JP2005304218A - Power supply driver device and switching power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電圧を発生する電源装置さらには低電圧で大電流出力および優れた応答特性が要求されるスイッチング・レギュレータに適用して有効な技術に関し、例えばスイッチング用のパワートランジスタとそれを駆動するドライバIC(半導体集積回路)が1つのパッケージに封入されたドライバモジュールおよびそのようなモジュールを使用したスイッチング電源に利用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a technology effective when applied to a power supply device that generates a DC voltage, and further to a switching regulator that requires a low voltage, a large current output, and excellent response characteristics, for example, a power transistor for switching and driving it TECHNICAL FIELD The present invention relates to a driver module in which a driver IC (semiconductor integrated circuit) that is encapsulated in one package and a technology effective when used for a switching power supply using such a module.
近年、電子機器にはシステム制御装置としてマイクロプロセッサが搭載されるものが多くなっている。また、マイクロプロセッサ(以下、CPUと称する)の動作周波数はますます高くなる傾向があり、動作周波数の増加に伴って最大動作電流も増大している。ところで、CPU内蔵した携帯電子機器等においては、バッテリ電圧をスイッチング・レギュレータで降圧してCPUに動作電流を供給する方式が採用されることが多いが、近年、かかるマイコンシステム用のスイッチング・レギュレータとして、発生すべき電圧が低くかつ大きな電流を出力できるものが要求されるようになって来ている。 In recent years, many electronic devices are equipped with a microprocessor as a system control device. In addition, the operating frequency of a microprocessor (hereinafter referred to as CPU) tends to be higher, and the maximum operating current increases with an increase in operating frequency. By the way, in a portable electronic device or the like with a built-in CPU, a method is often adopted in which a battery voltage is stepped down by a switching regulator and an operating current is supplied to the CPU. However, as a switching regulator for such a microcomputer system in recent years. Therefore, there is a demand for a voltage that is low in voltage to be generated and that can output a large current.
また、スイッチング・レギュレータのコイルに電流を流すパワートランジスタとそれを駆動するドライバICが1つのパッケージに封入されたモジュール(以下、電源ドライバモジュールと称する)が提案されている。パワートランジスタとドライバICを内蔵したモジュールにあっては、ドライバICからパワートランジスタまでの配線を短くすることができるため、寄生インダクタンス成分を減らし電力効率を向上させることができるという利点がある。そこで、本発明者らは、図1に示すような構成を有する電源ドライバモジュールおよびそれを用いた降圧型スイッチング・レギュレータについて検討した。図1において、符号100で示されるのがドライバモジュール、110がドライバIC、Q1,Q2がMOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)からなるパワートランジスタである。
In addition, a module in which a power transistor that supplies current to a coil of a switching regulator and a driver IC that drives the power transistor are enclosed in one package (hereinafter referred to as a power supply driver module) has been proposed. The module incorporating the power transistor and the driver IC has an advantage that the wiring from the driver IC to the power transistor can be shortened, so that the parasitic inductance component can be reduced and the power efficiency can be improved. Therefore, the present inventors examined a power supply driver module having a configuration as shown in FIG. 1 and a step-down switching regulator using the same. In FIG. 1,
図1のような構成を有する電源ドライバモジュールおいては、図2に示すように、コントローラ200から供給されるPWM(パルス幅変調)制御パルスPWMに基づいて、コイルL0に電流を流すパワーMOSトランジスタQ1,Q2を相補的にオン、オフさせるゲート制御信号PHG,PLGがドライバIC110内部で生成される。このとき、信号PHG,PLGの遅延時間のばらつき等でハイレベルの期間が重なるとパワーMOSトランジスタQ1,Q2に貫通電流が流れてしまう。そこで、この貫通電流を確実に防止する一方法として、ドライバIC110内のコントロールロジック120では、ゲート制御信号PHG,PLGのハイレベルの期間が重ならないようにしていわゆるデッドタイムを有するようにしたゲート制御信号PHG,PLGを形成する方式が知られている。
In the power supply driver module having the configuration as shown in FIG. 1, as shown in FIG. 2, a power MOS transistor that supplies current to the coil L0 based on a PWM (pulse width modulation) control pulse PWM supplied from the
また、ハイ側のパワーMOSトランジスタQ1がオンされると出力端の電圧LXが入力電圧Vinに向かって上昇するため、Q1のゲート・ソース間電圧が小さくなる。このとき、パワーMOSトランジスタQ1としてNチャネルMOSトランジスタを用いていると、ゲート端子には入力電圧Vinよりもしきい値電圧分以上高い電圧が印加されないとQ1がオンしなくなる。そこで、電源電圧端子PVCCと出力端子OUTとの間にブートストラップ用のダイオードD1および容量C1を接続して昇圧した電圧VbootでパワーMOSトランジスタQ1の前段のゲート駆動回路111を動作させるようにすることが行なわれている。なお、電源ドライバモジュールに関する技術としては、例えば非特許文献1に記載されているものがある。
図1の電源ドライバモジュールにおいては、ハイ側のパワーMOSトランジスタQ1とロウ側のパワーMOSトランジスタQ2のゲート端子を駆動する前段のゲート駆動回路111,112の電源電圧が共通(PVCC)であり、Q1,Q2のゲート・ソース間電圧Vgsは同一とされている。
In the power supply driver module of FIG. 1, the power supply voltages of the previous stage
しかしながら、前述したように、マイコンシステム用のスイッチング・レギュレータは、低電圧で大電流を出力できるものが要求されるようになってきており、例えば12Vのような電圧に基づいて1.2Vのような低い電圧を発生する降圧型のスイッチング・レギュレータにあっては、PWM制御パルスのデューティは10%のように小さい。そのため、ハイ側のパワーMOSトランジスタQ1に比べてロウ側のパワーMOSトランジスタQ2がオンされる時間の方がかなり長くなる。従って、かかる低電圧、大出力電流のスイッチング・レギュレータにおいては、ロウ側のパワーMOSトランジスタQ2における電力損失を抑えることが、レギュレータの効率を向上させる上で重要である。 However, as described above, a switching regulator for a microcomputer system is required to be capable of outputting a large current at a low voltage, for example, 1.2V based on a voltage such as 12V. In a step-down switching regulator that generates a low voltage, the duty of the PWM control pulse is as small as 10%. Therefore, the time during which the low-side power MOS transistor Q2 is turned on is considerably longer than the high-side power MOS transistor Q1. Therefore, in such a low voltage, large output current switching regulator, it is important to suppress the power loss in the low-side power MOS transistor Q2 in order to improve the efficiency of the regulator.
また、パワーMOSトランジスタにおける電力損失の中で導通損失を抑えるには駆動電圧を高くしてMOSのオン抵抗を低くするのが良いが、駆動電圧を高くするとオン/オフ切替え時間が長くなる。つまり、導通損失低減とオン/オフ切替え時間の短縮とはトレードオフの関係にあるので、最適なゲート駆動電圧を見つけるのが重要である。一方、レギュレータの小型化を図る観点からは、スイッチング周波数が高くするのが望ましいが、スイッチング周波数を高くするとスイッチング損失が増大する。このスイッチング損失を減らすとともに出力の変化に対するモジュールの応答性を向上させるには、パワーMOSトランジスタの動作速度を速くするのが有効である。 In order to suppress conduction loss among power losses in the power MOS transistor, it is preferable to increase the drive voltage to lower the on-resistance of the MOS. However, increasing the drive voltage increases the on / off switching time. In other words, since there is a trade-off between reducing conduction loss and shortening the on / off switching time, it is important to find an optimal gate drive voltage. On the other hand, from the viewpoint of reducing the size of the regulator, it is desirable to increase the switching frequency, but if the switching frequency is increased, the switching loss increases. In order to reduce this switching loss and improve the module responsiveness to changes in output, it is effective to increase the operating speed of the power MOS transistor.
さらに、図1のドライバモジュールにおいては、ハイ側のパワーMOSトランジスタQ1とロウ側のパワーMOSトランジスタQ2が同じ半導体チップであるとは限らない。使用条件に応じて,ハイ側/ロウ側それぞれに適した特性のパワーMOSトランジスタQ1,Q2がモジュール化される。そのため、ハイ側のパワーMOSトランジスタQ1とロウ側のパワーMOSトランジスタQ2とで、それぞれ最適なゲート駆動電圧が異なる場合がある。 Further, in the driver module of FIG. 1, the high-side power MOS transistor Q1 and the low-side power MOS transistor Q2 are not necessarily the same semiconductor chip. Depending on the use conditions, power MOS transistors Q1 and Q2 having characteristics suitable for the high side and the low side are modularized. Therefore, the optimum gate drive voltage may be different between the high-side power MOS transistor Q1 and the low-side power MOS transistor Q2.
本発明者らは、上記のような課題を解決するには、ハイ側のパワーMOSトランジスタQ1のゲート駆動電圧とロウ側のパワーMOSトランジスタQ2のゲート駆動電圧を別々に設定できるようにするのが望ましいとの結論に達した。しかしながら、本発明者らが検討した図1のような構成の電源ドライバモジュールにおいては、ハイ側とロウ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧が同一であったため、充分な高効率化および応答性向上を達成することができないという不具合があることが明らかになった。 In order to solve the above-described problems, the present inventors have made it possible to separately set the gate drive voltage of the high-side power MOS transistor Q1 and the gate drive voltage of the low-side power MOS transistor Q2. A conclusion was reached that this was desirable. However, in the power supply driver module having the configuration as shown in FIG. 1 examined by the present inventors, the gate drive voltages of the high-side and low-side power MOS transistors are the same, so that the efficiency is improved sufficiently and the response is improved. It became clear that there was a defect that could not be achieved.
この発明の目的は、低電圧、大電流出力のスイッチング電源装置に好適な電源ドライバモジュールを提供することにある。
この発明の他の目的は、電力損失が少なく高効率のスイッチング電源装置およびそれに好適な電源ドライバモジュールを提供することにある。
この発明のさらに他の目的は、出力の変化に対する応答特性に優れるとともに、小型化を図ることができるスイッチング電源装置およびそれに好適な電源ドライバモジュールを提供することにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
An object of the present invention is to provide a power supply driver module suitable for a switching power supply device with a low voltage and a large current output.
Another object of the present invention is to provide a highly efficient switching power supply device with less power loss and a power supply driver module suitable for the switching power supply device.
Still another object of the present invention is to provide a switching power supply device that is excellent in response characteristics to changes in output and can be reduced in size, and a power supply driver module suitable for the switching power supply device.
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、インダクタとしてのコイルに電流を流すパワートランジスタとそれを駆動するドライバICとが1つのパッケージに封入され、PWM方式でパワートランジスタをスイッチング制御して入力電圧を降圧した電圧を出力するスイッチング電源装置を構成するドライバモジュール(電源ドライバ装置)において、2つの電源電圧端子間に直列形態に接続された2つのパワーMOSトランジスタのうちハイ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路の電源電圧とロウ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路の電源電圧とを外部より別々に設定、もしくはハイ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路の電源電圧を固定しロウ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路の電源電圧を外部より可変できるように構成したものである。
Outlines of representative ones of the inventions disclosed in the present application will be described as follows.
That is, a switching power supply device that encloses a power transistor that passes current through a coil as an inductor and a driver IC that drives the same, and outputs a voltage obtained by stepping down the input voltage by switching the power transistor using a PWM method. Power supply of a gate drive circuit that generates a gate drive voltage of a high-side power MOS transistor among two power MOS transistors connected in series between two power supply voltage terminals The power supply voltage of the gate drive circuit that generates the gate drive voltage of the low-side power MOS transistor is set separately from the outside, or the power supply voltage of the gate drive circuit that generates the gate drive voltage of the high-side power MOS transistor is set Fixed and low power Supply voltage of the gate drive circuit for generating a gate drive voltage of the OS transistor is obtained by configured to be variably from outside.
ここで、ハイ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧とロウ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成する各ゲート駆動回路の電源電圧を外部より異なる電圧に設定する具体的な方法としては、外部から電源電圧を印加する端子を別個に設ける方法や、内部にシリーズレギュレータのような電源回路を設けてレギュレータが出力する電圧を外部より制御する端子を設ける方法などが考えられる。 Here, a specific method for setting the power supply voltage of each gate drive circuit for generating the gate drive voltage of the high-side power MOS transistor and the gate drive voltage of the low-side power MOS transistor to a different voltage from the outside is as follows. A method of separately providing a terminal for applying a power supply voltage from the power supply or a method of providing a power supply circuit such as a series regulator inside to provide a terminal for controlling the voltage output from the regulator from the outside.
上記した手段によれば、ハイ側のパワーMOSトランジスタとロウ側のパワーMOSトランジスタのゲートをそれぞれ最適な電圧で駆動することができ、これによってパワーMOSトランジスタにおける損失を低減し、このドライバモジュールを使用した電源装置の電力効率を向上させることができる。また、特に、ロウ側のパワーMOSトランジスタにおける電力損失が問題となる低電圧、大電流出力のスイッチング電源装置において、ロウ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を高くしてオン抵抗を下げ、電力損失を減らすことができる。 According to the above-described means, the gates of the high-side power MOS transistor and the low-side power MOS transistor can be driven with optimum voltages, respectively, thereby reducing the loss in the power MOS transistor and using this driver module. Thus, the power efficiency of the power supply device can be improved. In particular, in a low-voltage, large-current output switching power supply device in which power loss in the low-side power MOS transistor is a problem, the gate drive voltage of the low-side power MOS transistor is increased to reduce the on-resistance, thereby reducing the power loss. Can be reduced.
また、ドライバIC内部に定電圧回路と,信号のレベルを変換するレベルシフト回路とを設け、ハイ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路とロウ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路を構成するMOSトランジスタにそれぞれ比較的ゲート耐圧の低いトランジスタを用いるように構成したものである。 Also, a constant voltage circuit and a level shift circuit for converting the signal level are provided in the driver IC, and a gate drive circuit for generating a gate drive voltage for the high-side power MOS transistor and a gate drive for the low-side power MOS transistor. A transistor having a relatively low gate withstand voltage is used for each MOS transistor constituting the gate driving circuit for generating a voltage.
上記した手段によれば、ゲート耐圧の低いトランジスタを用いることで高速動作が可能となり、出力の変化に対する応答特性を向上させることができるとともに、スイッチング周波数を高くしてもスイッチング損失がそれほど増大しないため、インダクタンスの低いコイルを用いて電源装置の小型化を図りつつ充分に大きな電流を出力させることが可能となる。 According to the above-described means, it becomes possible to operate at high speed by using a transistor having a low gate breakdown voltage, and it is possible to improve the response characteristics with respect to the change in output, and the switching loss does not increase so much even if the switching frequency is increased. Thus, it is possible to output a sufficiently large current while reducing the size of the power supply device using a coil with low inductance.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、本発明に従うと、低電圧、大電流出力のスイッチング電源装置に好適な電源ドライバモジュールを実現することができる。
また、本発明に従うと、電力損失が少なく高効率のスイッチング電源装置およびそれに好適な電源ドライバモジュールを実現することができる。
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
That is, according to the present invention, a power supply driver module suitable for a switching power supply device with a low voltage and a large current output can be realized.
Further, according to the present invention, a highly efficient switching power supply device with less power loss and a power supply driver module suitable for the switching power supply device can be realized.
さらに、本発明に従うと、出力の変化に対する応答特性に優れるとともに、小型化を図ることができるスイッチング電源装置およびそれに好適な電源ドライバモジュールを実現することができる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to realize a switching power supply device that is excellent in response characteristics with respect to changes in output and can be reduced in size, and a power supply driver module suitable for the switching power supply device.
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
図3は本発明に係る電源ドライバモジュールとそれを適用した降圧型スイッチング・レギュレータの第1の実施例を示す。なお、本明細書においては、複数の半導体チップやディスクリート部品がボンディングワイヤ等の金属配線で各部品が所定の役割を果たすように結合されることで、あたかも、一つの電子部品として扱えるように構成されたものをモジュールと称する。特に制限されるものでないが、この電源ドライバモジュールは、セラミックなどのパッケージに封入して完成品とされる。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 3 shows a first embodiment of a power supply driver module according to the present invention and a step-down switching regulator to which the power supply driver module is applied. In this specification, a plurality of semiconductor chips and discrete components are combined with metal wiring such as bonding wires so that each component plays a predetermined role, so that it can be handled as one electronic component. This is called a module. Although not particularly limited, the power supply driver module is enclosed in a package such as ceramic to be a finished product.
図3のスイッチング・レギュレータは、電池などの直流電源から供給される直流電圧Vinが入力される電圧入力端子P0と接地点(GND)との間にそのソース・ドレイン経路が直列に接続された一対の出力トランジスタとしてのパワーMOSトランジスタQ1,Q2および該トランジスタQ1,Q2のゲート端子を駆動するドライバIC110などを内蔵した電源ドライバモジュール100と、該モジュール100の出力端子OUTと負荷との間に接続されるインダクタとしてのコイルL0と、該コイルL0の負荷側のノードn1と接地点との間に接続され出力電圧Voutを安定化させる平滑容量C0と、該平滑容量C0と並列に接続された出力電圧検出用の直列形態の抵抗R1およびR2と、該抵抗R1およびR2の接続ノードn2の電位VFBに基づいてドライバIC110に対してPWM制御パルスPWMを生成して供給するコントローラ(PWM制御回路)200などから構成されている。
The switching regulator of FIG. 3 has a pair of source / drain paths connected in series between a voltage input terminal P0 to which a DC voltage Vin supplied from a DC power source such as a battery is input and a ground point (GND). Are connected between the output terminal OUT of the
実施例の電源ドライバモジュール100には、パワーMOSトランジスタQ1とQ2がそれぞれドライバIC110とは別個の半導体チップとして形成されたものが、ドライバIC110と共に内蔵されている。また、パワーMOSトランジスタQ1,Q2は共にNチャネル型のMOSFET(電界効果トランジスタ)が用いられている。Nチャネル型のMOSFETの方がPチャネル型のMOSFETよりも低オン抵抗、高速動作可能であるためである。
In the power
ドライバIC110は、入力電圧Vin側(ハイ側と称する)のパワーMOSトランジスタQ1のゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路111と、接地電位GND側(ロウ側と称する)のパワーMOSトランジスタQ2のゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路112と、前記コントローラ200からのPWM制御パルスPWMに基づいてパワーMOSトランジスタQ1とQ2が同時にオン状態になって貫通電流が流れないようにデッドタイムを有しかつ相補的にオン・オフされるように、前記ゲート駆動回路111,112の入力信号PHG,PLGを生成するコントロールロジック120などから構成されている。
The
この実施例においては、ドライバIC110に、前記ゲート駆動回路111の電源電圧HVCCを印加するための外部電源端子P1と、前記ゲート駆動回路112の電源電圧LVCCを印加するための外部電源端子P2と、前記コントロールロジック120の電源電圧VCCを印加するための外部電源端子P3がそれぞれ設けられている。また、電源電圧HVCCの端子P1とハイ側のパワーMOSトランジスタQ1のゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路111の電源端子との間にはダイオードD1が接続されているとともに、ダイオードD1のカソード端子(ゲート駆動回路111の電源端子)に接続された外部端子P4が設けられており、該外部端子P4とモジュールの出力端子OUTとの間に容量素子C1が接続されることによりダイオードD1と容量素子C1がゲート駆動回路111の電源電圧を昇圧するブートストラップ回路を構成するようにされている。
In this embodiment, an external power supply terminal P1 for applying the power supply voltage HVCC of the
前記ゲート駆動回路111と112によりハイ側のパワーMOSトランジスタQ1とロウ側のパワーMOSトランジスタQ2が、入力PWM制御パルスPWMのパルス幅に応じて相補的にオン、オフ動作されることによりコイルL0に電流が流され、PWM制御パルスのデューティ比に応じた電圧Voutが出力される。例えば、実施例のスイッチング・レギュレータにおける入力電圧Vinが12Vで、出力電圧が1.2Vの場合、PWM制御パルスPWMのデューティは約10%となる。
The
また、この実施例のスイッチング・レギュレータでは、ドライバIC110内のコントロールロジック120において、コントローラ200から供給されるPWM制御パルスPWMに基づいて、前記ゲート駆動回路111と112に入力されるゲート制御信号PHG,PLGが生成される。このとき、信号PHG,PLGの遅延時間のばらつき等でハイレベルの期間が重なるとパワーMOSトランジスタQ1,Q2に貫通電流が流れてしまうので、これを回避するためコントロールロジック120では、ゲート制御信号PHG,PLGのハイレベルの期間が重ならないように、デッドタイムを有するゲート制御信号PHG,PLGが形成される(図5参照)。
In the switching regulator of this embodiment, in the
本実施例のモジュールにおいては、ゲート駆動回路111と112の電源電圧HVCC,LVCCを供給するための外部電源端子P1,P2が別個に設けられているため、ハイ側とロウ側のパワーMOSトランジスタQ1,Q2のゲート駆動電圧をそれぞれ別個に最適化することができる。電源電圧HVCCとLVCCは、使用するパワーMOSトランジスタQ1,Q2の特性に応じて所望の動作速度が得られかつ損失が少なくなるように決定される。
In the module of the present embodiment, the external power supply terminals P1 and P2 for supplying the power supply voltages HVCC and LVCC of the
図5に、本実施例のモジュールを適用したスイッチング・レギュレータにおける各部の電圧波形を示す。本発明に先立って検討した図1のレギュレータにおける各部の電圧波形を示す図2と比較すると明らかなように、図1のレギュレータではハイ側とロウ側のパワーMOSトランジスタQ1,Q2のゲート・ソース間に印加される電圧HG−LXとLGとが同一のPVCCであったものが、本実施例ではそれぞれHVCCとLVCCとなる。 FIG. 5 shows voltage waveforms at various parts in the switching regulator to which the module of this embodiment is applied. As is apparent from comparison with FIG. 2 showing voltage waveforms at various parts in the regulator of FIG. 1 examined prior to the present invention, in the regulator of FIG. 1, the high-side and low-side power MOS transistors Q1, Q2 are connected between the gate and source. In this embodiment, the voltages HG-LX and LG applied to the same PVCC are HVCC and LVCC, respectively.
図4は、図3の実施例の変形例を示す。この変形例は、ブートストラップ回路を構成するダイオードD1をドライバIC110のチップに内蔵させる代わりに、外付け素子として接続するようにしたものであり、このように構成することによって図3の実施例に比べてドライバIC110に設けるべき外部端子数を減らすことができるという利点がある。
FIG. 4 shows a modification of the embodiment of FIG. In this modified example, the diode D1 constituting the bootstrap circuit is connected as an external element instead of being built in the chip of the
また、図3の実施例では、ゲート駆動回路111用の電源電圧HVCCとコントロールロジック120用の電源電圧VCCを別個にしているが、チップ内部にゲート駆動回路111用の電源電圧HVCCを生成するシリーズレギュレータのような電源回路を設け、この電源回路によって電源電圧VCCから所望のレベルの電圧HVCCを生成し、ブートストラップ回路を構成するダイオードD1を介してゲート駆動回路111へ供給するように構成しても良い。このように構成することにより、図3の実施例に比べてドライバIC110に設けられる外部端子数を減らすことができる。
In the embodiment of FIG. 3, the power supply voltage HVCC for the
図6は本発明に係る電源ドライバモジュールの第2の実施例を示す。
この第2実施例は、第1実施例におけるゲート駆動回路111,112内に定電圧回路131〜133およびレベルシフト回路141〜143を設けるとともに、ドライバIC110内にコントロールロジック120やゲート駆動回路111,112内のレベルシフト回路141〜143および論理ゲート回路INV1,INV2等の電源電圧を発生する電源回路130を設けたものである。電源回路130は、シリーズレギュレータなどで構成され、外部から供給される12Vのような電源電圧VCCに基づいて内部回路の動作に必要な例えば5Vのようなレベルの内部電源電圧Vcc_LLを生成し、コントロールロジック120やゲート駆動回路111,112内のレベルシフト回路141〜143およびインバータINV1,INV2へ供給する。内部電源電圧Vcc_LLは、接地電位GNDを基準としそれよりもVref(例えば5V)だけ高い電位とされる。
FIG. 6 shows a second embodiment of the power supply driver module according to the present invention.
In the second embodiment, constant voltage circuits 131 to 133 and level shift circuits 141 to 143 are provided in the
上記のように、定電圧回路131〜133およびレベルシフト回路141〜143を設けたのは、ゲート駆動回路111,112を構成するMOSトランジスタとしてゲート耐圧の低い素子を用いることにより、回路の高速化を図ったためである。以下、その理由について、詳しく説明する。定電圧回路およびレベルシフト回路それ自身は公知の回路と同一のものを使用することができるので、具体的な回路の図示と説明は省略する。定電圧回路131〜133は、シリーズレギュレータでもよいし、オペアンプやツェナーダイオードなどを用いた定電圧電源回路で構成することもできる。
As described above, the constant voltage circuits 131 to 133 and the level shift circuits 141 to 143 are provided because the use of elements having a low gate breakdown voltage as the MOS transistors constituting the
パワーMOSトランジスタQ1,Q2における損失を減らすにはQ1,Q2のゲート電圧を高くしてオン抵抗を下げる必要があり、そのためにはゲート駆動回路111,112へ比較的高い電源電圧HVCC,LVCCを与えて動作させるのが望ましい。また、パワーMOSトランジスタQ1,Q2におけるスイッチング損失を減らすにはオン・オフ切替え時間を短くする必要があり、それにはゲート駆動回路111,112の出力段のMOSトランジスタは高速で動作するものを使用するのが良い。
In order to reduce the loss in the power MOS transistors Q1 and Q2, it is necessary to increase the gate voltages of Q1 and Q2 to lower the on-resistance. For this purpose, relatively high power supply voltages HVCC and LVCC are applied to the
ところが、周知のように、MOSトランジスタは、そのゲート耐圧を高くするためゲート酸化膜の厚みを厚くするとしきい値電圧Vthが高くなり、電流能力が低下する。これを補うにはサイズ(ゲート幅)を大きくすれば良いが、そのようにするとゲート容量が増大するため高速動作ができなくなる。高速動作のためにはゲート酸化膜の薄いつまり低耐圧のMOSトランジスタを使用するのが良い。 However, as is well known, in the MOS transistor, when the gate oxide film is thickened to increase the gate breakdown voltage, the threshold voltage Vth increases and the current capability decreases. In order to compensate for this, the size (gate width) may be increased, but if this is done, the gate capacitance increases, and high-speed operation cannot be performed. For high-speed operation, it is preferable to use a thin gate oxide film, that is, a low breakdown voltage MOS transistor.
一方、スイッチング・レギュレータにとっては、パワーMOSトランジスタQ1,Q2のオン・オフ切替え時間を短くするためゲート駆動回路111,112の出力段のMOSトランジスタとして低耐圧であるが高速動作可能なトランジスタを使用し、パワーMOSトランジスタQ1,Q2のオン抵抗を下げるため高電圧を出力できるようにゲート駆動回路111,112の電源電圧HVCC,LVCCを高くするのが良いが、そのようにするとゲート駆動回路111,112の出力段のMOSトランジスタのゲートに高い電圧が印加されてゲート絶縁膜が破壊されおそれがある。そこで、この実施例のドライバICは、ゲート駆動回路111,112の出力段のMOSトランジスタMP1〜MN2に低耐圧(5〜6V)のトランジスタを使用するとともに、定電圧回路131〜133およびレベルシフト回路141〜143をゲート駆動回路111,112に設けて、出力MOSがゲート破壊を起こさずに高電圧を出力しかつ高速動作できるように構成されている。
On the other hand, for the switching regulator, in order to shorten the on / off switching time of the power MOS transistors Q1 and Q2, a transistor having a low withstand voltage but capable of operating at high speed is used as an output stage MOS transistor of the
また、この実施例のドライバICにおいては、ハイ側のゲート駆動回路111は、コントロールロジック120からの信号PHGを受けるインバータINV1と、該インバータINV1の出力信号をレベルシフトする第1のレベルシフト回路141および第2のレベルシフト回路142と、電源電圧端子HVCCと出力端子OUTとの間に直列に接続され第1のレベルシフト回路141でレベルシフトされた信号をゲート端子に受けるPチャネルMOSトランジスタMP1および第2のレベルシフト回路142でレベルシフトされた信号をゲート端子に受けるNチャネルMOSトランジスタMN1と、前記ブートストラップ回路(D1,C1)により昇圧された電圧Vbootを基準にこれよりも所定のレベルVrefだけ低い電圧を発生し第1のレベルシフト回路141に供給する定電圧回路131と、出力電圧Vout(レベルLX)を基準にこれよりも所定のレベルVrefだけ高い電圧を発生し第2のレベルシフト回路142に供給する定電圧回路132とにより構成されている。本発明は上記回路構成に限定されるものではなく、前記MP1,MN1で構成される出力段の手前にそれぞれプリドライバ回路等があっても本発明は有効である。
In the driver IC of this embodiment, the high-side
また、ロウ側のゲート駆動回路112は、コントロールロジック120からの信号PLGを受けるインバータINV2と、該インバータINV2の出力信号をレベルシフトする第3のレベルシフト回路143と、電源電圧端子LVCCと接地点GNDとの間に直列に接続され第3のレベルシフト回路143でレベルシフトされた信号をゲート端子に受けるPチャネルMOSトランジスタMP2およびインバータINV2の出力信号をゲート端子に受けるNチャネルMOSトランジスタMN2と、外部端子に印加されている電源電圧LVCCを基準にこれよりも所定のレベルVrefだけ低い電圧を発生し第3のレベルシフト回路143に供給する定電圧回路133とにより構成されている。本発明は上記回路構成に限定されるものではなく、前記MP2,MN2で構成される出力段の手前にそれぞれプリドライバ回路等があっても本発明は有効である。
The low-side
第1のレベルシフト回路141は、振幅Vcc_LL〜GNDの信号を,振幅Vboot〜(Vboot−Vref)の信号に変換する。また、第2のレベルシフト回路142は、振幅Vcc_LL〜GNDの信号を振幅(LX+Vref)〜LXの信号に変換する。さらに、第3のレベルシフト回路143は、振幅Vcc_LL〜GNDの信号を振幅LVCC〜(LVCC−Vref)の信号に変換する。これにより、電源電圧HVCC,LVCCに依らず、図7に示すようにゲート駆動回路111,112の出力段のMOSトランジスタMP1〜MN2のゲート・ソース間電圧MP1_Vgs, MN1_Vgs, MP2_Vgs, MN2_VgsがVrefに制限され、MOSトランジスタMP1〜MN2が低耐圧の素子であってもゲート破壊を起こすのを防止することができる。
The first level shift circuit 141 converts a signal having an amplitude Vcc_LL to GND into a signal having an amplitude Vboot to (Vboot−Vref). Further, the second
図8は本発明に係る電源ドライバモジュールの第3の実施例の回路構成図を、図9はそのタイミングチャートを示す。
この実施例は、図6の第2実施例におけるハイ側のゲート駆動電圧は定電圧回路130で決まる固定電圧とし、ロウ側のゲート駆動電圧のみ電源電圧LVCCで設定可能としたものである。ロウ側のゲート駆動回路112にのみ定電圧回路133を設けて出力段のMOSトランジスタMP2のゲート制御信号HLGをレベルシフト回路143でレベルシフトするように構成している。ロウ側のゲート駆動電圧のみ設定可能としたのは,モジュールの入力電圧Vinが12Vで、レギュレータの出力電圧が1.2Vのような低電圧出力の場合、PWM制御パルスのデューティは約10%となるため、ロウ側のパワーMOSトランジスタQ2がオンしている時間が長くなり、Q1よりもQ2における損失を減らすことが重要となるからである。
FIG. 8 is a circuit configuration diagram of a third embodiment of the power supply driver module according to the present invention, and FIG. 9 is a timing chart thereof.
In this embodiment, the high-side gate drive voltage in the second embodiment of FIG. 6 is a fixed voltage determined by the
そこで、この実施例では、ロウ側のパワーMOSトランジスタQ2としてハイ側のパワーMOSトランジスタQ1よりもサイズの大きな素子を使用している。これとともに、ロウ側のゲート駆動回路112の出力段のMOSトランジスタMP2,MN2を低耐圧(5〜6V)で高速動作可能な素子で構成して、ゲート駆動回路112へ比較的高い電圧LVCCに与えてもゲート破壊を起こさないようにしつつロウ側のパワーMOSトランジスタQ2のゲート端子を比較的高い電圧で駆動してオン抵抗を下げるとともに、スイッチング損失を減らすように構成されている。ハイ側のゲート駆動回路111は電源電圧130から供給される比較的低い内部電源電圧Vcc_LLで動作するため,出力段のMOSトランジスタMP1,MN1は低耐圧の素子で構成できる。ただし、出力段のMOSトランジスタMP1,MN1の低電位側の電源電圧は出力電位(出力端子OUTの電位)LXであるので、MP1,MN1のゲート駆動信号IHGもLXを基準とする必要があるため、レベルシフト回路144を設けている。
Therefore, in this embodiment, an element having a size larger than that of the high-side power MOS transistor Q1 is used as the low-side power MOS transistor Q2. At the same time, the MOS transistors MP2 and MN2 at the output stage of the low-side
図10は、図8の実施例の変形例を示す。この変形例は、モジュールという形態をとらずに、ドライバIC110とパワーMOSトランジスタQ1,Q2、コントローラ200等で電源装置を構成したものである。この変形例は、パワーMOSトランジスタQ1,Q2としてシステムに最適な特性の素子を選択して使用することができるという利点がある。より具体的には、例えば使用する入力電圧Vinと発生する電圧Voutの比すなわちPWM制御パルスPWMのデューティ比に応じて損失が最も少なくなるような特性を有するパワーMOSトランジスタを選択して電源装置を構成し、これによって電源装置の電力効率を向上させるようなことができる。
FIG. 10 shows a modification of the embodiment of FIG. In this modification, a power supply device is configured by a
図11は本発明に係る電源ドライバモジュールの第4の実施例を示す。
この実施例は、図8の実施例のモジュールにおいて、出力電位LXとロウ側のパワーMOSトランジスタQ2のゲート電圧LGをコントロールロジック120にフィードバックするとともに、ゲート駆動回路111内の途中の信号FBHGをコントロールロジック120にフィードバックして、これらの信号の変化に応じてゲート駆動回路111,112の制御信号PHGとPLGのタイミングを調整することで、ハイ側とロウ側のパワーMOSトランジスタQ1,Q2が同時にオン状態になって貫通電流が流れる事態を確実に回避できるようにしたものである。
FIG. 11 shows a fourth embodiment of the power supply driver module according to the present invention.
In this embodiment, in the module of the embodiment of FIG. 8, the output potential LX and the gate voltage LG of the low-side power MOS transistor Q2 are fed back to the
ここで、出力電位LXのみをコントロールロジック120にフィードバックして、出力電位の変化に応じてゲート駆動回路111,112の制御信号PHGとPLGのタイミングを調整する方式も考えられる。しかしながら、前述したような降圧型スイッチング・レギュレータにおいては、負荷が急に軽くなった場合に、出力電位LXの立ち下がり速度が立ち上がり速度にくらべてかなり遅くなり、それによって出力電圧Voutが変動してしまうという不具合がある。
Here, a method of feeding back only the output potential LX to the
そこで、本実施例では、ゲート駆動回路111の途中からフィードバックされた信号FBHGを所定の時間だけ遅延させるディレイ回路(もしくはタイマ回路)121がコントロールロジック120に設けられており、NANDゲートG1で出力ノードの電位LXと所定の時間だけ遅延された信号FBHGのタイミングを比較して、立下りのタイミングの早い方の変化に応じて、ANDゲートG2の一方の入力を変化させてゲート駆動回路112の制御信号PLGのタイミングを調整するように構成されている。
Therefore, in this embodiment, a delay circuit (or timer circuit) 121 that delays the signal FBHG fed back from the middle of the
その結果、負荷が急に軽くなった場合にゲート駆動回路112の制御信号PLGのタイミングを早くすることで出力電位LXの立ち下がりを早くさせることができ、それによって出力電圧Voutの変動を抑え安定化させることができるという利点がある。出力電位LXの立ち上がりは負荷の大小に関係なく比較的速いので、コントローラ200からのPWM制御パルスPWMを一方の入力とするANDゲートG3の他方の反転入力端子に、ゲート駆動回路112の出力すなわちロウ側のパワーMOSトランジスタQ2のゲート電圧LGを入力させてその立下りタイミングでハイ側ゲート駆動回路111の制御信号PHGを立ち上げるように構成されている。
As a result, when the load suddenly becomes light, the timing of the control signal PLG of the
なお、本実施例では、ゲート駆動回路111の途中から引き出されてコントロールロジック120へフィードバックされる信号FBHGはレベルシフト回路144でLX基準にシフトされた信号であり、コントロールロジックの接地電位GND基準の他の入力信号に合わせるため、レベルシフト回路145が設けられている。また、出力ノードの電位LXは入力電圧Vin〜接地電位GND振幅の信号であり、コントロールロジックの他の信号の振幅に合わせるため、電圧クランプ回路146が設けられている。
In the present embodiment, the signal FBHG that is extracted from the middle of the
図12は第4の実施例の電源ドライバモジュールにおけるコントロールロジック120の変形例を示す。この変形例は、コントロールロジック120内に、ゲート駆動回路111の途中から引き出されてフィードバックされる信号FBHGをレベルシフトするレベルシフト回路145およびディレイ回路121と共に、信号FBHGを、接地電位を基準にクランプする電圧クランプ回路146と、該電圧クランプ回路146の出力とディレイ回路121の出力をNANDゲートG1に入力するようにしたものである。信号FBHGを電圧クランプ回路146に接続することにより,出力電位LXとハイ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を同時にモニタ可能となり、出力電位LXが外付け定数などの影響でリンギングなどのノイズが大きい場合においても、安定した信号をNANDゲートG1に伝達することができる。
FIG. 12 shows a modification of the
図13には、電圧クランプ回路146の具体的な回路例が示されている。
FIG. 13 shows a specific circuit example of the
この実施例の電圧クランプ回路は、前記レギュレータ130で生成された電圧Vcc_LLが印加された電源端子と接地点GNDとの間に直列に接続されたMOSトランジスタM11,M12からなる入力側のCMOSインバータと、信号の入力端子とM11のゲート端子との間に接続されたMOSトランジスタM13と、M11のゲート端子と接地点GNDとの間に並列に接続されたMOSトランジスタM14およびキャパシタCiと、M12のドレイン端子と接地点GNDとの間に直列に接続されたMOSトランジスタM15と、電源端子と接地点GNDとの間に直列に接続されM12のドレイン端子にゲート端子が接続されたMOSトランジスタM16,M17からなる出力側のCMOSインバータとにより構成されている。上記MOSトランジスタM15のゲート端子には、出力側のCMOSインバータ回路の出力信号Voが帰還されている。
The voltage clamp circuit of this embodiment includes an input-side CMOS inverter composed of MOS transistors M11 and M12 connected in series between a power supply terminal to which the voltage Vcc_LL generated by the
MOSトランジスタM11,M16はPチャネルMOSFETからなり、MOSトランジスタM12,M13,M15およびM17はNチャネルMOSFETからなる。また、MOSトランジスタM13には、半導体チップ上で横方向に端子を拡散させた高耐圧のLDMOS(Laterally Diffused MOSFET)が用いられる。MOSトランジスタM14は、デプレッション型のMOSトランジスタからなり、ゲートとソースが結合されることにより、所定の電流を流す電流源として機能する。この電流源は、ゲートに所定電圧が印加されたエンハンスメント型のNチャネルMOSFETで構成してもよいし、ポリシリコン層等で構成された高抵抗素子で構成してもよい。キャパシタCiはMOS容量により構成することができる。このゲート容量は、例えばMOSトランジスタM12の数10個分相当のMOSFETを用いて構成され、約1pFのような容量値を持つように形成される。 MOS transistors M11 and M16 are P-channel MOSFETs, and MOS transistors M12, M13, M15 and M17 are N-channel MOSFETs. The MOS transistor M13 is a high breakdown voltage LDMOS (Laterally Diffused MOSFET) in which terminals are diffused laterally on a semiconductor chip. The MOS transistor M14 is a depletion type MOS transistor, and functions as a current source for supplying a predetermined current by coupling a gate and a source. This current source may be composed of an enhancement type N-channel MOSFET in which a predetermined voltage is applied to the gate, or may be composed of a high resistance element composed of a polysilicon layer or the like. The capacitor Ci can be composed of a MOS capacitor. The gate capacitance is configured using, for example, MOSFETs corresponding to several tens of MOS transistors M12, and is formed to have a capacitance value of about 1 pF.
この実施例のクランプ回路の入力側CMOSインバータ回路は、出力信号VoがロウレベルのときにMOSトランジスタM15がオフ状態となり、MOSトランジスタM11とM12のコンダクタンス比に対応した第1の論理しきい値を持つようにされる。これに対して、出力信号VoがハイレベルのときにMOSトランジスタM15はオン状態となり、MOSトランジスタM12とM15が並列形態となり、入力側のCMOSインバータ回路は上記第1の論理しきい値よりも低い論理しきい値に変化する。これにより、入力信号Viがロウレベルからハイレベルに変化するときは上記高い第1論理しきい値となり、ハイレベルからロウレベルに変化するときは上記低い第2論理しきい値となるというヒステリシス伝達特性を持つようにされる。これによって、入力信号Viが上記第1論理しきい値電圧以上になると、それよりも低い第2論理しきい値電圧以下にならなければ出力信号Voが変化しなくなるので、入力信号Viが入力回路の論理しきい値電圧付近のときにノイズが発生してもそれに応答して出力信号Voが変化しないから、安定した出力が得られる。 In the input side CMOS inverter circuit of the clamp circuit of this embodiment, when the output signal Vo is at a low level, the MOS transistor M15 is turned off and has a first logic threshold value corresponding to the conductance ratio of the MOS transistors M11 and M12. To be done. In contrast, when the output signal Vo is at a high level, the MOS transistor M15 is turned on, the MOS transistors M12 and M15 are in parallel, and the CMOS inverter circuit on the input side is lower than the first logic threshold value. Changes to a logical threshold. Thus, the hysteresis transfer characteristic is such that when the input signal Vi changes from the low level to the high level, the high first logic threshold value is obtained, and when the input signal Vi changes from the high level to the low level, the low second logic threshold value is obtained. Have to have. Accordingly, when the input signal Vi becomes equal to or higher than the first logic threshold voltage, the output signal Vo does not change unless the input signal Vi becomes lower than the second logic threshold voltage lower than the first logic threshold voltage. Even if noise occurs near the logic threshold voltage, the output signal Vo does not change in response to it, so that a stable output can be obtained.
図13の電圧クランプ回路は、Vboot−LXのような振幅の入力信号ViをVcc_LL−GNDの振幅の信号に変換して出力する。このときMOSトランジスタM13のゲートには、制限すべき電圧として電源電圧Vcc_LLが供給される。これによって、入力電圧Viが電源電圧Vcc_LLよりも高い場合(Vi=Vboot)にM13がオン状態にされ、M13のソース電圧すなわちMOSトランジスタM12のゲート電圧がVcc_LL−Vthnにクランプされ、出力側インバータの出力Voはハイレベル(Vcc_LL)となる。ここで、VthnはMOSトランジスタM13のしきい値電圧である。 The voltage clamp circuit of FIG. 13 converts an input signal Vi having an amplitude such as Vboot-LX into a signal having an amplitude of Vcc_LL-GND and outputs the signal. At this time, the power supply voltage Vcc_LL is supplied to the gate of the MOS transistor M13 as a voltage to be limited. As a result, when the input voltage Vi is higher than the power supply voltage Vcc_LL (Vi = Vboot), M13 is turned on, the source voltage of M13, that is, the gate voltage of the MOS transistor M12 is clamped to Vcc_LL−Vthn, and the output side inverter The output Vo becomes high level (Vcc_LL). Here, Vthn is a threshold voltage of the MOS transistor M13.
入力信号Viがロウレベル(LX)でLX<VthLの場合、出力側インバータの出力Voはロウレベル(GND)となる。ここで、VthLは入力側インバータ(M11,M12)の論理しきい値電圧である。この実施例では、上記MOSトランジスタM13による電圧クランプ動作を安定的かつ高速に行なえるようにするために、M13のソース端子と回路の接地電位との間に直流的な電流成分を流すことが可能な電流源としてのMOSトランジスタM14が設けられている。 When the input signal Vi is low level (LX) and LX <VthL, the output Vo of the output side inverter is low level (GND). Here, VthL is the logic threshold voltage of the input side inverters (M11, M12). In this embodiment, in order to perform the voltage clamping operation by the MOS transistor M13 stably and at high speed, a direct current component can be passed between the source terminal of M13 and the ground potential of the circuit. A MOS transistor M14 is provided as a simple current source.
さらに、この実施例では、トランジスタM13の基体にM14のドレイン電圧が印加されるように構成されている。その理由は、仮に、MOSトランジスタM13の基体が入力端子側に接続されているとすると、M13は入力端子から入力側インバータへ向かう方向に接続されたダイオードと同じ働きの素子となり、電圧クランプ効果が得られないためである。なお、MOSトランジスタM13の基体は接地点GNDに接続しても構わないものの、基板バイアス効果によりしきい値電圧Vthnが高くなり、入力信号Viが次段の入力側インバータ回路の論理しきい値に到達しないことにより誤動作を起こすおそれがある。よって、本実施例ではMOSトランジスタM13は、電気的に基板から分離されたP型ウェル領域に形成され、かかるP型ウェル(チャネル領域)が上記MOSトランジスタM13の出力側であるM14のドレイン端子に接続されている。これにより、安定的にクランプ動作を行なうことができる。そして、クランプされた電位が入力側のインバータで判別され、出力側のインバータに伝達されて出力される。その結果、通常のクランプ回路に比べて高速にクランプ出力が得られる。 Further, in this embodiment, the drain voltage of M14 is applied to the base of the transistor M13. The reason is that if the base of the MOS transistor M13 is connected to the input terminal side, the M13 becomes an element having the same function as a diode connected in the direction from the input terminal to the input side inverter, and the voltage clamping effect is This is because it cannot be obtained. Although the base of the MOS transistor M13 may be connected to the ground point GND, the threshold voltage Vthn increases due to the substrate bias effect, and the input signal Vi becomes the logic threshold value of the input inverter circuit at the next stage. Failure to do so may cause malfunction. Therefore, in this embodiment, the MOS transistor M13 is formed in a P-type well region electrically isolated from the substrate, and the P-type well (channel region) is connected to the drain terminal of M14 which is the output side of the MOS transistor M13. It is connected. Thereby, a clamp operation can be performed stably. The clamped potential is discriminated by the inverter on the input side, transmitted to the inverter on the output side, and output. As a result, a clamp output can be obtained at a higher speed than a normal clamp circuit.
キャパシタCi=0、つまりキャパシタCiが存在しない状態では、MOSトランジスタM13のソース,ドレイン間の寄生容量Cdsによるカップリングによってクランプ電圧が約7.8Vも上昇してしまい、その後に前記電流源(M14)によって放電が行われて徐々に低下する。つまり、MOSトランジスタM11とM12によるCMOSインバータ回路の入力容量が小さく、上記寄生容量Cdsとの分圧によって上記約7.8Vも上昇してしまうものとなる。 When the capacitor Ci = 0, that is, when the capacitor Ci does not exist, the clamp voltage rises by about 7.8 V due to the coupling by the parasitic capacitance Cds between the source and drain of the MOS transistor M13, and then the current source (M14 ) And discharge is gradually reduced. That is, the input capacity of the CMOS inverter circuit composed of the MOS transistors M11 and M12 is small, and the voltage is increased by about 7.8V due to the voltage division with the parasitic capacity Cds.
上記キャパシタCiの容量値をCi=0.5pFのとき、Ci=1pFのとき、Ci=1.5pFのとき、Ci=2pFのときのように、クランプ電圧は約3.6V、3V、2.6V、2.2Vのように抑えられる。キャパシタCiは、入力回路の入力容量でもあるので、容量値を大きくするとMOSトランジスタM13を通したクランプ電圧までの充電時間、あるいは立ち下がり時の放電時間が長くなるので、この実施例では必要最小と考えられるCi=1pFに設定されている。上記寄生容量Cdsでのカップリング動作は、上記キャパシタCiの容量値を適当に設定することにより、そのカップリングを利用してクランプ電圧の立ち上がり、立ち下がりを高速にすることができるようになる。 When the capacitance value of the capacitor Ci is Ci = 0.5 pF, Ci = 1 pF, Ci = 1.5 pF, and Ci = 2 pF, the clamp voltage is about 3.6 V, 3 V, 2. It is suppressed like 6V and 2.2V. Since the capacitor Ci is also an input capacitance of the input circuit, if the capacitance value is increased, the charging time to the clamp voltage through the MOS transistor M13 or the discharging time at the falling time becomes longer. Possible Ci is set to 1 pF. In the coupling operation with the parasitic capacitance Cds, by appropriately setting the capacitance value of the capacitor Ci, the rising and falling of the clamp voltage can be accelerated using the coupling.
図14は本発明に係る電源ドライバモジュールを複数個使用した電源システムとしてのマルチフェーズシステムの構成例を示す。
図14の電源システムは、1つのスイッチング・レギュレータの電流供給能力よりも大きい電流を必要とする負荷に適したシステムである。図14において、符号100A,100B……100Nが付されているのは、図3,図4,図6,図8,図11に示されているような構成を有するパワーMOS内蔵の電源ドライバモジュールであり、複数の電源ドライバモジュールが1つのコントローラ200によってPWM駆動制御される。そして、各電源ドライバモジュールによって電流が流されるコイルL1,L2,……LNにはこれと直列に電流センス抵抗Rs1,Rs2,……RsNが接続されており、これらのセンス抵抗の両端子の電圧VCS11,VCS12;VCS21,VCS22;……VCSN1,VCSN2がコントローラ200にフィードバックされるとともに、コントローラ200には出力Voutもフィードバックされている。フィードバックする電圧は、図3のように出力端子−接地点間に設けられた抵抗R1,R2で分圧された電圧であっても良い。
FIG. 14 shows a configuration example of a multiphase system as a power supply system using a plurality of power supply driver modules according to the present invention.
The power supply system of FIG. 14 is a system suitable for a load that requires a current larger than the current supply capability of one switching regulator. In FIG. 14,
コントローラ200は、フィードバックされた出力電圧Voutに基づいて該電圧が目標電圧となるように系全体としてのPWM制御パルスのデューティを決定するとともに、電流センス抵抗Rs1,Rs2,……RsNの端子間電圧VCS11,VCS12;VCS21,VCS22;……VCSN1,VCSN2に応じて、各コイルL1,L2,……LNに流れる電流が均等になるように各電源ドライバモジュール100A〜100Nの個々のPWM制御パルスPWM_1,PWM_2,……PWM_Nを生成して制御を行なうように構成される。これによって、一部のコイルに過大な電流が流れて破損したり特性が劣化したりするのを回避することができる。
The
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、前記実施例においては、ロウ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路の電源電圧を供給する外部端子を、ハイ側のパワーMOSトランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路の電源電圧を供給する外部端子と別個に設けているが、ドライバICチップ内部にシリーズレギュレータのような電源回路と該レギュレータが出力する電圧を外部より制御する端子もしくはレジスタとを設けて、一方のゲート駆動回路の電源電圧から他方のゲート駆動回路の電源電圧を生成させその電圧のレベルをシステムに応じて外部から任意に設定できるように構成することも可能である。 The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Nor. For example, in the embodiment, the external terminal for supplying the power supply voltage of the gate drive circuit for generating the gate drive voltage of the low-side power MOS transistor is used as the gate drive circuit for generating the gate drive voltage of the high-side power MOS transistor. The driver IC chip is provided with a power supply circuit such as a series regulator and a terminal or register for controlling the voltage output from the regulator from the outside. It is also possible to generate the power supply voltage of the other gate drive circuit from the power supply voltage of the gate drive circuit and to arbitrarily set the voltage level from the outside according to the system.
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である電子機器の電源装置として使用する降圧型スイッチング・レギュレータについて説明したが、本発明は昇圧型のスイッチング・レギュレータなどにも広く利用することができる。 In the above description, the step-down switching regulator that uses the invention made by the present inventor as the power supply device of the electronic equipment, which is the field of use behind the invention, has been described. It can also be used widely.
100 電源ドライバモジュール
110 ドライバIC
111,112 ゲート駆動回路
120 コントロールロジック
121 ディレイ回路(タイマ回路)
130 内部電源回路
131〜133 定電圧回路
141〜145 レベルシフト回路
200 コントローラ
Q1,Q2 パワーMOSトランジスタ
C1 ブートストラップ用容量
D1 ブートストラップ用ダイオード
L0 インダクタ(コイル)
100
111, 112
130 Internal power supply circuit 131-133 Constant voltage circuit 141-145
Claims (16)
第1と第2の電源電圧端子間に直列形態に接続された2つのパワートランジスタを備え、
上記2つのパワートランジスタのうち、第1の電源電圧端子側のパワートランジスタのゲート駆動電圧を生成する第1のゲート駆動回路の電源電圧と第2の電源電圧端子側のパワートランジスタのゲート駆動電圧を生成する第2のゲート駆動回路の電源電圧とがそれぞれ別個に設定可能にされることを特徴とする電源ドライバ装置。 A power supply driver device having a power transistor for passing a current to an inductor and a driver IC for driving the power transistor, and outputting a voltage obtained by stepping down the input voltage by switching the power transistor using a pulse width modulation (PWM) method.
Comprising two power transistors connected in series between first and second power supply voltage terminals;
Of the two power transistors, the power supply voltage of the first gate drive circuit that generates the gate drive voltage of the power transistor on the first power supply voltage terminal side and the gate drive voltage of the power transistor on the second power supply voltage terminal side are A power supply driver device, wherein the power supply voltage of the second gate drive circuit to be generated can be set separately.
上記ドライバICは、
前記第1のゲート駆動回路の電源電圧を外部より任意に設定可能な第1の外部端子と、
前記第2のゲート駆動回路の電源電圧を外部より任意に設定可能な第2の外部端子と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の電源ドライバ装置。 The driver IC is enclosed in one package,
The driver IC is
A first external terminal capable of arbitrarily setting the power supply voltage of the first gate driving circuit from the outside;
A second external terminal capable of arbitrarily setting the power supply voltage of the second gate drive circuit from the outside;
The power supply driver device according to claim 1, further comprising:
該制御論理回路の電源電圧を外部より供給する第3の外部端子とを備えることを特徴とする請求項2に記載の電源ドライバ装置。 A control logic circuit for generating an input signal of the first gate driving circuit and an input signal of the second gate driving circuit so that conduction periods of the two power transistors do not overlap;
The power supply driver device according to claim 2, further comprising a third external terminal that supplies a power supply voltage of the control logic circuit from outside.
上記電源ドライバ装置は、
前記第1のゲート駆動回路の電源電圧を外部より任意に設定可能な第1の外部端子と、
前記第2のゲート駆動回路の電源電圧を外部より任意に設定可能な第2の外部端子と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の電源ドライバ装置。 The two power transistors and the driver IC are enclosed in one package,
The power supply driver device is
A first external terminal capable of arbitrarily setting the power supply voltage of the first gate driving circuit from the outside;
A second external terminal capable of arbitrarily setting the power supply voltage of the second gate drive circuit from the outside;
The power supply driver device according to claim 1, comprising:
第1と第2の電源電圧端子間に直列形態に接続された2つのパワートランジスタを備え、少なくとも第2の電源電圧端子側のパワートランジスタのゲート駆動電圧を生成するゲート駆動回路の電源電圧が上記パッケージの外部から可変可能にされることを特徴とする電源ドライバ装置。 A power driver device that outputs a voltage obtained by stepping down an input voltage by switching a power transistor in a PWM method by enclosing a power transistor that passes current through an inductor and a driver IC that drives the power transistor in a single package,
A power supply voltage of a gate drive circuit including two power transistors connected in series between the first and second power supply voltage terminals and generating a gate drive voltage of at least the power transistor on the second power supply voltage terminal side is A power supply driver device that is variable from the outside of a package.
前記内部電源回路により生成された電源電圧から前記インダクタが接続される前記2つのパワートランジスタの接続ノードの電位を基準とする昇圧した電圧を生成し、
前記制御論理回路は前記内部電源回路により生成された電源電圧により動作され、
前記第1のゲート駆動回路は前記昇圧した電圧と前記内部電源回路により生成された電源電圧により動作されるように構成されていることを特徴とする請求項6に記載の電源ドライバ装置。 The control logic circuit that generates the input signal of the first gate drive circuit and the input signal of the second gate drive circuit and the external terminal are separately provided so that the conduction periods of the two power transistors do not overlap. An internal power supply circuit that generates an internal power supply voltage based on a power supply voltage supplied from a third external terminal provided,
Generating a boosted voltage based on a potential of a connection node of the two power transistors to which the inductor is connected, from a power supply voltage generated by the internal power supply circuit;
The control logic circuit is operated by a power supply voltage generated by the internal power supply circuit,
The power supply driver device according to claim 6, wherein the first gate driving circuit is configured to be operated by the boosted voltage and a power supply voltage generated by the internal power supply circuit.
前記制御論理回路により生成され前記第1のゲート駆動回路に供給された信号のレベルを変換する第1のレベル変換回路と、
前記制御論理回路により生成され前記第2のゲート駆動回路に供給された信号のレベルを変換する第2のレベル変換回路と、
前記外部端子により供給された電源電圧を基準にして該電圧よりも所定電位だけ低い定電圧を生成する定電圧回路とを備え、
前記内部電源電圧と該定電圧回路により生成された定電圧が、前記第2のゲート駆動回路と前記第2のレベル変換回路に印加されるように構成され、
前記外部端子により供給された電源電圧に依らず、前記第2のゲート駆動回路の出力段のMOSのゲートには前記内部電源電圧あるいは前記所定電位以上の電圧が印加されないことを特徴とする請求項6に記載の電源ドライバ装置。 An internal power supply circuit that generates an internal power supply voltage based on the power supply voltage supplied from the third external terminal;
A first level conversion circuit for converting a level of a signal generated by the control logic circuit and supplied to the first gate drive circuit;
A second level conversion circuit for converting the level of a signal generated by the control logic circuit and supplied to the second gate drive circuit;
A constant voltage circuit that generates a constant voltage lower than the voltage by a predetermined potential with reference to the power supply voltage supplied from the external terminal;
The internal power supply voltage and the constant voltage generated by the constant voltage circuit are configured to be applied to the second gate drive circuit and the second level conversion circuit,
The internal power supply voltage or a voltage higher than the predetermined potential is not applied to the gate of the MOS in the output stage of the second gate drive circuit regardless of the power supply voltage supplied from the external terminal. 7. The power supply driver device according to 6.
前記パワートランジスタのうち前記第1の電源電圧端子側のパワートランジスタのゲート駆動電圧を生成する第1のゲート駆動回路の電源電圧と、前記第2の電源電圧端子側のパワートランジスタのゲート駆動電圧を生成する第2のゲート駆動回路の電源電圧とが外部より別個に設定できるように構成されていることを特徴とする電源ドライバ用半導体集積回路。 A power supply driver semiconductor integrated circuit that outputs a voltage obtained by stepping down an input voltage by complementary switching control of two power transistors that are connected in series between the first and second power supply voltage terminals and flow current through an inductor by a PWM method. A circuit,
Of the power transistors, the power supply voltage of the first gate drive circuit that generates the gate drive voltage of the power transistor on the first power supply voltage terminal side and the gate drive voltage of the power transistor on the second power supply voltage terminal side are A power supply driver semiconductor integrated circuit, wherein the power supply voltage of the second gate drive circuit to be generated can be set separately from the outside.
第1電源電圧端子と、
第2電源電圧端子と、
出力端子と
上記第1電源電圧端子と上記出力端子との間に、そのソース・ドレイン経路が結合された第1出力トランジスタと、
上記出力端子と上記第2電源電圧端子との間に、そのソース・ドレイン経路が結合された第2出力トランジスタと、
上記第1出力トランジスタのゲート電極に駆動電圧を供給する第1ゲート駆動回路と、
上記第2出力トランジスタのゲート電極に駆動電圧を供給する第2ゲート駆動回路と、
上記第1ゲート駆動回路に結合され、上記第1ゲート駆動回路の電源電圧が供給される第1の外部端子と、
上記第2ゲート駆動回路に結合され、上記第2ゲート駆動回路の電源電圧が供給される第2の外部端子と、
を有すること特徴とする電源ドライバ装置。 A power supply driver device sealed in one package,
A first power supply voltage terminal;
A second power supply voltage terminal;
A first output transistor having a source / drain path coupled between an output terminal, the first power supply voltage terminal, and the output terminal;
A second output transistor having a source / drain path coupled between the output terminal and the second power supply voltage terminal;
A first gate driving circuit for supplying a driving voltage to the gate electrode of the first output transistor;
A second gate driving circuit for supplying a driving voltage to the gate electrode of the second output transistor;
A first external terminal coupled to the first gate driving circuit and supplied with a power supply voltage of the first gate driving circuit;
A second external terminal coupled to the second gate driving circuit and supplied with a power supply voltage of the second gate driving circuit;
A power supply driver device comprising:
上記第2出力トランジスタは、第2半導体チップとされ、
上記第1及び第2ゲート駆動回路は、第3半導体チップとされることを特徴とする請求項15に記載の電源ドライバ装置。 The first output transistor is a first semiconductor chip,
The second output transistor is a second semiconductor chip,
16. The power driver device according to claim 15, wherein the first and second gate driving circuits are third semiconductor chips.
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