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KR20060086275A - 스위칭 레귤레이터 제어 회로 및 스위칭 레귤레이터 - Google Patents

스위칭 레귤레이터 제어 회로 및 스위칭 레귤레이터 Download PDF

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KR20060086275A
KR20060086275A KR1020060005918A KR20060005918A KR20060086275A KR 20060086275 A KR20060086275 A KR 20060086275A KR 1020060005918 A KR1020060005918 A KR 1020060005918A KR 20060005918 A KR20060005918 A KR 20060005918A KR 20060086275 A KR20060086275 A KR 20060086275A
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Abstract

스위칭 레귤레이터 제어 회로의 최대 듀티 제어 상태에서, 승압 스위칭 회로와 동기 정류용 스위칭 회로 중 임의의 하나가 항상 오프 (OFF) 인 시간 주기가 보장됨으로써, 스위칭 효율이 현저히 저하되는 것을 방지한다. 최대 듀티 제어 상태에서, 승압 스위칭 회로의 스위칭 동작을 제어하는 비교기에 입력되는 제한용 전압과, 동기 정류용 스위칭 회로의 스위칭 동작을 제어하는 비교기에 입력되는 제한용 전압 사이에 전압차가 제공됨으로써, 승압 스위칭 회로와 동기 정류용 스위칭 회로 중 임의의 하나가 항상 오프인 시간 주기를 보장한다.
스위칭 레귤레이터 제어 회로, 스위칭 레귤레이터

Description

스위칭 레귤레이터 제어 회로 및 스위칭 레귤레이터{SWITCHING REGULATOR CONTROL CIRCUIT AND SWITCHING REGULATOR}
도 1 은 본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 블록도.
도 2 는 본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 회로도.
도 3 은 본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 타이밍 차트.
도 4 는 종래의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 블록도.
도 5 는 종래의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 타이밍 차트.
도 6 은 시간 Toff-off 대 전력 변환 효율을 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 삼각파 발진 회로 11, 63, 64: 오차 증폭기
12, 13, 14: 비교기 15: Vdt 발생 회로
16: Vos 발생 회로 17: Vmax1 발생 회로
18: Vmax2 발생 회로 24: 강압용 스위칭 회로
25: 승압용 스위칭 회로 26: 동기 정류용 스위칭 회로
27: 인덕턴스 49: 전압 폴로워 (voltage follower)
[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 2003-180072호
본 발명은 스위칭 레귤레이터 제어 회로 및 이것을 사용한 스위칭 레귤레이터에 관한 것으로, 특히 승압 동작에 있어서의 동기 정류 회로에 관한 것이다.
도 4 에는, 종래의 승강압형 스위칭 레귤레이터의 회로도를 나타낸다.
비교기 (12) 는 반전 입력 단자에 입력된 오차 증폭기 (11) 가 출력하는 전압 Vd 와 비반전 입력 단자에 입력된 삼각파 발진 회로 (10) 가 출력하는 삼각파를 비교하여 PWM 구동 신호를 출력한다. 비교기 (12) 의 출력 신호는 강압 구동 신호로서 버퍼 (21) 를 통해 강압용 스위칭 회로 (24) 에 공급된다.
비교기 (14) 의 일방의 비반전 입력 단자에는 오차 증폭기 (11) 의 출력 전압 Vd 를 Vos 만큼 레벨 시프트시킨 전압 Vu 가 입력된다. Vos 는 삼각파의 진폭 전압과 동등한 값으로 설정함으로써, 오차 증폭기 (11) 의 출력 전압 Vd 가 삼각파의 상한 전압을 초과하였을 때에, 전압 Vu 가 삼각파의 진폭 범위에 들어가도록 한다. 비교기 (14) 의 반전 입력 단자에는 삼각파가 입력되고, 삼각파와 전압 Vu 의 비교에 의해서 신호가 출력된다. 이 비교기 (14) 의 출력 신호는 승압 구동 신호로서 버퍼 (23) 를 통해 승압용 스위칭 회로 (25) 에 공급된다.
비교기 (13) 의 일방의 비반전 입력 단자에는 오차 증폭기 (11) 의 출력 전압 Vd 를 Vdt 만큼 레벨 시프트시킨 전압 Vs 가 입력된다. 비교기 (13) 의 반전 입력 단자에는 삼각파가 입력되고, 삼각파와 전압 Vs 의 비교에 의해서 신호가 출력된다. 이 비교기 (13) 의 출력 신호는 동기 정류 구동 신호로서 버퍼 (22) 를 통해 동기 정류용 스위칭 회로 (26) 에 공급된다.
Vdt 는 Vos 보다 약간 작은 값으로 설정한다. 이 결과, 그라운드를 기준으로 한 대소 관계는 Vs>Vu 가 되어, 삼각파를 포함한 전압의 관계는 도 5 와 같이 된다. 여기서, 전압 Vs 와 전압 Vu 의 관계로부터, 승압 구동 신호와 동기 정류 구동 신호는 듀티비가 상이한 신호가 된다.
따라서, 승압 구동 신호는 H 레벨로 온되는 승압용 스위칭 회로 (25) 에 공급되고, 또한, 동기 정류 구동 신호는 L 레벨로 온되는 동기 정류용 스위칭 회로 (26) 에 공급되므로, 승압용 스위칭 회로 (25) 와 동기 정류용 스위칭 회로 (26) 가 동시에 오프로 되는 시간 Toff-off 가 존재한다.
이러한 시간 Toff-off 는, 승압용 스위칭 회로 (25) 와 동기 정류용 스위칭 회로 (26) 가 동시에 온됨으로써 출력 단자와 그라운드가 단락되어 버리는 것을 방지하는 것이고, 동기 정류 부착 스위칭 레귤레이터에는 필수적인 기술이다 (예를 들어 특허문헌 1 참조).
또한, 동기 정류 부착 스위칭 레귤레이터에서는 출력 전압이 저하되어, 전압 Vs 와 전압 Vu 가 삼각파의 최대치 Vclk(max) 이상으로 되었을 때에, 승압용 스위칭 회로 (25) 및 동기 정류용 스위칭 회로 (26) 가 항상 온이 되는 것을 방지할 필요가 있다.
여기서, 비교기 (13 및 14) 는 2개의 비반전 입력 단자를 갖고 있고, 2개의 비반전 입력 단자 중, 낮은 전위가 입력되어 있는 단자가 기능하고 높은 전위가 입 력되어 있는 단자는 기능하지 않도록 설정한다. 이 특징을 이용하여, 비교기 (13 및 14) 의 다른 일방의 비반전 입력 단자에 Vclk(max) 보다 약간 낮은 전압 Vmax1 을 인가한다. 이러한 구성으로 함으로써, Vu 및 Vs 가 Vmax1 을 초과한 경우에, 삼각파와의 비교 대조가 Vmax1 이 된다. 따라서, 전원 전압이 저하된 경우라도 일정 듀티의 PWM 구동 신호가 출력되어, 승압용 스위칭 회로 (25) 및 동기 정류용 스위칭 회로 (26) 가 항상 온 상태가 되는 것을 방지할 수 있다. 이하, 이 상태를 최대 듀티 제어 상태라고 한다.
그러나, 도 5 에 나타낸 바와 같이, Vu 및 Vs 가 Vmax1 를 초과하면, 비교기(13 및 14) 의 출력 신호는 삼각파와 Vmax1 의 전압으로 결정되는 일정 듀티의 신호밖에 출력되지 않는다. 따라서, 비교기 (13 및 14) 의 출력 신호는 완전히 같은 듀티로 되어, 즉, 시간 Toff-off 가 0 이 되어, 스위칭 효율의 현저한 저하가 발생한다.
본 발명은 최대 듀티 제어 상태에 있어서도, 승압용 스위칭 회로와 동기 정류용 스위칭 회로의 스위칭 제어에 있어서, 시간 Toff-off 를 확보함으로써, 스위칭 효율의 현저한 저하를 방지하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어 회로는, 전압 Vos-Vdt 를 제 2 기준 전압인 Vmax1 에 가산하여 얻은 제 3 기준 전압인 Vmax2 를, 비교기 (13) 의 일방의 정전 입력 단자에 인가함으로써, 비교기 (13) 가 Vmax2 를 사용하여 승압용 스위칭 회로를 스위칭 제어하고, 비교기 (14) 가 Vmax1 을 사용하여 동기 정류용 스위칭 회로를 스위칭 제어하는 구성으로 하여, 상술한 바와 같은 과제를 해결한다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
도 1 은 본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 블록도이다. 본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어 회로는, 출력 전압을 분압한 전압과 기준 전압 Vref1 을 비교하여 전압 Vd 를 출력하는 오차 증폭 회로 (11) 와, 삼각파 발진 회로 (10) 와, 제 1 정전압원인 Vdt 발생 회로 (15) 와, 제 2 정전압원인 Vos 발생 회로 (16) 와, 제 2 기준 전압원인 Vmax1 발생 회로 (17) 와, 제 3 기준 전압원인 Vmax2 발생 회로 (18) 와, 그들이 출력하는 전압을 비교하는 비교기 (12, 13, 14) 로 구성된다. 비교기 (12 및 14) 의 각 입력 단자에는 종래의 스위칭 레귤레이터 제어 회로와 동일한 신호를 입력하지만, 비교기 (13) 의 다른 일방의 비반전 입력 단자에는 Vmax2 발생 회로가 출력하는 전압 Vmax2 을 입력한다.
이 때, Vmax2 발생 회로는 Vmax1 발생 회로의 출력 전압 Vmax1 보다 Vos-Vdt 만큼 높은 전압을 발생한다. 이러한 구성으로 함으로써, Vu 가 Vmax1 을 초과할 경우에, Vs 가 Vmax2 를 초과하도록 제어할 수 있다.
따라서, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 전압 Vs 와 전압 Vu 가 삼각파의 최대치 Vclk(max) 이상이 되었을 때에도, 승압용 스위칭 회로 (25) 와 동기 정류용 스위칭 회로 (26) 의 관계가 항상 시간 Toff-off 를 확보할 수 있도록 제어할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어 회로의 회로도이다. 도 1 의 블록도에 있어서의 Vdt 발생 회로 (15) 와 Vos 발생 회로 (16) 와 Vmax2 발생 회로 (18) 의 일례를 상세히 나타낸 것이다.
Vdt 발생 회로 (15) 에 있어서, 가변 저항 VR1 에 의해서 결정되는 정전류 I1 은 전류 미러 회로를 통해 R1 로 흐르는 정전류로서 전해진다. Vos 발생 회로 (16) 에 있어서, 가변 저항 VR2 에 의해서 결정하는 정전류 I2 는 전류 미러 회로를 통해 R2 로 흐르는 정전류로서 전해진다. R1 및 R2 는, 오차 증폭기 (11) 의 출력에 접속된 고정 저항이고, 또한, 서로의 저항치는 동등한 것으로 한다. 따라서 R1 과 R2 의 양단에 발생하는 전위차는 정전류 I1 및 I2 에 의해서 결정된다. 이렇게 하여, R1 과 오차 증폭기 (11) 의 출력 Vd 로부터, 어떤 일정치 레벨 시프트한 신호인 Vs 와 Vu 를 얻을 수 있다. Vos-Vdt, 즉, 정전류 I1 과 정전류 I2 의 전류차는 분명하다. 따라서, 트랜지스터 M10 과 M11, M20 과 M21 의 전류 미러 회로를 사용하여, 정전류 I1 과 정전류 I2 를 카피하고, 또한 트랜지스터 M11 과 M21 을 직렬로 접속하고, 또한 게이트 전극과 드레인 전극을 접속하여 정전류 소자로서 동작하는 M30 을 M11 에 병렬로 배치함으로써, 정전류 I2 와 정전류 I1 의 차와 동등한 전류 I3 (=I1-I2) 가 트랜지스터 M30 으로 흐른다. 이 전류 I3 을 저항 R1 및 R2 와 동등한 저항 R5 로 흐르게 함으로써 Vos-Vdt 와 동등한 전위차를 얻을 수 있다.
Vmax1 은 기준 전압을 저항으로 분압함으로써 발생시키고 있으므로, 전압 폴로워 (49) 를 사용하여 임피던스 변환을 행하고 있다.
이렇게 하여 얻은 Vmax2 를 비교기 (13) 의 다른 일방의 비반전 입력 단자에 입력함으로써, 최대 듀티 제어 상태에 있더라도 승압용 스위칭 회로 (25) 와 동기 정류용 스위칭 회로 (26) 의 스위칭 제어에 있어서, 시간 Toff-off 를 확보할 수 있게 된다.
도 6 은 시간 Toff-off 대 전력 변환 효율을 나타낸 도면이다. 시간 Toff-off 를 전력 변환 효율이 높아지도록, Vos-Vdt 전압을 설정함으로써, 스위칭 레귤레이터의 안정된 승압 동작을 얻을 수 있다.
따라서 본 발명의 스위칭 레귤레이터 제어 회로는 최대 듀티 제어 상태에 있더라도, 승압용 스위칭 회로와 동기 정류용 스위칭 회로의 스위칭 제어에 있어서, 확실하게 시간 Toff-off 를 확보할 수 있어, 스위칭 효율의 현저한 저하를 방지할 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 제 1 기준 전압 발생 회로,
    제 2 기준 전압 발생 회로,
    제 3 기준 전압 발생 회로,
    스위칭 레귤레이터의 출력 전압을 분압하는 분압 저항,
    삼각파 발생 회로,
    상기 제 1 기준 전압 발생 회로의 전압과 상기 분압 저항의 분압된 전압을 입력하는 오차 증폭기,
    상기 오차 증폭기의 출력으로부터 제 1 정전압원의 전압만큼 강압한 전압과 상기 제 3 기준 전압 발생 회로의 전압과 상기 삼각파 발생 회로의 전압을 입력하는 제 1 비교기,
    상기 오차 증폭기의 출력으로부터 제 2 정전압원의 전압만큼 강압한 전압과 상기 제 2 기준 전압 발생 회로의 전압과 상기 삼각파 발생 회로의 전압을 입력하는 제 2 비교기,
    상기 제 1 비교기의 출력으로 제어되는 동기 정류용 스위칭 회로, 및
    상기 제 2 비교기의 출력으로 제어되는 승압용 스위칭 회로를 포함하는, 스위칭 레귤레이터 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기준 전압 발생 회로의 전압과 상기 제 3 기준 전압 발생 회로의 전압은 상기 삼각파 발생 회로의 전압의 최대치보다 낮은 전압이며,
    상기 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 저하되었을 때에도 상기 승압용 스위칭 회로와 상기 동기 정류용 스위칭 회로의 어느 일방이 반드시 오프되는, 스위칭 레귤레이터 제어 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 기준 전압 발생 회로의 전압은, 상기 제 2 기준 전압 발생 회로의 전압에 상기 제 1 정전압원의 전압과 상기 제 2 정전압원의 전압의 차를 더한 전압인 것을 특징으로 하는, 스위칭 레귤레이터 제어 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기 정류용 스위칭 회로와 상기 승압용 스위칭 회로가 동시에 오프되는 기간을 형성하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 레귤레이터 제어 회로.
  5. 제 1 항에 기재된 스위칭 레귤레이터 제어 회로를 갖는, 스위칭 레귤레이터.
  6. 동기 정류용 스위칭 회로와 승압용 스위칭 회로를 교대로 온·오프 제어하여, 원하는 전압을 출력하는 스위칭 레귤레이터 제어 회로로서,
    상기 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 저하되었을 때에도 상기 동기 정류용 스위칭 회로와 상기 승압용 스위칭 회로의 어느 일방이 반드시 오프되도록 상기 동기 정류용 스위칭 회로를 제어하는 제 1 비교기와 상기 승압용 스위칭 회로를 제어하는 제 2 비교기에 제한용 기준 전압을 형성하며,
    상기 제 1 비교기와 상기 제 2 비교기의 제한용 기준 전압에 차를 형성함으로써, 상기 동기 정류용 스위칭 회로와 상기 승압용 스위칭 회로가 동시에 오프되는 기간을 형성하는 것을 특징으로 하는, 스위칭 레귤레이터 제어 회로.
  7. 제 6 항에 기재된 스위칭 레귤레이터 제어 회로를 갖는, 스위칭 레귤레이터.
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