集積回路設計第9回目講義資料杉本泰博 1 スイッチング電源回路が必要なわけ ∼降圧型DC-DCコンバータ効率が大事！ 2 DC-DCコンバータの電力効率 DC-DCコンバータに求められることとは電力効率とは η= 電圧を変換すること入力された電力を100%出力すること出力電力 Vout I out = ×100 [%] 入力電力 Vin I in 自分自身で電力を消費してしまっては元も子もない。 3 降圧型DC-DCコンバータの動作原理インダクタはエネルギーを貯める素子である。 S1がON ∆I L = S2がON V V − VOUT ∆t = IN ∆t L L 電流増加→エネルギーを貯める ∆I 'L = 0 − VOUT V V ∆t = ∆t = − OUT ∆t L L L 電流減少→エネルギーを放出 4 出力電圧の決定定常状態 ∴ ∆I L = ∆I L' VIN − VOUT 2 V 1 × T = OUT × T L L 3 3 2 ∴VOUT = VIN 3 S1のON期間をディジタル的に変えれば出力電圧を任意に設定できる。 5 降圧型DC-DCコンバータICの回路およびブロック構成 S1 S2 二つの負帰還ループにより出力を安定化させる。 6 誤差増幅器(エラーアンプ) 誤差増幅器は出力電圧VoutをRf1,Rf2で分割した電圧と参照電圧Vrefの電圧の違いを増幅する。誤差増幅器誤差増幅器回路誤差増幅器の入力端子間の電圧差がほぼゼロになるようにループでフィードバックがかかる(Vi→0)。VOUTは以下のようになる。 VOUT × Rf 2 Rf 1 + Rf 2 = Vref ⎛ Rf1 ⎞ ⎟ ∴VOUT = Vref × ⎜1 + ⎜ R ⎟ f2 ⎠ ⎝ 7 インダクタ電流検出回路 Lに流れる電流を検出 = MPに流れる電流と同じである MPがオンであれば低抵抗RONに見える。 RON = 1 β (VGS − Vth ) (線形領域) オペアンプの入力電圧差は零に近い。ＮＬＸ点とⒶ点の電圧は等しい。 VNL = VCC − I L × RON より、IL×RONの電圧をモニタして IL RON = I CP ∝ I L RM C 1 とする。 8 PWM比較器(コンパレータ) 二つの入力電圧Vi,VCを比較し、ViがVCを越えた瞬間に出力がハイとなる。折り返しカスコード回路（高速特性）ソース接地増幅回路(利得大) 9 発振回路弛緩発振器という。 ①MN2およびMP2はVOのハイ、ローによりオン・オフするスイッチと等価なトランジスタである。 ②図中Hはヒステリシス特性を持つ比較器である。 ③MN1,MP1はどちらも定電流。弛緩発振回路 10 発振の仕組み MP2がON(MN2はOFF) MP1からキャパシタCへ定電流iCが流れ、Cの両端の電圧は時間と共に直線的に増加。 Viは直線的に増加。やがてVIHに達すると出力VOがハイに変わる。 MN2がON(MP2はOFF) キャパシタCからMN1へ定電流iCが流れ、Cの両端の電圧は時間と共に直線的に減少。 Viは直線的に減少。やがてVILに達すると出力VOがローに変わる。発振周波数fOSCは、１周期間にキャパシタCの端子電圧Viが2度VIHとVILの間を繰り返すので、 IC T × = (VIH − VIL ) C 2 より f OSC = 1 1 = T 2C (VIH − VIL ) 11 参照電圧源回路参照電圧源の電圧は0.5[v]。DC-DCコンバータの出力電圧VOUTはこの参照電圧より低くできない。またVOUTは入力電圧や周囲の温度、負荷の電流が変化しても、変わってはならない。 12 正の温度係数を持つ電流正の温度係数 → 温度が上がると電圧は上がる。アンプの働きにより、VA=VB このとき抵抗RPの両端の電圧は ⎛ I ⎛I ⎞ VR p = VD1 − VD 2 = VT ln⎜⎜ P ⎟⎟ − VT ln⎜⎜ P ⎝ NI S ⎝ IS ⎠ ただし kT VT = q 抵抗RPに流れる電流IPは ⎞ ⎟⎟ = VT ln N ⎠ k:ボルツマン定数、T:絶対温度 q:電子の単位電荷、Is：ダイオードの飽和電流 N: D1とD2の大きさの比率を1:Nとする Ip = VT ln N RP VTは正の温度係数を持つ電圧である(0.086mV/℃)。よって電流IPはVINの変化によらない正の温度係数を持つ電流である。 13 負の温度係数を持つ電流（演習９.1）負の温度係数 → 温度が上がると電圧は下がる。ダイオードの両端電圧VD1は負の温度係数をもつ電圧である(−2mV/℃)。アンプの働きにより、VD1=VRN このとき電流INは IN = VD1 RN これはVINの変化によらない負の温度係数をもつ電流である。ではどうすれば、温度係数を持たない電圧を作り出す事が出来るであろうか？ 14