JP2009124844A - Switching power supply - Google Patents

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    • H02M3/1582Buck-boost converters

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching power supply that is improved in responsiveness and achieved in high efficiency. <P>SOLUTION: An inductance is provided between the outputs of the first output circuit provided between input voltage and grounding potential, and the second output circuit provided between output voltage and the grounding potential. When the input voltage is within the first voltage range larger than a desired output voltage, the first output circuit is operated with a PWM pulse wherein the output voltage is a desired voltage, and the second output circuit has the output side switch turned on and the ground side switch turned off. When the input voltage is within the second voltage range, almost the same as the desired output voltage, the first output circuit is operated with a fixed PWM pulse, and the second output circuit is operated with the PWM pulse wherein the output voltage is the desired voltage. When the input voltage is within the third voltage range smaller than the desired output voltage, the first output circuit has the input voltage side switch turned on and the ground side switch turned off, the second output circuit is operated with the PWM pulse wherein the output voltage is the desired voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、例えばリチュウムイオン電池で要求される昇降圧コンバータに適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a technique effective when applied to a buck-boost converter required for a lithium ion battery, for example.

特許第3556652号公報においては、コイル(インダクタンス)の両端が電源及びGNDに相補接続されるスイッチをそれぞれ持ち、且つ、一方のコイル端が相補スイッチを介して入力電圧Vinに接続されており、他方のコイル端が他の相補スイッチを介して出力電圧端Voutに接続されている昇降圧動作可能なコンバータにおいて、入力側および出力側がそれぞれ独立にPWM制御される昇降圧モードを有する。入力側は、Vin×Din( 入力側PWM制御デューティ)=一定電圧が得られるようにフィードフォワード制御される。出力側は、所望の一定電圧が得られるようにフィードバック制御される。   In Japanese Patent No. 3556652, both ends of a coil (inductance) have switches that are complementarily connected to a power supply and GND, respectively, and one coil end is connected to an input voltage Vin via a complementary switch, In a converter capable of performing a step-up / step-down operation in which the coil end is connected to the output voltage end Vout via another complementary switch, the input side and the output side have a step-up / step-down mode in which PWM control is independently performed. The input side is feedforward controlled so that Vin × Din (input side PWM control duty) = constant voltage is obtained. The output side is feedback controlled so as to obtain a desired constant voltage.

特開2005−318662号公報においては、昇圧と降圧を切り替えて使用するコンバータにおいて出力電圧変動を抑制する為の方法が開示されている。上記特許第3556652号公報の構成において、フィードフォワード制御側をフィードバック制御に変更したものであり、常に出力電圧を制御するフィードバック手段のデューティが動作モードに因らず一定となるように第2の制御手段で調整する。降圧モードの場合はフィードフォワード制御が出力側、昇圧ではフィードフォワード制御が入力側で行われる。
特許第3556652号公報 特開2005−318662号公報
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-318862 discloses a method for suppressing output voltage fluctuation in a converter that switches between step-up and step-down. In the configuration of Japanese Patent No. 3556652, the feedforward control side is changed to feedback control, and the second control is performed so that the duty of the feedback means for always controlling the output voltage is constant regardless of the operation mode. Adjust by means. In the step-down mode, feedforward control is performed on the output side, and in step-up, feedforward control is performed on the input side.
Japanese Patent No. 3556652 JP 2005-318862 A

上記特許文献1に開示されている技術は、一般的に知られている昇降圧コンバータ(入出力の2つの相補スイッチを同時に切り替える)に対して変換効率の向上を行える半面、入力電圧に応じてデューティ制御するためPWM周波数程度の高周波の入力電圧変動又は出力電圧の急瞬な負荷変動に対する出力電圧の変動が比較的大きいと言う課題がある。また、同開示技術では昇降圧モードしか持たないため、入力電圧が比較的出力電圧よりも高い際の変換効率が降圧コンバータに劣り、入力電圧が比較的出力電圧よりも低い際の変換効率が昇圧コンバータに劣るので、入力電圧と出力電圧の差に応じて最適な変換効率を得るために、一般的にはモード切替で対応する方法が採用される場合が多い。但し、モード切替時には比較的大きな出力電圧の変動が生じるという課題がある。   The technique disclosed in Patent Document 1 can improve the conversion efficiency of a generally known buck-boost converter (switching two complementary input / output switches simultaneously), depending on the input voltage. In order to perform duty control, there is a problem that the fluctuation of the output voltage is relatively large with respect to a high-frequency input voltage fluctuation of about the PWM frequency or a sudden load fluctuation of the output voltage. In addition, since the disclosed technology has only the buck-boost mode, the conversion efficiency when the input voltage is relatively higher than the output voltage is inferior to the step-down converter, and the conversion efficiency when the input voltage is relatively lower than the output voltage is boosted. Since it is inferior to a converter, in order to obtain optimum conversion efficiency according to the difference between the input voltage and the output voltage, generally, a method corresponding to mode switching is often employed. However, there is a problem that a relatively large output voltage fluctuation occurs when the mode is switched.

上記特許文献2には昇圧モードと降圧モードの切替の際にモード変動を抑制する技術が開示されているが、同開示技術は電圧帰還方式に関する内容であり、負荷変動応答或いは入力電圧変動の影響が大きい。そこで、本願発明者においては、降圧型コンバータにおいて負荷変動応答或いは入力電圧変動に対して有効とされている電流検出方式を採用することを検討した。この電流検出方式の採用により、コンバータ全体の制御帯域に比べて電流制御帯域が広帯域である為に、モード切替時の出力変動の抑制は期待される。しかしながら、ピーク検出型の電流帰還方式では、サブハーモニック発振防止の為のスロープ補償による制御オフセットが発生し、モード切替時の変動を大きくなるという問題を有する。   Patent Document 2 discloses a technique for suppressing mode fluctuation when switching between the step-up mode and the step-down mode. However, the disclosed technique relates to a voltage feedback system, and influence of load fluctuation response or input voltage fluctuation. Is big. Therefore, the inventor of the present application has studied to adopt a current detection method that is effective for load fluctuation response or input voltage fluctuation in the step-down converter. By adopting this current detection method, since the current control band is wider than the control band of the whole converter, it is expected to suppress output fluctuation at the time of mode switching. However, the peak detection type current feedback method has a problem in that a control offset due to slope compensation for preventing subharmonic oscillation occurs, resulting in a large fluctuation during mode switching.

この発明の目的は、入力電圧と負荷変動に対する応答性の改善と、高効率化を実現したスイッチング電源装置を提供することにある。この発明の他の目的は、半導体集積回路に適合したスイッチング電源装置を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   An object of the present invention is to provide a switching power supply device that realizes improvement in response to input voltage and load fluctuation and high efficiency. Another object of the present invention is to provide a switching power supply device suitable for a semiconductor integrated circuit. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願における実施例の1つは下記の通りである。入力電圧と接地電位との間に設けられた相補スイッチとしての第1出力回路と、出力電圧と接地電位との間に設けられた相補スイッチとしての第2出力回路の両出力端子間にインダクタンスが設けられる。制御回路は、第1出力回路の第1入力信号と、第2出力回路の第2入力信号を形成する。入力電圧が所望の出力電圧よりも大きな第1電圧範囲の第1モード時、第1入力信号は上記出力電圧が所望電圧となるようなPWMパルスにされ、第2入力信号は第2出力回路の出力側スイッチをオン状態に接地側スイッチをオフ状態にする。入力電圧が第1電圧範囲よりも小さく、所望の出力電圧とほぼ同じ第2電圧範囲のとき、第1入力信号は固定dutyのPWMパルスにされ、第2入力信号は出力電圧が所望電圧となるようなPWMパルスにされる。入力電圧が第2電圧範囲よりも小さく、所望の出力電圧よりも小さな第3電圧範囲のとき、第1入力信号は第1出力回路の入力電圧側スイッチをオン状態に接地側スイッチをオフ状態にし、第2入力信号は出力電圧が所望の電圧となるようなPWMパルスにされる。上記PWMパルスは、上記出力電圧の分圧電圧と基準電圧とを受けるエラーアンプの出力電圧と、上記インダクタンス手段に流れる電流検出信号で形成された電流帰還信号とをコンパレータで比較して形成される。   One embodiment in the present application is as follows. An inductance is provided between both output terminals of the first output circuit as a complementary switch provided between the input voltage and the ground potential and the second output circuit as a complementary switch provided between the output voltage and the ground potential. Provided. The control circuit forms a first input signal of the first output circuit and a second input signal of the second output circuit. In the first mode of the first voltage range in which the input voltage is larger than the desired output voltage, the first input signal is set to a PWM pulse so that the output voltage becomes the desired voltage, and the second input signal is output from the second output circuit. Turn the output side switch on and the ground side switch off. When the input voltage is smaller than the first voltage range and in the second voltage range that is substantially the same as the desired output voltage, the first input signal is a fixed duty PWM pulse, and the output voltage of the second input signal is the desired voltage. PWM pulses like this. When the input voltage is smaller than the second voltage range and the third voltage range is smaller than the desired output voltage, the first input signal turns on the input voltage side switch of the first output circuit and turns off the ground side switch. The second input signal is a PWM pulse so that the output voltage becomes a desired voltage. The PWM pulse is formed by comparing the output voltage of an error amplifier that receives the divided voltage of the output voltage and a reference voltage with a current feedback signal formed by a current detection signal flowing through the inductance means by a comparator. .

入力電圧と負荷変動に対する応答性の改善と高効率化を実現することができる。   It is possible to improve responsiveness and increase efficiency with respect to input voltage and load fluctuation.

図1には、この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の一実施例の回路図が示されている。同図に示された回路素子及び回路ブロックは、1つの半導体集積回路装置と外部部品とで構成される。外部部品は、図面に○で示された外部端子を介して接続されるインダクタンス(又はコイル)Lと、このインダクタンスLに流れる電流を検出する抵抗Rf1、Rf2及びキャパシタCfと、出力電圧Voを形成する出力容量CL及び出力電圧Voを分圧する分圧抵抗R1,R2とからなる。上記インダクタンスLに直列に接続された抵抗Rdは、インダクタンスLの寄生抵抗を表し、上記出力容量CLに直列に接続された抵抗Reは、出力容量CLの寄生抵抗を表している。他の回路素子及び回路ブロックは、1つの半導体集積回路で形成される。   FIG. 1 shows a circuit diagram of an embodiment of a step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. The circuit elements and circuit blocks shown in the figure are composed of one semiconductor integrated circuit device and external components. The external parts form an inductance (or coil) L connected via an external terminal indicated by a circle in the drawing, resistors Rf1, Rf2 and a capacitor Cf for detecting a current flowing through the inductance L, and an output voltage Vo. Output voltage CL, and voltage dividing resistors R1 and R2 that divide the output voltage Vo. A resistor Rd connected in series to the inductance L represents a parasitic resistance of the inductance L, and a resistor Re connected in series to the output capacitor CL represents a parasitic resistance of the output capacitor CL. Other circuit elements and circuit blocks are formed by one semiconductor integrated circuit.

この実施例のスイッチング電源装置は、ピーク電流制御型のクロスコンバータに向けられている。出力段は、相補スイッチとしての出力MOSFETM1とM2からなる第1出力回路と、相補スイッチとしての出力MOSFETM3とM4からなる第2出力回路で構成される。コイルLの両端は、上記第1及び第2出力回路の出力端子に接続される。コイルLの一端側Vd1は、出力MOSFETM1を介して入力電圧Vinが供給され、出力MOSFETM2を介して回路の接地電位が供給される。上記コイルLの他端側Vd2は、出力MOSFETM3を介して出力電圧Voとして出力され、出力MOSFETM4を介して回路の接地電位が供給される。   The switching power supply of this embodiment is directed to a peak current control type cross converter. The output stage includes a first output circuit composed of output MOSFETs M1 and M2 as complementary switches, and a second output circuit composed of output MOSFETs M3 and M4 as complementary switches. Both ends of the coil L are connected to output terminals of the first and second output circuits. One end side Vd1 of the coil L is supplied with the input voltage Vin via the output MOSFET M1, and is supplied with the circuit ground potential via the output MOSFET M2. The other end Vd2 of the coil L is output as an output voltage Vo through an output MOSFET M3, and a circuit ground potential is supplied through an output MOSFET M4.

出力制御系として次の回路が設けられる。出力電圧Voは、分圧抵抗R1とR2で分圧されて帰還電圧VFBとされる。エラーアンプEAは、基準電圧Vrefと上記帰還電圧VFBの差電位を増幅し、位相補償器Rc,Cc1,Cc2にて誤差積分を行い駆動電流指示信号Vctlを形成する。この駆動電流指示信号Vctlは、サブハーモニック発振抑制の為のスロープ補償回路を通して、PWMコンパレータPWMCPでセンスアンプSAで形成された電流検出結果と比較されてPWM制御デューティを決定する。   The following circuit is provided as an output control system. The output voltage Vo is divided by the voltage dividing resistors R1 and R2 to be a feedback voltage VFB. The error amplifier EA amplifies the difference potential between the reference voltage Vref and the feedback voltage VFB, and performs error integration in the phase compensators Rc, Cc1, and Cc2 to form a drive current instruction signal Vctl. This drive current instruction signal Vctl is compared with the current detection result formed by the sense amplifier SA by the PWM comparator PWMCP through the slope compensation circuit for suppressing subharmonic oscillation, and determines the PWM control duty.

センスアンプSAの入力信号を形成する電流検出手段は、コイルLと並列に接続されたCRネットワーク回路(Rf1,Cf,Rf2)で構成される。基本的にはコイルLに流れる電流ILに比例した電圧が、同ネットワーク回路の容量(キャパシタ)Cfの両端電圧に発生するので、キャパシタCf両端の電圧をセンスアンプSAにより差動増幅して、電流検出値としている。同電流帰還ループは数100KHz以上の帯域が得られるため、負荷変動応答、入力変動応答特性が改善される。   The current detection means for forming the input signal of the sense amplifier SA is constituted by a CR network circuit (Rf1, Cf, Rf2) connected in parallel with the coil L. Basically, a voltage proportional to the current IL flowing through the coil L is generated at the voltage across the capacitor (capacitor) Cf of the network circuit. Therefore, the voltage across the capacitor Cf is differentially amplified by the sense amplifier SA to obtain the current. The detection value is used. Since the current feedback loop has a bandwidth of several hundreds KHz or more, the load fluctuation response and the input fluctuation response characteristics are improved.

CRネットワーク回路には、入力側とされる第1出力回路の出力MOSFETM1,M2および出力側とされる第2出力回路の出力MOSFETM3,M4共にPWM動作を行う昇降圧動作を行った際に同相電圧の変位が最小となるように容量Cfの両端に抵抗Rf1およびRf2を直列接続した回路としている。なお、電流センスアンプSAの動作については、図4を用いて後に説明する。   The CR network circuit has a common-mode voltage when the output MOSFETs M1 and M2 of the first output circuit on the input side and the output MOSFETs M3 and M4 of the second output circuit on the output side perform the step-up / step-down operation for performing the PWM operation. In this circuit, resistors Rf1 and Rf2 are connected in series at both ends of the capacitor Cf so as to minimize the displacement of the capacitor Cf. The operation of the current sense amplifier SA will be described later with reference to FIG.

ゲート回路G1とG2の一方の入力端子が互いに他方の出力と交差されてフリップフロップ(ラッチ)回路が構成される。上記ゲート回路G2の他方の入力は、セット端子とされて、三角波発生回路TWGとタイミングコントローラTCで形成されたPWM周波数信号fpwmが供給されて、PWM周期でセットされる。上記ゲート回路G1の他方の入力は、リセット端子とされて、上記PWMコンパレータPWMCPの出力信号が供給される。つまり、スロープ補償回路を通した駆動電流指示信号Vctlと電流検出結果とがPWMコンパレータPWMCPで比較されて、上記駆動電流指示と電流検出結果とが一致すると上記フリップフロップ回路(G1,G2)がリセットされてPWM信号(PWMパルス)Dctlが形成される。   One input terminal of the gate circuits G1 and G2 intersects with the other output to constitute a flip-flop (latch) circuit. The other input of the gate circuit G2 is used as a set terminal, and a PWM frequency signal fpwm formed by the triangular wave generation circuit TWG and the timing controller TC is supplied and set at the PWM cycle. The other input of the gate circuit G1 is used as a reset terminal, and the output signal of the PWM comparator PWMCP is supplied. That is, the drive current instruction signal Vctl passed through the slope compensation circuit and the current detection result are compared by the PWM comparator PWMCP, and when the drive current instruction and the current detection result match, the flip-flop circuits (G1, G2) are reset. As a result, a PWM signal (PWM pulse) Dctl is formed.

上記タイミングコントローラTCは、一定の固定デューティにされたPWMパルスDfixを形成する。マルチプレクサMPXは、上記PWMパルスDctlとDfixと、モード切替検出回路で形成された検出信号SEL1,SEL2とを受けて、上記第1出力回路と上記第2出力回路の入力端子に供給される第1入力信号V1と第2入力信号V2を形成する。上記第1入力信号V1は、ドライバDV1を介して同相信号が出力MOSFETM1のゲートに伝えられ、ドライバDV2を介して逆相信号が出力MOSFETM2のゲートに伝えられる。これにより、出力MOSFETM1とM2は、上記入力信号V1に対応して相補スイッチ動作を行う。上記第2入力信号V2は、ドライバDV3を介して逆相信号が出力MOSFETM3のゲートに伝えられ、ドライバDV4を介して同相信号が出力MOSFETM4のゲートに伝えられる。これにより、出力MOSFETM3とM4は、上記入力信号V2に対応して相補スイッチ動作を行う。上記出力MOSFETM1〜M4は、特に制限されないが、NチャネルMOSFETにより構成される。   The timing controller TC generates a PWM pulse Dfix having a constant fixed duty. The multiplexer MPX receives the PWM pulses Dctl and Dfix and the detection signals SEL1 and SEL2 formed by the mode switching detection circuit, and supplies the first output circuit and the second output circuit to the input terminals of the first output circuit. An input signal V1 and a second input signal V2 are formed. As for the first input signal V1, an in-phase signal is transmitted to the gate of the output MOSFET M1 through the driver DV1, and a reverse-phase signal is transmitted to the gate of the output MOSFET M2 through the driver DV2. As a result, the output MOSFETs M1 and M2 perform a complementary switching operation corresponding to the input signal V1. As for the second input signal V2, a negative phase signal is transmitted to the gate of the output MOSFET M3 via the driver DV3, and an in-phase signal is transmitted to the gate of the output MOSFET M4 via the driver DV4. As a result, the output MOSFETs M3 and M4 perform a complementary switching operation corresponding to the input signal V2. The output MOSFETs M1 to M4 are not particularly limited, but are constituted by N-channel MOSFETs.

モード切替検出回路は、入力電圧Vinと出力電圧Voとを受ける電圧比較回路VC1と、上記電圧比較回路VC1で形成された両電圧の差電圧と第1検出電圧Vthhとを受ける電圧比較回路VC2及び上記電圧比較回路VC1で形成された両電圧の差電圧と第2検出電圧Vthlとを受ける電圧比較回路VC3で構成される。上記電圧比較回路VC2は、ヒステリシス特性を持つようにされ、上記差電圧と第1検出電圧Vthhとほぼ同じときに検出信号SEL1が不安定(発振)に変化するのを防止している。このことは、上記差電圧と第2検出電圧Vthlとを比較して検出信号SEL2を形成する電圧比較回路VC3も同様である。   The mode switching detection circuit includes a voltage comparison circuit VC1 that receives the input voltage Vin and the output voltage Vo, a voltage comparison circuit VC2 that receives the first detection voltage Vthh and the voltage difference between the two voltages formed by the voltage comparison circuit VC1. The voltage comparison circuit VC3 receives the difference voltage between the two voltages formed by the voltage comparison circuit VC1 and the second detection voltage Vthl. The voltage comparison circuit VC2 has a hysteresis characteristic and prevents the detection signal SEL1 from being unstable (oscillated) when the difference voltage and the first detection voltage Vthh are substantially the same. This also applies to the voltage comparison circuit VC3 that forms the detection signal SEL2 by comparing the difference voltage with the second detection voltage Vthl.

この実施例の昇降圧スイッチング電源装置は、図2の波形図に示すように3つのモード即ち、降圧モード、拡張昇圧モード、昇圧モードで動作する。降圧モードでは、図2に示した降圧モードのように、第2入力信号V2がハイレベルにされて、出力MOSFETM3は常にオンし、出力MOSFETM4は常にオフしており、PWMパルスDctlに対応して第1入力信号V1が変化して出力MOSFETM1,M2がオン/オフし、出力電圧Vd1が形成されてコイルLに流れる電流ILが調整されて、出力電圧Voが所望の電圧になるように降圧動作を行う。   The step-up / step-down switching power supply of this embodiment operates in three modes, that is, a step-down mode, an extended step-up mode, and a step-up mode as shown in the waveform diagram of FIG. In the step-down mode, as in the step-down mode shown in FIG. 2, the second input signal V2 is set to the high level, the output MOSFET M3 is always on, and the output MOSFET M4 is always off, corresponding to the PWM pulse Dctl. The first input signal V1 is changed to turn on / off the output MOSFETs M1 and M2, the output voltage Vd1 is formed, the current IL flowing through the coil L is adjusted, and the step-down operation is performed so that the output voltage Vo becomes a desired voltage. I do.

昇圧モードでは、図2に示した昇圧モードのように、上記第1入力信号V1のハイレベルにより、出力MOSFETM1は常にオンし、出力MOSFETM2は常にオフしており、出力電圧Vd1がハイレベルに固定される。PWMパルスDctlに対応して第2入力信号V1が変化して出力MOSFETM3,M4がオン/オフし、出力電圧Vd2が形成されてコイルLに流れる電流ILを調整して出力電圧Voが所望の電圧となるような昇圧動作を行う。   In the boost mode, as in the boost mode shown in FIG. 2, the output MOSFET M1 is always on, the output MOSFET M2 is always off, and the output voltage Vd1 is fixed to the high level due to the high level of the first input signal V1. Is done. The second input signal V1 changes in response to the PWM pulse Dctl, the output MOSFETs M3 and M4 are turned on / off, the output voltage Vd2 is formed, the current IL flowing through the coil L is adjusted, and the output voltage Vo becomes the desired voltage. The boosting operation is performed as follows.

この実施例では、上記降圧モードと昇圧モードの他に、更に、拡張昇圧モードが設けられる。この拡張昇圧モードは、図2に示した拡張昇圧モードのように、上記昇圧モードと基本動作は同じであるが、昇圧モードと異なるのはMOSFETM1とM2も一定デューティのPWMパルスDfixに対応した第1入力信号V1でスイッチ制御される。これにより、等価的に入力電圧Vinを降圧して上記昇圧モードの動作範囲を拡大する。   In this embodiment, in addition to the step-down mode and the step-up mode, an extended step-up mode is provided. This extended boost mode has the same basic operation as the boost boost mode shown in FIG. 2 except that the MOSFET M1 and M2 are different from the boost mode in that the PWM pulses Dfix corresponding to the constant duty PWM pulse Dfix. The switch is controlled by one input signal V1. As a result, the input voltage Vin is equivalently stepped down to expand the operating range of the boost mode.

マルチプレクサMPXは、上記モード指令信号である第1検出信号SEL1、第2検出信号SEL2により各モードの判定と、上記PWMパルスDdctl,Dfix及び固定レベルを上記第1、第2入力信号として伝える論理回路や信号選択回路で構成される。   The multiplexer MPX is a logic circuit that determines each mode based on the first detection signal SEL1 and the second detection signal SEL2, which are the mode command signals, and transmits the PWM pulses Ddctl and Dfix and the fixed level as the first and second input signals. And a signal selection circuit.

上記3つの動作モードは、入力電圧Vinと出力電圧Voとの差電位に応じて、入力電圧Vinが所望の出力電圧より高いときには降圧モード、入力電圧Vinと出力電圧Voが所望の出力電圧に近いときには拡張昇圧モード、入力電圧Vinが所望の出力電圧より低い時には昇圧モードがそれぞれ選択されてトータルで広い入力電圧範囲を確保する。   The above three operation modes are the step-down mode when the input voltage Vin is higher than the desired output voltage according to the difference potential between the input voltage Vin and the output voltage Vo, and the input voltage Vin and the output voltage Vo are close to the desired output voltage. Sometimes the extended boost mode is selected, and when the input voltage Vin is lower than the desired output voltage, the boost mode is selected to ensure a wide input voltage range in total.

この実施例では、入力電圧Vinと出力電圧Voの差電位によってモードを選択しているのは、この実施例の昇降圧スイッチング電源装置の起動時に、必ず降圧モードから始めるようにするためである。これにより、昇圧回路の起動時に問題となる入力電源Vinのラッシュ電流対策を不要にできる。各モードの動作範囲は、次式(1)〜(3)で表され、モード切替しきい値(検出電圧)Vthh,Vthlは、各モードの動作範囲はオーバラップしており、オーバラップの範囲内にしきい値が設定される。また、モード切り替時に、変換効率の変化によって入力電圧Vinの電源電流遷移とラインインピーダンスによって入力電圧Vinに負帰還がかかりモード発振することを防止するために、前記のようにモード切替用コンパレータVC2,VC3にはヒステリシスが設けられている。   In this embodiment, the mode is selected based on the difference potential between the input voltage Vin and the output voltage Vo so that the step-down / step-up switching power supply device of this embodiment is always started in the step-down mode. As a result, it is possible to eliminate the measure against the rush current of the input power supply Vin, which becomes a problem when the booster circuit is started up. The operation range of each mode is expressed by the following equations (1) to (3). The mode switching threshold values (detection voltages) Vthh and Vthl are overlapped with each other in the operation range of each mode. The threshold is set in Further, at the time of mode switching, in order to prevent mode oscillation due to negative feedback applied to the input voltage Vin due to the transition of the power supply current of the input voltage Vin and line impedance due to a change in conversion efficiency, the mode switching comparator VC2, as described above. VC3 has a hysteresis.

降圧モード
Vin(L)>〔Vo+Io・(2・Ron+Rd)〕/Dmax …… (1)
Vin(L)は、入力電圧Vinの動作下限電圧を示している。
Step-down mode Vin (L)> [Vo + Io. (2.Ron + Rd)] / Dmax (1)
Vin (L) represents an operation lower limit voltage of the input voltage Vin.

拡張昇圧モード
Vin(H1)<Vo・(1−Dmin)/Don …… (2)
Vin(H1)は、入力電圧Vinの動作上限電圧を示している。
Extended boost mode Vin (H1) <Vo. (1-Dmin) / Don (2)
Vin (H1) represents the upper limit voltage of the input voltage Vin.

昇圧モード
Vin(H2)<Vo・(1−Dmin) …… (3)
Vin(H2)は、入力電圧Vinの動作上限電圧を示している。
上記(1)〜(3)において、DmaxはPWMパルス(Dctl)の最大デューティ、DminはPWMパルス(Dctl)の最小デューティ、Don(Dfix)は、固定PWMデューティをそれぞれ表している。
Boost mode Vin (H2) <Vo · (1-Dmin) (3)
Vin (H2) indicates the upper limit voltage of the input voltage Vin.
In the above (1) to (3), Dmax represents the maximum duty of the PWM pulse (Dctl), Dmin represents the minimum duty of the PWM pulse (Dctl), and Don (Dfix) represents the fixed PWM duty.

図3には、この発明に係るセンスアンプSAの動作を説明するための波形図が示されている。この実施例のセンスアンプSAは、リセット付きセンスアンプであり、サブハーモニック発振対策に向けられている。図3は、前記拡張昇圧モードにおいて、センスアンプSAにリセット期間を設けた場合の電流制御の波形図が示されている。   FIG. 3 is a waveform diagram for explaining the operation of the sense amplifier SA according to the present invention. The sense amplifier SA of this embodiment is a sense amplifier with reset, and is directed to countermeasures for subharmonic oscillation. FIG. 3 shows a waveform diagram of current control when the reset period is provided in the sense amplifier SA in the extended boost mode.

センスアンプSAにリセット期間が無い場合は、同図の最下段に点線で示すようにコイル電流に比例した電圧Vsが、センスアンプSAの出力に現れる。本センスアンプSAの出力Vs’は、スロープ補償後のエラーアンプEAの出力Vctl’とPWMコンパレータPWMCPにて比較されPWMのオン期間が決定される。また、PWMのオフ期間は、PWMオン信号PWMONがロウレベル→ハイレベルになるエッジまで継続する。しかしながら、現実の回路動作では、PWMオフ期間中に入力側コイル駆動端Vd1がスイッチングするために、電圧Vd1が変化するタイミングで電流検出容量Cfの同相電圧が変わり、その影響で、電流センスアンプ出力Vsに変動を生じ、PWMオン信号PWMONがロウレベル→ハイレベルになるタイミングにおいて、電流センスアンプ出力電位Vs’の方がスロープ補償後のエラーアンプ出力電位Vctl’より高くなる可能性がある。この場合、PWMオン信号PWMONがロウレベル→ハイレベルになるタイミングでPWMオフ→PWMオンとならずPWMオフを継続してサブハーモニック発振を生じる可能性が生じる。   When the sense amplifier SA does not have a reset period, a voltage Vs proportional to the coil current appears at the output of the sense amplifier SA as indicated by a dotted line at the bottom of the figure. The output Vs 'of the sense amplifier SA is compared with the output Vctl' of the error amplifier EA after slope compensation by the PWM comparator PWMCP to determine the PWM on period. Further, the PWM OFF period continues until the edge at which the PWM ON signal PWMON changes from low level to high level. However, in actual circuit operation, since the input side coil drive end Vd1 is switched during the PWM off period, the common-mode voltage of the current detection capacitor Cf changes at the timing when the voltage Vd1 changes, and as a result, the current sense amplifier output There is a possibility that the current sense amplifier output potential Vs ′ becomes higher than the error amplifier output potential Vctl ′ after slope compensation at the timing when the PWM on signal PWMON changes from low level to high level. In this case, at the timing when the PWM ON signal PWMON changes from low level to high level, there is a possibility that sub-harmonic oscillation is generated by continuing PWM OFF instead of PWM OFF → PWM ON.

この実施例では、PWMオフ期間の開始からPWMオフの終了+tdの間は、確実にエラーアンプ出力Vctlが高くなるように、センスアンプリセット期間として電流センスアンプ出力電圧Vsを一定出力電圧V0にクランプする。これにより、図3の最下段実線に示したような電流センスアンプ出力電圧Vsが得られる。このようなセンスアンプSAのリセット動作により、キャパシタCf両端の同相電位の変動に関係なく、常に確実なコイル電流の検出が行われ、サブハーモニック発振も抑制される。   In this embodiment, between the start of the PWM off period and the end of PWM off + td, the current sense amplifier output voltage Vs is clamped at the constant output voltage V0 as the sense amplifier reset period so that the error amplifier output Vctl is reliably increased. To do. As a result, a current sense amplifier output voltage Vs as shown by the lowermost solid line in FIG. 3 is obtained. By such a reset operation of the sense amplifier SA, the coil current is always reliably detected regardless of fluctuations in the common-mode potential across the capacitor Cf, and subharmonic oscillation is also suppressed.

図4には、図1のリセット付きセンスアンプの一実施例の回路図が示されている。入力端子IN−から供給される入力信号は、PチャネルMOSFETM11と、ソースと電源電圧Vddとの間に設けられた電流源負荷としてのPチャネルMOSFETM13からなるソースフォロワ入力回路を介してトランジスタQ1のべースに供給される。入力端子IN+から供給される入力信号は、PチャネルMOSFETM12と、ソースと電源電圧Vddとの間に設けられた電流源負荷としてのPチャネルMOSFETM14からなるソースフォロワ入力回路を介してトランジスタQ2のべースに供給される。   FIG. 4 shows a circuit diagram of an embodiment of the sense amplifier with reset in FIG. An input signal supplied from the input terminal IN− is supplied to all the transistors Q1 through a source follower input circuit including a P channel MOSFET M11 and a P channel MOSFET M13 as a current source load provided between the source and the power supply voltage Vdd. Supply to the source. The input signal supplied from the input terminal IN + is supplied to the transistor Q2 via a source follower input circuit comprising a P channel MOSFET M12 and a P channel MOSFET M14 as a current source load provided between the source and the power supply voltage Vdd. Supplied to

トランジスタQ1とQ2は、エミッタが共通化されて差動形態とされる。上記共通化されたエミッタと回路の接地電位との間には、固定バイアス電流を流すNチャネルMOSFETM25、M26の直列回路が設けられる。上記共通化されたエミッタと回路の接地電位との間には、利得切替制御のためのバイアス電流を流すNチャネルMOSFETM27、M28が設けられる。上記MOSFEM28のゲートは、利得制御端子GAINに接続される。   Transistors Q1 and Q2 have a common emitter and a differential configuration. A series circuit of N-channel MOSFETs M25 and M26 for supplying a fixed bias current is provided between the common emitter and the circuit ground potential. N-channel MOSFETs M27 and M28 for supplying a bias current for gain switching control are provided between the common emitter and the circuit ground potential. The gate of the MOSFEM 28 is connected to the gain control terminal GAIN.

上記MOSFETM28は、利得制御端子GAINの信号によってオン/オフするスイッチとして働き図4アンプの利得を切り替える。尚、上記MOSFETM26とM22は、MOSFETM28のオン抵抗によってMOSFETM21、M25とM27の電流ミラー回路のペア精度ズレを防ぐ為に付加された素子で、ゲートに電源電圧Vddが供給されることにより抵抗素子として動作させられる。   The MOSFET M28 functions as a switch that is turned on / off by a signal at the gain control terminal GAIN, and switches the gain of the amplifier in FIG. The MOSFETs M26 and M22 are elements added to prevent the pair accuracy deviation of the current mirror circuits of the MOSFETs M21, M25 and M27 due to the on-resistance of the MOSFET M28. The MOSFETs M26 and M22 serve as resistance elements when the power supply voltage Vdd is supplied to the gate. It is made to work.

上記差動トランジスタQ1およびQ2はGmアンプを形成する。即ち、入力端子IN+とIN−の差電圧を電流出力に変換する。変換された上記差動トランジスタQ1のコレクタ出力電流は、PチャネルMOSFETM15とM16からなる電流ミラー回路を介してNチャネルMOSFETM19とM20からなる電流ミラー回路に入力される。同様に、上記差動トランジスタQ2のコレクタ出力電流は、PチャネルMOSFETM17とM18からなる電流ミラー回路に供給される。上記2つの電流ミラー回路の出力側PチャネルMOSFETM18とNチャネルMOSFETM20のドレイン同士が共通接続されて、上記差動MOSFETQ1とQ2のコレクタ出力電流の差電流Isensが負荷抵抗RLによって電圧変換され出力端子OUTから取り出される。   The differential transistors Q1 and Q2 form a Gm amplifier. That is, the voltage difference between the input terminals IN + and IN− is converted into a current output. The converted collector output current of the differential transistor Q1 is input to a current mirror circuit composed of N-channel MOSFETs M19 and M20 via a current mirror circuit composed of P-channel MOSFETs M15 and M16. Similarly, the collector output current of the differential transistor Q2 is supplied to a current mirror circuit composed of P-channel MOSFETs M17 and M18. The drains of the output side P-channel MOSFET M18 and the N-channel MOSFET M20 of the two current mirror circuits are connected in common, and the difference current Isens between the collector output currents of the differential MOSFETs Q1 and Q2 is converted into a voltage by the load resistor RL and output terminal OUT Is taken out of.

この実施例では、上記出力端子OUTと回路の接地電位との間に、負荷抵抗RLとダイオード接続のトランジスタQ3が負荷として設けられる。このトランジスタQ3には、上記MOSFETM23と電流ミラー形態にされたPチャネルMOSFETM24からバイアス電流が供給されて、トランジスタQ3のベース−エミッタ間電圧が前記固定電圧V0とされる。上記トランジスタQ3のベース,コレクタと出力端子OUTの間にNチャネルMOSFETM31が設けられる。このMOSFETM31のゲートは、リセット端子RESETに接続される。上記リセット端子PESETにハイレベルのリセット信号を供給することにより、上記MOSFETM31がオン状態となり、負荷抵抗RLを短絡して出力端子OUTを上記電圧V0のような固定レベルにする。上記リセット端子RESETにロウレベルのリセット信号を供給することにより、MOSFETM31オフ状態となり通常の差動アンプとして動作する。   In this embodiment, a load resistor RL and a diode-connected transistor Q3 are provided as a load between the output terminal OUT and the ground potential of the circuit. A bias current is supplied to the transistor Q3 from the MOSFET M23 and a P-channel MOSFET M24 in the form of a current mirror, and the base-emitter voltage of the transistor Q3 is set to the fixed voltage V0. An N-channel MOSFET M31 is provided between the base and collector of the transistor Q3 and the output terminal OUT. The gate of the MOSFET M31 is connected to the reset terminal RESET. By supplying a high level reset signal to the reset terminal PESET, the MOSFET M31 is turned on, the load resistor RL is short-circuited, and the output terminal OUT is set to a fixed level such as the voltage V0. By supplying a low level reset signal to the reset terminal RESET, the MOSFET M31 is turned off and operates as a normal differential amplifier.

この実施例では、上記出力端子OUTの回路の接地電位との間に、オフセット調整回路を構成するMOSFETM29及びM30が設けられる。上記MOSFETM29は、上記電源電圧Vddが供給されることにより抵抗素子として動作する。上記MOSFETM30のゲートは、オフセット端子OFFSETに接続される。このオフセット端子OFFSETをハイレベルにすると、上記MOSFETM30がオン状態となり、オフセット電流Ioffが流れるようにされる。つまり、出力電流Isensは、オフセット電流Ioff分だけ減少させられる。   In this embodiment, MOSFETs M29 and M30 constituting an offset adjustment circuit are provided between the output terminal OUT and the ground potential of the circuit. The MOSFET M29 operates as a resistance element when supplied with the power supply voltage Vdd. The gate of the MOSFET M30 is connected to the offset terminal OFFSET. When the offset terminal OFFSET is set to a high level, the MOSFET M30 is turned on so that the offset current Ioff flows. That is, the output current Isens is decreased by the offset current Ioff.

図5には、上記拡張昇圧モードを説明するための波形図が示されている。この実施例は、拡張昇圧モードでの駆動能力の最適化対策に向けられている。前記実施例では、基本的には、拡張昇圧モードでの入力側デューティ(Vd1のデューティ)は固定値として制御される。しかしながら、拡張昇圧モードで矢印により示されているように駆動電流が増加し、(1)(2)から(3)のように出力側(Vd2)のロウレベルデューティが増加して、入力側の固定ハイレベル期間を超えた場合には、かかる出力側のロウレベルに対応して、入力側の固定ハイレベル部分を→のように拡大させる。これにより、(1)(2)のように入力側の固定ハイレベル期間を固定デューティのままにするよりは、(3)のように最大のコイル電流を増加させる分、上記拡張昇圧モードでの駆動能力を大きくすることができる。   FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the extended boost mode. This embodiment is directed to a countermeasure for optimizing the driving capability in the extended boost mode. In the embodiment, basically, the input duty (Vd1 duty) in the extended boost mode is controlled as a fixed value. However, the drive current increases as indicated by the arrow in the extended boost mode, and the low level duty on the output side (Vd2) increases as shown in (1) (2) to (3), and the input side is fixed. When the high level period is exceeded, the fixed high level portion on the input side is enlarged as shown by → corresponding to the low level on the output side. Thus, rather than leaving the fixed high level period on the input side as a fixed duty as in (1) and (2), the maximum coil current is increased as in (3). The driving ability can be increased.

図6には、モード切替時(降圧→拡張昇圧)を説明するための波形図が示されている。降圧モード時から拡張昇圧モードへ切り替わる直前は、PWMの制御デューティ(充電デューティ)が動作限界近くまで大きい。逆にモード切替直後では、PWMの制御デューティ(充電デューティ)が動作限界近くまで小さいという関係にある。この実施例の昇降圧スイッチング電源装置では、前記のようにPWMデューティが大きいほどスロープ補償によってエラーアンプ出力は低下するので、モード切替前後のPWMデューティの差によって、図6(A)に示したように電流指示であるスロープ補償後のエラーアンプ出力は等価的にオフセット電圧が発生して大きな出力変動を生じる。   FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the mode switching (step-down → extended step-up). Immediately before switching from the step-down mode to the extended step-up mode, the PWM control duty (charging duty) is large to near the operating limit. Conversely, immediately after the mode switching, the PWM control duty (charging duty) is so small that it is close to the operating limit. In the step-up / step-down switching power supply device of this embodiment, as the PWM duty is large, the error amplifier output is reduced by slope compensation as described above. Therefore, as shown in FIG. In addition, the error amplifier output after slope compensation, which is a current instruction, equivalently generates an offset voltage and causes a large output fluctuation.

この実施例では、降圧モード時のみ、オフセット電圧をセンスアンプ出力から減算して、モード切替にて変動を生じないようにしている。つまり、図6(B)に示すようにセンスアンプの出力は、Vslopeに対応したオフセット電圧を発生さて上記降圧モードのときに減算させるものである。図1においては、検出信号SEL1のハイレベルによりMOSFETM7がオン状態となり、センスアンプSAの出力電流が電流I3だけ減少させられて上記減算が行われる。図4においては、上記降圧モードのときにオフセット端子OFFSETにハイレベルが供給されて、MOSFETM30がオン状態となり、抵抗手段としてのMOSFETM29にオフセット電流Ioffが流れるようにされる。この電流Ioffは、前記図1の電流I3に対応している。したがって、MOSFETM29は、上記電流源I3を構成する。同様に、図4内の負荷抵抗RLは前記図1のR3に相当する。   In this embodiment, only in the step-down mode, the offset voltage is subtracted from the output of the sense amplifier so that no change occurs in the mode switching. That is, as shown in FIG. 6B, the output of the sense amplifier generates an offset voltage corresponding to Vslope and subtracts it in the step-down mode. In FIG. 1, the MOSFET M7 is turned on by the high level of the detection signal SEL1, the output current of the sense amplifier SA is decreased by the current I3, and the above subtraction is performed. In FIG. 4, in the step-down mode, a high level is supplied to the offset terminal OFFSET, the MOSFET M30 is turned on, and an offset current Ioff flows through the MOSFET M29 serving as resistance means. This current Ioff corresponds to the current I3 in FIG. Therefore, the MOSFET M29 constitutes the current source I3. Similarly, the load resistance RL in FIG. 4 corresponds to R3 in FIG.

図7には、昇圧モードと拡張昇圧モードの切替を説明する特性図が示されている。図7においては、昇圧モード及び拡張昇圧モードにおける入力電圧と全体の相対ループ利得の推移が示されている。昇圧系モードの場合、出力側(Vd2)のデューティに応じてループ利得が変化する為、同図のようになる。このままでは、拡張昇圧と昇圧モードの切り替わり電圧2.6Vにおいて利得差が87%−70%=17%有り大きく、モード切替時の変出力動要因になる。これを防止するため、拡張昇圧モードにおいては、電流センスアンプSAの利得を0.8倍即ちループ利得では1/0.8倍して、切り替わり電圧2.6V時におけるモード切替時のループ利得変動を87%−70%/0.8=−0.5%に抑制し、出力変動を最小にしている。   FIG. 7 is a characteristic diagram for explaining switching between the boost mode and the extended boost mode. FIG. 7 shows changes in the input voltage and the overall relative loop gain in the boost mode and the extended boost mode. In the step-up system mode, the loop gain changes according to the duty on the output side (Vd2), so that it becomes as shown in FIG. In this state, the gain difference is 87% -70% = 17% at the switching voltage 2.6 V between the expanded boost and the boost mode, which is a large output variation factor at the time of mode switching. To prevent this, in the extended boost mode, the gain of the current sense amplifier SA is multiplied by 0.8, that is, the loop gain is multiplied by 1 / 0.8, and the loop gain fluctuation during mode switching at the switching voltage of 2.6 V Is suppressed to 87% -70% / 0.8 = -0.5%, and the output fluctuation is minimized.

上記センスアンプの利得制御は、前記図4の利得制御端子GAINを用いて実現することができる。上記利得制御端子GAINをハイレベルにすると、MOSFETM28がオン状態となり、抵抗手段としてのMOSFETM27に電流が流れて差動増幅トランジスタQ1とQ2のバイアス電流を増加させて図7に点線で示したように利得を高くするものである。図1では、このようなセンスアンプSAの利得制御のために検出信号SEL2が用いられる。このように電流センスアンプSAの利得を各モード毎に設定可能とし、モード切替時の各モード間のループ利得を同一に合わせことにより、各モード切替における出力変動が抑制される。   The gain control of the sense amplifier can be realized using the gain control terminal GAIN of FIG. When the gain control terminal GAIN is set to the high level, the MOSFET M28 is turned on, a current flows through the MOSFET M27 as the resistance means, and the bias current of the differential amplifier transistors Q1 and Q2 is increased, as shown by the dotted line in FIG. The gain is increased. In FIG. 1, the detection signal SEL2 is used for gain control of the sense amplifier SA. As described above, the gain of the current sense amplifier SA can be set for each mode, and the loop gain between the modes at the time of mode switching is set to be the same, thereby suppressing output fluctuation in each mode switching.

図1では、CR電流検出回路が外付け素子により構成される。CR電流検出をモノリシック半導体上に集積化する際には電流検出の為の容量Cfの寄生容量Cpに対する配慮が必要である。図8〜図11は、スイッチング電源装置の電流検出にCR電流検出回路を適用し、半導体集積回路に内蔵する際に取りうる4つの代表的な回路例が示されている。   In FIG. 1, the CR current detection circuit is configured by an external element. When integrating CR current detection on a monolithic semiconductor, consideration must be given to the parasitic capacitance Cp of the capacitance Cf for current detection. FIG. 8 to FIG. 11 show four typical circuit examples that can be taken when a CR current detection circuit is applied to current detection of a switching power supply device and incorporated in a semiconductor integrated circuit.

図8は、駆動電圧Vd1側に対応した出力MOSFETM1とM2側に抵抗Rfがあり容量Cfの寄生容量Cpが固定電位となる駆動電圧Vd2側に見える。つまり、容量Cfは、図17に示したようにMOS容量が用いられてゲート側Gが抵抗Rfに接続され、N+拡散層(ソース,ドレイン)及びN型ウェルN−Well側がコイルLの駆動電圧Vd2側に接続される。このため、上記N型ウェルN−Well側と基板P−sunに寄生容量Cpが存在する。図8において、rdはコイルLの寄生抵抗、rinとroは配線抵抗およびVd1とVd2のレベル調整に用いられるブリーダ抵抗等の等価直列抵抗である。この場合、コイルLの駆動端Vd1がPWM動作しても容量Cf両端の同相電位および上記寄生容量Cpの電位は駆動電圧Vd2に固定され、センスアンプSAの出力には殆んど電流検出誤差が生じない。   In FIG. 8, the output MOSFETs M1 and M2 corresponding to the drive voltage Vd1 side have a resistor Rf, and the parasitic capacitance Cp of the capacitor Cf is seen on the drive voltage Vd2 side where the fixed potential is reached. That is, as shown in FIG. 17, the capacitor Cf uses a MOS capacitor, the gate side G is connected to the resistor Rf, and the N + diffusion layer (source, drain) and the N-type well N-Well side are the driving voltage of the coil L. Connected to Vd2 side. For this reason, a parasitic capacitance Cp exists on the N-type well N-Well side and the substrate P-sun. In FIG. 8, rd is a parasitic resistance of the coil L, rin and ro are wiring resistances and equivalent series resistances such as bleeder resistances used for level adjustment of Vd1 and Vd2. In this case, even if the drive end Vd1 of the coil L is PWM-operated, the common-mode potential at both ends of the capacitor Cf and the potential of the parasitic capacitor Cp are fixed to the drive voltage Vd2, and the output of the sense amplifier SA has almost no current detection error. Does not occur.

図9は、図8とPWM側と固定電位側が入れ替わり、駆動電圧Vd1側に対応した出力MOSFETM1とM2側に容量Cfがあり、寄生容量CpがPWM側に見えるような接続である。この場合、寄生容量Cpの充放電はコイル駆動端電圧Vd1を通じて行われる為、容量Cf両端電位には影響しない為、電流検出誤差は生じない。但し、容量Cfの同相電圧はPWMのスィッチングに併せて変動するのでかなり高周波まで大きな同相電圧除去比を持つセンスアンプが必要となって、現実的な解には適さない。   FIG. 9 is a connection in which the PWM side and the fixed potential side are interchanged with those in FIG. 8, the output MOSFETs M1 and M2 corresponding to the drive voltage Vd1 have capacitance Cf, and the parasitic capacitance Cp is visible on the PWM side. In this case, charging / discharging of the parasitic capacitance Cp is performed through the coil drive end voltage Vd1, and thus does not affect the potential across the capacitance Cf, so that no current detection error occurs. However, since the common-mode voltage of the capacitor Cf fluctuates in accordance with PWM switching, a sense amplifier having a large common-mode rejection ratio up to a considerably high frequency is required, which is not suitable for a practical solution.

図10は、図9と同様に駆動電圧Vd1側に対応した出力MOSFETM1とM2側に容量Cfがあるが、且つ抵抗Rf側に前記図17のようなN+拡散層側が抵抗Rfに接続されて寄生容量Cpが見えるような接続である。この場合は、駆動電圧Vd1のPWMに伴なうスイッチングに併せて、容量Cfを通じて寄生容量Cpを充放電する為に、寄生容量Cpが無い場合に比べてかなり大きな脈動が容量Cf両端電位に現れる。場合によっては、容量Cf両端の同相電圧よりも大きな脈動電圧を生じて電流検出には適さない。   As in FIG. 9, the output MOSFET M1 corresponding to the drive voltage Vd1 side has a capacitance Cf on the M2 side, and the N + diffusion layer side as shown in FIG. 17 is connected to the resistor Rf on the resistor Rf side. The connection is such that the capacitance Cp can be seen. In this case, since the parasitic capacitance Cp is charged and discharged through the capacitor Cf in conjunction with the switching accompanying the PWM of the drive voltage Vd1, a considerably larger pulsation appears at the potential across the capacitor Cf than when there is no parasitic capacitor Cp. . In some cases, a pulsation voltage larger than the common-mode voltage across the capacitor Cf is generated, which is not suitable for current detection.

図11は、図10におけるPWM側と固定電位側が入れ替わった接続を示している。この場合は、配線抵抗roの影響でCf両端の脈動が減少し、脈動波形全体に遅延を生じる傾向にあり、容量Cf両端電位を用いてピーク電流検出を行う方法ではS/Nが劣化し好ましくない。   FIG. 11 shows a connection in which the PWM side and the fixed potential side in FIG. 10 are interchanged. In this case, the pulsation at both ends of Cf tends to decrease due to the influence of the wiring resistance ro, and the entire pulsation waveform tends to be delayed, and the method of performing peak current detection using the potential at both ends of the capacitor Cf deteriorates the S / N. Absent.

上記図10、図11の様に容量Cfと抵抗Rfの接続ノードに容量Cfの寄生容量Cpが見えるような接続は、容量Cf両端電位を用いた電流検出には適さない。また、これら2つの回路の場合は、図17に示した基板P−subのノイズが寄生容量Cpを介して容量Cfと抵抗Rfの接続ノードに注入され、電流検出にかなり悪影響を及ぼすと考えられる。   The connection in which the parasitic capacitance Cp of the capacitor Cf can be seen at the connection node between the capacitor Cf and the resistor Rf as in FIGS. 10 and 11 is not suitable for current detection using the potential across the capacitor Cf. In the case of these two circuits, the noise of the substrate P-sub shown in FIG. 17 is injected into the connection node between the capacitor Cf and the resistor Rf via the parasitic capacitor Cp, and it is considered that the current detection is considerably adversely affected. .

前記図1の昇降圧スイッチング電源装置では、センスアンプSAの同相電圧変動に対する対策として、CR電流検出の容量Cf両端にRfを配置しているが、図8〜図11のCR電流検出回路を内蔵すると、必ずどちらかのCfとRfの間に寄生容量が付く為に、駆動電圧Vd1およびVd2双方がスイッチングする拡張昇圧モードでは、図10と図11と同様の電流検出誤差を生じる。   In the step-up / step-down switching power supply device of FIG. 1, Rf is arranged at both ends of the CR current detection capacitor Cf as a countermeasure against the common-mode voltage fluctuation of the sense amplifier SA, but the CR current detection circuit of FIGS. Then, since a parasitic capacitance is always added between one of Cf and Rf, a current detection error similar to that in FIGS. 10 and 11 occurs in the extended boost mode in which both drive voltages Vd1 and Vd2 are switched.

図12には、この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置に用いられるCR電流検出回路の一実施例の回路図が示されている。同図には、上記CR電流検出回路に関連する出力回路、センスアンプSAも合わせて示されている。この実施例では、図面に○で示された外部端子を介してコイルLが接続される。コイルLに直列接続された抵抗rdは前記のような寄生抵抗を示している。   FIG. 12 is a circuit diagram showing one embodiment of a CR current detection circuit used in the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. In the same figure, an output circuit related to the CR current detection circuit and a sense amplifier SA are also shown. In this embodiment, the coil L is connected via an external terminal indicated by a circle in the drawing. The resistor rd connected in series to the coil L indicates the parasitic resistance as described above.

上記コイルLを除いて他の回路素子は、半導体集積回路に内蔵される。この実施例のCR回路は、コイルLに流れる電流検出に必要な容量Cfが1/2の容量Cf1とCf2に分割される。これらの容量Cf1とCf2は、前記図17に示したような極性を反転して並列接続される。つまり、容量Cf1の拡散層側は電極に○が付された容量Cf2のゲート側に接続され、容量Cf2の拡散層側は電極に○が付されて容量Cf1のゲート側に接続される。これら容量Cf1/Cf2の両端に抵抗Rfの1/2の抵抗値に分割された抵抗Rf1とRf2が配置されて、上記駆動電圧Vd1側とVd2側に接続される。   Except for the coil L, other circuit elements are built in the semiconductor integrated circuit. In the CR circuit of this embodiment, the capacitance Cf necessary for detecting the current flowing in the coil L is divided into the capacitances Cf1 and Cf2 which are ½. These capacitors Cf1 and Cf2 are connected in parallel with the polarity reversed as shown in FIG. In other words, the diffusion layer side of the capacitor Cf1 is connected to the gate side of the capacitor Cf2 with the circle added to the electrode, and the diffusion layer side of the capacitor Cf2 is connected to the gate side of the capacitor Cf1 with the circle added. Resistors Rf1 and Rf2 divided into resistance values ½ of the resistance Rf are arranged at both ends of these capacitors Cf1 / Cf2, and are connected to the drive voltage Vd1 side and the Vd2 side.

この実施例回路の場合、容量Cf両端が低インピーダンスで駆動されることは無く、前記図10に示した容量Cf両端の脈動の拡大問題は生じにくい。また、前記図11に示した遅延の問題点についても容量Cfが1/2に分割して配置されることから改善可能である。更には、寄生容量Cpを介して伝わるサブストレートノイズについても同相成分として伝わる為、電流検出に必要な容量Cfの両端電圧には影響しにくいものとなる。   In the case of this embodiment circuit, both ends of the capacitor Cf are not driven with a low impedance, and the problem of expansion of pulsation at both ends of the capacitor Cf shown in FIG. 10 hardly occurs. Further, the problem of delay shown in FIG. 11 can be improved because the capacitor Cf is divided into ½. Furthermore, since the substrate noise transmitted through the parasitic capacitance Cp is also transmitted as an in-phase component, the voltage across the capacitor Cf necessary for current detection is hardly affected.

抵抗R11とR12及びR13とR14は、レベルシフト回路を構成し、センスアンプSAの入力ダイナミックレンジに上記検出信号を適合させる。つまり、前記のように入力電圧Vinは、大きな電圧範囲で変動するので駆動電圧Vd1,Vd2もそれに対応して変動する。そこで、上記抵抗R11とR12及びR13とR14で分圧して実質的な変動幅を小さくし、センスアンプSAの同相入力電圧範囲の設計自由度を高めるために付加されている。   Resistors R11 and R12 and R13 and R14 constitute a level shift circuit, and adapt the detection signal to the input dynamic range of the sense amplifier SA. That is, as described above, since the input voltage Vin varies within a large voltage range, the drive voltages Vd1 and Vd2 also vary correspondingly. Therefore, the resistors R11 and R12 and R13 and R14 are divided to reduce the substantial fluctuation range, and are added to increase the design freedom of the common-mode input voltage range of the sense amplifier SA.

図13には、この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置に用いられるCR電流検出回路の他の一実施例の回路図が示されている。この実施例では、抵抗Rf1とRf2の両端にMOSFETM41とM42が設けられる。また、容量Cfはゲート側が駆動電圧Vd1側に接続される。上記容量Cfのゲート側と回路の接地電位との間に容量Cp’とMOSFETM43が直列に設けられる。上記容量Cp’は、上記容量Cfの寄生容量Cpに相当するものとされる。   FIG. 13 is a circuit diagram showing another embodiment of the CR current detection circuit used in the step-up / step-down switching power supply apparatus according to the present invention. In this embodiment, MOSFETs M41 and M42 are provided at both ends of the resistors Rf1 and Rf2. The capacitor Cf has a gate side connected to the drive voltage Vd1 side. A capacitor Cp ′ and a MOSFET M43 are provided in series between the gate side of the capacitor Cf and the ground potential of the circuit. The capacitor Cp ′ corresponds to the parasitic capacitor Cp of the capacitor Cf.

この実施例回路において、降圧モード時には、MOSFETM41はオフ状態に、MOSFETM42はオン状態に、MOSFETM43はオフ状態にすることで等価的に前記図8の状態として電流検出誤差を抑制する。昇圧モードでは、MOSFETM41はオン状態に、MOSFETM42はオフ状態に、MOSFETM43をオン状態にすることで、等価的に図11の状態にする。この場合、多少容量Cf両端波形に遅延は発生するが、一般的に昇圧モード時は、右半平面零の制約から制御帯域を抑えた設計がなされる為、遅延に関しては余裕があり問題ない。拡張昇圧モードでは、MOSFETM41はオン状態に、MOSFETM42はオフ状態に、MOSFETM43はオン状態とすることで、駆動電圧Vd2側のスイッチングに対しては昇圧モードと同様である。駆動電圧Vd1側については、図11で示した容量Cf両端の脈動拡大を生じるが、それをMOSFETM41と容量Cf間ノードと接地電位間に容量Cp’を接続して、同ノードの同相電圧のゆれを抑制することによって改善した回路である。   In the circuit of this embodiment, in the step-down mode, the MOSFET M41 is turned off, the MOSFET M42 is turned on, and the MOSFET M43 is turned off to equivalently suppress the current detection error as shown in FIG. In the boost mode, the MOSFET M41 is turned on, the MOSFET M42 is turned off, and the MOSFET M43 is turned on, so that the state shown in FIG. 11 is equivalently established. In this case, a slight delay occurs in the waveform at both ends of the capacitor Cf. However, in the boost mode, since the control band is generally suppressed by the restriction of the right half plane zero, there is no problem with the delay. In the extended boost mode, the MOSFET M41 is turned on, the MOSFET M42 is turned off, and the MOSFET M43 is turned on, so that switching on the drive voltage Vd2 side is the same as in the boost mode. On the drive voltage Vd1 side, the pulsation expansion at both ends of the capacitor Cf shown in FIG. 11 occurs, but this is connected to the capacitor Cp ′ between the MOSFET M41, the node between the capacitor Cf and the ground potential, and the fluctuation of the common-mode voltage at the same node This circuit is improved by suppressing the above.

このようにCR電流検出回路の抵抗Rf1及びRf2と並列にそれぞれスイッチMOSFETM41、M42を設けて、前記のように降圧モード動作の際には出力側(Vd2)の抵抗Rf2を短絡し、昇圧モード動作時には入力側(Vd1)の抵抗Rf1を短絡するようにし、コイルLの両端の出力MOSFETM1〜M4がスイッチングする側には大きな入力抵抗が見えるようにして、電流検出用CRの容量Cfの同相電圧が変動しないようにする。これによって、同相ノイズに対する電流検出誤差が抑制される。   In this way, the switch MOSFETs M41 and M42 are provided in parallel with the resistors Rf1 and Rf2 of the CR current detection circuit, respectively, and the resistor Rf2 on the output side (Vd2) is short-circuited in the step-down mode operation as described above, so Sometimes the input side (Vd1) resistor Rf1 is short-circuited, and a large input resistance is seen on the side where the output MOSFETs M1 to M4 at both ends of the coil L are switched, so that the common-mode voltage of the capacitor Cf of the current detection CR is Avoid fluctuations. Thereby, the current detection error with respect to the common mode noise is suppressed.

図14には、この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の他の一実施例の回路図が示されている。この実施例は、前記図13に示したCR電流検出回路が用いられる。この実施例のスイッチング電源装置においては、外部素子としてはコイルLと出力容量CL及び分圧抵抗R1,R2となる。   FIG. 14 is a circuit diagram showing another embodiment of the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. In this embodiment, the CR current detection circuit shown in FIG. 13 is used. In the switching power supply of this embodiment, the external elements are the coil L, the output capacitance CL, and the voltage dividing resistors R1 and R2.

図15には、この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の更に他の一実施例の回路図が示されている。この実施例は、前記図12に示したCR電流検出回路が用いられる。この実施例のスイッチング電源装置においては、外部素子としてはコイルLと出力容量CL及び分圧抵抗R1,R2となる。   FIG. 15 is a circuit diagram showing still another embodiment of the step-up / step-down switching power supply apparatus according to the present invention. In this embodiment, the CR current detection circuit shown in FIG. 12 is used. In the switching power supply of this embodiment, the external elements are the coil L, the output capacitance CL, and the voltage dividing resistors R1 and R2.

図16には、この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の更に他の一実施例の回路図が示されている。この実施例は、前記図15と同様なCR電流検出回路が用いられる。この実施例の昇降圧スイッチング電源装置は平均電流制御のクロスコンバータとされる。電流帰還の対象は、容量Cf両端の差電位からPWMに同期した脈動成分を除去した低周波成分となる。このためセンスアンプの出力にロウパスフィルタLPFを配置し、同アンプのリセット機能は不要となる。   FIG. 16 is a circuit diagram showing still another embodiment of the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. In this embodiment, a CR current detection circuit similar to that shown in FIG. 15 is used. The step-up / step-down switching power supply device of this embodiment is an average current controlled cross converter. The target of current feedback is a low-frequency component obtained by removing a pulsating component synchronized with PWM from the difference potential between both ends of the capacitor Cf. For this reason, a low-pass filter LPF is arranged at the output of the sense amplifier, and the reset function of the amplifier becomes unnecessary.

図18には、この発明に係る降圧スイッチング電源装置の一実施例の回路図が示されている。本実施例は、図1の昇降圧スイッチング電源を簡素化し、降圧スイッチング電源装置とした例であり、図1と同様に、コイルインダクタと並列に接続されたCR電流検出回路のキャパシタの両端をセンスアンプで増幅して、電流帰還型の電源装置を構成している。その際に、図3で説明済みのアンプのリセット機能を用いており、CR電流検出回路では図8で説明したように、コイルのPWM駆動端側に抵抗手段を接続し、固定電位側である出力端子Voにキャパシタの拡散側を接続している。尚、キャパシタ手段はMOS容量である。本実施例により、従来の電流帰還型電源装置に必要であった電流センス抵抗を不要にできるので変換効率が上昇し、且つCR電流検出回路が集積回路に内蔵できるので外付けコストも低減できる。   FIG. 18 is a circuit diagram showing one embodiment of the step-down switching power supply device according to the present invention. This embodiment is an example in which the step-up / step-down switching power supply of FIG. 1 is simplified to form a step-down switching power supply apparatus. Like FIG. 1, both ends of the capacitor of the CR current detection circuit connected in parallel with the coil inductor are sensed. It is amplified by an amplifier to constitute a current feedback type power supply device. At that time, the reset function of the amplifier already described in FIG. 3 is used, and the CR current detection circuit is connected to the PWM drive end side of the coil as described in FIG. The diffusion side of the capacitor is connected to the output terminal Vo. The capacitor means is a MOS capacitor. According to the present embodiment, the current sense resistor required for the conventional current feedback type power supply device can be eliminated, so that the conversion efficiency is increased and the CR current detection circuit can be built in the integrated circuit, so that the external cost can be reduced.

図19には、この発明に係る昇圧スイッチング電源装置の一実施例の回路図が示されている。本実施例は、図1の昇降圧スイッチング電源を簡素化し、昇圧スイッチング電源装置とした例であり、図1と同様に、コイルインダクタと並列に接続されたCR電流検出回路のキャパシタの両端をセンスアンプで増幅して、電流帰還型の電源装置を構成している。その際に、図3で説明済みのアンプのリセット機能を用いており、CR電流検出回路では図8で説明したように、コイルのPWM駆動端側に抵抗手段を接続し、固定電位側である入力端子Vinにキャパシタの拡散側を接続している。尚、キャパシタ手段はMOS容量である。本実施例により、従来の電流帰還型電源装置に必要であった電流センス抵抗を不要にできるので変換効率が上昇し、且つCR電流検出回路が集積回路に内蔵できるので外付けコストも低減できる。   FIG. 19 shows a circuit diagram of an embodiment of the step-up switching power supply device according to the present invention. This embodiment is an example in which the step-up / step-down switching power supply of FIG. 1 is simplified to form a step-up switching power supply apparatus. Like FIG. 1, both ends of a capacitor of a CR current detection circuit connected in parallel with a coil inductor are sensed. It is amplified by an amplifier to constitute a current feedback type power supply device. At that time, the reset function of the amplifier already described in FIG. 3 is used, and the CR current detection circuit is connected to the PWM drive end side of the coil as described in FIG. The diffusion side of the capacitor is connected to the input terminal Vin. The capacitor means is a MOS capacitor. According to the present embodiment, the current sense resistor required for the conventional current feedback type power supply device can be eliminated, so that the conversion efficiency is increased and the CR current detection circuit can be built in the integrated circuit, so that the external cost can be reduced.

以上のような昇降圧スイッチング電源装置では、各モードで前記のような出力MOSFETのスイッチ制御によって、これら出力MOSFETのスイッチ動作による損失を小さくすることができる。例えば、リチュウムイオン電池は、4.6〜1.8Vのように大きく変化する。このような電池電圧を本願発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の入力電圧Vinとして用いて3V程度の動作電圧を形成することにより、かかるリチュウムイオン電池で駆動される電子装置の電池寿命を長くすることができる。   In the step-up / step-down switching power supply as described above, the loss due to the switch operation of these output MOSFETs can be reduced by the above-described switch control of the output MOSFETs in each mode. For example, a lithium ion battery changes greatly like 4.6-1.8V. By using such a battery voltage as the input voltage Vin of the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention, an operating voltage of about 3 V is formed, thereby extending the battery life of an electronic device driven by such a lithium ion battery. Can do.

以上本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、前記3つのモード切替のためのモード検出回路での具体的な電圧設定は、目的とする出力電圧付近を中心にして前記のように3つの電圧範囲を設定するものであればよい。PWMパルスを形成するPWM制御回路は、前記のような出力電圧の帰還信号と、出力電流の帰還信号とを用いて形成するものであればよい。   Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the specific voltage setting in the mode detection circuit for switching the three modes may be any one that sets the three voltage ranges as described above around the target output voltage. The PWM control circuit that forms the PWM pulse may be formed by using the output voltage feedback signal and the output current feedback signal as described above.

この発明は、リチュウムイオン電池で要求される昇降圧スイッチング電源装置を含めたDC−DCコンバータとして広く利用することができる。   The present invention can be widely used as a DC-DC converter including a step-up / step-down switching power supply device required for a lithium ion battery.

この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の一実施例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one Example of the step-up / step-down switching power supply device based on this invention. 図1の昇降圧スイッチング電源装置における動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram in the buck-boost switching power supply device of FIG. この発明に係るセンスアンプの動作を説明するための波形図である。It is a waveform diagram for explaining the operation of the sense amplifier according to the present invention. 図1のリセット付きセンスアンプの一実施例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an embodiment of a sense amplifier with reset in FIG. 1. この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の拡張昇圧モードを説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the expansion boosting mode of the step-up / step-down switching power supply device based on this invention. この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置のモード切替時(降圧→拡張昇圧)の動作を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the operation | movement at the time of mode switching (step-down-> expansion step-up) of the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置における昇圧モードと拡張昇圧モードの切替を説明するための特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining switching between a boost mode and an extended boost mode in the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. この発明に用いられるCR電流検出回路を半導体集積回路に内蔵する際に検討された1つの代表的回路例である。It is one typical circuit example examined when the CR current detection circuit used in the present invention is built in a semiconductor integrated circuit. この発明に用いられるCR電流検出回路を半導体集積回路に内蔵する際に検討された他の1つの代表的回路例である。It is another typical circuit example examined when the CR current detection circuit used in the present invention is built in a semiconductor integrated circuit. この発明に用いられるCR電流検出回路を半導体集積回路に内蔵する際に検討された他の1つの代表的回路例である。It is another typical circuit example examined when the CR current detection circuit used in the present invention is built in a semiconductor integrated circuit. この発明に用いられるCR電流検出回路を半導体集積回路に内蔵する際に検討された他の1つの代表的回路例である。It is another typical circuit example examined when the CR current detection circuit used in the present invention is built in a semiconductor integrated circuit. この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置に用いられるCR電流検出回路の一実施例の回路図である。It is a circuit diagram of one Example of CR current detection circuit used for the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置に用いられるCR電流検出回路の他の一実施例の回路図である。It is a circuit diagram of another Example of CR current detection circuit used for the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の他の一実施例の回路図である。It is a circuit diagram of other one Example of the step-up / step-down switching power supply device based on this invention. この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の更に他の一実施例の回路図である。It is a circuit diagram of further another embodiment of the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. この発明に係る昇降圧スイッチング電源装置の更に他の一実施例の回路図である。It is a circuit diagram of further another embodiment of the step-up / step-down switching power supply device according to the present invention. この発明に係るスイッチング電源装置のCR電流検出回路に用いられる容量の一実施例を示す素子構造断面図である。It is element structure sectional drawing which shows one Example of the capacity | capacitance used for CR current detection circuit of the switching power supply concerning this invention. この発明に係る降圧スイッチング電源装置の一実施例の回路図である。1 is a circuit diagram of an embodiment of a step-down switching power supply device according to the present invention. この発明に係る昇圧スイッチング電源装置の一実施例の回路図である。1 is a circuit diagram of an embodiment of a step-up switching power supply device according to the present invention. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

M1〜M7,M21〜M31,M41〜M43…MOSFET、Q1〜Q3…トランジスタ、L…インダクタ(コイル)、R1〜R3,Rf1,Rf2,Rc…抵抗、Cf,Cf1,Cf2,CL,Cc1,Cc2…容量、VC1〜VC3…電圧比較回路、SA…センスアンプ、EA…エラーアンプ、PWMCP…PWMコンパレータ、DV1〜DV4…駆動回路、G1,G2…ゲート回路、MPX…マルチプレクサ、I1〜I3…電流源、LPF…ロウパスフィルタ、G…ゲート、SD…ソース,ドレイン。   M1-M7, M21-M31, M41-M43 ... MOSFET, Q1-Q3 ... transistor, L ... inductor (coil), R1-R3, Rf1, Rf2, Rc ... resistor, Cf, Cf1, Cf2, CL, Cc1, Cc2 ... Capacitance, VC1 to VC3 ... Voltage comparison circuit, SA ... Sense amplifier, EA ... Error amplifier, PWMCP ... PWM comparator, DV1 to DV4 ... Drive circuit, G1, G2 ... Gate circuit, MPX ... Multiplexer, I1-I3 ... Current source , LPF: low pass filter, G: gate, SD: source, drain.

Claims (13)

第1入力信号に対応して相補的にスイッチ動作を行う第1出力MOSFET及び第2出力MOSFETを有する第1出力回路と、
第2入力信号に対応して相補的にスイッチ動作を行う第3出力MOSFET及び第4出力MOSFETを有する第2出力回路と、
上記第1出力回路の第1出力端子と上記第2出力回路の第2出力端子との間に設けられたインダクタンス手段と、
上記第1入力信号及び第2入力信号を形成する制御回路と、
入力電圧が供給される入力端子と、
出力電圧が出力される出力端子とを備え、
上記出力電圧と接地電位間に平滑用のキャパシタ手段が接続され、
上記第1出力MOSFETは、上記入力電圧を上記第1出力端子に伝え、
上記第2出力MOSFETは、回路の接地電位を上記第1出力端子に伝え、
上記第3出力MOSFETは、上記第2出力端子の電圧を上記出力電圧端子に伝え、
上記第4出力MOSFETは、回路の接地電位を上記第2出力端子に伝え、
上記制御回路は、
上記入力電圧が所望の出力電圧よりも大きな第1電圧範囲のときには、上記出力電圧が所望電圧となるようなPWMパルスにされた上記第1入力信号を形成し、上記第3MOSFETをオン状態に上記第4MOSFETをオフ状態にする上記第2入力信号を形成する第1モードで動作し、
上記入力電圧が、上記第1電圧範囲よりも小さく、上記所望の出力電圧とほぼ同じ第2電圧範囲のときには、固定デューティのPWMパルスにされた上記第1入力信号を形成し、上記出力電圧が所望電圧となるようなPWMパルスにされた上記第2入力信号を形成する第2モードで動作し、
上記入力電圧が上記第2電圧範囲よりも小さく、上記所望の出力電圧よりも小さな第3電圧範囲のときには、上記第1MOSFETをオン状態に上記第2MOSFETをオフ状態にする上記第1入力信号を形成し、上記出力電圧が所望の電圧となるようなPWMパルスにされた上記第2入力信号を形成する第3モードで動作し、
上記PWMパルスは、上記出力電圧の分圧電圧と基準電圧とを受けるエラーアンプの出力電圧と、上記インダクタンス手段に流れる電流検出信号で形成された電流帰還信号とをコンパレータで比較して形成される昇降圧スイッチング電源装置。
A first output circuit having a first output MOSFET and a second output MOSFET that perform a complementary switching operation in response to a first input signal;
A second output circuit having a third output MOSFET and a fourth output MOSFET that perform a complementary switching operation in response to the second input signal;
Inductance means provided between a first output terminal of the first output circuit and a second output terminal of the second output circuit;
A control circuit for forming the first input signal and the second input signal;
An input terminal to which an input voltage is supplied;
An output terminal from which the output voltage is output,
A smoothing capacitor means is connected between the output voltage and the ground potential,
The first output MOSFET transmits the input voltage to the first output terminal,
The second output MOSFET transmits the ground potential of the circuit to the first output terminal,
The third output MOSFET transmits the voltage of the second output terminal to the output voltage terminal,
The fourth output MOSFET transmits the ground potential of the circuit to the second output terminal,
The control circuit is
When the input voltage is in a first voltage range that is larger than the desired output voltage, the first input signal having a PWM pulse so that the output voltage becomes the desired voltage is formed, and the third MOSFET is turned on. Operating in a first mode for forming the second input signal to turn off the fourth MOSFET;
When the input voltage is smaller than the first voltage range and is in a second voltage range that is substantially the same as the desired output voltage, the first input signal that is a fixed duty PWM pulse is formed, and the output voltage is Operate in a second mode that forms the second input signal in a PWM pulse that provides a desired voltage;
When the input voltage is smaller than the second voltage range and in a third voltage range smaller than the desired output voltage, the first input signal for turning the first MOSFET on and the second MOSFET off is formed. And operating in a third mode for forming the second input signal having a PWM pulse so that the output voltage becomes a desired voltage.
The PWM pulse is formed by comparing the output voltage of an error amplifier that receives the divided voltage of the output voltage and a reference voltage with a current feedback signal formed by a current detection signal flowing through the inductance means by a comparator. Buck-boost switching power supply.
請求項1において、
上記制御回路は、
上記第2モードで動作するとき、上記固定デューティのPWMパルスのデューティよりも上記所望の出力電圧を得るための上記インダクタンスへの電流供給動作に必要なデューティが大きくなったときには、かかるデューティに対応して上記第1入力信号のデューティを増加させる論理機能を有するスイッチング電源装置。
In claim 1,
The control circuit is
When operating in the second mode, when the duty required for the current supply operation to the inductance for obtaining the desired output voltage becomes larger than the duty of the PWM pulse having the fixed duty, this duty is supported. A switching power supply having a logic function for increasing the duty of the first input signal.
請求項1において、
上記第1電圧範囲、第2電圧範囲及び第3電圧範囲を設定するモード切替検出回路を有し、
上記モード切替検出回路は、
上記入力電圧と上記出力電圧との差電圧を形成する第1電圧比較回路と、
上記第1電圧比較回路で形成された差電圧と第1基準電圧とを受けて、上記差電圧が上記第1基準電圧よりも大きい第1検出信号を形成する第2電圧比較回路と、
上記第1電圧比較回路で形成された差電圧と第2基準電圧とを受けて、上記差電圧が上記第2基準電圧よりも大きい第2検出信号を形成する第3電圧比較回路とを有し、
上記制御回路は、
上記第1検出信号と第2検出信号を受けて、上記第1から第3モードに対応した上記第1入力信号及び第2入力信号を選択的に形成するスイッチング電源装置。
In claim 1,
A mode switching detection circuit for setting the first voltage range, the second voltage range, and the third voltage range;
The mode switching detection circuit is
A first voltage comparison circuit that forms a differential voltage between the input voltage and the output voltage;
A second voltage comparison circuit receiving a difference voltage formed by the first voltage comparison circuit and a first reference voltage, and forming a first detection signal in which the difference voltage is greater than the first reference voltage;
A third voltage comparison circuit configured to receive a difference voltage formed by the first voltage comparison circuit and a second reference voltage and to form a second detection signal in which the difference voltage is greater than the second reference voltage; ,
The control circuit is
A switching power supply apparatus that receives the first detection signal and the second detection signal and selectively forms the first input signal and the second input signal corresponding to the first to third modes.
請求項1において、
上記制御回路は、
上記出力電圧を分圧する分圧回路と、
上記分圧電圧と所定の基準電圧とを受けるエラーアンプと、
上記インダクタンス手段に並列形態に設けられ電流検出を行うCR回路と、
上記CR回路の電流検出信号をセンスするセンスアンプと、
上記エラーアンプの出力信号と上記センスアンプの出力信号に基づいて上記PWMパルスを形成するPWM制御回路を有するスイッチング電源装置。
In claim 1,
The control circuit is
A voltage dividing circuit for dividing the output voltage;
An error amplifier that receives the divided voltage and a predetermined reference voltage;
A CR circuit for detecting a current provided in parallel with the inductance means;
A sense amplifier for sensing the current detection signal of the CR circuit;
A switching power supply device having a PWM control circuit that forms the PWM pulse based on an output signal of the error amplifier and an output signal of the sense amplifier.
請求項4において、
上記制御回路は、上記センスアンプの出力側にオフセット電圧を付加するオフセット調整回路を更に有し、
上記第1モードから上記第2モードへの切替の際の出力電圧変動を上記オフセット調整の動作によって抑制するスイッチング電源装置。
In claim 4,
The control circuit further includes an offset adjustment circuit for adding an offset voltage to the output side of the sense amplifier,
A switching power supply apparatus that suppresses an output voltage fluctuation at the time of switching from the first mode to the second mode by the operation of the offset adjustment.
請求項4において、
上記CR回路は、
インダクタンスの両端に一端が接続され、同等の抵抗値に設定された第1及び第2抵抗手段と、
上記第1及び第2抵抗手段の他端に両電極がそれぞれ接続されたキャパシタとを有し、
上記キャパシタの両電極間の差電圧を以って上記電流検出信号の検出値とするスイッチング電源装置。
In claim 4,
The CR circuit is
First and second resistance means having one end connected to both ends of the inductance and set to an equivalent resistance value;
A capacitor having both electrodes connected to the other ends of the first and second resistance means,
A switching power supply apparatus that uses a voltage difference between both electrodes of the capacitor as a detection value of the current detection signal.
請求項4において、
上記センスアンプは、上記インダクタンスへの電流供給期間以外がリセット状態にされるスイッチング電源装置。
In claim 4,
The sense amplifier is a switching power supply apparatus that is reset except for a period during which a current is supplied to the inductance.
請求項6において、
上記第1及び第2抵抗手段の両端には、それぞれ第1及び第2スイッチMOSFETが設けられ、
上記第1モードのとき、上記第1及び第2スイッチMOSFETをオン状態にし、
上記第2及び第3モードのとき、上記第1及び第2スイッチMOSFETをオフ状態にするスイッチング電源装置。
In claim 6,
First and second switch MOSFETs are provided at both ends of the first and second resistance means, respectively.
In the first mode, the first and second switch MOSFETs are turned on,
A switching power supply apparatus that turns off the first and second switch MOSFETs in the second and third modes.
請求項6において、
上記キャパシタは、
並列接続された第1と第2MOS容量からなり、
上記第1MO容量のゲート側は、第2MOS容量の拡散層側と接続され、
上記第2MO容量のゲート側は、第1MOS容量の拡散層側と接続される上記CR電流検出回路を有するスイッチング電源装置。
In claim 6,
The capacitor is
Composed of first and second MOS capacitors connected in parallel,
The gate side of the first MO capacitor is connected to the diffusion layer side of the second MOS capacitor,
The switching power supply apparatus having the CR current detection circuit connected to the gate side of the second MO capacitor and the diffusion layer side of the first MOS capacitor.
請求項6において、
上記キャパシタは、
第1MOS容量からなり、
上記第1MOS容量のゲート側が上記第1出力端子側に対応した第1抵抗手段の他端側に接続され、
上記第1MOS容量の拡散層側が上記第2出力端子側に対応した第2抵抗手段の他端側に接続され、
上記第1抵抗手段の両端には、第1スイッチMOSFETが設けられ、
上記第2抵抗手段の両端には、第2スイッチMOSFETが設けられ、
更に上記第1MOS容量と上記第1抵抗手段の接続ノードに第2のMOS容量が接続され、
上記第2MOS容量の拡散層側と回路の接地電位に第3スイッチMOSFETが設けられ、
上記第1モードのときには、上記第1と第3スイッチMOSFETがオフ状態に、第2スイッチMOSFETがオン状態にされ、
上記第2及び第3モードのときには、上記第1と第3スイッチMOSFETがオン状態に、第2スイッチMOSFETがオフ状態にされるスイッチング電源装置。
源装置。
In claim 6,
The capacitor is
Consists of a first MOS capacitor,
The gate side of the first MOS capacitor is connected to the other end side of the first resistance means corresponding to the first output terminal side;
The diffusion layer side of the first MOS capacitor is connected to the other end side of the second resistance means corresponding to the second output terminal side;
A first switch MOSFET is provided at both ends of the first resistance means,
A second switch MOSFET is provided at both ends of the second resistance means,
Furthermore, a second MOS capacitor is connected to a connection node between the first MOS capacitor and the first resistance means,
A third switch MOSFET is provided on the diffusion layer side of the second MOS capacitor and the ground potential of the circuit;
In the first mode, the first and third switch MOSFETs are turned off, the second switch MOSFET is turned on,
A switching power supply apparatus in which the first and third switch MOSFETs are turned on and the second switch MOSFET is turned off in the second and third modes.
Source equipment.
請求項4において、
上記センスアンプの利得切替回路を更に有し、
上記第2モードから上記第3モードへの切替の際の出力電圧変動を上記利得切替の動作によって抑制するスイッチング電源装置
In claim 4,
A gain switching circuit for the sense amplifier;
Switching power supply apparatus that suppresses output voltage fluctuation at the time of switching from the second mode to the third mode by the gain switching operation
入力信号に対応して相補的にスイッチ動作を行う第1出力MOSFET及び第2出力MOSFETを有する第1出力回路と
上記第1出力回路の出力端子にインダクタンス手段の一方が接続され、
上記インダクタンス手段の他方と接地電圧の間に平滑用のキャパシタ手段が接続され、 上記第1入力信号を形成する制御回路と、
入力電圧が供給される入力端子と、
出力電圧が出力される出力端子とを備え、
上記第1出力MOSFETは、上記入力電圧を上記第1出力回路の出力端子に伝え、
上記第2出力MOSFETは、回路の接地電位を上記第1出力回路の出力端子に伝え、 上記制御回路は、
上記出力電圧を分圧する分圧回路と、
上記分圧電圧と所定の基準電圧とを受けるエラーアンプと、
上記インダクタンス手段に並列形態に設けられ電流検出を行うCR回路と、
上記CR回路の電流検出信号をセンスするセンスアンプと、
上記エラーアンプの出力信号と上記センスアンプの出力信号に基づいて上記PWMパルスを形成するPWM制御回路とを有し、
上記出力電圧が所望電圧となるようなPWMパルスにされた第1入力信号を形成し、
上記CR回路は、
上記第1出力回路の出力端子に抵抗手段が接続され、
上記抵抗手段の他方にMOS容量のゲート側が接続され、
上記MOS容量の拡散側が上記出力端子に接続され、
上記MOS容量の両電極間の差電圧を以って上記電流検出信号の検出値とし、
上記センスアンプは、上記インダクタンスへの電流供給期間以外がリセット状態にされるスイッチング電源装置。
One of the inductance means is connected to the first output circuit having the first output MOSFET and the second output MOSFET that perform the switching operation complementarily in response to the input signal, and the output terminal of the first output circuit,
A smoothing capacitor means connected between the other of the inductance means and the ground voltage, and a control circuit for forming the first input signal;
An input terminal to which an input voltage is supplied;
An output terminal from which the output voltage is output,
The first output MOSFET transmits the input voltage to an output terminal of the first output circuit,
The second output MOSFET transmits the ground potential of the circuit to the output terminal of the first output circuit, and the control circuit
A voltage dividing circuit for dividing the output voltage;
An error amplifier that receives the divided voltage and a predetermined reference voltage;
A CR circuit for detecting a current provided in parallel with the inductance means;
A sense amplifier for sensing the current detection signal of the CR circuit;
A PWM control circuit that forms the PWM pulse based on the output signal of the error amplifier and the output signal of the sense amplifier;
Forming a first input signal having a PWM pulse so that the output voltage becomes a desired voltage;
The CR circuit is
Resistance means is connected to the output terminal of the first output circuit,
The other side of the resistance means is connected to the gate side of the MOS capacitor,
The diffusion side of the MOS capacitor is connected to the output terminal,
With the voltage difference between the two electrodes of the MOS capacitor as the detection value of the current detection signal,
The sense amplifier is a switching power supply apparatus that is reset except for a period during which a current is supplied to the inductance.
入力信号に対応して相補的にスイッチ動作を行う第1出力MOSFET及び第2出力MOSFETを有する第1出力回路と
上記第1出力回路の出力端子にインダクタンス手段の一方が接続され、
上記インダクタンス手段の他方を入力電圧が供給される入力端子とし、
上記第2出力MOSFETのドレイン端子と接地電圧の間に平滑用のキャパシタ手段が 接続され、
上記キャパシタンス手段と上記第2出力MOSFETのドレイン端子との接続ノードを 出力電圧が出力される出力端子とし、
上記第1入力信号を形成する制御回路と、
上記第1出力MOSFETは、回路の接地電位を上記第1出力回路の出力端子に伝え、 上記第2出力MOSFETは、上記出力電圧を上記第1出力回路の出力端子に伝え、
上記制御回路は、
上記出力電圧を分圧する分圧回路と、
上記分圧電圧と所定の基準電圧とを受けるエラーアンプと、
上記インダクタンス手段に並列形態に設けられ電流検出を行うCR回路と、
上記CR回路の電流検出信号をセンスするセンスアンプと、
上記エラーアンプの出力信号と上記センスアンプの出力信号に基づいて上記PWMパルスを形成するPWM制御回路とを有し、
上記出力電圧が所望電圧となるようなPWMパルスにされた第1入力信号を形成し、
上記CR回路は、
上記第1出力回路の出力端子に抵抗手段が接続され、
上記抵抗手段の他方にMOS容量のゲート側が接続され、
上記MOS容量の拡散側が上記入力端子に接続され、
上記MOS容量の両電極間の差電圧を以って上記電流検出信号の検出値とし、
上記センスアンプは、上記インダクタンスへの電流供給期間以外がリセット状態にされるスイッチング電源装置。
One of the inductance means is connected to the first output circuit having the first output MOSFET and the second output MOSFET that perform the switching operation complementarily in response to the input signal, and the output terminal of the first output circuit,
The other of the inductance means is an input terminal to which an input voltage is supplied,
A smoothing capacitor means is connected between the drain terminal of the second output MOSFET and the ground voltage,
A connection node between the capacitance means and the drain terminal of the second output MOSFET is an output terminal from which an output voltage is output,
A control circuit for forming the first input signal;
The first output MOSFET transmits a circuit ground potential to the output terminal of the first output circuit, and the second output MOSFET transmits the output voltage to the output terminal of the first output circuit,
The control circuit is
A voltage dividing circuit for dividing the output voltage;
An error amplifier that receives the divided voltage and a predetermined reference voltage;
A CR circuit for detecting a current provided in parallel with the inductance means;
A sense amplifier for sensing the current detection signal of the CR circuit;
A PWM control circuit that forms the PWM pulse based on the output signal of the error amplifier and the output signal of the sense amplifier;
Forming a first input signal having a PWM pulse so that the output voltage becomes a desired voltage;
The CR circuit is
Resistance means is connected to the output terminal of the first output circuit,
The other side of the resistance means is connected to the gate side of the MOS capacitor,
The diffusion side of the MOS capacitor is connected to the input terminal,
With the voltage difference between the two electrodes of the MOS capacitor as the detection value of the current detection signal,
The sense amplifier is a switching power supply apparatus that is reset except for a period during which a current is supplied to the inductance.
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