(57)【要約】【課題】リップル電圧を低く抑えつつ、軽負荷時における効率を改善するスイッチングレギュレータを提供する。【解決手段】入力電圧を所定の定電圧に変換して負荷に出力するスイッチング素子の駆動に用いるスイッチング信号の周波数を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記負荷を流れる負荷電流の大きさに応じて、前記周波数を制御し、かつ前記スイッチング信号のデューティー比を制御する。【選択図】図１
2014233196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を所定の定電圧に変換して負荷に出力するスイッチング素子の駆動に用いるスイッチング信号の周波数を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記負荷を流れる負荷電流の大きさに応じて、前記周波数を制御し、かつ前記スイッチング信号のデューティー比を制御することを特徴とするスイッチングレギュレータ。
【請求項２】
前記制御回路は、前記負荷電流が大きいときスイッチング信号のパルス幅が狭くなるように前記周波数を制御し、前記負荷電流が小さいときスイッチング信号のパルス幅が広くなるように前記周波数を制御することを特徴とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項３】
入力電圧を所定の定電圧に変換して負荷に出力するコンバータ回路と、
前記負荷に出力された電圧に比例した帰還電圧と所定の基準電圧との電圧差を増幅し誤差電圧として出力する誤差増幅回路と、
前記負荷を流れる負荷電流の大きさに応じて可変された傾斜を有するスロープ電圧、及び該スロープ電圧の所定のレベルに対応した矩形波信号を生成するスロープ電圧生成回路と、
前記誤差電圧と前記スロープ電圧との比較に基づいてＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭコンパレータと、
前記矩形波信号と前記ＰＷＭ制御信号に基づいて、前記コンバータ回路にスイッチング動作させるためのスイッチング駆動電圧を生成するスイッチング駆動電圧生成回路と、
を備えることを特徴とするスイッチングレギュレータ。
【請求項４】
前記スロープ電圧の最低周波数を決定する基準電流を前記スロープ電圧生成回路に出力する基準電流回路と、
前記スロープ電圧の傾斜を可変させる可変電流、及び前記負荷の負荷電流を設定する電流設定回路と、
前記設定された負荷電流値に基づいて負荷電流を制御する負荷電流制御回路と、
を備えることを特徴とする請求項３記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項５】
前記スロープ電圧生成回路は、
前記基準電流及び前記設定された可変電流に応じた電流を流す電流源と、
前記電流源に直列に接続された容量素子と、
前記電流源に直列に接続されたディスチャージスイッチと、
前記電流源から流された電流の大きさに応じて可変された傾斜を有するスロープ電圧のスロープ波形信号に基づいて矩形波信号を生成するパルス生成回路と、
前記スロープ電圧の傾斜を制御するスロープ傾斜制御回路と、
を備えることを特徴とする請求項４記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項６】
入力電圧を所定の定電圧に変換して負荷に出力するスイッチングレギュレータの動作制御方法であって、
前記負荷を流れる負荷電流の大きさに応じて、前記変換に用いるスイッチング信号の周波数を制御し、前記スイッチング信号のデューティー比を制御することを特徴とするスイッチングレギュレータの動作制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチングレギュレータ及びその動作制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォン、携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）等の携帯情報端末においては、例えば液晶モニタのバックライトに用いられるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）のように電池の出力電圧よりも高い駆動電圧を必要とするデバイスが存在する。
【０００３】
これらの携帯情報端末では、Ｌｉ（Ｌｉｔｈｉｕｍ）イオン電池が多く用いられ、その出力電圧は通常３．５Ｖ程度であり、満充電時においても４．２Ｖ程度である。上述のように、ＬＥＤは、その駆動電圧として電池の出力電圧よりも高い電圧を必要とするため、ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。また、ＬＥＤの光量は、駆動回路から供給される電流量によって決定される。そして、その電流量制御に、ＤＣ−ＤＣコンバータの方式の１つである昇圧型スイッチングレギュレータが利用される。
【０００４】
スイッチングレギュレータ方式における効率に関し、装置のスイッチング損失と、それ以外の損失に分けることができる。そして、装置のスイッチング損失の割合は、出力電流が軽負荷ほど、大きくなる。なお、スイッチング損失とは、ある周期で繰り返されるスイッチング周期でＯＮ／ＯＦＦされるとき、ターンＯＮあるいはターンＯＦＦ時に電圧、電流がクロスされる損失をいう。
【０００５】
ここで、装置のスイッチング損失を下げるため、スイッチング周波数を下げることで、高効率を実現することができる。そして、軽負荷時にスイッチング周波数を制御する方法として、ＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御により制御する方法が既に知られている。
【０００６】
特許文献１には、スイッチング素子の駆動信号の周波数が可聴域の上限以下に下がることがないとともに、出力電圧のリップルを小さくすることを目的として、上述したＰＦＭ制御方法を採用し、入出力電位差を監視して、スイッチング周波数を制御するＬＥＤ駆動用電源装置が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に開示されたＰＦＭ制御によりスイッチング周波数を制御する方法では、スイッチング素子をＯＮする場合、ＯＦＦする場合の何れかのパルス幅が固定されている。そのため、スイッチング回数を適切に制御できない区間ができることにより、リップル電圧が大きくなるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、リップル電圧を低く抑えつつ、軽負荷時における効率を改善するスイッチングレギュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明のスイッチングレギュレータは、入力電圧を所定の定電圧に変換して負荷に出力するスイッチング素子の駆動に用いるスイッチング信号の周波数を制御する制御回路を備え、前記制御回路は、前記負荷を流れる負荷電流の大きさに応じて、前記周波数を制御し、かつ前記スイッチング信号のデューティー比を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、リップル電圧を低く抑えつつ、軽負荷時における効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態のスイッチングレギュレータの回路構成の概略図である。
【図２】本発明の実施形態のスイッチングレギュレータにおける周波数制御回路の概略図である。
【図３】本発明の実施形態の周波数制御回路の動作を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態のスイッチングレギュレータについて図面を参照して以下に説明するが、本発明の趣旨を越えない限り、何ら本実施形態に限定されるものではない。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。
【００１３】
本発明の実施形態のスイッチングレギュレータは、概略的には、負荷電流に応じたスイッチング周波数を制御しつつ、スイッチングパルスのデューティー比を制御することで、スイッチング損失を抑えつつ出力電圧リップルを低減するものである。
【００１４】
本実施形態のスイッチングレギュレータについて図１を参照して説明する。本実施形態のスイッチングレギュレータは、コンバータ回路部１と、制御回路部２で構成されている。コンバータ回路部１と制御回路部２の間には負荷である負荷部３が接続されている。なお、本実施形態の説明において、負荷部３は、例えば携帯情報端末のバックライト部として複数のＬＥＤ素子３１を備える構成であるが、これに限定されず、例えば、マイクロ・ハードディスク・ドライブ（MicroHDD）、オーディオ（AUDIO Peripheral）、USB（USB―TRANCEIVER）でもよい。
【００１５】
コンバータ回路部１は、インダクタ１１と、ショットキーバリアダイオード１２と、ＭＯＳＦＥＴ１３で構成されている。コンバータ回路部１は、制御回路部２から出力された制御信号により、高速スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ１３をＯＮ／ＯＦＦすることで、インダクタ１１を介して入力された入力電圧ＶINを昇圧し、昇圧された電圧をショットキーバリアダイオード１２により整流し、負荷部３のアノードＡに出力する。コンバータ回路部１は、外部から入力された入力電圧を所定の定電圧に変換して出力電圧として負荷部３に出力する。
【００１６】
制御回路部２は、負荷電流制御回路２１と、基準電流回路２２と、電流設定回路２３と、スロープ電圧生成回路２４と、基準電圧回路２５と、誤差増幅回路２６と、ＰＷＭコンパレータ２７と、ＲＳフリップフロップ２８と、駆動回路２９で構成されている。制御回路部２は、例えば、スイッチング周波数および出力電流を制御する機能を共に備えるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成してよい。制御回路部２は、全体としては、負荷部３を流れる負荷電流の大きさに応じて、上述のコンバータ回路部１での電圧変換に用いるスイッチング周波数を制御する。
【００１７】
基準電流回路２２は、スロープ電圧の最低周波数を決定する基準電流IRをスロープ電圧生成回路２４に出力する。電流設定回路２３は、外部からの信号に基づいて、スロープ電圧の傾斜を可変させる可変電流値IV、及び負荷部３の負荷電流値ILを設定する。負荷電流制御回路２１は、電流設定回路２３により設定された電流値となるように負荷部３に流れる負荷電流を制御する。たとえば、負荷電流制御回路２１は、MOSトランジスタで構成され、電流設定回路２３から出力されたで電圧がMOSトランジスタのゲートに印加され、その電圧値の大きさに応じて流れる電流値が設定されるようにする。なお、本発明において、上述の電流設定回路２３と負荷電流制御回路２１とを、負荷に出力される出力電流を制御する電流制御回路とする。
【００１８】
基準電圧回路２５は、所定の基準電圧を誤差増幅回路２６の非反転入力素子（＋）に出力する。誤差増幅回路２６は、負荷部３からの出力電圧に比例した帰還電圧と上記基準電圧との電圧差を増幅し誤差電圧信号ＶＡとして出力する。スロープ電圧生成回路２４は、電流制御回路にて制御された出力電流の大きさに応じて可変された傾斜を有するスロープ電圧、及びそのスロープ電圧の所定のレベルに対応した矩形波信号を生成する。
【００１９】
具体的には、負荷部３における、最下部ＬＥＤのカソード部分Ｃの電圧が、誤差増幅回路２６に入力される。誤差増幅回路２６は、反転入力端子（−）に入力された電圧と非反転入力端子（＋）に入力された基準値を表す電圧との誤差を増幅して、ＰＷＭコンパレータ２７に送る。
【００２０】
また、ＰＷＭコンパレータ２７は、誤差増幅回路２６から送出される誤差電圧信号ＶＡと、スロープ電圧生成回路２４から送出されるスロープ電圧信号ＶＣとの比較に基づいてＰＷＭ制御信号を生成する。ＰＷＭ制御信号とは、Ｈ信号とＬ信号を有する矩形波信号である。ＰＷＭコンパレータ２７は、スロープ電圧生成回路２４からのスロープ電圧信号ＶＣが、誤差増幅回路２６の誤差電圧信号ＶＡよりも高いとき、Ｈ信号を出力し、スロープ電圧生成回路２４からのスロープ電圧信号ＶＣが、誤差増幅回路２６の誤差電圧信号ＶＡよりも低いとき、Ｌ信号を出力する。
【００２１】
さらに、ＲＳフリップフロップ２８は、ＰＷＭコンパレータ２７から送出されたＰＷＭ制御信号と、スロープ電圧生成回路２４から送出される矩形波信号に基づき、ＭＯＳＦＥＴ１３でのスイッチング動作のＯＮ時間又はＯＦＦ時間を決定する信号を駆動回路２９へ送出する。
【００２２】
また、駆動回路２９は、ＲＳフリップフロップ２８から送出された信号に基づき、ＭＯＳＦＥＴ１３に適正にスイッチング動作させるＯＮ信号又はＯＦＦ信号を生成する。駆動回路２９で生成されたＯＮ信号又はＯＦＦ信号は、ＭＯＳＦＥＴ１３のゲートへ送出される。なお、本発明において、ＲＳフリップフロップ２８及び駆動回路２９を、便宜的に矩形波信号Ｖ１とＰＷＭ制御信号Ｖ３に基づいて、コンバータ回路部１にスイッチング動作させるためのスイッチング駆動電圧ＶＴを生成するスイッチング駆動電圧生成回路とする。
【００２３】
本実施形態の構成における、上述した負帰還ループにより、例えば、負荷部３としてのＬＥＤのカソード部分Ｃの電圧は、負荷電流制御回路２１で設定された負荷電流に制御できるような定電圧に制御される。定電圧の値が低すぎる場合、回路の動作点にあたって設定電流が流れない。また、定電圧値が大きすぎると、設定電流から特性がずれた電流になる。したがって、所定の範囲内で電圧を制御する必要がある。
【００２４】
次に、本実施形態のスイッチングレギュレータにおける上述したスロープ電圧生成回路２４の具体的な構成について、図２を参照して説明する。スロープ電圧生成回路２４は、電流源２４１と、ディスチャージスイッチ２４２と、コンデンサ等の容量素子２４３と、パルス生成回路２４４と、電流源２４５と、スロープ傾斜制御回路２４６で構成される。
【００２５】
電流源２４１は、基準電流及び設定された可変電流に応じた電流を接続された他の素子へ流す。ディスチャージスイッチ２４２及び容量素子２４３は電流源２４１に直列に接続されている。パルス生成回路２４４は、電流源２４１から流された電流Ｉ１の大きさに応じて可変された傾斜を有するスロープ電圧Ｖ２のスロープ波形信号に基づいて矩形波信号Ｖ１を生成する。矩形波信号Ｖ１は、パルス生成回路２４４から、ディスチャージスイッチ２４２のゲートに送出される。
【００２６】
また、電流源２４５は、スロープ電圧Ｖ２と同じ比率の傾斜となるように、スロープ傾斜制御回路２４６へ電流Ｉ２を流す。スロープ傾斜制御回路２４６は、パルス生成回路２４４を経由したスロープ電圧の傾斜を制御する。傾斜を制御された電圧は、スロープ電圧ＶＣとして出力される。
【００２７】
次に、本実施形態のスイッチングレギュレータの動作例について、図３の、負荷電流波形、各電圧信号波形で表したタイミングチャートを参照して説明する。図３の、上方から順に、負荷電流、電流源２４１から流れる電流Ｉ１、電流源２４５から流れる電流Ｉ２、矩形波信号Ｖ１、スロープ電圧Ｖ２、誤差電圧信号ＶＡ、スロープ電圧ＶＣ、スイッチング駆動電圧ＶＴの各波形を表している。
【００２８】
具体的には、スロープ電圧Ｖ２の波形は、電流Ｉ１により、容量素子２４３にチャージされ、スロープ電圧Ｖ２の電圧がある一定のレベルまで達すると、パルス生成回路２４４において矩形波信号Ｖ１が生成される。ある一定のレベルとは、例えばスロープ電圧Ｖ２のスロープ波形における傾斜の頂点をいう。つまり、図示のように、スロープ電圧の頂点に達したときに、矩形波信号Ｖ１がハイレベル（Ｈ）に移行する。
【００２９】
そして、矩形波信号Ｖ１がロウレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）になると、容量素子２４３にチャージされた電荷がディスチャージスイッチ２４２を通してディスチャージされ、スロープ電圧Ｖ２が放電される。つまり、スロープ電圧Ｖ２の波形は、頂点から最下点へ移行し、矩形波信号Ｖ１はロウレベル（Ｌ）に移行する。
【００３０】
矩形波信号Ｖ１がハイレベル（Ｈ）からロウレベル（Ｌ）になると、スロープ電圧Ｖ２は再び、電流Ｉ１により、容量素子２４３にチャージされる。このサイクルの繰り返しにより、スロープ電圧Ｖ２の用に、負荷電流に応じた電圧信号の矩形波制御が可能となる。つまり、本実施形態によれば、負荷電流の大小に応じて、電流源から流れる電流の大きさを可変させることにより、負荷電流に応じた電圧信号の矩形波制御が可能となる。
【００３１】
本実施形態では、制御回路全体として、負荷電流が大きいときパルス幅が狭くなるように（ここではオン時間が短くなるように）スイッチング周波数を制御し、負荷電流が小さいときパルス幅が広くなるように（ここではオン時間が長くなるように）にスイッチング周波数を制御する。
【００３２】
より具体的には、図の左方に示すように、負荷電流が小さいときは、電流源２４１に流す電流Ｉ１を小さく制御し、スロープ電圧Ｖ２の波形の傾斜を緩やかにすることで、スイッチング回数を少なくする。一方、図の右方に示すように、負荷電流が大きいときは、電流源２４１に流す電流Ｉ１を大きく制御し、スロープ電圧Ｖ２の波形の傾斜を急にすることで、スイッチング回数を多くする。
【００３３】
なお、本実施形態においては、上述したように、出力電流を制御する電流制御回路に係る基準電流回路２２において、スロープ電圧の最低周波数を決定する基準電流をスロープ電圧生成回路２４に出力している。そのため、出力電流が０に制御されている場合でも、電流Ｉ１の信号は、スロープ電圧Ｖ２の周波数が、人間の可聴領域である２０ｋＨｚ以下にならないように、制御されている。
【００３４】
また、スロープ傾斜制御回路２４６において、スロープ電圧ＶＣの鋸波形の傾きを決める回路を構成している。これにより、誤差増幅回路２６の動作点を変更する必要がなく、回路構成を簡素化することができる。スロープ電圧信号ＶＣのレベル、つまり傾斜の頂点で示す部分が、図の破線で示す誤差電圧信号ＶＡのレベルを超えると、ＰＷＭコンパレータ２７が反転し、スロープ電圧信号ＶＣの電圧がディスチャージされる。そして、矩形波信号Ｖ１がハイレベル（Ｈ）からロウレベル（Ｌ）に移行するタイミングで、チャージをスタートする。
【００３５】
ＲＳフリップフロップ２８のＳｅｔに矩形波信号Ｖ１が入力されることで、スイッチング駆動電圧ＶＴが立ち上がり、ＰＷＭコンパレータ２７の出力信号Ｖ３（VA信号とVC信号との比較結果）が、ＲＳフリップフロップ２８のＲｅｓｅｔに入力されると、スイッチング駆動電圧ＶＴが立ち下がる。
【００３６】
つまり、Ｖ１信号によって、負荷電流に応じたスイッチング周波数を制御することで、スイッチング損失を低減し、Ｖ３によって、スイッチング駆動電圧ＶＴのデューティー比を、オン期間が短くなるように制御し、リップル電圧を低減する。
【００３７】
この制御方法により、負荷電流が変化しても、負荷電流に応じたスイッチング周波数となるように制御しつつ、スイッチングパルスのデューティー比を制御することで、スイッチング損失を抑えつつ出力電圧のリップルを低減できるため、効率化を図ることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１    コンバータ回路部
２    制御回路部
３    負荷部
１１    インダクタ
１２    ショットキーバリアダイオード
１３    ＭＯＳＦＥＴ
２１    負荷電流制御回路
２２    基準電流回路
２３    電流設定回路
２４    スロープ電圧生成回路
２５    基準電圧回路
２６    誤差増幅回路
２７    ＰＷＭコンパレータ
２８    ＲＳフリップフロップ
２９    駆動回路
３１    ＬＥＤ素子
２４１、２４５    電流源
２４２    ディスチャージスイッチ
２４３    容量素子
２４４    パルス生成回路
２４６    スロープ傾斜制御回路
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３９】
【特許文献１】特開２００９−１６４３９７号公報
【図１】
2014233196.tif 000003
【図２】
2014233196.tif 000004
【図３】
2014233196.tif 000005