JP2007288935A - Dc/dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノートパソコンなどの電子機器の電源装置に使用されるスイッチング素子にMOSFETを用いたDC/DCコンバータに関するものである。 The present invention relates to a DC / DC converter using a MOSFET as a switching element used in a power supply device of an electronic device such as a notebook personal computer.
従来のノートパソコンなどの電子機器の電源装置に使用されるDC/DCコンバータは、使用しているMOSFETをスイッチングさせる際に、MOSFETのゲート入力寄生容量に電荷が充電される。 In a DC / DC converter used in a power supply device of a conventional electronic device such as a notebook personal computer, a charge is charged in the gate input parasitic capacitance of the MOSFET when the MOSFET being used is switched.
図3は、従来の非絶縁・降圧型DC/DCコンバータを示す回路図である。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a conventional non-insulated step-down DC / DC converter.
図3において、電源IC106は、p−chMOSFET101のゲートをゲート制御回路105からゲートドライブ用上側スイッチ103とゲートドライブ用下側スイッチ104を用いてドライブしている。電源IC106は、出力電圧が一定となるよう、p−chMOSFET101のオン/オフ時間比を調整する。フライホイールダイオード108はp−chMOSFET101がオフの期間中に導通して出力へ電流を供給する。109は平滑用コイル、110は平滑用コンデンサであり、p−chMOSFET101のオン/オフにより出力する矩形波電圧を平滑してDC電圧を取り出す。
In FIG. 3, the power supply IC 106 drives the gate of the p-
p−chMOSFET101をオフ状態からオン状態にドライブする際には、p−chMOSFET101のゲート・ドレイン間寄生容量102に充電されていた電荷は、ゲートドライブ用下側スイッチ104により放電され、p−chMOSFET101をオンからオフ状態にする際には、ゲート・ドレイン間寄生容量102はゲートドライブ用上側スイッチ103経由で電荷が充電される。
When the p-
最近のノートパソコンなどの電子機器では、出力電流の最大値がより大きいDC/DCコンバータが必要となってきている。これに対応するにはp−chMOSFET101に、より低オン抵抗のタイプのものを使用する必要があるが、一般にMOSFETは低オン抵抗のものほどゲート・ドレイン間寄生容量102やゲート・ソース間寄生容量107が大きい傾向にある。
In recent electronic devices such as notebook personal computers, a DC / DC converter having a larger maximum output current is required. In order to cope with this, it is necessary to use a p-
一方、電子機器の待機時消費電力を抑制し、省エネルギー化するためには、軽負荷領域から重負荷領域にいたる幅広い出力電流領域で高い変換効率が求められている。重負荷領域での効率向上のためには、例えば上記のように低オン抵抗のMOSFETが使用される。また、軽・中負荷領域での変換効率を高めるためには、たとえば特許文献1のように、スイッチング動作の速度を向上させて、いわゆるスイッチングロスを軽減する技術が用いられてきた。
しかしながら、上記従来の構成では、p−chMOSFET102をオフ状態からオン状態にドライブする際、ゲート・ドレイン間寄生容量102に充電されていた電荷は、スイッチ104経由で無駄に消費され、変換効率を低下させるという課題を有していた。
However, in the conventional configuration, when the p-
電力制御用MOSFETではこのゲート・ドレイン間寄生容量は通常のものに比べて大きく、この無駄に消費されるエネルギーの割合は、DC/DCコンバータが非常に軽負荷での動作時に特に顕著である。 In the power control MOSFET, the parasitic capacitance between the gate and the drain is larger than that of a normal one, and the ratio of this wasteful energy consumption is particularly remarkable when the DC / DC converter is operated at a very light load.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、変換効率を改善し省電力化を図った高効率DC/DCコンバータを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a high-efficiency DC / DC converter that improves conversion efficiency and saves power.
上記従来の課題を解決するために、本発明の高効率DC/DCコンバータは、追加されたもう一つのゲートドライブ用追加スイッチを有し、MOSFETのゲートドライブを行うとともに、外部へゲート入力寄生容量から取り出した電荷をエネルギーとして再利用するようにしたものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the high-efficiency DC / DC converter according to the present invention includes another additional gate drive switch, which performs MOSFET gate drive and external gate input parasitic capacitance. The charge taken out from the battery is reused as energy.
本構成によって、ゲート寄生容量に充電された電荷を無駄なくエネルギーとして取り出すことが可能となる。 With this configuration, the charge charged in the gate parasitic capacitance can be extracted as energy without waste.
本発明の高効率DC/DCコンバータによれば、変換効率を、特にゲートドライブ用電力が主な変換損失となっている軽負荷動作時に向上することができ、省電力化を図ることができる。 According to the high-efficiency DC / DC converter of the present invention, the conversion efficiency can be improved particularly during light load operation in which the gate drive power is the main conversion loss, and power saving can be achieved.
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における高効率DC/DCコンバータの回路図である。
(Embodiment 1)
1 is a circuit diagram of a high-efficiency DC / DC converter according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において、従来例の図3と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。従来例の図3と異なるところは、図3の回路にゲートドライブ用追加下側スイッチ201、追加出力用コンデンサ202、レギュレータ(3端子レギュレータ、シリーズレギュレータ)203およびダイオード204を追加した点である。
In FIG. 1, the same components as those of the conventional example shown in FIG. 3 differs from the conventional example in FIG. 3 in that an additional
図1において、ゲートドライブ用追加下側スイッチ201は、ゲートドライブ用下側スイッチ104と並列にp−chMOSFET101のゲートに接続され、追加出力用コンデンサ202とレギュレータ203により、出力へ電力を供給する追加出力回路を構成している。
In FIG. 1, a gate drive additional
以上のように構成された高効率DC/DCコンバータについて、以下その動作を説明する。 The operation of the high-efficiency DC / DC converter configured as described above will be described below.
ゲート制御回路105により、p−chMOSFET101をオフ状態からオン状態にドライブする際、ゲートドライブ用追加下側スイッチ201をまずオンし、追加出力用コンデンサ202に電荷を充電し、追加出力用コンデンサ202の電圧が最適なレベルに達したところでゲートドライブ用追加下側スイッチ201をオフ、ゲートドライブ用下側スイッチ104をオンする制御を行う。このようにすることでゲート・ドレイン間寄生容量102に充電されていた電荷はレギュレータ203からダイオード204を通じて出力へ供給される。なお、ダイオード204は出力電流がレギュレータ203に逆流しないようにするものである。
When the
これにより、従来は無駄に消費されていたエネルギーを出力として取り出すことができる。 As a result, energy that has been wasted in the past can be extracted as output.
なお、本実施の形態において追加出力回路としてレギュレータ203を、3端子レギュレータを例にとって説明したが、スイッチング式レギュレータとしても良い。
In this embodiment, the
また、ゲート制御回路105は負荷電流に応じて、あるいは追加出力用コンデンサ202の電圧に応じて、スイッチングの各サイクルごとにゲートドライブ用追加下側スイッチ201をオンするか否かを決めても良い。
Further, the
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2の高効率DC/DCコンバータのブロック図である。図2において、実施の形態1の図1および従来例の図3と同じ構成要素については同じ符号を用いて、説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a block diagram of the high efficiency DC / DC converter according to the second embodiment of the present invention. 2, the same components as those in FIG. 1 of the first embodiment and FIG. 3 of the conventional example are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
図2において、n−chMOSFET301は、図1、図3のフライホイールダイオード108に代えて配置された同期整流用n−chMOSFET302とで同期整流式降圧型DC/DCコンバータを構成している。
2, an n-
ゲートドライブ用追加下側スイッチ201は、ゲートドライブ用下側スイッチ104と並列にn−chMOSFET101のゲートに接続され、追加出力用コンデンサ202とレギュレータ203により、電源ICの電源Vcc(+5V)入力へ電力を供給する追加出力回路を構成している。
The gate drive additional
なお、ダイオード303は実施の形態のダイオード204同様、電源ICの電源Vccからレギュレータ203に出力電流が逆流しないようにするものである。また、ダイオード304,コンデンサ305はn−chMOSFET301をオン/オフさせるための電圧を生成するもので、ここでは詳細は省略する。
The
以上のように構成された高効率DC/DCコンバータについて、以下その動作を説明する。 The operation of the high-efficiency DC / DC converter configured as described above will be described below.
ゲート制御回路105により、n−chMOSFET301をオン状態からオフ状態にドライブする際、ゲートドライブ用追加下側スイッチ201をまずオンし、追加出力用コンデンサ202に電荷を充電、追加出力用コンデンサ202の電圧が最適なレベルに達したところでゲートドライブ用追加下側スイッチ201をオフ、ゲートドライブ用下側スイッチ104をオンする制御を行うことにより、ゲート・ドレイン間寄生容量102とゲート・ソース間寄生容量107に充電されていた電荷はレギュレータ203からダイオード303を通じて電源IC106へ供給され、従来は無駄に消費されていたエネルギーを電源ICの入力電源として取り出すことができる。
When the
なお、本実施の形態において、レギュレータ203の出力を電源IC106の電源として供給したが、実施の形態1の図1と同様、出力側に取り出しても良い。
In this embodiment, the output of the
本発明にかかる高効率DC/DCコンバータは、従来無駄に消費していたエネルギーを取り出し、有効に使用することが可能になるので、ノートパソコンなどの電子機器の電源装置に使用されるDC/DCコンバータとして有用である。 The high-efficiency DC / DC converter according to the present invention can take out energy that has been wasted in the past and can be used effectively. Therefore, the DC / DC used in power supply devices for electronic devices such as notebook personal computers. Useful as a converter.
101 p−chMOSFET
102 ゲート・ドレイン間寄生容量
103 ゲートドライブ用上側スイッチ
104 ゲートドライブ用下側スイッチ
105 ゲート制御回路
106 電源IC
107 ゲート・ソース間寄生容量
108 フライホイールダイオード
109 平滑用コイル
110 平滑用コンデンサ
201 ゲートドライブ用追加下側スイッチ
202 追加出力用コンデンサ
203 レギュレータ
204 ダイオード
301 n−chMOSFET
302 同期整流用n−chMOSFET
303 ダイオード
304 ダイオード
305 コンデンサ
101 p-ch MOSFET
102 Gate-drain
107 parasitic capacitance between gate and
302 n-ch MOSFET for synchronous rectification
303
Claims (4)
前記MOSFETのゲート・ドレイン間寄生容量の電荷を移動して蓄積するコンデンサと、
前記コンデンサへ電荷を移動させるゲートドライブ用追加スイッチと、
前記コンデンサに蓄積した電荷を電圧変換した電圧を前記DC/DCコンバータの出力側に出力するレギュレータと
を備えたことを特徴とするDC/DCコンバータ。 MOSFET used as a switching element of a DC / DC converter;
A capacitor that moves and accumulates the charge of the parasitic capacitance between the gate and drain of the MOSFET; and
An additional gate drive switch for transferring charge to the capacitor;
A DC / DC converter comprising: a regulator that outputs a voltage obtained by converting the charge accumulated in the capacitor to an output side of the DC / DC converter.
前記MOSFETのゲート・ドレイン間寄生容量の電荷を移動して蓄積するコンデンサと、
前記コンデンサへ電荷を移動させるゲートドライブ用追加スイッチと、
前記MOSFETのゲートを制御してDC電圧をスイッチングさせる電源ICと、
前記コンデンサに蓄積した電荷を電圧変換し前記電源ICの駆動電力として供給するレギュレータと
を備えたことを特徴とするDC/DCコンバータ。 MOSFET used as a switching element of a DC / DC converter;
A capacitor that moves and accumulates the charge of the parasitic capacitance between the gate and drain of the MOSFET; and
An additional gate drive switch for transferring charge to the capacitor;
A power supply IC that controls the gate of the MOSFET to switch a DC voltage;
A DC / DC converter comprising: a regulator that converts the charge accumulated in the capacitor into a voltage and supplies it as drive power for the power supply IC.
3. The DC / DC according to claim 1, wherein the switching operation of the additional switch for gate drive is limited for each cycle of switching of the MOSFET based on a load current of the DC / DC converter. converter.
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