JP2008182895A - Power circuit - Google Patents
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Abstract
【課題】負荷が軽い場合には、下位トランジスタの駆動を停止し、消費電流の低減を図ることができる電源回路を提供することである。
【解決手段】電源電圧と基準電位間に直列に接続された上位トランジスタと下位トランジスタを有し、負荷の変動に合わせて、その2つのトランジスタの駆動をパルス信号でオンオフさせオン期間を変化させることで負荷に供給する安定化直流電圧を生成する電圧生成手段と、前記負荷の変動の大きさを検出し、負荷が基準に対して重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、軽負荷を判定したときは前記下位トランジスタの駆動をオフさせる回路手段とを具備したものである。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a power supply circuit capable of stopping driving of a lower transistor and reducing current consumption when the load is light.
A high-order transistor and a low-order transistor connected in series between a power supply voltage and a reference potential, and the on-period is changed by turning on and off the drive of the two transistors with a pulse signal in accordance with a load change. Voltage generating means for generating a stabilized DC voltage to be supplied to the load, and load state determining means for detecting the magnitude of the load fluctuation and determining whether the load is heavier or lighter than a reference. And circuit means for turning off the driving of the lower transistor when a light load is determined.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電源回路に関し、特に、同期整流型電源回路などにおいて、消費電流の低減を図った電源回路に関する。 The present invention relates to a power supply circuit, and more particularly to a power supply circuit that reduces current consumption in a synchronous rectification type power supply circuit or the like.
近年、携帯電話などのモバイル機器が普及し、負荷となる回路を電池で駆動する機会が増えており、電源回路の消費電力が小さいことが必要不可欠となっている。また、電源回路は、負荷変動に対して高速に応答可能であることも必要不可欠となっている。 In recent years, mobile devices such as mobile phones have become widespread, and the opportunity to drive a circuit serving as a load with a battery has increased, and it is indispensable that the power consumption of a power supply circuit is small. In addition, it is indispensable for the power supply circuit to be able to respond to load fluctuations at high speed.
特に、集積回路を使用した電子機器の普及に伴い、低電圧で低消費電力の安定化直流電源が必要となる。 In particular, with the widespread use of electronic devices using integrated circuits, a stabilized DC power source with low voltage and low power consumption is required.
負荷及び入力の変動に合わせて、トランジスタをオン,オフさせてスイッチ作用で電源の安定化を図れば、無駄に消費される電力を少なくできるため、電源の効率が非常に良くなる。つまり、トランジスタのオン期間(或いはオンデューティ)を変化させることで電源の安定化を図ることができる。そのような効率的な電源回路として、CMOS集積回路を用いた同期整流型スイッチングレギュレータがある。 If the power supply is stabilized by switching on and off the transistor in accordance with the load and input fluctuations, the power consumption is wasted, so that the efficiency of the power supply becomes very good. In other words, the power supply can be stabilized by changing the on-period (or on-duty) of the transistor. As such an efficient power supply circuit, there is a synchronous rectification type switching regulator using a CMOS integrated circuit.
CMOS集積回路は、Nチャンネルトランジスタ(以下、NMOSと略記する)とPチャンネルトランジスタ(以下、PMOSと略記する)の2種類のMOSトランジスタを組み合わせて構成され、その低消費電力特性ゆえに、LSI技術の主流となっている。 A CMOS integrated circuit is configured by combining two types of MOS transistors, an N-channel transistor (hereinafter abbreviated as NMOS) and a P-channel transistor (hereinafter abbreviated as PMOS). It has become mainstream.
図14に、CMOS集積回路を用いた同期整流型スイッチングレギュレータの構成を示している。 FIG. 14 shows a configuration of a synchronous rectification type switching regulator using a CMOS integrated circuit.
図14において、電源回路は、入力電圧VINと基準電位VSSとの間にハイサイド側のPMOS(以下、上位トランジスタという)(QP1)とローサイド側のNMOS(以下、下位トランジスタという)(QN1)を有し、これらのトランジスタをPWM信号を用いて交互にオン,オフして直流電圧VOUTを出力する同期整流型のスイッチングレギュレータ回路と、このスイッチングレギュレータ回路の出力電圧を基準電圧源Eの電圧値と比較し誤差信号を得るエラーアンプ40と、前記誤差信号に基づいてPWM信号のパルス幅を制御することで、前記スイッチングレギュレータ回路の出力を一定となるよう制御するPWM回路30と、を有して構成されている。
In FIG. 14, the power supply circuit includes a high-side PMOS (hereinafter referred to as an upper transistor) (QP1) and a low-side NMOS (hereinafter referred to as a lower transistor) (QN1) between an input voltage VIN and a reference potential VSS. A synchronous rectification switching regulator circuit that outputs a DC voltage VOUT by alternately turning on and off these transistors using a PWM signal, and an output voltage of the switching regulator circuit as a voltage value of a reference voltage source E. And an
スイッチングレギュレータ回路は、入力電圧である直流電圧VIN(=電源電圧VDD、例えば4V)が供給される端子1と基準電位VSS(=グランド電位GND、例えば0V)が与えられた端子2との間に、上位トランジスタ(QP1),下位トランジスタ(QN1)の各トランジスタがドレインDを共通にして直列に接続されている。上位トランジスタ(QP1)のソースSは端子1に接続し、下位トランジスタ(QN1)のソースSは端子2に接続している。
The switching regulator circuit is provided between a
上位トランジスタ(QP1),下位トランジスタ(QN1)の各ゲートには、PWM回路30からPWM信号として高周波パルスSH,SLが供給され、各トランジスタは該高周波パルスSH,SLにて交互にオン,オフされることにより、両トランジスタの接続点である中間ノードKに交流電圧VMAを発生する。
High frequency pulses SH and SL are supplied as PWM signals from the
なお、図15(a),(b)に示すように下位トランジスタ(QN1)のゲートパルスSLは、上位トランジスタ(QP1)のゲートパルスSHとほぼ同期にしているが、ゲートパルスSLのハイレベルとなる期間は、ゲートパルスSHのハイレベルとなる期間より狭い幅となるように形成されており、PMOS及びNMOSが同時にオンしないようにすることによって電源VIN側から基準電位VSS側へ貫通電流が流れるのを防いでいる。また、下位トランジスタ(QN1)のソース・ドレイン間にはショットキーダイオードSDが接続され、ローサイドトランジスタのオフ時におけるローサイドトランジスタへの過電圧防止と電力供給バックアップを行う。 As shown in FIGS. 15A and 15B, the gate pulse SL of the lower transistor (QN1) is substantially synchronized with the gate pulse SH of the upper transistor (QP1). This period is formed to have a narrower width than the period during which the gate pulse SH is at the high level, and through current flows from the power supply VIN side to the reference potential VSS side by preventing the PMOS and NMOS from being turned on at the same time. Is prevented. In addition, a Schottky diode SD is connected between the source and drain of the lower transistor (QN1) to prevent overvoltage and power supply backup to the low side transistor when the low side transistor is off.
交流電圧VMAが生成される中間ノードKと基準電位VSSが与えられる端子3との間には、整流用コイルL1と安定化容量C0が直列に接続し、その直列接続点に接続した出力端子4に安定化容量C0で平滑された直流電圧VOUT(例えば1.5V)が出力され、図示しない負荷に供給される。
A rectifying coil L1 and a stabilizing capacitor C0 are connected in series between the intermediate node K where the AC voltage VMA is generated and the
そして、出力の直流電圧VOUTはフィードバックラインを介してエラーアンプ40の−端子に帰還されており、基準電位VSSが与えられる端子5に接続した基準電圧源Eの電圧値と比較される。
The output DC voltage VOUT is fed back to the negative terminal of the
エラーアンプ40の比較結果である誤差(エラー)電圧VbはPWM回路30に供給され、該誤差電圧にてPWM回路33が生成するPWM信号のパルス幅が制御される。この帰還制御によって、図示しない負荷に供給される出力電圧VOUT(例えば1.5V)が一定となるように制御されるようになっている。
An error (error) voltage Vb, which is a comparison result of the
上記の構成においては、PWM回路30は、互いにほぼ同期した適宜のパルス幅を有する高周波(例えば1MHz)パルスSH,SLをPWM信号として出力し、上位トランジスタ(QP1)と下位トランジスタ(QN1)の各ゲートに印加する。高周波パルスSH,SLは図15(a),(b)に示すようなパルスである。上位トランジスタ(QP1),下位トランジスタ(QN1)の各トランジスタが上記のほぼ同期した高周波パルスSH,SLにて交互にオン,オフすることにより、接続点である中間ノードKに図15(c)に示すような交流電圧VMAを発生する。この交流電圧VMAに基づいて電流がコイルL1を通り安定化容量C0に充電されることによって、出力端子4には出力電圧VOUTとしての直流電圧が得られる。
In the above configuration, the
ところで、図14の回路において、負荷電流の変化により、上位トランジスタ(QP1)を駆動するためのPWM信号SHの波形は、図16のように変化する。軽い負荷の場合、パルス幅が狭くなり、重負荷の場合、パルス幅は広くなる(但しローアクティブのためローレベル期間のパルスについて述べている)。図16の最下段のように、負荷が軽い場合、負荷によってパルス信号SHは間引きされることになる。このような状況で、1MHz程度の高速スイッチング周波数の場合、軽い負荷の場合(例えば10mA以下の時)には、下位トランジスタ(QN1)を駆動(オン)すると、その駆動電流により、かえって効率の低下を招くことになる。NMOSのゲート容量は数百pF(例えば500pF)あり、その駆動電流(約2mA)が無駄となる。 In the circuit of FIG. 14, the waveform of the PWM signal SH for driving the upper transistor (QP1) changes as shown in FIG. 16 due to the change of the load current. In the case of a light load, the pulse width is narrowed, and in the case of a heavy load, the pulse width is widened (however, a pulse in a low level period is described because of low active). When the load is light as in the lowermost stage of FIG. 16, the pulse signal SH is thinned out by the load. In such a situation, in the case of a high-speed switching frequency of about 1 MHz, in the case of a light load (for example, 10 mA or less), when the lower transistor (QN1) is driven (turned on), the driving current reduces the efficiency. Will be invited. The gate capacity of the NMOS is several hundred pF (for example, 500 pF), and its drive current (about 2 mA) is wasted.
そこで、本発明は、上記の問題に鑑み、負荷が軽い場合には、NMOSの駆動を停止し、消費電流の低減を図ることができる電源回路を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a power supply circuit that can stop the driving of the NMOS and reduce the current consumption when the load is light.
本発明による電源回路は、電源電圧と基準電位間に直列に接続された上位トランジスタと下位トランジスタを有し、負荷の変動に合わせて、その2つのトランジスタの駆動をパルス信号でオンオフさせオン期間を変化させることで負荷に供給する安定化直流電圧を生成する電圧生成手段と、前記負荷の変動の大きさを検出し、負荷が基準に対して重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、軽負荷を判定したときは前記下位トランジスタの駆動をオフさせる回路手段と、を具備したものである。 The power supply circuit according to the present invention has an upper transistor and a lower transistor connected in series between a power supply voltage and a reference potential, and according to the fluctuation of the load, the drive of the two transistors is turned on / off by a pulse signal and the on period is set. Voltage condition generating means for generating a stabilized DC voltage to be supplied to the load by changing the load, and a load condition determination for detecting the magnitude of the load fluctuation and determining whether the load is heavy or light relative to the reference Circuit means for turning off the driving of the lower transistor when a light load is determined.
本発明のこのような構成によれば、負荷が基準に対して軽くなると、下位トランジスタの駆動を停止(オフ)にすることにより、軽負荷時に、下位トランジスタの消費電流を低減させることができ、下位トランジスタの駆動電流により効率の低下を招いていた不具合を無くすことができる。これにより、動作静止時(無負荷時)から最大動作時(最大負荷時)までより良い効率での電源供給が可能となる。 According to such a configuration of the present invention, when the load becomes lighter than the reference, the driving of the lower transistor is stopped (off), so that the current consumption of the lower transistor can be reduced at a light load, It is possible to eliminate the inconvenience that has caused a decrease in efficiency due to the driving current of the lower transistors. As a result, power can be supplied with better efficiency from when the operation is stationary (when no load is applied) to when the operation is maximum (when the load is maximum).
また、本発明による電源回路は、電源電圧と基準電位間に直列に接続された上位トランジスタと下位トランジスタを有し、負荷の変動に合わせて、その2つのトランジスタの駆動をパルス信号でオンオフさせオン期間を変化させることで負荷に供給する安定化直流電圧を生成する電圧生成手段と、前記電圧生成手段の出力を基準値と比較し誤差信号を得る誤差検出手段と、前記誤差信号に基づいて前記電圧生成手段を制御するもので、前記負荷の変動の大きさを検出し、負荷が基準に対して重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、軽負荷を判定したときは前記下位トランジスタの駆動をオフさせる回路手段と、を具備したものである。 The power supply circuit according to the present invention has an upper transistor and a lower transistor connected in series between a power supply voltage and a reference potential, and the two transistors are turned on / off by a pulse signal in accordance with a load change. A voltage generating means for generating a stabilized DC voltage to be supplied to the load by changing a period; an error detecting means for comparing the output of the voltage generating means with a reference value to obtain an error signal; and the error signal based on the error signal. When controlling the voltage generation means, it has load state determination means for detecting the magnitude of the fluctuation of the load and determining whether the load is heavy or light with respect to the reference. Comprises circuit means for turning off the driving of the lower transistors.
本発明のこのような構成によれば、負荷が基準に対して軽くなると、下位トランジスタの駆動を停止(オフ)にすることにより、軽負荷時に、下位トランジスタの消費電流を低減させることができ、下位トランジスタの駆動電流により効率の低下を招いていた不具合を無くすことができる。これにより、動作静止時(無負荷時)から最大動作時(最大負荷時)までより良い効率での電源供給が可能となる。 According to such a configuration of the present invention, when the load becomes lighter than the reference, the driving of the lower transistor is stopped (off), so that the current consumption of the lower transistor can be reduced at a light load, It is possible to eliminate the inconvenience that has caused a decrease in efficiency due to the driving current of the lower transistors. As a result, power can be supplied with better efficiency from when the operation is stationary (when no load is applied) to when the operation is maximum (when the load is maximum).
また、本発明において、前記負荷状態判定手段は、前記基準に対して前記上位トランジスタの駆動をオンさせるパルス信号のパルス幅の長短を検出し、短パルスを検出したとき軽負荷と判定することが好ましい。 In the present invention, the load state determination means detects the length of a pulse width of a pulse signal that turns on the driving of the upper transistor with respect to the reference, and determines a light load when a short pulse is detected. preferable.
このような構成によれば、前記上位トランジスタの駆動をオンさせるパルス信号のパルス幅に関して、基準に対して短いパルス幅を検出したときに、軽負荷と判定することができる。 According to such a configuration, when the pulse width of the pulse signal that turns on the driving of the upper transistor is detected, a light load can be determined when a short pulse width is detected with respect to the reference.
また、本発明による電源回路は、電源電圧と基準電位間に直列に接続された上位トランジスタと下位トランジスタを有し、負荷の変動に合わせて、その2つのトランジスタの駆動をパルス信号でオンオフさせオン期間を変化させることで負荷に供給する安定化直流電圧を生成する電圧生成手段と、前記負荷の変動の大きさを検出する際に、第1,第2の基準(第2の基準は第1の基準より大きい)を用いて負荷が重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、負荷の軽重が第1の基準未満の場合は、前記下位トランジスタの駆動をオフさせ、負荷の軽重が第1の基準以上第2の基準未満かつ前記下位トランジスタの駆動がオフの場合は、前記下位トランジスタの駆動はオフを維持させ、負荷の軽重が第2の基準以上の場合は、前記下位トランジスタの駆動をパルス信号によりオンオフさせ、負荷の軽重が第1の基準以上第2の基準未満かつ前記下位トランジスタの駆動がパルス信号によりオンオフの場合は、前記下位トランジスタの駆動はパルス信号によりオンオフを維持させる回路手段と、を具備したものである。 The power supply circuit according to the present invention has an upper transistor and a lower transistor connected in series between a power supply voltage and a reference potential, and the two transistors are turned on / off by a pulse signal in accordance with a load change. Voltage generating means for generating a stabilized DC voltage to be supplied to the load by changing the period, and first and second references (the second reference is the first reference) when detecting the magnitude of the load fluctuation Load state determination means for determining whether the load is heavy or light using a larger load than the first reference, and when the load light weight is less than the first reference, the driving of the lower transistor is turned off, When the load weight is not less than the first reference and less than the second reference and the driving of the lower transistor is off, the driving of the lower transistor is kept off, and when the load weight is not less than the second reference, When the driving of the lower transistor is turned on / off by a pulse signal, the load weight is not less than the first reference and less than the second reference, and the driving of the lower transistor is turned on / off by the pulse signal, the driving of the lower transistor is performed by the pulse signal. Circuit means for maintaining on-off.
本発明のこのような構成によれば、第1,第2の2つの基準を設けて、下位トランジスタの駆動制御にヒステリシス特性を持たせることによって、電圧生成手段の出力電圧にリップル(振幅0.1V,22KHz等の低周波の発振)を発生するのを防止することができる。基準が1つの場合には、負荷電流が変動した場合、その基準前後で下位トランジスタがオンしたりオフしたりして、電圧生成手段の出力に前記リップルが発生する虞れがあったのを、解消することができる。
According to such a configuration of the present invention, the first and second references are provided, and a hysteresis characteristic is given to the drive control of the lower transistor, whereby a ripple (
また、本発明による電源回路は、電源電圧と基準電位間に直列に接続された上位トランジスタと下位トランジスタを有し、負荷の変動に合わせて、その2つのトランジスタの駆動をパルス信号でオンオフさせオン期間を変化させることで負荷に供給する安定化直流電圧を生成する電圧生成手段と、前記電圧生成手段の出力を基準値と比較し誤差信号を得る誤差検出手段と、前記誤差信号に基づいて前記電圧生成手段を制御するもので、前記負荷の変動の大きさを検出する際に、第1,第2の基準(第2の基準は第1の基準より大きい)を用いて負荷が重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、負荷の軽重が第1の基準未満の場合は、前記下位トランジスタの駆動をオフさせ、負荷の軽重が第1の基準以上第2の基準未満かつ前記下位トランジスタの駆動がオフの場合は、前記下位トランジスタの駆動はオフを維持させ、負荷の軽重が第2の基準以上の場合は、前記下位トランジスタの駆動をパルス信号によりオンオフさせ、負荷の軽重が第1の基準以上第2の基準未満かつ前記下位トランジスタの駆動がパルス信号によりオンオフの場合は、前記下位トランジスタの駆動はパルス信号によりオンオフを維持させる回路手段と、を具備したものである。 The power supply circuit according to the present invention has an upper transistor and a lower transistor connected in series between a power supply voltage and a reference potential, and the two transistors are turned on / off by a pulse signal in accordance with a load change. A voltage generating means for generating a stabilized DC voltage to be supplied to the load by changing a period; an error detecting means for comparing the output of the voltage generating means with a reference value to obtain an error signal; and the error signal based on the error signal. Controls voltage generation means. When detecting the magnitude of the fluctuation of the load, the load is heavy or light using the first and second standards (the second standard is larger than the first standard). Load state determination means for determining the load state, and when the load weight is less than the first reference, the driving of the lower transistor is turned off, and the load weight is equal to or higher than the first reference and the second reference. Less than When the driving of the lower transistor is off, the driving of the lower transistor is kept off, and when the weight of the load is equal to or higher than the second reference, the driving of the lower transistor is turned on / off by a pulse signal, And a circuit means for maintaining driving of the lower transistor on and off by a pulse signal when the driving of the lower transistor is turned on and off by a pulse signal.
本発明のこのような構成によれば、第1,第2の2つの基準を設けて、下位トランジスタの駆動制御にヒステリシス特性を持たせることによって、電圧生成手段の出力電圧にリップル(振幅0.1V,22KHz等の低周波の発振)を発生するのを防止することができる。基準が1つの場合には、負荷電流が変動した場合、その基準前後で下位トランジスタがオンしたりオフしたりして、電圧生成手段の出力に前記リップルが発生する虞れがあったのを、解消することができる。
According to such a configuration of the present invention, the first and second references are provided, and a hysteresis characteristic is given to the drive control of the lower transistor, whereby a ripple (
また、本発明において、前記負荷状態判定手段は、前記第1,第2の基準に対して前記上位トランジスタの駆動をオンさせるパルス信号のパルス幅の長短を検出し、その長短に応じて負荷の軽重を判定し、負荷の軽重が第1の基準未満から第2の基準未満に上昇するまでは前記下位トランジスタの駆動をオフさせ、負荷の軽重が第2の基準以上に上昇したときは前記下位トランジスタの駆動をパルス信号によりオンオフさせ、負荷の軽重が第2の基準以上から第1の基準以上に下降するまでは前記下位トランジスタの駆動をパルス信号によりオンオフさせ、負荷の軽重が第1の基準未満に下降したときは前記下位トランジスタの駆動をオフさせることが好ましい。 In the present invention, the load state determining means detects the length of a pulse width of a pulse signal for turning on the driving of the upper transistor with respect to the first and second references, and the load state is determined according to the length. The light weight is determined, and the driving of the lower transistor is turned off until the light weight of the load rises from less than the first reference to less than the second reference, and when the light weight of the load rises above the second reference, the lower order The driving of the transistor is turned on / off by the pulse signal, and the driving of the lower transistor is turned on / off by the pulse signal until the light weight of the load drops from the second reference or higher to the first reference or higher. It is preferable to turn off the driving of the lower-order transistor when it falls below.
このような構成によれば、負荷状態判定手段によって負荷の軽重を判定することによって、負荷の軽重が軽→重と変化する場合でかつ第1の基準未満から第2の基準未満に上昇するまでは前記下位トランジスタの駆動をオフさせ、負荷の軽重が重→軽と変化する場合でかつ第2の基準以上から第1の基準以上に下降するまでは前記下位トランジスタの駆動をパルス信号によりオンオフさせ、負荷の軽重が第2の基準以上にあるときは前記下位トランジスタの駆動をパルス信号によりオンオフさせ、負荷の軽重が第1の基準未満にあるときは前記下位トランジスタの駆動をオフさせることによって、1つの基準を境にパルス信号のパルス幅が変動(即ち負荷電流が変動)しても、下位トランジスタが発振状態に至るのを防いで、電圧生成手段の出力電圧にリップルを発生するのを抑制することができる。 According to such a configuration, by determining the lightness of the load by the load state determination means, when the lightness of the load changes from light to heavy and until it rises from less than the first reference to less than the second reference Turns off the driving of the lower transistor, and turns on and off the driving of the lower transistor by a pulse signal until the load changes from heavy to light and falls from the second reference or higher to the first reference or higher. When the load weight is above the second reference, the driving of the lower transistor is turned on / off by a pulse signal, and when the load weight is less than the first reference, the driving of the lower transistor is turned off, Even if the pulse width of the pulse signal fluctuates (that is, the load current fluctuates) with respect to one reference, the lower transistor is prevented from oscillating, and the output of the voltage generating means is prevented. It is possible to suppress occurrence of a ripple voltage.
さらに、本発明による電源回路は、キャパシタとインバータを用いた比較手段を備え、前記上位トランジスタのオフ期間で前記下位トランジスタがオンした時に、前記上位トランジスタと前記下位トランジスタの接続点の中間ノード電位が、前記基準電位より低いレベルにアンダーシュートした後そのアンダーシュートが戻って該基準電位を越える状態になったことを示す検出信号を出力する検出回路をさらに具備し、前記回路手段は、前記電圧生成手段に供給するパルス信号のうち、前記下位トランジスタのゲートに供給するパルス信号のパルス幅を前記検出回路の検出信号により制御して、前記下位トランジスタのオン状態をオフさせる機能をさらに有することが好ましい。 Furthermore, the power supply circuit according to the present invention includes a comparing means using a capacitor and an inverter, and when the lower transistor is turned on during the off period of the upper transistor, the intermediate node potential at the connection point of the upper transistor and the lower transistor is And a detection circuit for outputting a detection signal indicating that the undershoot returns to a state exceeding the reference potential after undershooting to a level lower than the reference potential, and the circuit means includes the voltage generation It is preferable that the pulse signal supplied to the means further has a function of controlling the pulse width of the pulse signal supplied to the gate of the lower transistor by the detection signal of the detection circuit to turn off the lower transistor. .
このような構成によれば、キャパシタとインバータを用いた比較手段(例えば、結合コンデンサC1とインバータ331を用いた比較回路)を使用した構成となっているので、集積化及び高速動作に適した検出回路を構成できると共に、軽負荷時の下位トランジスタの駆動オフに加えて、それより重い負荷の時において下位トランジスタがオンしているときに、中間ノードから基準電位側に流れる電流を止めることが可能となり、より多くの消費電力を低減することができる。 According to such a configuration, since the comparison means using the capacitor and the inverter (for example, the comparison circuit using the coupling capacitor C1 and the inverter 331) is used, the detection suitable for integration and high-speed operation. In addition to configuring the circuit, in addition to turning off the lower transistor at light load, it is possible to stop the current flowing from the intermediate node to the reference potential side when the lower transistor is on at a heavier load Thus, more power consumption can be reduced.
発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施の形態の電源回路の構成を示している。本実施の形態は、効率の良い安定化直流電源として、CMOS集積回路を用いた同期整流型スイッチングレギュレータの構成を示している。 FIG. 1 shows the configuration of a power supply circuit according to the first embodiment of the present invention. This embodiment shows a configuration of a synchronous rectification type switching regulator using a CMOS integrated circuit as an efficient stabilized DC power supply.
図1において、電源回路は、上位トランジスタ(QP1)と下位トランジスタ(QN1)を有し、交互にオン,オフして直流電圧VOUTを出力する同期整流型のスイッチングレギュレータであるDC−DC変換回路と、このDC−DC変換回路の出力電圧を基準電圧源Eの基準電圧値と比較し誤差信号を得るエラーアンプ40と、前記誤差信号に基づいてPWM信号のパルス幅を制御することで、前記DC−DC変換回路の出力を一定となるよう制御するPWM回路32と、このPWM回路32のPWM信号を入力し、前記DC−DC変換回路の上位トランジスタ(QP1)と下位トランジスタ(QN1)に供給するゲートパルスSH,SLを作成するもので、負荷が軽い場合(例えば間引き動作状態となっている時、図16の最下段のSH参照)は下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止させるよう制御する出力ドライバ31と、を有して構成されている。出力ドライバ31は、例えばPWM信号SHのローレベル期間のパルス幅を検定し、パルス幅のデューティ比が所定値(基準値)より小さい時に負荷が軽いと判定し、下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止させるよう制御する。なお、PWM回路32と出力ドライバ31とは、PWMの回路手段を構成している。
In FIG. 1, the power supply circuit includes a high-order transistor (QP1) and a low-order transistor (QN1), and is a DC-DC conversion circuit that is a synchronous rectification type switching regulator that alternately turns on and off and outputs a DC voltage VOUT. The output voltage of the DC-DC conversion circuit is compared with the reference voltage value of the reference voltage source E to obtain an error signal, and the pulse width of the PWM signal is controlled based on the error signal, whereby the DC A
DC−DC変換回路は、入力電圧である直流電圧VIN(=電源電圧VDD、例えば4V)が供給される端子1と基準電位VSS(=グランド電位GND、例えば0V)が与えられた端子2との間に、上位トランジスタ(QP1),下位トランジスタ(QN1)の各トランジスタがドレインDを共通にして直列に接続されている。上位トランジスタ(QP1)のソースSは端子1に接続し、下位トランジスタ(QN1)のソースSは端子2に接続している。
The DC-DC conversion circuit includes a
上位トランジスタ(QP1),下位トランジスタ(QN1)の各ゲートには、PWMの回路手段からPWM信号として高周波パルスSH,SLが供給され、各トランジスタは該高周波パルスSH,SLにて交互にオン,オフされることにより、両トランジスタの接続点である中間ノードKに交流電圧VMAを発生する。 High frequency pulses SH and SL are supplied as PWM signals from the PWM circuit means to the gates of the upper transistor (QP1) and the lower transistor (QN1), and the transistors are alternately turned on and off by the high frequency pulses SH and SL. As a result, an AC voltage VMA is generated at the intermediate node K, which is a connection point between the two transistors.
なお、下位トランジスタ(QN1)のゲートパルスSLは、上位トランジスタ(QP1)のゲートパルスSHとほぼ同期にしているが、ゲートパルスSLのハイレベルとなる期間は、ゲートパルスSHのハイレベルとなる期間より若干狭い幅となるように形成されており、PMOS及びNMOSが同時にオンしないようにすることによって電源VIN側から基準電位VSS側へ貫通電流が流れるのを防いでいる。また、下位トランジスタ(QN1)のソース・ドレイン間にはショットキーダイオードSDが接続され、ローサイドトランジスタのオフ時におけるローサイドトランジスタへの過電圧防止と電力供給バックアップを行う。 The gate pulse SL of the lower transistor (QN1) is substantially synchronized with the gate pulse SH of the upper transistor (QP1), but the period during which the gate pulse SL is at the high level is the period during which the gate pulse SH is at the high level. It is formed so as to have a slightly narrower width, and by preventing the PMOS and NMOS from being turned on at the same time, it prevents the through current from flowing from the power supply VIN side to the reference potential VSS side. In addition, a Schottky diode SD is connected between the source and drain of the lower transistor (QN1) to prevent overvoltage and power supply backup to the low side transistor when the low side transistor is off.
交流電圧VMAが生成される中間ノードKと基準電位VSSが与えられる端子2との間には、整流用コイルL1と安定化容量C0が直列に接続し、その直列接続点に接続した出力端子4に安定化容量C0で平滑された直流電圧VOUT(例えば1.5V)が出力され、図示しない負荷に供給される。
Between the intermediate node K where the AC voltage VMA is generated and the
そして、出力の直流電圧VOUTはフィードバックラインを介してエラーアンプ40の−端子に帰還されており、基準電位VSSが与えられる端子5に接続した基準電圧源Eの基準電圧値と比較される。
The output DC voltage VOUT is fed back to the negative terminal of the
エラーアンプ40の比較結果である誤差(エラー)電圧はPWM回路32に供給され、該誤差電圧にてPWM回路32が生成するPWM信号のパルス幅が制御される。
An error (error) voltage as a comparison result of the
図2は、上記出力ドライバ31の構成例を示す回路図を示している。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the
図2において、出力ドライバ31は、PWM回路32からのPWM信号(SH信号とは反転関係にある)が入力される入力端子6と、制御部311と、2入力のナンドゲート312と、2入力のナンドゲート315と、インバータ313,314,316,317と、上位トランジスタ(QP1)のゲート信号となる高周波パルスSHを出力する出力端子7と、下位トランジスタ(QN1)のゲート信号となる高周波パルスSLを出力する出力端子8と、を有して構成されている。
In FIG. 2, the
上記制御部311は、高周波パルスSHを反転した/SHと前記端子6からのPWM信号を入力し、前記の/SHのパルス幅(但し反転しているのでハイレベル期間のパルス幅)のデューティ比が所定の基準値(例えば20%)より大きいか小さいかを判定し、大きければ判定信号PWM2としてハイレベルを出力し、小さければ判定信号PWM2としてローレベルを出力する。
The
従って、制御部311では、上位トランジスタ(QP1)のゲートパルスSHのパルス幅(ローアクティブ)がデューティ比の前記基準値よりも小さければ、判定信号PWM2としてローレベルが出力され、下位トランジスタ(QN1)の駆動を制御するための2入力ナンドゲート315に入力され、ナンドゲート315出力はハイレベルとなる。そして、インバータ316で反転されてローレベルとなりSL出力端子8に出力される。その結果、ゲートパルスSLの出力端子8は、ゲートパルスSHのデューティ比が基準値よりも小さい期間に、ローレベルに設定されることになり、下位トランジスタ(QN1)の駆動が停止(オフ)されることになる。
Therefore, if the pulse width (low active) of the gate pulse SH of the upper transistor (QP1) is smaller than the reference value of the duty ratio, the
なお、下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止させた後の中間ノードKの電位変化に基づく、下位トランジスタ(QN1)のソース(即ち基準電位VSSの端子2)からドレイン(即ち中間ノードK)への電流供給はショットキーダイオードSD(Shottoky Diode)で対応することになる。
Note that, based on the potential change of the intermediate node K after the driving of the lower transistor (QN1) is stopped, the source (ie,
図3は、ゲートパルスSHのパルス幅の大小を判定する上記制御部311の構成例を示している。
FIG. 3 shows a configuration example of the
図3に示す回路311は、PWM回路32からのPWM信号を入力する入力端子9と、直流電圧VIN(=電源電圧VDD)が供給される入力端子10と、図2の出力ドライバ31からのSH信号を反転した/SH信号を入力する入力端子11と、基準電位VSSが供給される入力端子12と、定電流回路(カレントミラー)を構成するPMOS(QP2),PMOS(QP3)と、PMOS(QP2)と共に定電流回路(カレントミラー)を構成する第1の定電流源としてのPMOS(QP4)と、定電流源Q0と、定電流回路(カレントミラー)を構成するNMOS(QN2),NMOS(QN4)〔但し同じゲート電圧に対する能力がNMOS(QN4)の方が大きい〕と、第1の定電流源としての上記PMOS(QP4)と第2の定電流源である上記NMOS(QN4)との間にドレイン・ソースが直列に接続されたNMOS(QN3)と、前記PMOS(QP4)のドレインとVSSライン間に接続された抵抗R,コンデンサCから成る積分回路と、この積分回路の出力を入力とし、VINラインとVSSライン間に直列に接続されたPMOS(QP5)とNMOS(QN7)で形成された第1のCMOSインバータと、この第1のCMOSインバータの出力を入力とし、VINラインとVSSライン間に直列に接続されたPMOS(QP6)とNMOS(QN8)で形成された第2のCMOSインバータと、前記入力端子9からのPWM信号と前記第2のCMOSインバータの出力とを入力し、前記積分回路(R,C)の出力の高低(即ちSHパルスのデューティ比の小大)に対応したSHパルス幅判定信号PWM2を出力する2入力ナンドゲート320と、SHパルス幅判定信号PWM2を出力する出力端子13と、を備えて構成されている。このSHパルス幅判定信号PWM2は、下位トランジスタ(QN1)の駆動を制御するための図2の2入力ナンドゲート315の一方の入力端子に供給される。
A
上記のNMOS(QN4)に関して、‘但し同じゲート電圧に対する能力がNMOS(QN4)の方が大きい’とあるのは、NMOS(QN4)のチャンネル幅などのサイズがNMOS(QN2)のそれよりも例えば5倍程度大きく設計されており、NMOS(QN2),NMOS(QN4)に同じゲート電圧を加えても、NMOS(QN4)に流れるドレイン電流の方がNMOS(QN2)に流れるドレイン電流に比べて5倍程度大きい(即ち5倍程度電力供給能力がある)ことを意味している。 Regarding the above-mentioned NMOS (QN4), 'the capacity for the same gate voltage is larger in the NMOS (QN4)', for example, the channel width of the NMOS (QN4) is larger than that of the NMOS (QN2), for example. The drain current flowing through the NMOS (QN4) is 5 times larger than the drain current flowing through the NMOS (QN2) even when the same gate voltage is applied to the NMOS (QN2) and NMOS (QN4). This means that it is about twice as large (that is, about 5 times the power supply capacity).
上記の図3の構成では、例えば1MHzのPWMパルスSHを反転した/SHのハイレベル期間がデューティ比20%を越えている場合(即ち負荷が重い場合)は、NMOS(QN3)がオフする期間が積分回路(R,C)を充電するのに十分に長くないために、そのオフ期間に充電される積分回路(R,C)の電圧(即ちコンデンサCの出力電圧)は、次段の第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)のしきい値を越えることができずローレベルのままであるので、第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)の出力はハイレベル、第2のCMOSインバータ(QP6,QN8)の出力はローレベルとなり、2入力ナンドゲート320の出力PWM2はハイレベル、図2の出力ドライバ31のSL出力はハイレベルとなり、図1の下位トランジスタ(QN1)は駆動(オン)される。
In the configuration of FIG. 3 described above, for example, when the 1 MHz PWM pulse SH is inverted / the high level period of SH exceeds 20% of the duty ratio (that is, when the load is heavy), the NMOS (QN3) is turned off. Is not long enough to charge the integration circuit (R, C), the voltage of the integration circuit (R, C) charged during the off period (that is, the output voltage of the capacitor C) is the second stage. Since the threshold value of the first CMOS inverter (QP5, QN7) cannot be exceeded and remains at the low level, the output of the first CMOS inverter (QP5, QN7) is at the high level, and the second CMOS inverter (QP6) , QN8) becomes a low level, the output PWM2 of the 2-
一方、前記の反転パルス/SHのハイレベル期間がデューティ比20%を切った場合(即ち負荷が軽くなった場合)は、NMOS(QN3)がオフする期間が積分回路(R,C)を充電するのに必要なだけ長くなるために、そのオフ期間に充電される積分回路(R,C)の電圧(即ちコンデンサCの出力電圧)は、次段の第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)のしきい値を越えることができハイレベルとなるので、第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)の出力はローレベル、第2のCMOSインバータ(QP6,QN8)の出力はハイレベルとなり、2入力ナンドゲート320の出力PWM2はローレベル、図2の出力ドライバ31のSL出力はローレベルとなり、図1の下位トランジスタ(QN1)の駆動は停止(オフ)される。従って、負荷が軽くなり、PWMパルスSHのパルス幅のデューティ比が20%を下回ると、下位トランジスタ(QN1)の駆動は停止し、上位トランジスタ(QP1)側のみの駆動となる。また、負荷が重くなり、PWMパルスSHのパルス幅のデューティ比が20%を上回ると、下位トランジスタ(QN1),上位トランジスタ(QP1)ともに通常の駆動状態となる。
On the other hand, when the high level period of the inversion pulse / SH falls below 20% duty ratio (that is, when the load becomes light), the integration circuit (R, C) is charged during the period when the NMOS (QN3) is turned off. Therefore, the voltage of the integration circuit (R, C) charged during the off period (that is, the output voltage of the capacitor C) is the first CMOS inverter (QP5, QN7) of the next stage. , The output of the first CMOS inverter (QP5, QN7) becomes low level, the output of the second CMOS inverter (QP6, QN8) becomes high level, and two inputs The output PWM2 of the
ところで、図3に示すような出力ドライバ31の制御部311の構成では、負荷の軽重(即ち負荷電流の多少)が、予め定めたデューティ比の基準値(例えば20%)を境に変化した場合、負荷電流によっては下位トランジスタ(QN1)がオンしたりオフしたりといったことを繰り返し、言わば発振状態に至る。従って、下位トランジスタ(QN1)の駆動有無により、出力電圧VOUTは22KHz等の周波数で変動し(即ち出力電圧VOUTに例えば0.1V程度の振幅の低周波リップルを生じ)、電力供給能力が変化する。これは、例えば携帯情報端末(PDA)などの携帯機器では、一般的に動作静止時(無負荷時)から最大動作時(最大負荷時)まで負荷変動が大きく、負荷電流によっては発振し易いところができてしまうことを意味している。
By the way, in the configuration of the
次に、上記のような発振を防止するための出力ドライバ31の制御部311の構成について説明する。
Next, the configuration of the
図4は、ゲートパルスSHのパルス幅の大小を判定する上記制御部311の他の構成例を示している。
FIG. 4 shows another configuration example of the
図4に示す回路311で、図3の回路構成と異なる点は、定電流回路(カレントミラー)を構成するNMOS(QN2),NMOS(QN4)〔但し同じゲート電圧に対する能力がNMOS(QN4)の方が大きい〕のうち、NMOS(QN4)に対して、これと同じ能力のNMOS(QN6)をスイッチ用のNMOS(QN5)を介して並列接続できるように構成したことである。即ち、NMOS(QN5)がオンした時には、NMOS(QN4)に並列にNMOS(QN6)が接続されるようになっている。図中の符号▲1▼,▲5▼に関しては、同一バイアス電圧に対する電流源Q0の電流量Ibiasを▲1▼とした場合に、▲5▼は同一バイアス電圧に対してIbias×5の電流を流す能力があることを意味している。従って、NMOS(QN4)とNMOS(QN6)が並列接続された時には、同一バイアス電圧に対してIbias×10の電流を流す能力が生ずることを意味している。その他の構成は図3と同様であるので説明を省略する。
The
この図4の回路では、SHのパルス幅の判定にヒステリシスを持たせた構成とすることで、例えばデューティ比の基準値(例えば10%)を下回ったことを検知したら下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止し、負荷が変化して、次にデューティ比が20%になるまでは下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止しておき、負荷が重くなってデューティ比が20%を越えたら下位トランジスタ(QN1)の駆動を行い、再び負荷が変動し軽くなった場合にデューティ比が10%を切る状態となって初めて、下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止させる。これにより、1つのデューティ比の基準値を境にパルス幅が変動(即ち負荷電流が変動)しても、下位トランジスタ(QN1)がオンしたりオフしたりといったことを繰り返す前述の発振状態に至ることを防ぐことができる。 In the circuit of FIG. 4, by adopting a configuration in which the determination of the pulse width of SH is provided with hysteresis, for example, when it is detected that the duty ratio falls below a reference value (for example, 10%), the lower transistor (QN1) is driven. Until the duty ratio reaches 20%, the driving of the lower transistor (QN1) is stopped. When the load becomes heavy and the duty ratio exceeds 20%, the lower transistor (QN1) is stopped. QN1) is driven, and the driving of the lower transistor (QN1) is stopped only when the duty ratio becomes less than 10% when the load fluctuates and becomes light again. As a result, even if the pulse width varies (that is, the load current varies) with respect to one reference value of the duty ratio, the oscillation state described above is repeated in which the lower transistor (QN1) is repeatedly turned on and off. Can be prevented.
上記の図4の回路の動作を、図5を参照して説明する。図5(a)はPWM信号SHのローレベル期間のパルス幅のデューティ比(ローアクティブ)を示すもので、デューティ比が10〜20%の範囲で変わる例を示している。図5(b),(c)はSHのパルス幅の判定にヒステリシスを持たせた場合(図4の回路の場合)のSHパルスのデューティ比の変化に伴う、下位トランジスタ(QN1)の駆動の有無(オン又はオフ)を示している。 The operation of the circuit shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows the duty ratio (low active) of the pulse width in the low level period of the PWM signal SH, and shows an example in which the duty ratio changes in the range of 10 to 20%. FIGS. 5B and 5C show the driving of the lower transistor (QN1) accompanying the change in the duty ratio of the SH pulse when hysteresis is given to the determination of the SH pulse width (in the case of the circuit of FIG. 4). Indicates presence / absence (on or off).
上記の図4の構成について、図5(b)の時間経過に沿って説明する。例えば1MHzのPWMパルスSHを反転した/SHのハイレベル期間がデューティ比10%を下回った場合(即ち負荷が軽い場合)は、NMOS(QN3)がオンする時間が短くオフする期間が長いため積分回路(R,C)が十分に充電され、その充電電圧が次段の第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)のしきい値を越えるハイレベルとなるので、第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)の出力はローレベル、第2のCMOSインバータ(QP6,QN8)の出力はハイレベルとなり、2入力ナンドゲート320の出力PWM2はローレベル、図2の出力ドライバ31のSL出力はローレベルとなり、図1の下位トランジスタ(QN1)の駆動は停止(オフ)状態となる。
The configuration of FIG. 4 will be described along the passage of time of FIG. For example, when the 1 MHz PWM pulse SH is inverted / the high level period of SH is less than 10% of the duty ratio (that is, when the load is light), the integration time is long because the NMOS (QN3) is turned on for a short time and is turned off. Since the circuit (R, C) is sufficiently charged and the charging voltage becomes a high level exceeding the threshold value of the first CMOS inverter (QP5, QN7) at the next stage, the first CMOS inverter (QP5, QN7) ) Is low level, the output of the second CMOS inverter (QP6, QN8) is high level, the output PWM2 of the 2-
一方、前記の反転パルス/SHのハイレベル期間がデューティ比10%を越えて10〜20%の間にある場合(即ち負荷が若干軽くなってきた場合)では、NMOS(QN3)がオンする期間は若干長くなるがNMOS(QN3)に直列接続したNMOS(QN4)の能力は変わらない〔即ちこの時点ではNMOS(QN6)が並列接続されていない〕ので、NMOS(QN3)のオフ期間に積分回路(R,C)に充電される電圧は上記ハイレベルのままであり、デューティ比が10%を下回っていた上述の状態と同様、図1の下位トランジスタ(QN1)の駆動は停止(オフ)状態を維持する。 On the other hand, when the high level period of the inversion pulse / SH is between 10% and 20% exceeding the duty ratio of 10% (that is, when the load is slightly reduced), the period during which the NMOS (QN3) is turned on Is slightly longer, but the capacity of the NMOS (QN4) connected in series to the NMOS (QN3) does not change (that is, the NMOS (QN6) is not connected in parallel at this time), so the integration circuit is in the off period of the NMOS (QN3). The voltage charged to (R, C) remains at the high level, and the driving of the lower transistor (QN1) in FIG. 1 is stopped (off) as in the above state where the duty ratio is less than 10%. To maintain.
そして、前記の反転パルス/SHのハイレベル期間がデューティ比が20%を越えた場合(即ち負荷が重くなった場合)では、NMOS(QN3)のオフ期間即ち積分回路(R,C)の充電期間は短くなり積分回路(R,C)の出力電圧は次段の第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)のしきい値を越えることができずローレベルとなるので、第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)の出力はハイレベル、第2のCMOSインバータ(QP6,QN8)の出力はローレベルとなり、2入力ナンドゲート320の出力PWM2はハイレベル、図2の出力ドライバ31のSL出力はハイレベルとなり、図1の下位トランジスタ(QN1)は駆動(オン)状態となる。この場合は、第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)の出力はハイレベルとなるので、NMOS(QN5)のゲートがハイレベルとされてNMOS(QN5)がオンする結果、NMOS(QN4)に対してNMOS(QN6)が並列に接続されて、NMOS(QN3)に直列接続したNMOSの能力は倍増する〔NMOS(QN2)などの▲1▼と記したドレイン電流値に比して、▲5▼×2即ち10倍となる〕ので、NMOS(QN3)のオン期間にNMOS(QN3)を通してVSS側へ吸い取られる積分回路(R,C)の充電電荷は倍増する。つまり、NMOS(QN3)の長くなったオン期間に積分回路(R,C)の充電電荷が十分に放電されることになる。
When the duty ratio exceeds 20% during the high level period of the inversion pulse / SH (that is, when the load becomes heavy), the off period of the NMOS (QN3), that is, the charging of the integration circuit (R, C). Since the period is shortened and the output voltage of the integrating circuit (R, C) cannot exceed the threshold value of the first CMOS inverter (QP5, QN7) of the next stage and becomes low level, the first CMOS inverter ( The output of QP5, QN7) is high level, the output of the second CMOS inverter (QP6, QN8) is low level, the output PWM2 of the 2-
このようにNMOS(QN4)に対してNMOS(QN6)が並列接続された状態では、負荷が変化して軽くなり、/SHのデューティ比が20%を下回り20〜10%となった場合、NMOS(QN3)のオフ期間〔即ち積分回路(R,C)の充電期間〕は若干長くなりそのオフ期間に積分回路(R,C)に充電される電荷は増えるが、NMOS(QN3)のオン期間における積分回路(R,C)の充電電荷放出能力が高い状態に維持されたままなので、積分回路(R,C)の充電電圧は第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)のしきい値を越えることができずローレベルを維持する。 As described above, when the NMOS (QN6) is connected in parallel to the NMOS (QN4), the load changes and becomes lighter. When the duty ratio of / SH falls below 20% and becomes 20 to 10%, the NMOS The off period of QN3 [that is, the charging period of the integration circuit (R, C)] is slightly longer and the charge charged in the integration circuit (R, C) increases during the off period, but the on period of the NMOS (QN3) Since the charging charge discharge capability of the integrating circuit (R, C) in FIG. 5 is kept high, the charging voltage of the integrating circuit (R, C) exceeds the threshold value of the first CMOS inverter (QP5, QN7). Can't keep up low level.
そして、さらに負荷が軽くなり、/SHのデューティ比が10%を下回った場合、NMOS(QN3)がオフする期間が長いため積分回路(R,C)に充電される電圧は次段の第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)のしきい値を越えるハイレベルとなるので、第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)の出力はローレベル、第2のCMOSインバータ(QP6,QN8)の出力はハイレベルとなり、2入力ナンドゲート320の出力PWM2はローレベル、図2の出力ドライバ31のSL出力はローレベルとなり、図1の下位トランジスタ(QN1)の駆動は停止(オフ)状態となる。このとき、第1のCMOSインバータ(QP5,QN7)の出力はローレベルとなるので、切換え用NMOS(QN5)はオフとなり、積分回路(R,C)の充電電荷放出能力が低い状態〔NMOS(QN2)などの▲1▼と記したドレイン電流値に比して、▲5▼×1即ち5倍となる〕に切り換えられることになる。
When the load is further reduced and the duty ratio of / SH is less than 10%, the NMOS (QN3) is turned off for a long period, so that the voltage charged in the integrating circuit (R, C) is the first stage. Therefore, the output of the first CMOS inverter (QP5, QN7) is low and the output of the second CMOS inverter (QP6, QN8) is high. The output PWM2 of the 2-
以上述べた第1の実施の形態によれば、上位トランジスタ(QP1)のゲートに入力するアクティブなパルスのデューティ比が、予め定めた基準値より小さくなると、下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止(オフ)にすることにより、軽い負荷の場合、下位トランジスタの駆動電流により、かえって効率の低下を招くことが無くなる。 According to the first embodiment described above, when the duty ratio of the active pulse input to the gate of the upper transistor (QP1) becomes smaller than a predetermined reference value, the driving of the lower transistor (QN1) is stopped ( By turning off, in the case of a light load, the drive current of the lower transistor does not cause a decrease in efficiency.
更に、第1,第2の2つの基準値を設けて、下位トランジスタ(QN1)の駆動(オンオフ)制御にヒステリシス特性を持たせることによって、DC−DC変換回路の出力電圧にリップル(振幅0.1V,22KHz等の低周波の発振)を発生するのを防止することができる。基準値が1つの場合には、負荷電流が変動した場合、その変動によって基準値前後で下位トランジスタ(QN1)の駆動がオンしたりオフしたりして、DC−DC変換回路の出力に前記リップルが発生する虞れがあったのを、解消することができる。
Furthermore, by providing the first and second reference values and giving hysteresis characteristics to the drive (on / off) control of the lower transistor (QN1), a ripple (
図6は本発明の第2の実施の形態の電源回路の構成を示している。本実施の形態で図1と同一部分には同一符号を付して説明する。 FIG. 6 shows the configuration of the power supply circuit according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the same parts as those in FIG.
図6に示す電源回路において、図1の電源回路と異なる点は、上位トランジスタ(QP1)がオフしている期間で下位トランジスタ(QN1)がオンしている時に、中間ノードKの電位VMAがVSSレベルより低い電位にアンダーシュートした後そのアンダーシュートから戻ってVSSレベルに達し更に上昇したことを検出して、検出信号NOFFを出力する検出回路33を設けた構成とし、かつ出力ドライバ31Aとしては、前記PWM回路32のPWM信号を入力し、前記DC−DC変換回路の上位トランジスタ(QP1)と下位トランジスタ(QN1)に供給するゲートパルスSH,SLを作成するもので、負荷が軽い場合(例えば間引き動作時、図16の最下段のSH参照)は下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止させるよう制御する第1の機能を有する一方、前記DC−DC変換回路に供給するPWM信号SH,SLのうち、下位トランジスタ(QN1)のオン,オフに係わるPWM信号SLのハイレベル期間のパルス幅を前記検出信号NOFFにより制御して、上位トランジスタ(QP1)のオフ期間で下位トランジスタ(QN1)がオンしている時に、下位トランジスタ(QN1)のオン状態をオフさせる制御を行う第2の機能とを有して構成されている。なお、PWM回路32と出力ドライバ31Aとは、PWMの回路手段を構成している。
The power supply circuit shown in FIG. 6 is different from the power supply circuit shown in FIG. 1 in that the potential VMA of the intermediate node K is VSS when the lower transistor (QN1) is on during the period in which the upper transistor (QP1) is off. After undershooting to a potential lower than the level, it returns from the undershoot, reaches the VSS level, detects that it has further increased, and has a
出力ドライバ31Aの上記の第1の機能は、具体的には、例えばPWM信号SHのローレベル期間のパルス幅を検定し、パルス幅のデューティ比が所定値(基準値)より小さい時に負荷が軽いと判定し、下位トランジスタ(QN1)の駆動を停止させるよう制御するものである。
Specifically, the first function of the
出力ドライバ31Aの上記の第2の機能は、図8(a)〜(c)に示されるように上位トランジスタ(QP1)がオフしている期間で下位トランジスタ(QN1)がオンしている時に、中間ノード電位VMAがVSSレベルより低い電位にアンダーシュートした後そのアンダーシュートから戻ってVSSレベルに達し更に上昇した場合には、下位トランジスタ(QN1)のオン状態を強制的にオフにすることで、中間ノード電位VMAがVSSレベルより高くなり中間ノードK側からVSS側へ電流が流れて電力消費するのを防ぐためのものである。
The second function of the
図7は、図6における出力ドライバ31Aの構成例を示している。図2に示した出力ドライバ31の2入力ナンドゲート315を、3入力ナンドゲート315aとしたものである。即ち、図2のナンドゲート315に、もう1つの検出信号NOFFを入力するための入力端子19を設けて、3入力ナンドゲート315aとしたものである。制御部311は、図3又は図4で説明したものと同様である。その他の構成は図2と同様であるので、説明を省略する。
FIG. 7 shows a configuration example of the
図7の構成によって、出力ドライバ31Aに、上述した第1,第2の機能を持たせることができる。
With the configuration of FIG. 7, the
この出力ドライバ31Aの第2の機能、及び検出信号NOFFを発生する検出回路33について、図8〜図13を参照して説明する。
The second function of the
図8は図6におけるPWM信号SH,SL及び中間ノード電位VMAの変化を示すタイミングチャートであり、(a)はPWM信号SH、(b)はPWM信号SL、(c)は中間ノード電位VMAをそれぞれ示している。図9は図8(c)を拡大して示す拡大図である。図10は基準電位VSS及び中間ノード電位VMAと、検出回路33の検出信号NOFFとの関係を示すタイミングチャートであり、(a)はPMOSがオフしている期間でNMOSがオンの時の、基準電位VSSに対する中間ノード電位VMAの変化状態(軽負荷時)を示し、(b)はVMAとVSSに基づいて検出回路33で生成される検出信号NOFFを示している。
FIG. 8 is a timing chart showing changes in the PWM signals SH and SL and the intermediate node potential VMA in FIG. 6, where (a) shows the PWM signal SH, (b) shows the PWM signal SL, and (c) shows the intermediate node potential VMA. Each is shown. FIG. 9 is an enlarged view showing FIG. FIG. 10 is a timing chart showing the relationship between the reference potential VSS and the intermediate node potential VMA and the detection signal NOFF of the
上位トランジスタ(QP1),下位トランジスタ(QN1)の各ゲートには、PWMの回路手段からPWM信号として高周波パルスSH,SLが供給され、各MOSトランジスタは該高周波パルスSH,SLにて交互にオン,オフされる。図8(c)に示すように上位トランジスタ(QP1)がオンし、下位トランジスタ(QN1)がオフしている期間には、電源からの直流電圧VIN(=VDD)に基づいた電流がコイルL1を介して安定化容量C0に充電されるので、中間ノード電位VMAは直流電圧VIN(=VDD)となり、上位トランジスタ(QP1)がオフし下位トランジスタ(QN1)がオンすると、中間ノード電位VMAは基準電位VSS(=GND)より若干低いレベルにまで降下した後上昇し、VSSレベルとP点にて交差し、更に直線的に上昇してVSS(=GND)より高いレベルにまで上昇する。 High frequency pulses SH and SL are supplied as PWM signals from the PWM circuit means to the gates of the upper transistor (QP1) and the lower transistor (QN1), and the MOS transistors are alternately turned on by the high frequency pulses SH and SL. Turned off. As shown in FIG. 8C, during a period in which the upper transistor (QP1) is on and the lower transistor (QN1) is off, a current based on the DC voltage VIN (= VDD) from the power supply causes the coil L1 to be turned on. Since the stabilization capacitor C0 is charged through the intermediate node potential VMA, the intermediate node potential VMA becomes the DC voltage VIN (= VDD). When the upper transistor (QP1) is turned off and the lower transistor (QN1) is turned on, the intermediate node potential VMA is the reference potential. It rises after falling to a level slightly lower than VSS (= GND), crosses the VSS level at point P, further rises linearly and rises to a level higher than VSS (= GND).
上位トランジスタ(QP1)のオフ期間におけるVMAの電圧変化は、図9に示すようになっており、上位トランジスタ(QP1)のオフ期間に下位トランジスタ(QN1)がオンした後の期間T2においてVSSレベルより低い電位にアンダーシュートしそのアンダーシュートが戻った後NMOS(QN1)がオフするのでVMAの電圧は急激に上昇する。そして、上位トランジスタ(QP1)がオンしている期間T1においては、中間ノード電圧VMAはVIN(=VDD)一定を保持している。 The voltage change of VMA in the off period of the upper transistor (QP1) is as shown in FIG. 9, and from the VSS level in the period T2 after the lower transistor (QN1) is turned on in the off period of the upper transistor (QP1). Since the NMOS (QN1) is turned off after undershooting to a low potential and returning to the undershoot, the voltage of the VMA rises rapidly. In the period T1 when the upper transistor (QP1) is on, the intermediate node voltage VMA is kept constant at VIN (= VDD).
検出回路33は、その検出信号NOFFとして、図10(a),(b)に示すように、上記期間T2において中間ノード電位VMAが基準電位VSSレベルより低いときはハイレベル信号(H)を出力し、VSSレベルより上昇したときはローレベル信号(L)を出力する。
As shown in FIGS. 10A and 10B, the
出力ドライバ31Aは、期間T2において、図10(b)の検出信号NOFFを受けると、図8(b)のパルスSLの2点鎖線にて示すパルス幅をP点のタイミングでローレベルに落とし、結果として実線にて示すパルス幅に変化させる。これにより下位トランジスタ(QN1)のオンする期間は短くなるが、図示しない負荷に供給する出力電圧VOUTは主に上位トランジスタ(QP1)のオン期間に安定化容量C0に蓄積される充電電圧によって決まるので下位トランジスタ(QN1)のオン期間の多少は殆んど影響しない。寧ろ、下位トランジスタ(QN1)のオン期間に中間ノードK(従って安定化容量C0)から基準電位VSS側に流れる電流によって発生する電力損失を防止できる効果の方が大きい。
When the
図11は上記検出回路33の構成例を示すもので、(a)はその回路図、(b)は(a)におけるスイッチS1〜S3の切換えタイミングを示す図である。ここでは、一段のインバータ(331)を用いた例を示している。
FIG. 11 shows a configuration example of the
検出回路33は、中間ノード電位VMAの入力端14と、スイッチS1,S2と、結合コンデンサC1と、インバータ331と、スイッチS3と、2入力ナンドゲート334と、インバータ335と、検出信号NOFFの出力端18と、を有して構成されている。インバータ331は、前記電源電圧VIN(=VDD)と前記基準電位VSSと同じ電圧を用いて駆動される。スイッチS1,S2はそれぞれ入力端A,Bを有する2入力切換えスイッチであり、スイッチS3はオンオフ切換えスイッチであってインバータ331の入出力端間に並列に接続されている。
The
入力端14には中間ノード電位VMAが入力され、期間T2においてはスイッチS1,S2を介し、更に結合コンデンサC1を介してインバータ331の入力点aに供給される。このときスイッチS3は開放であるので、入力点aの信号は反転されてナンド(NAND)ゲート334の一方の入力端に入力し、もう一方の入力端17に与えられている期間T2を示すハイレベル信号との間でナンド(NAND)がとられ、さらにインバータ335を介して出力端18に検出信号NOFFとして出力される。また、期間T1においては、結合コンデンサC1の入力端はVSSレベルにされ、上記スイッチS3はショートされる。
The intermediate node potential VMA is input to the
なお、スイッチS1は、期間T1において入力電圧VMAがVIN(=VDD)になったときにスイッチS1の出力端を介して後段に電源電圧VINの影響が及ばないようにスイッチS1の出力端をVSSレベル側にしておくために設けてある。 Note that the switch S1 sets the output terminal of the switch S1 to VSS so that the power supply voltage VIN does not affect the subsequent stage via the output terminal of the switch S1 when the input voltage VMA becomes VIN (= VDD) in the period T1. It is provided to keep it on the level side.
また、上記のナンドゲート334,インバータ335は、期間T2においてアナログ信号VMAの変化をインバータ331で2値化した信号を更にディジタル信号化していくために付加されたゲートである。
The
端子14に入力される上記中間ノード電位VMAと、端子15,16に与えられる基準電位VSSとの一方が、期間T2,T1に対応したスイッチS1,S2の切換えに応じて入力され、結合コンデンサC1の入力端に加えられることになる。
One of the intermediate node potential VMA input to the terminal 14 and the reference potential VSS applied to the
従って、まず、期間T1においては、VSSが入力とされ、インバータ331の入出力はショートしているので、インバータ331の入力点aの実行レベルはVIN/2(=Vref)に収まっている。この状態に設定して、次に図12に示すように期間T2のタイミングで、下位トランジスタ(QN1)がオンしたところでVMAはアンダーシュートしてVSSより少し低い電圧になる。これがコンデンサC1による容量カップリングにてインバータ331の入力点aに伝送されるので、このときのインバータ331の入力点aではしきい値Vref(=VIN/2)より低い入力レベルとなり、インバータ331の反転出力はハイ(H)レベル、その後、VMAがVrefより高くなると、インバータ331の反転出力はロー(L)レベルになる。
Therefore, first, during the period T1, VSS is input, and the input / output of the
即ち、期間T2において、出力端子18に得られる検出信号NOFFは、VSSレベルに対するVMAの変化に応じて、Hレベル→Lレベルの変化となって出力される。
That is, in the period T2, the detection signal NOFF obtained at the
図13は上記検出回路33のもう一つの構成例を示すもので、(a)はその回路図、(b)は(a)におけるスイッチS1〜S4の切換えタイミングを示す図である。ここでは、二段のインバータ(331,332)を用いた例を示している。スイッチS1,S2は入力端A,Bを有する2入力切換えスイッチであり、スイッチS3,S4はオンオフ切換えスイッチである。
FIG. 13 shows another configuration example of the
図13の例では、図11におけるインバータ331の後段に、結合コンデンサC2及びインバータ332と、インバータ333をさらに追加したものであり、インバータ332の入出力間にはスイッチS4を並列に接続している。インバータ332は、インバータ331と同様に、前記電源電圧VIN(=VDD)と前記基準電位VSSと同じ電圧を用いて駆動される。インバータ332と前述のナンドゲート334との間に接続されたインバータ333は、図11の回路と信号極性の整合とるべくを挿入されている。なお、前述のナンドゲート334,インバータ335については、図11の場合と同様に、期間T2においてアナログ信号VMAの変化をインバータ331,332で2値化した信号を更にディジタル信号化していくために付加されたゲートである。
In the example of FIG. 13, a coupling capacitor C2, an
従って、図13の回路は、インバータ構成を2段としてゲインを稼いだものであり、動作は図11と同様である。 Therefore, the circuit of FIG. 13 has a gain obtained by using two stages of inverter configurations, and the operation is the same as that of FIG.
以上述べた第2の実施の形態によれば、第1の実施の形態における消費電流低減(軽負荷時の下位トランジスタ駆動の停止)に加えて、下位トランジスタ駆動時の無駄な消費電力を低減することができ、より一層の電力消費の低減を図ることが可能となる。 According to the second embodiment described above, in addition to the current consumption reduction (stop of lower transistor driving at light load) in the first embodiment, wasteful power consumption at lower transistor driving is reduced. Therefore, it is possible to further reduce power consumption.
本発明は、以上述べた実施の形態に限るものではなく、本発明の要旨を変えない範囲で各実施の形態を適宜変更して実施することができる。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented by appropriately changing each embodiment without departing from the scope of the present invention.
以上述べたように本発明による電源回路によれば、負荷が軽い場合には、下位トランジスタの駆動を停止し、消費電流の低減を図ることができる。 As described above, according to the power supply circuit of the present invention, when the load is light, the driving of the lower transistors can be stopped to reduce current consumption.
1…電源入力端子
2…基準電位入力端子
4…出力端子
31…出力ドライバ
32…PWM回路
33…検出回路
40…エラーアンプ(誤差検出手段)
QP1…PMOS(上位トランジスタ)
QN1…NMOS(下位トランジスタ)
L1…整流用コイル
C0…安定化容量
C1,C2…結合容量
DESCRIPTION OF
QP1 ... PMOS (upper transistor)
QN1 ... NMOS (lower transistor)
L1 ... Rectification coil C0 ... Stabilization capacitance C1, C2 ... Coupling capacitance
Claims (7)
前記負荷の変動の大きさを検出し、負荷が基準に対して重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、軽負荷を判定したときは前記下位トランジスタの駆動をオフさせる回路手段と、
を具備したことを特徴とする電源回路。 It has an upper transistor and a lower transistor connected in series between the power supply voltage and the reference potential. According to the fluctuation of the load, the drive of the two transistors is turned on / off with a pulse signal and supplied to the load by changing the on period. Voltage generating means for generating a stabilized DC voltage to be
Load level determining means for detecting a load state of the load and determining whether the load is heavy or light with respect to a reference is provided, and when the light load is determined, the driving of the lower transistor is turned off. Circuit means;
A power supply circuit comprising:
前記電圧生成手段の出力を基準値と比較し誤差信号を得る誤差検出手段と、
前記誤差信号に基づいて前記電圧生成手段を制御するもので、前記負荷の変動の大きさを検出し、負荷が基準に対して重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、軽負荷を判定したときは前記下位トランジスタの駆動をオフさせる回路手段と、
を具備したことを特徴とする電源回路。 It has an upper transistor and a lower transistor connected in series between the power supply voltage and the reference potential. According to the fluctuation of the load, the drive of the two transistors is turned on / off with a pulse signal and supplied to the load by changing the on period. Voltage generating means for generating a stabilized DC voltage to be
Error detection means for comparing the output of the voltage generation means with a reference value to obtain an error signal;
The voltage generation unit is controlled based on the error signal, and includes a load state determination unit that detects the magnitude of the load variation and determines whether the load is heavy or light with respect to a reference. Circuit means for turning off the driving of the lower transistor when a light load is determined;
A power supply circuit comprising:
前記負荷の変動の大きさを検出する際に、第1,第2の基準(第2の基準は第1の基準より大きい)を用いて負荷が重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、負荷の軽重が第1の基準未満の場合は、前記下位トランジスタの駆動をオフさせ、負荷の軽重が第1の基準以上第2の基準未満かつ前記下位トランジスタの駆動がオフの場合は、前記下位トランジスタの駆動はオフを維持させ、負荷の軽重が第2の基準以上の場合は、前記下位トランジスタの駆動をパルス信号によりオンオフさせ、負荷の軽重が第1の基準以上第2の基準未満かつ前記下位トランジスタの駆動がパルス信号によりオンオフの場合は、前記下位トランジスタの駆動はパルス信号によりオンオフを維持させる回路手段と、
を具備したことを特徴とする電源回路。 It has an upper transistor and a lower transistor connected in series between the power supply voltage and the reference potential. According to the fluctuation of the load, the drive of the two transistors is turned on / off with a pulse signal and supplied to the load by changing the on period. Voltage generating means for generating a stabilized DC voltage to be
When detecting the magnitude of the fluctuation of the load, a load state for determining whether the load is heavy or light using the first and second criteria (the second criterion is larger than the first criterion) A determination unit that turns off the driving of the lower transistor when the light weight of the load is less than the first reference, and turns off the driving of the lower transistor when the light weight of the load is greater than or equal to the first reference and less than the second reference; In this case, the driving of the lower transistor is kept off, and when the load of the load is equal to or higher than the second reference, the driving of the lower transistor is turned on / off by a pulse signal, and the weight of the load is higher than the first reference. Circuit means for maintaining driving of the lower transistor on and off by a pulse signal when the driving of the lower transistor is less than a reference of 2 and the driving of the lower transistor is turned on and off by a pulse signal;
A power supply circuit comprising:
前記電圧生成手段の出力を基準値と比較し誤差信号を得る誤差検出手段と、
前記誤差信号に基づいて前記電圧生成手段を制御するもので、前記負荷の変動の大きさを検出する際に、第1,第2の基準(第2の基準は第1の基準より大きい)を用いて負荷が重いか軽いかの負荷状態を判定する負荷状態判定手段を有し、負荷の軽重が第1の基準未満の場合は、前記下位トランジスタの駆動をオフさせ、負荷の軽重が第1の基準以上第2の基準未満かつ前記下位トランジスタの駆動がオフの場合は、前記下位トランジスタの駆動はオフを維持させ、負荷の軽重が第2の基準以上の場合は、前記下位トランジスタの駆動をパルス信号によりオンオフさせ、負荷の軽重が第1の基準以上第2の基準未満かつ前記下位トランジスタの駆動がパルス信号によりオンオフの場合は、前記下位トランジスタの駆動はパルス信号によりオンオフを維持させる回路手段と、
を具備したことを特徴とする電源回路。 It has an upper transistor and a lower transistor connected in series between the power supply voltage and the reference potential. According to the fluctuation of the load, the drive of the two transistors is turned on / off with a pulse signal and supplied to the load by changing the on period. Voltage generating means for generating a stabilized DC voltage to be
Error detection means for comparing the output of the voltage generation means with a reference value to obtain an error signal;
The voltage generator is controlled based on the error signal. When detecting the magnitude of the fluctuation of the load, the first and second references (the second reference is larger than the first reference) are used. A load state determining means for determining whether the load is heavy or light, and when the load light weight is less than the first reference, the driving of the lower transistor is turned off, and the load light weight is the first If the load of the lower transistor is more than the second reference and the lower transistor is driven off, the lower transistor is kept off. When the load is lighter than the first reference and lower than the second reference and the driving of the lower transistor is turned on / off by the pulse signal, the driving of the lower transistor is turned on / off by the pulse signal. Circuit means to maintain the off,
A power supply circuit comprising:
前記回路手段は、前記電圧生成手段に供給するパルス信号のうち、前記下位トランジスタのゲートに供給するパルス信号のパルス幅を前記検出回路の検出信号により制御して、前記下位トランジスタのオン状態をオフさせる機能をさらに有したことを特徴とする請求項1,2,4,5のいずれか1つに記載の電源回路。 Comparing means using a capacitor and an inverter is provided, and when the lower transistor is turned on during the off period of the upper transistor, the intermediate node potential at the connection point of the upper transistor and the lower transistor is under a level lower than the reference potential. And further comprising a detection circuit that outputs a detection signal indicating that the undershoot returns to the state exceeding the reference potential after shooting.
The circuit means controls the pulse width of the pulse signal supplied to the gate of the lower transistor among the pulse signals supplied to the voltage generating means by the detection signal of the detection circuit, and turns off the lower transistor. The power supply circuit according to any one of claims 1, 2, 4, and 5, further comprising:
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