例は、基本的に第1構成例と同様の構成であり、入力電圧INに応じて閾値電圧Vbをオフセットさせるオフセット部157を設けた点に特徴を有する。そこで、第1構成例と同様の構成要素については、図10と同一の符号を付すことで重複した説明を割愛し、以下では、第2構成例の特徴部分についてのみ、重点的な説明を行う。 FIG. 13 is a block diagram illustrating a second configuration example of the on-time setting unit 15. The second configuration example is basically the same configuration as the first configuration example, and is characterized in that an offset unit 157 that offsets the threshold voltage Vb according to the input voltage IN is provided. Therefore, the same components as those in the first configuration example are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 10, and redundant description is omitted. In the following, only the characteristic portions of the second configuration example will be described. .
オフセット部157は、閾値電圧Vbからオフセット電圧Vofsを差し引いて、オフセット済みの閾値電圧Vb2(=Vb−Vofs)を生成し、これをオンタイムコンパレータ156の反転入力端(−)に印加する。 The offset unit 157 subtracts the offset voltage Vofs from the threshold voltage Vb to generate an offset threshold voltage Vb2 (= Vb−Vofs), and applies this to the inverting input terminal (−) of the on-time comparator 156.
なお、第2構成例のオン時間設定部15において、電圧/電流変換部152は、入力電圧INに応じてキャパシタ153の充電電流Iaとは別系統のオフセット調整電流Ibを生成する構成とされており、オフセット部157は、オフセット調整電流Ib(延いては入力電圧IN)に応じてオフセット電圧Vofs(閾値電圧Vbのオフセット量に相当)を可変制御する構成とされている。以下では、本構成の技術的意義について詳述する。 In the on-time setting unit 15 of the second configuration example, the voltage / current conversion unit 152 is configured to generate an offset adjustment current Ib of a different system from the charging current Ia of the capacitor 153 according to the input voltage IN. The offset unit 157 is configured to variably control the offset voltage Vofs (corresponding to the offset amount of the threshold voltage Vb) in accordance with the offset adjustment current Ib (and thus the input voltage IN). Hereinafter, the technical significance of this configuration will be described in detail.
キャパシタ153の容量値をCとした場合、オフセット済みの閾値電圧Vb2を用いて設定されるオン時間Tonは、次の(1)式で算出することができる。 When the capacitance value of the capacitor 153 is C, the on-time Ton set using the offset threshold voltage Vb2 can be calculated by the following equation (1).
Ton=(C×Vb2/Ia)+Td
={C×(Vb−Vofs)/Ia}+Td
=(C×Vb/Ia)−(C×Vofs/Ia)+Td … (1)
Ton = (C × Vb2 / Ia) + Td
= {C × (Vb−Vofs) / Ia} + Td
= (C × Vb / Ia) − (C × Vofs / Ia) + Td (1)
ここで、右辺第1項(C×Vb/Ia)は、遅延時間Tdのない理想状態におけるオン時間を表しているので、右辺第2項(C×Vofs/Ia)が右辺第3項(Td)と一致するようにオフセット電圧Vofsを設定すれば、オンタイムコンパレータ156の回路遅延(遅延時間Td)をキャンセルすることが可能となる(図14を参照)。 Here, since the first term on the right side (C × Vb / Ia) represents the on-time in an ideal state without the delay time Td, the second term on the right side (C × Vofs / Ia) is the third term on the right side (Td If the offset voltage Vofs is set so as to coincide with (), the circuit delay (delay time Td) of the on-time comparator 156 can be canceled (see FIG. 14).
上記の右辺第2項(C×Vofs/Ia)において、容量値Cは固定値であるが、充電電流Iaは入力電圧INに比例した可変値である。そのため、オフセット電圧Vofsを固定値とした場合には、右辺第2項(C×Vofs/Ia)が入力電圧INに反比例して変動するので、入力電圧INの電圧値によっては、右辺第3項(Td)を適切にキャンセルすることができなくなる。 In the second term on the right side (C × Vofs / Ia), the capacitance value C is a fixed value, but the charging current Ia is a variable value proportional to the input voltage IN. Therefore, when the offset voltage Vofs is a fixed value, the second term on the right side (C × Vofs / Ia) fluctuates in inverse proportion to the input voltage IN. Therefore, depending on the voltage value of the input voltage IN, the third term on the right side (Td) cannot be canceled appropriately.
一方、オフセット電圧Vofsを入力電圧INに比例した可変値とした場合には、右辺第2項(C×Vofs/Ia)の分母と分子で、入力電圧INの影響を相殺することができるので、入力電圧INの電圧値に依ることなく、右辺第3項(Td)を適切にキャンセルすることが可能となる。 On the other hand, when the offset voltage Vofs is a variable value proportional to the input voltage IN, the influence of the input voltage IN can be offset by the denominator and the numerator of the second term on the right side (C × Vofs / Ia). It is possible to appropriately cancel the third term (Td) on the right side without depending on the voltage value of the input voltage IN.
このように、第2構成例のオン時間設定部15によれば、入力電圧INに比例したオフセット電圧Vofsを用いて、オンタイムコンパレータ156の回路遅延に起因するオン時間Tonのずれを適切に補正することができるので、スイッチング周波数の変動を抑制することが可能となる。 Thus, according to the on-time setting unit 15 of the second configuration example, the offset of the on-time Ton caused by the circuit delay of the on-time comparator 156 is appropriately corrected by using the offset voltage Vofs proportional to the input voltage IN. Therefore, it is possible to suppress fluctuations in the switching frequency.
図15は、オン時間設定部15の詳細構成を示す回路図である。以下では、電圧/電流変換部152、電圧/電圧変換部155、及び、オフセット部157の順番に、各々の回路構成と動作を詳述する。 FIG. 15 is a circuit diagram showing a detailed configuration of the on-time setting unit 15. Hereinafter, each circuit configuration and operation will be described in detail in the order of the voltage / current conversion unit 152, the voltage / voltage conversion unit 155, and the offset unit 157.
電圧/電流変換部152は、オペアンプa1と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタa2と、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタa3〜a5と、抵抗a6〜a8とを含む。抵抗a6の第1端は、入力電圧INの印加端に接続されている。抵抗a6の第2端と抵抗a7の第1端は、いずれもオペアンプa1の非反転入力端(+)に接続されている。抵抗a7の第2端は、接地端に接続されている。オペアンプa1の反転入力端(−)は、トランジスタa2のソースと抵抗a8の第1端に各々接続されている。抵抗a8の第2端は、接地端に接続されている。オペアンプa1の出力端は、トランジスタa2のゲートに接続されている。トランジスタa2のドレインは、トランジスタa3のドレインに接続されている。トランジスタa3〜a5のソースは、いずれも入力電圧INの印加端に接続されている。トランジスタa3〜a5のゲートは、いずれもトランジスタa3のドレインに接続されている。トランジスタa5のドレインは、第1出力端(充電電流Iaの出力端)に相当する。トランジスタa4のドレインは、第2出力端(オフセット調整電流Ibの出力端)に相当する。 Voltage / current conversion unit 152 includes an operational amplifier a1, an N-channel MOS field effect transistor a2, P-channel MOS field effect transistors a3 to a5, and resistors a6 to a8. The first end of the resistor a6 is connected to the application end of the input voltage IN. The second end of the resistor a6 and the first end of the resistor a7 are both connected to the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier a1. A second terminal of the resistor a7 is connected to the ground terminal. The inverting input terminal (−) of the operational amplifier a1 is connected to the source of the transistor a2 and the first terminal of the resistor a8. A second end of the resistor a8 is connected to the ground end. The output terminal of the operational amplifier a1 is connected to the gate of the transistor a2. The drain of the transistor a2 is connected to the drain of the transistor a3. The sources of the transistors a3 to a5 are all connected to the application terminal for the input voltage IN. The gates of the transistors a3 to a5 are all connected to the drain of the transistor a3. The drain of the transistor a5 corresponds to the first output terminal (the output terminal of the charging current Ia). The drain of the transistor a4 corresponds to the second output terminal (the output terminal of the offset adjustment current Ib).
上記構成から成る電圧/電流変換部152において、オペアンプa1は、その2入力端に印加される電圧が互いに等しくなるようにトランジスタa2のゲート電圧を生成する。従って、抵抗a8には、入力電圧INの分圧電圧Vxが印加され、これに比例した基準電流Ixが流れる。一方、カレントミラーを形成するトランジスタa3〜a5は、基準電流Ixをミラーして充電電流Ia及びオフセット調整電流Ibを生成する。従って、充電電流Iaとオフセット調整電流Ibは、それぞれ、基準電流Ix(延いては入力電圧IN)に比例した電流となる。 In the voltage / current converter 152 configured as described above, the operational amplifier a1 generates the gate voltage of the transistor a2 so that the voltages applied to the two input terminals thereof are equal to each other. Therefore, the divided voltage Vx of the input voltage IN is applied to the resistor a8, and the reference current Ix proportional to this flows. On the other hand, the transistors a3 to a5 forming the current mirror mirror the reference current Ix to generate the charging current Ia and the offset adjustment current Ib. Therefore, the charging current Ia and the offset adjustment current Ib are currents proportional to the reference current Ix (and thus the input voltage IN), respectively.
電圧/電圧変換部155は、オペアンプb1と抵抗b2〜b5を含む。抵抗b2の第1端は、出力電圧OUTの印加端に接続されている。抵抗b2の第2端と抵抗b3の第1端は、いずれもオペアンプb1の非反転入力端(+)に接続されている。抵抗b3の第2端は接地端に接続されている。オペアンプb1の出力端は、閾値電圧Vbの出力端に相当しており、抵抗b4の第1端に接続されている。オペアンプb1の反転入力端(−)は、抵抗b4の第2端と抵抗b5の第1端に各々接続されている。抵抗b5の第2端は、接地端に接続されている。 The voltage / voltage conversion unit 155 includes an operational amplifier b1 and resistors b2 to b5. A first terminal of the resistor b2 is connected to an application terminal for the output voltage OUT. The second end of the resistor b2 and the first end of the resistor b3 are both connected to the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier b1. A second terminal of the resistor b3 is connected to the ground terminal. The output terminal of the operational amplifier b1 corresponds to the output terminal of the threshold voltage Vb, and is connected to the first terminal of the resistor b4. The inverting input terminal (−) of the operational amplifier b1 is connected to the second terminal of the resistor b4 and the first terminal of the resistor b5. The second end of the resistor b5 is connected to the ground end.
上記構成から成る電圧/電圧変換部155において、オペアンプb1は、その2入力端に印加される電圧が互いに等しくなるように閾値電圧Vbを生成する。すなわち、オペアンプb1は、出力電圧OUTの分圧電圧Vy1(=α×OUT、ただし、αは抵抗b2及びb3の各抵抗値に応じて定まる分圧比)と、閾値電圧Vbの分圧電圧Vy2(=β×Vb、ただし、βは抵抗b4及びb5の各抵抗値に応じて定まる分圧比)とが互いに等しくなるように閾値電圧Vbを生成する。従って、閾値電圧Vbは、出力電圧OUTに比例した電圧(=(α/β)×OUT)となる。 In the voltage / voltage conversion unit 155 configured as described above, the operational amplifier b1 generates the threshold voltage Vb so that the voltages applied to the two input terminals thereof are equal to each other. That is, the operational amplifier b1 has a divided voltage Vy1 of the output voltage OUT (= α × OUT, where α is a voltage dividing ratio determined according to each resistance value of the resistors b2 and b3) and a divided voltage Vy2 ( = Β × Vb, where β is a threshold voltage Vb such that β is a voltage dividing ratio determined according to the resistance values of the resistors b4 and b5. Therefore, the threshold voltage Vb is a voltage (= (α / β) × OUT) proportional to the output voltage OUT.
オフセット部157は、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタc1及びc2と、抵抗c3(抵抗値:Rc3)を含む。トランジスタc1のドレインは、電圧/電流変換部152の第2出力端(オフセット調整電流Ibの出力端)に接続されている。トランジスタc1及びc2のゲートは、いずれもトランジスタc1のドレインに接続されている。トランジスタc1及びc2のソースは、いずれも接地端に接続されている。抵抗c3の第1端は、電圧/電圧変換部155の出力端(閾値電圧Vbの印加端)に接続されている。抵抗c3の第2端とトランジスタc2のドレインは、いずれもオンタイムコンパレータ156の反転入力端(オフセット調整済みの閾値電圧Vb2の印加端)に接続されている。 The offset unit 157 includes N-channel MOS field effect transistors c1 and c2 and a resistor c3 (resistance value: Rc3). The drain of the transistor c1 is connected to the second output terminal of the voltage / current converter 152 (the output terminal of the offset adjustment current Ib). The gates of the transistors c1 and c2 are both connected to the drain of the transistor c1. The sources of the transistors c1 and c2 are both connected to the ground terminal. The first end of the resistor c3 is connected to the output end of the voltage / voltage conversion unit 155 (the application end of the threshold voltage Vb). The second end of the resistor c3 and the drain of the transistor c2 are both connected to the inverting input end of the on-time comparator 156 (the application end of the threshold voltage Vb2 that has been offset adjusted).
上記構成から成るオフセット部157において、カレントミラーを形成するトランジスタc1及びc2は、電圧/電圧変換部155の出力端(閾値電圧Vbの印加端)から抵抗c3を介して接地端に至る向きでオフセット調整電流Ibが流れるように、オフセット調整電流Ibの電流方向を折り返す。その結果、抵抗c3の両端間には、オフセット調整電流Ib(延いては入力電圧IN)に比例したオフセット電圧Vofs(=Ib×Rc3)が生じ、このオフセット電圧Vofsが閾値電圧Vbから差し引かれる。 In the offset unit 157 configured as described above, the transistors c1 and c2 forming the current mirror are offset in a direction from the output terminal (application terminal of the threshold voltage Vb) of the voltage / voltage conversion unit 155 to the ground terminal via the resistor c3. The current direction of the offset adjustment current Ib is folded so that the adjustment current Ib flows. As a result, an offset voltage Vofs (= Ib × Rc3) proportional to the offset adjustment current Ib (and thus the input voltage IN) is generated between both ends of the resistor c3, and this offset voltage Vofs is subtracted from the threshold voltage Vb.
ただし、閾値電圧Vbのオフセット手法については、これに限定されるものではなく、オンタイムコンパレータ156の非反転入力端(+)と反転入力端(−)との間に入力オフセットを付与する構成としても構わない。 However, the offset method of the threshold voltage Vb is not limited to this, and the input offset is applied between the non-inverting input terminal (+) and the inverting input terminal (−) of the on-time comparator 156. It doesn't matter.
<電子機器への適用>
図16〜図18は、それぞれ、先述のスイッチング電源装置Aを搭載した電子機器の一例(パーソナルコンピュータX、デジタル複合機Y、及び、携帯端末(スマートフォン)Z)を示す外観図である。これらの図示はいずれも例示であり、先述のスイッチング電源装置Aは、多種多様な電子機器に搭載することが可能である。
<Application to electronic devices>
16 to 18 are external views showing examples of electronic devices (personal computer X, digital multi-function peripheral Y, and portable terminal (smart phone) Z) on which the above-described switching power supply device A is mounted. These illustrations are only examples, and the above-described switching power supply device A can be mounted on a wide variety of electronic devices.
<その他の変形例>
なお、上記実施形態では、同期整流方式の降圧型スイッチング電源装置に本発明を適用した構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、スイッチング駆動方式として非同期整流方式を採用してもよいし、また、スイッチング電源装置の出力段を昇圧型や昇降圧型としても構わない。
<Other variations>
In the above-described embodiment, the configuration in which the present invention is applied to the synchronous rectification step-down switching power supply apparatus has been described as an example. However, the application target of the present invention is not limited thereto, and switching As the drive method, an asynchronous rectification method may be employed, and the output stage of the switching power supply device may be a boost type or a step-up / down type.
このように、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 As described above, the configuration of the present invention can be variously modified within the scope of the present invention in addition to the above-described embodiment. That is, the above-described embodiment is an example in all respects and should not be considered as limiting, and the technical scope of the present invention is not the description of the above-described embodiment, but the claims. It should be understood that all modifications that come within the meaning and range of equivalents of the claims are included.
本明細書中に開示されたスイッチング電源装置は、例えば、パーソナルコンピュータ、デジタル複合機、及び、携帯端末(スマートフォン)などに利用することが可能である。 The switching power supply device disclosed in the present specification can be used for, for example, a personal computer, a digital multifunction peripheral, a portable terminal (smart phone), and the like.
A スイッチング電源装置
1 半導体装置(スイッチング電源IC)
11 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(出力トランジスタ)
12 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(同期整流トランジスタ)
13 エラーアンプ
14 メインコンパレータ
15 オン時間設定部
151 RSフリップフロップ
152 電圧/電流変換部
153 キャパシタ
154 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(放電トランジスタ)
155 電圧/電圧変換部
156 オンタイムコンパレータ
157 オフセット部
16 逆流検出部
17 ドライバ
18 リップルインジェクション部
19 誤差電圧監視部(コンパレータ)
20〜22 セレクタ
23 クランパ
L1 インダクタ
R1、R2 抵抗
C1、C2 キャパシタ
T1〜T5 外部端子
a1 オペアンプ
a2 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
a3〜a5 Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ
a6〜a8 抵抗
b1 オペアンプ
b2〜b5 抵抗
c1、c2 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
c3 抵抗
X パーソナルコンピュータ
Y デジタル複合機
Z 携帯端末(スマートフォン)
A Switching power supply device 1 Semiconductor device (switching power supply IC)
11 N-channel MOS field effect transistor (output transistor)
12 N-channel MOS field effect transistor (synchronous rectification transistor)
13 Error Amplifier 14 Main Comparator 15 ON Time Setting Unit 151 RS Flip-Flop 152 Voltage / Current Conversion Unit 153 Capacitor 154 N-channel MOS Field Effect Transistor (Discharge Transistor)
155 Voltage / Voltage Conversion Unit 156 On-Time Comparator 157 Offset Unit 16 Backflow Detection Unit 17 Driver 18 Ripple Injection Unit 19 Error Voltage Monitoring Unit (Comparator)
20-22 selector 23 clamper L1 inductor R1, R2 resistor C1, C2 capacitor T1-T5 external terminal a1 operational amplifier a2 N-channel MOS field effect transistor a3-a5 P-channel MOS field effect transistor a6-a8 resistor b1 operational amplifier b2-b5 Resistor c1, c2 N-channel MOS field effect transistor c3 Resistor X Personal computer Y Digital multifunction device Z Mobile terminal (smartphone)
Claims (12)
前記帰還電圧と前記誤差電圧とを比較して比較信号を生成するメインコンパレータと、
前記比較信号に応じてパルス幅固定のオン時間設定信号を生成するオン時間設定部と、
前記オン時間設定信号に応じてスイッチ素子のオン/オフ制御を行うことにより入力電圧から前記出力電圧を生成するドライバと、
前記誤差電圧と第2基準電圧とを比較して下限検出信号を生成する誤差電圧監視部と、
前記下限検出信号に応じて第1電圧と第2電圧のいずれか一方を前記第1基準電圧として選択出力する第1セレクタと、
前記下限検出信号に応じて第3電圧と第4電圧のいずれか一方を前記第2基準電圧として選択出力する第2セレクタと、
を有することを特徴とするスイッチング電源装置。 An error amplifier that generates an error voltage according to a difference between the feedback voltage generated from the output voltage and the first reference voltage;
A main comparator that compares the feedback voltage with the error voltage to generate a comparison signal;
An on-time setting unit for generating an on-time setting signal having a fixed pulse width according to the comparison signal;
A driver for generating the output voltage from an input voltage by performing ON / OFF control of the switching element in response to the on-time setting signal,
An error voltage monitoring unit that compares the error voltage with a second reference voltage to generate a lower limit detection signal;
A first selector that selectively outputs either the first voltage or the second voltage as the first reference voltage according to the lower limit detection signal;
A second selector that selectively outputs one of a third voltage and a fourth voltage as the second reference voltage according to the lower limit detection signal;
A switching power supply device comprising:
前記第2セレクタは、前記誤差電圧が前記第4電圧を下回ったときに前記第2基準電圧を前記第4電圧から前記第3電圧に引き上げる一方、前記誤差電圧が前記第3電圧を上回ったときに前記第2基準電圧を前記第3電圧から前記第4電圧に引き下げるように、前記下限検出信号に応じて前記第3電圧と前記第4電圧の選択出力を行うことを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。 The first selector raises the first reference voltage from the first voltage to the second voltage when the error voltage falls below the fourth voltage, while the error voltage exceeds the third voltage. In order to lower the first reference voltage from the second voltage to the first voltage, a selection output of the first voltage and the second voltage is performed according to the lower limit detection signal,
The second selector raises the second reference voltage from the fourth voltage to the third voltage when the error voltage falls below the fourth voltage, while the error voltage exceeds the third voltage. 3. The selection output of the third voltage and the fourth voltage is performed according to the lower limit detection signal so as to lower the second reference voltage from the third voltage to the fourth voltage. The switching power supply device described in 1.
その充放電によって鋸波電圧を生成するキャパシタと、
前記入力電圧に応じて前記キャパシタの充電電流を生成する電圧/電流変換部と、
前記キャパシタの充放電を切り替える充放電スイッチと、
前記出力電圧に応じて閾値電圧を生成する電圧/電圧変換部と、
前記鋸波電圧と前記閾値電圧を比較してリセット信号を生成するオンタイムコンパレータと、
前記比較信号と前記リセット信号に応じて前記オン時間設定信号のセット/リセットを行うRSフリップフロップと、
を含むことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。 The on-time setting unit
A capacitor that generates a sawtooth voltage by charging and discharging; and
A voltage / current converter that generates a charging current for the capacitor in accordance with the input voltage;
A charge / discharge switch for switching charge / discharge of the capacitor;
A voltage / voltage converter that generates a threshold voltage according to the output voltage;
An on-time comparator that compares the sawtooth voltage with the threshold voltage to generate a reset signal;
RS flip-flop for setting / resetting the on-time setting signal according to the comparison signal and the reset signal;
The switching power supply unit according to claim 1, wherein the switching power supply unit includes:
前記オフセット部は、前記オフセット調整電流に応じて前記閾値電圧のオフセット量を可変制御することを特徴とする請求項7に記載のスイッチング電源装置。 The voltage / current conversion unit generates an offset adjustment current of a system different from the charging current of the capacitor according to the input voltage,
The switching power supply device according to claim 7, wherein the offset unit variably controls an offset amount of the threshold voltage according to the offset adjustment current.
前記ドライバは、前記逆流検出信号に応じて前記スイッチ素子を強制的にオフさせることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。 A backflow detection unit that detects a backflow current to the switch element and generates a backflow detection signal;
The switching power supply device according to any one of claims 1 to 8, wherein the driver forcibly turns off the switch element in accordance with the backflow detection signal.
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