JP2006325308A - Step-down switching regulator, its control circuit, and electronic apparatus employing it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a synchronous rectification step-down switching regulator in which deterioration in efficiency due to reversal of a current flowing through an inductor is prevented. <P>SOLUTION: A driver circuit 10 creates first and second gate voltages Vg1 and Vg2 of a switching transistor M1 and a synchronous rectification transistor M2 based on a PWM signal Vpwm output from a PWM control section 20. A comparing section 30 outputs a high level comparison signal Vcmp when a switching voltage Vsw exceeds a ground voltage. A forced off switch SW1 is provided with the gate voltage Vg2 and when the output from the comparing section 30 goes high, the output voltage Vg2' is fixed to a low level. The output voltage Vg2' from the forced off switch SW1 is inputted to the gate terminal of an auxiliary transistor M3 connected in parallel with the synchronous rectification transistor M2. A delay circuit 60 imparts a predetermined delay to the output voltage Vg2' from the forced off switch SW1 and provides an output signal to the gate terminal of the synchronous rectification transistor M2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、降圧型スイッチングレギュレータに関し、特に同期整流方式のスイッチングレギュレータの制御技術に関する。   The present invention relates to a step-down switching regulator, and more particularly to a control technology for a synchronous rectification switching regulator.

近年の携帯電話、PDA(Personal Digital Assistant)、ノート型パーソナルコンピュータなどのさまざまな電子機器に、デジタル信号処理を行うマイコンが搭載されている。こうしたマイコンの駆動に必要とされる電源電圧は、半導体製造プロセスの微細化に伴って低下しており、1.5V以下の低電圧で動作するものがある。
一方、こうした電子機器にはリチウムイオン電池などの電池が電源として搭載される。リチウムイオン電池から出力される電圧は、3V〜4V程度であり、この電圧をそのままマイコンに供給したのでは、無駄な電力消費が発生するため、降圧型のスイッチングレギュレータや、シリーズレギュレータなどを用いて電池電圧を降圧し、定電圧化してマイコンに供給するのが一般的である。
Various electronic devices such as mobile phones, PDAs (Personal Digital Assistants), and notebook personal computers in recent years are equipped with microcomputers that perform digital signal processing. The power supply voltage required for driving such a microcomputer has been reduced with the miniaturization of the semiconductor manufacturing process, and there is one that operates at a low voltage of 1.5 V or less.
On the other hand, a battery such as a lithium ion battery is mounted on such an electronic device as a power source. The voltage output from the lithium ion battery is about 3V to 4V. If this voltage is supplied to the microcomputer as it is, useless power consumption occurs. Therefore, a step-down switching regulator or a series regulator is used. In general, the battery voltage is stepped down to a constant voltage and supplied to a microcomputer.

降圧型のスイッチングレギュレータは、整流用のダイオードを用いる方式(以下、ダイオード整流方式という)と、ダイオードの代わりに、整流用トランジスタを用いる方式(以下、同期整流方式という)が存在する。前者の場合、負荷に流れる負荷電流が低いときに高効率が得られるという利点を有するが、制御回路の外部に、インダクタ、キャパシタに加えてダイオードが必要となるため、回路面積が大きくなる。後者の場合、負荷に供給する電流が小さいときの効率は、前者に比べて劣るが、ダイオードの代わりにトランジスタを用いるため、LSIの内部に集積化することができ、周辺部品を含めた回路面積としては小型化が可能となる。携帯電話などの電子機器において、小型化が要求される場合には、整流用トランジスタを用いたスイッチングレギュレータ(以下、同期整流方式スイッチングレギュレータという)が用いられることが多い。   As a step-down switching regulator, there are a method using a rectifying diode (hereinafter referred to as a diode rectifying method) and a method using a rectifying transistor instead of a diode (hereinafter referred to as a synchronous rectifying method). In the former case, there is an advantage that high efficiency can be obtained when the load current flowing through the load is low. However, since a diode in addition to the inductor and the capacitor is required outside the control circuit, the circuit area becomes large. In the latter case, the efficiency when the current supplied to the load is small is inferior to that of the former, but since a transistor is used instead of a diode, it can be integrated inside the LSI, and the circuit area including peripheral components As a result, downsizing is possible. When an electronic device such as a cellular phone is required to be downsized, a switching regulator using a rectifying transistor (hereinafter referred to as a synchronous rectification switching regulator) is often used.

ここで、上述の電子機器に用いられるマイコンの消費電流は、動作時と待機時で大きく変化し、待機時にはわずかな電流しか流れないが、動作時にはある程度の電流が必要とされる。
たとえば、特許文献1、2には、負荷電流に応じて同期整流方式とダイオード整流方式とを切り替えるスイッチングレギュレータが開示されている。
Here, the current consumption of the microcomputer used in the above-described electronic device varies greatly between operation and standby, and only a small amount of current flows during standby, but a certain amount of current is required during operation.
For example, Patent Documents 1 and 2 disclose switching regulators that switch between a synchronous rectification method and a diode rectification method according to a load current.

特開2004−32875号公報JP 2004-32875 A 特開2002−252971号公報JP 2002-252971 A

図9(a)、(b)はそれぞれ、同期整流方式スイッチングレギュレータの重負荷および軽負荷時の電流の時間波形を示す図である。同図において、ILは、インダクタに流れる電流を、Ioは負荷電流を表しており、インダクタに流れる電流ILの時間平均値が負荷電流Ioとなる。図9(a)に示すように、重負荷時においては、負荷電流Ioが大きいため、インダクタに流れる電流は正の値をとり続ける。ところが、図9(b)に示すように、軽負荷時において負荷電流Ioが減少すると、インダクタに流れる電流ILが斜線部のように負となり、インダクタに流れる電流ILの向きが反転する。その結果、同期整流方式では、軽負荷時において、インダクタから同期整流用トランジスタを介して接地に対して電流が流れることになる。この電流は、負荷に供給されず、出力キャパシタから供給されるものであるため、電力を無駄に消費していることになる。   FIGS. 9A and 9B are diagrams showing current time waveforms of heavy and light loads of the synchronous rectification switching regulator, respectively. In the figure, IL represents the current flowing through the inductor, Io represents the load current, and the time average value of the current IL flowing through the inductor is the load current Io. As shown in FIG. 9A, at heavy load, the load current Io is large, so the current flowing through the inductor continues to take a positive value. However, as shown in FIG. 9B, when the load current Io decreases at the time of light load, the current IL flowing through the inductor becomes negative as indicated by the shaded portion, and the direction of the current IL flowing through the inductor is reversed. As a result, in the synchronous rectification method, a current flows from the inductor to the ground through the synchronous rectification transistor at light load. Since this current is not supplied to the load but supplied from the output capacitor, power is wasted.

この問題を解決するために、同期整流用トランジスタとインダクタの接続点の電位(以下、スイッチング電圧という)をモニタし、このスイッチング電圧と所定のしきい値電圧を比較することにより、インダクタに流れる電流の向きを検出する方法が考えられる。
この方法によれば、同期整流用トランジスタがオンの期間において、スイッチング電圧が接地電位付近に設定されたしきい値電圧を上回ったときに同期整流用トランジスタを強制的にオフすることにより、無駄な電流消費を低減し、効率を改善することができる。
In order to solve this problem, the current flowing through the inductor is monitored by monitoring the potential at the connection point between the synchronous rectification transistor and the inductor (hereinafter referred to as switching voltage) and comparing this switching voltage with a predetermined threshold voltage. A method for detecting the orientation of the camera is conceivable.
According to this method, the synchronous rectification transistor is forcibly turned off when the switching voltage exceeds the threshold voltage set near the ground potential during the period in which the synchronous rectification transistor is on. Current consumption can be reduced and efficiency can be improved.

本発明者は、上述のようにスイッチング電圧をモニタして、インダクタに流れる電流の向きが反転するのを検出し、同期整流用トランジスタをオフするスイッチングレギュレータについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
すなわち、スイッチング電圧をモニタして、インダクタに流れる電流の向きを検出する場合、スイッチング電圧と所定のしきい値電圧を比較するコンパレータを用い、このコンパレータの出力にもとづいて同期整流用トランジスタのオンオフを制御することになる。この際に、スイッチング電圧がしきい値に達し、インダクタに流れる電流が反転してから同期整流用トランジスタがオフされるまでに遅延が発生する場合がある。この遅延期間において、無駄な電流が同期整流用トランジスタに流れるため、さらなる効率の改善の余地があった。
As a result of studying a switching regulator that monitors the switching voltage as described above, detects that the direction of the current flowing through the inductor is reversed, and turns off the synchronous rectification transistor, the inventor recognizes the following problems. It came to.
That is, when the switching voltage is monitored and the direction of the current flowing through the inductor is detected, a comparator that compares the switching voltage with a predetermined threshold voltage is used, and the synchronous rectification transistor is turned on / off based on the output of the comparator. To control. At this time, there may be a delay from when the switching voltage reaches the threshold value and the current flowing through the inductor is inverted until the synchronous rectification transistor is turned off. In this delay period, a wasteful current flows through the synchronous rectification transistor, so there is room for further improvement in efficiency.

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、同期整流方式の降圧型スイッチングレギュレータにおいて、軽負荷時に同期整流用トランジスタを介して接地に流れる電流を低減し、効率を改善した降圧型スイッチングレギュレータおよびその駆動回路の提供にある。   The present invention has been made in view of such a problem, and the object thereof is to reduce the current flowing to the ground via the synchronous rectification transistor in a synchronous rectification step-down switching regulator and improve the efficiency. The present invention provides a step-down switching regulator and a driving circuit thereof.

本発明のある態様の制御回路は、降圧型スイッチングレギュレータの制御回路に関する。この制御回路は、入力端子と接地間に直列に接続されたスイッチングトランジスタと同期整流用トランジスタとを含み、2つのトランジスタの接続点の電圧を、スイッチング電圧として本制御回路の外部に接続されるインダクタの一端に印加する出力段と、スイッチングレギュレータの出力電圧が所定の基準電圧に近づくように、そのデューティ比が制御されるパルス幅変調信号にもとづき、スイッチングトランジスタおよび同期整流用トランジスタのゲート端子に印加すべき第1、第2ゲート電圧を生成するドライバ回路と、スイッチング電圧と所定のしきい値電圧を比較し、スイッチング電圧が所定のしきい値電圧を上回ると、所定レベルの比較信号を出力する比較部と、ドライバ回路から出力される第2ゲート電圧が入力され、比較部から所定レベルの比較信号が出力されている期間、第2ゲート電圧をローレベルに固定して出力するスイッチと、ゲート端子にスイッチの出力信号が入力され、同期整流用トランジスタと並列に接続された補助トランジスタと、スイッチの出力信号に所定の遅延時間を与え、同期整流用トランジスタのゲート端子に出力する遅延回路と、を備える。   A control circuit according to an aspect of the present invention relates to a control circuit for a step-down switching regulator. The control circuit includes a switching transistor and a synchronous rectification transistor connected in series between the input terminal and the ground, and an inductor connected to the outside of the control circuit using a voltage at a connection point of the two transistors as a switching voltage. Applied to one end of the switching transistor and the gate terminal of the switching transistor and the synchronous rectification transistor based on a pulse width modulation signal whose duty ratio is controlled so that the output voltage of the switching regulator approaches a predetermined reference voltage The driver circuit that generates the first and second gate voltages to be compared with the switching voltage and a predetermined threshold voltage, and outputs a comparison signal of a predetermined level when the switching voltage exceeds the predetermined threshold voltage The comparison unit and the second gate voltage output from the driver circuit are input, and the comparison unit During the period when the comparison signal of a predetermined level is output, the switch that outputs the second gate voltage fixed to the low level and the output signal of the switch are input to the gate terminal and connected in parallel with the synchronous rectification transistor An auxiliary transistor, and a delay circuit that gives a predetermined delay time to the output signal of the switch and outputs the delayed signal to the gate terminal of the synchronous rectification transistor.

この態様によると、第2ゲート電圧がハイレベルとなると、まず補助トランジスタがオンし、その後、所定の遅延時間経過後に同期整流用トランジスタがオンする。補助トランジスタのみがオンした状態においては、スイッチング電圧は補助トランジスタのドレインソース間電圧、すなわち、そのオン抵抗とインダクタに流れる電流の積で決まる。スイッチング電圧は、負の電位からインダクタに流れる電流が減少していくに従って上昇していくが、このとき補助トランジスタのオン抵抗が高ければ、スイッチング電圧の上昇速度を高めることができる。その結果、スイッチング電圧が所定のしきい値電圧に達してから同期整流用トランジスタをオフするまでの時間を短縮することができ、無駄な電流消費を低減し、高効率化を図ることができる。   According to this aspect, when the second gate voltage becomes a high level, the auxiliary transistor is first turned on, and then the synchronous rectification transistor is turned on after a predetermined delay time has elapsed. When only the auxiliary transistor is on, the switching voltage is determined by the drain-source voltage of the auxiliary transistor, that is, the product of the on-resistance and the current flowing through the inductor. The switching voltage increases as the current flowing through the inductor decreases from a negative potential. At this time, if the on-resistance of the auxiliary transistor is high, the increasing speed of the switching voltage can be increased. As a result, the time from when the switching voltage reaches a predetermined threshold voltage to when the synchronous rectification transistor is turned off can be shortened, wasteful current consumption can be reduced, and high efficiency can be achieved.

補助トランジスタのオン抵抗は、同期整流用トランジスタのオン抵抗より高く設定されてもよい。
補助トランジスタのオン抵抗を高く設定することにより、同期整流用トランジスタがオンした後に、スイッチング電圧が上昇する速度を速めることができ、同期整流用トランジスタがオフするまでの時間を短縮し、より高効率化を図ることができる。
The on-resistance of the auxiliary transistor may be set higher than the on-resistance of the synchronous rectification transistor.
By setting the on-resistance of the auxiliary transistor high, the speed at which the switching voltage rises after the synchronous rectification transistor is turned on can be increased, and the time until the synchronous rectification transistor is turned off is shortened, resulting in higher efficiency. Can be achieved.

所定のしきい値電圧は、接地電位であってもよい。補助トランジスタがオンし、スイッチング電圧が負電圧から上昇して接地電位に達すると、インダクタに流れる電流の向きが反転するため、スイッチング電圧と接地電位を比較することにより、無駄な電流消費を低減することができる。   The predetermined threshold voltage may be a ground potential. When the auxiliary transistor is turned on and the switching voltage rises from the negative voltage and reaches the ground potential, the direction of the current flowing through the inductor is reversed. Therefore, the wasteful current consumption is reduced by comparing the switching voltage and the ground potential. be able to.

比較部は、スイッチング電圧およびしきい値電圧を、正方向に所定電圧だけレベルシフトするレベルシフト回路と、レベルシフト回路によりレベルシフトされたスイッチング電圧としきい値電圧とを比較するコンパレータと、を含んでもよい。
スイッチング電圧およびしきい値電圧を正方向にレベルシフトして比較することにより、しきい値電圧が接地電位の場合もコンパレータを用いて電圧比較を行うことができる。
The comparison unit includes a level shift circuit that level-shifts the switching voltage and the threshold voltage by a predetermined voltage in the positive direction, and a comparator that compares the switching voltage level-shifted by the level shift circuit with the threshold voltage. But you can.
By comparing the switching voltage and the threshold voltage by level shifting in the positive direction, even when the threshold voltage is the ground potential, the comparator can be used for voltage comparison.

レベルシフト回路は、ベース端子にスイッチング電圧が入力され、コレクタ端子が接地され、エミッタ端子からスイッチング電圧をレベルシフトした電圧を出力するPNP型の第1バイポーラトランジスタと、ベース端子およびコレクタ端子が接地され、エミッタ端子から接地電位をレベルシフトした電圧を出力するPNP型の第2バイポーラトランジスタと、を含んでもよい。
PNP型のバイポーラトランジスタのベースエミッタ間の順方向電圧を利用することにより、スイッチング電圧およびしきい値電圧を正方向にレベルシフトすることができる。
In the level shift circuit, a switching voltage is input to a base terminal, a collector terminal is grounded, a PNP-type first bipolar transistor that outputs a voltage obtained by level shifting the switching voltage from an emitter terminal, and a base terminal and a collector terminal are grounded. And a PNP-type second bipolar transistor that outputs a voltage obtained by level shifting the ground potential from the emitter terminal.
By using the forward voltage between the base and emitter of the PNP type bipolar transistor, the switching voltage and the threshold voltage can be level shifted in the positive direction.

制御回路は、比較部の後段に設けられ、ドライバ回路から出力される第2ゲート電圧がハイレベルの期間にアクティブとなり、比較部から出力される比較信号をラッチし、検出信号としてスイッチに出力するラッチ回路をさらに備えてもよい。スイッチは、比較信号ではなく、ラッチ回路から出力される検出信号が所定レベルとなる期間に、第2ゲート電圧をローレベルに固定して出力してもよい。
同期整流用トランジスタをオンからオフに切り替える際に、インダクタによってスイッチング電圧の振動が誘起される場合がある。比較部の後段にラッチ回路を設けることにより、スイッチング電圧がしきい値電圧を跨いて振動した場合にも、同期整流用トランジスタをオフ状態に保つことができ、降圧型スイッチングレギュレータを安定に動作させることができる。
The control circuit is provided at the subsequent stage of the comparison unit, and becomes active when the second gate voltage output from the driver circuit is at a high level, latches the comparison signal output from the comparison unit, and outputs it as a detection signal to the switch. A latch circuit may be further provided. The switch may fix and output the second gate voltage at a low level during a period when the detection signal output from the latch circuit, not the comparison signal, is at a predetermined level.
When the synchronous rectification transistor is switched from on to off, oscillation of the switching voltage may be induced by the inductor. By providing a latch circuit at the subsequent stage of the comparison unit, the synchronous rectification transistor can be kept off even when the switching voltage oscillates across the threshold voltage, and the step-down switching regulator operates stably. be able to.

ラッチ回路は、第2ゲート電圧がハイレベルからローレベルとなると、ラッチした検出信号をリセットしてもよい。
第2ゲート電圧を参照し、同期整流用トランジスタがオンすべき期間が完了したことを契機として検出信号をリセットすることにより、次に同期整流用トランジスタがオンすべき期間において、再度上記のラッチ動作を行うことができる。
The latch circuit may reset the latched detection signal when the second gate voltage changes from a high level to a low level.
By referring to the second gate voltage and resetting the detection signal when the period for turning on the synchronous rectification transistor is completed, the above-described latch operation is performed again in the next period for turning on the synchronous rectification transistor. It can be performed.

ラッチ回路は、Dフリップフロップを含み、当該Dフリップフロップは、リセット端子に第2ゲート電圧が入力され、データ端子にハイレベルの固定電圧が入力され、クロック端子に比較部から出力される比較信号が入力されてもよい。   The latch circuit includes a D flip-flop. The D flip-flop has a second gate voltage input to the reset terminal, a high-level fixed voltage input to the data terminal, and a comparison signal output from the comparison unit to the clock terminal. May be input.

ラッチ回路は、Dフリップフロップの出力信号と、比較部から出力される比較信号の論理和を出力するORゲートをさらに含み、当該ORゲートの出力信号を検出信号として出力してもよい。
これによれば、一度Dフリップフロップがラッチされた後に、比較部から出力される比較信号が変動しても、ORゲートの出力はDフリップフロップの出力信号に固定されるため、安定な降圧動作を行うことができる。
The latch circuit may further include an OR gate that outputs a logical sum of the output signal of the D flip-flop and the comparison signal output from the comparison unit, and may output the output signal of the OR gate as a detection signal.
According to this, even if the comparison signal output from the comparison unit fluctuates once the D flip-flop is latched, the output of the OR gate is fixed to the output signal of the D flip-flop. It can be performed.

同期整流用トランジスタは、NMOSトランジスタであってもよい。
制御回路は、1つの半導体基板上に一体集積化されてもよい。
The synchronous rectification transistor may be an NMOS transistor.
The control circuit may be integrated on a single semiconductor substrate.

本発明の別の態様は、降圧型スイッチングレギュレータである。この降圧型スイッチングレギュレータは、一端が接地されたキャパシタと、キャパシタの他端にその一端が接続されたインダクタと、インダクタの他端に、スイッチング電圧を供給する上述の制御回路と、を備え、キャパシタの他端の電圧を出力する。   Another aspect of the present invention is a step-down switching regulator. This step-down switching regulator includes a capacitor having one end grounded, an inductor having one end connected to the other end of the capacitor, and the above-described control circuit that supplies a switching voltage to the other end of the inductor. The voltage at the other end is output.

この態様によると、制御回路により、インダクタに流れる電流の向きが反転するのを検出した後、短期間で同期整流用トランジスタをオフすることができるため、降圧型スイッチングレギュレータの効率を改善することができる。   According to this aspect, since the synchronous rectification transistor can be turned off in a short period after the control circuit detects that the direction of the current flowing through the inductor is reversed, the efficiency of the step-down switching regulator can be improved. it can.

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、電池電圧を出力する電池と、マイコンと、電池電圧を降圧してマイコンに供給する上述の降圧型スイッチングレギュレータと、を備える。   Yet another embodiment of the present invention is an electronic device. This electronic device includes a battery that outputs a battery voltage, a microcomputer, and the above-described step-down switching regulator that steps down the battery voltage and supplies the voltage to the microcomputer.

この態様によると、マイコンに流れる電流が変動し、負荷電流が小さな軽負荷動作となった場合においても、効率よく降圧動作を行うことができ、電池の長寿命化を図ることができる。   According to this aspect, even when the current flowing through the microcomputer fluctuates and the load current is small and the load operation is small, the step-down operation can be performed efficiently, and the battery life can be extended.

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, etc. are also effective as an aspect of the present invention.

本発明に係る降圧型スイッチングレギュレータによれば、変換効率を改善することができる。   According to the step-down switching regulator according to the present invention, the conversion efficiency can be improved.

図1は、実施の形態に係る降圧型スイッチングレギュレータ200を搭載した電子機器300の構成を示すブロック図である。電子機器300は、たとえば携帯電話端末であり、電池310、電源装置320、アナログ回路330、デジタル回路340、マイコン350、LED360を含む。
電池310は、たとえばリチウムイオン電池であり、電池電圧Vbatとして3〜4V程度を出力する。
アナログ回路330は、パワーアンプや、アンテナスイッチ、LNA(Low Noise Amplifier)、ミキサやPLL(Phase Locked Loop)などの高周波回路を含み、電源電圧Vcc=3.4V程度で安定動作する回路ブロックを含む。また、デジタル回路340は、各種DSP(Digital Signal Processor)などを含み、電源電圧Vdd=3.4V程度で安定動作する回路ブロックを含む。
マイコン350は、電子機器300全体を統括的に制御するブロックであり、電源電圧1.5Vで動作する。
LED360は、RGB3色のLED(Light Emitting Diode)を含み、液晶のバックライトや、照明として用いられ、その駆動には、4V以上の駆動電圧が要求される。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an electronic device 300 in which a step-down switching regulator 200 according to an embodiment is mounted. The electronic device 300 is, for example, a mobile phone terminal, and includes a battery 310, a power supply device 320, an analog circuit 330, a digital circuit 340, a microcomputer 350, and an LED 360.
The battery 310 is a lithium ion battery, for example, and outputs about 3 to 4 V as the battery voltage Vbat.
The analog circuit 330 includes high-frequency circuits such as a power amplifier, an antenna switch, an LNA (Low Noise Amplifier), a mixer, and a PLL (Phase Locked Loop), and includes a circuit block that stably operates at a power supply voltage Vcc = 3.4V. . The digital circuit 340 includes various DSPs (Digital Signal Processors) and the like, and includes a circuit block that stably operates at a power supply voltage Vdd = 3.4V.
The microcomputer 350 is a block that comprehensively controls the entire electronic device 300 and operates with a power supply voltage of 1.5V.
The LED 360 includes RGB three-color LEDs (Light Emitting Diodes) and is used as a liquid crystal backlight or illumination, and a driving voltage of 4 V or more is required for driving.

電源装置320は、多チャンネルのスイッチング電源であり、各チャンネルごとに、電池電圧Vbatを必要に応じて降圧、または昇圧するスイッチングレギュレータを備え、アナログ回路330、デジタル回路340、マイコン350、LED360に対して適切な電源電圧を供給する。
本実施形態に係る降圧型スイッチングレギュレータは、たとえば1.5Vで動作するマイコン350のように、消費電流が動作状態に応じて変化する負荷に対して、安定な電圧を駆動する用途に好適に用いられる。以下、本実施の形態に係る降圧型スイッチングレギュレータの構成について詳細に説明する。
The power supply device 320 is a multi-channel switching power supply, and includes a switching regulator for stepping down or stepping up the battery voltage Vbat as necessary for each channel. For the analog circuit 330, the digital circuit 340, the microcomputer 350, and the LED 360, Supply an appropriate power supply voltage.
The step-down switching regulator according to the present embodiment is suitably used for driving a stable voltage with respect to a load whose current consumption changes according to an operating state, such as a microcomputer 350 that operates at 1.5 V. It is done. Hereinafter, the configuration of the step-down switching regulator according to the present embodiment will be described in detail.

図2は、実施の形態に係る降圧型スイッチングレギュレータ200の構成を示す回路図である。降圧型スイッチングレギュレータ200は、同期整流方式の降圧型スイッチングレギュレータであり、制御回路100、インダクタL1、出力キャパシタC1を含む。制御回路100は、ひとつの半導体基板に集積化されたLSIチップであり、スイッチング素子として機能するスイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2および補助トランジスタM3は、この制御回路100に内蔵される。
出力キャパシタC1は一端が接地され、他端が負荷回路RLおよびインダクタL1に接続される。インダクタL1は、制御回路100と接続され、スイッチング電圧Vswが印加される。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the step-down switching regulator 200 according to the embodiment. The step-down switching regulator 200 is a synchronous rectification step-down switching regulator, and includes a control circuit 100, an inductor L1, and an output capacitor C1. The control circuit 100 is an LSI chip integrated on a single semiconductor substrate, and a switching transistor M1, a synchronous rectification transistor M2, and an auxiliary transistor M3 functioning as switching elements are built in the control circuit 100.
The output capacitor C1 has one end grounded and the other end connected to the load circuit RL and the inductor L1. The inductor L1 is connected to the control circuit 100 and applied with the switching voltage Vsw.

この降圧型スイッチングレギュレータ200は、制御回路100によってインダクタL1に流れる電流を制御し、出力キャパシタC1に電荷を充電することにより電池電圧Vbatを降圧し、出力キャパシタC1に現れる電圧を負荷回路RLに供給する。本実施形態において、負荷回路RLは、図1のマイコン350に相当する。
以下、負荷回路RLに供給される電圧を出力電圧Vout、負荷回路RLに流れる電流を負荷電流Io、インダクタL1に流れる電流をILという。また、インダクタL1に流れる電流は、負荷回路RLに向かって流れる向きを正方向とする。
The step-down switching regulator 200 controls the current flowing through the inductor L1 by the control circuit 100, steps down the battery voltage Vbat by charging the output capacitor C1, and supplies the voltage appearing at the output capacitor C1 to the load circuit RL. To do. In the present embodiment, the load circuit RL corresponds to the microcomputer 350 in FIG.
Hereinafter, a voltage supplied to the load circuit RL is referred to as an output voltage Vout, a current flowing through the load circuit RL is referred to as a load current Io, and a current flowing through the inductor L1 is referred to as IL. Further, the direction of the current flowing through the inductor L1 toward the load circuit RL is a positive direction.

制御回路100は、入力・出力端子として、入力端子102、スイッチング端子104、出力端子106を備える。入力端子102には電池310が接続され、入力電圧として電池電圧Vbatが入力される。また、スイッチング端子104は、インダクタL1に接続され、制御回路100の内部で生成したスイッチング電圧Vswを出力する。また、出力端子106は、負荷回路RLに印加される出力電圧Voutが帰還される端子である。   The control circuit 100 includes an input terminal 102, a switching terminal 104, and an output terminal 106 as input / output terminals. A battery 310 is connected to the input terminal 102, and a battery voltage Vbat is input as an input voltage. The switching terminal 104 is connected to the inductor L1 and outputs a switching voltage Vsw generated inside the control circuit 100. The output terminal 106 is a terminal to which the output voltage Vout applied to the load circuit RL is fed back.

制御回路100は、ドライバ回路10、PWM制御部20、比較部30、遅延回路60、強制オフスイッチSW1、スイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2、補助トランジスタM3を含む。   The control circuit 100 includes a driver circuit 10, a PWM control unit 20, a comparison unit 30, a delay circuit 60, a forced off switch SW1, a switching transistor M1, a synchronous rectification transistor M2, and an auxiliary transistor M3.

スイッチングトランジスタM1は、PチャンネルMOSトランジスタであって、ソース端子は入力端子102に接続され、ドレイン端子はスイッチング端子104に接続される。スイッチングトランジスタM1のバックゲート端子は入力端子102と接続され、バックゲート端子とドレイン端子間には、ボディダイオード(寄生ダイオード)D1が存在する。
同期整流用トランジスタM2は、NチャンネルMOSトランジスタであって、ソース端子は接地され、ドレイン端子はスイッチングトランジスタM1のドレイン端子およびスイッチング端子104と接続される。また、同期整流用トランジスタM2のバックゲート端子は接地されている。同期整流用トランジスタM2のバックゲート端子とドレイン端子間には、ボディダイオードD2が存在する。
The switching transistor M1 is a P-channel MOS transistor, and has a source terminal connected to the input terminal 102 and a drain terminal connected to the switching terminal 104. The back gate terminal of the switching transistor M1 is connected to the input terminal 102, and a body diode (parasitic diode) D1 exists between the back gate terminal and the drain terminal.
The synchronous rectification transistor M2 is an N-channel MOS transistor, the source terminal is grounded, and the drain terminal is connected to the drain terminal of the switching transistor M1 and the switching terminal 104. The back gate terminal of the synchronous rectification transistor M2 is grounded. A body diode D2 exists between the back gate terminal and the drain terminal of the synchronous rectification transistor M2.

スイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2は、電池電圧Vbatが印加される入力端子102と接地間に直列に接続されており、2つのトランジスタの接続点の電圧を、スイッチング電圧Vswとして本制御回路100の外部にスイッチング端子104を介して接続されるインダクタL1の一端に印加する。
また、補助トランジスタM3は、同期整流用トランジスタM2と並列に接続され、後述するように同期整流用トランジスタM2と同期してオンオフが制御される。補助トランジスタM3のオン抵抗Ron3は、同期整流用トランジスタM2のオン抵抗Ron2より高く設定しておく。
The switching transistor M1 and the synchronous rectification transistor M2 are connected in series between the input terminal 102 to which the battery voltage Vbat is applied and the ground, and the control circuit 100 uses the voltage at the connection point of the two transistors as the switching voltage Vsw. Is applied to one end of an inductor L1 connected to the outside via a switching terminal 104.
The auxiliary transistor M3 is connected in parallel with the synchronous rectification transistor M2, and is turned on / off in synchronization with the synchronous rectification transistor M2, as will be described later. The on-resistance Ron3 of the auxiliary transistor M3 is set higher than the on-resistance Ron2 of the synchronous rectification transistor M2.

PWM制御部20は、降圧型スイッチングレギュレータ200の出力電圧Voutが所定の基準電圧に近づくように、スイッチングトランジスタM1および同期整流用トランジスタM2のオン期間のデューティ比を規定するパルス幅変調信号(以下、PWM信号という)を生成する。PWM制御部20には、降圧型スイッチングレギュレータ200の出力電圧Voutが、出力端子106を介して入力される。
抵抗R1、R2は、この出力電圧Voutを分圧し、R2/(R1+R2)倍した出力電圧Vout’を誤差増幅器22の反転入力端子へと出力する。誤差増幅器22の非反転入力端子には基準電圧Vrefが入力されており、出力電圧Vout’および基準電圧Vrefの誤差を増幅し、誤差電圧Verrとして出力する。
The PWM control unit 20 controls a pulse width modulation signal (hereinafter referred to as “duty ratio”) that defines the duty ratio of the ON period of the switching transistor M1 and the synchronous rectification transistor M2 so that the output voltage Vout of the step-down switching regulator 200 approaches a predetermined reference voltage. A PWM signal). The output voltage Vout of the step-down switching regulator 200 is input to the PWM control unit 20 via the output terminal 106.
The resistors R1 and R2 divide the output voltage Vout, and output the output voltage Vout ′ multiplied by R2 / (R1 + R2) to the inverting input terminal of the error amplifier 22. The reference voltage Vref is input to the non-inverting input terminal of the error amplifier 22, and an error between the output voltage Vout ′ and the reference voltage Vref is amplified and output as an error voltage Verr.

発振器26は、所定の周波数で発振し、三角波またはのこぎり波状の周期電圧Voscを出力する。第1コンパレータ24は、周期電圧Voscと誤差電圧Verrとを比較し、Vosc>Verrのときハイレベルを、Vosc<VerrのときローレベルとなるPWM信号Vpwmを出力する。このPWM信号Vpwmは、周期時間が一定で、出力電圧Vout’に応じてハイレベルとローレベルの期間が変化するパルス幅変調された信号となる。   The oscillator 26 oscillates at a predetermined frequency and outputs a periodic voltage Vosc having a triangular wave shape or a sawtooth wave shape. The first comparator 24 compares the periodic voltage Vosc and the error voltage Verr, and outputs a PWM signal Vpwm that is at a high level when Vosc> Verr and is at a low level when Vosc <Verr. This PWM signal Vpwm is a pulse width modulated signal having a constant cycle time and a period of high level and low level changing according to the output voltage Vout ′.

ドライバ回路10は、PWM制御部20から出力されるPWM信号Vpwmにもとづき、スイッチングトランジスタM1のゲート端子に印加すべき第1ゲート電圧Vg1と、同期整流用トランジスタM2のゲート端子に印加すべき第2ゲート電圧Vg2と、を生成する。スイッチングトランジスタM1は、第1ゲート電圧Vg1がローレベルのときがオンし、ハイレベルのときオフする。同期整流用トランジスタM2は、第2ゲート電圧Vg2がハイレベルのときオンし、ローレベルのときオフする。ドライバ回路10は、スイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2がそれぞれオンする時間の比を、PWM信号Vpwmのハイレベルとローレベルのデューティ比にもとづいて設定し、2つのトランジスタを交互にオンオフさせる。スイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2が同時にオンして貫通電流が流れるのを防止するため、ドライバ回路10は、第1ゲート電圧Vg1がハイレベル、第2ゲート電圧Vg2がローレベルとなる期間(デッドタイム)を各周期ごとに設ける。   Based on the PWM signal Vpwm output from the PWM controller 20, the driver circuit 10 applies a first gate voltage Vg1 to be applied to the gate terminal of the switching transistor M1 and a second terminal to be applied to the gate terminal of the synchronous rectification transistor M2. A gate voltage Vg2 is generated. The switching transistor M1 is turned on when the first gate voltage Vg1 is at a low level and turned off when the first gate voltage Vg1 is at a high level. The synchronous rectification transistor M2 is turned on when the second gate voltage Vg2 is at a high level, and turned off when the second gate voltage Vg2 is at a low level. The driver circuit 10 sets the ratio of the time during which the switching transistor M1 and the synchronous rectification transistor M2 are turned on based on the high-level and low-level duty ratios of the PWM signal Vpwm, and turns the two transistors on and off alternately. In order to prevent the switching transistor M1 and the synchronous rectification transistor M2 from being simultaneously turned on and a through current from flowing therethrough, the driver circuit 10 has a period in which the first gate voltage Vg1 is at a high level and the second gate voltage Vg2 is at a low level ( Dead time) is provided for each period.

比較部30には、スイッチング電圧Vswが入力される。比較部30は、スイッチング電圧Vswと接地電位とを比較し、スイッチング電圧Vswが接地電位を上回るとハイレベルの比較信号Vcmpを出力する。
比較部30には、スイッチング電圧Vswが入力される。比較部30は、レベルシフト回路32、第2コンパレータ34を含み、スイッチング電圧Vswと接地電位とを比較し、スイッチング電圧Vswが接地電位を上回るとハイレベルの比較信号Vcmpを出力する。
The comparison unit 30 receives the switching voltage Vsw. The comparison unit 30 compares the switching voltage Vsw and the ground potential, and outputs a high level comparison signal Vcmp when the switching voltage Vsw exceeds the ground potential.
The comparison unit 30 receives the switching voltage Vsw. The comparison unit 30 includes a level shift circuit 32 and a second comparator 34, compares the switching voltage Vsw with the ground potential, and outputs a high level comparison signal Vcmp when the switching voltage Vsw exceeds the ground potential.

レベルシフト回路32は、PNP型の第1、第2バイポーラトランジスタQ1、Q2を含み、それぞれのベース端子に、スイッチング電圧Vswおよび接地電位GNDが入力される。各バイポーラトランジスタQ1、Q2のコレクタ端子は接地されており、そのエミッタ端子からは、スイッチング電圧Vswおよび接地電位が順方向電圧Vf=0.7V程度、正方向にレベルシフトされた電圧が出力される。
第2コンパレータ34の非反転入力端子は、第1バイポーラトランジスタQ1のエミッタ端子が接続され、反転入力端子には、第2バイポーラトランジスタQ2のエミッタ端子が接続される。この第2コンパレータ34、レベルシフト回路32によりレベルシフトされたスイッチング電圧Vswと接地電位とを比較し、Vsw>0Vのときハイレベルを、Vsw<0Vのときローレベルを出力する。
The level shift circuit 32 includes PNP-type first and second bipolar transistors Q1 and Q2, and a switching voltage Vsw and a ground potential GND are input to respective base terminals. The collector terminals of the bipolar transistors Q1 and Q2 are grounded, and the emitter terminal outputs a voltage in which the switching voltage Vsw and the ground potential are level-shifted in the forward direction by a forward voltage Vf = 0.7V. .
The non-inverting input terminal of the second comparator 34 is connected to the emitter terminal of the first bipolar transistor Q1, and the inverting input terminal is connected to the emitter terminal of the second bipolar transistor Q2. The switching voltage Vsw level-shifted by the second comparator 34 and the level shift circuit 32 is compared with the ground potential, and a high level is output when Vsw> 0V and a low level is output when Vsw <0V.

強制オフスイッチSW1には、ドライバ回路10から出力される第2ゲート電圧Vg2が入力される。この強制オフスイッチSW1は、比較部30から出力される比較信号Vcmpにもとづいて、第2ゲート電圧Vg2またはローレベルのいずれかを出力する。強制オフスイッチSW1は、比較部30から出力される比較信号Vcmpがハイレベルの期間、ローレベルを出力し、それ以外の期間、すなわち比較信号Vcmpがローレベルの期間、ドライバ回路10から入力された第2電圧Vg2をそのまま出力する。以下、強制オフスイッチSW1から出力される出力信号をVg2’と記す。   The second gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10 is input to the forced off switch SW1. The forced-off switch SW1 outputs either the second gate voltage Vg2 or the low level based on the comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30. The forced off switch SW1 outputs a low level when the comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30 is at a high level, and is input from the driver circuit 10 during other periods, that is, when the comparison signal Vcmp is at a low level. The second voltage Vg2 is output as it is. Hereinafter, the output signal output from the forced-off switch SW1 is denoted as Vg2 '.

図3は、強制オフスイッチSW1の構成例を示す回路図である。強制オフスイッチSW1は、インバータ50、NORゲート52を含む。インバータ50の入力端子には、ドライバ回路10から出力される第2ゲート電圧Vg2が入力される。インバータ50は、第2ゲート電圧Vg2を反転し、NORゲート52の第1の入力端子へ出力する。NORゲート52の第2の入力端子にはラッチ回路40から出力される検出信号Vsensが入力される。強制オフスイッチSW1は、NORゲート52の出力信号をVg2’として出力する。
このように構成した強制オフスイッチSW1によれば、第2ゲート電圧Vg2がハイレベルで、かつ、比較信号Vcmpがローレベルの期間のみ、強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’はハイレベルとなり、それ以外の期間では強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’はローレベルとなる。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the forced-off switch SW1. The forced off switch SW1 includes an inverter 50 and a NOR gate 52. The second gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10 is input to the input terminal of the inverter 50. The inverter 50 inverts the second gate voltage Vg <b> 2 and outputs it to the first input terminal of the NOR gate 52. The detection signal Vsens output from the latch circuit 40 is input to the second input terminal of the NOR gate 52. The forced off switch SW1 outputs the output signal of the NOR gate 52 as Vg2 ′.
According to the forced off switch SW1 configured in this way, the output voltage Vg2 ′ of the forced off switch SW1 is at a high level only when the second gate voltage Vg2 is at a high level and the comparison signal Vcmp is at a low level. During the other period, the output voltage Vg2 ′ of the forced off switch SW1 is at a low level.

強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’は、補助トランジスタM3のゲート端子および遅延回路60へと出力される。
遅延回路60は、強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’に所定の遅延時間を与え、同期整流用トランジスタM2のゲート端子に出力する。遅延回路60は、電圧Vg2’の立ち上がりから所定の遅延時間τ経過後にハイレベルとなり、電圧Vg2’の立ち下がりと同時にローレベルとなる電圧Vg2’’を出力する。遅延時間τは、たとえば、同期整流用トランジスタM2のオン期間の1/10程度に設定する。このような遅延回路60は、公知の技術を用いて容易に構成できるため、詳細な説明は省略する。
The output voltage Vg2 ′ of the forced off switch SW1 is output to the gate terminal of the auxiliary transistor M3 and the delay circuit 60.
The delay circuit 60 gives a predetermined delay time to the output voltage Vg2 ′ of the forced off switch SW1 and outputs it to the gate terminal of the synchronous rectification transistor M2. The delay circuit 60 outputs a voltage Vg2 ″ which becomes high level after a predetermined delay time τ elapses from the rise of the voltage Vg2 ′ and becomes low level simultaneously with the fall of the voltage Vg2 ′. The delay time τ is set to about 1/10 of the on period of the synchronous rectification transistor M2, for example. Since such a delay circuit 60 can be easily configured using a known technique, a detailed description thereof is omitted.

以下、本実施の形態に係る制御回路100の重負荷および軽負荷時の動作を図4、図5をもとに説明する。
図4は、本実施の形態に係る制御回路100の重負荷時の動作状態を示すタイムチャートである。図4のタイムチャートは、負荷電流Ioが大きい重負荷時の動作を説明するものであり、インダクタL1に流れる電流ILが、同期整流用トランジスタM2がオンの期間、正方向の場合の動作を表している。
第1ゲート電圧Vg1は、ハイレベルのときスイッチングトランジスタM1がオフ、ローレベルのときスイッチングトランジスタM1がオンする。すなわち、図中、Ton1で示されるのは、スイッチングトランジスタM1がオンの期間である。
Hereinafter, the operation at the time of heavy load and light load of the control circuit 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a time chart showing an operation state when the control circuit 100 according to the present embodiment is under heavy load. The time chart of FIG. 4 explains the operation at the time of heavy load with a large load current Io, and represents the operation when the current IL flowing through the inductor L1 is in the positive direction while the synchronous rectification transistor M2 is on. ing.
When the first gate voltage Vg1 is at a high level, the switching transistor M1 is turned off, and when the first gate voltage Vg1 is at a low level, the switching transistor M1 is turned on. That is, in the figure, Ton1 indicates a period during which the switching transistor M1 is on.

第2ゲート電圧Vg2は、ドライバ回路10により生成された同期整流用トランジスタM2に印加すべき電圧を示している。また、図中、第2ゲート電圧Vg2’’は、実際に同期整流用トランジスタM2のゲート端子に印加される電圧を示している。第2ゲート電圧Vg2’’がハイレベルのとき同期整流用トランジスタM2がオン、ローレベルのとき同期整流用トランジスタM2がオフとなる。図中、Ton2で示されるのは、同期整流用トランジスタM2がオンの期間である。さらに、図中、第2ゲート電圧Vg2’は、補助トランジスタM3のゲート端子に印加される電圧を示しており、Ton3で示されるのは、補助トランジスタM3がオンの期間である。   The second gate voltage Vg <b> 2 indicates a voltage to be applied to the synchronous rectification transistor M <b> 2 generated by the driver circuit 10. In the drawing, the second gate voltage Vg2 ″ indicates the voltage actually applied to the gate terminal of the synchronous rectification transistor M2. When the second gate voltage Vg2 ″ is at a high level, the synchronous rectification transistor M2 is turned on, and when the second gate voltage Vg2 ″ is at a low level, the synchronous rectification transistor M2 is turned off. In the figure, Ton2 indicates a period during which the synchronous rectification transistor M2 is on. Further, in the figure, the second gate voltage Vg2 'indicates a voltage applied to the gate terminal of the auxiliary transistor M3, and Ton3 indicates a period during which the auxiliary transistor M3 is on.

上述したように、ドライバ回路10から出力される第2ゲート電圧Vg2は、一旦、強制オフスイッチSW1へと入力され、比較部30から出力される比較信号Vcmpがローレベルの期間、Vg2’=Vg2となる。また、比較信号Vcmpがハイレベルの期間、強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’は、ドライバ回路10から出力されるゲート電圧Vg2の値に関わらずローレベル(0V)となり、同期整流用トランジスタM2、補助トランジスタM3は強制的にオフとなる。   As described above, the second gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10 is once input to the forced-off switch SW1, and Vg2 ′ = Vg2 while the comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30 is at the low level. It becomes. During the period when the comparison signal Vcmp is at the high level, the output voltage Vg2 ′ of the forced off switch SW1 is at the low level (0V) regardless of the value of the gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10, and the synchronous rectification transistor M2, The auxiliary transistor M3 is forcibly turned off.

時刻T0〜T1の期間、スイッチングトランジスタM1がオン、同期整流用トランジスタM2がオフとなっている。時刻T1に、スイッチングトランジスタM1の第1ゲート電圧Vg1がハイレベルとなり、スイッチングトランジスタM1がオフとなる。その後、時刻T1〜T2の期間、スイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2はいずれもオフとなる。時刻T1にスイッチングトランジスタM1がオフになると、それまでインダクタL1に流れていた電流がスイッチングトランジスタM1から供給されなくなる。   During the period of time T0 to T1, the switching transistor M1 is on and the synchronous rectification transistor M2 is off. At time T1, the first gate voltage Vg1 of the switching transistor M1 becomes high level, and the switching transistor M1 is turned off. Thereafter, both the switching transistor M1 and the synchronous rectification transistor M2 are turned off during the period of time T1 to T2. When the switching transistor M1 is turned off at time T1, the current that has been flowing through the inductor L1 until then is not supplied from the switching transistor M1.

ここで、インダクタL1に流れる電流ILは連続でなければならないため、この電流は、同期整流用トランジスタM2、補助トランジスタM3のボディダイオード(寄生ダイオード)D2、D3を介して供給される。すなわち、同期整流用トランジスタM2および補助トランジスタM3のバックゲート端子は接地されており、バックゲート端子とドレイン端子間には、図2に示すボディダイオードD2、D3が存在する。したがって、時刻T1にスイッチングトランジスタM1がオフされてから、時刻T2に補助トランジスタM3がオンするまでの期間、インダクタL1には、このボディダイオードD2、D3を介して電流が供給される。この間、スイッチング端子104には、接地電位0Vからダイオードの順方向電圧Vf=0.7V程度低いスイッチング電圧Vswが現れる。   Here, since the current IL flowing through the inductor L1 must be continuous, this current is supplied via the body diodes (parasitic diodes) D2 and D3 of the synchronous rectification transistor M2 and the auxiliary transistor M3. That is, the back gate terminals of the synchronous rectification transistor M2 and the auxiliary transistor M3 are grounded, and the body diodes D2 and D3 shown in FIG. 2 exist between the back gate terminal and the drain terminal. Accordingly, during the period from when the switching transistor M1 is turned off at time T1 to when the auxiliary transistor M3 is turned on at time T2, current is supplied to the inductor L1 via the body diodes D2 and D3. During this time, a switching voltage Vsw that is lower than the ground potential 0V by about a diode forward voltage Vf = 0.7V appears at the switching terminal 104.

時刻T2において、第2ゲート電圧Vg2はローレベルからハイレベルに変化する。このとき、比較電圧Vcmpはローレベルであるため、強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’はハイレベルとなり、補助トランジスタM3がオンする。補助トランジスタM3がオンすることにより、同期整流用トランジスタM2、補助トランジスタM3のボディダイオードD2、D3を介してインダクタL1に流れていた電流は、補助トランジスタM3のドレイン電流として供給される。
このとき、スイッチング電圧Vswは、インダクタL1に流れる電流ILと、補助トランジスタM3のオン抵抗Ron3の積で与えられ、時間とともに、インダクタL1に流れる電流ILが減少するのにともなって、0Vへと近づいていく。このときのスイッチング電圧Vswの上昇の傾きは、補助トランジスタM3のオン抵抗に依存する。
At time T2, the second gate voltage Vg2 changes from the low level to the high level. At this time, since the comparison voltage Vcmp is at a low level, the output voltage Vg2 ′ of the forced-off switch SW1 is at a high level, and the auxiliary transistor M3 is turned on. When the auxiliary transistor M3 is turned on, the current flowing through the inductor L1 via the synchronous rectification transistor M2 and the body diodes D2 and D3 of the auxiliary transistor M3 is supplied as the drain current of the auxiliary transistor M3.
At this time, the switching voltage Vsw is given by the product of the current IL flowing through the inductor L1 and the on-resistance Ron3 of the auxiliary transistor M3, and approaches 0 V as the current IL flowing through the inductor L1 decreases with time. To go. The slope of the increase of the switching voltage Vsw at this time depends on the on-resistance of the auxiliary transistor M3.

時刻T2に強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’がハイレベルとなってから、遅延時間τ経過後の時刻T3に、遅延回路60の出力電圧Vg2’’はハイレベルとなり、同期整流用トランジスタM2がオンする。
時刻T3以降、補助トランジスタM3と同期整流用トランジスタM2が同時にオンすることにより、インダクタL1に流れる電流ILは、これら2つのトランジスタを介して供給されることになる。その結果、スイッチング電圧Vswの上昇の傾きは、2つのトランジスタのオン抵抗Ron2およびRon3の合成抵抗により決定される。したがって、時刻T3に同期整流用トランジスタM2がオンすることによって、スイッチング電圧Vswの上昇速度は遅くなる。上述のように、図4のタイムチャートでは、インダクタL1に流れる電流は正方向であるため、同期整流用トランジスタM2がオンの期間、スイッチング電圧Vswは正電圧とはならず、比較部30から出力される比較信号Vcmpはローレベルとなる。
After the output voltage Vg2 ′ of the forced-off switch SW1 becomes high level at time T2, the output voltage Vg2 ″ of the delay circuit 60 becomes high level at time T3 after the delay time τ elapses, and the synchronous rectification transistor M2 is turned on. Turn on.
After time T3, the auxiliary transistor M3 and the synchronous rectification transistor M2 are simultaneously turned on, whereby the current IL flowing through the inductor L1 is supplied via these two transistors. As a result, the rising slope of the switching voltage Vsw is determined by the combined resistance of the on-resistances Ron2 and Ron3 of the two transistors. Therefore, when the synchronous rectification transistor M2 is turned on at time T3, the rising speed of the switching voltage Vsw is reduced. As described above, in the time chart of FIG. 4, since the current flowing through the inductor L1 is in the positive direction, the switching voltage Vsw does not become a positive voltage during the period in which the synchronous rectification transistor M2 is on. The comparison signal Vcmp is low level.

時刻T4にドライバ回路10から出力される第2ゲート電圧Vg2がローレベルとなると、強制オフスイッチSW1および遅延回路60から出力される電圧Vg2’、Vg2’’もローレベルとなり、同期整流用トランジスタM2、補助トランジスタM3はオフする。その後、時刻T5にドライバ回路10から出力される第1ゲート電圧Vg1がローレベルとなり、スイッチングトランジスタM1がオンする。
本実施の形態に係る100は、重負荷時において、時刻T0〜T5の動作を一周期とし、この動作を繰り返すことにより、電池電圧Vbatを降圧し、所望の出力電圧Voutを負荷回路RLに対して供給する。
When the second gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10 becomes low level at time T4, the voltages Vg2 ′ and Vg2 ″ output from the forced-off switch SW1 and the delay circuit 60 also become low level, and the synchronous rectification transistor M2 The auxiliary transistor M3 is turned off. Thereafter, at time T5, the first gate voltage Vg1 output from the driver circuit 10 becomes low level, and the switching transistor M1 is turned on.
100 according to the present embodiment sets the operation from time T0 to T5 as one cycle under heavy load, and by repeating this operation, the battery voltage Vbat is stepped down and the desired output voltage Vout is supplied to the load circuit RL. Supply.

次に、軽負荷時の動作について図5をもとに説明する。図5は、本実施の形態に係る制御回路100の軽負荷時の動作状態を示すタイムチャートである。
時刻T0〜T2までの動作は図4の重負荷時と同様である。時刻T2にドライバ回路10から出力される第2ゲート電圧Vg2がハイレベルとなると、補助トランジスタM3のみがオンし、スイッチング電圧Vswが大きな傾きで上昇を開始する。
Next, the operation at light load will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a time chart showing the operating state of the control circuit 100 according to the present embodiment at light load.
The operation from time T0 to T2 is the same as that at the time of heavy load in FIG. When the second gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10 becomes high level at time T2, only the auxiliary transistor M3 is turned on, and the switching voltage Vsw starts increasing with a large slope.

時刻T3にVsw>0Vとなると、第2コンパレータ34によって、電圧検出が行われる。
一般に、コンパレータの応答速度は、入力電圧の変化する速度に応じて変化する。図6(a)、(b)は、コンパレータの応答速度を説明するための図である。図6(a)は、異なる速度で変化する2つの入力電圧Viの時間波形を示している。また、図6(b)は、同図(a)の各波形に対応した出力電圧Voの時間波形を示している。図6(a)、(b)に破線で示されるように、入力電圧Viの時間変化率が低い(II)の場合、入力電圧Viがコンパレータのしきい値電圧Vthを超えてから出力電圧Voが変化するまでに要する時間Δtは長くなる。これに対して、図6(a)、(b)に実線で示されるように、入力電圧Viの時間変化率が高い(I)の場合には、入力電圧Viがしきい値電圧Vthを超えてからコンパレータの出力電圧Voが変化するまでの時間Δt’は短くなり、検出速度が速くなる。
When Vsw> 0V is satisfied at time T3, the second comparator 34 performs voltage detection.
In general, the response speed of the comparator changes according to the change speed of the input voltage. 6A and 6B are diagrams for explaining the response speed of the comparator. FIG. 6A shows time waveforms of two input voltages Vi that change at different speeds. FIG. 6B shows a time waveform of the output voltage Vo corresponding to each waveform of FIG. As indicated by broken lines in FIGS. 6A and 6B, when the rate of change of the input voltage Vi with time is low (II), the output voltage Vo after the input voltage Vi exceeds the threshold voltage Vth of the comparator. The time Δt required to change becomes longer. On the other hand, as shown by the solid lines in FIGS. 6A and 6B, when the rate of time change of the input voltage Vi is high (I), the input voltage Vi exceeds the threshold voltage Vth. After that, the time Δt ′ until the output voltage Vo of the comparator changes is shortened, and the detection speed is increased.

図5に戻る。上述したように、時刻T2にドライバ回路10から出力される第2ゲート電圧Vg2がローレベルからハイレベルに変わってから遅延時間τ経過前においては、補助トランジスタM3のみがオンしており、スイッチング電圧Vswが大きな傾きで上昇している。時刻T3にVsw>0となってから、コンパレータによる検出遅延時間Δt経過後の時刻T3’に、第2コンパレータ34から出力される比較信号Vcmpがハイレベルに変化する。   Returning to FIG. As described above, only the auxiliary transistor M3 is turned on before the delay time τ elapses after the second gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10 changes from low level to high level at time T2, and the switching voltage Vsw rises with a large slope. After Vsw> 0 at time T3, the comparison signal Vcmp output from the second comparator 34 changes to high level at time T3 ′ after the detection delay time Δt by the comparator has elapsed.

時刻T3’において、比較部30から出力される比較電圧Vcmpがハイレベルとなると、強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’が強制的にローレベルに固定され、補助トランジスタM3がオフする。このとき、スイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2、補助トランジスタM3はすべてオフとなるため、ハイインピーダンス状態となり、スイッチング電圧Vswは変動し、時刻T5にスイッチングトランジスタM1がオンすると、電池電圧Vbatに安定する。   When the comparison voltage Vcmp output from the comparison unit 30 becomes high level at time T3 ', the output voltage Vg2' of the forced-off switch SW1 is forcibly fixed at low level, and the auxiliary transistor M3 is turned off. At this time, since the switching transistor M1, the synchronous rectification transistor M2, and the auxiliary transistor M3 are all turned off, the high impedance state is entered, the switching voltage Vsw fluctuates, and when the switching transistor M1 is turned on at time T5, the battery voltage Vbat is stabilized. To do.

このように、本実施の形態に係る100は、軽負荷時において、時刻T0〜T5の動作を一周期とし、この動作を繰り返すことにより、電池電圧Vbatを降圧し、所望の出力電圧Voutを負荷回路RLに対して供給する。
本実施の形態に係る制御回路100によれば、スイッチング電圧Vswをモニタし、同期整流用トランジスタM2がオンすべき期間において、スイッチング電圧Vswが0Vより大きくなると、同期整流用トランジスタM2を強制的にオフする。その結果、軽負荷時にインダクタL1に流れる電流ILの向きが反転し、同期整流用トランジスタM2を介して接地に向かって流れるのを防止し、効率の悪化を抑えることができる。
As described above, according to the present embodiment 100, at the time of light load, the operation from time T0 to T5 is set as one cycle, and by repeating this operation, the battery voltage Vbat is stepped down and the desired output voltage Vout is loaded. Supply to the circuit RL.
According to the control circuit 100 according to the present embodiment, the switching voltage Vsw is monitored, and when the switching voltage Vsw becomes larger than 0V during the period in which the synchronous rectification transistor M2 is to be turned on, the synchronous rectification transistor M2 is forcibly set. Turn off. As a result, the direction of the current IL flowing through the inductor L1 at the time of a light load is reversed, and the current IL can be prevented from flowing toward the ground via the synchronous rectification transistor M2, and deterioration in efficiency can be suppressed.

この際、図5に示した検出遅延時間Δtが長いと、スイッチング電圧Vswが正電圧となり、インダクタL1に流れる電流ILの向きが正から負へと反転し、同期整流用トランジスタM2あるいは補助トランジスタM3を介して接地に向かって流れ、効率が悪化してしまう。本実施の形態に係る制御回路100では、スイッチングトランジスタM1がオフした後において、補助トランジスタM3のみをオンした状態で大きな傾きでスイッチング電圧Vswを上昇させているため、オン抵抗の低い同期整流用トランジスタM2をオンした状態でスイッチング電圧Vswを上昇させる場合に比べて、検出遅延時間Δtを短く設定することができる。その結果、インダクタL1を流れる電流ILが負となり、接地に向かって流れる時間を短縮することができるため、効率を改善することができる。   At this time, if the detection delay time Δt shown in FIG. 5 is long, the switching voltage Vsw becomes a positive voltage, the direction of the current IL flowing through the inductor L1 is reversed from positive to negative, and the synchronous rectification transistor M2 or the auxiliary transistor M3 It flows toward the ground via, and the efficiency deteriorates. In the control circuit 100 according to the present embodiment, after the switching transistor M1 is turned off, the switching voltage Vsw is increased with a large slope while only the auxiliary transistor M3 is turned on. The detection delay time Δt can be set shorter than when the switching voltage Vsw is increased with M2 turned on. As a result, the current IL flowing through the inductor L1 becomes negative, and the time for flowing toward the ground can be shortened, so that the efficiency can be improved.

また、補助トランジスタM3のオン抵抗Ron3は、同期整流用トランジスタM2のオン抵抗Ron2に比べて低く設定されるため、補助トランジスタM3のトランジスタサイズは小さく設計することが可能となるため、補助トランジスタM3を設けることによる制御回路100のチップサイズの増大を抑えることができる。   Further, since the on-resistance Ron3 of the auxiliary transistor M3 is set lower than the on-resistance Ron2 of the synchronous rectifying transistor M2, the transistor size of the auxiliary transistor M3 can be designed to be small. The increase in the chip size of the control circuit 100 due to the provision can be suppressed.

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。   Those skilled in the art will understand that the above-described embodiment is an exemplification, and that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. is there.

図7は、図2の制御回路100の変形例を示す回路図である。制御回路100は、図2に示す比較部30の後段に、比較信号Vcmpをラッチするラッチ回路40を備える。   FIG. 7 is a circuit diagram showing a modification of the control circuit 100 of FIG. The control circuit 100 includes a latch circuit 40 that latches the comparison signal Vcmp at the subsequent stage of the comparison unit 30 shown in FIG.

ラッチ回路40には、ドライバ回路10から出力される第2ゲート電圧Vg2と、比較部30から出力される比較信号Vcmpが入力される。このラッチ回路40は、同期整流用トランジスタM2がオンすべき期間、すなわち、ドライバ回路10から出力される第2ゲート電圧Vg2がハイレベルの期間にアクティブとなり、比較部30から出力される比較信号Vcmpをラッチし、ラッチした信号を検出信号Vsensとして出力する。また、ラッチ回路40は、第2ゲート電圧Vg2がハイレベルからローレベルとなると、ラッチした検出結果をリセットする。   The latch circuit 40 receives the second gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10 and the comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30. The latch circuit 40 is active during a period in which the synchronous rectification transistor M2 is to be turned on, that is, a period during which the second gate voltage Vg2 output from the driver circuit 10 is at a high level, and the comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30. Are latched, and the latched signal is output as the detection signal Vsens. The latch circuit 40 resets the latched detection result when the second gate voltage Vg2 changes from the high level to the low level.

ラッチ回路40は、Dフリップフロップ42、ORゲート44、NORゲート46、インバータ48を含む。Dフリップフロップ42のセット端子およびデータ端子には、ハイレベルに対応する電源電圧Vddが入力され、リセット端子は、NORゲート46の出力と接続される。NORゲート46には、インバータ48によって反転された第2ゲート電圧Vg2および外部から与えられるイネーブル信号ENが入力され、2つの信号の否定論理和をDフリップフロップ42のリセット端子に出力する。イネーブル信号ENは、降圧型スイッチングレギュレータ200の降圧動作を制御する信号であり、降圧型スイッチングレギュレータ200は、イネーブル信号ENがローレベルのとき降圧動作を行い、ハイレベルのとき降圧動作を停止するアクティブローとなっている。   The latch circuit 40 includes a D flip-flop 42, an OR gate 44, a NOR gate 46, and an inverter 48. The power supply voltage Vdd corresponding to the high level is input to the set terminal and the data terminal of the D flip-flop 42, and the reset terminal is connected to the output of the NOR gate 46. The NOR gate 46 receives the second gate voltage Vg2 inverted by the inverter 48 and the enable signal EN given from the outside, and outputs the negative logical sum of the two signals to the reset terminal of the D flip-flop 42. The enable signal EN is a signal that controls the step-down operation of the step-down switching regulator 200, and the step-down switching regulator 200 performs the step-down operation when the enable signal EN is at a low level and stops the step-down operation when the enable signal EN is at a high level. Low.

また、Dフリップフロップ42のクロック端子には、比較部30から出力される比較信号Vcmpが入力される。このDフリップフロップ42は、第2ゲート電圧Vg2がハイレベルの期間に、比較部30から出力される比較信号Vcmpがハイレベルとなると、出力端子からハイレベルの出力信号Vqを出力する。
ORゲート44には、比較部30から出力される比較信号VcmpおよびDフリップフロップ42の出力信号Vqが入力され、2つの信号の論理和を検出信号Vsensとして強制オフスイッチSW1に出力する。なお、ORゲート44を設けずに、Dフリップフロップ42の出力信号Vqを強制オフスイッチSW1に直接出力してもよい。
The comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30 is input to the clock terminal of the D flip-flop 42. The D flip-flop 42 outputs a high-level output signal Vq from the output terminal when the comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30 becomes high level while the second gate voltage Vg2 is high level.
The OR gate 44 receives the comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30 and the output signal Vq of the D flip-flop 42, and outputs the logical sum of the two signals to the forced-off switch SW1 as the detection signal Vsens. Note that the output signal Vq of the D flip-flop 42 may be directly output to the forced-off switch SW1 without providing the OR gate 44.

以上のように構成された制御回路100の動作について説明する。図8は、図7の制御回路100の動作状態を示すタイムチャートである。時刻T0〜時刻T3’までの動作は、図5と同様であるため説明を省略する。
時刻T3’に比較部30から出力される比較信号Vcmpがハイレベルとなると、強制オフスイッチSW1の出力電圧Vg2’が強制的にローレベルに固定され、補助トランジスタM3がオフする。このとき、スイッチングトランジスタM1、同期整流用トランジスタM2、補助トランジスタM3はすべてオフとなるため、ハイインピーダンス状態となり、スイッチング電圧Vswは変動する。このとき、図8に示すように、スイッチング電圧Vswが接地電位0Vを跨いで変動すると、比較信号Vcmpもハイレベルとローレベルが切り替わることになる。
The operation of the control circuit 100 configured as described above will be described. FIG. 8 is a time chart showing an operation state of the control circuit 100 of FIG. The operations from time T0 to time T3 ′ are the same as those in FIG.
When the comparison signal Vcmp output from the comparison unit 30 becomes high level at time T3 ′, the output voltage Vg2 ′ of the forced off switch SW1 is forcibly fixed at low level, and the auxiliary transistor M3 is turned off. At this time, since the switching transistor M1, the synchronous rectification transistor M2, and the auxiliary transistor M3 are all turned off, the high-impedance state occurs and the switching voltage Vsw varies. At this time, as shown in FIG. 8, when the switching voltage Vsw fluctuates across the ground potential 0V, the comparison signal Vcmp also switches between the high level and the low level.

ここで、上述のように、図7の制御回路100では、比較部30およびDフリップフロップ42の出力の論理和にもとづいて、強制オフスイッチSW1を制御している。したがって、比較信号Vcmpの信号レベルが変動しても、Dフリップフロップ42の出力信号Vqはハイレベルにラッチされているため、ORゲート44の出力、すなわち検出信号Vsensはハイレベルのままとなる。その結果、スイッチング電圧Vswの変動にかかわらず、補助トランジスタM3、同期整流用トランジスタM2をオフし続けることができる。   Here, as described above, the control circuit 100 in FIG. 7 controls the forced-off switch SW1 based on the logical sum of the outputs of the comparison unit 30 and the D flip-flop 42. Therefore, even if the signal level of the comparison signal Vcmp fluctuates, the output signal Vq of the D flip-flop 42 is latched at a high level, so the output of the OR gate 44, that is, the detection signal Vsens remains at a high level. As a result, the auxiliary transistor M3 and the synchronous rectification transistor M2 can be kept off regardless of the change in the switching voltage Vsw.

時刻T4に、ドライバ回路10は、第2ゲート電圧Vg2をローレベルに切り替える。第2ゲート電圧Vg2がローレベルとなると、NORゲート46の出力はローレベルとなるため、Dフリップフロップ42はリセットされ、その出力信号Vqはローレベルとなる。その後、時刻T5に第1ゲート電圧Vg1がローレベルとなり、スイッチングトランジスタM1がオンする。   At time T4, the driver circuit 10 switches the second gate voltage Vg2 to a low level. When the second gate voltage Vg2 becomes low level, the output of the NOR gate 46 becomes low level, so that the D flip-flop 42 is reset and the output signal Vq becomes low level. Thereafter, at time T5, the first gate voltage Vg1 becomes low level, and the switching transistor M1 is turned on.

図7の実施の形態に係る制御回路100は、時刻T0〜T5を一周期として、この動作を繰り返すことにより、電池電圧Vbatを降圧し、所望の出力電圧Voutを負荷回路RLに対して供給する。
本実施の形態に係る制御回路100によれば、図2の制御回路100により得られる効果に加えさらに以下のような効果を得ることができる。すなわち、図7の制御回路100は、ラッチ回路40を備えており、スイッチング電圧Vswが0Vより大きくなったときハイレベルとなる比較信号Vcmpをラッチする。その結果、スイッチング電圧Vswが0Vを跨いで変動する場合においても、強制オフスイッチSW1の出力は切り替えられず、同期整流用トランジスタM2はオフ状態を保ち続けることができ、安定な降圧動作を行うことができる。
The control circuit 100 according to the embodiment shown in FIG. 7 repeats this operation with time T0 to T5 as one cycle, thereby stepping down the battery voltage Vbat and supplying the desired output voltage Vout to the load circuit RL. .
According to the control circuit 100 according to the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects obtained by the control circuit 100 of FIG. That is, the control circuit 100 of FIG. 7 includes a latch circuit 40, and latches the comparison signal Vcmp that becomes high level when the switching voltage Vsw becomes higher than 0V. As a result, even when the switching voltage Vsw fluctuates over 0 V, the output of the forced off switch SW1 is not switched, and the synchronous rectification transistor M2 can continue to be kept off and perform a stable step-down operation. Can do.

実施の形態では、制御回路100を含む降圧型スイッチングレギュレータ200により駆動される負荷回路としてマイコンを例に説明したが、これには限定されず、負荷電流が減少し、軽負荷状態で動作するさまざまな負荷回路に対して、駆動電圧を供給することができる。   In the embodiment, the microcomputer is described as an example of the load circuit driven by the step-down switching regulator 200 including the control circuit 100. However, the present invention is not limited to this, and the load circuit is reduced, and various operations can be performed in a light load state. A driving voltage can be supplied to a simple load circuit.

また、本実施の形態において、ハイレベル、ローレベルの論理値の設定は一例であって、インバータなどによって適宜反転させることにより自由に変更することが可能である。   Further, in the present embodiment, the setting of high level and low level logical values is merely an example, and can be freely changed by appropriately inverting it with an inverter or the like.

実施の形態では、制御回路100がひとつのLSIに一体集積化される場合について説明したが、これには限定されず、一部の構成要素がLSIの外部にディスクリート素子あるいはチップ部品として設けられ、あるいは複数のLSIにより構成されてもよい。   In the embodiment, the case where the control circuit 100 is integrated in one LSI has been described. However, the present invention is not limited to this, and some components are provided as discrete elements or chip components outside the LSI. Or you may comprise by several LSI.

実施の形態に係る降圧型スイッチングレギュレータを搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the electronic device carrying the pressure | voltage fall type switching regulator which concerns on embodiment. 実施の形態に係る降圧型スイッチングレギュレータの構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration of a step-down switching regulator according to an embodiment. 強制オフスイッチの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of a forced off switch. 本実施の形態に係る制御回路の重負荷時の動作状態を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation state at the time of heavy load of the control circuit which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る制御回路の軽負荷時の動作状態を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation state at the time of light load of the control circuit which concerns on this Embodiment. 図6(a)、(b)は、コンパレータの応答速度を説明するための図である。6A and 6B are diagrams for explaining the response speed of the comparator. 図2の制御回路の変形例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing a modification of the control circuit of FIG. 2. 図7の制御回路の動作状態を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation state of the control circuit of FIG. 図9(a)、(b)はそれぞれ、同期整流方式スイッチングレギュレータの重負荷および軽負荷時の電流の時間波形を示す図である。FIGS. 9A and 9B are diagrams showing current time waveforms of heavy and light loads of the synchronous rectification switching regulator, respectively.

符号の説明Explanation of symbols

100 制御回路、 200 降圧型スイッチングレギュレータ、 10 ドライバ回路、 30 比較部、 32 レベルシフト回路、 38 遅延回路、 40 ラッチ回路、 42 Dフリップフロップ、 44 ORゲート、 60 遅延回路、 L1 インダクタ、 Vg2 第2ゲート電圧、 Vsw スイッチング電圧、 M1 スイッチングトランジスタ、 M2 同期整流用トランジスタ、 M3 補助トランジスタ、 300 電子機器、 310 電池、 350 マイコン。   100 control circuit, 200 step-down switching regulator, 10 driver circuit, 30 comparison unit, 32 level shift circuit, 38 delay circuit, 40 latch circuit, 42 D flip-flop, 44 OR gate, 60 delay circuit, L1 inductor, Vg2 second Gate voltage, Vsw switching voltage, M1 switching transistor, M2 synchronous rectification transistor, M3 auxiliary transistor, 300 electronic device, 310 battery, 350 microcomputer.

Claims (13)

降圧型スイッチングレギュレータの制御回路であって、
入力端子と接地間に直列に接続されたスイッチングトランジスタと、同期整流用トランジスタと、を含み、2つのトランジスタの接続点の電圧を、スイッチング電圧として本制御回路の外部に接続されるインダクタの一端に印加する出力段と、
前記スイッチングレギュレータの出力電圧が所定の基準電圧に近づくように、そのデューティ比が制御されるパルス幅変調信号にもとづき、前記スイッチングトランジスタおよび前記同期整流用トランジスタのゲート端子に印加すべき第1、第2ゲート電圧を生成するドライバ回路と、
前記スイッチング電圧と所定のしきい値電圧を比較し、前記スイッチング電圧が前記しきい値電圧を上回ると、所定レベルの比較信号を出力する比較部と、
前記ドライバ回路から出力される前記第2ゲート電圧が入力され、前記比較部から前記所定レベルの比較信号が出力されている期間、前記第2ゲート電圧をローレベルに固定して出力するスイッチと、
ゲート端子に前記スイッチの出力信号が入力され、前記同期整流用トランジスタと並列に接続された補助トランジスタと、
前記スイッチの出力信号に所定の遅延時間を与え、前記同期整流用トランジスタのゲート端子に出力する遅延回路と、
を備えることを特徴とする制御回路。
A step-down switching regulator control circuit,
A switching transistor connected in series between the input terminal and the ground, and a synchronous rectification transistor, and the voltage at the connection point of the two transistors is connected to one end of the inductor connected to the outside of the control circuit as a switching voltage An applied output stage;
First and second to be applied to the gate terminals of the switching transistor and the synchronous rectification transistor based on a pulse width modulation signal whose duty ratio is controlled so that the output voltage of the switching regulator approaches a predetermined reference voltage. A driver circuit for generating a two-gate voltage;
A comparator that compares the switching voltage with a predetermined threshold voltage, and outputs a comparison signal of a predetermined level when the switching voltage exceeds the threshold voltage;
A switch for outputting the second gate voltage fixed to a low level during a period in which the second gate voltage output from the driver circuit is input and the comparison signal of the predetermined level is output from the comparison unit;
An auxiliary transistor connected to the synchronous rectification transistor in parallel with the output signal of the switch at the gate terminal;
A delay circuit that gives a predetermined delay time to the output signal of the switch, and outputs it to the gate terminal of the synchronous rectification transistor;
A control circuit comprising:
前記補助トランジスタのオン抵抗は、前記同期整流用トランジスタのオン抵抗より高く設定されることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。   The control circuit according to claim 1, wherein an on-resistance of the auxiliary transistor is set higher than an on-resistance of the synchronous rectification transistor. 前記所定のしきい値電圧は、接地電位であることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。   The control circuit according to claim 1, wherein the predetermined threshold voltage is a ground potential. 前記比較部は、
前記スイッチング電圧および前記しきい値電圧を、正方向に所定電圧だけレベルシフトするレベルシフト回路と、
前記レベルシフト回路によりレベルシフトされた前記スイッチング電圧と前記しきい値電圧とを比較するコンパレータと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の制御回路。
The comparison unit includes:
A level shift circuit for level-shifting the switching voltage and the threshold voltage by a predetermined voltage in the positive direction;
A comparator that compares the switching voltage level-shifted by the level shift circuit with the threshold voltage;
The control circuit according to claim 1, comprising:
前記レベルシフト回路は、
ベース端子に前記スイッチング電圧が入力され、コレクタ端子が接地され、エミッタ端子から前記スイッチング電圧をレベルシフトした電圧を出力するPNP型の第1バイポーラトランジスタと、
ベース端子およびコレクタ端子が接地され、エミッタ端子から前記接地電位をレベルシフトした電圧を出力するPNP型の第2バイポーラトランジスタと、
を含むことを特徴とする請求項4に記載の制御回路。
The level shift circuit includes:
A PNP-type first bipolar transistor that inputs the switching voltage to a base terminal, grounds a collector terminal, and outputs a voltage obtained by level shifting the switching voltage from an emitter terminal;
A PNP-type second bipolar transistor that has a base terminal and a collector terminal grounded, and outputs a voltage obtained by level shifting the ground potential from the emitter terminal;
The control circuit according to claim 4, comprising:
前記比較部の後段に設けられ、前記ドライバ回路から出力される第2ゲート電圧がハイレベルの期間にアクティブとなり、前記比較部から出力される比較信号をラッチし、検出信号として前記スイッチに出力するラッチ回路をさらに備え、
前記スイッチは、前記比較信号ではなく、前記ラッチ回路から出力される検出信号が前記所定レベルとなる期間に、前記第2ゲート電圧をローレベルに固定して出力することを特徴とする請求項1に記載の制御回路。
The second gate voltage output from the driver circuit is active during a period when the comparator circuit is provided at the subsequent stage, latches the comparison signal output from the comparator, and outputs it as a detection signal to the switch. A latch circuit;
2. The switch outputs the second gate voltage fixed to a low level during a period when the detection signal output from the latch circuit, not the comparison signal, is at the predetermined level. Control circuit according to.
前記ラッチ回路は、前記第2ゲート電圧がハイレベルからローレベルとなると、ラッチした前記検出信号をリセットすることを特徴とする請求項6に記載の制御回路。   The control circuit according to claim 6, wherein the latch circuit resets the latched detection signal when the second gate voltage is changed from a high level to a low level. 前記ラッチ回路は、Dフリップフロップを含み、当該Dフリップフロップは、リセット端子に前記第2ゲート電圧が入力され、データ端子にハイレベルの固定電圧が入力され、クロック端子に前記比較部から出力される比較信号が入力されることを特徴とする請求項7に記載の制御回路。   The latch circuit includes a D flip-flop. The D flip-flop receives the second gate voltage as a reset terminal, receives a high-level fixed voltage as a data terminal, and outputs the clock terminal from the comparator. The control circuit according to claim 7, wherein a comparison signal is input. 前記ラッチ回路は、前記Dフリップフロップの出力信号と、前記比較部から出力される比較信号の論理和を出力するORゲートをさらに含み、当該ORゲートの出力信号を前記検出信号として出力することを特徴とする請求項8に記載の制御回路。   The latch circuit further includes an OR gate that outputs a logical sum of the output signal of the D flip-flop and the comparison signal output from the comparison unit, and outputs the output signal of the OR gate as the detection signal. The control circuit according to claim 8, characterized in that: 前記同期整流用トランジスタは、NMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の制御回路。   The control circuit according to claim 1, wherein the synchronous rectification transistor is an NMOS transistor. 前記制御回路は、1つの半導体基板上に一体集積化されたことを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の制御回路。   11. The control circuit according to claim 1, wherein the control circuit is integrated on a single semiconductor substrate. 一端が接地されたキャパシタと、
前記キャパシタの他端にその一端が接続されたインダクタと、
前記インダクタの他端に、前記スイッチング電圧を供給する請求項1から10のいずれかに記載の制御回路と、
を備え、前記キャパシタの他端の電圧を出力することを特徴とする降圧型スイッチングレギュレータ。
A capacitor with one end grounded;
An inductor having one end connected to the other end of the capacitor;
The control circuit according to any one of claims 1 to 10, wherein the switching voltage is supplied to the other end of the inductor;
And a voltage at the other end of the capacitor is output.
電池電圧を出力する電池と、
マイコンと、
前記電池電圧を降圧して前記マイコンに供給する請求項12に記載の降圧型スイッチングレギュレータと、
を備えることを特徴とする電子機器。
A battery that outputs battery voltage;
A microcomputer,
The step-down switching regulator according to claim 12, wherein the battery voltage is stepped down and supplied to the microcomputer.
An electronic device comprising:
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