(57)【要約】【課題】軽負荷時の出力電圧の高精度を実現した低リップル・高精度出力電圧を得る。【解決手段】入力電圧Ｖｄｄと接地電位との間にハイサイドスイッチ１５とローサイドスイッチ１４を直列接続し、結合部と出力端子間にインダクタ１７とコンデンサ１８を接続する。電流検出器１６はローサイドスイッチ１４の電流を検出して電流信号ＶＩＬを出力し、エラーアンプ３からはフィードバック抵抗１，２で出力の分割電圧と第１基準電圧とを比較増幅して、誤差信号ＶＥを出力する。第１比較器５の誤差信号ＶＥと電流信号ＶＩＬの比較した出力信号ＶＸによって、制御回路６はハイサイドスイッチ１５をオンする。このオン時間はタイマー回路４に入力するインダクタ１７電流ＩＬに応じたラッチ回路１０の出力で決定され、制御回路６をリセットする。ハイサイドスイッチ１５とローサイドスイッチ１４を相補的にオン・オフして、所定電圧に出力電圧Ｖoutを安定させる。【選択図】図１
2006149056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期整流器トポロジーを有し、入力電圧をより低い出力電圧を出力するための谷電流制御バック変換器を有するＤＣ−ＤＣコンバータであって、
入力電圧と接地電位との間に直列に結合したハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチと、前記ハイサイドスイッチとローサイドスイッチ間のスイッチ結合部と出力端子間に接続したインダクタと、前記インダクタに流れる電流を測定する電流検出器と、前記出力端子に直列接続した第１抵抗と第２抵抗によって分割した電圧と第１基準電圧との誤差信号を出力するエラーアンプと、前記電流検出器と前記エラーアンプの出力を比較する第１比較器と、前記電流検出器による電圧降下と複数の基準電圧を比較する複数の第２比較器と、前記複数の第２比較器の各出力を接続したラッチ回路と、前記第１比較器の出力によって前記ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを相補的にオン・オフする制御回路と、前記ラッチ回路の出力によって前記制御回路を制御するタイマー回路とを備え、前記制御回路のオン時間を前記インダクタに流れる電流によって可変することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
同期整流器トポロジーを有し、入力電圧をより低い出力電圧を出力するための谷電流制御バック変換器を有するＤＣ−ＤＣコンバータであって、
入力電圧と接地電位との間に直列に結合したハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチと、前記ハイサイドスイッチとローサイドスイッチ間のスイッチ結合部と出力端子間に接続したインダクタと、前記インダクタに流れる電流を測定する電流検出器と、前記出力端子に直列接続した第１抵抗と第２抵抗によって分割した電圧と第１基準電圧との誤差信号を出力するエラーアンプと、前記電流検出器と前記エラーアンプの出力を比較する第１比較器と、前記電流検出器による電圧降下と第２基準電圧を比較する第２比較器と、前記電流検出器による電圧降下と第３基準電圧を比較する第３比較器と、前記電流検出器による電圧降下と第４基準電圧を比較する第４比較器と、前記第２，３，４比較器の各出力を接続したラッチ回路と、前記第１比較器の出力によって前記ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを相補的にオン・オフする制御回路と、前記ラッチ回路の出力によって前記制御回路を制御するタイマー回路とを備え、前記制御回路のオン時間を前記インダクタに流れる電流によって可変することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記ラッチ回路の出力によって前記制御回路のオン時間を制御するタイマー回路は、定電流源により複数のコンデンサに充電する回路により構成したことを特徴とする請求項１または２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記ラッチ回路の出力によって前記制御回路のオン時間を制御するタイマー回路は、複数の定電流源を切り換えて単数のコンデンサに充電する回路により構成したことを特徴とする請求項１または２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器に安定した直流電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータであって、特にその主構成要素であるスイッチのオフ時間を調整する制御方式により低リップル・高精度出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータのＣＰＵ用電源などに、ＤＣ−ＤＣコンバータがよく用いられる。一般的にＤＣ−ＤＣコンバータは、インダクタと、電源電圧と接地電位の間に直列に接続したハイサイドスイッチとローサイドスイッチにより構成され、このハイサイドスイッチとローサイドスイッチが交互にオン・オフを繰り返すことによって、インダクタは磁気エネルギーの蓄積と放出を繰り返し、その際に発生する交流電圧が整流されて、負荷へ出力電圧として供給される。
【０００３】
また、前記出力電圧は、ハイサイドスイッチの１周期におけるオン時間の割合によって調整される。インダクタに流れる電流はスイッチのオン・オフにより増加・減少を繰り返す三角波形状であって、カレントモード制御方式においては、通常そのピーク値もしくは谷値を制御することで、ハイサイドスイッチのオン時間もしくはオフ時間を制御する。
【０００４】
オン時間制御は、ハイサイドスイッチに流れる電流を検出する必要があり、検出回路とその周辺回路が電源電圧側に構成される。このため、変動の想定される電源電圧に対し、正確な電流検出を行うには回路構成が複雑になる。これに対して、ローサイドスイッチに流れる電流を検出するオフ時間制御は、検出回路とその周辺回路が接地側に設定されるので回路構成が簡素である。
【０００５】
さらに最近の出力電圧の低下傾向に伴い、ハイサイドスイッチのオン時間は短くなる傾向にある。オン時間制御方式ではハイサイドスイッチがオンしている短時間の間に検出及び制御をしなければならないが、オフ時間制御方式では、ハイサイドスイッチがオフしている間に検出及び制御すればよく、制御時間を長くとることができる。以上のような理由から特許文献１のようにオフ時間制御方式に関する考案がなされている。
【特許文献１】特開２００１−１３６７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような構成の従来技術では、軽負荷時において間欠動作をすることになる。これは設定電圧まで出力電圧が落ちたことを検出したときのみスイッチング動作を行うためで、出力電圧と設定電圧におけるＤＣずれが最大でリップル電圧の１／２発生するという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、軽負荷時の出力電圧の高精度を実現した低リップル・高精度出力電圧を得られるＤＣ−ＤＣコンバ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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載されたＤＣ−ＤＣコンバータは、同期整流器トポロジーを有し、入力電圧をより低い出力電圧を出力するための谷電流制御バック変換器を有するＤＣ−ＤＣコンバータであって、入力電圧と接地電位との間に直列に結合したハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチと、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチ間のスイッチ結合部と出力端子間に接続したインダクタと、インダクタに流れる電流を測定する電流検出器と、出力端子に直列接続した第１抵抗と第２抵抗によって分割した電圧と第１基準電圧との誤差信号を出力するエラーアンプと、電流検出器とエラーアンプの出力を比較する第１比較器と、電流検出器による電圧降下と複数の基準電圧を比較する複数の第２比較器と、複数の第２比較器の各出力を接続したラッチ回路と、第１比較器の出力によってハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを相補的にオン・オフする制御回路と、ラッチ回路の出力によって制御回路を制御するタイマー回路とを備え、制御回路のオン時間をインダクタに流れる電流によって可変することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載されたＤＣ−ＤＣコンバータは、同期整流器トポロジーを有し、入力電圧をより低い出力電圧を出力するための谷電流制御バック変換器を有するＤＣ−ＤＣコンバータであって、入力電圧と接地電位との間に直列に結合したハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチと、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチ間のスイッチ結合部と出力端子間に接続したインダクタと、インダクタに流れる電流を測定する電流検出器と、出力端子に直列接続した第１抵抗と第２抵抗によって分割した電圧と第１基準電圧との誤差信号を出力するエラーアンプと、電流検出器とエラーアンプの出力を比較する第１比較器と、電流検出器による電圧降下と第２基準電圧を比較する第２比較器と、電流検出器による電圧降下と第３基準電圧を比較する第３比較器と、電流検出器による電圧降下と第４基準電圧を比較する第４比較器と、第２，３，４比較器の各出力を接続したラッチ回路と、第１比較器の出力によってハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを相補的にオン・オフする制御回路と、ラッチ回路の出力によって制御回路を制御するタイマー回路とを備え、制御回路のオン時間をインダクタに流れる電流によって可変することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載されたＤＣ−ＤＣコンバータは、請求項１，２記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、ラッチ回路の出力によって制御回路のオン時間を制御するタイマー回路は、定電流源により複数のコンデンサに充電する回路により構成したことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【００１１】
また、請求項４に記載されたＤＣ−ＤＣコンバータは、請求項１，２記載のＤＣ−ＤＣコンバータであって、ラッチ回路の出力によって制御回路のオン時間を制御するタイマー回路は、複数の定電流源を切り換えて単数のコンデンサに充電する回路により構成したことを特徴とする。
【００１２】
前記構成によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータに負荷電流を監視してオン時間を可変する回路を追加し、その回路によって出力端子のインダクタに流れるピーク電流を制御し軽負荷時のオン時間を短くして、軽負荷時であっても連続動作を維持でき、出力電圧を高精度化できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ハイサイドスイッチのオフ時間を制御する方式において、軽負荷時でも連続モードで動作して、従来技術よりも広い負荷範囲で出力電圧を高精度に得ることができ、また従来の間欠動作に比べて、オン時間を短くしたことから間欠動作時の出力リップル電圧を低減でき、出力端子におけるＤＣずれの原因であった出力リップル電圧を小さくし、出力電圧の高精度化を実現することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの概略構成を示す回路図である。図１において、１，２はフィードバック抵抗、３はエラーアンプ、４はタイマー回路、５は第１比較器、６はスイッチング制御を行う制御回路、１０はＲＳラッチ７，８，９からなるラッチ回路、１１，１２，１３は第２，第３，第４比較器、１４は整流器であるローサイドスイッチ、１５はスイッチング手段であるハイサイドスイッチ、１６は電流検出器、１７はインダクタ、１８は平滑手段であるコンデンサである。
【００１６】
図１に示す本実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの動作について以下に説明する。入力電圧Ｖｄｄと接地電位との間にハイサイドスイッチ１５とローサイドスイッチ１４を直列に接続し、これらスイッチの結合部と出力端子との間にインダクタ１７とコンデンサ１８を、フィルタ回路を構成するように接続する。
【００１７】
電流検出器１６はローサイドスイッチ１４の電流を検出し、電流信号ＶＩＬを出力する。電流検出回路として、エラーアンプ３と電流検出器１６と第１比較器５から構成される。エラーアンプ３からはフィードバック抵抗１，２により出力電圧Ｖoutを分割した電圧と第１基準電圧とを比較増幅し、誤差信号ＶＥを出力する。第１比較器５では誤差信号ＶＥと電流検出器１６による電圧降下の電流信号ＶＩＬとを比較する。
【００１８】
制御回路６は、入力される第１比較器５からの出力信号ＶＸによってローサイドスイッチ１４がオフしていることを確認し、ハイサイドスイッチ１５をオンする。このオン時間はタイマー回路４への後述する入力信号とこれに応じた出力によって決定される。また、タイマー回路４の出力により制御回路６をリセットする。
【００１９】
これにより、ハイサイドスイッチ１５とローサイドスイッチ１４を相補的にオン・オフして、所定の電圧に出力電圧Ｖoutを安定させるよう動作する。
【００２０】
次に、本実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの動作波形を示す図２を参照しながら説明する。図２（ａ）は図１に示すインダクタ１７に流れる電流ＩＬが大きいときの連続した動作の波形である。インダクタ１７に流れる電流ＩＬが減少していくと、図２（ｂ）に示すような間欠動作の波形になる。図２（ｂ）に示す間欠動作時にはオン時間が固定されているため、出力のリップル電圧ΔＶrplの波形間隔はインダクタ１７に流れる電流が大きいときと変わらない。そのため間欠動作時においては出力電圧ＶoutにＤＣバラツキが発生し、出力電圧Ｖoutを高精度に出力することが困難となる。
【００２１】
本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータではオン時間をインダクタ１７に流れる電流に合わせて可変するために連続動作する範囲が広がり、図２（ｃ）に示す波形のように出力のリップル電圧ΔＶrplが１／ｎに減少し、出力電圧Ｖoutの高精度化が可能となる。
【００２２】
また、電流検出器１６の出力する電流信号ＶＩＬは、第２，第３，第４比較器１１，１２，１３にもそれぞれ入力される。図３に示すように動作波形（ａ），（ｂ），（ｃ）は、ハイサイドスイッチ１５とローサイドスイッチ１４間のＬＸ電圧の波形を表している。ＬＸ電圧はローサイドスイッチ１４のオン抵抗によって電圧ΔＶを発生する。この電圧ΔＶはインダクタ１７に流れる電流ＩＬが大きくなるにつれて大きくなる。このため、インダクタ１７に流れる電流ＩＬが大きくなるとタイマー回路４が動作して制御回路６により制御されるスイッチのオン時間を長くする。
【００２３】
そこで、第２，第３，第４比較器１１，１２，１３の出力をそれぞれ入力するラッチ回路１０内にけたＲＳラッチ７〜９にＬＸ電圧を入力し、第２，第３，第４比較器１１，１２，１３の出力をラッチ回路１０に保持する。
【００２４】
いま、図３（ｃ）に示すように、インダクタ１７に流れる電流が大きいときは、第２，第３，第４比較器１１，１２，１３が動作し、ＬＸ電圧が「−Ｖｔ」まで電圧が下がったことをトリガにして、タイマー回路４へラッチ回路１０からＬ２out，Ｌ３out，Ｌ４outを出力する。
【００２５】
そして、インダクタ１７に流れる電流が小さくなると、第２，第３比較器１１，１２が動作し、タイマー回路４へラッチ回路１０からＬ２out，Ｌ３outを出力する。
【００２６】
さらに、インダクタ１７に流れる電流が小さくなると、第２比較器１１のみが動作し、タイマー回路４へラッチ回路１０からＬ２outを出力する。
【００２７】
このようにして、インダクタ１７に流れる電流によって動作する比較器を、複数個準備することによって、インダクタ１７に流れる電流値に応じてオン時間を可変することが可能となる。
【００２８】
図４（ａ）は本実施の形態におけるタイマー回路の構成を示す回路図である。この動作を図１を参照しながら図４（ａ）に基づき説明する。いま、ラッチ回路１０からＬ２out，Ｌ３out，Ｌ４outが全て出力されてきた場合、インダクタ１７に流れる電流ＩＬが大きいのでオン時間を延ばす動作をする。そのために、タイマー回路４のスイッチ２３，２５，２７がオンすることによって、オン時間を延ばす。またＲＳラッチ７，８，９によって、次にＬＸ電圧が「−Ｖｔ」に下がるまで値を保持する。
【００２９】
図４（ｂ）に示すように、スイッチ２３，２５，２７のオンする組み合わせに応じて、Ｔｏｎ２，３，４の時間が変化することで、制御回路６のスイッチをオンする時間を可変することができる。
【００３０】
以上のように、タイマー回路４はインダクタ１７に流れる電流ＩＬによってオン時間を可変することが可能となる。なお、図１に示す第２，第３，第４比較器１１，１２，１３と、ラッチ回路１０のＲＳラッチ７，８，９と、タイマー回路４の図４に示すスイッチ２３，２５，２７と電流源２４，２６，２８をｎ個用いることによって、オン時間をｎ分割することができる。本実施の形態の図１，図４に示す例ではｎ＝３として記載したが、これに限定されるものでなく任意の数で構成することも可能である。
【００３１】
なお、タイマー回路４においても別の構成例として、１つの定電流源により複数のコンデンサを充電する構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、ハイサイドスイッチのオフ時間を制御する方式において、軽負荷時でも連続モードで動作し、広い負荷範囲で出力電圧を高精度に得ること、また間欠動作のオン時間を短くして間欠動作時の出力リップル電圧を低減でき、出力リップル電圧を小さくし出力電圧の高精度化を実現でき、スイッチング手段のオン時間、オフ時間を調整することで出力を制御するＤＣ−ＤＣコンバータに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの概略構成を示す回路図
【図２】本実施の形態におけるインダクタに大きい電流が流れたときの動作波形（ａ）、インダクタに流れる電流が減少した間欠動作波形（ｂ）、インダクタに流れる電流の時間を可変した動作波形（ｃ）を示す図
【図３】本実施の形態におけるＬＸ電圧でインダクタの電流が小さいときの波形（ａ）、インダクタの電流が中ぐらい時の波形（ｂ）、インダクタの電流が大きいときの波形（ｃ）を示す図
【図４】本実施の形態におけるタイマー回路の（ａ）は構成を示す回路図、（ｂ）はＴｏｎの時間を示す図
【符号の説明】
【００３４】
１，２  フィードバック抵抗
３  エラーアンプ
４  タイマー回路
５  第１比較器
６  制御回路
７，８，９  ＲＳラッチ
１０  ラッチ回路
１１  第２比較器
１２  第３比較器
１３  第４比較器
１４  ローサイドスイッチ
１５  ハイサイドスイッチ
１６  電流検出器
１７  インダクタ
１８，２９  コンデンサ
２１  定電流源
２２  基準電流源
２３，２５，２７  スイッチ
２４，２６，２８  電流源
３０  比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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