JP2004080985A - Power supply device, hard disk device and IC using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】制御ループの安定化と応答性とを両立した電源装置を提供する。
【解決手段】本発明の電源装置は、パワー系LC平滑フィルタとは別に設けたフィルタと誤差増幅器内部の差動増幅器をつないで出力電圧信号誤差増幅器に帰還する。また、本発明の電源装置は、パワー系LC平滑フィルタの出力を上下限検出を有する制御回路に加えて、定常状態の上側/下側半導体スイッチング素子であるパワーMOSFETのデューティ制御とは別に、過渡負荷変動時にはデューティを強制的に0%、または100%にする。
【選択図】 図1Provided is a power supply device that achieves both control loop stabilization and responsiveness.
A power supply device according to the present invention feeds back to an output voltage signal error amplifier by connecting a filter provided separately from a power system LC smoothing filter and a differential amplifier inside the error amplifier. In addition, the power supply device of the present invention may be configured such that the output of the power-system LC smoothing filter is added to a control circuit having upper and lower limit detection, and the transient control is performed separately from the duty control of the power MOSFET which is the upper / lower semiconductor switching element in a steady state. When the load changes, the duty is forcibly set to 0% or 100%.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御ループを安定化した電源装置及びそれを用いた装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来技術のループ安定化法を備えた電源装置では、パワー系のLC平滑フィルタから信号を誤差増幅器に帰還し、誤差増幅器で位相を補償して制御ループの安定化を図っている。この従来技術では、前記パワー系LC平滑フィルタにアルミ電解コンデンサを用いている(例えば非特許文献1)。
【0003】
一方、電源装置の小形化に対応するには、パワー系LC平滑フィルタのアルミ電解コンデンサに代えて、チップ部品のセラミック・コンデンサを使用する必要性が生じている。しかし、チップ・セラミック・コンデンサは等価直列抵抗
(ESR)が数mΩと小さく、しかも実際の使用条件では、セラミック・コンデンサを並列接続するのでESRの合計が1mΩ以下とさらに小さい。このために、アルミ電解コンデンサを用いた場合のようなESRのダンピングが期待できず、制御ループの安定化が難しい。
【0004】
上記従来技術でパワー系LC平滑フィルタにESRが小さいセラミック・コンデンサを使用すると、ESRのダンピング効果が期待できないため信号が振動を起こし、位相補償が難しくなる。また、仮に従来技術で、誤差増幅器の動作帯域を狭めて位相補償ができたとしても、電源の応答が著しく遅くなる。さらに、
LC平滑フィルタの定数変更に際して、その都度誤差増幅器の位相補償条件を調整する煩わしさがある。
【0005】
また、出力LC平滑フィルタのインダクタの両端に接続したCR平滑フィルタの出力から低入力インピーダンスの誤差増幅器に戻す方法が記載されている(例えば特許文献1)。この技術では、CR平滑フィルタを用いて電源出力の電圧と電流の信号を取り出しているため、誤差増幅器の回路構成は低入力インピーダンス化が必要となる。このため、CR平滑フィルタのR値を小さくする必要があり、CR平滑フィルタの定数としては0.47μF ,100Ωを用いている。従って、この定数のCR平滑フィルタは電源ICにオンチップできないので、外付部品として残り電源装置の小形化が図れないという課題がある。
【0006】
【非特許文献1】
ZHANG et al、”Low−voltage on−board DC/DC modules for next generations of data processing circuits、”IEEE Tran.on Power Elect.vol.11、no.2Mar.1996 P328〜337
【特許文献1】
USP5,877,611
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
電源装置で小形化を図ると、制御ループの安定化が難しくなる。本発明は、小形化とともに、制御ループの安定化が容易な電源装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御ループの安定化のためにパワー系フィルタとは別に、信号を高速フィルタを通して帰還する電源装置とすることで、上記課題を解決できる。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、簡単に述べる。
【0010】
本発明の電源装置は、降圧型DC−DCコンバータの電源装置に、パワー系
LC平滑フィルタとは別に設けたCR平滑フィルタに信号を通して誤差増幅器に帰還する。
【0011】
また、本発明の電源装置は、パワー系LC平滑フィルタの出力を上下限検出を有する制御回路に加えて、定常状態の上側/下側半導体スイッチング素子であるパワーMOSFETのデューティ制御とは別に、過渡負荷変動時にはデューティを強制的に0%、または100%にする手段を設けている。
【0012】
さらに、本発明の電源装置は、電源装置ユニットを複数台数用意し、これらを並列運転するために、複数の電源装置ユニットに共通に有する発振器とフェーズシフト回路とを備え、定常状態では各電源装置ユニットの上側/下側パワー
MOSFETの駆動パルス位相を、360°を並列数で割った位相にそれぞれシフトし、過渡負荷変動時には並列電源装置ユニット総てを同位相の駆動パルスで運転する。
【0013】
以下、各実施例を図面を用いて説明する。
【0014】
(実施例1)
図1に本実施例の電源装置を示す。図1で、Viが入力端子、Voが出力端子である。入力端子Viには上側パワーMOSFET Q1が接続され、接地電位側には下側パワーMOSFET Q2が接続される。パワーMOSFET Q1とQ2の中点にはインダクタLとコンデンサCoとから成るパワー系出力フィルタであるLC平滑フィルタと、抵抗RとコンデンサCとから成るCR平滑フィルタとが並列に接続され、さらにLC平滑フィルタの中点には出力端子Voが、
CR平滑フィルタの中点には誤差増幅器EAの一方の入力(−)が接続される。ここで、上記LC平滑フィルタのコンデンサCoはチップ・セラミック・コンデンサである。
【0015】
また、誤差増幅器EAの他方の入力(+)には基準電圧Vrefが接続される。誤差増幅器EAの出力にはパルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWMと略す。)発振器PWM,ドライバDRVを介してパワーMOSFET Q1,Q2のゲートが接続される。パワーMOSFET Q1,Q2は逆相で駆動され、交互に導通する。本実施例では、出力電圧Voutは入力電圧Vinより小さい。
【0016】
次に、図1の回路動作を説明する。入力端子Viに印加された入力電圧は、上側パワーMOSFET Q1と下側パワーMOSFET Q2のオン/オフ制御によってCR平滑フィルタを介して電圧に変換される。この変換電圧VFBは基準電圧Vrefと誤差増幅器EAとで比較され、誤差増幅器EAの出力に誤差電圧が増幅されて発生する。この誤差電圧はパルス幅変調発振器PWMでPWMパルスに変換される。このPWMパルスはドライバDRVで上側パワーMOSFET Q1と下側パワーMOSFET Q2とを駆動するオン/オフ時間比(デューティ:α)に変換され、誤差電圧がゼロになるように負帰還制御され、変換電圧VFBは基準電圧Vrefに等しくなる。この場合、定常状態においてCR平滑フィルタを通して得られる変換電圧VFBは入力電圧Vinのデューティαに比例する。従って、VFB=Vref=α・Vinの関係式が成立する。ここで、前記デューティαは、オン時間/(オン時間とオフ時間の和)で定義するので、0〜1の間の値をとる。
【0017】
通常の降圧型コンバータの場合では、定常状態での電圧変換率が出力電圧と入力電圧の割合、すなわちデューティに等しいことがわかっているので、LC平滑フィルタの出力、すなわち出力端子Voに得られる出力電圧Voutは、入力電圧をVin、デューティをαとすると、Vout=α・Vinの関係式で求まる。
【0018】
上記2つの式より、Vout=VFB=α・Vinの関係が成立する。従って、出力電圧は、直接LC平滑フィルタ出力を帰還して制御しなくても、他の方法でデューティαを間接的に制御できれば出力端子Voの出力電圧Voutを直接制御したことと同等になり、出力端子Voには入力電圧Vinのデューティαに比例した電圧が得られる。換言すると、パワーMOSFET Q1,Q2を駆動して、CR平滑フィルタの出力を負帰還制御することで、LC平滑フィルタの出力にも入力電圧Vinのデューティαに比例した所望の電圧が出力電圧Voutを得ることができる。
【0019】
本実施例は、上側パワーMOSFET Q1と下側パワーMOSFET Q2のデューティ制御による電圧変換手段として、制御ループにCR平滑フィルタを用いる1次遅れの制御方法なので、従来技術のようにLC平滑フィルタの2次遅れがなく、制御ループが振動系とはならないため、出力には振動波形は発生せず、ループが安定になる。従って、本実施例によれば、LC平滑フィルタのコンデンサにESRが小さいチップ・セラミック・コンデンサを使用しても、制御ループが安定化できる。
【0020】
次に、2つの平滑フィルタのコーナー周波数とスイッチング周波数との大小関係を説明する。CR平滑フィルタのコーナー周波数をfCR,LC平滑フィルタのコーナー周波数をfLC,スイッチング周波数をfSWとすると、これらをfLC<fCR<fSWに設定して、ループの安定性は確保できる。この関係から、CR平滑フィルタから帰還したほうが、LC平滑フィルタから帰還した場合に比べてより動作周波数が高いので、高速応答が可能となる。また、fLCとfCRとをある程度離れた周波数に設定すれば、LC平滑フィルタの定数を変更しても、CR平滑フィルタ定数を変える必要がなく、設計の自由度が大きくできる。スイッチング周波数の1〜6MHzの高速動作に対しては、LC平滑フィルタおよびCR平滑フィルタの定数に、例えばそれぞれ0.2μH ,220μFと、20pF,200kΩとが使用できる。このコンデンサと抵抗器の値がこのオーダであれば、CR平滑フィルタを半導体集積回路チップに搭載(オンチップ)が可能となり、外付部品が不要になる。このことは、図1に示す電源装置を、従来技術の電源制御ICと同じ端子配置(ピンコンパチブル)のICにすれば、
ICの置換えだけで従来技術のプリント配線基板がそのままで利用できる。なお、CR平滑フィルタの定数は20pF,200kΩなので、誤差増幅器EAは、高入力インピーダンスの増幅器構成が必要となる。このため、誤差増幅器EAは誤差増幅器内部の差動増幅器の入力とCR平滑フィルタの出力とを直結した構成で用いるのがよい。
【0021】
図2は、図1の電源装置でCR平滑フィルタを半導体チップに内蔵した場合のチップレイアウトの説明図である。図2では、Cが内蔵コンデンサで、Rが内蔵抵抗であり、これらが誤差増幅器EA,パルス幅変調発振器PWM,ドライバDRV,パワーMOSFET Q1,Q2と同じ半導体基板に搭載されている。
【0022】
以上では、制御ループの誤差増幅器に帰還するフィルタをCR平滑フィルタを例に説明したが、この代わりに応答性のよい他のフィルタ回路を用いても同様の効果が得られる。また、半導体スイッチング素子としてパワーMOSFETを例に説明したが、代わりにIGBTを用いてもよい。
【0023】
(実施例2)
図3に本実施例を示す。図3で、図1と同じ構成要素には同じ符号を付している。図3が、図1と異なる点は、CR平滑フィルタをLC平滑フィルタのインダクタLの両端に接続したことである。本実施例では、出力のLC平滑フィルタのコンデンサCoの静電容量が大きいので、コンデンサCoのインダクタ接続端側も接地電位と見做すことができる。本実施例でも、図1と同様の効果が得られ、さらにLC平滑フィルタのコンデンサCoの温度変化による微小な容量変化も負帰還でき、ESRが小さいチップ・セラミック・コンデンサを使用しても制御ループの安定性が向上できる。この場合も、CR平滑フィルタの定数は、図1の実施例の定数が使用できる。図4に、図3の電源装置でCR平滑フィルタを半導体チップに内蔵した場合のチップレイアウトの説明図を示す。
【0024】
(実施例3)
図5は、実施例1に過渡変動検出回路TVDをさらに設けた電源装置である。この過渡変動検出回路TVDは出力端子Voの出力電圧Voutと基準電圧Vrefに上下限電圧幅±Δを加えた電圧との間で過渡負荷変動を検出してパルス幅変調発振器PWMのデューティを制御する。具体的なパルス幅変調発振器PWMと過渡変動検出回路TVDの例を図6に示す。
【0025】
図6で、パルス幅変調発振器PWMは、電圧/電流変換回路V/Iと、電流源MOS110,120と、インバータINV11,INV12と、コンデンサ105と、フリップフロップFFとを備えた可変発振器である。また、過渡変動検出回路TVDは、コンパレータCMP1,CMP2と、スイッチMOS SW1〜
SW4と、定電流源I1〜I4と、インバータINV1〜INV8とを備えている。
【0026】
過渡変動検出回路TVDは、2つのコンパレータCMP1,2によるウインドコンパレータを備えていて、出力電圧Voutを、基準電圧Vrefに上下限電圧幅±Δを加えた電圧で比較し、出力電圧Voutの動作状態を検出して、図7に示すPWM発振器PWMのパルスデューティαを決定する。これは、過渡変動検出回路TVDで、定常状態と過渡負荷変動時の制御方法を動作状態に見合った制御モードに切換えることである。
【0027】
2つのコンパレータCMP1,CMP2の出力から、(a)負荷電流が減少した場合、(b)定常状態、(c)負荷電流が増加した場合の3通りの情報が得られる。これらのケースを図7を用いて説明する。
【0028】
(a)はVo≧(Vref+Δ)の条件の場合である。このときはパルス幅変調発振器PWMの出力デューティを強制的に0%にする。このため、スイッチMOS SW1とSW4とをオン、スイッチMOS SW3とSW2とをオフにして、定電流源I1の電流は電流源MOS110の電流に加わってインバータINV11に流れ、定電流源I4の電流は電流源MOS120の電流を引き抜くためインバータINV12に流れる電流はゼロになる。よって、上側パワーMOSFET Q1はオフで、下側パワーMOSFET Q2はオンとなり、デューティ0%になる。この場合もデューティαを完全に0%にするために、定電流源I1〜4の電流値を、電圧/電流変換回路V/Iの差動対動作電流の合計電流にそれぞれ設定することが好ましい。
【0029】
(b)は(Vref+Δ)>Vo>(Vref−Δ)の条件の場合ある。この場合は、総てのスイッチMOS SW1〜4はオフであり、誤差増幅器EAからの制御指令で決定する電流比で動作する。この電流比はデューティの比率に等しいので、出力電圧Voutとして、入力電圧Vinのデューティαに比例した電圧が得られる。
【0030】
(c)はVo≦(Vref−Δ)の条件の場合で、デューティを強制的に100%にする。この場合は、スイッチMOS SW3とSW2をオン、スイッチMOSSW1とSW4をオフにして、定電流源I3の電流が電流源MOS120の電流に加わってインバータINV12に流れ、定電流源I2の電流は電流源MOS110の電流を引き抜くためインバータINV11に流れる電流はゼロになる。よって、上側パワーMOSFET Q1はオンで、下側パワーMOSFET Q2はオフとなり、デューティ100%になる。この場合もデューティαを完全に100%にするために、定電流源I1〜4の電流値を、電圧/電流変換回路V/Iの差動対動作電流の合計電流にそれぞれ設定することが好ましい。
【0031】
本実施例では、過渡負荷変動時に出力端子Voに発生した電圧を、基準電圧
Vrefに加えた上下限電圧幅±Δ以内に入るように、パルス幅変調発振器PWMのデューティαを強制的に0%、又は100%に切換えて、出力電圧VoutをVref±Δ以内に急速に抑制する。そして、定常状態に入ると、出力電圧を入力電圧のデューティαに比例した電圧に最終的に整定させる。
【0032】
このように、本実施例では過渡負荷変動時と定常状態によって制御モードを自動的に切換えるので、例えば、500A/μsの高い電流変化率(di/dt)を有する10A程度の過渡負荷変動に対しても高速応答と定常状態での出力電圧の安定化とを両立できる。
【0033】
次に、図20を用いてパルス幅変調発振器PWMの他の実施例を示す。図20の回路は発振器OSCとワンショット・マルチ・バイブレータOSMとV/I変換器VIとの組合せにより達成できる。発振器OSCで発生する一定周期のパルスは、図6のパルス幅変調発振器PWMの電流源MOS110と120に流す電流を所望の周期決定に必要な一定電流をMOS130と定電流源I5によって設定できる。この一定周期のパルスがワンショット・マルチ・バイブレータOSMのクロック端子CLKに印加されると、コンデンサCTの端子電圧は一旦、ゼロになるが、誤差増幅器EAの誤差電圧をV/I変換器VIで変換した電流によってコンデンサCTが充電される。そして、この充電電圧が所定のしきい値に到達するまでの時間がPWMパルスとして得られる。このようにして、一連のパルス幅変調発振動作を繰り返すことができる。即ち、誤差増幅器EAの誤差電圧に比例したPWMパルスを得ることができる。
【0034】
このパルス幅変調発振器PWMは後述する図11,図12のマルチフェーズ制御では有効な手段として用いている。この場合、マルチフェーズ動作のためには発振器OSCの後にフェーズシフト回路を入れる必要がある。
【0035】
(実施例4)
本実施例を図8〜図10に示す。図8は、図3の実施例に過渡変動検出回路TVDを設けたもので、図5と同様の効果が得られる。図9,図10は、図1,図3の回路図に過渡変動検出回路TVDの入力をLC平滑フィルタのインダクタLの両端に設けたコンデンサC3と抵抗R3から成る直列回路の中点からとるようにしたものである。これにより、コンデンサC3と抵抗R3の直列回路で検出できるインダクタL電流の位相と出力コンデンサCoの充放電位相を合わせることができるので、出力コンデンサCoのインダクタL電流からの充放電による過剰/余剰電荷を極力なくすことができる。このため、高速な応答と高い安定性に加えて、過渡負荷変動時の出力電圧の変動(リップル)を低減できる。
【0036】
(実施例5)
本実施例は、実施例1〜実施例4の電源装置ユニットを複数個並列運転するマルチフェーズの実施例である。本実施例は、実施例1〜実施例4に示した同種タイプの電源装置を2つ以上組合せる。以下、2フェーズ化を例に説明する。
【0037】
図11に、図8の電源ユニットをマルチフェーズ化した例を示す。図11では、マルチフェーズ化のために新たに発振器OSCとフェーズシフト回路PSFTとを備え、これらで180°位相をシフトした二相パルスを生成し、この二相パルスをそれぞれのパルス幅変調発振器PWM1とPWM2に入力し、マルチフェーズ制御を実現している。
【0038】
図11の電源装置の例を図12に詳しく示す。図12では、パルス幅変調発振器PWM1が電圧/電流変換回路V/I1とワンショット・マルチ・バイブレータOSM1で構成され、定常状態ではフェーズシフト回路PSFTからのパルス信号を受けて動作する。
【0039】
図12の動作を、図13の動作状態モードを用いて説明する。この動作状態モード実施例3場合と同様に述べる。以下、図12の上半分側に示すPhase1の電源で説明する。(a)Vout≧(Vref+Δ)の場合は、パルス幅変調発振器PWMの出力デューティを強制的に0%にする。このため、ワンショット・マルチ・バイブレータOSM1のリセットRSTがオンとなり、デューティ0%になる。(b)(Vref+Δ)>Vout>(Vref−Δ)の場合は、通常のワンショット・マルチ・バイブレータの動作でフェーズシフト回路PSFTからのパルスをクロックCLKとして受け、電流源MOS210の電流値とタイミングキャパシタであるコンデンサCT1の容量値で決まるオンパルス幅を生成する。このオンパルス幅は、誤差増幅器EAからの制御で決定する電流比で動作する制御モードである。すなわち、この電流比はデューティに等しいので、出力電圧Voutは入力電圧Vinのデューティαに比例した電圧になる。(c)のVout≦(Vref−Δ)の場合は、デューティを強制的に100%にする。このため、タイミングキャパシタであるコンデンサCT1の両端をMOSスイッチM21でショートしてオン状態を持続し、デューティ100%とする。なお、リセットRSTには過電流検出回路OC1の検出結果も加え、上側パワーMOSFETQ1の過電流による素子破壊を防止する。図12の下半分のPhase2の電源でも動作は同じなので説明を省略する。
【0040】
以上の動作で、定常状態では2つの電源のインダクタ電流は180°位相がシフトした逆位相で動作し、過渡負荷変動時には2つの電源のインダクタ電流は同位相となり、急激な負荷変動に対応する。本実施例では、複数電源装置を用いて出力電流を大きくするだけでなく、出力電圧のリップルが低減する。
【0041】
2つより多い電源装置ユニットを備える場合には、複数の電源装置ユニットに共通に有する発振器とフェーズシフト回路とを備え、定常状態では各電源装置ユニットの上側/下側パワーMOSFETの駆動パルス位相を、360°を並列に配置する電源ユニットの数で割った位相にシフトし、過渡負荷変動時には並列電源装置ユニット総てを上記(a),(c)と同様にして同位相の駆動パルスで運転する。例えば4つの電源装置ユニットであれば、0°(基準)、90°,180°,270°の各位相にシフトさせればよい。
【0042】
(実施例6)
本発明の電源制御装置のICチップ構成例を説明する。
【0043】
図14は、図8の回路構成の1チップ構成の一例である。図14では、LC平滑フィルタ、過渡変動検出回路TVDの電流位相検出のためのコンデンサC3と抵抗R3とから成るCR回路と、ダイオードDBTとコンデンサCBTから成るブースト回路とを外付する以外は、回路,機能を1つの半導体基板にオンチップ化している。
【0044】
オンチップ化した回路,機能には、コンデンサCと抵抗Rから成るCR平滑フィルタ,誤差増幅器EA,基準電圧Vref,パルス幅変調発振器PWM,デッドバンド回路DBU,デッドバンド回路DBL,レベルシフト回路LS,ドライバDRVU,ドライバDRVL,上側/下側パワーMOSFET Q1,Q2,過電流検出回路OC,過渡変動検出回路TVD,上下限電圧発生回路VΔ,ソフトスタート回路SS,アンダー・ボルテージ・ロックアウト回路UVLO,パワーグッド回路PWRGDがある。なお、基準電圧Vrefはバンドギャップ・リファレンス回路から得る代わりに、VID(Voltage Identification)コードに対応したディジタル信号を受けて、図15に示すオンチップのD/A変換器で得てもよい。図示していないものもあるが、本実施例のワンチップ電源制御ICは、Intel 社が提唱するVRM9.1に準拠した機能を備えている。
【0045】
図14では、上側パワーMOSFET Q1がNMOSの場合で説明したが、PMOSであっても良い。この場合は、外付のブースト回路が不要となるが、入力端子Viからの電位でPMOSのゲートを駆動する必要があるので、このための電圧発生源をオンチップ化する。
【0046】
入力端子Viと電源端子Vccに給電する電圧を同じにして、例えば5Vや
12Vとしてもよいし、入力端子Viに12V、電源端子Vccに5Vとして異なる電圧にしても良い。入力端子Viと電源端子Vccに給電する電圧が異なる場合は、電源端子Vccの5Vは外部から給電とするか、入力端子Viの12Vからオンチップ回路で5Vを作り出して供給すればよい。なお、入力端子Viに12V給電する場合は、図14のブースト回路を、ダイオードDBTに直列に7V程度のツェーナー・ダイオードを接続して上側パワーMOSFETのゲート電圧が過大とならないようにする。
【0047】
また、ソフトスタート回路の動作では、電源投入時に高速応答のための過渡変動検出回路の出力信号をマスクすればよい。
【0048】
(実施例7)
本実施例のマルチフェーズ対応のICチップ構成を図16に示す。図16は、ICチップの回路構成をマルチフェーズ化したものであって、発振器OSCとフェーズシフト回路PSFTとをICチップに加えた点が実施例6の図14と異なる。マルチフェーズ化によって必要になったICピンには、マルチフェーズ数に応じた位相パルスφ1〜φ4を自/他のICチップに提供するための端子と、基準電圧Vrefと過渡変動検出回路TVDに上下限電圧発生回路VΔの出力を供給するための端子とがある。
【0049】
マルチフェーズの構成は、まず所望のマルチフェーズの数の分だけICチップを用意し、その中から1つのICチップをマスターとする。具体的には、マスターICチップの選択信号SEL0により発振器OSCおよびスイッチSWrを活性化して、選択信号SEL1とSEL2の2ビットで所望のフェーズ数を指定する。次いで、マスターICチップから位相パルスφ2〜φ4,基準電圧Vref,上下限電圧発生回路VΔの出力V+Δ,V−Δを供給すると、他のICチップにはそれぞれφ,Vref,Vref+Δ,Vref−Δに加えることでマルチフェーズ化を達成する。
【0050】
本実施例では、マルチフェーズ数を4で図示したが、フェーズ数には限定はなく、フェーズ数設定のための選択信号数を変更すること、フェーズシフト回路PSFTをフェーズ数に見合った回路構成に変更して、これらをICチップに盛込むことでマルチフェーズ数を適宜増減できる。
【0051】
(実施例8)
図17に本発明の電源制御ICチップをプリント配線基板に実装した実施例を示す。図17は電源制御ICをBGA(Ball Grid Array)で、インダクタLやコンデンサCoをチップ部品でプリント配線基板PBに搭載し、小型高密度実装を可能にしている。ここで、前記コンデンサCoはチップ・セラミック・コンデンサである。なお、図示していないが、この他に、本実施例ではコンデンサC3と抵抗R3のCR回路や、ブースト回路,入力コンデンサがプリント配線基板PB上にチップ部品で搭載してある。また、BGAによるチップ搭載のほかに、CSP(Chip Size Package)搭載であってもよい。
【0052】
さらに、マルチフェーズ対応の場合には複数の電源制御ICの上記のチップ搭載のほかに、MCM(Multi Chip Module)搭載であってもよい。この他にも、誤差増幅器やPWM発振器等を備えた制御部と、パワーMOSFETを内蔵したドライバ部のように、2つのICチップを分けたものを同様にプリント配線基板に搭載してもよい。
【0053】
以上、本実施例によれば、ピンネックの解消,放熱性の向上、および電源装置プリント配線基板の小形化が実現できる。
【0054】
(実施例9)
本実施例を図18に示す。図18は、HDD(Hard disk Drive)装置へ適用した実施例である。HDD装置は、磁気記録ディスクと、磁気ヘッドと、磁気ディスク回転駆動装置と、磁気ヘッド駆動装置と、磁気ヘッド位置制御装置と、入出力信号制御装置とを備えていて、これらのHDD装置HDD1〜HDDnに実施例1〜実施例8に記載の電源装置であるDC−DCコンバータDC−DC1〜DC−DCnから電力を供給している。図18に示した電源装置であるDC−DCコンバータDC−DC1〜DC−DCnは電力を供給する対象のHDD装置の電流容量に応じてシングルフェーズの電源装置やマルチフェーズの電源装置を用いる。
【0055】
(実施例10)
次に、本発明の制御方式を絶縁型DC−DCコンバータに応用した実施例を説明する。図19はフォワード型コンバータへの適用例を示す。図19では、フォワード型コンバータのインダクタLの両端に図3のようにCR平滑フィルタC,Rを設けて、そのCR平滑フィルタの中点の電圧VFBと基準電圧Vrefの関係を用いて誤差増幅器EAで誤差増幅を発生し、さらにその電圧をパルス幅変調発振器PWMを用いてPWMパルスに変換する。このPWMパルスはトランスT2を通してトランスT1を駆動するパワーMOSFETQDのゲートに印加され、負帰還制御される。これによって、出力端子VOには所望の出力電圧が定常的に得られる。本方法は、パワー系のLC平滑フィルタから帰還しないので、ループ安定性のよい電源システムの構築が可能となる。よって、LC平滑フィルタのCにセラミック・コンデンサを使用した場合には効果的である。
【0056】
以上では、図3のCR平滑フィルタで説明したが、図1の方法でも可能である。また、トランスT2の代わりに、フォトカプラを用いても実現できる。図19では一石のフォワード型コンバータで述べたが、二石のフォワード型,プッシュプル型,ハーフブリッジ型,フルブリッジ型等の絶縁型DC−DCコンバータにも適用可能である。
【0057】
(実施例11)
次に、本発明の制御方式を市販の電源ICに適用した実施例を示す。図21は一般に販売されている電源ICとして、例えばIntersil社のPWM制御IC HIP6311Aとドライバ内蔵パワーMOSFET IC ILS6571を用いた場合である。インダクタLの両端に設けた一方のCR平滑フィルタC、Rの中点は高入力インピーダンス化を図るためのバッファアンプBAと抵抗RINを介してPWM制御IC HIP6311Aのフィードバック端子FBに接続され、もう一方のCR平滑フィルタC3,R3の中点はLinear Technology社の基準電源LT1790A−2.5 とコンパレータLT1715から成る過渡変動検出回路TVDに接続される。そして、PWM制御ICから出力されるPWMパルス信号PWM1(所望のデューティα)とデューティ0%α0とデューティ100%α100の3つの動作状態モードは、過渡変動検出回路TVDで得られた2つの信号a,bの“H”,“L”の関係から、図22のようにセレクタHD74HC153 で選択的に切換えられ、その選択信号Yはドライバ内蔵パワーMOSFET ICのPWM端子に出力される。このことは、市販の電源ICを用いて構成した電源装置においても、本発明の制御方式は容易に適用できることを示している。本発明の適用は、上記実施例で述べた製品には限定されない。なお、過渡変動検出回路TVDを用いない場合は、PWM制御ICから出力されるPWMパルス信号PWM1を直接ドライバ内蔵パワーMOSFETICのPWM端子に接続することで、本発明が達成できる。
【0058】
実施例1〜実施例8の電源装置はこの他、図示しないが、VRMや、携帯機器用のDC−DCコンバータや、汎用のDC−DCコンバータ等へ応用展開ができることは言うまでもない。
【0059】
この結果、本発明の電源装置は、制御ループ内にパワー系LC平滑フィルタの2次遅れが入らないので、制御ループの安定性が向上する。これにより、LC平滑フィルタにESRが小さいチップ・セラミック・コンデンサが使用できるので、電源装置が小形になるという効果を有している。
【0060】
更に、上下限検出を有する制御回路で過渡負荷変動時の高速応答制御するので、高い電流変化率(di/dt)にも応答できる電源装置も提供できる。
【0061】
更に、本実施例の電源装置では、容易にマルチフェーズ化でき、大出力電流とリップル電圧低減を両立できる。
【0062】
【発明の効果】
本発明によって、制御ループの安定性を向上でき、更に設計の自由度が増すので、電源装置の小形化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の電源装置の回路ブロック図である。
【図2】図1の電源装置でCRフィルタを半導体チップに内蔵したICの説明図である。
【図3】実施例2の電源装置の回路ブロック図である。
【図4】図3の電源装置でCRフィルタを半導体チップに内蔵したICの説明図である。
【図5】実施例3の電源装置の回路ブロック図である。
【図6】図5の詳細を示す回路図である。
【図7】図6の動作状態モードを示す図である。
【図8】実施例4の電源装置の回路ブロック図である。
【図9】実施例4の別の電源装置の回路ブロック図である。
【図10】実施例4のさらに別の電源装置の回路ブロック図である。
【図11】実施例5のマルチフェーズ電源装置の回路ブロック図である。
【図12】図11の詳細を示す回路図である。
【図13】図12の動作状態モードを示す図である。
【図14】実施例6の電源装置のチップ構成の一示す回路ブロック図である。
【図15】図14に適用するVIDコード入力D/A変換器の説明図である。
【図16】実施例7のマルチフェーズ対応チップの回路ブロック図である。
【図17】実施例8の電源制御ICのプリント配線基板実装の説明図である。
【図18】実施例9のHDD装置の説明図である。
【図19】実施例10の説明図である。
【図20】パルス幅変調発振器PWMの他の実施例を示す説明図である。
【図21】一般の電源ICに適用した実施例11の説明図である。
【図22】図21の動作状態モードを示す図である。
【符号の説明】
105,Co,C,C1〜C4,CT1,CT2,CBT…コンデンサ、110,110′,120…電流源MOS、BGA…ピン・グリッド・アレー・チップ、CMP1〜CMP4…コンパレータ、D/A…D/A変換器、DBT…ダイオード、DBU,DBL…デッドバンド回路、DC−DC1〜DC−DCn…DC−DCコンバータ、DRV,DRV1,DRV2,DRVU,DRVL…ドライバ、EA,EA1,EA2…誤差増幅器、FF…フリップフロップ、GND…グランド、HDD1〜HDDn…HDD装置、I1〜I4…定電流源、INV1〜INV12…インバータ、L,L1,L2…インダクタ、LINE…給電ライン、LS…レベルシフト回路、OC,OC1,OC2…過電流検出回路、OR1,OR2…オア回路、OSC…発振器、OSM1,OSM2…ワンショット・マルチ・バイブレータ、PB…プリント配線基板、PG…パワーグランド、PSFT…フェーズシフト回路、PWM,PWM1,PWM2…パルス幅変調発振器、PWRGD…パワーグッド回路、Q1,Q3…上側パワーMOSFET、Q2,Q4…下側パワーMOSFET、R,R1〜R4…抵抗、SS…ソフトスタート回路、SW1〜SW4,M21,M21′…スイッチMOS、TVD,TVD1,TVD2…過渡変動検出回路、UVLO…アンダー・ボルテージ・ロック・アウト回路、Vcc…電源端子、Vi…入力端子、V/I,V/I1,V/I2…電圧/電流変換回路、Vo…出力端子、Vref…基準電圧、VΔ…上下限電圧発生回路、Δ…上下限電圧幅。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply device having a stabilized control loop and a device using the same.
[0002]
[Prior art]
In a power supply device provided with a conventional loop stabilization method, a signal is fed back from an LC smoothing filter of a power system to an error amplifier, and a phase is compensated by the error amplifier to stabilize a control loop. In this prior art, an aluminum electrolytic capacitor is used for the power LC smoothing filter (for example, Non-Patent Document 1).
[0003]
On the other hand, in order to cope with downsizing of the power supply device, it is necessary to use a ceramic capacitor of a chip component instead of the aluminum electrolytic capacitor of the power LC smoothing filter. However, chip ceramic capacitors have equivalent series resistance
(ESR) is as small as several mΩ, and under actual use conditions, the total ESR is as small as 1 mΩ or less because ceramic capacitors are connected in parallel. For this reason, damping of the ESR as in the case of using an aluminum electrolytic capacitor cannot be expected, and it is difficult to stabilize the control loop.
[0004]
When a ceramic capacitor having a small ESR is used for the power-system LC smoothing filter in the above-mentioned conventional technology, a signal is oscillated because the damping effect of the ESR cannot be expected, and phase compensation becomes difficult. Further, even if the phase compensation can be performed by narrowing the operation band of the error amplifier in the related art, the response of the power supply is significantly slowed down. further,
When changing the constant of the LC smoothing filter, there is a troublesome adjustment of the phase compensation condition of the error amplifier each time.
[0005]
Further, a method is described in which an output of a CR smoothing filter connected to both ends of an inductor of an output LC smoothing filter is returned to an error amplifier having a low input impedance (for example, Patent Document 1). In this technique, since the voltage and current signals of the power supply output are extracted using the CR smoothing filter, the circuit configuration of the error amplifier needs to have low input impedance. Therefore, it is necessary to reduce the R value of the CR smoothing filter, and 0.47 μF, 100Ω is used as the constant of the CR smoothing filter. Therefore, since the CR smoothing filter having this constant cannot be mounted on the power supply IC on a chip, there is a problem that the power supply device cannot be miniaturized because it remains as an external component.
[0006]
[Non-patent document 1]
ZHANG et al, "Low-voltage on-board DC / DC modules for next generations of data processing circuits," IEEE Tran. on Power Elect. vol. 11, no. 2Mar. 1996 P328-337
[Patent Document 1]
USP5,877,611
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
If the power supply device is downsized, it is difficult to stabilize the control loop. An object of the present invention is to provide a power supply device that is easy to stabilize a control loop while being downsized.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention can solve the above problem by using a power supply device that feeds back a signal through a high-speed filter separately from a power filter for stabilizing a control loop.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be briefly described.
[0010]
The power supply device of the present invention includes a power supply device for a step-down DC-DC converter.
The signal is fed back to the error amplifier through a CR smoothing filter provided separately from the LC smoothing filter.
[0011]
In addition, the power supply device of the present invention may be configured such that the output of the power-system LC smoothing filter is added to a control circuit having upper and lower limit detection, and the transient control is performed separately from the duty control of the power MOSFET which is the upper / lower semiconductor switching element in a steady state. Means are provided for forcibly setting the duty to 0% or 100% when the load changes.
[0012]
Further, the power supply device of the present invention is provided with an oscillator and a phase shift circuit, which are provided in common for the plurality of power supply units, in order to prepare a plurality of power supply units and operate them in parallel. Unit upper / lower power
The drive pulse phase of the MOSFET is shifted to a phase obtained by dividing 360 ° by the number of parallel circuits, and all the parallel power supply units are operated with the same phase drive pulse during a transient load change.
[0013]
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
[0014]
(Example 1)
FIG. 1 shows a power supply device according to the present embodiment. In FIG. 1, Vi is an input terminal, and Vo is an output terminal. An upper power MOSFET Q1 is connected to the input terminal Vi, and a lower power MOSFET Q2 is connected to the ground potential side. An LC smoothing filter, which is a power system output filter including an inductor L and a capacitor Co, and a CR smoothing filter, including a resistor R and a capacitor C, are connected in parallel between the power MOSFETs Q1 and Q2. An output terminal Vo is provided at the center of the filter.
One input (−) of the error amplifier EA is connected to the middle point of the CR smoothing filter. Here, the capacitor Co of the LC smoothing filter is a chip ceramic capacitor.
[0015]
The reference voltage Vref is connected to the other input (+) of the error amplifier EA. The gates of the power MOSFETs Q1 and Q2 are connected to the output of the error amplifier EA via a pulse width modulation (PWM) oscillator PWM and a driver DRV. The power MOSFETs Q1, Q2 are driven in opposite phases and alternately conduct. In this embodiment, the output voltage Vout is lower than the input voltage Vin.
[0016]
Next, the circuit operation of FIG. 1 will be described. The input voltage applied to the input terminal Vi is converted into a voltage through a CR smoothing filter by ON / OFF control of the upper power MOSFET Q1 and the lower power MOSFET Q2. The converted voltage VFB is compared with the reference voltage Vref and the error amplifier EA, and the error voltage is amplified and generated at the output of the error amplifier EA. This error voltage is converted into a PWM pulse by the pulse width modulation oscillator PWM. This PWM pulse is converted by a driver DRV into an on / off time ratio (duty: α) for driving the upper power MOSFET Q1 and the lower power MOSFET Q2, and is subjected to negative feedback control so that the error voltage becomes zero. VFB becomes equal to the reference voltage Vref. In this case, the converted voltage VFB obtained through the CR smoothing filter in the steady state is proportional to the duty α of the input voltage Vin. Therefore, the relational expression of VFB = Vref = α · Vin holds. Here, since the duty α is defined by ON time / (sum of ON time and OFF time), it takes a value between 0 and 1.
[0017]
In the case of a normal step-down converter, it is known that the voltage conversion rate in a steady state is equal to the ratio between the output voltage and the input voltage, that is, the duty, so the output of the LC smoothing filter, that is, the output obtained at the output terminal Vo The voltage Vout is obtained by a relational expression of Vout = α · Vin, where Vin is an input voltage and α is a duty.
[0018]
From the above two equations, the relationship of Vout = VFB = α · Vin is established. Therefore, the output voltage is equivalent to directly controlling the output voltage Vout of the output terminal Vo if the duty α can be indirectly controlled by another method without directly controlling the output of the LC smoothing filter by feedback. A voltage proportional to the duty α of the input voltage Vin is obtained at the output terminal Vo. In other words, by driving the power MOSFETs Q1 and Q2 and performing negative feedback control on the output of the CR smoothing filter, a desired voltage proportional to the duty α of the input voltage Vin also changes the output voltage Vout of the output of the LC smoothing filter. Obtainable.
[0019]
This embodiment is a first-order lag control method using a CR smoothing filter in the control loop as voltage conversion means by duty control of the upper power MOSFET Q1 and the lower power MOSFET Q2. Since there is no next delay and the control loop does not become a vibration system, no vibration waveform is generated in the output, and the loop becomes stable. Therefore, according to the present embodiment, the control loop can be stabilized even if a chip ceramic capacitor having a small ESR is used as the capacitor of the LC smoothing filter.
[0020]
Next, the magnitude relationship between the corner frequency and the switching frequency of the two smoothing filters will be described. If the corner frequency of the CR smoothing filter is fCR, the corner frequency of the LC smoothing filter is fLC, and the switching frequency is fSW, these are set to fLC <fCR <fSW, and the loop stability can be secured. From this relationship, the feedback from the CR smoothing filter has a higher operating frequency than the feedback from the LC smoothing filter, so that a high-speed response is possible. In addition, if fLC and fCR are set to frequencies that are somewhat apart from each other, it is not necessary to change the CR smoothing filter constant even if the LC smoothing filter constant is changed, and the degree of freedom in design can be increased. For high-speed operation at a switching frequency of 1 to 6 MHz, the constants of the LC smoothing filter and the CR smoothing filter can be, for example, 0.2 μH, 220 μF, 20 pF, and 200 kΩ, respectively. If the values of the capacitor and the resistor are in this order, the CR smoothing filter can be mounted on a semiconductor integrated circuit chip (on-chip), and external components are not required. This is because if the power supply device shown in FIG. 1 is an IC having the same terminal arrangement (pin compatible) as the conventional power supply control IC,
A conventional printed circuit board can be used as it is simply by replacing the IC. Since the constants of the CR smoothing filter are 20 pF and 200 kΩ, the error amplifier EA requires an amplifier configuration having a high input impedance. Therefore, the error amplifier EA is preferably used in a configuration in which the input of the differential amplifier inside the error amplifier and the output of the CR smoothing filter are directly connected.
[0021]
FIG. 2 is an explanatory diagram of a chip layout when a CR smoothing filter is incorporated in a semiconductor chip in the power supply device of FIG. In FIG. 2, C is a built-in capacitor and R is a built-in resistor, which are mounted on the same semiconductor substrate as the error amplifier EA, the pulse width modulation oscillator PWM, the driver DRV, and the power MOSFETs Q1, Q2.
[0022]
In the above, the filter that feeds back to the error amplifier of the control loop has been described as an example of the CR smoothing filter. However, a similar effect can be obtained by using another filter circuit having good response instead. Further, although the power MOSFET has been described as an example of the semiconductor switching element, an IGBT may be used instead.
[0023]
(Example 2)
FIG. 3 shows this embodiment. 3, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. FIG. 3 differs from FIG. 1 in that a CR smoothing filter is connected to both ends of an inductor L of the LC smoothing filter. In this embodiment, since the capacitance of the capacitor Co of the output LC smoothing filter is large, the inductor connection end side of the capacitor Co can be regarded as the ground potential. Also in this embodiment, the same effect as that of FIG. 1 can be obtained, and a small capacitance change due to a temperature change of the capacitor Co of the LC smoothing filter can be negatively fed back. Even if a chip ceramic capacitor having a small ESR is used, the control loop can be controlled. Stability can be improved. Also in this case, the constant of the embodiment of FIG. 1 can be used as the constant of the CR smoothing filter. FIG. 4 is an explanatory diagram of a chip layout when a CR smoothing filter is incorporated in a semiconductor chip in the power supply device of FIG.
[0024]
(Example 3)
FIG. 5 shows a power supply device in which the transient fluctuation detection circuit TVD is further provided in the first embodiment. The transient fluctuation detection circuit TVD detects a transient load fluctuation between the output voltage Vout of the output terminal Vo and a voltage obtained by adding upper and lower limit voltage widths ± Δ to the reference voltage Vref, and controls the duty of the pulse width modulation oscillator PWM. . FIG. 6 shows a specific example of the pulse width modulation oscillator PWM and the transient fluctuation detection circuit TVD.
[0025]
6, the pulse width modulation oscillator PWM is a variable oscillator including a voltage / current conversion circuit V / I,
SW4, constant current sources I1 to I4, and inverters INV1 to INV8.
[0026]
The transient change detection circuit TVD includes a window comparator including two comparators CMP1 and CMP2, compares the output voltage Vout with a voltage obtained by adding upper and lower limit voltage widths ± Δ to a reference voltage Vref, and operates the output voltage Vout. To determine the pulse duty α of the PWM oscillator PWM shown in FIG. This means that the transient fluctuation detecting circuit TVD switches the control method between the steady state and the transient load fluctuation to a control mode suitable for the operating state.
[0027]
From the outputs of the two comparators CMP1 and CMP2, three types of information are obtained: (a) when the load current decreases, (b) a steady state, and (c) when the load current increases. These cases will be described with reference to FIG.
[0028]
(A) is a case of the condition of Vo ≧ (Vref + Δ). At this time, the output duty of the pulse width modulation oscillator PWM is forcibly set to 0%. Therefore, the switches MOS SW1 and SW4 are turned on, the switches MOS SW3 and SW2 are turned off, and the current of the constant current source I1 flows into the inverter INV11 in addition to the current of the current source MOS110, and the current of the constant current source I4 is Since the current of the
[0029]
(B) is a case of the condition of (Vref + Δ)>Vo> (Vref−Δ). In this case, all the switch MOS switches SW1 to SW4 are off, and operate at the current ratio determined by the control command from the error amplifier EA. Since this current ratio is equal to the duty ratio, a voltage proportional to the duty α of the input voltage Vin is obtained as the output voltage Vout.
[0030]
(C) is a condition of Vo ≦ (Vref−Δ), and the duty is forcibly set to 100%. In this case, the switches MOS SW3 and SW2 are turned on, the switches MOS SW1 and SW4 are turned off, the current of the constant current source I3 is added to the current of the
[0031]
In the present embodiment, the voltage generated at the output terminal Vo during the transient load change is
The duty α of the pulse width modulation oscillator PWM is forcibly switched to 0% or 100% so as to be within the upper and lower limit voltage width ± Δ added to Vref, and the output voltage Vout is rapidly suppressed to within Vref ± Δ. I do. Then, when the stationary state is entered, the output voltage is finally settled to a voltage proportional to the duty α of the input voltage.
[0032]
As described above, in the present embodiment, the control mode is automatically switched depending on the transient load change and the steady state, so that, for example, a transient load change of about 10 A having a high current change rate (di / dt) of 500 A / μs is performed. However, both high-speed response and stabilization of the output voltage in a steady state can be achieved.
[0033]
Next, another embodiment of the pulse width modulation oscillator PWM will be described with reference to FIG. 20 can be achieved by a combination of the oscillator OSC, the one-shot multivibrator OSM, and the V / I converter VI. The constant-period pulse generated by the oscillator OSC can be set by the
[0034]
This pulse width modulation oscillator PWM is used as an effective means in the multi-phase control of FIGS. 11 and 12 described later. In this case, it is necessary to insert a phase shift circuit after the oscillator OSC for the multi-phase operation.
[0035]
(Example 4)
This embodiment is shown in FIGS. FIG. 8 shows the embodiment of FIG. 3 in which a transient fluctuation detection circuit TVD is provided, and the same effects as in FIG. 5 can be obtained. FIGS. 9 and 10 show the circuit diagram of FIGS. 1 and 3 in which the input of the transient fluctuation detection circuit TVD is taken from the midpoint of the series circuit composed of the capacitor C3 and the resistor R3 provided at both ends of the inductor L of the LC smoothing filter. It was made. As a result, the phase of the inductor L current, which can be detected by the series circuit of the capacitor C3 and the resistor R3, and the charge / discharge phase of the output capacitor Co can be matched, so that the excess / excess charge due to the charge / discharge of the output capacitor Co from the inductor L current. Can be minimized. For this reason, in addition to high-speed response and high stability, it is possible to reduce the fluctuation (ripple) of the output voltage at the time of a transient load fluctuation.
[0036]
(Example 5)
This embodiment is a multi-phase embodiment in which a plurality of power supply units of the first to fourth embodiments are operated in parallel. In this embodiment, two or more power supplies of the same type shown in the first to fourth embodiments are combined. Hereinafter, a two-phase process will be described as an example.
[0037]
FIG. 11 shows an example in which the power supply unit of FIG. 8 is multi-phased. In FIG. 11, a new oscillator OSC and a phase shift circuit PSFT are newly provided for multi-phase operation, and a two-phase pulse whose phase is shifted by 180 ° is generated by these oscillators. And PWM2 to realize multi-phase control.
[0038]
FIG. 12 shows an example of the power supply device of FIG. 11 in detail. In FIG. 12, a pulse width modulation oscillator PWM1 includes a voltage / current conversion circuit V / I1 and a one-shot multivibrator OSM1, and operates in a steady state by receiving a pulse signal from a phase shift circuit PSFT.
[0039]
The operation of FIG. 12 will be described using the operation mode of FIG. The operation state mode will be described similarly to the third embodiment. Hereinafter, the description will be made using the power supply of
[0040]
In the above operation, in the steady state, the inductor currents of the two power supplies operate in opposite phases with a 180 ° phase shift, and during transient load changes, the inductor currents of the two power supplies have the same phase, which corresponds to a sudden load change. In the present embodiment, not only the output current is increased by using a plurality of power supply devices, but also the ripple of the output voltage is reduced.
[0041]
In the case where more than two power supply units are provided, an oscillator and a phase shift circuit which are shared by a plurality of power supply units are provided. In a steady state, the drive pulse phase of the upper / lower power MOSFET of each power supply unit is set. Phase shifts by 360 ° divided by the number of power supply units arranged in parallel, and in the event of a transient load change, all parallel power supply units are driven by drive pulses of the same phase as in (a) and (c) above. I do. For example, in the case of four power supply units, the phases may be shifted to 0 ° (reference), 90 °, 180 °, and 270 °.
[0042]
(Example 6)
An example of an IC chip configuration of the power supply control device of the present invention will be described.
[0043]
FIG. 14 is an example of a one-chip configuration of the circuit configuration of FIG. In FIG. 14, the circuit is the same as that of the LC smoothing filter, except that a CR circuit including a capacitor C3 and a resistor R3 for detecting a current phase of a transient fluctuation detection circuit TVD and a boost circuit including a diode DBT and a capacitor CBT are externally provided. The functions are integrated on a single semiconductor substrate on a chip.
[0044]
On-chip circuits and functions include a CR smoothing filter including a capacitor C and a resistor R, an error amplifier EA, a reference voltage Vref, a pulse width modulation oscillator PWM, a dead band circuit DBU, a dead band circuit DBL, a level shift circuit LS, Driver DRVU, driver DRVL, upper / lower power MOSFETs Q1, Q2, overcurrent detection circuit OC, transient fluctuation detection circuit TVD, upper / lower limit voltage generation circuit VΔ, soft start circuit SS, under voltage lockout circuit UVLO, power There is a good circuit PWRGD. Instead of obtaining the reference voltage Vref from the bandgap reference circuit, the reference voltage Vref may be obtained by receiving a digital signal corresponding to a VID (Voltage Identification) code and using an on-chip D / A converter shown in FIG. Although not shown, the one-chip power supply control IC of the present embodiment has a function based on VRM 9.1 proposed by Intel.
[0045]
Although the case where the upper power MOSFET Q1 is an NMOS has been described with reference to FIG. 14, it may be a PMOS. In this case, an external boost circuit is not required, but since it is necessary to drive the gate of the PMOS with the potential from the input terminal Vi, the voltage generator for this purpose is provided on-chip.
[0046]
The voltage supplied to the input terminal Vi and the power supply terminal Vcc is made the same, for example, 5V or
The voltage may be 12 V, or 12 V for the input terminal Vi and 5 V for the power supply terminal Vcc, and different voltages may be used. When the voltage to be supplied to the input terminal Vi and the power supply terminal Vcc is different, the power supply terminal Vcc of 5 V may be supplied from the outside, or 5 V may be generated and supplied from the 12 V of the input terminal Vi by an on-chip circuit. When supplying 12 V to the input terminal Vi, the boost circuit of FIG. 14 is connected to a zener diode of about 7 V in series with the diode DBT so that the gate voltage of the upper power MOSFET does not become excessive.
[0047]
In the operation of the soft start circuit, the output signal of the transient fluctuation detection circuit for high-speed response at the time of turning on the power may be masked.
[0048]
(Example 7)
FIG. 16 shows a multi-phase IC chip configuration of this embodiment. FIG. 16 illustrates a multi-phase circuit configuration of an IC chip, and differs from FIG. 14 of the sixth embodiment in that an oscillator OSC and a phase shift circuit PSFT are added to the IC chip. The IC pins required by the multi-phase operation are provided with terminals for providing phase pulses φ1 to φ4 corresponding to the number of multi-phases to the own / other IC chip, a reference voltage Vref and a transient fluctuation detection circuit TVD. There is a terminal for supplying the output of the lower limit voltage generation circuit VΔ.
[0049]
In the multi-phase configuration, first, IC chips are prepared by the number of desired multi-phases, and one of the IC chips is used as a master. Specifically, the oscillator OSC and the switch SWr are activated by the selection signal SEL0 of the master IC chip, and a desired number of phases is designated by two bits of the selection signals SEL1 and SEL2. Next, when the phase pulses φ2 to φ4, the reference voltage Vref, and the outputs V + Δ, V−Δ of the upper / lower limit voltage generation circuit VΔ are supplied from the master IC chip, φ, Vref, Vref + Δ, Vref−Δ are respectively supplied to the other IC chips. Multiphase is achieved by adding.
[0050]
In the present embodiment, the number of multi-phases is illustrated as 4, but the number of phases is not limited, and the number of selection signals for setting the number of phases can be changed, and the phase shift circuit PSFT has a circuit configuration corresponding to the number of phases. By changing them and incorporating them in an IC chip, the number of multiphases can be increased or decreased as appropriate.
[0051]
(Example 8)
FIG. 17 shows an embodiment in which the power supply control IC chip of the present invention is mounted on a printed wiring board. FIG. 17 shows that the power supply control IC is a BGA (Ball Grid Array), and the inductor L and the capacitor Co are mounted on the printed wiring board PB as chip components, thereby enabling small-sized and high-density mounting. Here, the capacitor Co is a chip ceramic capacitor. Although not shown, in addition to this, in this embodiment, a CR circuit of the capacitor C3 and the resistor R3, a boost circuit, and an input capacitor are mounted as chip components on the printed wiring board PB. Further, in addition to the chip mounting by the BGA, a chip size package (CSP) may be mounted.
[0052]
Furthermore, in the case of multi-phase support, in addition to the above-described chip mounting of a plurality of power control ICs, an MCM (Multi Chip Module) may be mounted. In addition, a control unit including an error amplifier, a PWM oscillator, and the like, and a driver unit having a built-in power MOSFET, in which two IC chips are separated may be similarly mounted on a printed wiring board.
[0053]
As described above, according to the present embodiment, the elimination of the pin neck, the improvement of the heat radiation, and the miniaturization of the power supply device printed wiring board can be realized.
[0054]
(Example 9)
This embodiment is shown in FIG. FIG. 18 shows an embodiment applied to a hard disk drive (HDD) device. The HDD device includes a magnetic recording disk, a magnetic head, a magnetic disk rotation driving device, a magnetic head driving device, a magnetic head position control device, and an input / output signal control device. Power is supplied to the HDDn from the DC-DC converters DC-DC1 to DC-DCn, which are the power supply devices described in the first to eighth embodiments. The DC-DC converters DC-DC1 to DC-DCn, which are the power supply devices shown in FIG. 18, use a single-phase power supply device or a multi-phase power supply device according to the current capacity of the HDD device to which power is supplied.
[0055]
(Example 10)
Next, an embodiment in which the control method of the present invention is applied to an insulation type DC-DC converter will be described. FIG. 19 shows an example of application to a forward converter. In FIG. 19, CR smoothing filters C and R are provided at both ends of the inductor L of the forward type converter as shown in FIG. 3, and the error amplifier EA is used by using the relationship between the voltage VFB at the middle point of the CR smoothing filter and the reference voltage Vref. Generates an error amplification, and further converts the voltage into a PWM pulse using a pulse width modulation oscillator PWM. This PWM pulse is applied to the gate of the power MOSFET QD that drives the transformer T1 through the transformer T2, and is subjected to negative feedback control. Thereby, the output terminal V O , A desired output voltage is constantly obtained. This method does not feed back from the power system LC smoothing filter, so that a power supply system with good loop stability can be constructed. Therefore, it is effective when a ceramic capacitor is used for C of the LC smoothing filter.
[0056]
In the above description, the CR smoothing filter of FIG. 3 has been described, but the method of FIG. 1 is also possible. Further, it can also be realized by using a photocoupler instead of the transformer T2. In FIG. 19, a single type of forward converter is described. However, the present invention can also be applied to a two-type isolated DC-DC converter such as a forward type, a push-pull type, a half-bridge type, and a full-bridge type.
[0057]
(Example 11)
Next, an embodiment in which the control method of the present invention is applied to a commercially available power supply IC will be described. FIG. 21 shows a case where, for example, a PWM control IC HIP6311A manufactured by Intersil and a power MOSFET IC ILS6571 with a built-in driver are used as power supply ICs that are generally sold. The middle point of one of the CR smoothing filters C and R provided at both ends of the inductor L is connected to a feedback terminal FB of a PWM control IC HIP6311A via a buffer amplifier BA and a resistor RIN for achieving high input impedance, and the other end. The middle point of the CR smoothing filters C3 and R3 is connected to a transient fluctuation detection circuit TVD including a reference power supply LT1790A-2.5 and a comparator LT1715 manufactured by Linear Technology. The three operation state modes of the PWM pulse signal PWM1 (desired duty α),
[0058]
Although not shown, the power supply devices according to the first to eighth embodiments can be applied to VRMs, DC-DC converters for portable devices, general-purpose DC-DC converters, and the like.
[0059]
As a result, the power supply device of the present invention does not include the second-order lag of the power-system LC smoothing filter in the control loop, thereby improving the stability of the control loop. As a result, a chip ceramic capacitor having a small ESR can be used for the LC smoothing filter, so that the power supply device can be downsized.
[0060]
Further, since the control circuit having the upper and lower limit detection performs high-speed response control at the time of a transient load change, it is possible to provide a power supply device that can respond to a high current change rate (di / dt).
[0061]
Furthermore, in the power supply device according to the present embodiment, multiphase can be easily achieved, and both a large output current and a reduction in ripple voltage can be achieved.
[0062]
【The invention's effect】
According to the present invention, the stability of the control loop can be improved, and the degree of freedom in design can be increased, so that the power supply device can be downsized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit block diagram of a power supply device according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an IC in which a CR filter is built in a semiconductor chip in the power supply device of FIG. 1;
FIG. 3 is a circuit block diagram of a power supply device according to a second embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram of an IC in which a CR filter is built in a semiconductor chip in the power supply device of FIG. 3;
FIG. 5 is a circuit block diagram of a power supply device according to a third embodiment.
FIG. 6 is a circuit diagram showing details of FIG. 5;
FIG. 7 is a diagram illustrating an operation state mode of FIG. 6;
FIG. 8 is a circuit block diagram of a power supply device according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a circuit block diagram of another power supply device according to the fourth embodiment.
FIG. 10 is a circuit block diagram of still another power supply device according to the fourth embodiment.
FIG. 11 is a circuit block diagram of a multiphase power supply device according to a fifth embodiment.
FIG. 12 is a circuit diagram showing details of FIG. 11;
FIG. 13 is a diagram showing an operation state mode of FIG.
FIG. 14 is a circuit block diagram illustrating a chip configuration of a power supply device according to a sixth embodiment.
15 is an explanatory diagram of a VID code input D / A converter applied to FIG.
FIG. 16 is a circuit block diagram of a multiphase-compatible chip according to a seventh embodiment.
FIG. 17 is an explanatory view of mounting a power supply control IC according to an eighth embodiment on a printed wiring board.
FIG. 18 is an explanatory diagram of an HDD device according to a ninth embodiment.
FIG. 19 is an explanatory diagram of the tenth embodiment.
FIG. 20 is an explanatory diagram showing another embodiment of the pulse width modulation oscillator PWM.
FIG. 21 is an explanatory diagram of
FIG. 22 is a diagram illustrating an operation state mode of FIG. 21;
[Explanation of symbols]
105, Co, C, C1 to C4, CT1, CT2, CBT ... capacitors, 110, 110 ', 120 ... current source MOS, BGA ... pin grid array chip, CMP1 to CMP4 ... comparators, D / A ... D / A converter, DBT: diode, DBU, DBL: dead band circuit, DC-DC1 to DC-DCn: DC-DC converter, DRV, DRV1, DRV2, DRVU, DRVL: driver, EA, EA1, EA2: error amplifier FF: flip-flop, GND: ground, HDD1 to HDDn: HDD device, I1 to I4: constant current source, INV1 to INV12: inverter, L, L1, L2: inductor, LINE: power supply line, LS: level shift circuit, OC, OC1, OC2 ... overcurrent detection circuit, OR1, OR2 ... OR circuit, SC: oscillator, OSM1, OSM2: one-shot multivibrator, PB: printed wiring board, PG: power ground, PSFT: phase shift circuit, PWM, PWM1, PWM2: pulse width modulation oscillator, PWRGD: power good circuit, Q1 , Q3: upper power MOSFET, Q2, Q4: lower power MOSFET, R, R1 to R4: resistor, SS: soft start circuit, SW1 to SW4, M21, M21 ': switch MOS, TVD, TVD1, TVD2: transient fluctuation Detection circuit, UVLO: Under voltage lock-out circuit, Vcc: Power supply terminal, Vi: Input terminal, V / I, V / I1, V / I2: Voltage / current conversion circuit, Vo: Output terminal, Vref: Reference Voltage, VΔ: Upper and lower limit voltage generation circuit, Δ: Upper and lower limit voltage width.
Claims (16)
出力電力を通すパワー系出力フィルタと、該パワー系出力フィルタとは別に設けたフィルタとを備え、該別に設けたフィルタの出力と前記誤差増幅器内部の差動増幅器を直結して前記誤差増幅器に出力信号を帰還することを特徴とする電源装置。Step-down DC-DC comprising a power semiconductor switching element, a driving unit for the power semiconductor switching element, a pulse width modulation oscillator for supplying a driving signal to the driving unit, and an error amplifier for supplying an error signal to the oscillator In the converter power supply,
A power system output filter for passing the output power, and a filter provided separately from the power system output filter, wherein the output of the separately provided filter and the differential amplifier inside the error amplifier are directly connected and output to the error amplifier. A power supply device for returning a signal.
該CRフィルタの周波数をfCR,該LCフィルタの周波数をfLCとしたときに、fLC<fCRの関係が成り立つことを特徴とする電源装置。The power supply device according to claim 2 or 3,
When the frequency of the CR filter is fCR and the frequency of the LC filter is fLC, a relationship of fLC <fCR is satisfied.
前記複数の電源ユニットそれぞれが、出力電力を通すパワー系出力フィルタと、該パワー系出力フィルタとは別に設けたフィルタとを備え、該別に設けたフィルタの出力と前記誤差増幅器内の差動増幅器を直結して前記誤差増幅器に出力信号を帰還することを特徴とする電源装置。Step-down DC-DC comprising a power semiconductor switching element, a driving unit for the power semiconductor switching element, a pulse width modulation oscillator for supplying a driving signal to the driving unit, and an error amplifier for supplying an error signal to the oscillator In a power supply device having a plurality of power supply units for a converter,
Each of the plurality of power supply units includes a power output filter that passes output power, and a filter provided separately from the power output filter, and outputs an output of the separately provided filter and a differential amplifier in the error amplifier. A power supply device, which is directly connected and feeds back an output signal to the error amplifier.
前記電力半導体スイッチング素子と、前記電力半導体スイッチング素子の駆動手段と、前記パルス幅変調発振器と、前記誤差増幅器と、前記パワー系出力フィルタの出力端から出力電圧を検出し、該出力電圧が予め定めた上限値を超えた場合に前記パルス幅変調発振器のデューティを0%とする信号を出力し、前記出力電圧が予め定めた下限値以下の場合に前記パルス幅変調発振器のデューティを
100%にする信号を出力する過渡変動検出回路とを同じ半導体基板に形成したことを特徴とする電源装置。The power supply device according to claim 1,
An output voltage is detected from the output terminals of the power semiconductor switching element, the driving means of the power semiconductor switching element, the pulse width modulation oscillator, the error amplifier, and the power system output filter, and the output voltage is determined in advance. When the output voltage exceeds the upper limit, a signal for setting the duty of the pulse width modulation oscillator to 0% is output. When the output voltage is equal to or lower than a predetermined lower limit, the duty of the pulse width modulation oscillator is set to 100%. A power supply device, wherein a transient detection circuit for outputting a signal is formed on the same semiconductor substrate.
該電源装置が、電力半導体スイッチング素子と、該電力半導体スイッチング素子の駆動手段と、該駆動手段に駆動信号を供給するパルス幅変調発振器と、該発振器に誤差信号を供給する誤差増幅器とを備えた降圧型DC−DCコンバータ電源装置であって、
出力電力を通すパワー系出力フィルタと、該パワー系出力フィルタとは別に設けたフィルタとを備え、該別に設けたフィルタの出力と前記誤差増幅器内の差動増幅器を直結して前記誤差増幅器に出力信号を帰還し、
前記パワー系出力フィルタがインダクタとコンデンサとからなるLCフィルタであって、前記別に設けたフィルタがコンデンサと抵抗とからなるCRフィルタであり、該CRフィルタを前記LCフィルタに並列に設け、該CRフィルタの周波数をfCR,該LCフィルタの周波数をfLCとしたときにfLC<fCRの関係が成り立ち、該CRフィルタを通して誤差増幅器に出力信号を帰還する電源装置を設けたことを特徴とするハードディスク装置。A magnetic recording disk, a magnetic head, a magnetic disk rotation driving device, a magnetic head driving device, a magnetic head position control device, an input / output signal control device, and a hard disk device including a power supply device for supplying power;
The power supply device includes: a power semiconductor switching element; driving means for the power semiconductor switching element; a pulse width modulation oscillator for supplying a driving signal to the driving means; and an error amplifier for supplying an error signal to the oscillator. A step-down DC-DC converter power supply device,
A power system output filter for passing the output power, and a filter provided separately from the power system output filter, wherein the output of the separately provided filter and the differential amplifier in the error amplifier are directly connected and output to the error amplifier. Return the signal,
The power system output filter is an LC filter including an inductor and a capacitor, the separately provided filter is a CR filter including a capacitor and a resistor, and the CR filter is provided in parallel with the LC filter. Where fCR is the frequency of the LC filter and fLC is the frequency of the LC filter, the relationship of fLC <fCR is established, and a power supply unit that feeds back an output signal to the error amplifier through the CR filter is provided.
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