JP5287261B2 - DC-DC converter - Google Patents
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Description
本発明は、負荷に所定の大きさで直流電圧を供給するDC−DCコンバータに関し、とくにパルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)制御方式における過電流保護機能を有するDC−DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter that supplies a DC voltage with a predetermined magnitude to a load, and more particularly to a DC-DC converter having an overcurrent protection function in a pulse width modulation (PWM) control system.
従来、ノート型のパーソナルコンピュータや携帯電話、その他の携帯用電子機器等では、バッテリ電圧を降圧型スイッチング電源回路からなるDC−DCコンバータによって規定電圧まで降圧してから電子回路に供給している。DC−DCコンバータは、スイッチング周期毎にインダクタ電流を監視するパルスバイパルス(Pulse by pulse)での過電流保護方式により、過電流と判定された場合に即座に過電流に対して応答して電流制限を行うことが可能である。そのため、負荷短絡などにおける過電流を防止する目的で、過電流保護回路が幅広い用途で採用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in notebook personal computers, mobile phones, and other portable electronic devices, a battery voltage is stepped down to a specified voltage by a DC-DC converter including a step-down switching power supply circuit and then supplied to an electronic circuit. The DC-DC converter responds to an overcurrent immediately when it is determined to be overcurrent by a pulse-by-pulse overcurrent protection system that monitors the inductor current every switching cycle. Restrictions can be made. For this reason, overcurrent protection circuits are used in a wide range of applications for the purpose of preventing overcurrent due to a load short circuit or the like.
DC−DCコンバータの過電流保護回路では、インダクタ電流を監視するために、インダクタと直列に検出抵抗を入れてインダクタ電流を検出する方式が採用される。しかし、この検出方式は検出抵抗による余分な電力損失が増えることから、高い精度を必要とする用途以外では、出力段スイッチの導通電圧を介してインダクタ電流を検出する方法が好まれている。 In the overcurrent protection circuit of the DC-DC converter, in order to monitor the inductor current, a method of detecting the inductor current by inserting a detection resistor in series with the inductor is adopted. However, since this detection method increases extra power loss due to the detection resistor, a method of detecting the inductor current via the conduction voltage of the output stage switch is preferred except for applications that require high accuracy.
インダクタ電流を監視してそれを制限するには、ピーク電流を検出して電流制限を実施する方法と、ボトム電流を検出して電流制限する方法とがある。最初に、ピーク電流を検出するやり方について説明する。 In order to monitor and limit the inductor current, there are a method in which peak current is detected to limit the current and a method in which bottom current is detected to limit the current. First, a method for detecting the peak current will be described.
図9は、インダクタ電流のピーク値に基づいて過電流保護を行う、従来のDC−DCコンバータの一例を示す図である。
この種のDC−DCコンバータは、バッテリなどの入力電源Vinにソース端子が接続されたPチャネル型の電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)からなるスイッチング半導体素子(以下、メインスイッチという。)S1と、ソース端子が接地されたNチャネル型のFETからなる同期整流スイッチS2を備えている。これらのメインスイッチS1と同期整流スイッチS2は、ドレイン端子を互いに接続するとともに、それぞれのゲート端子にスイッチング制御信号として、制御回路1からドライバ回路2,3を介してPWM信号を供給するように構成されている。また、メインスイッチS1と同期整流スイッチS2の接続点には、インダクタLを介して充電・平滑用の出力コンデンサCoutと負荷Rとが、それぞれ他端を接地した状態で接続されている。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a conventional DC-DC converter that performs overcurrent protection based on the peak value of the inductor current.
This type of DC-DC converter is a switching semiconductor element (hereinafter referred to as a main switch) S1 composed of a P-channel field effect transistor (FET) having a source terminal connected to an input power source Vin such as a battery. And a synchronous rectification switch S2 made of an N-channel FET whose source terminal is grounded. The main switch S1 and the synchronous rectification switch S2 are configured to connect the drain terminals to each other and supply a PWM signal from the
インダクタLと出力コンデンサCoutは、負荷Rに平滑出力電圧を供給するフィルタ回路を構成している。この負荷Rに対する出力電圧Voutを検出するために、制御回路1には出力電圧Voutが負帰還信号として供給されている。制御回路1では、出力電圧Voutを監視しつつ、この出力電圧Voutが一定値となるように、ドライバ回路2,3を介してメインスイッチS1と同期整流スイッチS2を交互に導通・遮断して、スイッチング端子電圧Vswを制御している。
The inductor L and the output capacitor Cout constitute a filter circuit that supplies a smooth output voltage to the load R. In order to detect the output voltage Vout with respect to the load R, the output voltage Vout is supplied to the
過電流検出回路4は、たとえばカレントトランス、もしくはセンス抵抗と増幅器などにより構成され、メインスイッチS1に流れる電流、すなわちメインスイッチS1からインダクタLに流れ込むインダクタ電流ILを検出し、これを所定の基準値と比較することにより過電流を検知する。この過電流検出回路4では、過電流が検知された場合に、制御回路1がメインスイッチS1を遮断状態に制御するように過電流制限が実施される。
The overcurrent detection circuit 4 is composed of, for example, a current transformer or a sense resistor and an amplifier. The overcurrent detection circuit 4 detects a current flowing through the main switch S1, that is, an inductor current IL flowing from the main switch S1 into the inductor L, and uses this as a predetermined reference. Overcurrent is detected by comparing with the value. In this overcurrent detection circuit 4, when an overcurrent is detected, overcurrent limitation is performed so that the
制御回路1は、通常のスイッチング動作を実行している間には、その出力電圧Voutの変化に応じてメインスイッチS1と同期整流スイッチS2を導通・遮断制御するパルス信号のパルス幅を変化させて、出力電圧Voutが一定となるように帰還制御を行う。これにより、負荷Rへの供給電流(出力電流)Ioutが大きい重負荷のときにも、メインスイッチS1が遮断状態の間に負荷Rに応じてインダクタLに蓄えられたエネルギーがオン抵抗が小さい同期整流スイッチS2を介して放出されるので、効率の良い同期整流を行うことができる。
While the normal switching operation is being performed, the
過電流検出回路4では、インダクタLに流れるインダクタ電流ILのピーク値が所定の値を超えたら、制御回路1のPWM信号に優先してメインスイッチS1を遮断することによりインダクタ電流ILを制限するようにしている。
In the overcurrent detection circuit 4, when the peak value of the inductor current IL flowing through the inductor L exceeds a predetermined value, the inductor current IL is limited by cutting off the main switch S1 in preference to the PWM signal of the
図10には、出力電圧Voutが大きい場合と小さい場合とで、従来のDC−DCコンバータの過電流保護機能が作動している状態で、インダクタ電流値がそれぞれどう変化するかを示している。同図(a)は出力電圧Voutが大きな場合、同図(b)は出力電圧Voutが小さな場合であって、それぞれ縦軸にはインダクタ電流ILを、横軸には時間を示している。 FIG. 10 shows how the inductor current value changes depending on whether the output voltage Vout is large or small and the overcurrent protection function of the conventional DC-DC converter is operating. 4A shows a case where the output voltage Vout is large, and FIG. 4B shows a case where the output voltage Vout is small. The vertical axis shows the inductor current IL and the horizontal axis shows time.
DC−DCコンバータは、入力電源Vin側のメインスイッチS1に流れる電流(=IL)が規定値Ipmaxを超えると、過電流検出回路4から検出信号が出力され、制御回路1を介してつぎのスイッチング周期までメインスイッチS1を遮断制御状態とする。こうして、インダクタ電流ILのピーク電流値Ipを規定値Ipmax以下に制限する過電流制限機能が実現される。
When the current (= I L ) flowing through the main switch S1 on the input power source Vin side exceeds the specified value Ipmax, the DC-DC converter outputs a detection signal from the overcurrent detection circuit 4 and passes through the
しかし、実際の過電流検出回路4で規定値Ipmaxを超える電流が検知された後、メインスイッチS1をスイッチングしてオフするまでには、一定の遅延時間Tdが必要である。そのため、制御回路1からのドライブ信号でメインスイッチS1が導通制御状態に移行した瞬間に過電流状態が検知されても、過電流検出回路4を介して実際にメインスイッチS1が遮断状態になるまでの間は、インダクタ電流ILが継続して増加することになる。
However, after a current exceeding the specified value Ipmax is detected by the actual overcurrent detection circuit 4, a certain delay time Td is required until the main switch S1 is switched off. Therefore, even if an overcurrent state is detected at the moment when the main switch S1 shifts to the conduction control state by the drive signal from the
すなわち、インダクタ電流ILが規定値Ipmaxを超えた場合、インダクタ電流ILの減少率は出力電圧Voutに比例するため(dIL/dt=Vout/L)、図10(b)に示すように、出力電圧Voutが低い場合は、高い場合と比較して、インダクタ電流ILの減少に長い時間が必要となる。逆に、インダクタ電流ILの増加率は出力電圧Voutが低いほど大きい(dIL/dt=(Vin−Vout)/L)。したがって、出力電圧Voutが低い場合は、図10(b)に示すように、インダクタ電流ILが規定値Ipmaxを超えた後も、遅延時間Tdによりインダクタ電流ILが大きな傾斜で上昇し続ける。すると、メインスイッチS1が遮断制御されている時間内ではそれまでに増加したインダクタ電流ILが減少しきれないで、つぎのスイッチング周期でインダクタ電流ILが再び上昇を始める。 That is, when the inductor current I L exceeds the specified value Ipmax, the decrease rate of the inductor current I L is proportional to the output voltage Vout (dI L / dt = Vout / L), and as shown in FIG. , if the output voltage is low Vout, as compared with a case high, a long time is required to decrease the inductor current I L. Conversely, the increase rate of the inductor current I L increases as the output voltage Vout decreases (dI L / dt = (Vin−Vout) / L). Therefore, if the output voltage is low Vout, as shown in FIG. 10 (b), after the inductor current I L has exceeded the prescribed value Ipmax also, the inductor current I L by the delay time Td continues to rise with a large gradient. Then, the inductor current I L that has increased up to that time cannot be reduced within the time in which the main switch S1 is controlled to be cut off, and the inductor current I L starts to rise again in the next switching cycle.
このため、出力電圧Voutが小さく、かつ制御回路1の動作周波数が高い条件では、この間の電流増加分((Vin−Vout)/L)がつぎにメインスイッチS1が導通するまでのインダクタ電流ILの減少分(Vout/L)を上回り、インダクタ電流ILの制限が効かなくなる恐れがあった。したがって、出力電圧Voutの極端な低下、あるいは過電流状態が連続して検出された場合などには、DC−DCコンバータ自体を停止させるための追加の対策が必要になることもある。
Therefore, under the condition that the output voltage Vout is small and the operating frequency of the
また、上述したピーク電流制限では、メインスイッチS1に流れる電流によりインダクタ電流ILの検出を行うが、メインスイッチS1の導通直後は、スイッチング端子電圧Vswが急上昇するハードスイッチング動作となる。そのため、とくに出力段のスイッチング半導体素子を外付けとした場合には、大きなノイズが混入する。このような不都合を回避するには、過電流保護機能の応答を禁止するブランキング時間を設け、かつこのブランキング時間を長くしておく必要がある。 Further, the peak current limit described above, performs the detection of the inductor current I L by the current flowing through the main switch S1, after the conduction of the main switch S1 is a hard switching operation of the switching terminal voltage Vsw rises rapidly. For this reason, particularly when an output stage switching semiconductor element is externally attached, large noise is mixed. In order to avoid such an inconvenience, it is necessary to provide a blanking time for prohibiting the response of the overcurrent protection function and lengthen this blanking time.
つぎに、同期整流スイッチS2側の電流を制限するボトム電流制限方式について説明する。
図11は、インダクタ電流のボトム値に基づいて過電流保護を行う、従来のDC−DCコンバータの一例を示す図である。
Next, a bottom current limiting method for limiting the current on the synchronous rectifying switch S2 side will be described.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a conventional DC-DC converter that performs overcurrent protection based on a bottom value of an inductor current.
ピーク電流制限方式とは異なりボトム電流制限方式では、インダクタ電流ILのボトム値が所定の値を下回るまで制御回路1のPWM信号に優先してメインスイッチS1の遮断期間を延長して、インダクタ電流ILを制限している。すなわち、ボトム電流制限はインダクタ電流ILの減少を待つ方式であるから、過電流検出回路5の過電流検出における遅延時間の間にインダクタ電流ILは減り続ける。このため、DC−DCコンバータの出力電圧Voutが低く、PWM信号の動作周波数が高い条件においても、インダクタ電流ILの制限が効かなくなる恐れはない。
Unlike the peak current limiting method, the bottom current limiting method extends the shut-off period of the main switch S1 in preference to the PWM signal of the
また、ボトム電流制限方式では図11に示すように、過電流検出回路5が同期整流スイッチS2に流れる電流に基づいてインダクタ電流ILの過電流状態を検出している。そして、同期整流スイッチS2の導通時には、インダクタ電流ILが並列ダイオードを流れているため、スイッチング端子電圧Vswはすでに低下してソフトスイッチング動作となるから、電流検出に対するノイズが少ないという利点も有する。
Further, the bottom current limiting scheme as shown in FIG. 11, the
以上からすると、降圧型スイッチング電源回路などにはボトム電流制限の方が利用しやすいように思われる。ところが、インダクタ電流ILの制限方式を選択する際には、DC−DCコンバータの出力電圧制御方式との相性を考慮にいれなくてはならない。 From the above, it seems that bottom current limitation is easier to use for step-down switching power supply circuits. However, when selecting a method for limiting the inductor current I L , compatibility with the output voltage control method of the DC-DC converter must be taken into consideration.
たとえば固定オン時間のパルス周波数変調(PFM:Pulse Frequency Modulation)制御では、メインスイッチS1のオン時間(以下、単に「オン時間」という。)を固定して動作周波数を可変することで、出力電圧Voutを制御している。ボトム電流制限では、過電流を検出すると、制御回路動作に割り込んでメインスイッチS1のオフ時間(以下、単に「オフ時間」という。)を延長するが、この際、オン時間は固定のままであるため、固定オン時間のPFM制御とボトム電流制限の相性は良い(たとえば、特許文献1参照。)。 For example, in pulse frequency modulation (PFM) control with a fixed ON time, the output voltage Vout is obtained by varying the operating frequency while fixing the ON time of the main switch S1 (hereinafter simply referred to as “ON time”). Is controlling. In the bottom current limitation, when an overcurrent is detected, the control circuit operation is interrupted to extend the off time of the main switch S1 (hereinafter simply referred to as “off time”). At this time, the on time remains fixed. Therefore, the compatibility between the PFM control with the fixed on-time and the bottom current limit is good (see, for example, Patent Document 1).
一方、DC−DCコンバータの制御方式では、固定されたスイッチング周波数で動作するPWM制御が多く採用されている。PWM制御回路では、周波数一定のもとで、デューティ比を変更することでオン時間を可変し、出力電圧Voutを制御している。したがって、ボトム電流制限方式では、過電流検出時にオフ時間を延長してインダクタ電流を制限しようとするため、電流制限による出力電圧Voutの低下を防ぐようにオン時間が広がって電流制限動作が妨害されるなど、そもそも相性が良くない。しかしながら、ボトム電流制限方式には前述のような優れた性質があるため、PWM制御回路を備えたDC−DCコンバータに適用可能な電流制御回路が望まれていた。 On the other hand, in the control method of the DC-DC converter, PWM control that operates at a fixed switching frequency is often employed. In the PWM control circuit, the on-time is varied by changing the duty ratio and the output voltage Vout is controlled under a constant frequency. Therefore, in the bottom current limit method, when the overcurrent is detected, the off time is extended to limit the inductor current. Therefore, the on time is extended to prevent the output voltage Vout from being lowered due to the current limit, and the current limit operation is disturbed. In the first place, compatibility is not good. However, since the bottom current limiting method has the above-described excellent properties, a current control circuit applicable to a DC-DC converter having a PWM control circuit has been desired.
図12は、オン時間に制限がないDC−DCコンバータの動作波形の一例を示す図である。ここでも、縦軸にはインダクタ電流ILを、横軸には時間を示している。
I1は、通常動作時のインダクタ電流ILの平均電流値である。また、過電流検出時には、過電流検出回路5によってインダクタ電流ILのボトム電流が設定値Iblimとなるように、メインスイッチS1のオフ時間がTextdだけ延長される。オフ時間が長くなるだけでは出力電圧Voutが低下するので、制御回路はこれを防ぐためにメインスイッチS1のオン時間を長くする。そのため、インダクタ電流ILの平均電流値は、出力電圧Voutが所望の値を保つときに負荷が消費する電流I2まで増加することになって、電流制限がかからなくなる(インダクタ電流ILの平均値およびピーク値が大きなものになってしまう)という問題があった。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of operation waveforms of a DC-DC converter with no limitation on on-time. Again, the vertical axis represents the inductor current I L and the horizontal axis represents time.
I1 is the average current value of the inductor current I L during the normal operation. Further, at the time of overcurrent detection, the
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、PWM制御とボトム電流制限を同時に適用したときに、過電流検出に際して適切な電流制限が可能なDC−DCコンバータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a DC-DC converter capable of appropriately limiting current when detecting overcurrent when PWM control and bottom current limitation are simultaneously applied. And
本発明では、上記問題を解決するために、入力電源の高電位側に接続されるメインスイッチ(S1)と、前記入力電源の低電位側に前記メインスイッチと直列に接続される同期整流スイッチ(S2)と、前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとの接続点に接続され負荷回路に平滑出力電圧を供給するインダクタおよび平滑容量からなるフィルタ回路と、前記メインスイッチおよび前記同期整流スイッチをパルス幅変調(PWM)制御によって交互に導通・遮断する制御回路(10)と、を備えたDC−DCコンバータが提供される。前記制御回路は、前記同期整流スイッチの導通制御時に前記インダクタに流れるインダクタ電流が第1の設定値(Iblim)を上回っている間、前記制御回路におけるパルス幅変調制御に優先して前記メインスイッチの遮断時間を延長する延長回路(21)と、メインスイッチ(S1)の導通時間について所定の上限値(Ton-max)を設定するデューティ比制限回路(30)を有し、過電流検出時にメインスイッチの導通時間を制限するようにしている。 In the present invention, in order to solve the above problem, a main switch (S1) connected to the high potential side of the input power supply and a synchronous rectification switch (series) connected in series with the main switch on the low potential side of the input power supply. S2), a filter circuit including an inductor and a smoothing capacitor connected to a connection point between the main switch and the synchronous rectification switch and supplying a smoothed output voltage to the load circuit, and pulse width modulation of the main switch and the synchronous rectification switch. There is provided a DC-DC converter comprising a control circuit (10) that is alternately turned on and off by (PWM) control. The control circuit has priority over the pulse width modulation control in the control circuit while the inductor current flowing through the inductor during the conduction control of the synchronous rectification switch exceeds the first set value (Iblim). An extension circuit (21) for extending the cut-off time and a duty ratio limiting circuit (30) for setting a predetermined upper limit (Ton-max) for the conduction time of the main switch (S1). The conduction time is limited.
さらに、本発明のDC−DCコンバータでは、デューティ比制限回路(30)がメインスイッチの遮断時間の延長期間(Textd)に応じて上限値(Ton-max)を変更する電圧制限回路を有しており、メインスイッチの遮断時間の延長期間が、ここに設定された第2の設定値(Tdb)より長い場合には、上限値(Ton-max)を低下させ、延長期間が発生しない場合には、上限値(Ton-max)を上昇させるように変更することで、過電流検出時におけるインダクタ電流のピーク値や平均値を確実に低減している。 Furthermore, in the DC-DC converter of the present invention, the duty ratio limiting circuit (30) has a voltage limiting circuit that changes the upper limit value (Ton-max) in accordance with the extension period (Textd) of the main switch cutoff time. If the extension period of the main switch cutoff time is longer than the second set value (Tdb) set here, the upper limit value (Ton-max) is reduced, and if the extension period does not occur By changing the upper limit value (Ton-max) to increase, the peak value and average value of the inductor current at the time of overcurrent detection are reliably reduced.
本発明によれば、スイッチングノイズの影響が少なく、短絡時にも確実に電流制限が可能な過電流保護機能を有するDC−DCコンバータを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a DC-DC converter having an overcurrent protection function that is less affected by switching noise and that can reliably limit a current even when a short circuit occurs.
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。図1は、実施の形態に係るDC−DCコンバータを示す回路図である。
メインスイッチS1と同期整流スイッチS2は入力電源Vinと接地との間で直列に接続され、出力段を構成している。メインスイッチS1のソース端子は入力電源Vinの高電位側に接続され、そのドレイン端子は同期整流スイッチS2のドレイン端子に接続され、同期整流スイッチS2のソース端子は接地されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a DC-DC converter according to an embodiment.
The main switch S1 and the synchronous rectification switch S2 are connected in series between the input power source Vin and the ground to constitute an output stage. The source terminal of the main switch S1 is connected to the high potential side of the input power source Vin, its drain terminal is connected to the drain terminal of the synchronous rectification switch S2, and the source terminal of the synchronous rectification switch S2 is grounded.
インダクタLと出力コンデンサCoutはフィルタ回路を構成しており、このフィルタ回路はメインスイッチS1と同期整流スイッチS2の接続点に接続され、負荷Rに平滑出力電圧を供給している。この負荷Rに対する出力電圧Voutは、分割抵抗R1,R2を直列接続した電圧検出回路を介して、PWM制御回路を構成する集積回路10に負帰還信号Vdとして供給されている。 The inductor L and the output capacitor Cout constitute a filter circuit, which is connected to the connection point between the main switch S1 and the synchronous rectifier switch S2 and supplies a smooth output voltage to the load R. The output voltage Vout for the load R is supplied as a negative feedback signal Vd to the integrated circuit 10 constituting the PWM control circuit via a voltage detection circuit in which the dividing resistors R1 and R2 are connected in series.
集積回路10は、負帰還信号Vdと第1の基準電圧Vrefとの差電圧を増幅した誤差電圧Veaを出力する誤差増幅回路11、誤差電圧Veaをのこぎり波電圧Vsawと比較するPWMコンパレータ12を備えている。PWMコンパレータ12は、その出力端子がアンド回路13を介してデッドタイム(DT:Dead Time)生成回路14に接続され、メインスイッチS1と同期整流スイッチS2へのオンオフ制御信号を生成している。すなわち、PWMコンパレータ12はレベルシフタ15およびドライバ回路16を介してメインスイッチS1のゲート端子に接続され、さらに信号反転機能を備えたドライバ回路17を介して同期整流スイッチS2のゲート端子に接続されている。なお、本実施の形態では、メインスイッチS1をNチャネル型のFETとしたが、図9の従来のDC−DCコンバータと同様にPチャネル型のFETとしてもよい。その場合、レベルシフタ15は不要となり、DT生成回路14の出力がドライバ回路16に直接入力される。
The integrated circuit 10 includes an
集積回路10は、さらに過電流検出回路(Over Current Detector)18、発振回路20、およびデューティ(Duty)比制限回路30を備え、この過電流検出回路18に対して同期整流スイッチS2のドレイン端子およびソース端子からの電圧信号を入力するように接続されている。過電流検出回路18では、同期整流スイッチS2のドレイン−ソース間電圧から同期整流スイッチS2に流れている電流、すなわちインダクタ電流ILの大きさが検出され、そこに設定されたボトム電流設定値Iblimと比較することによって、インダクタ電流ILの過電流状態を判断している。より具体的には、同期整流スイッチS2のドレイン−ソース間電圧とボトム電流設定値Iblimに相当するボトム基準電圧とを比較することにより、インダクタ電流ILの過電流状態を判断している。過電流検出回路18の出力信号である過電流判定信号Vocは、過電流であればH(High)、そうでなければL(Low)レベルとなる信号であり、インバータ回路IV1を介して発振回路20に出力されている。なお、同期整流スイッチS2が遮断されている間は、過電流判定信号VocはHレベルにセットされている。
The integrated circuit 10 further includes an
発振回路20は、延長回路21、第1の遅延回路22、コンパレータ23などを備え、発振用のコンデンサCoscの端子間電圧であるのこぎり波電圧VsawがPWMコンパレータ12の反転入力端子に出力されている。延長回路21は、電源VDDと接地の間で直列接続されたPチャネル型のFET(以下、トランジスタという。)Mp1と2つのNチャネル型のトランジスタMn1,Mn2、およびインバータ回路IV2から構成され、トランジスタMn2のゲート端子がインバータ回路IV1の出力端子に接続されている。トランジスタMp1とMn1のゲート端子は、ともにインバータ回路IV2の出力端子に接続され、それらのドレイン端子は互いに接続されている。また、トランジスタMp1とMn1の接続点からは、アンド回路13の反転入力端子およびデューティ比制限回路30に第1のクロック信号Vckが出力されている。
The oscillation circuit 20 includes an extension circuit 21, a
発振回路20は、発振用のコンデンサCoscのほかに、発振用定電流源Iosc、Nチャネル型のトランジスタからなる放電用スイッチMosc、および発振基準電圧Voscなどを備えている。発振用のコンデンサCoscは、その一端が接地されるとともに他端は発振用定電流源Ioscと接続され、その接続点からPWMコンパレータ12の反転入力端子にのこぎり波電圧Vsawが供給されている。電源VDDに接続された発振用定電流源Ioscは、さらに放電用スイッチMoscのドレイン端子と接続されている。放電用スイッチMoscは、ソース端子が発振用のコンデンサCoscの他端とともに接地され、そのゲート端子が延長回路21のトランジスタMp1とMn1の接続点に接続され、第1のクロック信号Vckによってオンオフ制御される。
In addition to the oscillation capacitor Cosc, the oscillation circuit 20 includes an oscillation constant current source Iosc, a discharge switch Mosc composed of an N-channel transistor, an oscillation reference voltage Vosc, and the like. One end of the oscillation capacitor Cosc is grounded and the other end is connected to the oscillation constant current source Iosc, and the sawtooth voltage Vsaw is supplied to the inverting input terminal of the
コンパレータ23には、その反転入力端子に発振基準電圧Voscが供給されている。また、コンパレータ23の非反転入力端子は、発振用のコンデンサCoscとともに発振用定電流源Ioscに接続されている。さらに、このコンパレータ23は第1の遅延回路22の入力側と接続され、その出力信号に対して所定の立ち下がり遅延時間Tdaを有する遅延出力が、延長回路21とデューティ比制限回路30に第2のクロック信号Vckrとして出力されている。
The
デューティ比制限回路30は、第2の遅延回路31、第3の遅延回路32、アンド回路33、チャージポンプ(Charge pump)回路34、第1の電圧制限回路(Voltage Limiter)35、および第2の電圧制限回路36などにより構成されている。このデューティ比制限回路30は、発振回路20から入力される2つのクロック信号Vck,Vckrに基づいて、誤差増幅回路11の出力電圧Veaを適正なクランプ電圧Vcl以下にクランプするものである。
The duty ratio limiting circuit 30 includes a
第2の遅延回路31では、そこに入力される第2のクロック信号Vckrに対し所定の立ち下がり遅延時間Tdbを有する信号Vckr1(第2の遅延出力)が生成され、インバータ回路IV3を介してチャージポンプ回路34に出力されている。第3の遅延回路32には、第1のクロック信号Vckがインバータ回路IV4を介して入力されている。第3の遅延回路32は、入力信号に対し所定の立ち下がり遅延時間Tdcを有する信号を生成・出力する回路である。アンド回路33は、一方の入力信号として第3の遅延回路32の出力が、他方の入力信号として第1のクロック信号Vckが供給されている。このアンド回路33の出力信号Vck1は、チャージポンプ回路34に出力されている。
In the
チャージポンプ回路34は、2つのPチャネル型のトランジスタMp2,Mp3と、2つのNチャネル型のトランジスタMn3,Mn4と、充電用電流源Iuおよび放電用電流源Idから構成されている。チャージポンプ回路34は、信号Vckr1および信号Vck1に応じてコンデンサCmの電荷、すなわちコンデンサCmの両端電圧Vclを増減させる回路である。 The charge pump circuit 34 includes two P-channel transistors Mp2 and Mp3, two N-channel transistors Mn3 and Mn4, a charging current source Iu, and a discharging current source Id. The charge pump circuit 34 is a circuit that increases or decreases the charge of the capacitor Cm, that is, the voltage Vcl across the capacitor Cm, according to the signal Vckr1 and the signal Vck1.
ここでは、トランジスタMp2,Mp3は互いに直列に接続され、トランジスタMp2のソース端子が充電用電流源Iuに接続されている。トランジスタMn3,Mn4も、同様に互いに直列に接続され、トランジスタMn4のソース端子が放電用電流源Idに接続されている。また、トランジスタMp2,Mn4の各ゲート端子は、アンド回路33に接続され、トランジスタMp3,Mn3の各ゲート端子は、インバータ回路IV3に接続されている。
Here, the transistors Mp2 and Mp3 are connected in series, and the source terminal of the transistor Mp2 is connected to the charging current source Iu. Similarly, the transistors Mn3 and Mn4 are connected in series with each other, and the source terminal of the transistor Mn4 is connected to the discharge current source Id. The gate terminals of the transistors Mp2 and Mn4 are connected to the AND
これら4つのトランジスタMp2,Mp3,Mn3,Mn4は、トランジスタMp3,Mn3のドレイン端子が互いに接続されることで、電源VDDと接地の間で直列回路を構成している。そして、トランジスタMp3,Mn3の接続点からのチャージポンプ電流Icp(充電用電流源Iuからの充電電流、もしくは放電用電流源Idにシンクされる放電電流である。後者の場合、電流Icpの向きは図1のものと逆になる。)がメモリ容量を構成するコンデンサCmを充放電するとともに、第1の電圧制限回路35のクランプ電圧Vclを供給するように構成されている。第1の電圧制限回路35は、誤差増幅回路11の出力電圧VeaをコンデンサCmの充電電圧であるクランプ電圧Vcl以下に制限しており、さらに第2の電圧制限回路36によってコンデンサCmの充電電圧を制限することにより、クランプ電圧Vclの最大電圧値をVclmax以下に制限するようにしている。
The four transistors Mp2, Mp3, Mn3, and Mn4 form a series circuit between the power supply VDD and the ground by connecting the drain terminals of the transistors Mp3 and Mn3 to each other. The charge pump current Icp from the connection point of the transistors Mp3 and Mn3 (the charge current from the charge current source Iu or the discharge current sunk by the discharge current source Id. In the latter case, the direction of the current Icp is 1 is configured to charge and discharge the capacitor Cm constituting the memory capacity and to supply the clamp voltage Vcl of the first
なお、こうした電圧制限回路35,36の構成および動作の詳細については、図5とともに後述する。
つぎに、発振回路20、およびデューティ比制限回路30を構成している3つの遅延回路22,31,32について説明する。
Details of the configuration and operation of the
Next, the oscillation circuit 20 and the three
図2は、図1のDC−DCコンバータにおける遅延回路の一例を示す回路図、図3は、遅延回路の動作波形を示すタイミング図である。
遅延回路22,31,32(以下、31,32を略す。)は、いずれもリセットスイッチとしてのNチャネル型のトランジスタMnrと、遅延時間を決める定電流源IB1およびコンデンサCdlyと、閾値電圧Vthを有するインバータ回路IV5によって構成されている。入力信号VaはトランジスタMnrのゲート端子に供給され、定電流源IB1はコンデンサCdlyに対する充電電流を供給している。コンデンサCdlyは、トランジスタMnrがオン状態になると放電される。インバータ回路IV5は、接続点電圧Vbが閾値電圧Vthを上回ることにより出力信号VcをHからLに反転させる。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a delay circuit in the DC-DC converter of FIG. 1, and FIG. 3 is a timing diagram showing operation waveforms of the delay circuit.
Each of the
図3(a)に示すように、入力信号Vaが立ち下がるタイミングでトランジスタMnrはオフ状態となって、コンデンサCdlyは徐々に充電される。すると、同図(b)に示すように、定電流源IB1とコンデンサCdlyとの接続点電圧が上昇する。コンデンサCdlyの充電電圧Vbが閾値電圧Vthを超えた時点で、出力信号VcはLとなる。その後、入力信号Vaが再び立ち上がった時点でトランジスタMnrが導通し、コンデンサCdlyの充電電圧Vbが0になり、出力信号Vcも遅滞なくHに復帰する(図3(c))。 As shown in FIG. 3A, the transistor Mnr is turned off at the timing when the input signal Va falls, and the capacitor Cdly is gradually charged. Then, as shown in FIG. 5B, the voltage at the connection point between the constant current source IB1 and the capacitor Cdly increases. When the charging voltage Vb of the capacitor Cdly exceeds the threshold voltage Vth, the output signal Vc becomes L. Thereafter, when the input signal Va rises again, the transistor Mnr becomes conductive, the charging voltage Vb of the capacitor Cdly becomes 0, and the output signal Vc also returns to H without delay (FIG. 3C).
図4は、第3の遅延回路32の動作波形を示すタイミング図である。
同図(a)は、発振回路20から出力される第1のクロック信号Vckを示している。このクロック信号Vckは、インバータ回路IV4で反転され、第3の遅延回路32の入力信号として供給されている。いま、遅延回路32に設定された立ち下がり遅延時間を、同図(c)に示すTdcとすると、遅延回路32の入力信号の立ち下がりからTdcだけ遅れて遅延回路32から出力信号が立ち下がる。アンド回路33には、この出力信号と同図(a)のクロック信号Vckが入力しているので、立ち下がり遅延時間TdcだけHとなるアンド回路出力Vck1がアンド回路33からチャージポンプ回路34に供給される。
FIG. 4 is a timing chart showing operation waveforms of the
FIG. 3A shows the first clock signal Vck output from the oscillation circuit 20. This clock signal Vck is inverted by the inverter circuit IV4 and is supplied as an input signal of the
つぎに、第1、第2の電圧制限回路35,36について説明する。
図5は、図1のDC−DCコンバータにおける電圧制限回路の一例を示す回路図である。
Next, the first and second
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a voltage limiting circuit in the DC-DC converter of FIG.
ここでは、2つのPチャネル型のトランジスタMp11,Mp12と4つのNチャネル型のトランジスタMn11〜Mn14、および定電流源IB2によって構成された第1の電圧制限回路35を示している。定電流源IB2とトランジスタMp11,Mp12,Mn11,Mn12で差動増幅器が構成され、後段の誤差増幅回路11の誤差電圧Veaが、クランプ電圧Vclとして入力されるコンデンサCmの積分電圧でクランプされるものである。
Here, a first
ここでは、まずクランプ電圧Vclと誤差電圧Veaが等しい場合には、トランジスタMn11,Mn12には等しい電流が流れるが、トランジスタMn13には電流が流れない。クランプ電圧Vclが誤差電圧Veaより大きい場合でも、トランジスタMn11よりトランジスタMn12に多くの電流を流そうとするので、トランジスタMn13には電流が流れない。クランプ電圧Vclが誤差電圧Veaより小さくなると、差動増幅器としてはトランジスタMn12よりトランジスタMn11に多くの電流を流そうとするが、カレントミラーを構成しているトランジスタMn11とトランジスタMn12は、それらの電流値が等しくなるように動作するから、トランジスタMn12の電流に対するトランジスタMn11の電流の過剰分はトランジスタMn13に流れる。トランジスタMn13に電流が流れると、トランジスタMn13とMn14がカレントミラーを構成しているので、ミラー比(これは大きめに決めておく。)だけ増幅された電流がトランジスタMn14に流れる。こうして、トランジスタMn14に流れる電流と誤差増幅回路11の出力インピーダンスの積だけ誤差電圧Veaがドロップし、誤差電圧Veaはクランプ電圧Vclによって電圧制限される。
Here, when the clamp voltage Vcl is equal to the error voltage Vea, equal current flows through the transistors Mn11 and Mn12, but no current flows through the transistor Mn13. Even when the clamp voltage Vcl is larger than the error voltage Vea, a larger amount of current is caused to flow to the transistor Mn12 than to the transistor Mn11, so that no current flows to the transistor Mn13. When the clamp voltage Vcl becomes smaller than the error voltage Vea, the differential amplifier tries to pass more current to the transistor Mn11 than the transistor Mn12. However, the transistor Mn11 and the transistor Mn12 constituting the current mirror have their current values. Therefore, the excess current of the transistor Mn11 with respect to the current of the transistor Mn12 flows to the transistor Mn13. When a current flows through the transistor Mn13, since the transistors Mn13 and Mn14 constitute a current mirror, a current amplified by a mirror ratio (which is determined to be larger) flows through the transistor Mn14. Thus, the error voltage Vea drops by the product of the current flowing through the transistor Mn14 and the output impedance of the
なお、電圧制限回路の構成としては上述したものに限られるものではなく、別の回路方式で構成することも可能である。
つぎに、過電流検出時におけるデューティ比制限回路30の作用について説明する。
Note that the configuration of the voltage limiting circuit is not limited to that described above, and may be configured by another circuit system.
Next, the operation of the duty ratio limiting circuit 30 when overcurrent is detected will be described.
図6は、デューティ比制限回路の動作に関わる各信号波形を示すタイミング図である。
最初に、インダクタ電流ILの過電流が過電流検出回路18で検出されていない場合について説明する。
FIG. 6 is a timing diagram showing signal waveforms related to the operation of the duty ratio limiting circuit.
First, the case where the overcurrent of the inductor current I L is not detected by the
このとき、過電流判定信号VocがLとなっているから、これによりインバータ回路IV1を介して延長回路21のトランジスタMn2がオン状態になる。発振回路20では、第2のクロック信号VckrがLとなっていて、この信号を受けたインバータ回路IV2によってトランジスタMn1がオン状態、トランジスタMp1がオフ状態に保持されていれば、第1のクロック信号VckがLとなり、放電用スイッチMoscはオフ状態となる。これによって発振用のコンデンサCoscは、発振用定電流源Ioscからの所定の電流により充電される。そして、コンデンサCoscの充電電圧が発振基準電圧Voscに達したことをコンパレータ23で判定されるとコンパレータ23の出力がHとなる。この変化は立ち上がりなので、第1の遅延回路22で遅延されずに第2のクロック信号Vckrが遅滞なくHとなる。Hとなった信号Vckrがインバータ回路IV2を介してトランジスタMn1をオフ状態、トランジスタMp1をオン状態にそれぞれ反転させることにより、第1のクロック信号VckはHとなる。第1のクロック信号VckがHとなると放電用スイッチMoscが導通し、放電用スイッチMoscが導通するとコンデンサCoscの電荷が放電される。この場合、放電用スイッチMoscの導通直後にコンパレータ23の出力がLとなるが、この変化は立ち下がりなので、第1の遅延回路22で立ち下がり遅延時間Tdaだけ遅延されてインバータ回路IV2に伝達され、これを受けて第1のクロック信号VckはLとなる。以上の動作により、第1のクロック信号VckがHとなる期間は遅延時間Tdaだけ継続する。このような充放電動作を繰り返すことで、図6(b)に示すようなのこぎり波電圧Vsawが発生する。
At this time, since the overcurrent determination signal Voc is L, the transistor Mn2 of the extension circuit 21 is turned on via the inverter circuit IV1. In the oscillation circuit 20, if the second clock signal Vckr is L and the transistor Mn1 is kept on and the transistor Mp1 is kept off by the inverter circuit IV2 receiving this signal, the first clock signal Vck becomes L, and the discharge switch Mosc is turned off. Thus, the oscillation capacitor Cosc is charged with a predetermined current from the oscillation constant current source Iosc. When the
つぎに、第1のクロック信号VckがHとなっている放電用スイッチMoscの導通期間に過電流検出回路18で過電流状態が検出され続ける場合について説明する。
このとき、遅延時間Tdaが終了しても過電流判定信号VocがHになっているから、第1のクロック信号VckのH期間が延長され、これによって放電用スイッチMoscのオン状態が延長される。過電流判定信号VocがHであれば、インバータ回路IV2を介してその反転信号が供給されるトランジスタMn2はオフ状態にされる。一方、第1のクロック信号VckがHになると、コンデンサCoscの電荷が放電されてコンパレータ23の出力はLに立ち下がるが、上記のように、この立ち下がりは遅延回路22により遅延時間Tdaだけ遅延されてインバータIV2に伝達される。遅延時間Tdaが終了して第2のクロック信号VckrがLとなり、トランジスタMn1がオン状態に、トランジスタMp1がオフ状態にそれぞれ反転しても、トランジスタMn2がオフ状態であるため第1のクロック信号VckはLに反転せず、直前の値Hが延長寄生容量によって維持されるからである。したがって、過電流状態が解消されてトランジスタMn2がオンするまでの間、図6(e)に示すように、第1のクロック信号VckはHに保持されてデューティ比制限回路30に供給される。
Next, a case where the overcurrent state is continuously detected by the
At this time, since the overcurrent determination signal Voc remains H even after the delay time Tda ends, the H period of the first clock signal Vck is extended, thereby extending the ON state of the discharge switch Mosc. . If the overcurrent determination signal Voc is H, the transistor Mn2 to which the inverted signal is supplied via the inverter circuit IV2 is turned off. On the other hand, when the first clock signal Vck becomes H, the charge of the capacitor Cosc is discharged and the output of the
PWMコンパレータ12では、のこぎり波電圧Vsawと誤差増幅回路11の出力電圧Veaを比較して、出力電圧Veaに対応するデューティ比でパルス信号がアンド回路13に出力される。また、誤差増幅回路11の出力電圧Veaは、デューティ比制限回路30の第1の電圧制限回路35によってクランプ電圧Vcl以下にクランプされている。これに基づき、通常動作時にはメインスイッチS1と同期整流スイッチS2が所定のデッドタイムをもって相補的にスイッチングされる。しかし、過電流検出時には上述のように第1のクロック信号VckがHとなる期間が延長され、当該延長期間にはアンド回路13の出力がLになる。したがって、その期間はPWMコンパレータ12によるスイッチング動作に割り込むかたちでメインスイッチS1がオフし、同期整流スイッチS2がオンの状態を保持することになる。
The
このように、通常動作時には第1のクロック信号VckがHとなる時間の延長(すなわち、メインスイッチS1のオフ時間の延長)は起きず、チャージポンプ回路34は、第2の遅延回路31で十分に小さな値に設定された立ち下がり遅延時間Tdbの間だけコンデンサCmを充電用電流源Iuの電流で充電し、クランプ電圧Vclを上昇させる。一方、過電流検出時には、図6(a)に延長期間Textdとして示すように、第1のクロック信号VckのHレベルの期間が立ち下がり遅延時間Tda以上に延長される。そこで、チャージポンプ回路34では、その延長期間TextdにコンデンサCmを放電用電流源Idによって放電し、クランプ電圧Vclを低下させる。なお、信号Vck1と信号Vckr1が両方ともHである期間は、トランジスタMp3とMn3が同時にオフ状態となるので、チャージポンプ電流Icpは流れない。その結果、過電流検出時には、クランプ電圧Vclを低下させることによって、誤差増幅回路11の出力電圧Veaによって定まるメインスイッチS1のオン時間の最大値を低下させることができる。
As described above, during the normal operation, the time when the first clock signal Vck becomes H does not increase (that is, the OFF time of the main switch S1) does not occur, and the
つぎに、過電流検出時にオン時間を制限して、インダクタ電流を制限する方法について説明する。
図7は、メインスイッチS1のオン時間の最大値Ton-maxを設け、その値を固定した場合のDC−DCコンバータの動作波形の一例を示すタイミング図である。
Next, a method for limiting the inductor current by limiting the on-time when an overcurrent is detected will be described.
FIG. 7 is a timing chart showing an example of an operation waveform of the DC-DC converter when the maximum value Ton-max of the on-time of the main switch S1 is provided and the value is fixed.
この場合、過電流検出時の平均電流Iolimは、
Iolim=Iblim+Ton-max(Vin−Vout)/2L
で制限することができる。ここで、Iblimは過電流検出回路18に設定されたボトム電流設定値、LはインダクタLのインダクタンスである。
In this case, the average current Iolim at the time of overcurrent detection is
Iolim = Iblim + Ton-max (Vin−Vout) / 2L
Can be limited. Here, Iblim is a bottom current set value set in the
一般に、オン時間の最大値Ton-maxを決める場合には、DC−DCコンバータの通常動作に影響を与えないようにする必要がある。オン時間の最大値Ton-maxの設定では、通常動作時において、入力電源Vinから出力電圧Voutを得るために必要なオン時比率D(=Vin/Vout)を考慮して、十分に大きな値にする必要がある。DC−DCコンバータの各スイッチS1,S2やインダクタLでの損失を補うに足りる増分、過渡応答時の余裕、入力電源電圧(Vin)や出力電圧Voutの検出誤差、演算誤差などが影響するからである。このとき、スイッチS1,S2やインダクタL以外の外付け部品での損失も発生する。 Generally, when determining the maximum on-time value Ton-max, it is necessary not to affect the normal operation of the DC-DC converter. In the setting of the maximum on-time value Ton-max, a sufficiently large value is set in consideration of the on-time ratio D (= Vin / Vout) necessary for obtaining the output voltage Vout from the input power source Vin during normal operation. There is a need to. This is because the increment sufficient to compensate for the loss in the switches S1 and S2 and the inductor L of the DC-DC converter, the margin at the time of transient response, the detection error of the input power supply voltage (Vin) and the output voltage Vout, the calculation error, etc. is there. At this time, losses in external components other than the switches S1 and S2 and the inductor L also occur.
また、出力電圧Voutを電圧設定用の外付分圧抵抗を介して集積回路10として構成された制御回路へとフィードバックする場合、あるいは入力電源Vinとは別に集積回路10の電源VDDを供給する場合などでは、新たな端子を設けない限り入力電源電圧(Vin)や出力電圧Voutを検出できない。したがって、想定される使用範囲の最大条件を見込んで、オン時間の最大値Ton-maxを設定する必要がある。 Further, when the output voltage Vout is fed back to the control circuit configured as the integrated circuit 10 via an external voltage dividing resistor for voltage setting, or the power supply VDD of the integrated circuit 10 is supplied separately from the input power supply Vin. For example, the input power supply voltage (Vin) and the output voltage Vout cannot be detected unless a new terminal is provided. Therefore, it is necessary to set the maximum on-time value Ton-max in consideration of the maximum condition of the assumed use range.
本発明のDC−DCコンバータのボトム電流制限では、過電流状態においてオフ時間の延長期間Textdが生じていることに着目して、制御回路内部で設定されるオフ時間の延長信号によってオン時間の最大値Ton-maxの大きさを調整するようにしている。そのため、入力電源電圧(Vin)や出力電圧Voutの大きさを検出する必要がない。 In the bottom current limitation of the DC-DC converter of the present invention, paying attention to the fact that the off-time extension period Textd occurs in the overcurrent state, the maximum on-time is set by the off-time extension signal set in the control circuit. The magnitude of the value Ton-max is adjusted. Therefore, it is not necessary to detect the magnitude of the input power supply voltage (Vin) or the output voltage Vout.
デューティ比制限回路30の第3の遅延回路32は、第1のクロック信号VckのHレベルの延長期間が長い場合に、メモリ容量(コンデンサCm)の放電時間を第3の遅延回路32の立ち下がり遅延時間Tdc(厳密にいえば、Tdc−Tda−Tdb)以下に制限し、クランプ電圧Vclの変化量を制限するために設けられている。場合によっては、過電流状態が発生してから、クランプ電圧Vclが所定値に低下するまでに必要な時間を削減するために、クランプ電圧Vclをクランプ電圧Vdmax以下に制限する第2の電圧制限回路36を設けている。ただし、クランプ電圧Vdmaxは想定される通常動作に影響がないように設定する必要がある。
The
図8は、メインスイッチS1のオン時間の最大値(Ton-max)を可変としたDC−DCコンバータの動作波形の一例を示す図である。
過電流状態となりオフ時間の延長が起きた場合には、つぎの周期でオン時間の最大値Ton-maxを小さくし、最終的にオフ時間の延長期間Textdが概ね0となるようなオン時間まで小さくする。ただし、過電流状態が解消されたことを検出するための微少時間は残される。すなわち、上記のように延長期間Textdが第2の遅延回路31の立ち下がり遅延時間Tdbと重なる時間では最大値Ton-maxの調整(低下)は行われないので、この重なった時間は残されることになる。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of operation waveforms of the DC-DC converter in which the maximum value (Ton-max) of the on-time of the main switch S1 is variable.
When the off-time is extended due to an overcurrent state, the on-time maximum value Ton-max is reduced in the next cycle, and finally the on-time until the off-time extension period Textd becomes substantially zero. Make it smaller. However, a minute time for detecting that the overcurrent state has been eliminated remains. That is, as described above, the maximum value Ton-max is not adjusted (decreased) when the extension period Textd overlaps with the falling delay time Tdb of the
この結果、PWM信号の周波数は通常時の動作周波数(1/Tsw)と概ね同じになる。この場合、過電流検出時の平均電流Iolimは、
Iolim=Iblim+Tsw・Vin(Vin−Vout)/2Vout・L
で制限される。
As a result, the frequency of the PWM signal is substantially the same as the normal operating frequency (1 / Tsw). In this case, the average current Iolim at the time of overcurrent detection is
Iolim = Iblim + Tsw · Vin (Vin−Vout) / 2Vout · L
Limited by.
過電流状態が解消されて延長期間Textdが0となった場合には、第2の遅延回路31の立ち下がり遅延時間TdbにおいてコンデンサCmが充電され、第1の電圧制限回路35のクランプ電圧Vclを大きくする。これによりオン時間の最大値Ton-maxを大きくしていき、やがて誤差増幅回路11からの誤差電圧Veaによってオン時比率Dが制御される通常状態へと復帰する。
When the overcurrent state is canceled and the extension period Textd becomes 0, the capacitor Cm is charged at the falling delay time Tdb of the
以上、この発明のDC−DCコンバータによれば、メインスイッチS1の遮断時間の延長期間を適切に制御できるので、必要なオン時比率Dを計算して制限を設定する必要がなく、過電流制限による通常動作への影響を心配する必要がなくなる。 As described above, according to the DC-DC converter of the present invention, the extension period of the cutoff time of the main switch S1 can be appropriately controlled, so that it is not necessary to calculate the required on-time ratio D and set the limit, and the overcurrent limit There is no need to worry about the effect on the normal operation.
10 集積回路
11 誤差増幅回路
12 PWMコンパレータ
13,33 アンド回路
14 DT(デッドタイム)生成回路
15 レベルシフタ
16,17 ドライバ回路
18 過電流検出回路
20 発振回路
21 延長回路
22 第1の遅延回路
23 コンパレータ
30 デューティ比制限回路
31 第2の遅延回路
32 第3の遅延回路
34 チャージポンプ回路
35 第1の電圧制限回路
36 第2の電圧制限回路
Cm メモリ容量
Cosc 発振用のコンデンサ
Cout 出力コンデンサ
D オン時比率
L インダクタ、またはそのインダクタンス
I1,I2 平均電流(値)
Iblim ボトム電流設定値
Icp チャージポンプ電流
Id 放電用電流源
IL インダクタ電流
Iolim 過電流検出時の平均電流(値)
Iosc 発振用定電流源
Iout 供給電流(出力電流)
Iu 充電用電流源
IV1〜IV4 インバータ回路
Mosc 放電用スイッチ
R1,R2 分割抵抗
R 負荷、またはその負荷抵抗値
S1 メインスイッチ
S2 同期整流スイッチ
Ton-max メインスイッチS1のオン時間の最大値
Tsw 動作周期
Tda,Tdb,Tdc 立ち下がり遅延時間
Textd 延長期間
Vcl クランプ電圧
Vck 第1のクロック信号
Vck1 アンド回路出力
Vckr 第2のクロック信号
Vckr1 第2の遅延出力
Vd 負帰還信号
Vdmax クランプ電圧
Vea 誤差電圧
Vin 入力電源
Vout 出力電圧
Voc 過電流判定信号
Vosc 発振基準電圧
Vref 第1の基準電圧
Vsaw のこぎり波電圧
Vsw スイッチング端子電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
Iblim bottom current setting value Icp charge pump current Id discharge current source I L inductor current Iolim average current (value) when overcurrent is detected
Iosc constant current source for oscillation Iout supply current (output current)
Iu Current source for charging IV1 to IV4 Inverter circuit Mosc Discharge switch R1, R2 Split resistor R Load or its load resistance value S1 Main switch S2 Synchronous rectifier switch Ton-max Maximum value of on-time of main switch S1 Tsw Operation cycle Tda , Tdb, Tdc Fall delay time Textd Extension period Vcl Clamp voltage Vck First clock signal Vck1 AND circuit output Vckr Second clock signal Vckr1 Second delay output Vd Negative feedback signal Vdmax Clamp voltage Vea Error voltage Vin Input power supply Vout Output voltage Voc Overcurrent determination signal Vosc Oscillation reference voltage Vref First reference voltage Vsaw sawtooth voltage Vsw Switching terminal voltage
Claims (3)
前記入力電源の低電位側に前記メインスイッチと直列に接続される同期整流スイッチと、
前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとの接続点に接続され負荷回路に平滑出力電圧を供給するインダクタおよび平滑容量からなるフィルタ回路と、
前記メインスイッチおよび前記同期整流スイッチをパルス幅変調(PWM)制御によって交互に導通・遮断する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記同期整流スイッチの導通制御時に前記インダクタに流れるインダクタ電流が第1の設定値を上回っている間、前記制御回路におけるパルス幅変調制御に優先して前記メインスイッチの遮断時間を延長する延長回路と、前記メインスイッチの導通時間について所定の上限値(Ton-max)を設定するデューティ比制限回路とを有し、
前記デューティ比制限回路は、前記メインスイッチの遮断時間の延長期間(Textd)に応じて前記上限値(Ton-max)を変更する電圧制限回路を有し、前記延長期間が第2の設定値(Tdb)より長い場合には、前記上限値(Ton-max)を低下させ、前記延長期間が発生しない場合には、前記上限値(Ton-max)を上昇させることを特徴とするDC−DCコンバータ。 A main switch connected to the high potential side of the input power supply;
A synchronous rectification switch connected in series with the main switch on the low potential side of the input power supply;
A filter circuit including an inductor and a smoothing capacitor connected to a connection point between the main switch and the synchronous rectification switch, and supplying a smoothed output voltage to a load circuit;
A control circuit that alternately turns on and off the main switch and the synchronous rectification switch by pulse width modulation (PWM) control;
With
The control circuit sets the cutoff time of the main switch in preference to the pulse width modulation control in the control circuit while the inductor current flowing through the inductor during the conduction control of the synchronous rectification switch exceeds the first set value. has an extension circuit for extending and a duty ratio limiting circuit for setting the predetermined upper limit value (Ton-max) for the conduction time of the main switch,
The duty ratio limiting circuit includes a voltage limiting circuit that changes the upper limit value (Ton-max) in accordance with an extension period (Textd) of the shutoff time of the main switch, and the extension period is a second set value ( The DC-DC converter characterized in that the upper limit value (Ton-max) is decreased when longer than Tdb) and the upper limit value (Ton-max) is increased when the extension period does not occur. .
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