CN108352784B - 升降压电源以及电源电路 - Google Patents

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Abstract

提供一种电路面积小的升降压电源。一种升降压电源，具备：降压部，通过一端被施加升降压电源的输入电压的降压开关的导通截止来生成比输入电压低的输出电压；升压部，通过一端被施加接地的升压开关的导通截止来生成比输入电压高的输出电压；以及降压栅极电压控制电路，控制降压开关的栅极电压。降压栅极电压控制电路具有生成用于导通降压开关的第1电压和第2电压的栅极电压生成电路、以及在第1电压与第2电压之间进行切换的栅极电压切换电路，栅极电压生成电路具有生成第1电压的第1电压源和生成第2电压的第2生成电压源。

Description

升降压电源以及电源电路
技术领域
本发明涉及开关电源，特别涉及适合于生成微型机用电压的车载用升降压电源的电源。
背景技术
例如，在汽车应用的领域，预测有为了实现低成本化而会使用低的输出电压(例：3V)的电池。在目前的汽车的引擎控制单元(Engine Control Unit：ECU)的电源电路中，只有具有从电池的电压向低的电压的降压功能的降压电源。因此，出现了将具有降压功能和升压功能这两方功能的升降压电源应用于ECU的必要性。
虽然并非ECU用途，但作为具有降压功能和升压功能这两方功能的电源，例如有专利文献1。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2014-175124号公报
发明内容
在图1中，为了说明使用自举(bootstrap)电路的升降压电源，将发明人制作的图作为比较例而示出。使用自举电路而构成的升降压电源包括降压部1、升压部2、控制电路13、升降压判定电路14、电感器9、输出电容121。降压部1包括开关元件3、降压驱动器4、自举电路7、二极管8。自举电路7包括二极管5和电容器6。升压部2包括开关元件11、升压驱动器12、二极管10。开关元件3、11例如由利用半导体技术制作出的晶体管构成。
如下所述说明降压和升压时的升降压电源的整体动作。通过下述动作，例如不论从电池供给的升降压电源的输入电压Vin是高是低，都能够生成稳定的输出电压Vo。
在输入电压Vin高的降压时，开关元件11始终截止，开关元件3进行开关。在开关元件3导通时，经由电感器9能量从输入电压Vin传递到输出电压Vo。另外，此时在电感器9中流过的电流Iin作为能量而积蓄于电感器9。在开关元件3截止时，经由二极管8和10被充电到电感器9的能量被传递到输出电压Vo。由此，从高的输入电压Vin降压到低的输出电压Vo。
在输入电压Vin低的升压时，开关元件3始终导通，开关元件11进行开关。在开关元件11导通时，输入电压Vin将能量积蓄于电感器9。在开关元件11截止时，经由二极管10从被充电到电感器9的能量和输入电压Vin这两方能量被传递到输出电压Vo。由此，从低的输入电压Vin升压到高的输出电压Vo。
如下所述说明图1的升降压电源的各电路的动作和作用。
升降压判定电路14是如下电路：比较输入电压Vin和输出电压Vo，例如在输入电压Vin比输出电压Vo高的情况下生成高(high)的信号，在输入电压Vin比输出电压Vo低的情况下生成低(low)的信号。
控制电路13是如下电路：利用升降压判定电路14生成的信号Vchange和来自输出电压Vo的反馈信号生成控制信号Vc_buck和Vc_boost来控制降压部1和升压部2，不论输入电压Vin比所需的输出电压Vo是低还是高，都生成稳定的输出电压Vo。
降压驱动器4和升压驱动器12是接受来自控制电路13的控制信号Vc_buck和Vc_boost而驱动开关元件3和11的高速导通截止的电路。
如下所述说明降压部1和升压部2的动作。
在由升降压判定电路14判断为输入电压Vin比输出电压Vo低时，利用来自控制电路13的控制信号Vc_buck和Vc_boost使降压部1的开关元件3始终导通，使升压部2的开关元件11进行开关，使输出电压Vo升压至所需的电压。
在由升降压判定电路14判断为输入电压Vin比输出电压Vo高时，利用来自控制电路13的控制信号Vc_buck和Vc_boost使降压部1的开关元件3进行开关，使升压部2的开关元件11始终截止，使输出电压Vo降压至所需的电压。
如下所述说明降压部1中的自举电路7的原理和动作。
为了使用开关元件3而完全导通，需要足够的栅极和源极间电压Vgs(＝Vg-Vs)。进而，在开关元件3导通时，源极电压Vs成为与漏极电压Vd大致等同的水平。由此，开关元件3的栅极电压Vg需要比漏极电压Vd足够高的电压。然而，开关元件3的漏极电压Vd为输入电压Vin，所以成为在电路内最高的电压。能够将开关元件3完全导通而生成比输入电压Vin高的电压的是自举电路。
在开关元件3截止时，二极管8导通，开关元件3的源极电压Vs大致为GND电压。此时，输入电压Vin经由自举电路7的二极管5对电容器6进行充电，电容器6与二极管5之间的电压Vb成为输入电压Vin-Vf。Vf为二极管5的前馈电压。开关元件3导通时，源极电压Vs成为与漏极电压Vd即输入电压Vin大致等同的水平，所以电容器6的另一端电压升高至输入电压Vin。由此，在开关元件3导通时，电容器6与二极管5之间的电压Vb能够升高至2Vin-Vf。该电压Vb为降压驱动器4的电源电压，开关元件3为导通时的栅极电压Vg。由此，能够完全导通开关元件3。
图1的升降压电源的课题为与仅降压电源的情况相比电路面积大。由此，电源电路的成本增加。有下述两个原因。
<1>能够通过下述式(1)(2)求出升压时和降压时在开关元件3中流过的电流Iin的峰值Iin_boost和Iin_buck。升压时Iin_boost为降压时Iin_buck的Vo/Vin_boost倍。因此，为了实现相同效率，升压时开关元件3的导通电阻需要成为降压时的Vin_boost/Vo倍，所以升降压电源的开关元件3的面积需要成为仅降压电源的情况下的Vo/Vin_boost倍。由于升压时的输入电压Vin_boost比输出电压Vo低，所以升降压电源的开关元件3的面积比仅降压电源的情况大。
升压时Iin_boost＝Vo·Io/Vin_boost式(1)
降压时Iin_buck＝Io式(2)
Vin_boost：升压时的输入电压
Vin_buck：降压时的输入电压
<2>使图1的升降压电源的开关元件3导通的栅极电压Vg通过自举电路生成，能够通过下述式(3)而求出。
(Vf：自举电路的二极管的前馈电压值)
Vg＝Vin·2-Vf式(3)
通过式(3)，通过自举电路生成的升压和降压时开关元件3的导通时的栅极电压Vg_boost和Vg_buck为Vin_boost·2-Vf和Vin_buck·2-Vf。为了实现相同的电源效率，要求升压、降压时的源极-漏极电压Vds相同。另外，升压，降压时的开关元件3的漏极电压Vd_boost和Vd_buck为Vin_boost和Vin_buck，所以源极电压Vs_boost和Vs_buck为Vin_boost-Vds和Vin_buck-Vds。由此，升压和降压时的开关元件3的栅极和源极间的电压Vgs_boost和Vgs_buck为(Vin_boost-Vf+Vds)和(Vin_buck-Vf+Vds)。由于MOS的导通电阻与栅极和源极间的电压成比例，所以为了实现相同的导通电阻，升降压电源的开关元件3的面积需要为仅降压电源的情况下的(Vin_buck-Vf+Vds)/(Vin_boost-Vf+Vds)倍。由于升压时的输入电压Vin_boost比降压时的输入电压Vin_buck低，所以升降压电源的开关元件3的面积比仅降压电源的情况大。
基于上述两个原因，为了实现相同的电源效率，在图1的结构中，升降压电源的开关元件3的面积需要比仅降压电源的情况大。由于开关元件3的面积增大，电源的电路面积增加，电源电路的成本增加。
另外，虽然还能够将降压部1中的自举电路7置换为用于通过组合电容器与开关而使电压升高的电荷泵(charge pump)电路，但在升降压电源为降压时，需要开关元件3进行高速开关，所以需要使用具有足够高的电流驱动能力的电荷泵电路。由此，电荷泵电路的面积变得非常大，电源的电路面积增加，电源电路的成本增加。
本发明的目的在于提供一种电路面积小的升降压电源。
解决上述课题的本发明的一方案是升降压电源，其特征在于，具备：降压部，通过一端被施加升降压电源的输入电压的降压开关的导通截止来生成比输入电压低的输出电压；升压部，通过一端被施加接地的升压开关的导通截止来生成比输入电压高的输出电压；以及降压栅极电压控制电路，控制降压开关的栅极电压。降压栅极电压控制电路具有：栅极电压生成电路，生成用于导通降压开关的第1电压和第2电压；以及栅极电压切换电路，在第1电压与第2电压之间进行切换，栅极电压生成电路具有生成第1电压的第1电压源和生成第2电压的第2生成电压源。
本发明的另一方案是升降压电源，其特征在于，具备：降压部，通过一端被施加升降压电源的输入电压的降压开关的导通截止来生成比输入电压低的输出电压；升压部，通过一端被施加接地的升压开关的导通截止来生成比输入电压高的输出电压；以及降压栅极电压控制电路，控制降压开关的栅极电压。降压栅极电压控制电路具有：栅极电压生成电路，生成用于导通降压开关的第1电压和第2电压；以及栅极电压切换电路，在第1电压与所述第2电压之间进行切换，栅极电压生成电路具有生成第1电压的第1生成电路和生成第2电压的第2生成电路，第2生成电路能够驱动的负载电流比第1生成电路大。
本发明的另一方案是从输入电压生成输出电压的升降压电源，具备升压部和降压部，所述升压部使输入电压升压，所述降压部使输入电压降压，降压部具备：降压开关，由输入电压被供给到第1端子的半导体晶体管构成；以及降压栅极电压控制电路，切换输出电压水平不同的第1电路和与第1电路不同的第2电路而供给降压开关的栅极电压。
在本发明的更具体的结构例中，在生成比输入电压高的输出电压的升压动作时，使降压开关始终接通，在生成比输入电压低的输出电压的降压动作时，使降压开关进行开关动作。降压栅极电压控制电路在升压动作时供给来自第1电路的第1水平的电压作为降压开关的栅极电压，在降压动作时从与第1电路不同的第2电路供给比第1水平低的第2水平的电压作为降压开关的栅极电压。
在本发明的其它更具体的结构例中，在生成比输入电压高的输出电压的升压动作时，使降压开关始终接通，在生成比输入电压低的输出电压的降压动作时，使降压开关进行开关动作。降压栅极电压控制电路在升压动作时从作为第1电路的电荷泵电路供给降压开关的栅极电压，在降压动作时从作为第2电路的自举电路供给降压开关的栅极电压。
在本发明的又一具体的结构例中，电感器连接于降压开关的第2端子，升压部具备升压开关，升压开关的第1端子连接于接地电位，2的端子连接于电感器，第2端子与电感器的连接点连接于得到输出电压的输出端子，该结构例具备控制降压开关和所述升压开关的动作的控制电路。控制电路以如下方式进行控制：在生成比输入电压低的输出电压的降压动作时，使降压开关进行开关动作并且使升压开关成为始终断开，在生成比输入电压高的输出电压的升压动作时，使升压开关进行开关动作并且使降压开关始终接通。降压栅极电压控制电路在升压动作时从作为第1电路的电荷泵电路供给降压开关的栅极电压，在降压动作时从作为第2电路的自举电路供给降压开关的栅极电压。
在本发明的又一具体的结构例中，第2电路供给比第1水平低的第2水平的电压作为降压开关的栅极电压，第2电路与第1电路相比，电流驱动能力高且输出电压水平低。
在本发明的又一具体的结构例中，第1电路与第2电路的输入和输出分别独立。
根据本说明书的记载以及附图将会清楚本发明的其它新特征。
能够提供一种电路面积小的升降压电源。
附图说明
图1是表示升降压电源的结构例的电路图。
图2是表示实施方式1的升降压电源的结构的电路图。
图3是实施方式1的升降压电源降压、升压之间切换的时序图。
图4是实施方式1的升降压电源从降压切换到升压的动作流程图。
图5是实施方式1的升降压电源从升压切换到降压的动作流程图。
(附图标记说明)
1、15：降压部；2：升压部；3、11、23：开关元件；4、24：降压驱动器；5、8、10：二极管；6、121：电容器；7：自举电路；9：电感器；13：控制电路；14：升降压判定电路；16：电压切换电路；17：电荷泵启动判定电路；18：电荷泵；19：振荡器；20：电荷泵电压判定电路；21：电荷泵电路；22：栅极电压生成电路；Vin：升降压电源的输入电压；Vin_boost：升压时升降压电源的输入电压；Vin_buck：降压时升降压电源的输入电压；Vo：升降压电源的输出电压；Vst、Vcptest、Vchange：判定信号；Vosc：脉冲信号；Vdriver：降压驱动器24的电源电压；Vcp：电荷泵18的输出电压；Vb：自举电路7的输出电压；Vc_buck、Vc_boost：控制电路的输出信号；Vg：开关元件3和23的栅极电压；Vd：开关元件3和23的漏极电压；Vd_boost：升压时开关元件3和23的漏极电压；Vs：开关元件3和23的源极电压；Vs_boost：升压时开关元件3和23的源极电压；Iin：升降压电源的输入电流；Iin_boost：升压时升降压电源的输入电流；Iin_buck：降压时升降压电源的输入电流；Vf：自举电路7的二极管5的前馈电压值；Vgs：开关元件3与23的栅极和源极之间的电压；Vgs_boost：升压时开关元件3与23的栅极和源极之间的电压；Vgs_buck：降压时开关元件3与23的栅极和源极之间的电压；Vds：开关元件3和23的漏极与源极之间的电压。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明示出本发明的实施方式。但是，本发明并不被限定地解释为以下所示的实施方式的记载内容。本领域技术人员能容易地理解能够在不脱离本发明的思想及要旨的范围内变更其具体的结构。
在以下说明的发明的结构中，有时对于同一部分或者具有同样的功能的部分在不同附图之间共同地使用同一附图标记而省略重复的说明。
本说明书等中的“第1”、“第2”、“第3”等记载是为了识别构成要素而附加的，未必是限定数量或者顺序的。另外，按照上下文而使用用于识别构成要素的编号，在一个上下文中使用的编号在其它上下文中未必限定于表示同一结构。另外，按照某个编号识别的构成要素并不妨碍兼具按照其它编号识别的构成要素的功能。
为了使发明易于理解，附图等所示的各结构的位置、大小、形状、范围等有时并不表示实际的位置、大小、形状、范围等。因此，本发明未必限定于附图等所公开的位置、大小、形状、范围等。
如果简单地说明以下公开的实施方式中的代表性的实施方式的概要，则如下所述。
1)开关元件3的驱动器的电源电压通过自举电路与电荷泵电路之间的切换而生成。
2)当由升降压判定电路判定出输入电压Vin低于输出电压Vo时，电源进入到升压模式，开关元件3一直为导通。在该定时，通过电压切换电路将开关元件3的驱动器的电源电压从自举电路切换到电荷泵电路。
3)当由升降压判定电路判定出输入电压Vin高于输出电压Vo时，电源进入到降压模式，开关元件3进行开关。在该定时，通过电压切换电路将开关元件3的驱动器的电源电压从电荷泵电路切换到自举电路。
实施方式1
<1.整体结构>
图2是表示实施方式1的升降压电源的结构的附图。对图2以及图1中的同一结构部分附加同一附图标记。
实施方式1的升降压电源包括降压部15、升压部2、控制电路13、升降压判定电路14、电感器9、输出电容121。升压部2、控制电路13、升降压判定电路14、电感器9、输出电容121与图1相同，所以省略说明。降压部15包括开关元件23、二极管8、降压驱动器24、电压切换电路16、栅极电压生成电路22。栅极电压生成电路22包括电荷泵(CP)电路21、自举电路7。自举电路7与图1相同，所以省略说明。电荷泵(CP)电路21包括电荷泵(CP)启动判定电路17、振荡器19、电荷泵(CP)18、电荷泵(CP)电压判定电路20。
作为电荷泵电路21，能够使用通过组合电容器与开关而使电压升高的公知的电路。振荡器19也能够利用公知的结构。另外，作为自举电路7，能够使用由电容器和二极管构成的公知的电路。在图2中示出了一个例子，但并不限于该结构。如图2所示，电荷泵电路21和自举电路7分别为独立的结构，输入、输出也是独立的。各自的输出电压Vcp和Vb被输入到电压切换电路16，任意一个被选择而供给到降压驱动器24。
如下所述说明升压和降压时实施方式1的升降压电源的整体动作。
降压时，开关元件11始终截止，开关元件23进行开关。在开关元件23导通时，经由电感器9能量从输入电压Vin传递到输出电压Vo。另外，此时在电感器9中流过的电流作为能量而积蓄于电感器9。在开关元件23截止时，经由二极管8被充电到电感器9的能量被传递到输出电压Vo。由此，从高的输入电压Vin降压到低的输出电压Vo。
升压时，开关元件23始终导通，开关元件11进行开关。在开关元件11导通时，输入电压Vin将能量积蓄于电感器9。在开关元件11截止时，经由二极管10从被充电到电感器9的能量和输入电压Vin这两方能量被传递到输出电压Vo。由此，从低的输入电压Vin升压到高的输出电压Vo。
如下所述说明实施方式1的降压部15的各电路的动作和作用。
栅极电压生成电路22生成由电荷泵(CP)电路21生成的电荷泵电压Vcp和由自举电路7生成的自举电压Vb这两种电压。自举电路7的动作与图1相同，所以省略说明。
如下所述说明电荷泵(CP)电路21的各电路的动作。
电荷泵(CP)启动判定电路17利用根据输入电压Vin的大小和升降压判定电路14的输出的判定信号Vchange生成的判定信号Vst，控制振荡器19的动作状态(停止、启动、动作)的切换。
振荡器19生成脉冲信号Vosc。
电荷泵(CP)18是用于通过组合多个电容器与多个开关而使电压升高的电路，根据来自振荡器19的脉冲信号Vosc从输入电压Vin生成高的电压Vcp。
当电荷泵(CP)18的输出电压Vcp为期望的电压时，电荷泵(CP)电压判定电路20生成判定信号Vcptest，输入到电压切换电路16。
电压切换电路16根据来自电荷泵(CP)电压判定电路20的判定信号Vcptest和来自升降压判定电路14的判定信号Vchange，在输入的自举电压Vb与电荷泵电压Vcp之间进行切换而输出为降压驱动器16的电源电压Vdriver。
降压驱动器24是接受来自控制电路13的控制信号Vc_buck而驱动开关元件23的高速导通截止的电路。另外，使开关元件23导通的栅极电压Vg为电压切换电路16的输出、即降压驱动器24的电源电压Vdriver。
<2.动作序列>
以下，使用图3～5，说明实施方式1的升降压电源的动作状态从降压切换到升压时和从升压切换到降压时使开关元件23导通的栅极电压Vg的变化。
图3是实施方式1的升降压电源切换到降压和升压时的各信号和输出电压的时序图。图4和图5是实施方式1的升降压电源从降压切换到升压的动作流程和从升压切换到降压的动作流程。
<2-1.实施方式1的升降压电源的动作状态从降压切换到升压时：>
参照图4和图3，说明升降压电源从降压切换到升压的动作流程。在升降压电源的动作状态301为降压时(S401)，使开关元件23导通的栅极电压Vg、即降压驱动器24的电源电压Vdriver310为自举电路7的输出Vb(＝Vin·2-Vf)(S402)。此时，电荷泵(CP)电路21的状态302为停止状态。另外，由于输入电压Vin303比升降压判定电路14中的阈值Vth3高，所以升降压判定电路14的输出的判定信号Vchange308为低(low)。
在升降压判定电路14的输出的判定信号Vchange308保持低的状态下，输入电压Vin303低于电荷泵(CP)启动判定电路17中的阈值Vth1时(或者也可以是“以下时”)(S403)，电荷泵(CP)启动判定电路17的输出的判定信号Vst304从低变为高(high)(S404)，电荷泵(CP)电路21的状态302成为启动状态。利用该判定信号Vst使振荡器19的动作启动，开始脉冲信号Vosc的生成(S405)，电荷泵(CP)18的输出电压Vcp升高(S406)。
当电荷泵(CP)18的输出电压Vcp达到电荷泵(CP)电压判定电路20中的阈值Vth2时(或者也可以是“超过时”)(S407)，电荷泵(CP)电压判定电路20的输出的判定信号Vcptest从低变为高，电荷泵(CP)电路21的状态302从启动状态变为动作状态(S408)。
此时，如果输入电压Vin低于升降压判定电路14中的阈值Vth3时(或者也可以是“以下时”)(S409)，则升降压判定电路14的输出的判定信号Vchange308从低变为高(S410)。当判定信号Vchange308和Vcptest307这两方变为高时，电压切换电路16的输出电压Vdriver310从自举电路7的输出电压Vb(＝Vin·2-Vf)309切换到电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306。另外，在升降压判定电路14的输出的判定信号Vchange308从低变为高的定时，通过控制电路13将升降压电源的动作状态301从降压切换到升压(S411)。此外，在本实施例中，在切换到电荷泵(CP)18的输出之后自举电路7仍继续动作，所以自举电路7的输出电压Vb309不会成为零，随着输入电压Vin303的降低而输出降低。自举电路7也可以构成为在切换到电荷泵(CP)18的输出之后停止动作，在该情况下需要考虑自举电路的启动定时。
<2-2.实施方式1的升降压电源的动作状态从升压切换到降压时：>
参照图5和图3，说明升降压电源从升压切换到降压的动作流程。在升降压电源的动作状态为升压时(S501)，使开关元件23导通的栅极电压Vg、即降压驱动器24的电源电压Vdriver310为电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306(S502)。此时，电荷泵(CP)电路21的状态302为动作状态。
如果输入电压Vin303超过升降压判定电路14中的阈值Vth3(S503)，则升降压判定电路14的输出的判定信号Vchange308从高变为低。在该定时，电压切换电路16的输出电压Vdriver310从电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306切换到自举电路7的输出电压Vb(＝Vin·2-Vf)309(S504)。另外，在该定时，通过控制电路13将升降压电源的动作状态301从升压切换到降压(S505)。另外，通过升降压判定电路14的输出的判定信号Vchange308从高切换到低的动作，电荷泵(CP)启动判定电路17被复位，输出的判定信号Vst304从高切换到低(S506)。利用该判定信号Vst而振荡器19的状态从动作状态变为停止状态，使脉冲信号Vosc305的生成停止(S507)。由此，电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306降低(S508)。当电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306低于电荷泵(CP)电压判定电路20中的阈值Vth2时，电荷泵(CP)电压判定电路20的输出的判定信号Vcptest307从高变为低，电荷泵(CP)电路21的状态302从动作状态变为停止状态(S509)。
<3.控制阈值的设定例>
以下，叙述电荷泵(CP)启动判定电路17中的阈值Vth1、电荷泵(CP)电压判定电路20中的阈值Vth2、升降压判定电路14中的阈值Vth3的关系和各自的确定方法。
与自举电路7不同，为了使电荷泵(CP)电路21从停止成为动作状态，需要花费启动时间。在电荷泵(CP)电路21的启动期间中，在将升降压电源从降压切换到升压状态而将使开关元件23导通的栅极电压Vg、即降压驱动器24的电源电压Vdriver310从自举电路7的输出电压Vb309切换到电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306时，电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306尚未成为期望的高电压，所以开关元件23的导通电阻变大，升降压电源的效率降低。因此，电荷泵(CP)启动判定电路17中的阈值Vth1优选设定得高于升降压判定电路14中的阈值Vth3。
升降压判定电路14中的阈值Vth3是取决于输入电压Vin与期望的输出电压Vo的大小关系而在升压与降压之间切换升降压电源的动作状态的所需的值。当输入电压Vin303比输出电压Vo高时，升降压电源的动作状态需要为降压，当输入电压Vin303比输出电压Vo低时，动作状态需要为升压。因此，只要将升降压判定电路14中的阈值Vth3设定成与期望的输出电压Vo相同即可。
电荷泵(CP)启动判定电路17中的阈值Vth1由电荷泵(CP)电路21的启动时间、输入电压Vin303的最大降低速度以及升降压判定电路14中的阈值Vth3而定。例如在电荷泵(CP)电路21的启动时间为Aus、输入电压Vin303的最大降低速度为B/us的情况下，电荷泵(CP)启动判定电路17中的阈值Vth1为Vth3+A·B。
电荷泵(CP)电压判定电路20中的阈值Vth2是期望的电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306的值，最好设定成高于电荷泵(CP)启动判定电路17中的阈值Vth1和升降压判定电路14中的阈值Vth3这两方。按照下述说明求出期望的电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306的值。
图1的升降压电源的课题基于下述两个原因与仅降压电源的情况相比开关元件3的面积大。
<1>升压时输入电流Iin_boost为降压时Iin_buck的Vo/Vin_boost倍。因此，为了实现相同的效率，开关元件3的面积需要为仅降压电源的情况下的Vo/Vin_boost倍。
<2>升压和降压时的开关元件3的栅极和源极间的电压Vgs_boost和Vgs_buck为(Vin_boost-Vf+Vds)和(Vin_buck-Vf+Vds)。因此，为了实现相同的效率，升降压电源的开关元件3的面积需要为仅降压电源的情况下的(Vin_buck-Vf+Vds)/(Vin_boost-Vf+Vds)倍。
例如，在期望的输出电压Vo＝6V、Vin_boost＝5V、Vin_buck＝7V、Vf＝1V、Vds＝0.5V时，
由于<1>的原因，开关元件3的面积需要为仅降压电源的情况下的1.2倍。
由于<2>的原因，开关元件3的面积需要为仅降压电源的情况下的1.4倍。
结合原因<1>与<2>，开关元件3的面积需要为仅降压电源的情况下的1.2·1.4＝1.68倍。因此，为了使图1的升降压电源的开关元件3的面积与仅降压电源的情况相同，理论上需要将升压时的开关元件3的栅极和源极间的电压Vgs_boost(4.5V)提高到降压时的Vgs_buck(6.5V)的1.68倍即10.92V。升压时开关元件3的漏极电压Vd_boost为Vin_boost(5V)，所以源极电压Vs_boost为Vin_boost(5V)-Vds(0.5V)＝4.5V。因而，升压时，所需的开关元件3的栅极电压Vg为Vgs_boost(10.92V)+Vs_boost(4.5V)＝15.42V。
也就是说，为了使图1的升降压电源的开关元件3的面积与仅降压电源的情况相同，实施方式1的图2的升降压电源的期望的电荷泵(CP)18的输出电压Vcp306的值需要为15.42V。该值成为电荷泵(CP)电压判定电路20中的阈值Vth2。
只要应用实施方式1的升降压电源，就能够使开关元件23的面积与仅降压电源的情况相同。由此，能够抑制升降压电源的成本的增加。
根据以上说明的实施例，升压时开关元件3始终导通。根据本实施方式，在升降压电源中，升压时通过电荷泵电路生成使开关元件3始终导通的栅极电压。因为利用比图1的自举电路所生成的电压高的电压来驱动开关元件3的导通，所以能够削减开关元件3的面积。
在本实施例中，在升压时和降压时分开使用如自举电路那样电流驱动能力高而输出电压水平低的电路和如电荷泵电路那样电流驱动能力低而输出电压水平高的电路。
在升压时，需要使降压开关23(晶体管)始终导通。在利用自举电路使变低的电源(例如电池)电压升压至晶体管的栅极电压所需的电压的情况下，为了满足升压时的导通电阻的要求，需要增大降压开关23的面积。另一方面，无需增大降压开关23的面积，电荷泵电路就能够供给足够用于在升压时使晶体管(降压开关23)始终导通的栅极电压。
在降压时，需要使降压开关23(晶体管)进行开关动作。开关动作与始终导通动作不同，由于在电感器9中消耗电流，所以需要在电荷泵电路中增大电流驱动能力。因此，需要大电容的外设电容器。另一方面，自举电路的输出电压水平低，在电源(例如电池)电压高的降压时不会成为问题。进而，由于具有足够用于在降压时对晶体管(降压开关23)进行开关的电流驱动能力，所以无需增大电容器。
基于以上原因，在本实施例中，在升压动作时和降压动作时切换自举电路7和电荷泵电路21的输出而使用。
<4.降压开关的结构例>
作为降压开关23的其它具体的结构例，也可以构成为使用并联连接的第1开关元件和元件面积比其小的第2开关元件。在该情况下，在升压部动作时，利用电荷泵电路18的电压导通第1开关元件，在降压部动作时，利用自举电路7的电压导通第2开关元件。能够得到与升压时和降压时相适的开关特性。
本发明并不限定于上述实施方式，包含各种变形例。例如，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其它实施例的结构，另外，能够对某个实施例的结构附加其它实施例的结构。另外，关于各实施例的结构的一部分，能够进行其它实施例的结构的追加、删除、置换。
有时在采用不同极性的晶体管的情况下、在电路动作中电流的方向发生变化等情况下更换晶体管的“源极”、“漏极”的功能。因此，在本说明书中，能够更换地使用“源极”、“漏极”的术语。
产业上的可利用性
涉及开关电源，特别能够利用于生成微型机用电压的车载用升降压电源等。

Claims (7)

1.一种升降压电源，其特征在于，具备：
降压部，通过一端被施加所述升降压电源的输入电压的降压开关的导通截止来生成比所述输入电压低的输出电压；
升压部，通过一端被施加接地的升压开关的导通截止来生成比所述输入电压高的输出电压；以及
降压栅极电压控制电路，控制所述降压开关的栅极电压，
所述降压栅极电压控制电路具有：
栅极电压生成电路，生成用于导通所述降压开关的第1电压和第2电压；以及
栅极电压切换电路，在所述第1电压与所述第2电压之间进行切换，
所述栅极电压生成电路具有生成所述第1电压的第1生成电路和生成所述第2电压的第2生成电路，
所述第2生成电路能够驱动的负载电流比所述第1生成电路大，
所述栅极电压切换电路在所述输入电压为与所述输出电压相当的第一电压阈值以下且从所述第1生成电路生成的电压为所述第1电压时，将用于导通所述降压开关的电压切换为所述第1电压，在所述输入电压比所述第一电压阈值大时，将用于导通所述降压开关的电压切换为所述第2电压，
所述栅极电压切换电路具备：
启动判定电路，为了启动所述第1生成电路，输出从低转变为高，
电压判定电路，在从所述第1生成电路生成的电压为所述第1电压的情况下，输出从低转变为高；以及
升降压判定电路，在所述输入电压为与所述输出电压相当的第一电压阈值以下且所述电压判定电路的输出从低变为高的情况下，输出从低转变为高，
通过所述升降压判定电路的输出从高切换到低的动作，所述启动判定电路被复位，输出从高切换到低，从而所述第1生成电路的状态从动作状态成为停止状态。
2.根据权利要求1所述的升降压电源，其特征在于，
所述栅极电压切换电路在所述升压部动作时将用于导通所述降压开关的电压切换为所述第1电压，在所述降压部动作时将用于导通所述降压开关的电压切换为所述第2电压。
3.根据权利要求1所述的升降压电源，其特征在于，
在所述栅极电压生成电路中，在所述升压部动作时，从所述第2生成电路生成的所述第2电压的电压水平为所述第1生成电路生成的第1电压的电压水平以下。
4.根据权利要求1所述的升降压电源，其特征在于，
所述第1生成电路由电荷泵电路构成，
所述第2生成电路由自举电路构成。
5.根据权利要求1所述的升降压电源，其特征在于，
在所述输入电压为与所述输出电压相当的第一电压阈值以下时，所述升压部动作，在所述输入电压比所述第一电压阈值大时，所述降压部动作。
6.根据权利要求1所述的升降压电源，其特征在于，
作为所述降压开关，使用并联连接的第1开关元件和元件面积比其小的第2开关元件，
在所述升压部动作时，利用所述第1电压导通所述第1开关元件，
在所述降压部动作时，利用所述第2电压导通所述第2开关元件。
7.根据权利要求1所述的升降压电源，其特征在于，
在所述输入电压低于第二电压阈值时，所述第1生成电路动作，
在所述输入电压高于第一电压阈值时，所述第1生成电路停止，
所述第二电压阈值比所述第一电压阈值大。
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