クロック周波数可変DC−DCコンバータ
井上 和勇★
A Novel DC DC Converter with Variable Frequency Cloek
Kazuo lnoue
In this paper， the author proposes a novel boost type DC DC converter with variable frequency clock． A conventional booster such as a charge pump type booster or a switched capaeitor booster operates with a fixed frequency clock and it s output voltage is not constant by load variation． In order to impreve this problem， new converter circuit consisting of VCO，
output voltage detector and DC−DC converter block is introduced． This converber can generate a variab｝e frequency clock suitable to load variation and minirnizes variations of output voltages and reduces power dissipation． The new booster circuits are simulated by Spice and are confurmed that proposed system has better characteristics than conventional DC−DC converter ． The circuits are usefu1 for embedded power supp｝y circuits in IC or LSI．
Keywords：チャージポンプスイッチトキャパシタ 相補型昇圧回路， VCO，レベルモニタ回路
1．まえがき 2 ． 提案の昇圧回路のコンセプト
一般的に，キャパシタや抵抗等の受動素子で構成さ れるDC・DCコンバータ（昇圧）の出力電圧は負荷の変 動に対して弱く，負荷が重くなると出力電圧が降下し リプルが大きくなる性質がある．この場合，クロック 周波数を高くしたり，充電用キャパシタの容量を大き
くしキャパシタの放電による電圧変動を少なくするこ と等で解決している．本論文は，負荷の変動に応じ DC・DCコンバータのクロック周波数を変化させるこ
とで出力電圧の安定と低消費電力を実現しようとする ものである．すなわち，負荷が重くなったとき出力電 圧の降下を検出しクロック周波数を高くし，負荷が軽 いときは，クロック周波数を低くし負荷の大きさによ り最適なクロック周波数を供給し出力電圧の変動を最 小限に抑え且つ消費電力を少なくするものである．今 回DC・DCコンバータブロックとして，チャージポン プ相補型昇圧回路田を用いて提案システムを構成し た．シミュレーションで特性を確認し所望の結果を得 られた．本提案回路はシステムオンチップ等へのオン チップ電源回路として集積化に適しているといえる．
本提案のDC・DCコンバータのコンセプトを図1に 示す．このシステムは従来のDC−DCコンバータに新 たに電圧制御型発振回路（以下VCOと記す）とレベル モニタ回路の3つの機能ブロックより構成される．負 荷の変動による出力電圧変化をレベルモニタ回路で検 出し，この検出電圧を増幅しVCOの周波数制御電圧
として与え周波数を変化させる．このVCOの周波数
原稿受付 平成13年8月31日
★津山工業高等専門学校 情報工学科
DC−DCコンバータ回路 出力
電圧制御型発振回路
vco
負荷
レベルモニタ回路
図1．提案のシステムブロック図
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津山高専紀要第43号 （2001）
バイアス安定化回路
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㍉電圧制御型発振回路（VCO）
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図2．シミュレーションに用いた全体回路図 Fig．2 The circuit diagram for simulation
が変化した出力信号はDC−DCコンバータ回路ヘクロ ック信号として与えられる．負荷が重くなり出力電 圧が低下すれば自動的にクロック周波数が高くなり，
DC−DCコンバータの充電用キャパシタの充電電荷量 を増やし出力電圧を一定値に回復させる動作をする．
負荷が軽くなれば逆の動作をさせる．回路の消費電力 は最適化され減少させることができる．
3 t提案の昇圧回路の構成
提案の全体回路（シミュレーション用回路）を図2に 示す［2］．各々回路ブロックについて説明する．
（1） 提案回路はDC−DCコンバータとしてチャ ージポンプ相補型昇圧回路を用いた．
（2） VCOは5段のインバータからなるリングオ シレータと，各インバータ回路の電源に直列にMOSト ランジスタ（以下MOSTr．と記す）を接続し制御電 圧でこのMOSTr．の等価抵抗を可変することにより，
発振周波数を変える構成とした．制御電圧が変化し MOST r．の等価抵抗値が大きくなったとき（オフ状態
に近づいたとき），Pch−MOST r．とNch−MOSTr．の
特性の違いによりVCOの平均出力電圧は電源電圧 Vddの1／2から片寄りが生じ次段インバータ
（Q21，Q22）の反転を困難にする．この片寄りを防ぐた め新たにバイアス安定化回路を考案した．バイアス安 定化回路は図2のQ31とQ32からなる1／2Vdd電圧 発生回路とリングオシレータのインバータと同じ回路 構成で制御電圧に対する直流出力電圧をモニターする Q33〜Q36からなる回路とこの2つの出力電圧の差を 増幅するQ27〜Q29よりなる差増増幅器で構成され る．差動増幅器の出力電圧をリングオシレータの Pch−MOSTr．に接続することにより制御電圧が変動
しても，VCOの出力直流電圧値（すなわち動作点）
を常に1／2Vddに保持することができる．この回路に より，制御電圧が変化しMOST r．の等価抵抗値が大 きくなったとき，VCOの出力電圧と次段インバータ の反転レベルとの不整合を解消し周波数可変範囲の拡 大と次段インバータの動作点の最適化による消費電力 の削減を実現する．
（3） レベルモニタ回路は，出力電圧を抵抗で分割
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クロック周波数可変DC−DCコンバータ 井上
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図3．負荷抵抗に対する出力特性
Fig3． Load resistance vs． output characteristics
しレベルシフトした後，増幅しVCOの制御電圧とし
て供給する．
4 ．結果と考察
図2の回路を用いてSpiceによるシミュレーション を行い動作を確認した．
提案回路の消費電流は単独のDC・DCコンバータの 消費電流305μAに対し38μA多い343μA（クロック 周波数1．3MHzのとき）となり，付加回路の消費電流 を約10％増に押さえ全体回路の消費電流の増加を抑
えた．
VCOの制御電圧の変化に対し， VCOの出力の直流 電圧の片寄り（すなわち動作点の変動）を防ぎ，常に 1／2Vdd近傍1に安定させるため，バイアス安定化回路 を採用したが，この回路により周波数可変範囲の拡大 を図れた．この特性を図4に示す．制御電圧を1．OV から4．3Vまで変えることにより発振周波数は 1．25MHzから40KH：zまで変化した．バイアス安定回 路がない場合は，105KHzまでしか変化しないのに対 しより低い周波数まで変化させることができ可変範囲 の拡大を図れた．また同時に各素子の動作点の適正化 による消費電力の最適化が図れた．
このシステムにおいて，図3に負荷抵抗を100kΩ から10MΩまで変えたときのクロック周波数（VCO の発振周波数）の変化の様子，出力電圧の変動及び 消費電流の特腔を示す．負荷抵抗が最小の100kΩの
ときクmック周波数は最高の約1．3MHzを示し，負荷 抵抗が最大の10MΩではクロック周波数は230KHz
まで低下し周波数変動幅は1．07MHzとなった．この
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図4。VCO特性（制御電圧対発振周波数特性）
Fig． 4 VCO characteristics
とき消費電流は約350μAから約200μAに減少する．
DC・DCコンバータ単独の場合と比較すると，従来 回路は負荷抵抗が最小の100kΩのときのクロック周
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津山高専紀要第43号 （2001）
波数1．3MH：zに設定し固定とするため、負荷抵随が変 動しても消費電流は常に305μA一定で減少しない．
提案の方式は，スタンバイモード等を有する負荷が変 動するシステムへの応用に有用となる。
また図3に示された出力電圧特性は，負荷抵抗値 100kΩから1MΩの範囲では右がりの特性を示すが 1MΩ以上ではほぼ一定となる．この特性はクロック 周波数1．3MHz固定の揚合と比較し，ほぼ同等の特性
となった．
出力電圧のリプル特性についても，単独のDC−DC コンバータと比べ遜色なく良好であることを確認した．
また，提案回路はフィードバックループを形成する ため，負荷抵抗10MΩから100kΩへ（また100MΩか
ら10kΩへ）ステップ状に変化させたときの系の安定 性を調べたが，過渡動作においても安定で問題ないこ
とを確認した．
図5において，時間1．Omsで負荷抵抗がleKΩか ら100KΩ変化したとき，および時間2．Omsで負荷抵 抗が100K：Ωから10kΩにステップ状に変化させた時 の出力電圧の過渡応答波形を図5に示す．この結果よ
り，システムは安定であると言える．
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図5．出力電圧の過渡応答波形
Fig． 5 The transient analysis of output volねge
を組み合わせることで制御電圧対周波数可変特性を向 上できた．本システムはMOS［［r．とキャパシタで構 成されIC，：LSIへの内蔵が可能であり，今後発展が期 待されているシステム：LSIへの電源回路として有用で あるといえる．
謝辞本研究に際し，実験にたずさわられた専攻科2 回生赤松徹也君，平成12年度情報工学科卒業blII副 祥玄君に深く感謝します．
5 ．あとがき
本論文ではDC・DCコンバータとして相補型を例に 提案システムを考察したが，直並列切り替えスイッチ
トキャパシタ並等のDC・DCコンバータにも，この提 案システムは容易に応用でき負荷変動を伴う用途にお いて有用である．考案のバイアス安定化回路とVCO
参考文 献
［1］高橋一清，欄間碩玉，水沼充， 相補型チャージポンプ昇
圧回路 ，自学論（C・耳），No．8， pp253・260， Aug．1997
【2］赤松徹也，浅津博昭，井上和勇， DC・DCコンバータの 周波数可変による出力電圧安定化の研究 ，平成12年電 気学会電子・情報部門大会，GS2−5， Sep．2000
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