JP5601176B2 - Switching regulator - Google Patents
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Description
本発明は,スイッチングレギュレータに関する。 The present invention relates to a switching regulator.
従来から,電子機器には,入力電圧を所望の電圧に変換する電源回路が設けられている。このような電源回路は,例えば,トランジスタのスイッチング動作により電源電圧の出力制御を行うスイッチングレギュレータと,スイッチングレギュレータの出力電圧を平滑化する平滑化回路と,平滑化された出力電圧を分圧しスイッチングレギュレータにフィードバック出力する分圧回路とを有する(特許文献1参照)。 Conventionally, a power supply circuit that converts an input voltage into a desired voltage is provided in an electronic device. Such a power supply circuit includes, for example, a switching regulator that performs output control of a power supply voltage by switching operation of a transistor, a smoothing circuit that smoothes the output voltage of the switching regulator, and a switching regulator that divides the smoothed output voltage. And a voltage dividing circuit for feedback output (see Patent Document 1).
このような電源回路のスイッチングレギュレータは,電源に接続されたハイサイド側(高電位側)のトランジスタと,フィードバックされた電圧と基準電圧とを比較し比較信号を生成する比較器と,比較信号に基づきトランジスタのゲートを駆動する駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路と,駆動パルス生成回路が生成した駆動パルスの電圧レベルを高めるレベルシフト回路とを有する。ハイサイド側のトランジスタは,この電圧レベルが高められた駆動パルスのハイレベルパルスにより導通状態になる。 A switching regulator of such a power supply circuit includes a high-side (high-potential-side) transistor connected to a power supply, a comparator that compares a feedback voltage with a reference voltage, and generates a comparison signal. And a drive pulse generation circuit for generating a drive pulse for driving the gate of the transistor based on the level shift circuit for increasing the voltage level of the drive pulse generated by the drive pulse generation circuit. The high-side transistor is turned on by the high-level pulse of the drive pulse whose voltage level is increased.
レベルシフト回路は,駆動パルス生成回路が生成した駆動パルスの電圧をハイサイド側のトランジスタを制御可能な所定の電圧にまで高めるために設けられているので,レベルシフト回路には高電圧が供給される。そのため,レベルシフト回路内の高電圧が印加されるトランジスタには高耐圧性が要求される。この高電圧によるトランジスタの破壊を防ぐため,高電圧が印加されるトランジスタ(以下,高耐圧トランジスタと略記する)のゲート酸化膜は厚く形成されている。 Since the level shift circuit is provided to increase the voltage of the drive pulse generated by the drive pulse generation circuit to a predetermined voltage that can control the high-side transistor, a high voltage is supplied to the level shift circuit. The Therefore, a high voltage resistance is required for a transistor to which a high voltage is applied in the level shift circuit. In order to prevent the breakdown of the transistor due to the high voltage, the gate oxide film of the transistor to which the high voltage is applied (hereinafter abbreviated as a high breakdown voltage transistor) is formed thick.
前述したように,レベルシフト回路内の高耐圧トランジスタのゲート酸化膜は厚く形成されているので,高耐圧トランジスタの伝達コンダクタンスは低くスイッチングスピードも遅い。そのため,このレベルシフト回路に,ハイレベルの駆動パルスを入力してこの駆動パルスのレベルをシフトすると,レベルシフト後のハイレベルパルス幅が短くなる。 As described above, since the gate oxide film of the high breakdown voltage transistor in the level shift circuit is formed thick, the high breakdown voltage transistor has a low transfer conductance and a low switching speed. Therefore, if a high level drive pulse is input to the level shift circuit and the level of the drive pulse is shifted, the high level pulse width after the level shift is shortened.
駆動パルス生成回路は,スイッチングレギュレータのトランジスタ(以下,出力トランジスタと略記する)の導通時間(オン時間)を高精度に制御するために,高精度なハイレベルパルス幅の駆動パルスを生成する。しかし,前述したように,出力トランジスタに供給されるハイレベルパルスのパルス幅がレベルシフト回路内の高耐圧トランジスタの低速度動作により短くなると,出力トランジスタの導通時間を高精度に制御できなくなる。その結果,スイッチングレギュレータは負荷に供給する電流を高精度に制御できなくなる。 The drive pulse generation circuit generates a high-precision drive pulse having a high level pulse width in order to control the conduction time (ON time) of a transistor of the switching regulator (hereinafter abbreviated as an output transistor) with high accuracy. However, as described above, if the pulse width of the high level pulse supplied to the output transistor is shortened by the low speed operation of the high voltage transistor in the level shift circuit, the conduction time of the output transistor cannot be controlled with high accuracy. As a result, the switching regulator cannot control the current supplied to the load with high accuracy.
そこで,本発明の目的は,ハイサイド側の出力トランジタを高精度に制御するスイッチングレギュレータを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a switching regulator that controls a high-side output transistor with high accuracy.
スイッチングレギュレータの第1の側面は,高電位電源に接続された第1のトランジスタと,
前記第1のトランジスタと基準電源との間に設けられ当該第1のトランジスタの導通状態に応じて導通状態が変化するスイッチング素子と,
前記第1のトランジスタと前記スイッチング素子との接続点における出力電圧をフィードバックした電圧と,基準電圧とを比較し比較信号を生成する比較器と,
前記比較信号の電圧レベルを高めて高電圧比較信号を出力するレベルシフト回路と,
前記高電圧比較信号に基づき前記第1のトランジスタのゲートを駆動する駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路とを有する。
The first side surface of the switching regulator includes a first transistor connected to a high potential power source,
A switching element provided between the first transistor and a reference power supply, wherein the conduction state changes according to the conduction state of the first transistor;
A comparator that compares a voltage obtained by feeding back an output voltage at a connection point between the first transistor and the switching element with a reference voltage to generate a comparison signal;
A level shift circuit for increasing the voltage level of the comparison signal and outputting a high voltage comparison signal;
And a drive pulse generation circuit for generating a drive pulse for driving the gate of the first transistor based on the high voltage comparison signal.
第1の側面によれば,ハイサイド側の出力トランジタを高精度に制御することができる。 According to the first aspect, the high-side output transistor can be controlled with high accuracy.
図1は,本実施の形態に関連する電源回路を説明する図である。図1の電源回路1は,トランジスタQ0のスイッチング動作により電源電圧Vddの出力制御を行うスイッチングレギュレータ10と,接続点N1におけるスイッチングレギュレータ10の出力電圧を平滑化する平滑化回路21と,平滑化回路21により平滑化された出力電圧Voutを分圧しスイッチングレギュレータ10の比較器11にフィードバック電圧Vfbとしてフィードバック出力する分圧回路22とを有する。
FIG. 1 is a diagram for explaining a power supply circuit related to the present embodiment. A power supply circuit 1 in FIG. 1 includes a
スイッチングレギュレータ10は,基準電圧Vrefとフィードバック電圧Vfbとを比較し比較信号Cmpを出力する比較器(CMP)11と,比較器11が出力した比較信号Cmpに基づき駆動パルスTonを生成する駆動パルス生成回路(DPG)12と,駆動パルス生成回路12が出力した駆動パルスTonの電圧レベルを高めて高電圧の駆動パルスDpを出力するレベルシフト回路(LS)13と,レベルシフト回路13が出力した駆動パルスDpに基づき導通状態(オン状態),非導通状態(オフ状態)になるトランジスタQ0と,トランジスタQ0と基準電源例えばGNDとの間に設けられトランジスタQ0の導通状態に応じて導通状態が変化するダイオードD0(スイッチング素子)とを有する。
The
比較器11は,コンパレータとも言われ,非反転入力端子(+端子)に基準電圧Vrefが入力され,反転入力端子(−端子)にフィードバック電圧Vfbが入力される。比較器11は,基準電圧Vrefがフィードバック電圧Vfbよりも高い場合,ハイレベルの比較信号Cmpを生成する。また,比較器11は,基準電圧Vrefがフィードバック電圧Vfbよりも低い場合,ローレベルの比較信号Cmpを生成する。そして,比較器11は,比較信号Cmpを駆動パルス生成回路12に出力する。
The
駆動パルス生成回路12は,入力信号に基づいてパルスを生成する,いわゆるモノマルチ(単安定マルチバイブレータ)回路である。具体的には,駆動パルス生成回路12は,比較器11が出力する比較信号Cmpの立ち上がりエッジをトリガーとして,トランジスタQ0を第1の期間オン状態にするハイレベルの駆動パルスTonを生成する。なお,駆動パルス生成回路については,図8〜図10で詳細に説明する。
The drive
レベルシフト回路13は,駆動パルス生成回路12から入力された駆動パルスTonの電圧レベルを高めて,高電圧の駆動パルスDpをトランジスタQ0のゲートに出力する。このように電圧レベルを高めるのは,ハイサイド側のトランジスタQ0のゲートに対して,電源電圧Vddに対応するソースの電圧よりも高い電圧を印加して,トランジスタQ0をオン状態にする必要があるからである。なお,詳細については後述する。
The
トランジスタQ0は,PMOSトランジスタに比べてオン抵抗が小さいNMOSトランジスタである。以下,トランジスタQ0をNMOSトランジスタとして説明する。トランジスタQ0のドレインは電源電圧Vddの電源(高電位の電源)と接続し,ソースは接続点N1と接続する。 The transistor Q0 is an NMOS transistor having a smaller on-resistance than the PMOS transistor. Hereinafter, the transistor Q0 will be described as an NMOS transistor. The drain of the transistor Q0 is connected to the power supply of the power supply voltage Vdd (high potential power supply), and the source is connected to the connection point N1.
平滑化回路21は,少なくともインダクタL0とキャパシタC0を有する。平滑化回路21は,接続点N1におけるスイッチングレギュレータ10の出力電圧を平滑化して,平滑化回路21の出力に接続された分圧回路22と負荷23に出力する。なお,負荷23は,例えばCPUやLSIである。
The
分圧回路22は,出力電圧Voutを分圧する抵抗R0と抵抗R1とを有する。分圧回路22は,分圧後の電圧をフィードバック電圧Vfbとしてスイッチングレギュレータ10の比較器11の反転入力端子に出力する。
The voltage dividing
ダイオードD0は,トランジスタQ0と基準電源例えばGNDとの間に設けられたスイッチング素子であり,カソードが接続点N1に接続する。ダイオードD0は,還流ダイオードとも呼ばれる。ダイオードD0は,トランジスタQ0がオフ状態になったときに平滑化回路21のインダクタL0に蓄積した磁気エネルギーを電流として放出するために設けられている。そのため,このスイッチング素子(ダイオードD0)は,トランジスタQ0の導通状態に応じて導通状態が変化する。具体的には,トランジスタQ0の導通時に非導通状態になりトランジスタQ0の非導通時に導通状態になる。
The diode D0 is a switching element provided between the transistor Q0 and a reference power source, for example, GND, and has a cathode connected to the connection point N1. The diode D0 is also called a free wheel diode. The diode D0 is provided to discharge the magnetic energy accumulated in the inductor L0 of the
電源電圧Vppにアノードが接続するダイオードD1と接続点N2に接続するキャパシタC1は,いわゆるブートストラップ回路を構成し,レベルシフト回路13に「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」を印加するために設けられている。なお,詳細については後述する。
The diode D1 whose anode is connected to the power supply voltage Vpp and the capacitor C1 connected to the connection point N2 constitute a so-called bootstrap circuit, and are provided for applying “power supply voltage Vdd + power supply voltage Vpp” to the
電源電圧VppはダイオードD1に印加され,電源電圧VddはトランジスタQ0のドレインに印加される。バイアス電圧Vbiasは比較器11,駆動パルス生成回路12,レベルシフト回路13に印加される。基準電圧Vrefは比較器11の非反転入力端子に印加される。例えば,電源電圧Vppは5V,電源電圧Vddは12V,バイアス電圧Vbiasは5V,基準電圧Vrefは出力電圧Voutに応じて定められているものとする。
The power supply voltage Vpp is applied to the diode D1, and the power supply voltage Vdd is applied to the drain of the transistor Q0. The bias voltage Vbias is applied to the
図2は,図1の電源回路1の動作を説明するタイミングチャートで,上から順に,比較器11が出力する比較信号Cmp,駆動パルス生成回路12が出力する駆動パルスTon,レベルシフト回路13が出力するレベルシフト後の駆動パルスTonすなわち駆動パルスDp,トランジスタQ0のオン状態,オフ状態,LM点の電圧Vlm,インダクタL0の電流Il0および出力電流Io,フィードバック電圧Vfbおよび基準電圧Vref,VH点の電圧Vhを示す。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the power supply circuit 1 in FIG. 1. From the top, the comparison signal Cmp output from the
以下に,図1の電源回路1の動作を図2のタイミングチャートを参照しながら説明する。 The operation of the power supply circuit 1 in FIG. 1 will be described below with reference to the timing chart in FIG.
時間T0から時間T1の間において,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも低くなると,比較器11はハイレベルの比較信号Cmpを出力する。すると,駆動パルス生成回路12はハイレベルの駆動パルスTonを出力し,レベルシフト回路13は駆動パルスTonの電圧を高めたハイレベルの駆動パルスDpを出力する。
If the feedback voltage Vfb becomes lower than the reference voltage Vref between time T0 and time T1, the
この時,後述するレベルシフト回路13の高耐圧トランジスタにより,駆動パルスDpの出力タイミングは,駆動パルスTonの入力タイミングから一定時間(時間T0から時間T1の間)遅延する。さらに,駆動パルスDpのハイレベルのパルス幅W2は駆動パルスTonのハイレベルのパルス幅W1よりも短くなる。すなわち,駆動パルスDpにおいて,駆動パルスTonのハイレベルがなまる。
At this time, the output timing of the drive pulse Dp is delayed by a certain time (between time T0 and time T1) from the input timing of the drive pulse Ton by a high voltage transistor of the
駆動パルスDpの出力タイミングが遅延し,駆動パルスDpのパルス幅W2が短くなる理由について,図3〜図5を用いて説明する。図3は,レベルシフト回路13のブロック図,図4は,レベルシフト回路13の回路図,図5は,レベルシフト回路13のタイミングチャートである。
The reason why the output timing of the drive pulse Dp is delayed and the pulse width W2 of the drive pulse Dp is shortened will be described with reference to FIGS. 3 is a block diagram of the
まず,レベルシフト回路13に印加される電圧について図3を用いて説明する。ローサイド側のVH(L)点の電圧はバイアス電圧Vbiasになり,VL(L)点の電圧は,図1のグランドGNDとなる。また,ハイサイド側のVH(H)点の電圧は電源電圧Vpp(最小:5V)〜「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」(最大:12V+5V)となり,VL(H)点の電圧はグランドGND付近〜電源電圧Vddとなる。なお,ハイサイド側のVH(H)点の電圧が「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」になる理由については後述する。
First, the voltage applied to the
次に,レベルシフト回路13の動作を図4,図5を用いて説明する。図4のトランジスタQ1,Q3,Q4,Q7はNMOSトランジスタであり,トランジスタQ2,Q5,Q6,Q8はPMOSトランジスタである。図5のタイミングチャートは,上から順に,入力端子Inに入力される駆動パルスTon,A点の電圧Va,B点の電圧Vb,出力端子Outから出力される駆動パルスDpを示す。B点の電圧VbにおけるVthは,トランジスタQ7,Q8から構成されるインバータのスレッシュホールド電圧である。なお,電圧Vthは,例えば,VH(H)点に印加される最大電圧(電源電圧Vdd+電源電圧Vpp)とVL(H)点に印加される最小電圧(GND=0)の中間電圧付近の電圧であるとする。
Next, the operation of the
入力端子Inにハイレベルの駆動パルスTonが入力されると,トランジスタQ2はオフ状態,トランジスタQ1はオン状態,トランジスタQ3はオフ状態,トランジスタQ4はオン状態になる。トランジスタQ4がオン状態になると,B点がローレベルになりトランジスタQ5がオン状態になる。また,トランジスタQ5がオン状態になると,A点がハイレベルになりトランジスタQ6がオフ状態になる。この時,図5に示すように,点Aの電圧Vaは0Vから上昇し電源電圧Vdd+電源電圧Vppになり,点Bの電圧Vbは電源電圧Vdd+電源電圧Vppから下降し0Vになる。電圧Vbが閾値電圧Vth以下になると,インバータとして機能するトランジスタQ8がオン状態,同トランジスタQ7がオフ状態になり,出力端子Outからハイレベルの駆動パルスDpが出力される。なお,トランジスタQ6のゲートには,最大「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」の電圧が印加される。 When a high-level drive pulse Ton is input to the input terminal In, the transistor Q2 is turned off, the transistor Q1 is turned on, the transistor Q3 is turned off, and the transistor Q4 is turned on. When the transistor Q4 is turned on, the point B becomes low level and the transistor Q5 is turned on. When the transistor Q5 is turned on, the point A becomes high level and the transistor Q6 is turned off. At this time, as shown in FIG. 5, the voltage Va at the point A increases from 0V to the power supply voltage Vdd + power supply voltage Vpp, and the voltage Vb at the point B decreases from the power supply voltage Vdd + power supply voltage Vpp to 0V. When the voltage Vb becomes equal to or lower than the threshold voltage Vth, the transistor Q8 functioning as an inverter is turned on, the transistor Q7 is turned off, and a high-level drive pulse Dp is output from the output terminal Out. A maximum of “power supply voltage Vdd + power supply voltage Vpp” is applied to the gate of transistor Q6.
入力端子Inにローレベルの駆動パルスTonが入力されると,すなわち,駆動パルスTonが立ち下がると,トランジスタQ2はオン状態,トランジスタQ1はオフ状態,トランジスタQ3はオン状態,トランジスタQ4はオフ状態になる。トランジスタQ3がオン状態になると,A点がローレベルになりトランジスタQ6がオン状態になる。トランジスタQ6がオン状態になると,B点がハイレベルになりトランジスタQ5がオフ状態になる。この時,図5に示すように,点Aの電圧Vaは電源電圧Vdd+電源電圧Vppから下降し0Vになり,点Bの電圧Vbは0Vから上昇し電源電圧Vdd+電源電圧Vppになる。電圧Vbが閾値電圧Vth以上になると,インバータとして機能するトランジスタQ8がオフ状態,同トランジスタQ7がオン状態になり,出力端子Outからローレベルの駆動パルスDpが出力される。なお,トランジスタQ5,Q7,Q8のゲートには,最大「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」の電圧が印加される。 When a low level driving pulse Ton is input to the input terminal In, that is, when the driving pulse Ton falls, the transistor Q2 is turned on, the transistor Q1 is turned off, the transistor Q3 is turned on, and the transistor Q4 is turned off. Become. When the transistor Q3 is turned on, the point A becomes low level and the transistor Q6 is turned on. When the transistor Q6 is turned on, the point B becomes high level and the transistor Q5 is turned off. At this time, as shown in FIG. 5, the voltage Va at the point A drops from the power supply voltage Vdd + the power supply voltage Vpp to 0V, and the voltage Vb at the point B rises from 0V to become the power supply voltage Vdd + the power supply voltage Vpp. When the voltage Vb becomes equal to or higher than the threshold voltage Vth, the transistor Q8 functioning as an inverter is turned off and the transistor Q7 is turned on, and a low-level driving pulse Dp is output from the output terminal Out. Note that a maximum of “power supply voltage Vdd + power supply voltage Vpp” is applied to the gates of the transistors Q5, Q7, and Q8.
以上,説明したように,電圧Vbが閾値電圧Vth以下になり再び閾値電圧Vth以上になるまでの時間,幅W5を有するハイレベルの駆動パルスDpが出力端子Outから出力される。 As described above, the high-level drive pulse Dp having the width W5 is output from the output terminal Out until the voltage Vb becomes equal to or lower than the threshold voltage Vth and again becomes equal to or higher than the threshold voltage Vth.
前述したように,トランジスタQ5〜Q8のゲートには最大「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」の高電圧が印加される。それ故,トランジスタQ5〜Q8のゲート酸化膜を厚くしてゲートに対する高電圧印加によるトランジスタの破壊を防ぐ必要がある。しかし,ゲート酸化膜を厚くするとMOSトランジスタの伝達コンダクタンスが低下しスイッチングスピードも遅くなる。 As described above, the maximum voltage of “power supply voltage Vdd + power supply voltage Vpp” is applied to the gates of the transistors Q5 to Q8. Therefore, it is necessary to increase the thickness of the gate oxide film of the transistors Q5 to Q8 to prevent the transistor from being destroyed by applying a high voltage to the gate. However, when the gate oxide film is thickened, the transfer conductance of the MOS transistor is lowered and the switching speed is also slowed down.
トランジスタQ5〜Q8の伝達コンダクタンスが低下すると,一定時間の電圧Va,Vbの変化量,すなわち電圧変化の傾きは,伝達コンダクタンスが低下していない場合に比べて小さくなる。その結果,図5に示すように,駆動パルスTonの立ち上がりタイミングから遅れてレベルシフト後の駆動パルスDpが立ち上がる。さらに,この駆動パルスDpのハイレベルパルス幅W5は駆動パルス生成回路12が出力した駆動パルスTonのハイレベルパルス幅W4よりも短くなる。
When the transfer conductance of the transistors Q5 to Q8 is lowered, the amount of change in the voltages Va and Vb for a certain time, that is, the slope of the voltage change is smaller than that in the case where the transfer conductance is not lowered. As a result, as shown in FIG. 5, the level-shifted drive pulse Dp rises with a delay from the rise timing of the drive pulse Ton. Further, the high level pulse width W5 of the drive pulse Dp is shorter than the high level pulse width W4 of the drive pulse Ton output from the drive
また,図5の破線で示すように,駆動パルスTonのハイレベルパルス幅を短くすると,駆動パルスTonが立ち下がった時点で,電圧Vbが閾値電圧Vth以下にならず,レベルシフト後の駆動パルスDpそのものが出力されなくなる。 Further, as shown by the broken line in FIG. 5, when the high level pulse width of the drive pulse Ton is shortened, the voltage Vb does not become lower than the threshold voltage Vth when the drive pulse Ton falls, and the drive pulse after the level shift. Dp itself is not output.
ところで,近年,LSIの微細化に伴い負荷となるLSIの電源電圧は低下している。その結果,スイッチングレギュレータが生成する出力電圧Voutの許容電圧精度は狭くなり,負荷電流の急変に対しても電源回路の高速な追随性(応答性)が要求されている。今後,応答性をさらに向上させようとすると,電源回路の発振周波数を上げる,すなわち,駆動パルス生成回路12が生成する駆動パルスTonのハイレベルパルス幅(オンパルス幅)を短くする必要があると共に,このハイレベルパルス幅を高精度に制御しなければならない。
By the way, in recent years, the power supply voltage of an LSI serving as a load has decreased with the miniaturization of the LSI. As a result, the allowable voltage accuracy of the output voltage Vout generated by the switching regulator is narrowed, and high-speed follow-up (responsiveness) of the power supply circuit is required even for a sudden change in load current. In order to further improve the responsiveness in the future, it is necessary to increase the oscillation frequency of the power supply circuit, that is, to shorten the high-level pulse width (on-pulse width) of the drive pulse Ton generated by the drive
また,平滑化回路21を小型化する要請があるが,平滑化回路21を小型化するためには,特にインダクタL0を小型化しなければならない。この場合も,駆動パルスDpのハイレベルパルス幅を短くする必要がある。
Further, although there is a demand for downsizing the smoothing
このようにハイレベルパルス幅を短くしなければならない状況下,駆動パルス生成回路12が生成した駆動パルスTonのハイレベルパルス幅がレベルシフト回路13によりなまって短くなると,トランジスタQ0の導通(時間)を高精度に制御することができなくなる。その結果,負荷に供給する電流を高精度に制御することができなくなる。最悪の場合には,駆動パルスDpのハイレベルパルス幅が0になりトランジスタQ0をオン状態にすることができず,オフ状態のままになる。その結果,負荷に電流を供給できなくなる。
When the high level pulse width of the drive pulse Ton generated by the drive
以上説明したように,駆動パルス生成回路12が生成した駆動パルスTonのハイレベルパルス幅を短くしても,トランジスタQ0の導通時間を高精度に制御し,負荷に供給する電流を高精度に制御することが望まれる。
As described above, even when the high level pulse width of the drive pulse Ton generated by the drive
次に,図2の時間T1から時間T2の間における電源回路1の動作を説明する。ハイレベルの駆動パルスTonがレベルシフト回路13に入力されると,レベルシフト回路13は駆動パルスTonをレベルシフトして,ハイレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ0のゲートに出力する。すると,トランジスタQ0がオン状態になり,LM点(ノードN1)の電圧VlmはグランドGND以下(約−0.7V)から電源電圧Vddに変化する。なお,LM点の電圧VlmがグランドGND以下になるのは,ダイオードD0の順方向電圧降下のためである。
Next, the operation of the power supply circuit 1 between time T1 and time T2 in FIG. 2 will be described. When the high level drive pulse Ton is input to the
トランジスタQ0がオン状態になると電源VddからインダクタL0に電流が流れ込みインダクタL0の電流Il0が上昇する。なお,電流Io(負荷電流)は電流Il0の時間平均であり一定である。また,ダイオードD1とキャパシタC1とを有するブートストラップ回路によりVH点の電圧Vhが電源電圧Vppから「電源Vdd+電源電圧Vpp」に変化する。この変化について以下に説明する。 When the transistor Q0 is turned on, a current flows from the power supply Vdd to the inductor L0, and the current Il0 of the inductor L0 increases. The current Io (load current) is a time average of the current I10 and is constant. Further, the voltage Vh at the point VH is changed from the power supply voltage Vpp to “power supply Vdd + power supply voltage Vpp” by the bootstrap circuit having the diode D1 and the capacitor C1. This change will be described below.
キャパシタC1には電源電圧Vppにより電荷が既に蓄積されている。この状態でトランジスタQ0がオン状態になると,接続点N1,接続点N2が電源電圧Vddに上昇し,キャパシタC1の接続点N2と反対側の電極は電源電圧Vdd+電源電圧Vppにブーストされることになる。その結果,VH点の電圧Vhが電源電圧Vdd+電源電圧Vppとなる。この電源電圧Vdd+電源電圧Vppを電源としてレベルシフト回路13は,トランジスタQ1を導通する駆動パルスDpを生成する。
Charge is already stored in capacitor C1 by power supply voltage Vpp. When the transistor Q0 is turned on in this state, the connection point N1 and the connection point N2 rise to the power supply voltage Vdd, and the electrode on the side opposite to the connection point N2 of the capacitor C1 is boosted to the power supply voltage Vdd + the power supply voltage Vpp. Become. As a result, the voltage Vh at the point VH becomes the power supply voltage Vdd + the power supply voltage Vpp. Using this power supply voltage Vdd + power supply voltage Vpp as a power supply, the
前述したようにトランジスタQ0がオン状態になると,電流Il0が上昇し,電流Il0が電流Ioよりも大きくなる。この時,下降を続けていたフィードバック電圧Vfbが上昇に転じる。 As described above, when the transistor Q0 is turned on, the current Il0 rises and the current Il0 becomes larger than the current Io. At this time, the feedback voltage Vfb that has continued to fall starts to rise.
次に,時間T2から時間T3の間における電源回路1の動作を説明する。 Next, the operation of the power supply circuit 1 between time T2 and time T3 will be described.
駆動パルスDpが立ち下がりローレベルになると,トランジスタQ0がオフ状態になる。その結果,接続点N1には電源電圧Vddが印加されなくなり,LM点の電圧Vlmは電源電圧VddからグランドGND以下に変化し,ダイオードD0がオン状態になる。これによりインダクタL0の電流IL0は,ダイオードD0を介して流れ続ける。ただし,トランジスタQ0がオフ状態になると電源電圧VddからインダクタL0に電流が流れ込まなくなりインダクタL0の電流IL0が下降する。この時,キャパシタC0に蓄積されていた電荷が負荷23に供給される。また,電源電圧VppによりキャパシタC1に電荷が供給され蓄積される。この時,VH点の電圧Vhは電源電圧Vppに変化する。
When the drive pulse Dp falls and becomes low level, the transistor Q0 is turned off. As a result, the power supply voltage Vdd is not applied to the connection point N1, the voltage Vlm at the LM point changes from the power supply voltage Vdd to the ground GND or lower, and the diode D0 is turned on. As a result, the current IL0 of the inductor L0 continues to flow through the diode D0. However, when the transistor Q0 is turned off, no current flows from the power supply voltage Vdd to the inductor L0, and the current IL0 of the inductor L0 decreases. At this time, the electric charge accumulated in the capacitor C0 is supplied to the
そして,上昇していたフィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも大きくなると,比較器11はローレベルの比較信号Cmpを出力する。
When the feedback voltage Vfb that has risen becomes larger than the reference voltage Vref, the
次に,時間T3から時間T4の間における電源回路1の動作を説明する。 Next, the operation of the power supply circuit 1 between time T3 and time T4 will be described.
比較器11がローレベルの比較信号Cmpを出力すると,駆動パルス生成回路12は前述したように比較信号Cmpがローレベルの間,ローレベルの駆動パルスTonを出力する。レベルシフト回路13はこの駆動パルスTonを昇圧した駆動パルスDpとして出力する。
When the
前述したようにトランジスタQ0がオフ状態になると,電流IL0が下降し,電流Ioよりも小さくなる。この時,上昇を続けていたフィードバック電圧Vfbが下降に転じ,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも小さくなる。すると,比較器11はハイレベルの比較信号Cmpを出力する。
As described above, when the transistor Q0 is turned off, the current IL0 decreases and becomes smaller than the current Io. At this time, the feedback voltage Vfb that has continued to rise turns down, and the feedback voltage Vfb becomes smaller than the reference voltage Vref. Then, the
これらの一連の動作を繰り返すことにより,電源回路1は,出力電圧Voutを基準電圧Vref×(R0+R1)/R1に安定的に制御することができる。
By repeating these series of operations, the power supply circuit 1 can stably control the output voltage Vout to the reference voltage Vref × (
ところで,図1〜図5で説明したように,レベルシフト回路13が,パルス生成回路12が出力するハイレベルの駆動パルスTonをレベルシフトすると,出力後の駆動パルスDpにおけるハイレベルパルス幅は短くなる。具体的に説明すると,パルス生成回路12が出力する駆動パルスTonのハイレベルパルス幅W1がトランジスタQ0をオン状態にする時間として規定され,駆動パルスTonのローレベルパルス幅W3がトランジスタQ0をオフ状態する時間として規定されている。しかし,レベルシフト回路13により,このトランジスタQ0をオン状態にする時間が短くなる。その結果,トランジスタQ0の導通時間を高精度に制御することができず,負荷に供給する電流を高精度に制御することができなくなる。また,最悪の場合,ハイレベルパルス幅が0になり,トランジスタQ0を導通させることができず,電源回路として機能しなくなる。
As described with reference to FIGS. 1 to 5, when the
そこで,第1実施形態の電源回路では,図1で説明したスイッチングレギュレータ10を改良し,パルス生成回路12が出力する駆動パルスのハイレベルパルス幅を短くしても,ハイサイド側のトランジスタQ0の導通時間を高精度(正確)に制御して,負荷に供給する電流を高精度に制御できるようにした。
Therefore, in the power supply circuit of the first embodiment, even if the switching
(第1実施形態)
図6は,第1実施形態の電源回路6を説明する図である。図6の電源回路6は,スイッチングレギュレータ60と平滑化回路21’の構成が図1の電源回路1のスイッチングレギュレータ10と平滑化回路21と異なる。その他の構成は図1で説明した電源回路1と同様なので,図6においては,図1と対応する各部に同一の符号を付して説明を省略する。
(First embodiment)
FIG. 6 is a diagram illustrating the
スイッチングレギュレータ60は,比較器(CMP)61と,比較信号Cmpの電圧レベルを高めて高電圧の比較信号Lsを出力するレベルシフト回路(LS)62と,レベルシフト回路62が出力した高電圧比較信号Lsに基づきトランジスタQ0(第1のトランジスタ)のゲートを駆動する駆動パルスDpを生成する駆動パルス生成回路(DPG)63と,トランジスタQ0と基準電源例えばGNDとの間に設けられトランジスタQ0の導通状態に応じて導通状態が変化するダイオードD0(スイッチング素子)とを有する。図6からも明らかなように,比較器61の後段にレベルシフト回路62が設けられ,レベルシフト回路62の後段に駆動パルス生成回路63が設けられ,トランジスタQ0は,駆動パルス生成回路63が出力する駆動パルスDpにより駆動する。
The switching
比較器61は,図1の比較器11と同機能の比較器であり,フィードバック電圧Vfbと基準電圧Vrefとを比較し比較信号Cmpを生成し,レベルシフト回路62に出力する。フィードバック電圧Vfbは,分圧回路22が出力電圧Voutを分圧した電圧である。出力電圧Voutは,ダイオードD0とトランジスタQ0との接続点N1における電圧を平滑化回路21’が平滑化した電圧である。すなわち,フィードバック電圧Vfbは,接続点N1における出力電圧が平滑化回路21’を介して平滑化され,さらに,分圧回路22により分圧された電圧である。なお,分圧回路22により分圧せずに,平滑化回路21’の出力電圧Voutをそのまま比較器61にフィードバックしてもよい。
The
レベルシフト回路62は,図3,図4で説明したように,ローサイド側の入力電源端子が電圧Vrefを生成する電源に接続し同出力電源端子がグランドGNDに接続する。そして,ハイサイド側の入力電源端子がVH点に接続し同出力電源端子が接続点N4に接続する。図2で説明したように,「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」が点VHからレベルシフト回路62に供給される。そして,レベルシフト回路62は,比較器61から出力された比較信号Cmpの電圧レベルを供給された「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」により高めて,高電圧の比較信号Lsを駆動パルス生成回路63に出力する。
In the
駆動パルス生成回路63は,図1の駆動パルス生成回路と同機能の回路であるが,入力電源端子が接続点N3に接続し同出力電源端子が接続点N4に接続する。すなわち,駆動パルス生成回路63は,ダイオードD1とキャパシタC1との間の接続点N3とトランジスタQ0のソース側の接続点N4との間に設けられる。そして,駆動パルス生成回路63は,接続点N3から供給された「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」により動作する。
The drive
駆動パルス生成回路63は,レベルシフト回路62が出力する高電圧比較信号Lsの立ち上がりエッジをトリガーとして,駆動パルスDpをトランジスタQ0を第1の期間オン状態にするハイレベルにし,トランジスタQ0のゲートに出力する。なお,駆動パルス生成回路63の詳細については,第1の実施形態の後半において,図8〜図10を用いて説明する。
The drive
平滑化回路21’は,図1で説明した平滑化回路21と同様の構成を有する。しかし,インダクタL0’とキャパシタC0’のパラメータは,図1で説明したインダクタL0とキャパシタC0のパラメータよりも小さく,平滑化回路21’は,小型化されている。
The smoothing circuit 21 'has the same configuration as the smoothing
なお,平滑化回路21’,分圧回路22をスイッチングレギュレータ60に含めてもよい。
Note that the smoothing
図7は,図6の電源回路6の動作を説明するタイミングチャートであり,上から順に,比較器61が出力する比較信号Cmp,レベルシフト回路62が出力する高電圧比較信号Ls,駆動パルス生成回路63が出力する駆動パルスDp,トランジスタQ0のオン状態,オフ状態,インダクタL0’の電流Il0および出力電流Io,フィードバック電圧Vfbおよび基準電圧Vrefを示す。
FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the
まず,図7の時間T10から時間T11の間における電源回路6の動作を説明する。フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも低くなると,比較器61はハイレベルの比較信号Cmpを出力する。この比較信号Cmpの立ち上がりエッジに応答して,レベルシフト回路62は,高電圧比較信号Lsをレベルシフトして電圧Vddから「電源電圧Vdd+電源電圧Vpp」に立ち上げる。
First, the operation of the
次に,時間T11から時間T12の間における電源回路6の動作を説明する。ハイレベルの高電圧比較信号Lsが駆動パルス生成回路63に入力されると,駆動パルス生成回路63は,高電圧比較信号Lsの立ち上がりエッジをトリガーとして,一定時間のハイレベルの駆動パルスDpをトランジスタQ0のゲートに出力する。すると,トランジスタQ0がオン状態になり,電源電圧VddからインダクタL0’に電流が流れ込みインダクタL0’の電流Il0が上昇し,電流Il0が電流Ioよりも大きくなる。この時,下降を続けていたフィードバック電圧Vfbが上昇に転じる。一定時間経過後,ハイレベルの駆動パルスDpが立ち下がり,トランジスタQ0はオフ状態になる。その結果,電源電圧VddからインダクタL0’に電流が流れ込まなくなり,インダクタL0’の電流Il0が下降する。以後の時間T12〜時間T14の間における電源回路6の動作は,図2で説明した電源回路1の動作と同じなので説明を省略する。
Next, the operation of the
比較信号Cmpは低周波(ハイレベルパルス幅,ローレベルパルス幅が長い)であるので,この比較信号Cmpがレベルシフト回路62によりレベルシフトされてハイレベル幅が短くなっても0になることはない。また,駆動パルス生成回路63は,レベルシフト回路62が出力する高電圧比較信号Lsの立ち上がりエッジをトリガーとしてハイレベルの駆動パルスDpを出力するので,たとえ高電圧比較信号Lsのハイレベル幅が極端に短くなっても,一定時間ハイレベルになる駆動パルスDpをトランジスタQ0のゲートに出力することができる。つまり,駆動パルス生成回路63は,レベルシフト回路62の高耐圧トランジスタ動作の影響を受けない一定時間ハイレベルになる駆動パルスDpをトランジスタに与えることができる。そのため,駆動パルスDpのハイレベルパルス幅が変化することがなく,パルス幅を高精度に制御することができる。その結果,トランジスタQ0の導通時間を高精度に制御できる。そして,コイル電流IL0の最大値を正確に制御でき,負荷に供給する電流Ioを高精度に制御することができる。
Since the comparison signal Cmp has a low frequency (high level pulse width and low level pulse width are long), the comparison signal Cmp is level-shifted by the
また,前述したように,平滑化回路21’(インダクタL0’)を小型化して,駆動パルスDpのハイレベルパルス幅を短くしている。その結果,電流Il0の単位時間当たりの上昇量(傾き)は,図2で説明した電流Il0の傾きよりも大きくなり,負荷電流の急変に対しても高速に応答することができる。 Further, as described above, the smoothing circuit 21 '(inductor L0') is downsized to shorten the high level pulse width of the drive pulse Dp. As a result, the amount of increase (slope) per unit time of the current I10 becomes larger than the slope of the current I10 described with reference to FIG. 2, and it is possible to respond to a sudden change in load current at a high speed.
以下に,駆動パルス生成回路63について,図8〜図10を用いて説明する。
Hereinafter, the drive
図8は,駆動パルス生成回路63を説明する図,図9,図10は,駆動パルス生成回路63の動作を説明する第1,第2のタイミングチャートである。なお,図8で説明する駆動パルス生成回路63は,一例であり,これに限定されるものではない。
FIG. 8 is a diagram for explaining the drive
駆動パルス生成回路63は,トランジスタQ10のオン・オフにより電圧Vpが変化し,この電圧Vpの変化によりハイレベル,ローレベルの駆動パルスを生成する。以下の説明では,トランジスタQ10は,NMOSトランジスタであり,電源電圧V1>電源電圧V2>0の関係にあるとする。この電圧V1,電圧V2により駆動パルスのハイレベルパルス幅,ローレベルパルス幅が規定される。なお,駆動パルス生成回路63のインバータ(INV)81,比較器(CMP)82,83,OR(論理和)回路84,NAND(否定論理積)回路85,86,インバータ(INV)87は,接続点N3から供給される電力により動作する。
The drive
駆動パルス生成回路63の動作を簡単に説明する。駆動パルス生成回路63は,比較信号Cmp,CmpX1,CmpX2のレベルに基づき,NAND回路85,86から構成されるフリップフロップ回路の出力信号NAndX1の立ち上がり立ち下がりを制御することにより,駆動パルスDpを生成する。
The operation of the drive
図9の時間T20から時間T21の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。この時,キャパシタC2に電荷が蓄積されていない状態で,電圧Vpは0Vであるとする。比較器82は,ハイレベルの比較信号CmpX1をNAND回路85に出力し,比較器83は,ローレベルの比較信号CmpX2をOR回路84に出力している。OR回路84は,ハイレベルの信号ORを出力し,NAND回路85は,ハイレベルの信号NNAndX1を出力し,NAND回路86は,ローレベルの信号NNAndX2を出力している。
The operation of the drive
そこで,比較信号Cmpが立ち上がると,インバータ81はその反転信号Inv1を出力する。また,その結果,OR回路84は,ローレベルの信号ORをNAND回路86に出力し,NAND回路86の出力信号NAndX2はハイレベルになる。その結果,NAND回路85は,ローレベルの信号NAndX1をインバータ87およびトランジスタQ10に出力する。その結果,インバータ87は,ハイレベルの駆動パルスDpを出力する。このように,比較信号Cmpが立ち上がると同時に駆動パルスDpが立ち上がる。また,トランジスタQ10は,ローレベルの信号NAndX1によりオフ状態になる。その結果,電流IxがキャパシタC2に流れ込むと共に,キャパシタC2に電荷が蓄積され,電圧Vpが上昇する。
Therefore, when the comparison signal Cmp rises, the
次に,時間T21から時間T22の間,つまり,電圧Vpが電圧V2と電圧V1の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。この時,キャパシタC2に流れ込む電流Ixにより電圧Vpは上昇して電圧V2以上になる。すると,比較器83は,ハイレベルの比較信号CmpX2をOR回路84に出力し,OR回路84は,ハイレベルの信号ORをNAND回路86に出力するが,信号NAndX1,信号NAndX2のレベルは変化しない。したがって,駆動パルスDpはハイレベルのままであり,トランジスタQ10はオフ状態のままであり,電圧Vpの上昇が続く。
Next, the operation of the drive
次に,時間T22から時間T23の間,つまり,電圧Vpが電圧V1を超えて下降し再び電圧V1に至るまでの間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。電圧Vpが上昇して電圧V1を越えると,比較器82は,ローレベルの比較信号CmpX1をNAND回路85に出力する。その結果,NAND回路85は,ハイレベルの信号NAndX1を出力する。すると,駆動パルスDpは立ち下がりローレベルになり,信号NAndX2もローレベルになる。また,ハイレベルの信号NAndX1によりトランジスタQ10はオン状態になる。トランジスタQ10がオン状態になると,キャパシタC2に蓄えられていた電荷が徐々に放出されると共に電圧Vpが下降する。
Next, the operation of the drive
次に,時間T23から時間T24の間,つまり,電圧Vpが電圧V1から電圧V2の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。ここで,時間T24の時点で,比較信号Cmpが立ち下がりローレベルになるとする。比較信号Cmpが立ち下がりローレベルになると,OR回路84にハイレベルの反転信号Inv1が入力される。OR回路84は,ハイレベルの信号ORをそのまま出力する。また,NAND回路86は,ハイレベルの信号NAndX1とハイレベルの信号ORの否定論理積をとり,ローレベルの信号NAndX2を出力し続ける。同じく,NAND回路85は,ハイレベルの信号NAndX1を出力し続ける。それに伴い,トランジスタQ10はオン状態を継続し,電圧Vpが下降し0Vになる。その結果,駆動パルス生成回路63はローレベルの駆動パルスDpを出力し続ける。
Next, the operation of the drive
以上で説明した駆動パルスDpのハイレベルパルス幅(W6)は,キャパシタC2のキャパシタンスをCとすると(キャパシタンスC×電圧V1)/電流Ixで示される。以上説明したように,駆動パルス生成回路63は,比較信号Cmpが立ち上がると同時に駆動パルスDpを立ち上がらせてハイレベルの駆動パルスDpを一定時間(幅W6)の間出力し続ける。そして,この駆動パルスDpにより,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも大きくなり比較信号Cmpが立ち下がると同時に駆動パルスDpを立ち下がらせてローレベルの駆動パルスDpを出力する。
The high level pulse width (W6) of the drive pulse Dp described above is represented by (capacitance C × voltage V1) / current Ix, where C is the capacitance of the capacitor C2. As described above, the drive
なお,負荷23の要求電流が重く,すなわち負荷が重い場合,1ショットのハイレベル駆動パルスでは,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも大きくならず比較信号Cmpが立ち下がらないことがある。この場合には,図10に説明するように,駆動パルス生成回路63は,再度,ハイレベルの駆動パルスDpを生成する。
When the required current of the
この場合の駆動パルス生成回路63の動作について図10を用いて説明する。
The operation of the drive
時間T30から時間T33の間における駆動パルス生成回路63の動作については,図9と同じ動作なのでその説明を省略する。
The operation of the drive
時間T33から時間T34の間,つまり,電圧Vpが電圧V1から電圧V2の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。比較器82は,ハイレベルの比較信号CmpX1をNAND回路85に出力するが,信号NAndX2はローレベルのままなので,信号NAndX1はハイレベルの状態を維持し,トランジスタQ10はオン状態のままになる。その結果,電圧Vpは低下し電圧V2に至る。
The operation of the drive
次に,時間T34から時間T35の間,つまり,電圧Vpが電圧V2から電圧0の間の駆動パルス生成回路63の動作について説明する。電圧Vpが電圧V2になると,比較器83は,ローレベルの比較信号CmpX2をOR回路84に出力する。OR回路84は,ローレベルの反転信号Inv1とローレベルの比較信号CmpX2との論理和をとり,ローレベルの信号ORをNAND回路86に出力する。そして,NAND回路86は,ハイレベルの信号NAndX2を出力する。すると,NAND回路85はローレベルの信号NAndX1を出力する。その結果,駆動パルスDpが立ち上がり,ハイレベルの駆動パルスDpが出力される。また,トランジスタQ10はオフ状態になる。以後,フィードバック電圧Vfbが基準電圧Vrefよりも高くなって比較信号Cmpが立ち下がるまで,駆動パルス生成回路63は,一定のハイレベルパルス幅を有する駆動パルスDpを一定周期毎に生成する時間T30から時間T35の動作を繰り返す。
Next, the operation of the drive
なお,以上説明した駆動パルス生成回路の構成は,一例であり他にも様々な構成を採用することができる。 The configuration of the drive pulse generation circuit described above is an example, and various other configurations can be employed.
(第2実施形態)
図6の電源回路6では,還流用のスイッチング素子としてダイオードD0を用いたが,ダイオードを使用すると,ダイオードの順方向電圧降下による電力損失が発生する。そこで,ダイオードD0の替わりにスイッチング素子としてトランジスタを用いる。
(Second Embodiment)
In the
図11は,スイッチング素子としてトランジスタQ20(第2のトランジスタ)を用いた電源回路9の説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram of the
スイッチングレギュレータ110は,図6のスイッチングレギュレータ60に加えて,レベルシフト回路(LS)111と,駆動パルス生成回路(DPG)112と,インバータ(INV)113と,スイッチング素子として機能するトランジスタQ20とを有する。なお,その他の構成は図6で説明した電源回路6と同様なので,図11においては,図6と対応する各部に同一の符号を付して説明を省略する。
The
トランジスタQ20は,トランジスタQ0と同じくNMOSトランジスタである。トランジスタQ20は,トランジスタQ0がオフ状態になると,オン状態になり,平滑化回路21’のインダクタL0’に蓄積した磁気エネルギーを電流として放出する。 The transistor Q20 is an NMOS transistor like the transistor Q0. The transistor Q20 is turned on when the transistor Q0 is turned off, and releases the magnetic energy accumulated in the inductor L0 'of the smoothing circuit 21' as a current.
ローサイド側のレベルシフト回路111は,ハイサイド側のレベルシフト回路62と同じ構成の回路であるが,電源電圧Vbiasに接続され,比較器61が出力した比較信号Cmpをレベルシフト回路62のように高電圧比較信号にするものではない。レベルシフト回路111は,比較信号Cmpをレベルシフトせずに比較信号Ls1として駆動パルス生成回路112に出力する。レベルシフト回路111は,トランジスタQ0がオン・オフするタイミングとトランジスタQ20がオフ・オンするタイミングとを一致させるために,レベルシフト回路62と同等の遅延特性を有する。
The
駆動パルス生成回路112は,図6の駆動パルス生成回路63と同機能の回路であり,比較信号Ls1の立ち上がりで一定時間ハイレベルの駆動パルスTon1を生成し,インバータ113に出力する。つまり,駆動パルス生成回路112は,比較信号Ls1に基づきトランジスタQ20のゲートを駆動する駆動パルスTon1を生成する。
The drive
インバータ113は,駆動パルス生成回路112が出力する駆動パルスTon1の反転パルスDp1をトランジスタQ20のゲートに出力する。
The
図12は,図11の電源回路9の動作を説明するタイミングチャートであり,上から順に,比較器61が出力する比較信号Cmp,レベルシフト回路62が出力する高電圧比較信号Ls,駆動パルス生成回路63が出力する駆動パルスDp,トランジスタQ0のオン状態,オフ状態,レベルシフト回路111が出力する比較信号Ls1,駆動パルス生成回路112が出力する駆動パルスTon1,インバータ113が出力するDp1,トランジスタQ20のオン状態,オフ状態を示す。
FIG. 12 is a timing chart for explaining the operation of the
まず,レベルシフト回路111を設ける理由を説明する。トランジスタQ20は,ローサイド側に設けられており,レベルシフト回路111を設けて,トランジスタQ20を駆動する駆動パルスの電圧レベルを高める必要はない。前述したように,トランジスタQ0がオフ状態になると,トランジスタQ20がオン状態になり,平滑化回路21’のインダクタL0’に蓄積した磁気エネルギーを電流として放出しなければならない。そのためには,トランジスタQ0がオン・オフするタイミングとトランジスタQ20がオフ・オンするタイミングとを一致させなければならない。しかし,ハイサイド側のレベルシフト回路62は,比較器61の比較信号Cmpをレベルシフトして信号Lsを出力するが,信号Lsの出力タイミングは図5で説明したように一定時間遅延する。そこで,比較器61と駆動パルス生成回路112との間にレベルシフト回路111を設けて,ハイサイド側の駆動パルス生成回路63の駆動パルスDpの出力タイミングとローサイド側の駆動パルス生成回路112の駆動パルスTon1の出力タイミングとを一致させる。このように,レベルシフト回路111を遅延回路として機能させる。
First, the reason why the
その結果,時間T40から時間T41,時間T41から時間T42に示すように,トランジスタQ10がオン・オフするタイミングとトランジスタQ20がオフ・オンするタイミングとが一致する。なお,駆動パルスTon1は,インバータ113を通過するが,インバータ113は,通常,1つのPMOSトランジスタと1つのNMOSトランジスタと有する単純な構成なのでインバータ113による遅延は無視できる。このようにすることで,トランジスタQ0がオフ状態になると同時に,トランジスタQ20がオン状態になり,平滑化回路21’のインダクタL0’に蓄積した磁気エネルギーが電流として放出される。なお,その他の動作については,図7と同様なので説明を省略する。
As a result, as shown from time T40 to time T41 and from time T41 to time T42, the timing at which the transistor Q10 is turned on / off coincides with the timing at which the transistor Q20 is turned on / off. Although the drive pulse Ton1 passes through the
以上説明したように,スイッチング素子をダイオードからトランジスタに置き換えることで,ダイオードの順方向電圧降下による電力損失がなくなる。 As described above, the power loss due to the forward voltage drop of the diode is eliminated by replacing the switching element from the diode to the transistor.
以上をまとめると,以下の付記の通りである。 The above is summarized as follows.
(付記1)
高電位電源に接続された第1のトランジスタと,
前記第1のトランジスタと基準電源との間に設けられ当該第1のトランジスタの導通状態に応じて導通状態が変化するスイッチング素子と,
前記第1のトランジスタと前記スイッチング素子との接続点における出力電圧をフィードバックした電圧と,基準電圧とを比較し比較信号を生成する比較器と,
前記比較信号の電圧レベルを高めて高電圧比較信号を出力するレベルシフト回路と,
前記高電圧比較信号に基づき前記第1のトランジスタのゲートを駆動する駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路とを有するスイッチングレギュレータ。
(Appendix 1)
A first transistor connected to a high potential power source;
A switching element provided between the first transistor and a reference power supply, wherein the conduction state changes according to the conduction state of the first transistor;
A comparator that compares a voltage obtained by feeding back an output voltage at a connection point between the first transistor and the switching element with a reference voltage to generate a comparison signal;
A level shift circuit for increasing the voltage level of the comparison signal and outputting a high voltage comparison signal;
A switching regulator having a driving pulse generating circuit for generating a driving pulse for driving the gate of the first transistor based on the high voltage comparison signal;
(付記2)
付記1において,
前記駆動パルス生成回路は,前記レベルシフト回路から前記高電圧比較信号が入力されると,前記第1のトランジスタを第1の期間導通状態にする駆動パルスを生成するスイッチングレギュレータ。
(Appendix 2)
In Appendix 1,
When the high voltage comparison signal is input from the level shift circuit, the drive pulse generation circuit generates a drive pulse that makes the first transistor conductive for a first period.
(付記3)
付記1又は2において,
さらに,前記接続点と負荷との間に設けられた前記平滑化回路を有するスイッチングレギュレータ。
(Appendix 3)
In Appendix 1 or 2,
Furthermore, the switching regulator which has the said smoothing circuit provided between the said connection point and load.
(付記4)
付記1〜3の何れかにおいて,
さらに,前記出力電圧を平滑化する平滑化回路と前記平滑化回路の出力に接続された負荷との間に設けられた分圧回路を有し,当該分圧回路は,前記平滑化回路により平滑化された電圧を分圧し前記比較器にフィードバック出力するスイッチングレギュレータ。
(Appendix 4)
In any one of appendices 1-3
And a voltage dividing circuit provided between a smoothing circuit for smoothing the output voltage and a load connected to the output of the smoothing circuit. The voltage dividing circuit is smoothed by the smoothing circuit. A switching regulator that divides the generated voltage and outputs the divided voltage as feedback to the comparator.
(付記5)
付記1〜4の何れかにおいて,
前記スイッチング素子は,前記第1のトランジスタの導通時に非導通状態になり当該第1のトランジスタの非導通時に導通状態になるスイッチングレギュレータ。
(Appendix 5)
In any one of appendices 1-4
The switching regulator is a switching regulator that is turned off when the first transistor is turned on and turned on when the first transistor is turned off.
(付記6)
付記5において,
前記スイッチング素子は,カソードが前記接続点に接続するダイオードであるスイッチングレギュレータ。
(Appendix 6)
In Appendix 5,
The switching element is a switching regulator in which a cathode is a diode connected to the connection point.
(付記7)
付記5において
前記スイッチング素子は,第2のトランジスタであり,
さらに,前記比較器が出力した比較信号に基づき当該第2のトランジスタのゲートを駆動する駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路を有するスイッチングレギュレータ。
(Appendix 7)
In Appendix 5, the switching element is a second transistor,
Furthermore, a switching regulator having a drive pulse generation circuit that generates a drive pulse for driving the gate of the second transistor based on the comparison signal output from the comparator.
(付記8)
付記7において,
さらに,前記比較器と前記駆動パルス生成回路との間に遅延回路を有するスイッチングレギュレータ。
(Appendix 8)
In Appendix 7,
Furthermore, a switching regulator having a delay circuit between the comparator and the drive pulse generation circuit.
1,6,9…電源回路,
10,60,110…スイッチングレギュレータ,
11,61,82,83…比較器(CMP),
12,63,112…駆動パルス生成回路(DPG),
13,62,111…レベルシフト回路(LS),
21…平滑化回路,
22…分圧回路,
23…負荷,
81,87,113…インバータ(INV),
84…OR回路(OR),
85,86…NAND回路(NAND),
L0,L0’…インダクタ,
C0,C0’,C1,C2…キャパシタ,
D0,D1…ダイオード,
Q0〜Q8,Q10,Q20…トランジスタ,
R0,R1…抵抗,
Ix…電流
1, 6, 9 ... power supply circuit,
10, 60, 110 ... switching regulator,
11, 61, 82, 83 ... comparator (CMP),
12, 63, 112... Drive pulse generation circuit (DPG),
13, 62, 111... Level shift circuit (LS),
21 ... smoothing circuit,
22 ... voltage divider circuit,
23 ... Load,
81, 87, 113 ... inverter (INV),
84. OR circuit (OR),
85, 86 ... NAND circuit (NAND),
L0, L0 '... inductor,
C0, C0 ′, C1, C2... Capacitors
D0, D1 ... diodes,
Q0 to Q8, Q10, Q20 ... transistor,
Ix ... Current
Claims (5)
前記第1のトランジスタと基準電源との間に設けられ当該第1のトランジスタの導通状態に応じて導通状態が変化するスイッチング素子と,
前記第1のトランジスタと前記スイッチング素子との接続点の電圧に基づく出力電圧をフィードバックした電圧と,基準電圧とを比較し比較信号を生成する比較器と,
前記比較信号に基づいて,前記高電位電源の電圧値より高い第1電圧値と前記高電位電源の電圧値との間で変化する高電圧比較信号を出力するレベルシフト回路と,
前記高電圧比較信号の立ち上がりをトリガーとして,前記第1電圧値と前記高電位電源の電圧値との間で変化する第1の駆動パルスを生成し,前記第1の駆動パルスを前記第1のトランジスタのゲートに出力する第1の駆動パルス生成回路とを有するスイッチングレギュレータ。 A first transistor connected to a high potential power source;
A switching element provided between the first transistor and a reference power supply, wherein the conduction state changes according to the conduction state of the first transistor;
A comparator that compares a voltage obtained by feeding back an output voltage based on a voltage at a connection point between the first transistor and the switching element and a reference voltage to generate a comparison signal;
Based on the comparison signal, a level shift circuit for outputting a high voltage comparison signal varying between the voltage value of the high potential power supply and the first voltage value higher than the voltage value of the high potential power supply,
As a trigger a rise of the high voltage comparison signal, the first voltage value to generate a first drive pulse varies between the voltage value of the high potential power supply, said first said first drive pulse And a first drive pulse generation circuit that outputs to the gate of the transistor .
前記第1の駆動パルス生成回路は,前記レベルシフト回路から前記高電圧比較信号が入力されると,前記第1のトランジスタを第1の期間導通状態にする前記第1の駆動パルスを生成するスイッチングレギュレータ。 In claim 1,
The first drive pulse generating circuit, when the high voltage comparison signal from the level shift circuit is inputted, switching for generating the first drive pulse to said first transistor in the first period conductive state regulator.
さらに,前記出力電圧を平滑化する平滑化回路と前記平滑化回路の出力に接続された負荷との間に設けられた分圧回路を有し,当該分圧回路は,前記平滑化回路により平滑化された電圧を分圧し前記比較器にフィードバック出力するスイッチングレギュレータ。 In claim 1 or 2,
And a voltage dividing circuit provided between a smoothing circuit for smoothing the output voltage and a load connected to the output of the smoothing circuit. The voltage dividing circuit is smoothed by the smoothing circuit. A switching regulator that divides the generated voltage and outputs the divided voltage as feedback to the comparator.
前記スイッチング素子は,前記第1のトランジスタの導通時に非導通状態になり当該第1のトランジスタの非導通時に導通状態になるスイッチングレギュレータ。 In any one of Claims 1-3,
The switching regulator is a switching regulator that is turned off when the first transistor is turned on and turned on when the first transistor is turned off.
前記スイッチング素子は,第2のトランジスタであり,
さらに,前記比較信号の立ち上がりをトリガーとして,第2の駆動パルスを生成し,前記第2の駆動パルスを前記第2のトランジスタのゲートに出力する第2の駆動パルス生成回路を有するスイッチングレギュレータ。 In Claim 4, The said switching element is a 2nd transistor,
Furthermore, the rise of the pre-Symbol ratio No.較信as a trigger to generate a second driving pulse, switching with a second drive pulse generating circuit for outputting the second driving pulse to the gate of said second transistor regulator.
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