JP2002017083A - スイッチングレギュレータおよびその制御回路 - Google Patents

スイッチングレギュレータおよびその制御回路

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JP2002017083A
JP2002017083A JP2000197723A JP2000197723A JP2002017083A JP 2002017083 A JP2002017083 A JP 2002017083A JP 2000197723 A JP2000197723 A JP 2000197723A JP 2000197723 A JP2000197723 A JP 2000197723A JP 2002017083 A JP2002017083 A JP 2002017083A
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Tetsuo Tateishi
哲夫 立石
Yuichi Tsujimoto
裕一 辻本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スイッチングレギュレータの効率を向上させ
る。 【解決手段】 誤差アンプ11は、出力電圧Vout に対
応するフィードバック信号Vfbと参照電圧Vref との誤
差を増幅することにより電流制御信号Vcnt を生成す
る。コンパレータ12は、信号生成回路30により生成
されるスイッチ制御信号Vc と電流制御信号Vcnt とを
比較する。フリップフロップ13は、コンパレータ12
の出力に基づいてスイッチM1を駆動する。信号生成回
路30は、スイッチM1がON状態のときは抵抗Rs の
両端電圧であるセンス電圧Vs を出力し、スイッチM1
がOFF状態のときは予め設定されているダミー電圧V
LLを出力する。ダミー電圧VLLは、正の電圧である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチングレギ
ュレータに係わり、特に、スイッチングレギュレータに
接続する負荷が軽いときにそのスイッチングレギュレー
タの効率を向上させる技術に係わる。
【0002】
【従来の技術】一定のDC電圧を得るための装置とし
て、スイッチングレギュレータ(ここでは、DC/DC
コンバータ)が広く知られており、様々な電子機器、電
気機器に搭載されている。
【0003】図6は、既存のスイッチングレギュレータ
の構成図である。ここでは、昇圧型のスイッチングレギ
ュレータを採り上げる。この昇圧型のスイッチングレギ
ュレータは、直流の入力電圧Vinが与えられたときに、
それよりも高い一定の直流の出力電圧Vout を生成す
る。
【0004】誤差アンプ11は、出力電圧Vout を抵抗
ネットワークで分圧することにより得られるフィードバ
ック信号Vfbと、予め設定されている参照電圧Vref と
の誤差を増幅する。ここで、誤差アンプ11の出力は、
出力電圧Vout が一定の値を保持するようにコイル電流
の上限値を指示する信号として使用される。なお、参照
電圧Vref は、このスイッチングレギュレータが保持す
べき電圧を指示する。また、以下では、誤差アンプ11
の出力のことを「電流制御信号Vcnt 」と呼ぶことにす
る。
【0005】コンパレータ12は、電流制御信号Vcnt
とコイル電流を表すセンス電圧Vsとを比較する。ここ
で、コイル電流は、抵抗Rs の両端電圧をモニタするこ
とにより検出される。そして、コンパレータ12は、電
流制御信号Vcnt よりもセンス電圧Vs の方が低いとき
は「H」を出力し、電流制御信号Vcnt よりもセンス電
圧Vs の方が高くなったときに「L」を出力する。
【0006】フリップフロップ13は、発振器14によ
り生成される周期波を受信し、その立上りエッジを検出
したときにD端子に与えられている信号をQ端子から出
力する。ここで、フリップフロップ13のD端子には、
コンパレータ12の出力が与えられる。また、そのリセ
ット端子には、コンパレータ12の出力の反転信号が与
えられる。
【0007】スイッチM1は、例えばnMOSトランジ
スタであり、フリップフロップ13の状態に応じて制御
される。具体的には、スイッチM1は、フリップフロッ
プが「H」を出力しているときにはON状態(閉状態)
に制御され、フリップフロップ13が「L」を出力して
いるときはOFF状態(開状態)に制御される。
【0008】上記構成のスイッチングレギュレータにお
いて、スイッチM1がON状態の期間は、コイル電流は
増加してゆき、コイルLにエネルギーが蓄積される。ま
た、コイル電流の増加に伴って、センス電圧Vs が上昇
してゆく。そして、そのセンス電圧Vs が電流制御信号
Vcnt を越えると、コンパレータ12の出力が「H」か
ら「L」に変化する。これにより、フリップフロップ1
3がリセットされ、スイッチM1はターンオフされる。
【0009】一方、ダイオードDに順方向電圧が印加さ
れている期間は、そのダイオードDを介して電流が流
れ、出力コンデンサCout が充電されるので、出力電圧
Voutは上昇する。ここで、出力電圧Vout が上昇する
と、それに伴ってフィードバック信号Vfbも上昇し、誤
差アンプ11の出力である電流制御信号Vcnt は低下し
ていくことになる。そして、センス電圧Vs よりも電流
制御信号Vcnt の方が小さくなると、コンパレータ12
の出力は「L」から「H」に変化する。即ち、フリップ
フロップ13のリセット状態が解除されると共に、その
D端子に「H」が与えられることになる。従って、発振
器14により生成される周期波の次の立上りエッジを検
出すると、フリップフロップ13のQ出力は、「L」か
ら「H」に変化し、スイッチM1がターンオンされる。
【0010】以降、上述の処理が繰り返され、出力電圧
Vout は、参照電圧Vref に基づいて決まる一定の値に
保持される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、図6に
示す既存のスイッチングレギュレータにおいては、出力
電圧Vout を一定の値に保持するためのパラメータとし
て、コイル電流を表すセンス電圧Vs が使用されてい
る。ここで、このセンス電圧Vs は、抵抗Rs の両端電
圧をモニタすることにより検出される。このため、スイ
ッチM1がOFF状態の期間は、抵抗Rs を介して電流
が流れることはなく、センス電圧Vs は実質的にゼロに
なる。
【0012】そして、センス電圧Vs が実質的にゼロに
なると、誤算アンプ11の出力が僅かに「正」になった
だけでコンパレータ12の出力が「H」になってしま
う。すなわち、スイッチM1がOFF状態の期間は、出
力電圧Vout を表すフィードバック信号Vfbが参照電圧
Vref よりも僅かに小さくなっただけで、コンパレータ
12の出力が「H」になってしまう。そして、コンパレ
ータ12の出力が「H」になると、その後、フリップフ
ロップ13のQ出力は、発振器14により生成される周
期波により即座に「H」となり、スイッチM1はターン
オンされることになる。
【0013】図7は、既存のスイッチングレギュレータ
のスイッチング動作を説明する図である。なお、ここで
は、負荷が要求する電流が小さいものとする。まず、フ
リップフロップ13のD端子に「H」が与えられている
ときに、時刻T1 において周期波の立上りエッジが与え
られ、スイッチM1がターンオンされたものとする。こ
の場合、コイル電流の増加に伴ってセンス電圧Vs が上
昇し、そのセンス電圧Vs が電流制御信号Vcnt を越え
ると、フリップフロップ13がリセットされ、スイッチ
M1はターンオフされる。このとき、コイルに蓄積され
ているエネルギーにより出力コンデンサCout が充電さ
れ、出力電圧Vout は上昇していく。なお、負荷が要求
する電流が小さい場合には、スイッチM1がターンオン
されると、即座にセンス電圧Vs が電流制御信号Vcnt
を越え、これによりフリップフロップ13は即座にリセ
ットされることになる。すなわち、この場合、スイッチ
M1がターンオンされてからターンオフされるまでの時
間はかなり短くなる。
【0014】そして、コイルに蓄積されていたエネルギ
ーがなくなると、出力電圧Vout は減少に転じる。な
お、出力電圧Vout が減少すると、それに伴って誤差ア
ンプ11から出力される電流制御信号Vcnt は上昇して
いく。コンパレータ12は、電流制御信号Vcnt とセン
ス電圧Vs とを比較する。このとき、スイッチM1はO
FF状態に制御されているので、センス電圧Vs は実質
的にゼロである。このため、電流制御信号Vcnt は、即
座にセンス電圧Vs よりも大きくなる。図7に示す例で
は、時刻T2 においてセンス電圧Vs よりも電流制御信
号Vcnt の方が大きくなっている。この結果、時刻T2
以降、フリップフロップ13のD端子に「H」が与えら
れることになる。そして、この状態で時刻T3 において
周期波の立上りエッジが与えられると、フリップフロッ
プ13のQ出力は「H」となり、スイッチM1はターン
オンされる。
【0015】以降、同様に、スイッチM1は、周期波の
立上りエッジが与えられる毎にターンオンされ、その後
即座にターンオフされる動作を繰り返すことになる。こ
のように、図6に示す既存のスイッチングレギュレータ
においては、負荷が要求する電流が小さい場合であって
も、スイッチM1のスイッチング周波数は一定(発振器
14により生成される周期波の周波数)である。ここ
で、スイッチM1を駆動するためには、その都度、ドラ
イブ電流が必要とされる。したがって、上述のような既
存のスイッチングレギュレータにおいては、負荷が要求
する電流が小さくなったときでも、消費電力または消費
電流を一定値以下に抑えることが困難であった。すなわ
ち、既存のスイッチングレギュレータにおいては、効率
の低下が問題となっていた。
【0016】本発明の課題は、スイッチングレギュレー
タの効率を向上させることである。特に、負荷が要求す
る電流が小さいときの効率を向上させることである。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明のスイッチングレ
ギュレータは、スイッチおよびそのスイッチに接続され
るコイルを有し、そのスイッチを制御することにより出
力電圧が一定の値に保持される構成である。そして、第
1および第2の入力端子を有し出力電圧に基づいて生成
される電流制御信号が上記第1の入力端子に与えられる
コンパレータ、そのコンパレータによる比較の結果に従
って上記スイッチを制御する制御回路、および上記スイ
ッチが上記コイルにエネルギーを蓄積するための第1の
状態に制御されているときに上記コイルを介して流れる
コイル電流を表す信号を上記コンパレータの第2の入力
端子に与え、上記スイッチが上記コイル電流を阻止する
第2の状態に制御されているときに予め決められている
信号を上記コンパレータの第2の入力端子に与える信号
生成回路を備える。
【0018】上記構成によれば、スイッチが第2の状態
(例えば、OFF状態)に制御されている期間は、上記
コンパレータは、出力電圧に基づいて生成される電流制
御信号と、予め決められている信号とを比較する。スイ
ッチは、その比較結果に従って制御されることになる。
したがって、上記予め決められている信号として適切な
値を使用すれば、上記スイッチのスイッチング周波数が
低く抑えられる。これにより、スイッチングレギュレー
タの効率が向上する。
【0019】なお、上記スイッチングレギュレータにお
いて、上記信号生成回路が、上記スイッチが第2の状態
から第1の状態に変化したときから一定の期間上記コン
パレータの第2の入力端子にノイズが入力されることを
阻止するノイズ阻止手段をさらに有するようにしてもよ
い。この構成によれば、スイッチがターンオンされたと
きに発生し得るノイズの影響が上記コンパレータには及
ばなくなるので、スイッチングレギュレータの動作が安
定する。
【0020】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施形態のス
イッチングレギュレータの構成図である。なお、図1に
おいて使用する符号のうち、図6おいて使用した符号は
同じものを指す。すなわち、スイッチングレギュレータ
20のうち、誤差アンプ11、コンパレータ12、フリ
ップフロップ13、発振器14、スイッチM1、コイル
L、抵抗Rs 、ダイオードD、出力コンデンサCout な
どは、図6に示した既存のスイッチングレギュレータに
おいて使用されているものを流用可能である。
【0021】スイッチングレギュレータ20は、図6に
示したスイッチングレギュレータに対して信号生成回路
30を付加することにより実現可能である。この信号生
成回路30は、スイッチM1がON状態に制御されてい
る期間は、抵抗Rs の両端電圧であるセンス電圧Vs を
出力し、スイッチM1がOFF状態に制御されている期
間には、予め設定されているダミー電圧VLLを出力す
る。そして、信号生成回路30の出力は、スイッチ制御
信号Vc としてコンパレータ12の−端子に与える。
【0022】信号生成回路30は、スイッチM2、M
3、およびインバート回路31から構成される。スイッ
チM2、M3は、例えば、nMOSトランジスタであ
る。スイッチM2は、フリップフロップ13のQ出力に
より制御される。したがって、スイッチM2は、スイッ
チM1がON状態に制御されているときにON状態に制
御され、スイッチM1がOFF状態に制御されていると
きにOFF状態に制御される。一方、スイッチM3は、
フリップフロップ13のQ出力がインバート回路31に
より反転させられた信号により制御される。したがっ
て、スイッチM3は、スイッチM1がON状態に制御さ
れているときにOFF状態に制御され、スイッチM1が
OFF状態に制御されているときにON状態に制御され
る。
【0023】次に、図2を参照しながらスイッチングレ
ギュレータ20の動作を説明する。ここでは、時刻T1
においてスイッチM1がターンオンされた後の動作を説
明する。スイッチM1がON状態に制御されている期間
は、コイル電流が増加していくので、センス電圧Vs は
上昇していく。ここで、スイッチM1がON状態に制御
されている期間は、スイッチM2がON状態に制御され
ていると共に、スイッチM3はOFF状態に制御されて
いるので、信号生成回路30は、スイッチ制御信号Vc
としてこのセンス電圧Vs を出力する。このため、コン
パレータ12は、時刻T1 以降は、誤差アンプ11の出
力である電流制御信号Vcnt とセンス電圧Vs とを比較
する。そして、センス電圧Vs が上昇し、時刻T2 にお
いてそのセンス電圧Vs が電流制御信号Vcnt よりも大
きくなると、コンパレータ12の出力が「H」から
「L」に変化し、これに伴ってフリップフロップ13が
リセットされる。
【0024】フリップフロップ13がリセット状態にな
ると、スイッチM1はターンオフされ、以降、コイル電
流は減少していく。また、この時、スイッチM2がター
ンオフされると共に、スイッチM3はターンオンされる
ので、信号生成回路30は、時刻T2 以降、スイッチ制
御信号Vc としてダミー電圧VLLを出力する。したがっ
て、コンパレータ12は、時刻T2 以降は、誤差アンプ
11の出力である電流制御信号Vcnt とダミー電圧VLL
とを比較する。
【0025】電流制御信号Vcnt がダミー電圧VLLより
も低い期間は、コンパレータ12の出力が「L」であ
り、フリップフロップ13はリセット状態である。この
場合、発振器14により生成される周期波の立上りエッ
ジが与えられたとしても、フリップフロップ13のQ出
力は「L」のままである。即ち、電流制御信号Vcnt が
ダミー電圧VLLよりも低い期間は、スイッチM1は駆動
されることはなく、OFF状態のままである。
【0026】スイッチM1がOFF状態に制御されてい
る期間は、コイルLに蓄積されているエネルギーが無く
なった後は、出力電圧Vout は低下していくことにな
る。このとき、誤差アンプ11の出力である電流制御信
号Vcnt は上昇していく。そして、時刻T3 において電
流制御信号Vcnt がダミー電圧VLLを越えると、コンパ
レータ12の出力が「L」から「H」に変化する。
【0027】コンパレータ12の出力が「H」になる
と、フリップフロップ13のD端子に「H」が与えられ
ると共に、フリップフロップ13のリセット状態が終了
する。そして、時刻T4 において次の立上りエッジが与
えられると、フリップフロップ13の出力は「L」から
「H」に変化する。これにより、スイッチM1はターン
オンされる。そして、時刻T4 以降は、基本的に、時刻
T1 〜T4 の動作を繰り返す。
【0028】このように、本実施形態のスイッチングレ
ギュレータでは、スイッチM1が駆動される回数は、図
7を参照しながら説明した既存のスイッチングレギュレ
ータにおけるそれと比較して少なくなっている。即ち、
本実施形態のスイッチングレギュレータにおいては、ス
イッチM1を駆動するための駆動信号の周波数は、発振
器14により生成される周期波の周波数と比べて低く抑
えられている。これにより、消費電力または消費電流が
小さくなり、スイッチングレギュレータの効率が向上す
る。
【0029】なお、ダミー電圧VLLの大きさは、スイッ
チM1を駆動するための駆動信号の周波数と、出力電圧
Vout のリップルの大きさとの兼合いで決定される。す
なわち、ダミー電圧VLLを小さくすると、リップルは小
さくなるが、スイッチM1の駆動信号の周波数はさほど
低くならない。反対に、ダミー電圧VLLを必要以上に大
きくすると、スイッチM1の駆動信号の周波数は低くな
るが、リップルが大きくなってしまう。したがって、ダ
ミー電圧VLLは、例えば、出力電圧Vout のリップルが
許容される範囲内で出来るだけ大きな値に設定する。
【0030】ところで、スイッチM1をMOSトランジ
スタで構成すると、例えば、そのゲート・ソース間に寄
生容量が生じる。また、コイルLも寄生容量を有してい
る。このため、スイッチM1がターンオンまたはターン
オフされると、そのとき抵抗Rs を介してスパイク状の
ノイズ電流が流れることがある。そして、もし、そのよ
うなノイズの振幅が大きかった場合には、コンパレータ
12の比較動作に影響が及ぶ可能性がある。
【0031】図3は、上述のようなノイズ電流による影
響を回避する機能を持ったスイッチングレギュレータの
構成図である。このスイッチングレギュレータ40は、
図1に示したスイッチングレギュレータ20に対してス
イッチM4を設けることにより実現される。ここで、ス
イッチM4は、例えばnMOSトランジスタである。な
お、スイッチングレギュレータ40において、スイッチ
M2〜M4は、論理回路41により制御される。
【0032】図4(a) は、論理回路41の回路図であ
る。論理回路41は、遅延回路41および幾つかのゲー
ト回路を含み、フリップフロップ13のQ出力信号に基
づいてスイッチM2〜M4を駆動するための駆動信号G
2 〜G4 を生成する。なお、遅延回路42により遅延時
間を「T0 」とする。
【0033】図4(b) は、論理回路41の動作を説明す
る図である。駆動信号G2 は、基本的にフリップフロッ
プ13のQ出力信号と同じであるが、その立上りタイミ
ングは、Q出力信号に対して「T0 」だけ遅延してい
る。駆動信号G3 は、Q出力信号の反転信号である。そ
して、駆動信号G4 は、通常は「L」であり、フリップ
フロップ13のQ出力信号が「L」から「H」に変化し
たときにのみ、「T0 」に対応する時間だけ「H」にな
る信号である。
【0034】図5は、スイッチングレギュレータ40の
動作を説明する図である。スイッチングレギュレータ4
0の基本的な動作は、図3を参照しながら説明したスイ
ッチングレギュレータ20の動作と同じなので、ここで
は、スイッチング時に生じるノイズを除去する機能のみ
を説明する。
【0035】時刻T1 においてフリップフロップ13の
Q出力が「L」から「H」に変化したものとする。この
場合、スイッチM1がターンオンされると、それに伴っ
てスパイク状のノイズが発生することがある。ところ
が、スイッチングレギュレータ40においては、時刻T
1 〜T2 の期間、駆動信号G4 が「H」であり、スイッ
チM4はON状態に制御される。このため、この期間、
スイッチ制御信号Vc は強制的に「L」に固定される。
即ち、スイッチM1をターンオンすることによって発生
し得るノイズは、コンパレータ12に何ら影響を及ぼす
ことはない。よって、スイッチM1のスイッチングに起
因するノイズの影響は回避される。なお、時刻T2 以降
の動作は、図3を参照しながら説明した動作と同じなの
で、ここではその説明を省略する。
【0036】なお、図1または図3に示した構成は、単
なる実施形態であり、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。例えば、図1または図3において、ダイオー
ドDの代わりにMOSトランジスタを設けてもよい。こ
の場合、そのMOSトランジスタおよびスイッチM1
は、交互のオン/オフ制御される。
【0037】また、上述の実施例では、昇圧型のスイッ
チングレギュレータを採り上げて説明したが、本発明
は、降圧型のスイッチングレギュレータにも適用でき
る。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、スイッチングレギュレ
ータが備えるスイッチのスイッチング回数が少なくなる
ので、消費電力または消費電流が小さくなり、スイッチ
ングレギュレータ自体の効率が向上する。また、スイッ
チング時のノイズによる影響を排除できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態のスイッチングレギュレー
タの構成図である。
【図2】図1に示すスイッチングレギュレータの動作を
説明する図である。
【図3】本発明の他の実施形態のスイッチングレギュレ
ータの構成図である。
【図4】(a) は論理回路の回路図、(b) は論理回路の動
作を説明する図である。
【図5】図3に示すスイッチングレギュレータの動作を
説明する図である。
【図6】既存のスイッチングレギュレータの構成図であ
る。
【図7】既存のスイッチングレギュレータのスイッチン
グ動作を説明する図である。
【符号の説明】
11 誤差アンプ 12 コンパレータ 13 フリップフロップ 14 発振器 30 信号生成回路 31 インバート回路 41 論理回路 42 遅延回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スイッチおよびそのスイッチに接続され
    るコイルを有し、そのスイッチを制御することにより出
    力電圧が一定の値に保持されるスイッチングレギュレー
    タであって、 第1および第2の入力端子を有し、出力電圧に基づいて
    生成される電流制御信号が上記第1の入力端子に与えら
    れるコンパレータと、 そのコンパレータによる比較の結果に従って上記スイッ
    チを制御する制御回路と、 上記スイッチが上記コイルにエネルギーを蓄積するため
    の第1の状態に制御されているときに、上記コイルを介
    して流れるコイル電流を表す信号を上記コンパレータの
    第2の入力端子に与え、上記スイッチが上記コイル電流
    を阻止する第2の状態に制御されているときには、予め
    決められている信号を上記コンパレータの第2の入力端
    子に与える信号生成回路とを有するスイッチングレギュ
    レータ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のスイッチングレギュレ
    ータであって、 上記信号生成回路は、上記スイッチが第2の状態から第
    1の状態に変化したときから一定の期間上記コンパレー
    タの第2の入力端子にノイズが入力されることを阻止す
    るノイズ阻止手段をさらに有する。
  3. 【請求項3】 スイッチおよびそのスイッチに接続され
    るコイルを有しそのスイッチを制御することにより出力
    電圧が一定の値に保持されるスイッチングレギュレータ
    を制御する制御回路であって、 第1および第2の入力端子を有し、出力電圧に基づいて
    生成される電流制御信号が上記第1の入力端子に与えら
    れるコンパレータと、 そのコンパレータによる比較の結果に従って上記スイッ
    チを制御する制御回路と、 上記スイッチが上記コイルにエネルギーを蓄積するため
    の第1の状態に制御されているときに、上記コイルを介
    して流れるコイル電流を表す信号を上記コンパレータの
    第2の入力端子に与え、上記スイッチが上記コイル電流
    を阻止する第2の状態に制御されているときには、予め
    決められている信号を上記コンパレータの第2の入力端
    子に与える信号生成回路とを有するスイッチングレギュ
    レータの制御回路。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009106123A (ja) * 2007-10-25 2009-05-14 Shindengen Electric Mfg Co Ltd 電流検出回路
JP2009106124A (ja) * 2007-10-25 2009-05-14 Shindengen Electric Mfg Co Ltd 電流検出回路

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009106123A (ja) * 2007-10-25 2009-05-14 Shindengen Electric Mfg Co Ltd 電流検出回路
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