JP2014003770A - Power supply device, and on-vehicle apparatus and vehicle using the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power supply device that can implement appropriate mode switching.SOLUTION: A comparator 602 compares a voltage V603 appearing across both ends of a resistance 603 with a predetermined threshold voltage Vth62, and decides a logic level of a selector control signal S62 on the basis of the result of comparison. The output signal S62 is at a high level when the voltage V603 is lower than the threshold voltage Vth62, and is at a low level when the voltage V603 is higher than the threshold voltage Vth62. A selector 114 selects either one of a PWM pulse S1a and a fixed on-time pulse S1b as an output signal S2 on the basis of the logic level of the selector control signal S62 input from the comparator 602.

Description

本発明は、電源装置、並びに、これを用いた車載機器及び車両に関する。   The present invention relates to a power supply device, and an in-vehicle device and a vehicle using the same.

昨今、車載分野における低消費電力型の電源装置として、スイッチングレギュレータ(チョッパ型DC/DCコンバータ)が実用化されている。スイッチングレギュレータは、軽負荷時の効率改善のため、負荷に応じて動作モードの切り替え制御を行う。   Recently, a switching regulator (chopper type DC / DC converter) has been put into practical use as a low power consumption type power supply device in the in-vehicle field. The switching regulator performs operation mode switching control according to the load in order to improve efficiency at light load.

例えば、出力電流Ioutが内部消費電流Iccと比べて十分に大きい負荷状態(重負荷状態)では、出力電流Ioutの安定性を優先した重負荷モード(例えばPWMモード)で動作する。一方、出力電流Ioutが内部消費電流Iccと同程度まで小さくなった負荷状態(軽負荷状態)では、消費電流の低減を優先した軽負荷モード(例えばオン時間固定モード)で動作する。   For example, in a load state (heavy load state) in which the output current Iout is sufficiently larger than the internal consumption current Icc, the operation is performed in a heavy load mode (for example, PWM mode) giving priority to the stability of the output current Iout. On the other hand, in a load state (light load state) in which the output current Iout is reduced to the same level as the internal consumption current Icc, the operation is performed in a light load mode (for example, a fixed on-time mode) that prioritizes reduction of the consumption current.

なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1及び特許文献2を挙げることができる。   In addition, Patent Document 1 and Patent Document 2 can be cited as examples of related art related to the above.

特開2010−81749号公報JP 2010-81749 A 特開2011−61971号公報JP 2011-61971 A

上記複数の動作モードを切り替えるための切替負荷ポイントを適切に定めることは、非常に重要である。例えば、電源装置の用途によっては、重負荷モードから軽負荷モードへの切替負荷ポイントと、軽負荷モードから重負荷モードへの切替負荷ポイントとのズレをなくして、切替負荷ポイントのヒステリシスを解消することが求められる。   It is very important to appropriately determine a switching load point for switching the plurality of operation modes. For example, depending on the application of the power supply device, the hysteresis of the switching load point is eliminated by eliminating the deviation between the switching load point from the heavy load mode to the light load mode and the switching load point from the light load mode to the heavy load mode. Is required.

本発明は上述した問題に鑑み、動作モードを適切に切り替えることが可能な電源装置を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a power supply device capable of appropriately switching operation modes.

上記目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、入力電圧から出力電圧を生成するためにオン/オフされるスイッチング素子と、所定の周期で前記スイッチング素子のオン/オフ制御を行う制御回路と、前記出力電圧の出力経路に設けられた抵抗の両端間に生じる抵抗電圧と所定の閾値電圧とを比較し、該比較の結果に応じて、前記制御回路の動作方式を決定する動作制御信号を生成する比較器と、を有することを特徴とする構成(第1の構成)とされている。   To achieve the above object, a power supply device according to the present invention includes a switching element that is turned on / off to generate an output voltage from an input voltage, and a control that performs on / off control of the switching element at a predetermined period. Operation control for comparing a resistance voltage generated between both ends of a circuit and a resistor provided in an output path of the output voltage with a predetermined threshold voltage and determining an operation method of the control circuit according to a result of the comparison And a comparator that generates a signal (first configuration).

なお、上記第1の構成から成る電源装置は、前記制御回路が、前記動作制御信号に応じて、出力安定性を優先する重負荷モードと、内部消費電流の低減を優先する軽負荷モードとのいずれの動作方式で動作するかを決定することを特徴とする構成(第2の構成)にするとよい。   The power supply device having the first configuration includes a heavy load mode in which the control circuit prioritizes output stability and a light load mode in which reduction of internal current consumption is prioritized according to the operation control signal. It is preferable to adopt a configuration (second configuration) characterized by determining which operation method to use.

また、上記第2の構成から成る電源装置は、前記制御回路が、前記抵抗電圧が所定の閾値電圧を下回る場合に前記軽負荷モードで動作し、前記抵抗電圧が所定の閾値電圧を上回る場合に前記重負荷モードで動作することを特徴とする構成(第3の構成)にするとよい。   In the power supply device having the second configuration, the control circuit operates in the light load mode when the resistance voltage is lower than a predetermined threshold voltage, and when the resistance voltage is higher than the predetermined threshold voltage. A configuration (third configuration) that operates in the heavy load mode is preferable.

また、上記第3の構成から成る電源装置は、前記抵抗が、前記抵抗の両端に生じる電位差に応じて過電流を検出する過電流検出用抵抗であり、前記電源装置が有する過電流検出回路にも接続されていることを特徴とする構成(第4の構成)にするとよい。   In the power supply device having the third configuration, the resistor is an overcurrent detection resistor that detects an overcurrent according to a potential difference generated at both ends of the resistor, and the overcurrent detection circuit included in the power supply device includes: Are preferably connected to each other (fourth configuration).

また、上記第4の構成から成る電源装置は、前記制御回路が、第1パルス信号を生成する第1パルス信号生成部と、第2パルス信号を生成する第2パルス信号生成部と、前記制御信号に応じて、前記第1パルス信号と前記第2パルス信号とのいずれかを前記スイッチング素子へ供給するセレクタと、を有することを特徴とする構成(第5の構成)にするとよい。   Further, in the power supply device having the fourth configuration, the control circuit includes a first pulse signal generation unit that generates a first pulse signal, a second pulse signal generation unit that generates a second pulse signal, and the control A selector (fifth configuration) may be provided that includes a selector that supplies either the first pulse signal or the second pulse signal to the switching element according to a signal.

また、上記第5の構成から成る電源装置は、前記第1パルス信号が、出力帰還制御によりオン時間が変化するPWM[pulse width modulation]信号であり、前記第2パルス信号は、オン時間とオン回数とが一定であるオン時間固定パルスであることを特徴とする構成(第6の構成)にするとよい。   Further, in the power supply device having the fifth configuration, the first pulse signal is a PWM [pulse width modulation] signal whose on-time is changed by output feedback control, and the second pulse signal is on-time and on-time. A configuration (sixth configuration) is characterized in that the number of times is a fixed on-time pulse.

また、上記第6の構成から成る電源装置は、前記電源装置が、前記スイッチング素子と前記出力電圧の印加端との間に接続されたコイルと、前記コイルの第1端と接地端との間に接続された整流素子と、前記コイルの第2端と接地端との間に接続されたコンデンサと、を有することを特徴とする構成(第7の構成)にするとよい。   Further, the power supply device having the sixth configuration is characterized in that the power supply device is connected between the switching element and the output voltage application end, and between the first end of the coil and the ground end. And a capacitor connected between the second end of the coil and the ground end (seventh configuration).

また、上記第7の構成から成る電源装置は、前記抵抗が、前記コイルの第2端と前記出力電圧の印加端との間に接続されていることを特徴とする構成(第8の構成)にするとよい。   In the power supply device having the seventh configuration, the resistor is connected between the second end of the coil and the application end of the output voltage (eighth configuration). It is good to.

また、本発明に係る車載機器は、上記第1〜第8いずれかの構成から成る電源装置を有することを特徴とする構成(第9の構成)にするとよい。   In addition, the in-vehicle device according to the present invention may have a configuration (9th configuration) including a power supply device having any one of the first to eighth configurations.

また、本発明に係る車両は、上記第9の構成から成る車載機器と、前記車載機器に電力を供給するバッテリとを有することを特徴とする構成(第10の構成)にするとよい。   In addition, the vehicle according to the present invention may have a configuration (tenth configuration) including the in-vehicle device having the ninth configuration and a battery for supplying power to the in-vehicle device.

本発明によれば、重負荷モードと軽負荷モードとの切替負荷ポイントがヒステリシスを持たないため、動作モードの切り替えを適切に行うことができる。また本発明によれば、出力電圧の出力経路に設けられた抵抗の抵抗値を変更することにより、切り替え負荷ポイントを使用者が変更可能である。   According to the present invention, since the switching load point between the heavy load mode and the light load mode has no hysteresis, the operation mode can be appropriately switched. According to the present invention, the switching load point can be changed by the user by changing the resistance value of the resistor provided in the output path of the output voltage.

電源装置の全体構成を示すブロック図Block diagram showing the overall configuration of the power supply PWMモードの一動作例を示すタイミングチャートTiming chart showing an example of operation in PWM mode オン時間固定モードの一動作例を示すタイミングチャートTiming chart showing an example of operation in fixed on-time mode 負荷に応じてスイッチ電圧の挙動が変化する様子を示す図The figure which shows a mode that the behavior of switch voltage changes according to load PWMモードのスイッチング波形を示した波形図Waveform diagram showing switching waveforms in PWM mode オン時間固定モードのスイッチング波形を示した波形図Waveform diagram showing switching waveforms in fixed on-time mode 従来の切替負荷ポイントの一例を示した模式図Schematic diagram showing an example of a conventional switching load point 電源装置の構成の一部を示した回路ブロック図Circuit block diagram showing a part of the configuration of the power supply 本発明の切替負荷ポイントの一例を示した模式図The schematic diagram which showed an example of the switching load point of this invention 電源装置を搭載した車両の一構成例を示す外観図External view showing a configuration example of a vehicle equipped with a power supply device

<全体構成>
図1は、電源装置の全体構成を示すブロック図である。本構成例の電源装置1は、半導体装置10と、これに外部接続される種々のディスクリート部品(コイルL1、ダイオードD1、抵抗R1及びR2、並びに、キャパシタC1〜C6)と、を有する降圧型のスイッチングレギュレータである。
<Overall configuration>
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the power supply apparatus. The power supply device 1 of this configuration example is a step-down type having a semiconductor device 10 and various discrete components (coil L1, diode D1, resistors R1 and R2, and capacitors C1 to C6) externally connected thereto. It is a switching regulator.

半導体装置10は、スイッチング制御回路100と、内部電源電圧生成回路200と、電源切替回路300と、を集積化したモノリシック半導体集積回路装置(例えば、車載用の電源IC)である。また、半導体装置10は、外部端子T1〜T10を有する。   The semiconductor device 10 is a monolithic semiconductor integrated circuit device (for example, an in-vehicle power supply IC) in which a switching control circuit 100, an internal power supply voltage generation circuit 200, and a power supply switching circuit 300 are integrated. The semiconductor device 10 has external terminals T1 to T10.

半導体装置10の外部において、外部端子T1は、キャパシタC4を介して接地端に接続されている。外部端子T2は、出力電圧Voの印加端に接続されている。出力電圧Voの印加端と接地端との間には、キャパシタC2が接続されている。外部端子T3には、入力電圧Viの印加端(例えば車載バッテリの正極)に接続されている。入力電圧Viの印加端と接地端との間には、キャパシタC1が接続されている。外部端子T4は、コイルL1の第1端とダイオードD1のカソードに接続されている。コイルL1の第2端は、出力電圧Voの印加端に接続されている。ダイオードD1のアノードは、接地端に接続されている。なお、ダイオードD1は、同期整流トランジスタと置換することも可能である。外部端子T5は、キャパシタC3を介して入力電圧Viの印加端に接続されている。外部端子T6は、後述するパワーグッド信号S8の出力端子である。外部端子T7は、外部電源電圧Vcc(入力電圧Viから生成される定電圧)の入力端子である。なお、外部電源電圧Vccとして入力電圧Viの直接供給を受ける場合には、外部端子T7を省略することができる。外部端子T8は、キャパシタC5を介して接地端に接続されている。外部端子T9は、直列接続された抵抗R1及びキャパシタC6を介して接地端に接続されている。外部端子T10は、抵抗R2を介して接地端に接続されている。   Outside the semiconductor device 10, the external terminal T1 is connected to the ground terminal via the capacitor C4. The external terminal T2 is connected to the application end of the output voltage Vo. A capacitor C2 is connected between the application terminal of the output voltage Vo and the ground terminal. The external terminal T3 is connected to the application terminal of the input voltage Vi (for example, the positive electrode of the vehicle battery). A capacitor C1 is connected between the application terminal of the input voltage Vi and the ground terminal. The external terminal T4 is connected to the first end of the coil L1 and the cathode of the diode D1. The second end of the coil L1 is connected to the application end of the output voltage Vo. The anode of the diode D1 is connected to the ground terminal. The diode D1 can be replaced with a synchronous rectification transistor. The external terminal T5 is connected to the application terminal of the input voltage Vi through the capacitor C3. The external terminal T6 is an output terminal for a power good signal S8 described later. The external terminal T7 is an input terminal for an external power supply voltage Vcc (a constant voltage generated from the input voltage Vi). In the case where the input voltage Vi is directly supplied as the external power supply voltage Vcc, the external terminal T7 can be omitted. The external terminal T8 is connected to the ground terminal via the capacitor C5. The external terminal T9 is connected to the ground terminal via a resistor R1 and a capacitor C6 connected in series. The external terminal T10 is connected to the ground terminal via the resistor R2.

スイッチング制御回路100は、出力トランジスタ101をオン/オフさせて入力電圧Viから出力電圧Voを生成する回路ブロックであり、出力トランジスタ101と、ドライバ102と、ローレベル電圧生成部103と、帰還電圧生成部104と、ソフトスタート電圧生成部105と、エラーアンプ106と、オシレータ107と、スロープ電圧生成部108と、コンパレータ109と、PWM[pulse width modulation]パルス生成部110と、オン時間固定パルス生成部111と、ワンショットパルス生成部112と、セレクタ制御部113と、セレクタ114と、コンパレータ115及び116と、ORゲート117と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ118と、を含む。   The switching control circuit 100 is a circuit block that generates an output voltage Vo from an input voltage Vi by turning on / off the output transistor 101. The output transistor 101, a driver 102, a low-level voltage generator 103, and a feedback voltage generator Unit 104, soft start voltage generation unit 105, error amplifier 106, oscillator 107, slope voltage generation unit 108, comparator 109, PWM [pulse width modulation] pulse generation unit 110, and on-time fixed pulse generation unit 111, a one-shot pulse generation unit 112, a selector control unit 113, a selector 114, comparators 115 and 116, an OR gate 117, and an N-channel MOS field effect transistor 118.

出力トランジスタ101は、外部端子T3と外部端子T4との間に接続されており、入力電圧Viから出力電圧Voを生成するためにオン/オフされる。なお、本構成例では、出力トランジスタ101としてPチャネル型MOS[metal oxide semiconductor]電界効果トランジスタを用いているが、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタを用いてもよいし、或いは、pnp型やnpn型のバイポーラトランジスタに置き換えてもよい。   The output transistor 101 is connected between the external terminal T3 and the external terminal T4, and is turned on / off to generate the output voltage Vo from the input voltage Vi. In this configuration example, a P-channel MOS [metal oxide semiconductor] field effect transistor is used as the output transistor 101. However, an N-channel MOS field effect transistor may be used, or a pnp type or an npn type. The bipolar transistor may be replaced.

ドライバ102は、セレクタ114から出力されるパルス信号S2に応じて出力トランジスタ101のゲート信号G1を生成し、出力トランジスタ101をオン/オフさせる。ドライバ102の上側電源端は、外部端子T3(入力電圧Viの印加端)に接続されている。ドライバ102の下側電源端は、ローレベル電圧生成部103の出力端(ローレベル電圧VLの印加端)に接続されている。従って、ゲート信号G1は、入力電圧Viとローレベル電圧VLとの間でパルス駆動される。なお、本構成例では、ドライバ102としてインバータが用いられている。従って、ゲート信号G1は、パルス信号S2がハイレベルであるときにローレベルとなり、パルス信号S2がローレベルであるときにハイレベルとなる。すなわち、出力トランジスタ101は、パルス信号S2がハイレベルであるときにオンとなり、パルス信号S2がローレベルであるときにオフとなる。   The driver 102 generates the gate signal G1 of the output transistor 101 according to the pulse signal S2 output from the selector 114, and turns on / off the output transistor 101. The upper power supply terminal of the driver 102 is connected to the external terminal T3 (application terminal for the input voltage Vi). The lower power supply terminal of the driver 102 is connected to the output terminal (application terminal of the low level voltage VL) of the low level voltage generation unit 103. Therefore, the gate signal G1 is pulse-driven between the input voltage Vi and the low level voltage VL. In this configuration example, an inverter is used as the driver 102. Therefore, the gate signal G1 is at a low level when the pulse signal S2 is at a high level, and is at a high level when the pulse signal S2 is at a low level. That is, the output transistor 101 is turned on when the pulse signal S2 is at a high level and turned off when the pulse signal S2 is at a low level.

ローレベル電圧生成部103は、ドライバ102の下側電源端と外部端子T5との間に接続されており、入力電圧Viを所定値だけ低下させたローレベル電圧VLを生成する。ローレベル電圧生成部103を設けることにより、入力電圧Viが変動してもドライバ102の上側電源端と下側電源端との間に印加される駆動電圧(=Vi−VL)を適正範囲内に収めることができるので、ドライバ102の耐圧を不要に高めずに済む。   The low level voltage generation unit 103 is connected between the lower power supply terminal of the driver 102 and the external terminal T5, and generates a low level voltage VL obtained by reducing the input voltage Vi by a predetermined value. By providing the low level voltage generation unit 103, the drive voltage (= Vi−VL) applied between the upper power supply terminal and the lower power supply terminal of the driver 102 is within an appropriate range even if the input voltage Vi varies. Therefore, it is not necessary to increase the breakdown voltage of the driver 102 unnecessarily.

帰還電圧生成部104は、部端子T2と接地端との間に直列接続された抵抗Ra及びRbを含み、抵抗Ra及びRbの接続ノードから出力電圧Voに応じた帰還電圧Vfb(=出力電圧Voの分圧電圧)を出力する。   The feedback voltage generation unit 104 includes resistors Ra and Rb connected in series between the unit terminal T2 and the ground terminal, and a feedback voltage Vfb (= output voltage Vo) corresponding to the output voltage Vo from a connection node of the resistors Ra and Rb. Of the divided voltage).

ソフトスタート電圧生成部105は、外部端子T8に接続されたキャパシタC5を充電することにより、電源装置1の起動時において緩やかに上昇するソフトスタート電圧Vssを生成する。また、ソフトスタート電圧生成部105は、ソフトスタート完了信号S3を生成する機能も備えている。   The soft start voltage generation unit 105 generates a soft start voltage Vss that gradually increases when the power supply device 1 is started up by charging the capacitor C5 connected to the external terminal T8. The soft start voltage generation unit 105 also has a function of generating a soft start completion signal S3.

エラーアンプ106は、第1及び第2非反転入力端(+)に各々印加される所定の基準電圧Vref及びソフトスタート電圧Vssのいずれか低い方と、反転入力端(−)に印加される帰還電圧Vfbとの差分に応じた誤差電圧ERRを生成する。エラーアンプ106の出力端は、外部端子T9を介して位相補償用の抵抗R1及びC6に接続されている。   The error amplifier 106 has a lower one of a predetermined reference voltage Vref and a soft start voltage Vss applied to the first and second non-inverting input terminals (+) and a feedback applied to the inverting input terminal (−). An error voltage ERR corresponding to the difference from the voltage Vfb is generated. The output terminal of the error amplifier 106 is connected to the phase compensation resistors R1 and C6 via the external terminal T9.

オシレータ107は、所定周波数のクロック信号CLKを生成する。クロック信号CLKの周波数は、外部端子T10に接続された抵抗R2を用いて調整することができる。   The oscillator 107 generates a clock signal CLK having a predetermined frequency. The frequency of the clock signal CLK can be adjusted using a resistor R2 connected to the external terminal T10.

スロープ電圧生成部108は、クロック信号CLKに同期して鋸波形、三角波形、或いは、これに準じた波形のスロープ電圧SLPを生成する。   The slope voltage generator 108 generates a slope voltage SLP having a sawtooth waveform, a triangular waveform, or a waveform conforming thereto in synchronization with the clock signal CLK.

コンパレータ109は、反転入力端(−)に印加される誤差電圧ERRと、非反転入力端(+)に印加されるスロープ電圧SLPとを比較して比較信号S0を生成する。比較信号S0は、誤差電圧ERRがスロープ電圧SLPよりも高いときにローレベルとなり、誤差電圧ERRがスロープ電圧SLPよりも低いときにハイレベルとなる2値信号である。   The comparator 109 compares the error voltage ERR applied to the inverting input terminal (−) and the slope voltage SLP applied to the non-inverting input terminal (+) to generate a comparison signal S0. The comparison signal S0 is a binary signal that is at a low level when the error voltage ERR is higher than the slope voltage SLP and that is at a high level when the error voltage ERR is lower than the slope voltage SLP.

PWMパルス生成部110は、クロック信号CLKと比較信号S0に基づいてPWMパルスS1aを生成する。より具体的に述べると、PWMパルス生成部110は、クロック信号CLKの立上りエッジをトリガとしてPWMパルスS1aをハイレベルにセットする一方、比較信号S0の立上りエッジをトリガとしてPWMパルスS1aをローレベルにリセットする。   The PWM pulse generator 110 generates a PWM pulse S1a based on the clock signal CLK and the comparison signal S0. More specifically, the PWM pulse generation unit 110 sets the PWM pulse S1a to a high level using the rising edge of the clock signal CLK as a trigger, while setting the PWM pulse S1a to a low level using the rising edge of the comparison signal S0 as a trigger. Reset.

オン時間固定パルス生成部111は、比較信号S0の立下りエッジをトリガとしてオン時間tonとオン回数Nが一定のオン時間固定パルスS1bを生成する。オン時間固定パルスS1bの生成動作は、クロック信号CLKに同期して行われる。   The on-time fixed pulse generation unit 111 generates an on-time fixed pulse S1b having a constant on-time ton and the number of on-times N, triggered by the falling edge of the comparison signal S0. The generation operation of the on-time fixed pulse S1b is performed in synchronization with the clock signal CLK.

ワンショットパルス生成部112は、ソフトスタート完了信号S3を監視しており、ソフトスタート電圧Vssが所定の閾値電圧Vth4を上回った時点で一度だけオン時間tfixとオン回数Mが一定のワンショットパルスS1cを生成する。ワンショットパルスS1cの生成動作は、クロック信号CLKに同期して行われる。なお、図1では、オン時間固定パルス生成部111とワンショットパルス生成部112が独立ブロックとして描写されているが、ワンショットパルス生成部112は、オン時間固定パルス生成部111と回路の一部ないしは全部を共用することにより、回路規模を縮小することが可能である。   The one-shot pulse generator 112 monitors the soft start completion signal S3, and when the soft start voltage Vss exceeds a predetermined threshold voltage Vth4, the one-shot pulse S1c having a constant on-time tfix and on-time M is fixed once. Is generated. The operation of generating the one-shot pulse S1c is performed in synchronization with the clock signal CLK. In FIG. 1, the on-time fixed pulse generation unit 111 and the one-shot pulse generation unit 112 are depicted as independent blocks, but the one-shot pulse generation unit 112 and the on-time fixed pulse generation unit 111 are part of the circuit. Alternatively, the circuit scale can be reduced by sharing all of them.

セレクタ制御部113は、負荷の重さ(出力電流Ioの大きさ)に応じてPWMパルスS1aとオン時間固定パルスS1bの一方を選択するようにセレクタ制御信号S4を生成する。より具体的に述べると、セレクタ制御部113は、比較信号S0のローレベル期間を計時するカウンタを含んでおり、比較信号S0が所定のマスク期間Tmaskに亘ってローレベルに維持されたか否かに応じてPWMパルスS1aとオン時間固定パルスS1bの一方を選択するようにセレクタ制御信号S4を生成する。すなわち、セレクタ制御部113は、比較信号S0がローレベルに維持されている期間を監視して負荷の重さ(出力電流Ioの大きさ)を判定する構成であると言える。   The selector control unit 113 generates the selector control signal S4 so as to select one of the PWM pulse S1a and the on-time fixed pulse S1b according to the load weight (the magnitude of the output current Io). More specifically, the selector control unit 113 includes a counter that counts the low level period of the comparison signal S0, and whether or not the comparison signal S0 is maintained at the low level over a predetermined mask period Tmask. Accordingly, the selector control signal S4 is generated so as to select one of the PWM pulse S1a and the on-time fixed pulse S1b. That is, it can be said that the selector control unit 113 has a configuration in which the weight of the load (the magnitude of the output current Io) is determined by monitoring the period in which the comparison signal S0 is maintained at the low level.

セレクタ114は、ソフトスタート完了信号S3とセレクタ制御信号S4に基づいて、PWMパルスS1a、オン時間固定パルスS1b、及び、ワンショットパルスS1cのいずれか一つを出力信号S2として選択する。   The selector 114 selects any one of the PWM pulse S1a, the on-time fixed pulse S1b, and the one-shot pulse S1c as the output signal S2 based on the soft start completion signal S3 and the selector control signal S4.

コンパレータ115は、反転入力端(−)に印加される帰還電圧Vfbと、非反転入力端(+)に印加される閾値電圧Vth1(<Vref)とを比較してショート保護信号S5を生成する。ショート保護信号S5は、帰還電圧Vfbが閾値電圧Vth1よりも高いときにローレベル(正常時の論理レベル)となり、帰還電圧Vfbが閾値電圧Vth1よりも低いときにハイレベル(異常時(例えば地絡発生時)の論理レベル)となる。   The comparator 115 compares the feedback voltage Vfb applied to the inverting input terminal (−) and the threshold voltage Vth1 (<Vref) applied to the non-inverting input terminal (+) to generate the short protection signal S5. The short protection signal S5 is at a low level (normal logic level) when the feedback voltage Vfb is higher than the threshold voltage Vth1, and is at a high level (abnormal (eg, ground fault) when the feedback voltage Vfb is lower than the threshold voltage Vth1. Logic level) at the time of occurrence.

コンパレータ116は、非反転入力端(+)に印加される帰還電圧Vfbと、反転入力端(−)に印加される閾値電圧Vth2(>Vref)とを比較して過電圧保護信号S6を生成する。過電圧保護信号S6は、帰還電圧Vfbが閾値電圧Vth2よりも低いときにローレベル(正常時の論理レベル)となり、帰還電圧Vfbが閾値電圧Vth2よりも高いときにハイレベル(異常時(過電圧発生時)の論理レベル)となる。   The comparator 116 compares the feedback voltage Vfb applied to the non-inverting input terminal (+) and the threshold voltage Vth2 (> Vref) applied to the inverting input terminal (−) to generate the overvoltage protection signal S6. The overvoltage protection signal S6 is low level (normal logic level) when the feedback voltage Vfb is lower than the threshold voltage Vth2, and is high level (abnormal (when overvoltage occurs) when the feedback voltage Vfb is higher than the threshold voltage Vth2. ) Logic level).

ORゲート117は、第1入力端に印加されるショート保護信号S5と第2入力端に印加される過電圧保護信号S6との論理和演算を行うことにより、異常検出信号S7を生成する。異常検出信号S7は、ショート保護信号S5と過電圧保護信号S6の両方がローレベル(正常時の論理レベル)であるときにローレベルとなり、ショート保護信号S5と過電圧保護信号S6の少なくとも一方がハイレベル(異常時の論理レベル)であるときにハイレベルとなる。   The OR gate 117 performs an OR operation on the short protection signal S5 applied to the first input terminal and the overvoltage protection signal S6 applied to the second input terminal, thereby generating the abnormality detection signal S7. The abnormality detection signal S7 becomes low level when both the short protection signal S5 and the overvoltage protection signal S6 are low level (normal logic level), and at least one of the short protection signal S5 and the overvoltage protection signal S6 is high level. High level when (logical level at the time of abnormality).

Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ118は、外部端子T6からマイコンなどにパワーグッド信号S8を出力するためのオープンドレイン出力段を形成する。トランジスタ118のドレインは、外部端子T6に接続されている。なお、外部端子T6は、不図示の外部抵抗によりプルアップされている。トランジスタ118のソースは、接地端に接続されている。トランジスタ118のゲートは、ORゲート117の出力端に接続されている。トランジスタ118は、異常検出信号S7がローレベルであるときにオフとなり、異常検出信号S7がハイレベルであるときにオンとなる。従って、パワーグッド信号S8は異常検出信号S7がローレベルであるときにハイレベル(正常時の論理レベル)となり、異常検出信号S7がハイレベルであるときにローレベル(異常時の論理レベル)となる。   N-channel MOS field effect transistor 118 forms an open drain output stage for outputting power good signal S8 from external terminal T6 to a microcomputer or the like. The drain of the transistor 118 is connected to the external terminal T6. The external terminal T6 is pulled up by an external resistor (not shown). The source of the transistor 118 is connected to the ground terminal. The gate of the transistor 118 is connected to the output terminal of the OR gate 117. The transistor 118 is turned off when the abnormality detection signal S7 is at a low level, and turned on when the abnormality detection signal S7 is at a high level. Therefore, the power good signal S8 is at a high level (normal logic level) when the abnormality detection signal S7 is at a low level, and is at a low level (logical level at abnormality) when the abnormality detection signal S7 is at a high level. Become.

内部電源電圧生成回路200は、外部端子T7に印加される外部電源電圧Vcc(例えば入力電圧Vi)から内部電源電圧Vregを生成する回路ブロックであり、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ201と、オペアンプ202と、プリレギュレータ部203と、基準電圧生成部204と、抵抗205及び206(抵抗値:R205、R206)と、を含む。   The internal power supply voltage generation circuit 200 is a circuit block that generates an internal power supply voltage Vreg from an external power supply voltage Vcc (for example, input voltage Vi) applied to the external terminal T7. And a pre-regulator unit 203, a reference voltage generation unit 204, and resistors 205 and 206 (resistance values: R205 and R206).

トランジスタ201のドレインは、外部端子T7に接続されている。トランジスタ201のソースは、外部端子T7に接続される一方、直列接続された抵抗205及び206を介して接地端にも接続されている。トランジスタ201のゲートは、オペアンプ202の出力端に接続されている。オペアンプ202の非反転入力端(+)は、基準電圧生成部204の出力端に接続されている。オペアンプ202の反転入力端(−)は、抵抗205と抵抗206との接続ノード(分圧電圧Vreg’の印加端)に接続されている。プリレギュレータ部203は、外部電源電圧Vccから基準電圧生成部204の駆動電圧を生成する。基準電圧生成部204は、プリレギュレータ部203から供給される駆動電圧を受けて動作し、一定の基準電圧VREF(例えば温度特性がフラットなバンドギャップ電圧)を生成する。   The drain of the transistor 201 is connected to the external terminal T7. The source of the transistor 201 is connected to the external terminal T7, and is also connected to the ground terminal via resistors 205 and 206 connected in series. The gate of the transistor 201 is connected to the output terminal of the operational amplifier 202. The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 202 is connected to the output terminal of the reference voltage generation unit 204. An inverting input terminal (−) of the operational amplifier 202 is connected to a connection node (application terminal of the divided voltage Vreg ′) between the resistor 205 and the resistor 206. The pre-regulator unit 203 generates a drive voltage for the reference voltage generation unit 204 from the external power supply voltage Vcc. The reference voltage generation unit 204 operates in response to the drive voltage supplied from the preregulator unit 203, and generates a constant reference voltage VREF (for example, a band gap voltage having a flat temperature characteristic).

上記構成から成る内部電源電圧生成回路200において、オペアンプ202は、非反転入力端(+)に印加される基準電圧VREFと、反転入力端(−)に印加される分圧電圧Vreg’とが一致するようにトランジスタ201の導通度を制御する。従って、内部電源電圧生成回路200で生成される内部電源電圧Vregは、次の(1)式で表される。   In the internal power supply voltage generation circuit 200 configured as described above, the operational amplifier 202 has the same reference voltage VREF applied to the non-inverting input terminal (+) and the divided voltage Vreg ′ applied to the inverting input terminal (−). Thus, the conductivity of the transistor 201 is controlled. Therefore, the internal power supply voltage Vreg generated by the internal power supply voltage generation circuit 200 is expressed by the following equation (1).

Figure 2014003770
Figure 2014003770

電源切替回路300は、スイッチング制御回路100の駆動電圧Vsupとして内部電源電圧Vregと出力電圧Voのいずれを供給するかを切り替える回路ブロックであり、スイッチ301及び302を含む。   The power supply switching circuit 300 is a circuit block that switches which of the internal power supply voltage Vreg and the output voltage Vo is supplied as the drive voltage Vsup of the switching control circuit 100, and includes switches 301 and 302.

スイッチ301は、内部電源電圧Vregの印加端と駆動電圧Vsupの印加端との間を導通/遮断するスイッチ素子である。スイッチ301としては、例えば、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタを用いることができる。   The switch 301 is a switch element that conducts / cuts off between the application terminal of the internal power supply voltage Vreg and the application terminal of the drive voltage Vsup. As the switch 301, for example, a P-channel MOS field effect transistor can be used.

スイッチ302は、出力電圧Voの印加端と駆動電圧Vsupの印加端との間を導通/遮断するスイッチ素子である。スイッチ302としては、例えば、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタを用いることができる。   The switch 302 is a switch element that conducts / cuts off between the application terminal of the output voltage Vo and the application terminal of the drive voltage Vsup. As the switch 302, for example, a P-channel MOS field effect transistor can be used.

上記構成から成る電源装置1では、出力トランジスタ101のオン/オフが繰り返されることにより、コイルL1における磁気エネルギーの蓄積と放出が繰り返されて、入力電圧Viを降圧した出力電圧Voが生成される。なお、外部端子T4に現れるスイッチ電圧Vswは、出力トランジスタ101のオン時にハイレベル(ほぼ入力電圧Vi)となり、出力トランジスタ101のオフ時にローレベル(ほぼ接地電圧GND)となるパルス電圧であり、出力電圧Voはスイッチ電圧Vswを平滑した電圧に相当する。   In the power supply device 1 configured as described above, the output transistor 101 is repeatedly turned on and off, whereby the magnetic energy is repeatedly accumulated and released in the coil L1, and the output voltage Vo obtained by stepping down the input voltage Vi is generated. Note that the switch voltage Vsw appearing at the external terminal T4 is a pulse voltage that is at a high level (approximately the input voltage Vi) when the output transistor 101 is on and is at a low level (approximately the ground voltage GND) when the output transistor 101 is off. The voltage Vo corresponds to a voltage obtained by smoothing the switch voltage Vsw.

なお、図1では明示されていないが、半導体装置10には、上記回路ブロックのほか、各種の保護回路(サーマルシャットダウン回路、過電流保護回路、減電圧保護回路など)も集積化されている。   Although not clearly shown in FIG. 1, the semiconductor device 10 is integrated with various protection circuits (thermal shutdown circuit, overcurrent protection circuit, voltage drop protection circuit, etc.) in addition to the circuit block described above.

<PWMモード(重負荷モード)>
図2は、PWMモードの一動作例を示すタイミングチャートであり、上から順番に、クロック信号CLK、スロープ電圧SLP、誤差電圧ERR、比較信号S0、PWMパルスS1a(出力信号S2)、スイッチ電圧Vsw、及び、コイル電流ILが描写されている。
<PWM mode (heavy load mode)>
FIG. 2 is a timing chart showing an example of operation in the PWM mode. In order from the top, the clock signal CLK, the slope voltage SLP, the error voltage ERR, the comparison signal S0, the PWM pulse S1a (output signal S2), and the switch voltage Vsw And the coil current IL is depicted.

負荷が重い(出力電流Ioが大きい)場合、電源装置1はPWMモードとなる。PWMモードでは、セレクタ114の出力信号S2としてPWMパルスS1aが選択され、ドライバ102はこのパルス信号S2に応じて出力トランジスタ101をオン/オフさせる。出力トランジスタ101のオン期間には、スイッチ電圧Vswがハイレベル(ほぼ入力電圧Vi)となってコイル電流ILが増大する。一方、出力トランジスタ101のオフ期間には、スイッチ電圧Vswがローレベル(ほぼ接地電圧GND)となってコイル電流ILが減少する。   When the load is heavy (the output current Io is large), the power supply device 1 is in the PWM mode. In the PWM mode, the PWM pulse S1a is selected as the output signal S2 of the selector 114, and the driver 102 turns on / off the output transistor 101 in accordance with the pulse signal S2. During the ON period of the output transistor 101, the switch voltage Vsw becomes a high level (almost the input voltage Vi), and the coil current IL increases. On the other hand, during the off period of the output transistor 101, the switch voltage Vsw is at a low level (almost the ground voltage GND), and the coil current IL decreases.

PWMパルスS1aは、先に述べたように、クロック信号CLKの立上りエッジをトリガとしてハイレベルとなり、比較信号S0の立上りエッジをトリガとしてローレベルとなる。クロック信号CLKは、一定のスイッチング周期TPWMでハイレベルとなり、比較信号S0は、誤差電圧ERRがスロープ電圧SLPよりも低くなった時点でハイレベルとなる。従って、出力トランジスタ101のオンデューティ(スイッチング周期TPWMに占めるPWMパルスS1aのハイレベル期間の割合)は、誤差電圧ERRが低いほど短くなり、誤差電圧ERRが高いほど長くなる。   As described above, the PWM pulse S1a becomes a high level triggered by the rising edge of the clock signal CLK, and becomes a low level triggered by the rising edge of the comparison signal S0. The clock signal CLK becomes high level at a constant switching cycle TPWM, and the comparison signal S0 becomes high level when the error voltage ERR becomes lower than the slope voltage SLP. Accordingly, the on-duty of the output transistor 101 (the ratio of the high level period of the PWM pulse S1a to the switching cycle TPWM) becomes shorter as the error voltage ERR is lower, and becomes longer as the error voltage ERR is higher.

上記のようにPWMパルスS1aに応じて出力トランジスタ101のオン/オフ制御を行うPWMモードでは、帰還電圧Vfbが基準電圧Vrefと一致するように出力帰還制御が掛かり、出力電圧Voが所望の目標値に維持される。   In the PWM mode in which the on / off control of the output transistor 101 is performed according to the PWM pulse S1a as described above, the output feedback control is performed so that the feedback voltage Vfb matches the reference voltage Vref, and the output voltage Vo is set to a desired target value. Maintained.

<オン時間固定モード(軽負荷モード)>
図3は、オン時間固定モードの一動作例を示すタイミングチャートであり、上から順にクロック信号CLK、スロープ電圧SLP、誤差電圧ERR、比較信号S0、オン時間固定パルスS1b(出力信号S2)、スイッチ電圧Vsw、及び、コイル電流ILが描写されている。
<On-time fixed mode (light load mode)>
FIG. 3 is a timing chart showing an operation example of the fixed on-time mode. From the top, the clock signal CLK, the slope voltage SLP, the error voltage ERR, the comparison signal S0, the on-time fixed pulse S1b (output signal S2), and the switch The voltage Vsw and the coil current IL are depicted.

負荷が軽い(出力電流Ioが小さい)場合、電源装置1は、軽負荷時における内部消費電流Iccを抑えるために、PWMモードからオン時間固定モードに切り替わる。オン時間固定モードでは、セレクタ114の出力信号S2としてオン時間固定パルスS1bが選択され、ドライバ102はこのパルス信号S2に応じて出力トランジスタ101をオン/オフさせる。   When the load is light (the output current Io is small), the power supply device 1 switches from the PWM mode to the on-time fixed mode in order to suppress the internal current consumption Icc at the time of light load. In the fixed on-time mode, the fixed on-time pulse S1b is selected as the output signal S2 of the selector 114, and the driver 102 turns on / off the output transistor 101 in accordance with the pulse signal S2.

オン時間固定パルス生成部111は、比較信号S0のパルスエッジ(例えば立下りエッジ)が検出されると、オン時間tonとオン回数Nが一定のオン時間固定パルスS1bを生成した後、次に比較信号S0のパルスエッジが検出されるまで、オン時間固定パルスS1bの生成を停止する。すなわち、オン時間固定パルス生成部111は、コイルL1に供給された電荷Qが負荷への出力電流Ioとして全て消費される毎に、オン時間固定パルスS1bを生成する。   When a pulse edge (for example, a falling edge) of the comparison signal S0 is detected, the on-time fixed pulse generation unit 111 generates an on-time fixed pulse S1b having a constant on-time ton and the number of on-times N, and then compares them. The generation of the on-time fixed pulse S1b is stopped until the pulse edge of the signal S0 is detected. That is, the on-time fixed pulse generator 111 generates the on-time fixed pulse S1b every time the charge Q supplied to the coil L1 is all consumed as the output current Io to the load.

このように、オン時間固定モードにおいて、スイッチング制御回路100は、オン時間固定パルスS1bを生成して出力トランジスタ101をオン/オフさせることによりコイルL1に電荷を供給する動作期間Tonと、オン時間固定パルスS1bの生成を停止する静止期間Toffとを交互に繰り返すことによって、入力電圧Viから出力電圧Voを生成する。   As described above, in the fixed on-time mode, the switching control circuit 100 generates the on-time fixed pulse S1b and turns on / off the output transistor 101 to turn on and off the output transistor 101, and the on-time fixed mode. The output voltage Vo is generated from the input voltage Vi by alternately repeating the stationary period Toff in which the generation of the pulse S1b is stopped.

なお、動作期間Tonにおける内部消費電流Iccの電流値をIonとし、静止期間Toffにおける内部消費電流Iccの電流値をIoff(<Ion)とした場合、オン時間固定パルスS1bの周期T(=Ton+Toff)における内部消費電流Iccの平均値は、次の(2)式で算出することができる。   When the current value of the internal consumption current Icc in the operation period Ton is Ion and the current value of the internal consumption current Icc in the quiescent period Toff is Ioff (<Ion), the period T (= Ton + Toff) of the on-time fixed pulse S1b. The average value of the internal current consumption Icc can be calculated by the following equation (2).

Figure 2014003770
Figure 2014003770

上記の(2)式において、Ion、Ioff、Tonが固定である場合、周期Tに占める動作期間Tonの割合が小さいほど内部消費電流Iccは小さくなり、逆に、周期Tに占める動作期間Tonの割合が大きいほど内部消費電流Iccは大きくなる。   In the above formula (2), when Ion, Ioff, and Ton are fixed, the smaller the ratio of the operation period Ton in the period T, the smaller the internal consumption current Icc, and conversely, the operation period Ton in the period T The larger the ratio, the larger the internal consumption current Icc.

このオン時間固定モードでは、トランジスタ101が1回オンする毎に電荷Qが負荷に供給されるので、トランジスタ101がN回オンされた場合、負荷に供給される電荷の総量は(N×Q)となる。   In this fixed on-time mode, the charge Q is supplied to the load every time the transistor 101 is turned on. Therefore, when the transistor 101 is turned on N times, the total amount of charge supplied to the load is (N × Q). It becomes.

また、コイルL1のインダクタンスをLとし、オン時間固定パルスS1bのオン時間をtonとし、オフ時間をtoffとした場合、コイル電流ILのピーク値ILpは、次の(3a)式で表すことができる。従って、トランジスタ101が1回オンする毎に負荷に供給される電荷Qは、次の(3b)式で算出することができる。   Further, when the inductance of the coil L1 is L, the on-time of the on-time fixed pulse S1b is ton, and the off-time is toff, the peak value ILp of the coil current IL can be expressed by the following equation (3a). . Therefore, the charge Q supplied to the load every time the transistor 101 is turned on can be calculated by the following equation (3b).

Figure 2014003770
Figure 2014003770

上記の(3b)式から分かるように、電荷Qはオン時間tonの2乗に比例するので、オン時間tonを固定すれば、負荷に供給される電荷Qが決定し、周期Tが決定する。以上をまとめると、周期Tと電荷Qとの間には、次の(4)式が成立する。   As can be seen from the above equation (3b), since the charge Q is proportional to the square of the on-time ton, if the on-time ton is fixed, the charge Q supplied to the load is determined and the period T is determined. In summary, the following equation (4) is established between the period T and the charge Q.

Figure 2014003770
Figure 2014003770

上記の(4)式から、オン時間固定パルスS1bの周期Tは、オン時間ton或いはオン回数Nを大きく設定するほど長くなる。従って、オン時間ton或いはオン回数Nを適切に設定することにより、周期Tに占める動作期間Tonの割合を小さく抑えて、内部消費電流Iccを低減することが可能となる。   From the above equation (4), the period T of the on-time fixed pulse S1b becomes longer as the on-time ton or the on-times N is set larger. Therefore, by appropriately setting the ON time ton or the ON count N, it is possible to reduce the ratio of the operation period Ton to the period T and reduce the internal current consumption Icc.

<モード切替動作>
図4は、負荷に応じてスイッチ電圧Vswの挙動が変化する様子を示す図であり、左から右へ向かうほど負荷が小さくなるものとする。
<Mode switching operation>
FIG. 4 is a diagram showing how the behavior of the switch voltage Vsw changes according to the load, and it is assumed that the load decreases from the left to the right.

電源装置1がPWMモードで駆動している状態(電源装置1の起動時、または、重負荷状態)において、負荷を軽くしていくとスイッチ電圧Vswの挙動は、一般に、まず連続モード(A)から不連続モード(B)へと切り替わる。ただし、連続モード(A)におけるスイッチング周期Taと、不連続モード(B)における周期Tbは、いずれも半導体装置10の内部で決定されるスイッチング周期TPWM(=クロック信号CLKの周期)に維持されている。   In a state where the power supply device 1 is driven in the PWM mode (when the power supply device 1 is activated or in a heavy load state), the behavior of the switch voltage Vsw generally starts with the continuous mode (A) when the load is reduced. To the discontinuous mode (B). However, the switching period Ta in the continuous mode (A) and the period Tb in the discontinuous mode (B) are both maintained at the switching period TPWM (= period of the clock signal CLK) determined inside the semiconductor device 10. Yes.

さらに負荷を軽くしていくと、PWMパルスS1aのパルス抜けが生じてスイッチング周期TPWMを維持することができなくなり、スイッチ電圧Vswの挙動は、間欠発振モード(C)に移行する(Tc>TPWM)。このとき、電源装置1の動作モードは、後述する負荷判定動作に従い、PWMモードからオン時間固定モード(D)に切り替わる。   When the load is further reduced, the PWM pulse S1a is lost and the switching cycle TPWM cannot be maintained, and the behavior of the switch voltage Vsw shifts to the intermittent oscillation mode (C) (Tc> TPWM). . At this time, the operation mode of the power supply device 1 is switched from the PWM mode to the on-time fixed mode (D) according to a load determination operation described later.

先にも述べたように、オン時間固定モードのスイッチング周期Td(図3の周期Tに相当)は、軽負荷時においてPWMモードのスイッチング周期TPWMよりも十分大きくなるように設計されているので、オン時間固定パルスS1bは、N発のパルスが生成された後、少なくともスイッチング周期TPWMの一周期分に亘ってその生成動作がオフとされる。このように、オン時間固定モードの大きな特徴は、オン時間固定パルスS1bを生成する動作期間Tonと、オン時間固定パルスS1bの生成を停止する静止期間Toffとを交互に繰り返すことにより、一周期当たりの内部消費電流Icc(平均値)を低減して軽負荷時の電力効率ξを改善する点にある。   As described above, the switching period Td (corresponding to the period T in FIG. 3) in the fixed on-time mode is designed to be sufficiently larger than the switching period TPWM in the PWM mode at light load. The generation operation of the fixed on-time pulse S1b is turned off for at least one switching cycle TPWM after N pulses are generated. As described above, the main feature of the fixed on-time mode is that the operation period Ton for generating the fixed on-time pulse S1b and the stationary period Toff for stopping the generation of the fixed on-time pulse S1b are alternately repeated, so Is to improve the power efficiency ξ at light load by reducing the internal current consumption Icc (average value).

図5に示すように、PWMモードにおいてトランジスタ101が1回オンする毎に負荷に供給される電荷をQ1とし、PWMパルスS1aの最小オン時間(最小パルス幅)をtminとした場合、PWMモードからオン時間固定モードに切り替わる際の閾値電流Ith1は、一般に、次の(5)式から求めることができる。   As shown in FIG. 5, when the transistor 101 is turned on once in the PWM mode, the charge supplied to the load is Q1, and the minimum on time (minimum pulse width) of the PWM pulse S1a is tmin. The threshold current Ith1 at the time of switching to the fixed on-time mode can be generally obtained from the following equation (5).

Figure 2014003770
Figure 2014003770

また、オン時間固定モードからPWMモードへの切り替わりについても、上記と同様に理解することができる。図6に示すように、オン時間固定モードにおいてトランジスタ101がN回オンする毎に負荷に供給される電荷をQ2とし、オン時間固定パルスS1bの1パルス毎のオン期間をtonとした場合、オン時間固定モードからPWMモードに切り替わる際の閾値電流Ith2は、一般に、次の(6)式から求めることができる。   The switching from the fixed on-time mode to the PWM mode can be understood in the same manner as described above. As shown in FIG. 6, when the transistor 101 is turned on N times in the fixed on-time mode, the charge supplied to the load is Q2, and when the on-period for each on-time fixed pulse S1b is ton, The threshold current Ith2 when switching from the fixed time mode to the PWM mode can be generally obtained from the following equation (6).

Figure 2014003770
Figure 2014003770

上記の切替負荷ポイント(閾値電流Ith1、Ith2)は極めて重要である。通常、tmin<tonであるため、Ith1<Ith2となる。これを模式的に表したのが図7である。図7の上段は、PWMモードからオン時間固定モードへの移行時における閾値電流Ith1を示している。図7の下段は、オン時間固定モードからPWMモードへの移行時における閾値電流Ith2を示している。   The switching load point (threshold currents Ith1, Ith2) is extremely important. Usually, since tmin <ton, Ith1 <Ith2. This is schematically shown in FIG. The upper part of FIG. 7 shows the threshold current Ith1 when shifting from the PWM mode to the fixed on-time mode. The lower part of FIG. 7 shows the threshold current Ith2 when shifting from the fixed on-time mode to the PWM mode.

オン時間固定モードは、オン時間tonとオン回数Nが固定であるので、閾値電流Ith2を設計しやすく、また、超軽負荷での電力効率ξを調整しやすい。しかし、軽負荷状態での電力効率ξを高めるために、オン時間tonやオン回数Nを大きく設定すると、図7に示すように、閾値電流Ith1と閾値電流Ith2とにズレが生じる。電源装置1の用途によっては、このヒステリシスが問題となる場合がある。   In the fixed on-time mode, since the on-time ton and the number of on-times N are fixed, it is easy to design the threshold current Ith2, and it is easy to adjust the power efficiency ξ at an ultralight load. However, if the on-time ton and the number of on-times N are set large in order to increase the power efficiency ξ in a light load state, a deviation occurs between the threshold current Ith1 and the threshold current Ith2, as shown in FIG. Depending on the application of the power supply device 1, this hysteresis may be a problem.

そこで、本構成例の電源装置1は、ヒステリシスの影響を受けることなく動作モードを切り替えることができるとともに、切替負荷ポイントを使用者が変更可能である構成とする。   Therefore, the power supply device 1 of the present configuration example has a configuration in which the operation mode can be switched without being affected by hysteresis and the switching load point can be changed by the user.

より具体的に述べると、上記のモード切替動作を実現するために、本構成例の電源装置1は、図8に示す構成をとるものとする。なお図8は、図1の構成よりスイッチング素子101、ドライバ102、PWMパルス生成部110、オン時間固定パルス生成部111、セレクタ114、外部端子T3、外部端子T4、入出力段(コイルL1、ダイオードD1、コンデンサC1、及びコンデンサC2)を抽出し、さらに本構成例の比較器601、比較器602、抵抗603、外部端子TP、外部端子TNを加えた構成を示した回路ブロック図である。   More specifically, in order to realize the above-described mode switching operation, the power supply device 1 of this configuration example has the configuration shown in FIG. In FIG. 8, the switching element 101, the driver 102, the PWM pulse generator 110, the on-time fixed pulse generator 111, the selector 114, the external terminal T3, the external terminal T4, and the input / output stage (coil L1, diode) from the configuration of FIG. FIG. 6 is a circuit block diagram showing a configuration in which D1, a capacitor C1, and a capacitor C2) are extracted and a comparator 601, a comparator 602, a resistor 603, an external terminal TP, and an external terminal TN of this configuration example are further added.

比較器601の非反転入力端(+)は、定電圧源の正極端に接続され、所定の閾値電圧Vth61が印加されている(ただし出力電圧Vo基準)。比較器601の反転入力端(−)は、外部端子TPに接続されている。比較器601の出力端子は、ドライバ102に接続されている。   The non-inverting input terminal (+) of the comparator 601 is connected to the positive terminal of the constant voltage source, and a predetermined threshold voltage Vth61 is applied (however, based on the output voltage Vo). The inverting input terminal (−) of the comparator 601 is connected to the external terminal TP. The output terminal of the comparator 601 is connected to the driver 102.

比較器602の非反転入力端(+)は、定電圧源の正極端に接続され、所定の閾値電圧Vth62が印加されている(ただし出力電圧Vo基準)。比較器602の反転入力端(−)は、外部端子TPに接続されている。比較器602の出力端子は、セレクタ114に接続されている。   The non-inverting input terminal (+) of the comparator 602 is connected to the positive terminal of the constant voltage source, and a predetermined threshold voltage Vth62 is applied (however, based on the output voltage Vo). The inverting input terminal (−) of the comparator 602 is connected to the external terminal TP. The output terminal of the comparator 602 is connected to the selector 114.

抵抗603の第1端は、コイルL1の第2端に接続されている。抵抗603の第2端は、出力電圧Voの印加端に接続されている。外部端子TPは、コイルL1の第2端と抵抗603の第1端との接続ノードに接続されている。外部端子TNは、抵抗603の第2端と出力電圧Voの印加端との接続ノードに接続されている。また外部端子TNは、比較器601及び比較器602の定電圧源の負極端に接続されている。   A first end of the resistor 603 is connected to a second end of the coil L1. A second end of the resistor 603 is connected to an application end of the output voltage Vo. The external terminal TP is connected to a connection node between the second end of the coil L1 and the first end of the resistor 603. The external terminal TN is connected to a connection node between the second end of the resistor 603 and the application end of the output voltage Vo. The external terminal TN is connected to the negative terminal of the constant voltage source of the comparator 601 and the comparator 602.

次に、上記の構成による電源装置1の動作について説明する。比較器601は、抵抗603の両端間に現れる電位差(以降、「電圧V603」(ただし出力電圧Vo基準)という)と所定の閾値電圧Vth61とを比較することにより、コイルL1に流れる電流ILを監視する過電流検出回路として機能する。   Next, the operation of the power supply device 1 having the above configuration will be described. The comparator 601 monitors the current IL flowing through the coil L1 by comparing a potential difference (hereinafter referred to as “voltage V603” (referred to as output voltage Vo reference)) between both ends of the resistor 603 with a predetermined threshold voltage Vth61. Functions as an overcurrent detection circuit.

比較器601は、電圧V603と所定の閾値電圧Vth61とを比較し、比較結果に基づいて出力信号S61(=過電流検出信号)の論理レベルを決定する。出力信号S61は、電圧V603が閾値電圧Vth61よりも低い場合にハイレベル(正常時の論理レベル)とされ、電圧V603が閾値電圧Vth61よりも高い場合にローレベル(異常時の論理レベル)とされる。出力信号S61がローレベルとなると、出力電流Ioが過電流状態であるとして、ドライバ102が動作停止される。   The comparator 601 compares the voltage V603 with a predetermined threshold voltage Vth61, and determines the logic level of the output signal S61 (= overcurrent detection signal) based on the comparison result. The output signal S61 is at a high level (normal logic level) when the voltage V603 is lower than the threshold voltage Vth61, and is at a low level (logic level when abnormal) when the voltage V603 is higher than the threshold voltage Vth61. The When the output signal S61 becomes low level, the driver 102 is stopped because the output current Io is in an overcurrent state.

比較器602は、電圧V603と所定の閾値電圧Vth62(<<閾値電圧Vth61)とを比較し、比較結果に基づいてセレクタ制御信号S62(=動作制御信号)の論理レベルを決定する。出力信号S62は、電圧V603が閾値電圧Vth62よりも低い場合にハイレベルとされ、電圧V603が閾値電圧Vth62よりも高い場合にローレベルとされる。   The comparator 602 compares the voltage V603 with a predetermined threshold voltage Vth62 (<< threshold voltage Vth61), and determines the logic level of the selector control signal S62 (= operation control signal) based on the comparison result. The output signal S62 is at a high level when the voltage V603 is lower than the threshold voltage Vth62, and is at a low level when the voltage V603 is higher than the threshold voltage Vth62.

本構成例のセレクタ114は、比較器602より入力されるセレクタ制御信号S62の論理レベルに基づき、PWMパルスS1a、及びオン時間固定パルスS1bのいずれか一つを出力信号S2として選択する。   Based on the logic level of the selector control signal S62 input from the comparator 602, the selector 114 of this configuration example selects either the PWM pulse S1a or the on-time fixed pulse S1b as the output signal S2.

セレクタ制御信号S62がハイレベルである場合、出力電流Ioが小さい(軽負荷)と分かるので、オン時間固定パルス生成部111からの出力信号S1bを、出力信号S2として出力する。つまり、低負荷モードで動作させる。一方、セレクタ制御信号S62がローレベルである場合、出力電流Ioが大きい(重負荷)と分かるので、PWMパルス生成部110からの出力信号S1aを、出力信号S2として出力する。つまり、PWMモードで動作させる。   When the selector control signal S62 is at a high level, it can be seen that the output current Io is small (light load), so the output signal S1b from the on-time fixed pulse generator 111 is output as the output signal S2. That is, the operation is performed in the low load mode. On the other hand, when the selector control signal S62 is at a low level, it can be seen that the output current Io is large (heavy load), so the output signal S1a from the PWM pulse generator 110 is output as the output signal S2. That is, the operation is performed in the PWM mode.

このような構成を採用した場合、オン時間固定モードとPWMモードとの切替負荷ポイント(閾値電流Ith3)は、次の(7)式で求められる。   When such a configuration is adopted, a switching load point (threshold current Ith3) between the fixed on-time mode and the PWM mode is obtained by the following equation (7).

Figure 2014003770
Figure 2014003770

以上に説明した構成により実施される動作モードの切り替えについて、図9の模式図を用いつつ説明する。図9に示すように本構成例によれば、比較器602の比較結果に基づいて動作モードの切り替えを行う。このため、オン時間固定モードからPWMモードへの切り替え負荷ポイントと、オン時間固定モードからPWMモードへの切り替え負荷ポイントとが一致し、ヒステリシス(図9のγで示した範囲)を持たない。よって、ヒステリシスを嫌う用途にも用いることが可能である。   The switching of the operation mode performed by the configuration described above will be described with reference to the schematic diagram of FIG. As shown in FIG. 9, according to this configuration example, the operation mode is switched based on the comparison result of the comparator 602. For this reason, the switching load point from the fixed on-time mode to the PWM mode coincides with the switching load point from the fixed on-time mode to the PWM mode, and has no hysteresis (range indicated by γ in FIG. 9). Therefore, it can be used for applications that dislike hysteresis.

また本構成例によれば、(7)式に示したように、閾値電圧Vth62が固定値であるため、抵抗603の抵抗値に応じて閾値電流Ith3が変化する。このため使用者が、半導体装置10の外部に接続された抵抗603を交換することにより、上記で示した切替負荷ポイントを変更可能である。これにより例えば、使用者がオン時間固定モードと重負荷モードとのいずれを優先するかに応じて、切替負荷ポイントを調整することができる。   Further, according to the present configuration example, the threshold voltage Ith3 changes according to the resistance value of the resistor 603 because the threshold voltage Vth62 is a fixed value as shown in the equation (7). Therefore, the user can change the switching load point described above by exchanging the resistor 603 connected to the outside of the semiconductor device 10. Thus, for example, the switching load point can be adjusted according to whether the user gives priority to the fixed on-time mode or the heavy load mode.

なお、本構成例のように、抵抗603に生じる電圧V603を所定の閾値電圧Vth62と比較して動作モードの切り替えを行う構成においては、過電流検出用の抵抗603に生じる微少な電圧を適切に検出するための工夫が重要である。   In this configuration example, in the configuration in which the operation mode is switched by comparing the voltage V603 generated in the resistor 603 with the predetermined threshold voltage Vth62, a minute voltage generated in the overcurrent detection resistor 603 is appropriately set. A device for detection is important.

<車両>
図10は、電源装置1を搭載した車両の一構成例を示す外観図である。本構成例の車両Xは、車載機器X11〜X17と、これらの車載機器X11〜X17に電力を供給するバッテリ(図10では不図示)と、を搭載している。
<Vehicle>
FIG. 10 is an external view showing a configuration example of a vehicle on which the power supply device 1 is mounted. The vehicle X of this configuration example includes onboard devices X11 to X17 and a battery (not shown in FIG. 10) that supplies power to these onboard devices X11 to X17.

車載機器X11は、エンジンに関連する制御(インジェクション制御、電子スロットル制御、アイドリング制御、酸素センサヒータ制御、及び、オートクルーズ制御など)を行うエンジンコントロールユニットである。   The in-vehicle device X11 is an engine control unit that performs control related to the engine (such as injection control, electronic throttle control, idling control, oxygen sensor heater control, and auto cruise control).

車載機器X12は、HID[high intensity discharged lamp]やDRL[daytime running lamp]などの点消灯制御を行うランプコントロールユニットである。   The in-vehicle device X12 is a lamp control unit that performs on / off control such as HID [high intensity discharged lamp] and DRL [daytime running lamp].

車載機器X13は、トランスミッションに関連する制御を行うトランスミッションコントロールユニットである。   The in-vehicle device X13 is a transmission control unit that performs control related to the transmission.

車載機器X14は、車両Xの運動に関連する制御(ABS[anti-lock brake system]制御、EPS[electric power Steering]制御、電子サスペンション制御など)を行うボディコントロールユニットである。   The in-vehicle device X14 is a body control unit that performs control (ABS [anti-lock brake system] control, EPS [electric power Steering] control, electronic suspension control, etc.) related to the motion of the vehicle X.

車載機器X15は、ドアロックや防犯アラームなどの駆動制御を行うセキュリティコントロールユニットである。   The in-vehicle device X15 is a security control unit that performs drive control such as a door lock and a security alarm.

車載機器X16は、ワイパー、電動ドアミラー、パワーウィンドウ、電動サンルーフ、電動シート、及び、エアコンなど、標準装備品やメーカーオプション品として、工場出荷段階で車両Xに組み込まれている電子機器である。   The in-vehicle device X16 is an electronic device incorporated in the vehicle X at the factory shipment stage as a standard equipment item or a manufacturer option product such as a wiper, an electric door mirror, a power window, an electric sunroof, an electric seat, and an air conditioner.

車載機器X17は、車載A/V[audio/visual]機器、カーナビゲーションシステム、及び、ETC[Electronic Toll Collection System]など、ユーザの任意で車両Xに装着される電子機器である。   The in-vehicle device X17 is an electronic device that is arbitrarily attached to the vehicle X by the user, such as an in-vehicle A / V [audio / visual] device, a car navigation system, and an ETC [Electronic Toll Collection System].

なお、先に説明した電源装置1は、車載機器X11〜X17のいずれにも組み込むことが可能である。   The power supply device 1 described above can be incorporated in any of the in-vehicle devices X11 to X17.

<その他の変形例>
なお、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
<Other variations>
The configuration of the present invention can be variously modified in addition to the above-described embodiment without departing from the gist of the invention. That is, the above-described embodiment is an example in all respects and should not be considered as limiting, and the technical scope of the present invention is not the description of the above-described embodiment, but the claims. It should be understood that all modifications that come within the meaning and range of equivalents of the claims are included.

本発明は、例えば、車載用システム電源ICに適用することが可能である。ただし、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、他の用途に供される半導体装置にも広く適用することが可能である。   The present invention can be applied to, for example, an in-vehicle system power supply IC. However, the application target of the present invention is not limited to this, and can be widely applied to semiconductor devices used for other purposes.

1 電源装置
10 半導体装置
100 スイッチング制御回路
101 出力トランジスタ(Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ)
102 ドライバ(インバータ)
103 ローレベル電圧生成部
104 帰還電圧生成部
Ra、Rb 抵抗
105 ソフトスタート電圧生成部
105a 電流源
105b Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
105c コンパレータ
106 エラーアンプ
107 オシレータ
108 スロープ電圧生成部
109 コンパレータ
110 PWMパルス生成部
111 オン時間固定パルス生成部
112 ワンショットパルス生成部
113 セレクタ制御部(カウンタ)
114 セレクタ
115 コンパレータ
116 コンパレータ
117 ORゲート
118 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
119 オン時間固定パルス調整部
120 オン時間固定パルス無効部(コンパレータ)
121 NORゲート
122 カウンタ調整部
200 内部電源電圧生成回路
201 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
202 オペアンプ
203 プリレギュレータ部
204 基準電圧生成部
205、206 抵抗
300 電源切替回路
301、302 スイッチ(Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ)
303 インバータ
601、602 比較器
603 抵抗
L1 コイル
D1 ダイオード
R1〜R4 抵抗
C1〜C6 キャパシタ
T1〜T14 外部端子
TP、TN 外部端子
X 車両
X11〜X17 車載機器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power supply device 10 Semiconductor device 100 Switching control circuit 101 Output transistor (P channel type MOS field effect transistor)
102 Driver (Inverter)
103 Low level voltage generator 104 Feedback voltage generator Ra, Rb Resistor 105 Soft start voltage generator 105a Current source 105b N-channel MOS field effect transistor 105c Comparator 106 Error amplifier 107 Oscillator 108 Slope voltage generator 109 Comparator 110 PWM pulse generation Unit 111 On-time fixed pulse generator 112 One-shot pulse generator 113 Selector controller (counter)
114 Selector 115 Comparator 116 Comparator 117 OR Gate 118 N-channel MOS Field Effect Transistor 119 On-Time Fixed Pulse Adjustment Unit 120 On-Time Fixed Pulse Invalid Unit (Comparator)
121 NOR gate 122 Counter adjustment unit 200 Internal power supply voltage generation circuit 201 N channel type MOS field effect transistor 202 Operational amplifier 203 Preregulator unit 204 Reference voltage generation unit 205, 206 Resistor 300 Power supply switching circuit 301, 302 Switch (P channel type MOS electric field) Effect transistor)
303 Inverters 601, 602 Comparator 603 Resistor L1 Coil D1 Diode R1-R4 Resistor C1-C6 Capacitor T1-T14 External terminal TP, TN External terminal X Vehicle X11-X17 In-vehicle device

Claims (10)

入力電圧から出力電圧を生成するためにオン/オフされるスイッチング素子と、
所定の周期で前記スイッチング素子のオン/オフ制御を行う制御回路と、
前記出力電圧の出力経路に設けられた抵抗の両端間に生じる抵抗電圧と所定の閾値電圧とを比較し、該比較の結果に応じて、前記制御回路の動作方式を決定する動作制御信号を生成する比較器と、
を有することを特徴とする電源装置。
A switching element that is turned on / off to generate an output voltage from the input voltage;
A control circuit that performs on / off control of the switching element at a predetermined period;
A resistance voltage generated between both ends of the resistor provided in the output path of the output voltage is compared with a predetermined threshold voltage, and an operation control signal for determining an operation method of the control circuit is generated according to the comparison result A comparator to
A power supply device comprising:
前記制御回路は、前記動作制御信号に応じて、出力安定性を優先する重負荷モードと、内部消費電流の低減を優先する軽負荷モードとのいずれの動作方式で動作するかを決定すること
を特徴とする請求項1に記載の電源装置。
The control circuit determines in accordance with the operation control signal whether to operate in a heavy load mode that prioritizes output stability or a light load mode that prioritizes reduction of internal current consumption. The power supply device according to claim 1.
前記制御回路は、前記抵抗電圧が所定の閾値電圧を下回る場合に前記軽負荷モードで動作し、前記抵抗電圧が所定の閾値電圧を上回る場合に前記重負荷モードで動作すること
を特徴とする請求項2に記載の電源装置。
The control circuit operates in the light load mode when the resistance voltage falls below a predetermined threshold voltage, and operates in the heavy load mode when the resistance voltage exceeds a predetermined threshold voltage. Item 3. The power supply device according to Item 2.
前記抵抗は、前記抵抗の両端に生じる電位差に応じて過電流を検出する過電流検出用抵抗であり、前記電源装置が有する過電流検出回路にも接続されていること
を特徴とする請求項3に記載の電源装置。
The resistor is an overcurrent detection resistor that detects an overcurrent according to a potential difference generated at both ends of the resistor, and is also connected to an overcurrent detection circuit included in the power supply device. The power supply device described in 1.
前記制御回路は、
第1パルス信号を生成する第1パルス信号生成部と、
第2パルス信号を生成する第2パルス信号生成部と、
前記制御信号に応じて、前記第1パルス信号と前記第2パルス信号とのいずれかを前記スイッチング素子へ供給するセレクタと、を有すること
を特徴とする請求項4に記載の電源装置。
The control circuit includes:
A first pulse signal generator for generating a first pulse signal;
A second pulse signal generator for generating a second pulse signal;
The power supply device according to claim 4, further comprising: a selector that supplies either the first pulse signal or the second pulse signal to the switching element in accordance with the control signal.
前記第1パルス信号は、出力帰還制御によりオン時間が変化するPWM[pulse width modulation]信号であり、
前記第2パルス信号は、オン時間とオン回数とが一定であるオン時間固定パルスであること
を特徴とする請求項5に記載の電源装置。
The first pulse signal is a PWM (pulse width modulation) signal whose on-time is changed by output feedback control,
The power supply device according to claim 5, wherein the second pulse signal is an on-time fixed pulse in which an on-time and the number of on-times are constant.
前記電源装置は、前記スイッチング素子と前記出力電圧の印加端との間に接続されたコイルと、前記コイルの第1端と接地端との間に接続された整流素子と、前記コイルの第2端と接地端との間に接続されたコンデンサと、を有すること
を特徴とする請求項6に記載の電源装置。
The power supply device includes a coil connected between the switching element and an output voltage application end, a rectifier element connected between a first end of the coil and a ground end, and a second of the coil. The power supply device according to claim 6, further comprising: a capacitor connected between the end and the ground end.
前記抵抗は、前記コイルの第2端と前記出力電圧の印加端との間に接続されていること を特徴とする請求項7に記載の電源装置。   The power supply device according to claim 7, wherein the resistor is connected between a second end of the coil and an application end of the output voltage. 請求項1〜8のいずれかに記載の電源装置
を有することを特徴とする車載機器。
An in-vehicle device comprising the power supply device according to claim 1.
請求項9に記載の車載機器と、
前記車載機器に電力を供給するバッテリと、
を有することを特徴とする車両。
In-vehicle device according to claim 9,
A battery for supplying power to the in-vehicle device;
The vehicle characterized by having.
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