JP2009095214A - Dc-dc converter circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DC−DCコンバータ回路に関する。 The present invention relates to a DC-DC converter circuit.
DC−DCコンバータ回路の一例として、降圧型のDC−DCコンバータ回路が広く産業機器に用いられている。図5は、降圧型のDC−DCコンバータ回路の一般的な構成例を示すものである。図5に示すDC−DCコンバータ回路では、ハイサイドトランジスタQ1とローサイドトランジスタQ2とをスイッチ素子として備えている。ハイサイドトランジスタQ1とローサイドトランジスタQ2とはMOSFET(Metal Oxicide Field Effect Transistor)とされており、ハイサイドトランジスタQ1のドレインDとソースSとの間が導通状態(以下、オンと称する)となる時間と、切断状態(以下、オフと称する)となる時間との比率を制御することによって、入力電圧源Vdcから供給される入力電圧V1を降圧して、出力電圧V2を得て、この出力電圧V2を出力平滑コンデンサCの両端から負荷(Load)の両端に供給するようにしている。また、ローサイドトランジスタQ2は、所謂、フライホイールダイオードとして機能して、ハイサイドトランジスタQ1がオフとなるときに、オンとなってインダクタLに蓄えられた磁気エネルギーを放出するように作用する。 As an example of a DC-DC converter circuit, a step-down DC-DC converter circuit is widely used in industrial equipment. FIG. 5 shows a typical configuration example of a step-down DC-DC converter circuit. The DC-DC converter circuit shown in FIG. 5 includes a high side transistor Q1 and a low side transistor Q2 as switching elements. The high-side transistor Q1 and the low-side transistor Q2 are MOSFETs (Metal Oxide Field Effect Transistors), and the time during which the drain D and source S of the high-side transistor Q1 are in a conductive state (hereinafter referred to as ON) The input voltage V1 supplied from the input voltage source Vdc is stepped down by controlling the ratio with respect to the disconnection time (hereinafter referred to as OFF) to obtain the output voltage V2, and this output voltage V2 is The voltage is supplied from both ends of the output smoothing capacitor C to both ends of the load (Load). The low-side transistor Q2 functions as a so-called flywheel diode, and acts to release the magnetic energy stored in the inductor L when the high-side transistor Q1 is turned off.
図5に示すように、ハイサイドトランジスタQ1とローサイドトランジスタQ2との各々は、制御回路を集積回路(Integrated Circuit:IC)の形態として形成する制御回路ICからの各々のゲートGを制御する制御信号によって制御される。ハイサイドトランジスタQ1のゲートGに供給される制御信号には、符号H―Driveを付すものとする。ここで、ハイサイドトランジスタQ1をオンさせるためには、ハイサイドトランジスタQ1のゲートGとソースSとの間に閾値以上の電圧を印加する必要があり、そのために、ブートストラップ回路を用いるのが一般的である。また、ハイサイドトランジスタQ1のオフに同期して、ローサイドトランジスタQ2をオンとする信号が、制御回路ICからローサイドトランジスタQ2のゲートGに制御信号が供給される。ローサイドトランジスタQ2のゲートGに供給される制御信号には、符号L―Driveを付すものとする。このようにして、ローサイドトランジスタQ2は、ハイサイドトランジスタQ1に同期してオンして、フライホイールダイオードと同様の機能を有するので、ローサイドトランジスタQ2を備えるDC−DCコンバータ回路は、同期整流方式DC−DCコンバータ回路とも称される。 As shown in FIG. 5, each of the high-side transistor Q1 and the low-side transistor Q2 is a control signal that controls each gate G from a control circuit IC that forms a control circuit in the form of an integrated circuit (IC). Controlled by. The control signal supplied to the gate G of the high-side transistor Q1 is denoted by reference sign H-Drive. Here, in order to turn on the high-side transistor Q1, it is necessary to apply a voltage higher than a threshold value between the gate G and the source S of the high-side transistor Q1, and therefore, a bootstrap circuit is generally used. Is. Further, a signal for turning on the low side transistor Q2 is supplied to the gate G of the low side transistor Q2 from the control circuit IC in synchronization with the turning off of the high side transistor Q1. A control signal supplied to the gate G of the low-side transistor Q2 is denoted by a symbol L-Drive. Thus, since the low side transistor Q2 is turned on in synchronization with the high side transistor Q1 and has the same function as the flywheel diode, the DC-DC converter circuit including the low side transistor Q2 is a synchronous rectification DC- Also referred to as a DC converter circuit.
図5では、ブートストラップ回路は、制御回路IC(DriverIC)20の内部に配された電圧Vccを発生する入力電圧源100、制御回路IC20の外部に配されたブートストラップダイオードDbおよびブートストラップコンデンサCbootを主要構成部品として構成されている。そして、図5に図示するようにブートストラップコンデンサCbootの負極性の端子をハイサイドトランジスタQ1のソースSに接続している。この制御回路ICでは、ローサイドトランジスタQ2がオンとなるときに、制御回路IC20に配された入力電圧源100からの電流は、→ブートストラップダイオードDb→ブートストラップコンデンサCboot→ローサイドトランジスタQ2の経路で流れ、ブートストラップコンデンサCbootへ電荷を蓄積する。ここで、ローサイドトランジスタQ2がオフとなる以前にブートストラップコンデンサCbootの両端に電圧Vccと略等しい電圧である電圧VBが発生するようにブートストラップコンデンサCbootの容量値が設定される。そして、ハイサイドトランジスタQ1をドライブするためのドライブ回路103に印加される電圧は、ハイサイドトランジスタQ1のソースSの電圧よりもVccだけ高い電圧が印加されるようにできる。このようにして、接地端子(グランド)との間で入力電圧V1以上の電圧を発生する電源がない場合でも、ハイサイドトランジスタQ1のゲートGには、ハイサイドトランジスタQ1をオンとするに十分な電圧である、ソースSの電圧よりも電圧VBだけ高い電圧を供給することができる。
In FIG. 5, the bootstrap circuit includes an
上述した図5に示すような構成のDC−DCコンバータにおいては、起動時はブートストラップコンデンサCbootの電荷はゼロであるため、最初にローサイドトランジスタQ2をオンとして、ブートストラップコンデンサCbootに電荷を蓄積させる必要がある。図6は、図5のDC―DCコンバータの起動時における制御回路ICに配された、ハイサイドトランジスタQ1をドライブするためのドライブ回路103から出力される信号H−DriveおよびローサイドトランジスタQ21をドライブするためのドライブ回路104から出力される信号L−Driveの各々を図示するものである。図6において、横軸は時間(Time)を示す時間軸であり、起動の符号が付される横軸の原点は起動時を示すものである。符号H−Driveの波形の紙面上方部(オンと記載部)はハイサイドトランジスタQ1をオンとする状態、符号H−Driveの波形の紙面下方部(オフと記載部)はハイサイドトランジスタQ1をオフとする状態を示し、符号L−Driveの波形の紙面上方部(オンと記載部)はローサイドトランジスタQ2をオンとする状態、符号L−Driveの波形の紙面下方部(オフと記載部)はローサイドトランジスタQ2をオフとする状態を示すものである。
In the DC-DC converter having the configuration shown in FIG. 5 described above, since the charge of the bootstrap capacitor Cboot is zero at the time of start-up, the low-side transistor Q2 is first turned on to accumulate the charge in the bootstrap capacitor Cboot. There is a need. 6 drives the signal H-Drive and the low-side transistor Q21 output from the
図7、図8は、このような従来の制御の技術において、DC−DCコンバータを停止させた後、出力平滑コンデンサCの電圧が、放電して0V(ボルト)になる前に、再びコンバータを起動させた場合に生じる現象を説明するための図である。図7は、図5に示す回路の起動時における現象を説明する図である。従来の回路では、上述したように、最初にローサイドトランジスタQ2がオンとされるため、出力平滑コンデンサCに残っている電荷は、図7に電流Idとして示すように流れ、電流Idが流れることによって磁気エネルギーがインダクタLに蓄積される。次にローサイドトランジスタQ2がオフとされた瞬間には、インダクタLに蓄えられたエネルギーは逆起電力に変換されるように作用し、ローサイドトランジスタQ2のドレインDとソースSとの間の電圧Vdsにサージ電圧を発生させる。 7 and 8 show that in the conventional control technique, after the DC-DC converter is stopped, the converter is turned on again before the voltage of the output smoothing capacitor C is discharged to 0 V (volt). It is a figure for demonstrating the phenomenon which arises when it starts. FIG. 7 is a diagram for explaining a phenomenon at the time of starting the circuit shown in FIG. In the conventional circuit, since the low-side transistor Q2 is first turned on as described above, the charge remaining in the output smoothing capacitor C flows as shown by current Id in FIG. 7, and the current Id flows. Magnetic energy is stored in the inductor L. Next, at the moment when the low-side transistor Q2 is turned off, the energy stored in the inductor L acts to be converted into a counter electromotive force, and the voltage Vds between the drain D and the source S of the low-side transistor Q2 is changed. Generates a surge voltage.
図8は、図5に示す回路の起動時における現象を、ドライブ回路104からの信号L−Driveの電圧波形およびローサイドトランジスタQ2のドレインDとソースSとの間の電圧波形を参照して示す図である。ドライブ回路104からの信号L−Driveの電圧波形において、オンと記載部はローサイドトランジスタQ2をオンとする状態、信号L−Driveの電圧波形において、オフと記載部はローサイドトランジスタQ2をオフとする状態を示すものである。ローサイドトランジスタQ2のドレインDとソースSとの間の電圧Vdsの波形が示すように、ローサイドトランジスタQ2がオフとなる直後にサージ電圧が発生し、このサージ電圧によりローサイドトランジスタQ2に過大な電圧が印加される可能性があり、場合によってはローサイドトランジスタQ2が破壊する不具合が発生することがある。
FIG. 8 is a diagram showing the phenomenon at the time of starting the circuit shown in FIG. 5 with reference to the voltage waveform of the signal L-Drive from the
図9は、ローサイドトランジスタQ2がオフとなる直後にサージ電圧が発生するという不具合を解決するための回路であり、DC−DCコンバータの動作停止後に出力平滑コンデンサCに蓄積された電荷を放電する放電回路30を追加する等の対策がおこなわれている。すなわち、出力電圧V2がツエナーダイオード303によって定められる所定電圧値よりも低下する場合に、トランジスタ301がオフとなり、この結果、トランジスタ302をオンとして、抵抗304を介して出力平滑コンデンサCに蓄積された電荷を急速に放電する。
しかしながら、このような放電回路の追加の対策では、部品点数や部品の費用が増加することや、このような対策回路のシーケンスによってはサージ電圧抑制の効果が十分ではない等の問題を抱えていた。 However, such additional countermeasures for the discharge circuit have problems such as an increase in the number of parts and the cost of the parts, and the surge voltage suppression effect is not sufficient depending on the sequence of such a countermeasure circuit. .
本発明は上述した課題を解決して、部品点数や部品の費用を増加させることなく、サージ電圧を抑制する技術を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a technique for suppressing a surge voltage without increasing the number of parts and the cost of parts.
本発明のDC−DCコンバータは、所定の出力電圧を得るために、その制御端子によってオンとオフとが制御されるハイサイドトランジスタと、前記ハイサイドトランジスタのオンとオフとの動作に同期してその制御端子によってオンとオフとが制御され同期整流器として機能するローサイドトランジスタと、前記ハイサイドトランジスタと前記ローサイドトランジスタとを制御する制御回路とを備え、入力電圧源からの入力電圧を降圧するDC−DCコンバータであって、前記ハイサイドトランジスタは、第1の制御端子を有する第1のハイサイドトランジスタと、前記第1のハイサイドトランジスタとは逆極性であって第2の制御端子を有する第2のハイサイドトランジスタと、を並列接続して形成され、
前記制御回路は、前記入力電圧よりも高い電圧を得るためのブートストラップ回路と、
前記ブートストラップ回路からの前記入力電圧よりも高い電圧が供給されて前記第1の制御端子に第1の制御信号を供給する第1のドライブ回路と、前記第2の制御端子に第2の制御信号を供給する第2のドライブ回路と、前記ローサイドトランジスタの有する第3の制御端子に第3の制御信号を供給する第3のドライブ回路と、を具備し、前記入力電圧源からの電力の供給を開始する時刻である起動時において、前記第1のハイサイドトランジスタをオフとし、前記第2のハイサイドトランジスタをオンとし、前記ローサイドトランジスタをオフとするように、前記第1の制御信号と前記第2の制御信号と前記第3の制御信号とを供給することを特徴とする。
In order to obtain a predetermined output voltage, the DC-DC converter of the present invention is synchronized with the operation of the high side transistor whose on and off are controlled by its control terminal and the on and off of the high side transistor. DC- that includes a low-side transistor that is controlled on and off by its control terminal and functions as a synchronous rectifier, and a control circuit that controls the high-side transistor and the low-side transistor, and steps down an input voltage from an input voltage source In the DC converter, the high-side transistor includes a first high-side transistor having a first control terminal, and a second high-side transistor having a second control terminal having a polarity opposite to that of the first high-side transistor. Are formed by connecting the high side transistors in parallel,
The control circuit includes a bootstrap circuit for obtaining a voltage higher than the input voltage;
A first drive circuit that is supplied with a voltage higher than the input voltage from the bootstrap circuit and supplies a first control signal to the first control terminal, and a second control to the second control terminal A second drive circuit for supplying a signal, and a third drive circuit for supplying a third control signal to a third control terminal of the low-side transistor, and supplying power from the input voltage source And the first control signal and the low-side transistor so that the first high-side transistor is turned off, the second high-side transistor is turned on, and the low-side transistor is turned off. A second control signal and the third control signal are supplied.
本発明の本発明のDC−DCコンバータは、同期整流器を有し、入力電圧を降圧して出力電圧を得る、所謂、同期整流方式のDC−DCコンバータである。このDC−DCコンバータでは、所謂、ハイサイドトランジスタは、第1のハイサイドトランジスタと第2のハイサイドトランジスタとを並列接続して形成されている。第1のハイサイドトランジスタは第1の制御端子を有し、第2のハイサイドトランジスタは第2の制御端子を有しているので、ハイサイドトランジスタを2種類の制御信号で制御することができる。ここで、第1のハイサイドトランジスタと第2のハイサイドトランジスタとは逆極性のトランジスタとされている。そして、制御回路は、入力電圧源からの入力電圧よりも高い電圧を得るためのブートストラップ回路を有しており、この入力電圧よりも高い電圧が第1のドライブ回路に供給されて、この第1のドライブ回路は第1の制御端子に第1の制御信号を供給することによって、第1のハイサイドトランジスタを十分にオン状態とすることができる。一方、第2のハイサイドトランジスタの第2の制御端子には、この第2のドライブ回路から第2の制御信号が供給されるが、第2のトランジスタは、逆極性とされるので入力電圧以下の電圧で十分にオンとすることができる。また、第3のドライブ回路から第3の制御信号が、ローサイドトランジスタの有する第3の制御端子に供給されて、ローサイドトランジスタを同期整流器として機能させることができる。また、このローサイドトランジスタがオン、オフすることによって、ブートストラップ回路に入力電圧よりも高い電圧を発生させることができる。そして、入力電圧源からの電力の供給を開始する時刻である起動時において、第1のハイサイドトランジスタをオフとし、第2のハイサイドトランジスタをオンとし、ローサイドトランジスタをオフとするように、第1の制御信号と第2の制御信号と第3の制御信号とを供給することによって、DC−DCコンバータの起動をすることができるとともに、サージ電圧の発生を防止することができる。 The DC-DC converter of the present invention is a so-called synchronous rectification type DC-DC converter having a synchronous rectifier and stepping down an input voltage to obtain an output voltage. In this DC-DC converter, a so-called high side transistor is formed by connecting a first high side transistor and a second high side transistor in parallel. Since the first high-side transistor has a first control terminal and the second high-side transistor has a second control terminal, the high-side transistor can be controlled with two types of control signals. . Here, the first high-side transistor and the second high-side transistor are transistors having opposite polarities. The control circuit has a bootstrap circuit for obtaining a voltage higher than the input voltage from the input voltage source, and a voltage higher than the input voltage is supplied to the first drive circuit. The first drive circuit can sufficiently turn on the first high-side transistor by supplying the first control signal to the first control terminal. On the other hand, a second control signal is supplied from the second drive circuit to the second control terminal of the second high-side transistor. However, since the second transistor has a reverse polarity, it is less than the input voltage. Can be sufficiently turned on at a voltage of. Further, the third control signal is supplied from the third drive circuit to the third control terminal of the low-side transistor, so that the low-side transistor can function as a synchronous rectifier. Further, when the low-side transistor is turned on / off, a voltage higher than the input voltage can be generated in the bootstrap circuit. Then, at the time of start-up, which is the time to start supplying power from the input voltage source, the first high-side transistor is turned off, the second high-side transistor is turned on, and the low-side transistor is turned off. By supplying the first control signal, the second control signal, and the third control signal, it is possible to start the DC-DC converter and to prevent occurrence of a surge voltage.
本発明によれば、部品点数や部品の費用を増加させることなく、サージ電圧を抑制するDC−DCコンバータの技術を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the technique of the DC-DC converter which suppresses a surge voltage can be provided, without increasing a number of parts and the expense of components.
以下、実施形態の電源装置の説明を図面に沿って行う。 Hereinafter, the power supply apparatus according to the embodiment will be described with reference to the drawings.
図1は、実施形態の降圧型のDC−DCコンバータを示すものである。図1に示すDC−DCコンバータは、NチャンネルFETで構成される第1のハイサイドトランジスタQ1、NチャンネルFETで構成されるローサイドトランジスタQ2に加えて、PチャンネルFETで構成される第2のハイサイドトランジスタQ3を有している。第1のハイサイドトランジスタQ1と第2のハイサイドトランジスタQ3とは並列に接続されている。 FIG. 1 shows a step-down DC-DC converter according to an embodiment. The DC-DC converter shown in FIG. 1 includes a first high-side transistor Q1 configured by an N-channel FET, a low-side transistor Q2 configured by an N-channel FET, and a second high-side configured by a P-channel FET. It has a side transistor Q3. The first high side transistor Q1 and the second high side transistor Q3 are connected in parallel.
実施形態の降圧型のDC−DCコンバータは制御回路IC(DriverIC)10を有しており、制御回路IC10は、第1のハイサイドトランジスタQ1をドライブするための第1のドライブ回路103、第2のハイサイドトランジスタQ3をドライブするための第2のドライブ回路102、ローサイドトランジスタQ2をドライブするための第3のドライブ回路104を有しており、第1のドライブ回路103からの第1の制御信号である信号H1―Driveによって第1のハイサイドトランジスタQ1のゲートG(第1の制御端子)が駆動され、第2のドライブ回路102からの第2の制御信号である信号H2―Driveによって第2のハイサイドトランジスタQ3のゲートG(第2の制御端子)が駆動され、第3のドライブ回路104からの第3の制御信号である信号L―DriveによってローサイドトランジスタQ2のゲートG(第3の制御端子)が駆動されるようになされている。
The step-down DC-DC converter according to the embodiment includes a control circuit IC (Driver IC) 10, which includes a
図2は、信号H1−Drive、信号L―Driveおよび信号H2―Driveの各々を図示するものである。図2の横軸は、時間軸を示し、符号起動を付した時刻は、DC−DCコンバータが起動する時刻を示すものである。ここで、起動とは、例えば、入力電圧源Vdcに直列にスイッチを設けて、このスイッチを導通した瞬間(電源オンと称する)の直後の状態を指すものである。図2に記載された符号オンと符号オフとは、信号H1−Driveについては、第1のハイサイドトランジスタQ1がオンまたはオフとなるゲート電圧であることを表し、信号L−Driveについては、ローサイドトランジスタQ2がオンまたはオフとなるゲート電圧であることを表し、信号H2−Driveについては、第2のハイサイドトランジスタQ3がオンまたはオフとなるゲート電圧であることを表すものである。 FIG. 2 illustrates each of the signal H1-Drive, the signal L-Drive, and the signal H2-Drive. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the time axis, and the time with code activation indicates the time when the DC-DC converter is activated. Here, the activation refers to a state immediately after the moment when a switch is provided in series with the input voltage source Vdc and this switch is turned on (referred to as power-on). The sign on and the sign off described in FIG. 2 indicate that the signal H1-Drive is a gate voltage at which the first high-side transistor Q1 is turned on or off, and the signal L-Drive is the low side. The gate voltage indicates that the transistor Q2 is turned on or off, and the signal H2-Drive indicates that the gate voltage is turned on or off by the second high-side transistor Q3.
起動の直後においては、図2から見て取れるように、信号H2―Driveはローレベル、すなわち、第2のハイサイドトランジスタQ3がオンとされる。また、信号L−Driveはローレベル、すなわち、ローサイドトランジスタQ2がオフとされる。このような、第2のハイサイドトランジスタQ3がオン、ローサイドトランジスタQ2がオフとされる状態では、出力平滑コンデンサCに電荷が蓄積されている場合であっても、出力平滑コンデンサCからローサイドトランジスタQ2への電流が、図7に示すように逆流をすることがない。そして、図8に示すように、インダクタLの逆起電力の作用によって有害なるサージ電圧が発生することを防止している。また、最初に、第2のハイサイドトランジスタQ3がオンとされることによって、電圧V2を立ち上げ、DC−DCコンバータを起動することができる。 Immediately after startup, as can be seen from FIG. 2, the signal H2-Drive is at a low level, that is, the second high-side transistor Q3 is turned on. The signal L-Drive is at a low level, that is, the low-side transistor Q2 is turned off. In such a state where the second high-side transistor Q3 is on and the low-side transistor Q2 is off, even if charge is accumulated in the output smoothing capacitor C, the output side smoothing capacitor C and the low-side transistor Q2 As shown in FIG. Then, as shown in FIG. 8, a harmful surge voltage is prevented from being generated by the action of the counter electromotive force of the inductor L. First, when the second high-side transistor Q3 is turned on, the voltage V2 can be raised and the DC-DC converter can be activated.
図2に示すように、起動後の定常状態においては、信号H1―Driveと信号H2―Driveとはローレベルとハイレベルとが逆転した相補的な信号であり、第1のハイサイドトランジスタQ1と第2のハイサイドトランジスタQ3とは、同時にオンとなり同時にオフとなる動作を繰り返す。ここで、第1のハイサイドトランジスタQ1と第2のハイサイドトランジスタQ3とに分流する電流の大きさは、第1のハイサイドトランジスタQ1のドレインDとソースSとのオン抵抗の値と、第2のハイサイドトランジスタQ3のソースSとドレインDとのオン抵抗の値との比率に応じたものとなる。第2のハイサイドトランジスタQ3の主なる役割は、起動時にサージ電圧の発生を防止するものであり、また、最初に、第2のハイサイドトランジスタQ3がオンとされることによって、電圧V2を立ち上げ、DC−DCコンバータを起動するものであるので、定常動作時には、第1のハイサイドトランジスタQ1に主として電流が流れるようにするために、サージ電圧の発生を防止ができる範囲で、オン抵抗が第1のハイサイドトランジスタQ1に比較して、より大きな小型(チップ面積の小さい)なものとして、部品コストを低減することができる。 As shown in FIG. 2, in the steady state after activation, the signal H1-Drive and the signal H2-Drive are complementary signals in which the low level and the high level are reversed, and the first high-side transistor Q1 The second high-side transistor Q3 repeats the operation of turning on simultaneously and turning off simultaneously. Here, the magnitude of the current shunted to the first high-side transistor Q1 and the second high-side transistor Q3 is the value of the on-resistance between the drain D and the source S of the first high-side transistor Q1, and the first This corresponds to the ratio between the on-resistance value of the source S and the drain D of the second high-side transistor Q3. The main role of the second high-side transistor Q3 is to prevent the generation of a surge voltage at the time of start-up. First, the voltage V2 is raised by turning on the second high-side transistor Q3. Since the DC-DC converter is started up, in order to allow the current to mainly flow through the first high-side transistor Q1 during steady operation, the on-resistance is within a range in which the generation of a surge voltage can be prevented. Compared to the first high-side transistor Q1, it is possible to reduce the component cost by making it larger and smaller (small in chip area).
図2に示す波形図から見て取れるように、第1のハイサイドトランジスタQ1および第2のハイサイドトランジスタQ3がオフとなったときに、ローサイドトランジスタQ2はオンとなって同期整流器として機能する。また、出力平滑コンデンサCの両端の電圧、すなわち、負荷に供給される出力電圧V2がパルス幅変調(PWM)回路101に入力され、出力電圧V2を所定の一定電圧となるように、第1のハイサイドトランジスタQ1および第2のハイサイドトランジスタQ3のオンとオフとの時間の比率を制御する。
As can be seen from the waveform diagram shown in FIG. 2, when the first high-side transistor Q1 and the second high-side transistor Q3 are turned off, the low-side transistor Q2 is turned on and functions as a synchronous rectifier. The voltage across the output smoothing capacitor C, that is, the output voltage V2 supplied to the load is input to the pulse width modulation (PWM)
このようにして、最初に、第2のハイサイドトランジスタQ3がオンとされることによって、電圧V2を立ち上げ、DC−DCコンバータを起動しながらも、ローサイドトランジスタQ2が起動時にオフとされていることから、上述したサージ電圧の発生はない。そして、ローサイドトランジスタQ2がオンとなることによって、ブートストラップ回路が動作して、NチャンネルMOSFETである第1のハイサイドトランジスタQ1のゲートGに閾値電圧以上の入力電圧V1に略電圧VBを加算した電圧を印加して、第1のハイサイドトランジスタQ1を十分にオンとする。なお、PチャンネルMOSFETである第2のハイサイドトランジスタQ3は、当然ながら、入力電圧V1よりも低い電圧で十分にオンとできるので、ブートストラップ回路は必要とはされない。ここで、第1のハイサイドトランジスタQ1をNチャンネルMOSFETとする理由は、第1のハイサイドトランジスタQ1とローサイドトランジスタQ2の極性を合わせることによって、ディスクリート部品で回路を構成する場合には部品点数を減らせ、パワーMOSFETをICの内部に形成する場合には、同一プロセスを採用するので、プロセスが簡略化でき、オン抵抗を小さくできる等の利点があるからである。 In this way, first, the second high-side transistor Q3 is turned on, whereby the voltage V2 is raised and the DC-DC converter is activated, but the low-side transistor Q2 is turned off at the time of activation. Therefore, the above-described surge voltage is not generated. When the low-side transistor Q2 is turned on, the bootstrap circuit operates to add the approximate voltage VB to the input voltage V1 above the threshold voltage to the gate G of the first high-side transistor Q1, which is an N-channel MOSFET. A voltage is applied to sufficiently turn on the first high-side transistor Q1. Note that the second high-side transistor Q3, which is a P-channel MOSFET, can naturally be sufficiently turned on at a voltage lower than the input voltage V1, so that a bootstrap circuit is not required. Here, the reason why the first high-side transistor Q1 is an N-channel MOSFET is that when the circuit is configured with discrete components by matching the polarities of the first high-side transistor Q1 and the low-side transistor Q2, the number of components is reduced. This is because, when the power MOSFET is formed inside the IC, the same process is adopted, so that the process can be simplified and the on-resistance can be reduced.
図3は、別の実施形態を図示するものである。図3に示すDC−DCコンバータでは、図1に示す制御回路IC10に替えて制御回路IC11が用いられている。制御回路IC11の基本的な構成は、制御回路IC10と同様であるが、ソフトスタートのためのソフトスタートブロックS/S105を配置した点が異なる特徴点となっている。そして、ソフトスタートブロックS/S105を介して、第3のドライブ回路102、第1のドライブ回路103および第2のドライブ回路104の各々が制御されるようになされている。
FIG. 3 illustrates another embodiment. In the DC-DC converter shown in FIG. 3, a control circuit IC11 is used instead of the control circuit IC10 shown in FIG. The basic configuration of the control circuit IC11 is the same as that of the control circuit IC10, except that the soft start block S / S105 for soft start is arranged. Each of the
図3に示す回路の起動時における各部波形を図4に図示する。図4に示す、信号H1−Drive、信号L−Drive、信号H2−Drive、の各々の信号の基本的性質は、図2に示すと同様であり、起動の直後においては、信号H2―Driveはローレベル、すなわち、第2のハイサイドトランジスタQ3がオンとされ、信号L−Driveはローレベル、すなわち、ローサイドトランジスタQ2がオフとされる点においては異なるものではない。しかしながら、ソフトスタートブロックS/S105は、DC−DCコンバータの起動時からソフトスタート終了の時刻までの間、第2のハイサイドトランジスタQ3がオンとされる時間の比率(パルス幅)を時間経過に応じて徐々に大きくするような制御を行い、各トランジスタへ過大な電流が流れないようにしている。また、図4にそのドレイン電流を示すように、第2のハイサイドトランジスタQ3は、ソフトスタートの期間(図4では、起動からソフトスタート終了の時刻までの期間)のみオン/オフのスイッチング動作をするように制御をされ、ソフトスタート終了の時刻(起動後の所定時間)以降は、オフとなされる。
FIG. 4 shows waveforms of respective parts at the time of starting the circuit shown in FIG. The basic characteristics of each of the signal H1-Drive, the signal L-Drive, and the signal H2-Drive shown in FIG. 4 are the same as those shown in FIG. 2, and immediately after activation, the signal H2-Drive is It is not different in that the low level, that is, the second high-side transistor Q3 is turned on, and the signal L-Drive is low level, that is, the low-side transistor Q2 is turned off. However, the soft start block S /
ここで、ソフトスタートブロックS/S105の役割を簡単に説明する。ソフトスタートブロックS/S105を設けない場合においては、起動後に制御回路IC10に電圧が供給されると、PWM回路101は、動作を開始して、出力電圧V2が予め定める所定電圧よりも低い場合には、第1のハイサイドトランジスタQ1および第2のハイサイドトランジスタQ3を長時間オンとするように、動作して、第1のハイサイドトランジスタQ1および第2のハイサイドトランジスタQ3に過大な電流が流れてしまい、DC―DCコンバータの構成部品に対する負担が大きなものとなる。そこで、ソフトスタートブロックS/S105は、予め定める時系列パルスを発生して、緩やかに出力電圧V2を立ち上げるソフトスタートを強制的におこない、よって、DC―DCコンバータの構成部品に過大な負担が生じないようにしている。
Here, the role of the soft start block S /
このように、ソフトスタート終了の時刻以降、第2のハイサイドトランジスタQ3をオフとすることによって、第2のハイサイドトランジスタQ3に生じる電力損失を低減することができるので、第2のハイサイドトランジスタQ3は、第1のハイサイドトランジスタQ1に比べて小さい素子を使用することにより部品コストを低減することが可能となる。さらには、第2のハイサイドトランジスタQ3を制御回路IC11に内蔵することよって、部品点数の削減をさらに図ることができる。 As described above, since the second high-side transistor Q3 is turned off after the soft-start end time, power loss generated in the second high-side transistor Q3 can be reduced, so that the second high-side transistor Q3 can reduce the component cost by using a smaller element than the first high-side transistor Q1. Furthermore, by incorporating the second high-side transistor Q3 in the control circuit IC11, the number of parts can be further reduced.
また、図4に示すように、信号H1−Driveは、ソフトスタート期間中においても、起動時の直後を除き、信号H2−Driveと極性が異なる信号とされているが、ソフトスタート期間中は、信号H1−Driveをローレベルとして、第2のハイサイドトランジスタQ3にのみ電流を流すようにしても良い。 Further, as shown in FIG. 4, the signal H1-Drive is a signal having a polarity different from that of the signal H2-Drive except during the soft start period except immediately after the start, but during the soft start period, The signal H1-Drive may be set to a low level so that a current flows only through the second high-side transistor Q3.
上述の実施形態の説明においては、第1のハイサイドトランジスタQ1、第2のハイサイドトランジスタQ3、ローサイドトランジスタQ2のすべてをMOSFETで構成する場合について説明をおこなったが、第1のハイサイドトランジスタQ1、第2のハイサイドトランジスタQ3、ローサイドトランジスタQ2のすべて、または、少なくとも、そのいずれかの一つをバイポーラトランジスタで構成する場合、すなわち、NチャンネルMOSFETをNPNトランジスタに、PチャンネルMOSFETをPNPトランジスタに置き換える場合においても、上述した実施形態と同様に作用して、同様の効果を得ることができる。すなわち、第1のハイサイドトランジスタQ1をバイポーラトランジスタに置き換える場合においても、バイポーラトランジスタのコレクタとエミッタと間の導通を十分なものとするために、MOSFETのゲート駆動回路に電圧を供給する場合と同様に、ベースとエミッタの間に、ブートストラップ回路で得られた電圧を印加して、NPNトランジスタを十分に飽和させ、オンとする点において、ブートストラップ回路は同様に効果的に作用をするものである。 In the description of the above-described embodiment, the case where all of the first high-side transistor Q1, the second high-side transistor Q3, and the low-side transistor Q2 are configured by MOSFETs has been described. However, the first high-side transistor Q1 In the case where all or at least one of the second high-side transistor Q3 and the low-side transistor Q2 is a bipolar transistor, that is, the N-channel MOSFET is an NPN transistor and the P-channel MOSFET is a PNP transistor. Even in the case of replacement, the same effect can be obtained by operating in the same manner as the above-described embodiment. That is, even when the first high-side transistor Q1 is replaced with a bipolar transistor, in order to ensure sufficient conduction between the collector and emitter of the bipolar transistor, the same as when a voltage is supplied to the gate drive circuit of the MOSFET. In addition, the voltage obtained by the bootstrap circuit is applied between the base and the emitter to sufficiently saturate the NPN transistor and turn it on, so that the bootstrap circuit also works effectively. is there.
なお、上述した実施形態では、入力電圧および負荷に供給される出力電圧が正極性(プラス)の電圧である場合について説明をしたが、入力電圧源の電圧を負極性とし、第1のハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタとして、PチャンネルFETまたはPNPトランジスタを用い、第2のハイサイドトランジスタとして、NチャンネルFETまたはNPNトランジスタを用い、制御回路ICのブートストラップ回路が負電圧を発生するものとして、負荷に供給される電圧が負極性(マイナス)の電圧である場合においても、同様の作用、効果を奏することができる。この場合においては、降圧DC−DCコンバータの意味は、負電圧をより絶対値の小さい負電圧に変換するという意味である。 In the above-described embodiment, the case where the input voltage and the output voltage supplied to the load are positive (plus) voltage has been described. However, the input voltage source voltage is negative, and the first high side A P-channel FET or PNP transistor is used as the transistor and the low-side transistor, an N-channel FET or NPN transistor is used as the second high-side transistor, and the bootstrap circuit of the control circuit IC generates a negative voltage. Even when the supplied voltage is a negative (minus) voltage, the same operation and effect can be obtained. In this case, the step-down DC-DC converter means that the negative voltage is converted into a negative voltage having a smaller absolute value.
10、11、20 制御回路IC、 30 放電回路、 100 入力電圧源、 101 PWM回路、 102、103、104 ドライブ回路、 301、302 トランジスタ、 303 ツエナーダイオード、 304 抵抗 C 出力平滑コンデンサ、 Cboot ブートストラップコンデンサ、 D ドレイン、 Db ブートストラップダイオード、G ゲート、 L インダクタ、 Q1、Q3 ハイサイドトランジスタ、 Q2 ローサイドトランジスタ、 S ソース、 105 ソフトスタートブロックS/S 10, 11, 20 Control circuit IC, 30 Discharge circuit, 100 Input voltage source, 101 PWM circuit, 102, 103, 104 Drive circuit, 301, 302 Transistor, 303 Zener diode, 304 Resistor C Output smoothing capacitor, Cboot Bootstrap capacitor , D drain, Db bootstrap diode, G gate, L inductor, Q1, Q3 high side transistor, Q2 low side transistor, S source, 105 soft start block S / S
Claims (4)
前記ハイサイドトランジスタは、
第1の制御端子を有する第1のハイサイドトランジスタと、前記第1のハイサイドトランジスタとは逆極性であって第2の制御端子を有する第2のハイサイドトランジスタと、を並列接続して形成され、
前記制御回路は、
前記入力電圧よりも高い電圧を得るためのブートストラップ回路と、
前記ブートストラップ回路からの前記入力電圧よりも高い電圧が供給されて前記第1の制御端子に第1の制御信号を供給する第1のドライブ回路と、
前記第2の制御端子に第2の制御信号を供給する第2のドライブ回路と、
前記ローサイドトランジスタの有する第3の制御端子に第3の制御信号を供給する第3のドライブ回路と、を具備し、
前記入力電圧源からの電力の供給を開始する時刻である起動時において、
前記第1のハイサイドトランジスタをオフとし、前記第2のハイサイドトランジスタをオンとし、前記ローサイドトランジスタをオフとするように、
前記第1の制御信号と前記第2の制御信号と前記第3の制御信号とを供給することを特徴とするDC−DCコンバータ。 In order to obtain a predetermined output voltage, a high-side transistor whose on / off is controlled by its control terminal, and on / off by its control terminal in synchronization with the on / off operation of the high-side transistor. A DC-DC converter comprising a low-side transistor that is controlled and functions as a synchronous rectifier, and a control circuit that controls the high-side transistor and the low-side transistor, and that steps down an input voltage from an input voltage source,
The high side transistor is
A first high-side transistor having a first control terminal and a second high-side transistor having a polarity opposite to that of the first high-side transistor and having a second control terminal are connected in parallel. And
The control circuit includes:
A bootstrap circuit for obtaining a voltage higher than the input voltage;
A first drive circuit that is supplied with a voltage higher than the input voltage from the bootstrap circuit and supplies a first control signal to the first control terminal;
A second drive circuit for supplying a second control signal to the second control terminal;
A third drive circuit for supplying a third control signal to a third control terminal of the low-side transistor,
At start-up, which is the time to start supplying power from the input voltage source,
Turning off the first high-side transistor, turning on the second high-side transistor, and turning off the low-side transistor;
A DC-DC converter characterized by supplying the first control signal, the second control signal, and the third control signal.
前記第1のハイサイドトランジスタおよび前記ローサイドトランジスタがNチャンネルMOSFETまたはNPNトランジスタとされ、
前記ローイサイドトランジスタがPチャンネルMOSFETまたはPNPトランジスタとされる、ことを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 Both the input voltage and the output voltage are positive voltages,
The first high-side transistor and the low-side transistor are N-channel MOSFETs or NPN transistors;
2. The DC-DC converter according to claim 1, wherein the low-side transistor is a P-channel MOSFET or a PNP transistor.
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