携帯電子機器に適合したスイッチング電源に関する研究 Research on Switching-Mode Power Supply Adapted for Mobile Devices

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著者

    • 柴田, 公男 シバタ, キミオ

書誌事項

タイトル

携帯電子機器に適合したスイッチング電源に関する研究

タイトル別名

Research on Switching-Mode Power Supply Adapted for Mobile Devices

著者名

柴田, 公男

著者別名

シバタ, キミオ

学位授与大学

電気通信大学

取得学位

博士 (工学)

学位授与番号

甲第619号

学位授与年月日

2011-03-24

注記・抄録

博士論文

2010

Recently, portable devices such as cellular phones, portable music players, and handheld gameplatforms as well as notebook computers are rapidly increased in numbers. The power supplysource of this portable electronic device is a battery, and the stabilizing supply converted fromthe battery into the voltage that each functional nodule needs is installed in each device. The conversion efficiency should be 100in the characteristic for the ideal power supply, the outputvoltage should be always constant regardless of the I/O condition, and the noise should be removed.The high conversion efficiency characteristic is the most important aspect of the power supplyin portable devices with battery operating time. The linear regulator and the DC-DC converterare widely used as a stabilizing supply circuit. The linear regulator consumes power as heat from the input and the output voltage difference.However, it is ideal for the audio and low-noise applications because a peculiar switching noiseof the DC-DC converter does not exist. Thus, a high efficiency DC-DC converter and low-noiselinear regulator are used for the cellular phone.The DC-DC converter topology includes the buck, the boost, the buck-boot, and the inverter.In recent years, the CPU and DSP perform the high-speed data processing with a core voltage of 0.85V by using a sub-micron technology. An initial and final voltage of a Li-ion battery, which is widely used in portable devices, is 4.2 Vand 2.8V, respectively. Because of the wide voltage range, the buck DC-DC converter configurationis very common for battery powered portable devices. Generally, the portable electronic devices demand longer operating time with small sizes, lighter-weights battery. In order to use the maximum capacity of the battery, the power supply requires high efficiency characteristics. As for energy-saving in the portable electronic devices, making to low power consumption can be attempted with the standby mode. When the high-rate data processing is not needed, the power-supply voltage of the CPU and the DSP can be lowered for power saving. In the DC-DC converters, there is power loss by the forward voltage drop in the diode that composes the converter. The synchronous rectificationcircuit can achieve a high efficiency of 90 % or more within the wide range of the load current.In recent years, it became possible to use switching power MOS transistors in the low inputgate capacitance with fine processing technology, and has achieved lower switching power loss inthe high switching frequencies. As a result, it has achieved thin, light and small products that theportable electronics demanded because they are able to use a smaller, lighter inductor and capacitorwith low volume.Because the standby mode of portable devices can suppress needless power consumption, the switching from the standby mode to the operation mode with a high frequency rate is effectivefor extending the battery operating time. However, when the power supply is turned on, the DC-DC converter that uses the inductor has the problem of a high inrush current which causes an overshoot. The inrush current is not only sacrificing the battery life but it also ruins the reliabilityof the inductor and other electronic components. In recent years it became possible to use switching power MOS transistors in the low input gate capacitance with fine processing technology, and has achieved lower switching power loss in the high switching frequencies. As a result, it has achieved thin, light and small products thatthe portable electronics demanded because they are able to use a smaller, lighter inductor and capacitor with low volume. Because the standby mode of portable devices can suppress needlesspower consumption, the switching from the standby mode to the operation mode with a highfrequency rate is effective for extending the battery operating time. However, when the power supply is turned on, the DC-DC converter that uses the inductor has the problem of a high inrushcurrent which causes an overshoot. The inrush current is not only sacrificing the battery life butit also ruins the reliability of the inductor and other electronic components.The definition of the research on switching-mode power supply adapted for mobile devices is todevelop a high speed switching control circuit for the operational mode, non-operational mode,and the standby mode. The new control circuit manages the mobile devices and improves the supply efficiency. To design a highly efficiency DC-DC converter that adopts to the portable electronics, the present study researches and develops the following element circuits.(1)Design of power supply control circuit that drops the battery terminal voltage due to inbattery internal resistance and load current doesn’t drop below the lowest operation input voltageof the regulator.(2) Design of control circuit where high-speed switch of standby mode and operation mode is possible. (3) Design of adaptive slope compensation circuit characterized in compact circuit configurationand low power consumption.(4) Design of UVLO and power-on reset circuit which prevents the inrush current due to uncer-tain logic condition.(5) Design of logic circuits which switch the inductor current with constant Duty Cycle imme-diately after power up.This study is intended for the study of the switching power supply to adapt mobile electronic equipments. The main purpose of this study is small, lightweight and high conversion efficiencypower supply. In the present study, that evaluation and the verification of the research are donebased on newly developed sample ICs. The developed key element circuits contained in the sampleICs are manufactured, assembled, characterized, measured and evaluated. 近年携帯電話や携帯音楽プレイヤー、携帯ゲーム機、ノートパソコンなど、様々な携帯型の電子機器が急速に普及している.これら携帯型電子機器は電池を電力供給源としており、各機器内部には電池から各機器モジュールが必要とする電圧に変換する、安定化電源が搭載されている.しかし、年々携帯電子機器の機能が次第に複雑になり、電子機器自体の低消費電力化が重要視されるようになった.その結果、電子機器の各機能ブロックごとのきめ細かい電源制御が重要視され、電源のオン/オフ制御による二つのモードでは不十分となってきた.第三のモードは待機モードと呼ばれ、電子機器の動作を保持できる電圧と電流を供給することにより、電子機器の低消費電力化を図るものである.安定化電源回路としてリニア・レギュレータは、スイッチングのオン/オフ時間を制御して一定電圧を送出するDC-DCコンバータと比較すると変換効率は著しく低い.しかしDC-DCコンバータ特有のスイッチング雑音が存在しないため、オーディオやRFの低雑音特性が要求されるアプリケーションに適している.携帯電話の場合、DC-DCコンバータとリニア・レギュレータの両方式が混在する複合電源回路を構成する. 一般的に携帯電子機器は、小型、軽量、そして搭載されている電池による長い動作時間を要求する.電池容量を最大に活用するには、携帯電子機器の低消費電力化、電源回路の高効率化が必要である携帯電子機器の低消費電力化には、システム全体に電力を供給する必要の無い待機状態に電源の供給を遮断する待機モードや電圧を低下させて低消費電力化を目指すパワーセーブモードにより、低消費電流化を図ることが出来る. 携帯機器の待機モードは、不必要な消費電力を抑えることができるので、高い頻度による待機モードから動作モードへの切替えは、電池動作時間の延長に有効である.動作時間と待機時間の比率が1/2の場合、電池の動作時間は2倍に延長することが出来る.しかし、インダクタを用いたDC-DCコンバータは、電源投入時に大きな突入電流と出力電圧オーバーシュートを発生する問題がある.電源回路の突入電流や、出力電圧オーバーシュートは、電池の寿命を延長できないばかりかインダクタや電子部品等の信頼性を損なう要因となる.この対策として、従来技術であるソフトスタート制御回路は、数ミリから十ミリ秒の時間を要して電源の安定化を図っている. 本研究の課題である携帯電子機器に適合したスイッチング電源とは、電源の動作モード、非動作モードおよび待機モードを高速に切換えが出来る高効率電源である.本研究の目的は、負荷電流値に依存せず、一定時間内に短時間で電源が起動する高速ソフトスタート制御回路、出力電圧が変更されても自動的に補償ランプのランプ電圧が調整され、最適な過渡応答特性を提供する適応型スロープ補償回路、DC-DCコンバータを構成する要素回路、高効率化に関する先行研究結果などをもとに携帯電子機器に適合するスイッチング電源の研究・回路設計・ICの試作を行い、実装試験結果をもとにその評価と検証を行うところにある. 本研究で開発する回路は以下のとおりである.1. 電池の内部抵抗の増加の負荷電流に起因して電池の端子電圧が安定化電源回路の最低動作入力電圧以下に低下させない電源制御回路を設計する.2. 携帯電子機器の主電源を、待機モードと動作モード間を短時間で切り替える高速電源スター  トアップ制御回路により電池の最大活用化を図るため本研究では従来1/50以下に相当す  る150μsのスタートアップ制御回路を設計する.3. 広範囲に変化するLi Ion電池などの入力電源では、DC-DCコンバータのオン・オフ・スイッ  チング時間比(Duty Cycle)が50%を超える場合、過渡応答特性に優れている電流モード型DC-DCコンバータは、50%のDuty Cycle を超えると低周波発振(Sub-harmonic oscillation)を生じる.従来の技術では、一定のスロープ補償ランプ(Slop Compensation Ramp)をインダクタ電流に加算して安定を図っているが、降圧型のスロープ補償ランプの場合、mc=Vout/Lで表され電源電圧Voutに比例する.従って出力電圧をシステムの動作状況に応じて可変し、電源の最大効率化を図るためにmcも同時に可変しなければならない.本研究ではコンパクトな回路構成で低消費電力を特徴とする高速適応型スロープ補償回路を設計する.4. 電源が投入された直後、誤動作による突入電流とオーバーシュートを防止するため、スイッ  チングコンバータの最低動作電圧に達するまではインダクタ電流のスイッチングを禁止す  るUVLO(Under Voltage LockOut)とパワーオン・リセット回路を組み合わせた回路を設計  する.5. 電源が投入されてから一定時間定められたDuty Cycle でインダクタ電流をオン・オフする  論理回路を設計する.シミュレーションにより検証された高効率DC―DCコンバータは、標準の0.5μm CMOS技術によりICの試作製造を行い、パッケージして諸特性の測定評価を行った.評価結果により、考案した高速ソフトスタート制御回路は、突入電流を抑え、オーバーシュートを低減することが確認された.ソフトスタート時間は、設計目標とした150μsを達成した.従来の制御回路を用いた標準的ソフトスタート時間を7.5msとすると、1/50に相当する.また、考案した適応型スロープ補償回路は出力電圧が広い範囲で切換えられるプログラマブル電源の場合、入力電圧と出力電圧のオン・オフ・スイッチング時間比が50%を超えも、スロープ補償電圧のランプ(傾斜)を自動調整し低周波発振が生じないことを確認した.

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各種コード

  • NII論文ID(NAID)
    500000547447
  • NII著者ID(NRID)
    • 8000000549539
  • 本文言語コード
    • jpn
  • NDL書誌ID
    • 023262939
  • データ提供元
    • 機関リポジトリ
    • NDL-OPAC
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