(57)【要約】【課題】低負荷時の効率を高めることが可能なスイッチングレギュレータを提供する。【解決手段】重負荷時にオン、オフ制御される重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）と、動作時は常時動作している常時動作用トランジスタ（QP2,QN2）と、重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）と常時動作用トランジスタ（QP2,QN2）とを制御する制御手段（出力ドライバ制御回路5に相当）と、負荷電流を検出する負荷電流検出手段（負荷電流検出回路4に相当）と、を有して構成し、制御手段（5）は、負荷電流検出手段（4）が検出した負荷電流値に応じて、重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）のオン、オフを制御する。【選択図】図１
2011024309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重負荷時にオン、オフ制御される重負荷用トランジスタと、
動作時は常時動作している常時動作用トランジスタと、
前記重負荷用トランジスタと、前記常時動作用トランジスタと、を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
負荷電流値に応じて、前記重負荷用トランジスタのオン、オフ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】
負荷電流を検出する負荷電流検出手段を有し、
前記制御手段は、
前記負荷電流検出手段が検出した負荷電流値に応じて、前記重負荷用トランジスタのオン、オフ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】
同期整流用のトランジスタを構成する上位トランジスタと下位トランジスタとを有し、
前記上位トランジスタと前記下位トランジスタとは、各々前記重負荷用トランジスタと、前記常時動作用トランジスタと、を有して構成し、
前記制御手段は、
前記負荷電流検出手段が検出した負荷電流値に応じて、前記上位トランジスタ及び前記下位トランジスタの前記重負荷用トランジスタのオン、オフを制御することを特徴とする請求項２記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記負荷電流検出手段が閾値以下の負荷電流値を検出している期間は、前記重負荷用トランジスタをオフ状態に制御し、前記常時動作用トランジスタをスイッチングするように制御することを特徴とする請求項２または３記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記負荷電流検出手段が閾値以下の負荷電流を検出していない期間は、前記重負荷用トランジスタをオン状態に制御し、前記重負荷用トランジスタと前記常時動作用トランジスタとをスイッチングするように制御することを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に記載のスイッチングレギュレータを搭載した電源回路。
【請求項７】
重負荷時にオン・オフ制御される重負荷用トランジスタと、動作時は常時動作している常時動作用トランジスタと、前記重負荷用トランジスタと前記常時動作用トランジスタとを制御する制御手段と、を有して構成するスイッチングレギュレータで行う制御方法であって、
前記制御手段は、
負荷電流値に応じて、前記重負荷用トランジスタのオン・オフを制御する工程を有することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器等に搭載される電源回路に用いられるスイッチングレギュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境対策上からも省エネルギーが求められており、携帯電話やデジタルカメラ等の電池を使用する携帯機器等においては、電池寿命を伸ばすという観点から、携帯機器内で消費する電力削減の重要度が増加している。
【０００３】
その結果、携帯機器等に搭載される電源回路としては、高効率でしかも小型化が可能な、インダクタを用いた非絶縁型の降圧型スイッチングレギュレータ（以下、スイッチングレギュレータと記載する）が広く用いられている。
【０００４】
しかし、スイッチングレギュレータは、定格負荷においては高効率であるが、スイッチングレギュレータ自体の消費電流が比較的多いため、携帯機器が待機状態又はスリープモード等の低消費電力状態となる軽負荷動作の場合は著しく効率が低下してしまう。
【０００５】
そのため、従来は、軽負荷動作時においても効率を向上させるため、スイッチングの周波数を下げたり、スイッチングを断続的に行ったり、スイッチングレギュレータの動作を停止して、低消費電流で動作するシリーズレギュレータに切り換えたりしていた。
【０００６】
しかし、スイッチングの周波数を下げる場合は、スイッチング周波数を20kHz以下の可聴周波数までは低下させることが出来ず限界があった。
【０００７】
また、スイッチングを断続的に行う場合は、出力電圧にリプルが発生するため、該リプルに対する対策が必要になる。
【０００８】
また、シリーズレギュレータに切り換える場合は、シリーズレギュレータの電圧制御トランジスタによる電力損失があるため、軽負荷動作時の負荷電流が極めて小さい場合は効果があるが、負荷電流が増えると効果が小さくなる。また、シリーズレギュレータを追加するため、回路規模が大きくなる。
【０００９】
このほかに、軽負荷動作時の効率を向上させるための方法として、軽負荷動作時にスイッチング時間の短いトランジスタを採用することで、スイッチング素子がオンからオフ、又はオフからオンに移行する過渡期に消費する電力を削減する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
しかし、スイッチング素子で消費する電力は、スイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子に加わる電圧との積であることから、軽負荷動作時、特に、待機時においてはスイッチング素子に流れる電流は数μＡ〜数百μＡと極めて小さいため、スイッチング時間の短縮で節約できるエネルギーも極めて少なく、電力削減の効果は小さいものとなる。
【００１１】
軽負荷動作時に電力消費の大きな割合を占めるものは、スイッチング素子の制御電極と入出力端子間（MOSトランジスタでは、ゲート−ソース間及びゲート−ドレイン間）に寄生している容量をドライブパルスで充放電するために消費する電力である。
【００１２】
この電力は、スイッチング素子に流れる電流とは無関係で一定である。このような寄生容量の充放電による損失を減らすためには、スイッチング素子を駆動する回数を減らすことが効果的である。そのため、従来は、スイッチング周波数を下げたり、スイッチングを断続的に行ったりしていたが、上述したように、周波数は、20KHz以下に下げることができず、断続的にした場合は出力にリプルが増えるなどの問題があり、著しい効果が期待できなかった。
【００１３】
また、シリーズレギュレータを追加する方式は、最近のようにLSIの微細化と大規模化が進み、待機時における負荷電流が数百μＡと比較的多くなると効率の向上が望めなくなり、しかも回路規模大きくなるという問題がある。
【００１４】
このようなことから、スイッチング素子の制御電極と入出力端子間にできる寄生容量の充放電に伴う損失を極めて小さくすることができるスイッチングレギュレータについて開示された文献がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１５】
上記特許文献２では、入力電圧Vddをスイッチングする第１のスイッチングトランジスタM1と、該第１のスイッチングトランジスタM1と比較して、制御電極と入出力端子間に寄生する寄生容量が小さく、かつ、オン時の入出力間のインピーダンスが大きい第２のスイッチングトランジスタM3と、を備え、外部からの切り換え信号Scに応じて、通常動作モード又は軽負荷動作モードに動作モードを切り換えるように構成され、通常動作モード時には、第１及び第２の各スイッチングトランジスタM1，M3が共にスイッチングし、軽負荷動作モード時には、第２のスイッチングトランジスタM3のみがスイッチングするようにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
なお、携帯機器等に搭載される電源回路に用いられるスイッチングレギュレータは、負荷電流に関係なく効率が良いことが要求される。このため、負荷電流に応じて回路動作を制御し、効率を向上させることにしている。
【００１７】
しかし、今までのスイッチングレギュレータでは、負荷電流が大きい場合に対応してドライバサイズを決めており、低負荷時において別の低負荷時用ドライバを駆動させる必要がある。このため、無駄な充放電が行われるため低負荷時の効率が低いことと回路面積が大きくなるという問題がある。
【００１８】
なお、上記特許文献２には、効率を高める目的で、通常動作モード時には、第１及び第２の各スイッチングトランジスタM1，M2が共にスイッチングし、軽負荷動作モード時には、第２のスイッチングトランジスタM2のみがスイッチングするようにしている。
【００１９】
しかし、上記特許文献２は、低負荷時の効率を高める点までについては考慮されていない。
【００２０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低負荷時の効率を高めることが可能なスイッチングレギュレータ、電源回路及び制御方法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】
【００２１】
かかる目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を有することとする。
【００２２】
＜スイッチングレギュレータ＞
本発明にかかるスイッチングレギュレータは、
重負荷時にオン、オフ制御される重負荷用トランジスタと、
動作時は常時動作している常時動作用トランジスタと、
前記重負荷用トランジスタと、前記常時動作用トランジスタと、を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
負荷電流値に応じて、前記重負荷用トランジスタのオン、オフを制御することを特徴とする。
【００２３】
＜電源回路＞
本発明にかかる電源回路は、
上記記載のスイッチングレギュレータを搭載したことを特徴とする。
【００２４】
＜制御方法＞
本発明にかかる制御方法は、
重負荷時にオン・オフ制御される重負荷用トランジスタと、動作時は常時動作している常時動作用トランジスタと、前記重負荷用トランジスタと前記常時動作用トランジスタとを制御する制御手段と、を有して構成するスイッチングレギュレータで行う制御方法であって、
前記制御手段は、
負荷電流値に応じて、前記重負荷用トランジスタのオン・オフを制御する工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、低負荷時の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態のスイッチングレギュレータ100の構成例を示す図である。
【図２】本実施形態のスイッチングレギュレータ100の処理動作例を説明するための第１の図である。
【図３】本実施形態のスイッチングレギュレータ100の処理動作例を説明するための第２の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
＜本実施形態のスイッチングレギュレータ100の概要＞
まず、図１、図２を参照しながら、本実施形態のスイッチングレギュレータ100の概要について説明する。
【００２８】
本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、図１に示すように、重負荷時にオン、オフ制御される重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）と、動作時は常時動作している常時動作用トランジスタ（QP2,QN2）と、重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）と常時動作用トランジスタ（QP2,QN2）とを制御する制御手段（出力ドライバ制御回路5に相当）と、負荷電流を検出する負荷電流検出手段（負荷電流検出回路4に相当）と、を有して構成する。
【００２９】
本実施形態の制御手段（5）は、図２に示すように、負荷電流検出手段（4）が検出した負荷電流値に応じて、重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）のオン、オフ（QP1制御信号、QN1制御信号のオン、オフ）を制御する。
【００３０】
このように、本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、負荷電流値に応じて、重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）のオン、オフ（QP1制御信号、QN1制御信号のオン、オフ）を制御することで、低負荷時の効率を高めることができる。以下、添付図面を参照しながら、本実施形態のスイッチングレギュレータ100について詳細に説明する。
【００３１】
＜スイッチングレギュレータ100の構成例＞
まず、図１を参照しながら、本実施形態のスイッチングレギュレータ100の構成例について説明する。図１は、スイッチングレギュレータ100の構成例を示す図である。
【００３２】
本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、CMOS集積回路を用いた同期整流型降圧スイッチングレギュレータである。本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、携帯機器等の電源回路に用いられる。
【００３３】
本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、DC‐DC変換回路10と、基準電圧発生回路1と、誤差増幅回路2と、PWM制御回路3と、負荷電流検出回路4と、出力ドライバ制御回路5と、を有して構成する。
【００３４】
DC‐DC変換回路10は、上位トランジスタ（QP1,QP2）と、下位トランジスタ（QN1,QN2）と、インダクタ（L1）と、コンデンサ（C1）と、を有して構成する。
【００３５】
上位トランジスタ（QP1,QP2）と、下位トランジスタ（QN1,QN2）と、は、同期整流用のトランジスタを構成する。上位トランジスタ（QP1,QP2）は、入力端子であるVDD端子に接続されている。また、下位トランジスタ（QN1,QN2）は、GND端子に接続されている。
【００３６】
本実施形態の上位トランジスタ（QP1,QP2）は、重負荷用トランジスタ（QP1）と、常時動作用トランジスタ（QP2）と、を有して構成する。また、下位トランジスタ（QN1,QN2）も上位トランジスタ（QP1,QP2）と同様に、重負荷用トランジスタ（QN1）と、常時動作用トランジスタ（QN2）と、を有して構成する。重負荷用トランジスタは、重負荷時にオン、オフ制御されるトランジスタである。常時動作用トランジスタは、動作時は常時動作しているトランジスタである。
【００３７】
インダクタ（L1）とコンデンサ（C1）は、エネルギー変換用に使用するものである。
【００３８】
DC‐DC変換回路10は、上位トランジスタ（QP1,QP2）と、下位トランジスタ（QN1,QN2）と、を構成する各トランジスタを交互にオン、オフし、直流電圧（Vout）を出力する。
【００３９】
基準電圧発生回路1は、所定の基準電圧を生成して出力する。
【００４０】
誤差増幅回路2は、DC‐DC変換回路10から出力された出力電圧と、基準電圧発生回路1から出力された基準電圧と、の電圧値を比較し、出力電圧値と基準電圧値との差分電圧値に応じた誤差信号を出力する。
【００４１】
PWM制御回路3は、誤差増幅回路2から出力された誤差信号を基に、PWM制御回路3から出力するPWM信号のパルス幅を制御し、上位トランジスタ（QP1,QP2）と下位トランジスタ（QN1,QN2）とのスイッチング制御を行い、DC‐DC変換回路10から出力される出力電圧値が一定となるように制御する。
【００４２】
負荷電流検出回路4は、負荷電流をモニタリングし、閾値以下の負荷電流値を検出した場合に、低負荷検出制御信号（High）を出力する。
【００４３】
出力ドライバ制御回路5は、PWM制御回路3から出力されたPWM信号を基に、DC‐DC変換回路10の上位トランジスタ（QP1,QP2）と、下位トランジスタ（QN1,QN2）と、に供給するゲートパルスを生成するものであり、出力ドライバ制御回路5は、PWM制御回路3から出力されたPWM信号を基に、上位トランジスタ（QP1,QP2）がオフした後に、下位トランジスタ（QN1,QN2）をオンするように制御する。
【００４４】
また、出力ドライバ制御回路5は、負荷電流検出回路4から出力された低負荷検出制御信号（High、Low）を基に、上位トランジスタ（QP1,QP2）と、下位トランジスタ（QN1,QN2）と、でオン、オフ状態にする重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）を制御する。
【００４５】
＜スイッチングレギュレータ100の処理動作例＞
次に、図２を参照しながら、本実施形態のスイッチングレギュレータ100で行う処理動作について説明する。図２は、負荷電流値に応じてオン状態にするトランジスタを制御する場合を説明するための図である。
【００４６】
負荷電流検出回路4は、負荷電流値が閾値以下になった場合に、出力ドライバ制御回路5に出力する低負荷検出制御信号を“Low"→“High"にする。
【００４７】
出力ドライバ制御回路5は、負荷電流検出回路4から出力された低負荷検出制御信号が“High"になった場合に、重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）をオフ状態に固定し、常時動作用トランジスタ（QP2,QN2）のみをスイッチングするように制御する。
【００４８】
この場合、出力ドライバ制御回路5は、上位トランジスタを構成する重負荷用トランジスタ（QP1）を制御するQP1制御信号は、“High"の状態に固定する。また、下位トランジスタを構成する重負荷用トランジスタ（QN1）を制御するQN1制御信号は、“Low"の状態に固定する。
【００４９】
また、出力ドライバ制御回路5は、負荷電流検出回路4から出力された低負荷検出制御信号が“Low"になった場合に、重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）と、常時動作用トランジスタ（QP2,QN2）と、の両方をスイッチングするように制御する。
【００５０】
低負荷時の効率を支配するのが、スイッチングレギュレータ100を構成する回路の消費電流である。この消費電流のうちで大きな割合を占めるのが、上位トランジスタ（QP1,QP2）と、下位トランジスタ（QN1,QN2）と、をオン、オフ状態にするための充放電電流である。
【００５１】
本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、負荷電流値に応じて、重負荷用トランジスタ（QP1,QN1）のオン、オフを制御し、トランジスタサイズを制御することにしている。これにより、充放電電流が小さくなり、スイッチングレギュレータ100を構成する回路の消費電流も小さくなるので、低負荷時の効率を向上させることができる。
【００５２】
また、本実施形態のスイッチングレギュレータ100は、低負荷時用のトランジスタを用意する必要がないので、回路面積を大きくする必要が無い。このため、回路面積を小さくすることができる。
【００５３】
なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
【００５４】
例えば、図１には、CMOS集積回路を用いた同期整流型降圧スイッチングレギュレータを示したが、CMOS集積回路に限定する必要はなく、他の集積回路を用いることも可能である。
【００５５】
また、図２では、出力ドライバ制御回路5は、負荷電流検出回路4から出力された低負荷検出制御信号が“High"になった後に、上位トランジスタを構成する重負荷用トランジスタ（QP1）を制御するQP1制御信号が“High"になった場合に、そのQP1制御信号を“High"の状態に固定することにした。しかし、図３に示すように、出力ドライバ制御回路5は、負荷電流検出回路4から出力された低負荷検出制御信号が“High"になった場合に直ちに、QP1制御信号を“High"の状態に固定するように構築することも可能である。なお、下位トランジスタを構成する重負荷用トランジスタ（QN1）を制御するQN1制御信号についても同様に構築することは可能である。
【００５６】
また、上述した本実施形態におけるスイッチングレギュレータ100を構成する各装置における制御動作は、ハードウェア、または、ソフトウェア、あるいは、両者の複合構成を用いて実行することも可能である。
【００５７】
なお、ソフトウェアを用いて処理を実行する場合には、処理シーケンスを記録したプログラムを、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータ内のメモリにインストールして実行させることが可能である。あるいは、各種処理が実行可能な汎用コンピュータにプログラムをインストールして実行させることが可能である。
【００５８】
例えば、プログラムは、記録媒体としてのハードディスクやROM（Read Only Memory）に予め記録しておくことが可能である。あるいは、プログラムは、リムーバブル記録媒体に、一時的、あるいは、永続的に格納（記録）しておくことが可能である。このようなリムーバブル記録媒体は、いわゆるパッケージソフトウエアとして提供することが可能である。なお、リムーバブル記録媒体としては、フロッピー（登録商標）ディスク、CD-ROM（Compact Disc Read Only Memory）、MO（Magneto optical）ディスク、DVD（Digital Versatile Disc）、磁気ディスク、半導体メモリなどが挙げられる。
【００５９】
なお、プログラムは、上述したようなリムーバブル記録媒体からコンピュータにインストールすることになる。また、ダウンロードサイトから、コンピュータに無線転送することになる。また、ネットワークを介して、コンピュータに有線で転送することになる。
【００６０】
また、本実施形態におけるスイッチングレギュレータ100は、上記実施形態で説明した処理動作に従って時系列的に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力、あるいは、必要に応じて並列的にあるいは個別に実行するように構築することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、携帯電話や、デジタルカメラ等の携帯機器に適用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１００    スイッチングレギュレータ
１０    DC-DC変換回路
１    基準電圧発生回路
２    誤差増幅回路
３    PWM制御回路
４    負荷電流検出回路
５    出力ドライバ制御回路
QP1、QP2    上位トランジスタ
QN1、QN2    下位トランジスタ
L1    インダクタ
C1    コンデンサ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６３】
【特許文献１】特開２０００−２１７３４４号公報
【特許文献２】特開２００５−１６０２５４号公報
【図１】
2011024309.tif 000003
【図２】
2011024309.tif 000004
【図３】
2011024309.tif 000005