(57)【要約】【課題】スイッチングレギュレータのコイルを小型化して半導体に内蔵される程度のものとする。【解決手段】スイッチング素子を含み、このスイッチング素子をオンオフするドライバ回路１１と、出力電圧に基づいて前記スイッチング素子を制御して電圧上昇モードか電圧降下モードかの２モードを切り換えるフィードバック制御回路と、前記２モードの切換周波数よりも高い周波数の第１の周波数と第２の周波数との対のスイッチング制御信号を発生する信号発生回路１２と、前記フィードバック制御回路の切り換えに基づき前記第１の周波数のスイッチング制御信号と前記第２の周波数のスイッチング制御信号との一方を選択して前記ドライバ回路へ与える選択回路１３とを具備する。【選択図】図１
2019033561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力段において、チョークコイルとコンデンサによって平滑化を行って出力を得るスイッチングレギュレータにおいて、
スイッチング素子を含み、このスイッチング素子をオンオフするドライバ回路と、
出力電圧に基づいて前記スイッチング素子を制御して電圧上昇モードか電圧降下モードかの２モードを切り換えるフィードバック制御回路と、
前記フィードバック制御回路による２モードの切換周波数よりも高い周波数の第１の周波数と第２の周波数との対のスイッチング制御信号を発生する信号発生回路と、
前記フィードバック制御回路の切り換えに基づき前記第１の周波数のスイッチング制御信号と前記第２の周波数のスイッチング制御信号との一方を選択して前記ドライバ回路へ与える選択回路と
を具備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】
前記信号発生回路は、第１の周波数と第２の周波数とによる第１の対のスイッチング制御信号、第３の周波数と第４の周波数とによる第２の対のスイッチング制御信号、第５の周波数と第６の周波数とによる第３の対のスイッチング制御信号、・・・、第ｎ−１の周波数と第ｎ（４以上の整数）の周波数とによる第ｍ（２以上の整数）の対のスイッチング制御信号を発生するものであり、
前記信号発生回路には、前記第１の対、前記第２の対、前記第３の対、・・・、前記第ｍの対のスイッチング制御信号のいずれかを出力可能とする指示手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項３】
前記各対のスイッチング制御信号の周波数を、前記２モードの切換周波数よりも高い周波数としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項４】
前記各対のスイッチング制御信号の一方のデューティ比を５０パーセント以上とし、対のスイッチング制御信号の他方のデューティ比を５０パーセント未満としたことを特徴とする請求項請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項５】
デューティ比が第１の値であるスイッチング制御信号を前記電圧上昇モードにおいて選択し、デューティ比が第２の値であるスイッチング制御信号を前記電圧降下モードにおいて選択して、入力電圧から所望の出力電圧を得ることを特徴とする請求項４に記載のスイッチングレギュレータ。
【請求項６】
前記スイッチング素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
この電流検出回路により検出された信号が所定値を超えたことを検出し、前記電圧降下モードを実行する比較回路と、
を具備したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスイッチングレギュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、出力段において、チョークコイルとコンデンサによって平滑化を行って出力を得るスイッチングレギュレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のスイッチングレギュレータ、特にＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、フィードバック制御によりスイッチング素子をオンオフしている。このようなフィードバック制御を採用したＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、エラーアンプを用いてＰＷＭ制御とＰＦＭ制御を行っている（特許文献１）。
【０００３】
上記のようなＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング素子をオンとしたときにチョークコイルに図１（ａ）に示すような電流が流れる。スイッチング素子をオンオフするドライバの出力電圧は図１（ｂ）に示すようである。図１（ａ）に示すインダクタ電流はチョークコイルのインピーダンスによって傾きが変化する。つまり、チョークコイルのインピーダンスが大きくなるほど傾斜が緩くなり、インピーダンスが小さくなるほど傾斜が急になる。チョークコイルのインピーダンスの大きさは、チョークコイルの物理的な大きさに対応する。
【０００４】
一方、スイッチングレギュレータにおいても半導体チップとして提供できることが要請されており、チョークコイルについても半導体チップに内蔵されていることが望ましい。即ち、チョークコイルの小型化の要請がある。
【０００５】
チョークコイルを小型化し、インピーダンスが低下し、インダクタ電流の傾きが急峻な場合においても、スイッチング素子のオン時間を短くすることによって電流値が大きくなる前にスイッチング素子をオフとすることができる。そのため、フィードバック制御の動作周波数を上げて、オンオフの切り換えを素早くすることにより、インダクタ電流が大電流となる不具合を防ぐことが考えられる。上記ＤＣ−ＤＣコンバータのフィードバック制御を行う手段としてはオペアンプを用いているため、動作周波数を上げるためには高帯域のアンプを用いることになるが、オペアンプの動作周波数には限界があり、せいぜい数ＭＨz程度が限界であり、大電流を防止することはできない。
【０００６】
特許文献２には、安定して所定電圧を出力するリップルコンバータ型のＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。この特許文献２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいても、コンパレータを用いており、このコンパレータの出力をオン時間制御回路へ与えて、このオン時間制御回路によりスイッチング素子のドライバを制御するように構成されている。この特許文献２のＤＣ−ＤＣコンバータにあっても動作周波数の限界から、チョークコイルに流れる大電流を抑制することは困難である。
【０００７】
特許文献３には、ヒステリシス付コンパレータを用いたヒステリシス幅の制御により、スイッチングレギュレータのインダクタに流れるコイル電流に応じて、コイル電流が大きいほどパルス変調信号の周波数が大きくなるようにパルス幅変調器を制御すること記載されている。この特許文献３のＤＣ−ＤＣコンバータでは、特許文献１のＤＣ−ＤＣコンバータにおけるエラーアンプに代えてコンパレータを用いているため、フィードバックループの応答性を向上させ、より高速なスイッチングを可能としている。
【０００８】
この特許文献３では、ＤＣ−ＤＣコンバータにあっても動作周波数を規定する要素はコンパレータである。即ち、動作周波数を上げるためには高帯域のコンパレータが必要である。この場合、回路構成上の理由から動作周波数を数十ＭＨz程度までしか上げることができない。このＤＣ−ＤＣコンバータは、特許文献１、２のものに比べて動作周波数が高くコイル電流をやや小さくできるものの、半導体チップに内蔵されるコイルに流すことが許容される程度まで小さいものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２４５４００９号公報
【特許文献２】特開２００６−１４５５９号公報
【特許文献３】特開２０１１−１３９６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このようなスイッチングレギュレータにおける現状に鑑みてなされたもので、その目的は、フィードバック制御の方式を採用したものでありながら、コイルに流れる電流を小さくすることができるスイッチングレギュレータを提供することである。別の言い方をすれば、コイルに流れる電流が小さく、従ってコイルを小型化して半導体に内蔵される程度のものとすることが可能な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】
【００１１】
本発明に係るスイッチングレギュレータは、出力段において、チョークコイルとコンデンサによって平滑化を行って出力を得るスイッチングレギュレータにおいて、スイッチング素子を含み、このスイッチング素子をオンオフするドライバ回路と、出力電圧に基づいて前記スイッチング素子を制御して電圧上昇モードか電圧降下モードかの２モードを切り換えるフィードバック制御回路と、前記フィードバック制御回路による２モードの切換周波数よりも高い周波数の第１の周波数と第２の周波数との対のスイッチング制御信号を発生する信号発生回路と、前記フィードバック制御回路の切り換えに基づき前記第１の周波数のスイッチング制御信号と前記第２の周波数のスイッチング制御信号との一方を選択して前記ドライバ回路へ与える選択回路とを具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るスイッチングレギュレータでは、前記信号発生回路は、第１の周波数と第２の周波数とによる第１の対のスイッチング制御信号、第３の周波数と第４の周波数とによる第２の対のスイッチング制御信号、第５の周波数と第６の周波数とによる第３の対のスイッチング制御信号、・・・、第ｎ−１の周波数と第ｎ（４以上の整数）の周波数とによる第ｍ（２以上の整数）の対のスイッチング制御信号を発生するものであり、前記信号発生回路には、前記第１の対、前記第２の対、前記第３の対、・・・、前記第ｍの対のスイッチング制御信号のいずれかを出力可能とする指示手段が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るスイッチングレギュレータでは、前記各対のスイッチング制御信号の周波数を、前記２モードの切換周波数よりも高い周波数としたことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るスイッチングレギュレータでは、前記各対のスイッチング制御信号の一方のデューティ比を５０パーセント以上とし、対のスイッチング制御信号の他方のデューティ比を５０パーセント未満としたことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係るスイッチングレギュレータでは、デューティ比が第１の値であるスイッチング制御信号を前記電圧上昇モードにおいて選択し、デューティ比が第２の値であるスイッチング制御信号を前記電圧降下モードにおいて選択して、入力電圧から所望の出力電圧を得ることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るスイッチングレギュレータでは、前記スイッチング素子を流れる電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回路により検出された信号が所定値を超えたことを検出し、前記電圧降下モードを実行する比較回路と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、出力電圧に基づいてスイッチング素子を制御して電圧上昇モードか電圧降下モードかの２モードを切り換える動作を行い、この２モードの切換周波数よりも高い周波数の第１の周波数と第２の周波数との対のスイッチング制御信号を発生させ、上記２モードの切り換えに基づき前記第１の周波数のスイッチング制御信号と前記第２の周波数のスイッチング制御信号との一方を選択してドライバ回路へ与えるので、フィードバック制御回路の動作周波数である２モードの切換周波数よりも高い周波数の第１の周波数と第２の周波数との対のスイッチング制御信号を用いてスイッチング素子をオンオフすることになり、コイルを小型化して半導体に内蔵される程度のものとすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来のスイッチングレギュレータにおけるインダクタ電流波形とドライバ電圧波形を示す図。
【図２】本発明のスイッチングレギュレータにおける第１の実施形態を示す図。
【図３】本発明のスイッチングレギュレータにおける第１の実施形態の各部の波形を示す図。
【図４】本発明のスイッチングレギュレータにおける第２の実施形態を示す図。
【図５】本発明のスイッチングレギュレータにおける第３の実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下添付図面を参照して、本発明の実施形態に係るスイッチングレギュレータを説明する。各図において、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図２に、第１の実施形態に係るスイッチングレギュレータのブロック図を示す。このスイッチングレギュレータはフィードバック制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータである。このＤＣ−ＤＣコンバータには、ドライバ回路１１が備えられている。
【００２０】
上記ドライバ回路１１には、出力段を構成するチョークコイルＬ１が接続され、このチョークコイルＬ１とグランド間にはコンデンサＣ１が接続されている。このチョークコイルＬ１とコンデンサＣ１によって平滑化を行って出力を得る構成とされている。
【００２１】
図２の比較回路Ｓ１は、フィードバック制御回路を構成する。フィードバック制御回路である比較回路Ｓ１は、出力電圧に基づいてスイッチング素子を制御して電圧上昇モードか電圧降下モードかの２モードを切り換えるものである。ここに、出力電圧は、チョークコイルＬ１とコンデンサＣ１の接続点とグランド間に接続された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２による直列回路の接続点から得ている。
【００２２】
このＤＣ−ＤＣコンバータには、信号発生回路１２が備えられている。信号発生回路１２は、上記フィードバック制御回路による２モードの切換周波数よりも高い周波数の第１の周波数と第２の周波数との対のスイッチング制御信号ｎ１、ｎ２を発生する。信号発生回路１２の出力は、選択回路１３へ与えられている。
【００２３】
選択回路１３は、上記フィードバック制御回路である比較回路Ｓ１の切り換えに基づき上記第１の周波数のスイッチング制御信号ｎ１と上記第２の周波数のスイッチング制御信号ｎ２との一方を選択して上記ドライバ回路１１へ与える。
【００２４】
本実施形態では、電流検出回路１４と比較回路Ｓ２が備えられている。電流検出回路１４は、ドライバ回路１１内のスイッチング素子を流れる電流を検出するものである。比較回路Ｓ２は、上記の電流検出回路１４により検出された信号が所定値を超えたことを検出し、上記電圧降下モードを実行するものである。この電流検出回路１４と比較回路Ｓ２によって、スイッチング素子を流れる電流が過大となり、出力電流が過大となる不具合が防止され、ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷Ｒ３の保護が図られている。
【００２５】
以上のように構成された第１の実施形態の動作を説明する。フィードバック制御回路である比較回路Ｓ１は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２により分圧された出力電圧に対応する電圧に基づき電圧上昇モードか電圧降下モードかの２モードを切り換えるモード切換信号を出力する（図３（ａ））。この電圧上昇モードの期間は、従来のＰＷＭ制御におけるスイッチング素子をオンとする期間に相当し、電圧降下モードの期間は、従来のＰＷＭ制御におけるスイッチング素子をオフとする期間に相当する。
【００２６】
信号発生回路１２は、２モードの切換周波数よりも高い周波数の第１の周波数と第２の周波数との対のスイッチング制御信号ｎ１、ｎ２を発生する（図３（ｂ）、図３（ｃ））。本実施形態では、対のスイッチング制御信号の周波数は、上記２モードの切換周波数よりも高い周波数であれば適宜な値とすることができる。また、対のスイッチング制御信号の一方であるスイッチング制御信号ｎ１のデューティ比を５０パーセント以上とし、対のスイッチング制御信号の他方であるスイッチング制御信号ｎ２のデューティ比を５０パーセント未満とすることができるが、これに限定されない。即ち、スイッチングレギュレータの入力と出力の関係によって、対のスイッチング制御信号の一方であるスイッチング制御信号ｎ１のデューティ比の値と、対のスイッチング制御信号の他方であるスイッチング制御信号ｎ２のデューティ比の値を決定することができる。具体的には、スイッチング制御信号ｎ１のデューティ比を例えば８０％とし、スイッチング制御信号ｎ２のデューティ比を例えば２０％とすることにより、スイッチングレギュレータの或る(第１の)入力電圧から所望の出力電圧を得ることができるし、スイッチング制御信号ｎ１のデューティ比を例えば４０％とし、スイッチング制御信号ｎ２のデューティ比を例えば７０％とすることにより、スイッチングレギュレータの或る(第２の)入力電圧から上記とは別の所望の出力電圧を得ることもできる。
【００２７】
選択回路１３は、フィードバック制御回路である比較回路Ｓ１から電圧上昇モードを示すモード切換信号が与えられると、デューティ比が例えば８０％のスイッチング制御信号ｎ１を選択してドライバ回路１１へ出力し、また、電圧降下モードを示すモード切換信号が与えられると、デューティ比が例えば２０％のスイッチング制御信号ｎ２を選択してドライバ回路１１へ出力する（図３（ｄ））。
【００２８】
この結果、デューティ比が８０％のスイッチング制御信号ｎ１がドライバ回路１１へ与えられているときには、スイッチング制御信号ｎ１によりスイッチング素子がオンオフされ、図３（ｅ）の期間Ｕに示されるように、インダクタ電流の波形が小刻みに上昇と下降を繰り返しながら全体として上昇して行く。また、デューティ比が２０％のスイッチング制御信号ｎ２がドライバ回路１１へ与えられているときには、スイッチング制御信号ｎ２によりスイッチング素子がオンオフされ、図３（ｅ）の期間Ｄに示されるように、インダクタ電流の波形が小刻みに下降と上昇を繰り返しながら全体として下降して行く。この結果、電圧上昇モードのときにインダクタ電流が急峻に上昇することはない。従って、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータによればチョークを小型化して半導体チップに内蔵されるものとすることができる。
【００２９】
本実施形態では、電流検出回路１４と比較回路Ｓ２が備えられているため、上記の電流検出回路１４により検出された信号が所定値を超えたことが比較回路Ｓ２において検出されると、上記電圧降下モードが実行されるものである。これによって、出力電流が過大となる不具合が防止され、ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷Ｒ３の保護が図られる。
【００３０】
図４に第２の実施形態に係るスイッチングレギュレータの構成を示す。この実施形態では第２の実施形態に比べ、電流検出回路１４と比較回路Ｓ２が備えられていない。このため、出力電流が過大となる不具合に対応できないものの、フィードバック制御回路である比較回路Ｓ１と選択回路１３による制御によって出力電圧が適正に制御されることで、通常は出力電流が過大とならない状態が保証される。
【００３１】
図５には、第３の実施形態に係るスイッチングレギュレータの構成が示されている。この実施形態では、信号発生回路１２Ａが、第１の周波数と第２の周波数とによる第１の対のスイッチング制御信号ｎ・１、ｎ・２、第３の周波数と第４の周波数とによる第２の対のスイッチング制御信号ｎ・３、ｎ・４、第５の周波数と第６の周波数とによる第３の対のスイッチング制御信号ｎ・５、ｎ・６、・・・、第ｎ−１の周波数と第ｎ（４以上の整数）の周波数とによる第ｍ（２以上の整数）の対のスイッチング制御信号ｎ・２ｍ−１、ｎ・２ｍを発生するものである。
【００３２】
また、信号発生回路１２Ａには、上記第１の対、上記第２の対、上記第３の対、・・・、上記第ｍの対のスイッチング制御信号のいずれかを出力可能とする指示手段１５が設けられている。従って、オペレータがｍ対のスイッチング制御信号のいずれかを出力可能とする。この結果、オペレータの希望に応じてインダクタ電流の上昇傾斜と下降傾斜を選択でき、チョークコイルの大きさをどの程度するか選択可能となる。なお、この第３の実施形態において、電流検出回路１４と比較回路Ｓ２が備えられていない構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００３３】
１１  ドライバ回路
１２  信号発生回路
１２Ａ  信号発生回路
１３  選択回路
１４  電流検出回路
１５  指示手段
Ｃ１  コンデンサ
Ｌ１  チョークコイル
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３  負荷
Ｓ１、Ｓ２  比較回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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