JP2016123153A - スイッチング電源回路 - Google Patents

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恭明 萬
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Abstract

【課題】スイッチング周波数の高周波化が可能なスイッチング電源回路を提供する。
【解決手段】スイッチング電源回路は、フィードバックされた出力電圧を電流に変換する第1のトランジスタ(9)と、入力信号(17)の反転信号を出力する相補型の反転回路(14、15)、第1のトランジスタ(9)によって変換された電流に基づいて、反転回路(14、15)の電流を変更する第2のトランジスタ(13)、及び第2のトランジスタ(13)によって電流が変更された反転回路(9)の出力信号に基づいて遅延して充電または放電する容量(16)を有する遅延回路(101)と、入力信号(17)と遅延回路(101)の出力に基づいて、立ち上がり又は立下りのいずれか一方が遅延されたPWM波形を生成する論理素子(19)と、PWM波形に基づいて駆動するスイッチング回路(51)と、を備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、スイッチング電源回路に関する。
負荷に電力を供給するスイッチング電源回路は、小型化及び負荷の変動に対する出力電圧の安定化が求められている。
スイッチング電源回路を小型化するためには、フィルタを小型化する必要がある。フィルタを小型化するには、スイッチング周波数を高周波にすることが挙げられる。
図8は、従来のスイッチング電源回路用のPWM(pulse width modulation)波形生成回路の構成を示す図である。図9は、従来のPWM波生成回路の波形を示すタイミングチャートである。図8に示すように、従来のPWM波形生成回路は、誤差増幅回路1と、三角波生成回路2と、比較器3と、を備える(例えば、特許文献1)。
誤差増幅回路1は、出力電圧からのフィードバックした電圧と基準電圧とを比較し、その誤差を増幅して出力する。図9に示すように、比較器3は、三角波生成回路2が生成した三角波(rampout)と誤差増幅回路1の出力(errout)とを比較し、誤差増幅回路1の出力電圧に比例したデューティーを持つPWM波形(compout)を生成する。
従って、従来のPWM波形生成回路を高周波化するには、三角波生成回路2の三角波を高周波化する必要がある。しかし、電圧を短時間に大きく変化させるには電流を多く流す必要があり、また寄生容量の影響もあって望ましい高周波の三角波を作ることが難しい。加えて、三角波生成回路2が高周波化したとしても、比較器3が短時間に比較結果を出すには多くの電流が必要となる。
負荷の変動に対する出力電圧の安定化のために、軽負荷時と重負荷時とにおいて制御方法を変更する技術が知られている。しかし、スイッチング周波数の高周波化に伴い、電源制御系を高周波化した場合、負荷変動によって制御方式が切り替わる際に、出力電圧を一定に保つことが難しかった。
この点に関し、ディジタル制御スイッチング電源装置の過渡応答性を向上させる目的により、バイアス電流によって遅延時間が制御される遅延素子アレイを用い、A/D変換周期にスイッチング周期を同期させる技術が開示されている(例えば、特許文献2)。
しかし、この遅延素子アレイはスイッチング電源装置の駆動方式に適用されるものではないため、スイッチング電源装置の高周波化が難しく、負荷の変動時の出力電圧の安定性も悪い。
本発明は上記の問題に鑑み、スイッチング周波数の高周波化が可能なスイッチング電源回路を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、フィードバックされた出力電圧を電流に変換する第1のトランジスタと、入力信号の反転信号を出力する相補型の反転回路、第1のトランジスタによって変換された電流に基づいて、反転回路の電流を変更する第2のトランジスタ、及び第2のトランジスタによって電流が変更された反転回路の出力信号に基づいて遅延して充電または放電する容量を有する遅延回路と、入力信号と遅延回路の出力に基づいて、立ち上がり又は立下りのいずれか一方が遅延されたPWM波形を生成する論理素子と、PWM波形に基づいて駆動するスイッチング回路と、を備えるスイッチング電源回路を提供する。
本発明によれば、スイッチング周波数の高周波化が可能なスイッチング電源回路を提供することができる。
スイッチング電源回路の構成図である。 PWM波形生成回路の構成の構成例を示す図である。 遅延回路の構成を示す図である。 遅延回路のタイミングチャートである。 PWM波形生成回路における波形を示すタイミングチャートである。 ノードの入力電圧と、ノードにおける出力信号の様子を示す図である。 PWM波形生成回路の変形例を示す図である。 従来のスイッチング電源回路用のPWM波形生成回路の構成を示す図である。 従来のPWM波生成回路の波形を示すタイミングチャートである。
以下、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源回路について図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態のスイッチング電源回路の構成図である。図1に示すように、スイッチング電源回路は、フィードバックブロック25と、誤差増幅回路26と、ホールド回路27と、比較器28と、セレクタ29と、固定パルス幅生成回路30と、PWM波形生成回路31と、駆動信号生成回路32と、スイッチング回路51と、フィルタ52と、を備える。
フィードバックブロック25は、フィードバックされた電圧を分圧する分圧回路と、位相の遅れを補償する位相補償回路と、を含む。
誤差増幅回路26は、フィードバックブロック25の出力と基準電圧Vrefとの誤差を増幅する。
ホールド回路27は、コントローラ40と、コントローラ40のディジタル出力をアナログ信号に変換するD/Aコンバータ38(DAC)と、D/Aコンバータ38の出力と誤差増幅回路26の出力とを比較してコントローラ40に出力する比較器39と、スイッチ41と、を含む。
ホールド回路27は、誤差増幅回路26の出力の電圧値をディジタル化して記憶する。すなわち、コントローラ40は、比較器39が出力したD/Aコンバータ38の出力と誤差増幅回路26の出力との比較結果に基づいて、D/Aコンバータ38の出力とノード8の電圧値が等しくなるようにD/Aコンバータ38への出力を順次変化させる。
スイッチ41は別途設けられる制御部によって制御される。
比較器28は、フィードバックブロック25の出力と基準電圧Vrefとを比較し、比較結果をセレクタ29に出力する。
セレクタ29は、比較器28の出力と、固定周期クロックであるPLL(phase―locked loop)からのクロック(PLL CLK)を、制御部の指示に基づいて選択し、選択した方の信号を固定パルス幅生成回路30に出力する。固定パルス幅生成回路30は、入力した信号に基づいてパルス幅が制御され、固定された信号を生成し、ノード17を介してPWM波形生成回路31に出力する。
PWM波形生成回路31は、ノード17の信号に基づいてパルスの立ち上げタイミングが制御され、ノード8の電圧に基づいてパルス幅が制御されたPWM波形をノード20から出力する。
駆動信号生成回路32は、スイッチング回路51を駆動させる駆動信号を生成する。
図2は、PWM波形生成回路31の構成の構成例を示す図である。図2に示すように、PWM波形生成回路31は、ゲート端子にノード8が接続され、ドレイン端子に電流源11が接続され、ソース端子に抵抗10を介してグランドが接続された第1のスイッチング素子である第1のNchトランジスタ9を備える。第1のNchトランジスタ9のドレイン端子には第2のNchトランジスタ12のドレイン端子が接続される。
PWM波形生成回路31は、遅延回路101と、第1の反転回路18と、第2の反転回路18Aと、論理素子であるNORゲート19と、を備える。PWM波形生成回路31は、また、第1の電流制限回路53と、第2の電流制限回路54と、を備えていてもよい。
遅延回路101は、第2のNchトランジスタ12とカレントミラー回路を構成する第2のスイッチング素子である第3のNchトランジスタ13と、相補型反転回路を構成する第4のNchトランジスタ14及び第5のPchトランジスタ15と、容量16と、を含む。
第3のNchトランジスタ13は、ゲート端子が第2のNchトランジスタ12のゲート及びドレイン端子に接続され、ドレイン端子が第4のNchトランジスタ14のソース端子に接続され、ソース端子が接地される。
第4のNchトランジスタ14は、ゲート端子がノード17に接続され、ドレイン端子が第5のPchトランジスタ15のドレイン端子に接続される。
第5のPchトランジスタ15は、ゲート端子がノード17に接続され、ソース端子が電源に接続される。
容量16は、一端が電源に、他端が第4のNchトランジスタ14のドレイン端子、第5のPchトランジスタ15のドレイン端子、及び第1の反転回路18の入力端子に接続される。
第1の反転回路18の出力端子及び第2の反転回路18Aの出力端子はNORゲート19の入力端子に接続される。第2の反転回路18Aの入力端子はノード17に接続される。
第1の電流制限回路53は、直列に接続されるスイッチ21と、電流源22と、を備え、スイッチ21の一端は第1のNchトランジスタ9のドレイン端子に接続される。第2の電流制限回路54は、直列に接続されるスイッチ23と、電流源24と、を備え、スイッチ23の一端は第3のNchトランジスタ13のドレイン端子に接続される。
ここで、本実施形態の遅延回路101について説明する。
図3は、遅延回路101の構成を示す図である。図4は、遅延回路101のタイミングチャートである。図3に示すように、遅延回路101は、Nchトランジスタ5と、Pchトランジスタ4とからなる相補型の反転回路と、容量6と、可変抵抗7と、を含む。この可変抵抗7は、図2においては、第3のNchトランジスタ13が相当する。
Pchトランジスタ4のON抵抗は十分に低いため、入力CLKinの立下りに対して容量6はすぐに充電され、出力CLKoutは瞬時に立ち上がる。一方、入力CLKinの立ち上がりに対して、Nchトランジスタ5はONされるが、可変抵抗7によって電流制限されるため、出力CLKoutの立下りは一定時間の経過後となる。可変抵抗7の抵抗値によって、立下りの遅延時間は制御できるため、可変抵抗7の抵抗値を制御することによりデューティー比を制御することができる。
ここで、この遅延回路101は、Nchトランジスタ5と、Pchトランジスタ4と、からなる反転回路であるため、高周波信号を伝送することができる。また、相補型の回路構成となっているため、定常状態においては、電流は流れることはなく、入力CLKinが変化しない限り電流が流れることはない。
次に、本実施形態のスイッチング電源回路の動作について説明する。
上述した別途設けられる制御部は、負荷37に供給される電流を検知し、負荷が軽負荷化、重負荷かを判定する。制御部は、負荷37に供給される電流が所定の電流値以上である場合に重負荷と、所定の電流値未満である場合に軽負荷と判定する。制御部は、負荷が重負荷であると判定した場合、誤差増幅回路26を稼働させ、セレクタ29にPLLを選択させ、ホールド回路27のスイッチ41をOFFする。制御部は、負荷が軽負荷であると判定した場合、誤差増幅回路26を停止させ、セレクタ29に比較器28の出力を選択させ、ホールド回路27のスイッチ41をONする。
(重負荷時の動作)
負荷37への出力電圧がフィードバックされ、フィードバックブロック25に入力される。フィードバックブロック25は出力電圧を分圧し、位相補償して誤差増幅回路26に出力する。誤差増幅回路26は、入力した電圧と、基準電圧Vrefとの差分を増幅してホールド回路27に出力する。
ホールド回路27は、入力した電圧値をディジタル化してコントローラ40によって記憶する。また、ホールド回路27は入力した電圧をそのままノード8に出力する。
セレクタ29によって選択されたPLLのパルスは固定パルス幅生成回路30に入力される。固定パルス幅生成回路30は、入力した信号に基づいてパルス幅が一定に調整されたクロックをノード17に出力する。
PWM波形生成回路31は、ノード8から入力した電圧を、第1のNchトランジスタ9によって電流に変換する。このとき、電流源11の電流から第1のNchトランジスタ9及び抵抗10を流れる電流を差し引いた電流が第2のNchトランジスタ12に流れる。
この第2のNchトランジスタ12に流れる電流の大きさによって、第3のNchトランジスタ13の可変抵抗としての抵抗値が定まる。
一方、ノード17から入力されたPLLのクロックは、相補型反転回路である第4のNchトランジスタ14及び第5のPchトランジスタ15によって、反転された信号として出力される。
この反転信号のLOWへ変化するタイミング、すなわちPLLのパルス信号の立ち上がりのタイミングにて容量16から放電が始まる。この際、第3のNchトランジスタ13の可変抵抗としての抵抗値によって定まる電流値が大きいほど、放電時間は短くなる。従って、HIGHの長さが短い波形が出力される。この出力は第1の反転回路18に出力される。一方、第2の反転回路18Aにはノード17のPLLのパルス信号が入力される。
ここで、第1の電流制限回路53は、通常はスイッチ21がOFFとなっており、別途設けられるスイッチング回路51の過剰な電流の吸い込みを検知する検知手段が過剰な電流の吸い込みを検知した場合、スイッチ21がONされる。スイッチ21がONされるとデューティー比が瞬時に大きくなり、スイッチング回路51の過剰な電流の吸い込みを防止することができる。第2の電流制限回路54も、同様の動作を行う。
図5は、PWM波形生成回路31における波形を示すタイミングチャートである。図5に示すように、第1の反転回路18の出力端子及び第2の反転回路18Aによって反転された出力はNORゲート19に入力される。このNORゲート19により、PLLのパルス信号の立ち上がりに合わせて立ち上がり、遅延回路101によって遅延された長さのパルス幅を持つ信号がノード20から出力される。
ノード20の出力は、駆動信号生成回路32と、スイッチング回路51と、フィルタ52と、を介して負荷37に供給される。
(軽負荷時の動作)
負荷37への出力電圧がフィードバックされ、フィードバックブロック25に入力される。フィードバックブロック25は出力電圧を分圧し、位相補償して誤差増幅回路26に出力する。ここで、誤差増幅回路26は停止されており、入力電圧はホールド回路27に出力される。
誤差増幅回路26を停止させるのは、軽負荷時にはスイッチング電源回路自身の回路において消費される電力が効率に大きく影響するからである。
しかし、ホールド回路27は、スイッチ41がONされ、直前の重負荷時の動作においてコントローラ40が記憶した電圧値を出力する。
セレクタ29によって選択された比較器28の出力は固定パルス幅生成回路30に入力される。比較器28は、フィードバックブロック25の出力電圧と基準電圧Vrefとを比較し、比較結果を出力する。固定パルス幅生成回路30は、入力した信号に基づいてパルス幅が一定に調整されたクロックをノード17に出力する。
PWM波形生成回路31は、ノード8から入力した電圧を、第1のNchトランジスタ9によって電流に変換する。このとき、電流源11の電流から第1のNchトランジスタ9及び抵抗10を流れる電流を差し引いた電流が第2のNchトランジスタ12に流れる。
この第2のNchトランジスタ12に流れる電流の大きさによって、第3のNchトランジスタ13の可変抵抗としての抵抗値が定まる。
一方、ノード17から入力された比較器28の出力は、相補型反転回路である第4のNchトランジスタ14及び第5のPchトランジスタ15によって、反転された信号として出力される。
この反転信号のLOWへ変化するタイミング、すなわち比較器28出力のパルス信号の立ち上がりのタイミングにて容量16から放電が始まる。この際、第3のNchトランジスタ13の可変抵抗としての抵抗値によって定まる電流値が大きいほど、放電時間は短くなる。従って、HIGHの長さが短い波形が出力される。この出力は第1の反転回路18に出力される。一方、第2の反転回路18Aにはノード17の比較器28出力のパルス信号が入力される。
第1の反転回路18の出力端子及び第2の反転回路18Aによって反転された出力はNORゲート19に入力される。このNORゲート19により、比較器28出力のパルス信号の立ち上がりに合わせて立ち上がり、遅延回路101によって遅延された長さのパルス幅を持つ信号がノード20から出力される。
ノード20の出力は、駆動信号生成回路32と、スイッチング回路51と、フィルタ52と、を介して負荷37に供給される。
ここで、軽負荷時はノード8から入力される電圧が一定となり、ノード17から入力されるパルスの幅が負荷37への出力電圧に基づいて変化する点において、重負荷時がノード8から入力される電圧が負荷37への出力電圧に基づいて変化し、ノード17から入力されるパルスが一定である点と異なる。
すなわち、重負荷時はPLLのクロックを使用して決まった周波数によってスイッチングさせることにより、制御を安定させて出力のリップルを低減させ、出力電圧の変動を抑えることができる。軽負荷時には、多少のリップルを許容し、出力電圧の変動が大きくなるが、負荷に応じてスイッチング間隔を変更することにより電力変換効率を高めることができる。
また、重負荷から軽負荷に切り替わる場合、ホールド回路27は重負荷時に記憶した電圧値をノード8に出力する。従って、軽負荷時には重負荷時とON時間が同じになるような波形を生成するため、制御方法の切り替えに伴うリップルを抑えることが可能となる。
図6は、ノード8の入力電圧と、ノード20における出力信号の様子を示す図である。横軸は時間を、縦軸は電圧を示す。また、実線はノード20の出力信号(pwmout)を、破線はノード8の入力電圧(vctrl)を示す。
図6に示すように、ノード8からの入力電圧を時間とともに上昇させた場合、ノード20の出力信号は、最初は最小のデューティー比であるが、途中からデューティー比が大きくなり、最大のデューティー比に達し、その後最大のデューティー比を維持している。
図7は、PWM波形生成回路31の変形例を示す図である。図7に示すように、PWM波形生成回路31は、PchトランジスタをNchトランジスタに、NchトランジスタをPchトランジスタに変更することにより、他の構成とすることができる。
PWM波形生成回路31は、ゲート端子にノード8が接続され、ソース端子に抵抗502を介してVddが接続され、ドレイン端子が接地された第1のPchトランジスタ501を備える。第1のPchトランジスタ501のドレイン端子には第2のPchトランジスタ506のドレイン端子が接続される。
PWM波形生成回路31は、遅延回路101Aと、第1の反転回路513と、第2の反転回路513Aと、NORゲート514と、を備える。PWM波形生成回路31は、また、第1の電流制限回路53Aと、第2の電流制限回路54Aと、を備えていてもよい。
遅延回路101Aは、第2のPchトランジスタ506とカレントミラー回路を構成する第3のPchトランジスタ507と、相補型反転回路を構成する第4のPchトランジスタ508及び第5のNchトランジスタ509と、容量510と、を含む。
第3のPchトランジスタ507は、ゲート端子が第2のPchトランジスタ506のゲート及びドレイン端子に接続され、ドレイン端子が第4のPchトランジスタ508のソース端子に接続され、ソース端子は電源に接続される。
第4のPchトランジスタ508は、ゲート端子がノード17に接続され、ドレイン端子が第5のNchトランジスタ509のドレイン端子に接続される。
第5のNchトランジスタ509は、ゲート端子がノード17に接続され、ソース端子が接地される。
容量510は、一端が接地され、他端が第4のPchトランジスタ508のドレイン端子、第5のNchトランジスタ509のドレイン端子、及び第1の反転回路513の入力端子に接続される。
第1の反転回路513の出力端子及び第2の反転回路513Aの出力端子は論理素子であるNORゲート514の入力端子に接続される。第2の反転回路513Aの入力端子はノード17に接続される。
第1の電流制限回路53Aは、直列に接続されるスイッチ504と、電流源505と、を備え、スイッチ504の一端は第1のPchトランジスタ501のドレイン端子に接続される。第2の電流制限回路54Aは、直列に接続されるスイッチ511と、電流源512と、を備え、スイッチ511の一端は第3のPchトランジスタ507のドレイン端子に接続される。
この変形例に係るPWM波形生成回路31の動作は、信号の立ち上がりと立下りの関係が逆になり、ノード17の信号の立下りが第3のPchトランジスタ507のON抵抗に比例して遅延量が変化する点以外、上述のPWM波形生成回路31の動作と同様である。
以上述べたように、本実施形態のスイッチング電源回路は、出力信号の立ち上がり又は立下りのタイミングを入力信号によって定める相補型の反転回路、反転回路の出力信号に基づいて充電または放電する容量16、及び反転回路の電流を規制する可変抵抗を備える遅延回路101と、可変抵抗の抵抗値をフィードバックされた出力電圧に基づいて変更するスイッチング素子と、を備える。
従って、相補型の反転回路を遅延回路に採用することにより、スイッチング周波数の高周波化が可能なスイッチング電源回路を提供することができるという効果がある。
以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明のスイッチング電源回路は上記実施形態の構成に限定されるものでない。
当業者は、従来公知の知見に従い、本発明のスイッチング電源回路を適宜改変することができる。このような改変によってもなお本発明のスイッチング電源回路の構成を具備する限り、もちろん、本発明の範疇に含まれるものである。
9 第1のNchトランジスタ
16 容量
13 第3のNchトランジスタ
14 第4のNchトランジスタ
15 第5のPchトランジスタ
25 フィードバックブロック
26 誤差増幅回路
27 ホールド回路
28 比較器
29 セレクタ
30 固定パルス幅生成回路
31 PWM波形生成回路
37 負荷
51 スイッチング回路
52 フィルタ
101 遅延回路
特許第5146022号公報 特許第5445088号公報

Claims (3)

  1. フィードバックされた出力電圧を電流に変換する第1のトランジスタと、
    入力信号の反転信号を出力する相補型の反転回路、前記第1のトランジスタによって変換された電流に基づいて、前記反転回路の電流を変更する第2のトランジスタ、及び前記第2のトランジスタによって電流が変更された前記反転回路の出力信号に基づいて遅延して充電または放電する容量を有する遅延回路と、
    前記入力信号と前記遅延回路の出力に基づいて、立ち上がり又は立下りのいずれか一方が遅延されたPWM波形を生成する論理素子と、
    前記PWM波形に基づいて駆動するスイッチング回路と、
    を備えるスイッチング電源回路。
  2. 負荷に流れる電流値が所定値以上である重負荷時の前記第1のトランジスタに入力する電圧を記憶するホールド回路と、
    出力電圧と基準電圧とを比較する比較器と、
    固定周期クロック又は前記比較器の出力に切り替えるセレクタと、
    前記セレクタの出力に基づいてパルス幅が一定に調整された前記入力信号を生成する固定パルス幅生成回路と、
    をさらに備え、
    負荷に流れる電流が前記所定値未満である軽負荷時の場合、
    前記ホールド回路は、記憶した電圧に基づいて電圧を前記第1のトランジスタのゲート端子に出力し、
    前記セレクタは、前記比較器の出力に切り替える請求項1に記載のスイッチング電源回路。
  3. フィードバックされた出力電圧と基準電圧との差を増幅し、前記ホールド回路に出力する誤差増幅回路をさらに備え、
    前記誤差増幅回路は、
    前記重負荷時に稼働し、前記軽負荷時に停止する請求項2に記載のスイッチング電源回路。

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